ứng dụng khoa học kỹ thuật vào lĩnh vực đời sống điều không xa lạ nay, đặc biệt đối tượng học sinh, sinh viên, công nhân viên chức Nên việc nắm bắt áp dụng khoa học kỹ thuật quan trọng, đặc biệt sinh viên ngành kỹ thuật Qua quan sát thực tế, máy rót nước sử dụng phổ biến thị trường phải dùng tay vặn vòi dẫn đến bất tiện vệ sinh (đặt biệt nơi công cộng) Từ việc nhận thấy bất tiện này, qua vận dụng kiến thức học học phần “Cảm biến chuyển năng” nên nhóm chúng em đề xuất nghiên cứu đề tài: “Máy rót nước tự động dùng cảm biến siêu âm HC-SR04”
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ ******* BÁO CÁO ĐỒ ÁN CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN NĂNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÁY RÓT NƯỚC TỰ ĐỘNG DÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04 GVHD: T.S Nguyễn Hữu Cường Sinh viên thực hiện: Hạ Minh Quang B1709174 Nguyễn Quốc Thắng B1709182 Nguyễn Minh Trí B1709188 Cần Thơ, tháng 12 năm 2020 LỜI NĨI ĐẦU Trong thời đại cơng nghiệp hóa, đại hóa cần tiến khoa học kỹ thuật,việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào lĩnh vực đời sống điều không xa lạ nay, đặc biệt đối tượng học sinh, sinh viên, công nhân viên chức Nên việc nắm bắt áp dụng khoa học kỹ thuật quan trọng, đặc biệt sinh viên ngành kỹ thuật Qua quan sát thực tế, máy rót nước sử dụng phổ biến thị trường phải dùng tay vặn vòi dẫn đến bất tiện vệ sinh (đặt biệt nơi công cộng) Từ việc nhận thấy bất tiện này, qua vận dụng kiến thức học học phần “Cảm biến chuyển năng” nên nhóm chúng em đề xuất nghiên cứu đề tài: “Máy rót nước tự động dùng cảm biến siêu âm HC-SR04” Với hướng dẫn giúp thầy Nguyễn Hữu Cường với tìm tịi tham khảo internet, sách, nhóm chúng em hoàn thành mục tiêu đặt Nhóm em xin chân thành cám ơn thầy cung cấp kiến thức tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành đề tài MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC .3 I GIỚI THIỆU CẢM BIẾN: Cảm biến siêu âm HC-SR04: a Giới thiệu: b Cấu tạo: .4 c Nguyên lý chuyển đổi lượng: d Nguyên lý hoạt động: Arduino Mega 2560: II KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CẢM BIẾN: Thu thập số liệu vào/ra: Đặc tuyến quan hệ vào/ra: Độ nhạy, độ lệch, độ phi tuyến, độ trễ: Phương trình biểu diễn quan hệ vào/ra: Độ lặp, hàm mật độ xác suất cho sai số: 10 III XÂY DỰNG TÍNH ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐO: .12 Giới thiệu, mô tả hoạt động hệ thống đo: 12 a Giới thiệu: .12 b Mô tả hệ thống, nguyên lý hoạt động: 12 Sơ đồ kết nối thành phần hệ thống: 14 Lưu đồ giải thuật code lập trình: 15 Kết quả: 18 Hình ảnh sản phẩm: 18 I GIỚI THIỆU CẢM BIẾN: Cảm biến siêu âm HC-SR04: a Giới thiệu: Cảm biến HC-SR04 sử dụng phổ biến để xác định khoảng cách giá thành rẻ độ xác cao (độ xác gần phụ thuộc vào cách lập trình) Cảm biến sử dụng sóng siêu âm đo khoảng cách khoảng từ đến 300 cm Hình ảnh cảm biến HC-SR04 b Cấu tạo: Gồm phần thu – phát tín hiệu loa gốm chân (Vcc, Trig, Echo, GND) Chân Vcc nối với nguồn 5V, chân Trig nối với ngõ phát vi điều khiển, chân Echo nối với ngõ thu vi điều khiển GND nối âm Thông số kỹ thuật: - Nguồn làm việc: 5V (một số mạch điện tử cấp nguồn 3.3V hoạt động bình thường cảm biến siêu âm cần hoạt động mức 5V) - Dòng tiêu thụ: nhỏ 2mA - Tín hiệu đầu ra: xung HIGH (5V) LOW (0V) - Khoảng cách đo: 2cm - 300cm - Tín hiệu input trigger: Xung TTL 10µs - Tín hiệu Echo: tín hiệu output TTL PWL c Nguyên lý chuyển đổi lượng: Sóng âm tạo chuyển đổi lượng từ điện thành sóng phát từ đầu phát tín hiệu tần số cao, ngắn đặn liên tục Chúng lan truyền không khí với vận tốc âm Nếu chúng tiếp xúc với vật thể, chúng bị phản xạ trở lại dạng tín hiệu dội tới đầu thu cảm biến d Nguyên lý hoạt động: Để đo khoảng cách, ta phát xung ngắn (10 microSeconds) từ chân Trig Sau đó, cảm biến siêu âm tạo xung HIGH chân Echo nhận lại sóng phản xạ pin Chiều rộng xung với thời gian sóng siêu âm phát từ cảm biển quay trở lại Tốc độ âm khơng khí 340 m/s (hằng số vật lý) Khi tính thời gian, ta cho tốc độ âm (340 m/s) chia cho Lưu ý: sóng siêu âm phát xa độ xác giảm bị dội lại gặp số loại vật cản, phát sóng siêu âm vào chăn, nệm bạn khơng nhận sóng phản hồi Ngồi ra, vận tốc âm bị ảnh hưởng nhiệt độ áp suất khơng khí, nên giá trị vận tốc 0.034 cm/us thay đổi tăng giảm phụ thuộc vào điều kiện môi trường tiến hành khảo sát Arduino Mega 2560: Arduino Mega 2560 phiên nâng cấp Arduino Uno R3, dử dụng chíp dán có nhớ nhiều Với kích thước board lớn nên tích hợp nhiều chân giao tiếp, hỗ trợ tốt cho ứng dụng phức tạp, yêu cầu kết nối nhiều thiết bị Thông số kỹ thuật bản: Vi điều khiển chính: ATmega2560 IC nạp giao tiếp UART: ATmega16U2 Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB từ jack DC Số chân Digital I/O: 54 (15 chân có khả xuất xung PWM) Số chân GND: Số chân 5V: Số chân 3.3V: Số nút Reset: Số chân Analog: 16 Số chân UART: Số chân lập trình ISP: Dòng điện DC chân I/O: 20mA Dòng điện DC chân 3.3V: 50mA Flash Memory: 256 KB KB sử dụng cho bootloader SRAM: KB EEPROM: KB Clock Speed: 16 MHz (Thạch anh) LED_BUILTIN: 13 Kích thước: 101.52 x 53.3 mm Sơ đồ đấu nối Board Arduino Mega 2560 cảm biến siêu âm HC-SR04 Cảm biến siêu âm HC-SR04 Vcc Trig Echo Gnd Board Arduino Mega 2560 5V Pin Pin GND II KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CẢM BIẾN: Thu thập số liệu vào/ra: Vị trí đo Khoảng cách thực tế Input (cm) 10 15 20 25 30 35 40 45 10 50 Giá trị đo pha giảm Giá trị đo pha tăng Output(I ↓) (cm) Output(I ↑) (cm) 5.02 5.27 9.94 9.92 15.48 15.3 19.84 19.46 25.00 24.95 29.54 29.93 34.99 35.05 39.58 39.64 44.69 44.69 49.78 49.23 Đặc tuyến quan hệ vào/ra: Độ nhạy, độ lệch, độ phi tuyến, độ trễ: Độ nhạy: Độ lệch: Độ trễ: Độ phi tuyến: Vị trí đo 10 Input (cm) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Output(I ↓) (cm) 5.02 9.94 15.48 19.84 25.00 29.54 34.99 39.58 44.69 49.78 Độ trể H(I) -0.25 0.02 0.18 0.38 0.05 -0.39 -0.06 -0.06 0.55 Độ phi tuyến N(I) -0.06 0.52 -0.11 0.09 -0.35 0.13 -0.26 -0.12 Phương trình biểu diễn quan hệ vào/ra: 10 Phương trình đặc tuyến quan hệ vào/ra: Độ lặp, hàm mật độ xác suất cho sai số: I = 25cm Số lần lặp: 50 lần Giá trị đo 24.88 24.89 24.98 25.00 25.02 Số lần lặp lại 14 27 11 Đồ thị hàm mật độ xác xuất 12 Code khảo sát cảm biến siêu âm HC-SR04 III XÂY DỰNG TÍNH ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐO: Giới thiệu, mô tả hoạt động hệ thống đo: a Giới thiệu: Nhằm tạo tiện lợi đảm bảo vệ sinh q trình rót nước, với việc kết hợp kiến thức học phần Cảm biến chuyển năng, nhóm chúng em định thiết kế Máy rót nước tự động dùng cảm biến HC-SR04 Máy rót khơng tự động rót nước đặt bình vào mà tự động ngắt nước gần đầy ly b Mô tả hệ thống, nguyên lý hoạt động: Hệ thống bao gồm cảm biến siêu âm HC-SR04, cảm biến hồng ngoại phát vật cản, van điện từ, rơ-le, khung máy, ống dẫn nước (vòi) Board điều khiển Arduino Mega 2560 13 Nguyên lý hoạt động: - Khi đặt ly cốc nước (chiều cao từ - 15cm) vào khay, cảm biến hồng ngoại đặt cố định mức nhận diện chiều cao ly - Sau hệ thống kích hoạt rơ-le, mở van điện từ để rót nước vào ly - Cảm biến siêu âm đo chiều cao mực nước ly Khi mực nước tiến tới giá trị cài đặt tương ứng cho mức chiều cao ly hệ thống tắt van điện từ dừng rót nước Mức Chiều cao Mức cm 10 cm 12.5 cm 15 cm Mực nước rót vào ly 4.5 cm 8.5 cm 11 cm 13.5cm 14 Sơ đồ kết nối thành phần hệ thống: Bảng kết nối Arduino thiết bị sử dụng hệ thống Tên thiết bị Mức tác động Tên chân kết Port Arduino nối Cảm biến siêu âm Echo HC-SR04 Trig Cảm biến hồng ngoại Thấp (= 0) Out (1) Thấp (= 0) Cảm biến hồng ngoại Out (2) Thấp (= 0) Cảm biến hồng ngoại Out (3) Thấp (= 0) Cảm biến hồng ngoại Out (4) Thấp (= 0) Rơ-le (kết nối với In 12 Van) Thấp (= 0) Led đơn Chân âm 13 Sơ đồ kết nối chi tiết thiết bị 15 Lưu đồ giải thuật code lập trình: 16 Code chương trình 17 18 Kết quả: Máy rót nước tự động hoạt động ổn định thiết kế ban đầu Máy nhận diện tốt ly nhựa thủy tinh Lượng nước ly sau rót xong tương ứng với chiều cao tùng loại ly, khơng q khơng bị tràn Thời gian rót nước nhanh, thuộc vào lượng nước bình chứa cịn lại nhiều hay Hình ảnh sản phẩm: 19 20 21 22 ... kiến thức học phần Cảm biến chuyển năng, nhóm chúng em định thiết kế Máy rót nước tự động dùng cảm biến HC- SR04 Máy rót khơng tự động rót nước đặt bình vào mà tự động ngắt nước gần đầy ly b Mô... nối Board Arduino Mega 2560 cảm biến siêu âm HC- SR04 Cảm biến siêu âm HC- SR04 Vcc Trig Echo Gnd Board Arduino Mega 2560 5V Pin Pin GND II KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CẢM BIẾN: Thu thập số liệu vào/ra:... lập trình: 15 Kết quả: 18 Hình ảnh sản phẩm: 18 I GIỚI THIỆU CẢM BIẾN: Cảm biến siêu âm HC- SR04: a Giới thiệu: Cảm biến HC- SR04 sử dụng phổ biến để xác định khoảng