TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG 1 ĐỀ TÀI MÔ HÌNH ĐO MỰC CHẤT LỎNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM HIỂN THỊ KHOẢNG CÁCH TRÊN LCD BẰNG ARDUINO Giáo viên hướng dẫn Lê Uyên Anh Vũ Sinh viên thực hiện Trương Ngọc Hiệp Mã số sinh viên 1951040051 Lớp DV19 TPHCM, ngày 1 tháng 4 năm 2022 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG 3 1 1 Giới thiệu đề tài 3 1 2 Các yêu cầu cơ bản 5 1 3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 6 1 3 1 Phương pháp 6 1 3 2 Ph.
TỔNG QUAN HỆ THỐNG
Giới thiệu đề tài
Âm học, bắt nguồn từ thời Pythagoras vào thế kỷ 6 trước Công nguyên, đã khám phá các tính chất toán học của nhạc cụ dây Vào năm 1794, Lazzaro Spallanzani phát hiện khả năng định vị bằng âm thanh của dơi, chứng minh rằng chúng săn mồi và di chuyển chủ yếu nhờ âm thanh không nghe được Năm 1893, Francis Galton phát minh ra còi Galton, một thiết bị tạo ra sóng siêu âm, để đo phạm vi thính giác của con người và động vật, cho thấy nhiều loài có khả năng nghe âm thanh ngoài phạm vi thính giác của con người Công nghệ sóng siêu âm được ứng dụng lần đầu tiên vào năm 1917 bởi Paul Langevin nhằm phát hiện tàu ngầm.
Một số nhà sản xuất cảm biến siêu âm phổ biến hiện nay như Maxbotix, MigatronCorp, PKP, KEYENCE
Hiện nay khoa học kĩ thuật ngày càng được chú trọng vào phát triển và ứng dụng khoa học kĩ thuật vào thực tiễn
Cảm biến siêu âm được phát triển để đo vận tốc, chiều dài và khoảng cách ở những khu vực nguy hiểm mà con người không thể tiếp cận Một trong những loại cảm biến siêu âm phổ biến hiện nay là HC-SR04, nổi bật với độ chính xác cao trong khoảng cách từ 2 đến 400 cm và giá thành phải chăng.
Để áp dụng kiến thức từ môn học "Cảm biến và hệ thống đo" vào thực tiễn, tôi đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu.
“Xây dựng hệ thống đo mức chất lỏng trong bình chứa sử dụng cảm biến siêu âm
Hình 1: Ứng dụng trong nước thải đô thị
Hình 3: Cảm biến siêu âm để đo mức nước trong mương
Các yêu cầu cơ bản
-Hệ thống phù hợp với nhu cầu của người tiêu dùng, của các doanh nghiệp.
-Giá thành của hệ thống phù hợp và kết cấu nhỏ gọn
-Sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 kết hợp với mạch Arduino.
-Sai số trung bình khoảng 0,15% đối với khoảng cách 2m trở lại
-Hoạt động ổn định ở môi trường có nhiệt độ từ 60°C trở xuống và áp suất khoảng
-Hiển thị trên thanh LCD, LED và Loa cảnh báo.
Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
- Nghiên cứu về nguyên lý hoạt động của cảm biến HC-SR04 thông qua các tài liệu trên internet.
-Tìm hiểu kĩ hơn về mạch điều khiển Arduino mô phỏng trên Proteus và cách kết nối với máy tính.
-Tìm các công thức toán học để tính ra dung tích nước, lưu lượng máy bơm thông qua giá trị khoảng cách đo được từ cảm biến.
- Đề xuất và nghiên cứu về các linh kiện sẽ có trong mạch và các linh kiện bảo vệ.
- Mô phỏng mạch trên ứng dụng Proteus.
- Dựa và tham khảo vào các mô hình tham khảo trên Internet để cải tiến thiết kế và mục đích sử dụng
1.3.2 Phạm vi đề tài và giới hạn nghiên cứu
- Ngoài ứng dụng để đo mức nước, cảm biến siêu âm còn dùng để đo mức chất lỏng khác như: dầu ăn, nước trái cây,
Sản phẩm này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và hộ gia đình nhằm đảm bảo an toàn cho các bình chứa và bể chứa Nó giúp ngăn chặn những sự cố tr
Ý nghĩa thực tiễn
Đo lưu lượng đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp và nghiên cứu khoa học, đặc biệt trong việc kiểm soát măng và động cơ đốt Ngoài ra, sản phẩm này có thể được phát triển thêm để ứng dụng trong việc đo khoảng cách và thăm dò những khu vực mà con người chưa thể tiếp cận.
GIỚI THIỆU LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
2.1 Phân tích và lựa chọn cảm biến siêu âm
Trên thị trường hiện có nhiều loại cảm biến đo khoảng cách, mỗi loại phù hợp với nhu cầu về độ chính xác, chi phí, mục đích sử dụng và môi trường khác nhau Dưới đây là bốn loại cảm biến thường được sử dụng để đo khoảng cách.
Cảm biến đo khoảng cách bằng laser hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ của tia laser, được ưa chuộng nhờ tính ứng dụng cao trong nhiều môi trường Loại cảm biến này nổi bật với độ chính xác cao, đa tính năng và kích thước nhỏ gọn, giúp tiết kiệm thời gian và có khả năng đo trên phạm vi rộng Tuy nhiên, máy sử dụng cảm biến này thường cần pin và phải nạp năng lượng thường xuyên, đồng thời việc sửa chữa khi xảy ra sự cố cũng gặp khó khăn, đòi hỏi nhiều thao tác trên các nút bấm bằng tay.
Cảm biến điện dung là thiết bị hữu ích để phát hiện chất lỏng và chất rắn, đồng thời đo mức liên tục với tín hiệu đầu ra 4-20mA hoặc 0-10V Ngoài ra, cảm biến này còn có khả năng nhận biết các vật không phải kim loại Tuy nhiên, cảm biến điện dung có thể hoạt động kém hiệu quả hơn và chỉ cung cấp những số liệu tương đối.
Cảm biến điện dung là thiết bị chuyên dụng để phát hiện chất lỏng và chất rắn, đồng thời đo mức liên tục với tín hiệu đầu ra 4-20mA hoặc 0-10V Thiết bị này có khả năng nhận diện các vật không phải kim loại và hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện dung của tụ điện bên trong Cảm biến điện dung có hiệu suất cao trong các môi trường khắc nghiệt như nơi dễ cháy nổ, nhiệt độ và áp suất cao Tuy nhiên, nó cũng có hạn chế về khoảng cách nhận biết và nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường.
Cảm biến siêu âm là thiết bị có độ chính xác cao, có khả năng nhận diện mọi loại nguyên vật liệu Việc đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y học và công nghiệp.
Sau khi nghiên cứu và đánh giá các loại cảm biến đo khoảng cách trên thị trường, tôi đã quyết định chọn cảm biến siêu âm HC-SR04 cho đề tài của mình, vì nguyên lý hoạt động của nó đáp ứng tốt nhất các yêu cầu cần thiết.
2.1.1 Cảm biến siêu âm HC-SR04
Tên module cảm biến siêu âm
Thông số kĩ thuật Độ chính xác
-Tần số hoạt động: 40KHz -Điện áp hoạt động: 5V -Dòng tiêu thụ: 10-40mA -Góc quét: d1cm
Led xanh sáng (Hệ thống hoạt động bình thường)
Led xanh sáng (Hệ thống hoạt động bình thường)
Còi báo bật, Led đỏ vẫn sáng (Đưa ra mức cảnh báo nguy hiểm)
Còi báo bật, Led đỏ vẫn sáng (Đưa ra mức cảnh báo nguy hiểm)
3.4 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Protues
3.4.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng Protues
Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện tử mạnh mẽ, cho phép thiết kế mạch và lập trình điều khiển cho các vi điều khiển như MCS-51, PIC, AVR và nhiều loại khác Được phát triển bởi Lancenter Electronics, Proteus hỗ trợ hầu hết các linh kiện điện tử phổ biến và cung cấp khả năng mô phỏng cho các MCU như PIC, 8051, AVR và Motorola Phần mềm bao gồm hai chương trình chính: ISIS, cho phép mô phỏng mạch, và ARES, dùng để thiết kế mạch in Với khả năng hỗ trợ các dòng vi điều khiển như PIC, 8051, AVR, HC11, MSP430 và ARM7/LPC2000, cùng với các giao tiếp I2C, SPI, CAN, USB và Ethernet, Proteus là công cụ lý tưởng cho việc mô phỏng các mạch số và mạch tương tự.
Tiến hành mô phỏng các trường hợp xảy ra để xem kết quả hiển thị từ đó điều chỉnh chương trình cho tối ưu nhất
Hình 15: Khoảng cách ở mức an toàn , led xanh được bật, led đỏ tắt
3.5 Thiết kế mạch đo trên phần mềm Fritzing
Fritzing là phần mềm CAD phổ biến, lý tưởng cho việc thiết kế phần cứng điện tử, giúp sinh viên và người dùng dễ dàng mô phỏng mạch thực tế hơn so với các phần mềm khác.
Sử dụng Module I2C giúp giảm số chân kết nối cần thiết cho LCD, từ đó tối ưu hóa mô hình khi kết nối với Arduino và mang lại sự tiện lợi hơn trong quá trình sử dụng.
Hình 17: Mô phỏng mạch đo của hệ thống
3.6 Xây dựng chương trình code điều khiển
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); float d_cm; float time; float distance; void setup() {
To initialize the ultrasonic sensor and display settings, start by setting the baud rate with `Serial.begin(9600)` Configure the trigger and echo pins as output and input respectively using `pinMode(trigPin, OUTPUT)` and `pinMode(echoPin, INPUT)` Additionally, set up the green and red LEDs along with other outputs by using `pinMode(greenled, OUTPUT)`, `pinMode(4, OUTPUT)`, `pinMode(redled, OUTPUT)`, and `pinMode(loa, OUTPUT)` Initialize the LCD with `lcd.begin(16,2)` and display the message "Do khoang cach" followed by "Cam bien sieu am" after a brief delay Clear the LCD and show "Ngoc Hiep" for two seconds to complete the setup process.
In the loop function, the LCD is cleared, and the trigPin is set to LOW before a brief delay The pulseIn function measures the time it takes for the echo signal to return, which is then used to calculate the distance in centimeters using the formula distance = time / 29.1 / 2 The LCD displays the calculated distance and the remaining distance to a reference point (17 cm) After a one-second delay, if the distance is 4 cm or less, an alarm is triggered by activating a buzzer, turning on a red LED, turning off a green LED, and stopping the water pump.
} else // ngược lại digitalWrite(loa, LOW); digitalWrite(redled, LOW); digitalWrite(greenled, HIGH); digitalWrite(4, HIGH);
THI CÔNG MẠCH VÀ YÊU CẦU ĐẠT ĐƯỢC
Hình 18 (a): Sản phẩm sau khi thi công
Hình 18(b): Sản phẩm sau khi thi công
4.2 Thực hành và đọc kết quả
Hình 19(a): Kết quả đo lần 1
Hình 19(b): Kết quả đo lần 2
Hình 19(c): Kết quả đo lần 3
Khoảng cách từ bề mặt mực nước đến cảm biến
Khoảng cách mực nước trong bể Led Mức độ
Lần 1 16.24 cm 0 cm Xanh An toàn
Lần 2 12.80 cm 4.20 cm Xanh An toàn
Lần 3 2.13 cm 14.87 cm Đỏ Nguy hiểm
Bảng đọc kết quả thực hành
4.3 Đánh giá sản phẩm Ưu điểm Nhược điểm
Cảm biến siêu âm đo mức nước không tiếp xúc với môi chất, mang lại ưu điểm vượt trội so với các loại cảm biến tiếp xúc Nhờ vào khả năng này, tuổi thọ của cảm biến siêu âm sẽ bền hơn rất nhiều, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong quá trình sử dụng.
• Thiết kế nhỏ gọn nhưng vẫn đạt chuẩn công nghiệp.
• Điều chỉnh được khoảng cách bất kỳ trong khoảng cách mà cảm biến đo được.
• Độ chính xác cao so với cảm biến điện dung.
• Thời gian đáp ứng nhanh
• Đo được hầu hết các loại chất rắn và chất lỏng
• Cảm biếu siêu âm sẽ có điểm chết không đo được nằm gần cảm biến.
• Khoảng cách lắp đặt với thành bồn phải có một khoảng cách phù hợp với khoảng cách đo của cảm biến.
• Không thể đo được khi có vật cản trong phạm vi đo
• Nhiệt độ max 80oC và áp suất làm việc thấp max 1 bar
• Các trường hợp có bọt thì cảm biến không phân biệt được
• Để đo chính xác chúng ta cần phải cài đặt lại theo khoảng cách đo
Ứng dụng vào đo bể chứa hồ thủy điện , kênh mương
Ứng dụng rộng rãi vào các xí nghiệp nhỏ và hộ gia đình như là đo mực chất lỏng trong bể ( xăng dầu , hóa chất lỏng,…….)
Hệ thống cho phép đo từ xa mức nước và mực nước kênh tưới tiêu, giúp điều chỉnh sử dụng mức nước một cách hợp lý và hiệu quả.
Hiện nay, nhiều dòng ô tô được trang bị cảm biến siêu âm ở cả phần đầu và đuôi xe Khi cảm biến phát hiện khoảng cách gần giữa xe và vật thể, nó sẽ phát tín hiệu cảnh báo cho tài xế, giúp ngăn ngừa va chạm.
Cảm biến siêu âm trong công nghiệp được sử dụng để phát hiện dị tật sản phẩm, nhận diện sản phẩm bị ngã đổ trên băng chuyền, cũng như phát hiện các sản phẩm bị nứt hoặc bể.
Ngoài ra, người ta còn dùng cảm biến siêu âm để đo mức nhiên liệu trong bể hoặc xác định kích thước của sản phẩm
