Sử dụng cảm biến siêu âm phát hiện mực nước khởi động máy bơm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ  BÁO CÁO HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỀ TÀI Sử dụng cảm biến siêu âm phát hiện mực nước khởi động máy bơm Giảng viên hướng dẫn Ths Nguyễn.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ - - BÁO CÁO HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỀ TÀI Sử dụng cảm biến siêu âm phát mực nước khởi động máy bơm Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Ths Nguyễn Lê Thế Duy Nguyễn Quốc Khanh 2000657 Nguyễn Thanh Đạt 2000149 Huỳnh Thị Yến Nhi 2000261 Ngành: CNKTĐK & TĐH – 2020 Cần Thơ – năm 2022 LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật thay đổi ngày, - người kỹ thuật phải thay đổi tầm nhìn để theo kịp cơng nghệ đại Trọng tâm khoa học kỹ thuật văn minh cơng nghiệp đặt vào lĩnh vực công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu, công nghệ lượng, công nghệ sinh học công nghệ tự động Từ VI ĐIỀU KHIỂN đời, tạo nên bước ngoặc cho phát triển tự động hóa cơng nghiệp, xuất VĐK hệ thống điều khiển công nghiệp chứng minh điều đó.Hệ thống điều khiển dùng VĐK có khả chống nhiều, giao tiếp cơng suất tính đơn giản lập trình, khả tích hợp sâu vào hệ thống nhúng Cùng với đời phần mềm giám sát thu thập liệu, VĐK trở thành lựa chọn hoàn hảo cho hệ thống điều khiển tự động công nghiệp Nhằm ứng dụng kiến thức trang bị q trình học tập vào thực tế, nhóm thực lựa chọn đề tài “Đo mức nước dùng cảm biến siêu âm điều khiển máy bơm nước" MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 1.1.Giới thiệu sơ lược đề tài 1.2 Giới thiệu thiết bị phần cứng sử dụng cho mạch cửa tự động: 1.2.1.ArduinoUno 1.2.2.Động chiều DC 1.2.3Cảm biến siêu âm SRS05 1.2.4.Module điều khiển động L298N CHƯƠNG THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH GIAO TIẾP ARDUINO VỚI SIMULINK 2.1.Giới thiệu phần mềm mô Matlab Simulink: 2.2.Sơ đồ điều khiển lưu đồ giải thuật 10 2.3.Mơ hình điều khiển Simulink 11 CHƯƠNG 3.KẾT LUẬN 14 3.1.Ưu điểm: 15 3.2.Nhược điểm: 15 3.3.Hướng phát triển đề tài 15 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu sơ lược đề tài Với yêu cầu đề tài trên, đối tượng đề tài thực hệ thống bồn nước, hệ thống bồn nước hình thành với hệ thống bơm chất lỏng giữ ổn định mực chất lỏng bồn trì ổn định, chống tràn bể cạn bể Để làm điều này, địi hỏi ta phải điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm vào hệ thống bồn nước, làm mực nước bồn mức cho phép Việc điều khiển hệ thống để giữ mức chất lỏng bồn ổn định tương đối khó, cần phải có đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm lưu lượng nước xả thay đổi Khoa học kỹ thuật ngày phát triển, đặc biệt ngành tự động điều khiển, ứng dụng rộng rãi đời sống, cơng nghiệp.Vì cần phải có điều khiển đại, xác đáng tin cậy Điều khiển mờ lựa chọn tốt cho ứng dụng cơng nghiệp với độ xác, ổn định độ tin cậy cao Với phát triển kỹ thuật điều khiển tự động có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng hệ thống bồn nước, chúng em sử dụng điều khiển mờ để điều khiển cảm biến siêu âm để đo mức nước, có sử dụng rơ le để điều khiển tốc độ máy bơm nước 1.2 Giới thiệu thiết bị phần cứng sử dụng cho mạch cửa tự động: Hình 1.2 Arduino Uno 1.2.1 ArduinoUno Arduino Uno bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa vi điều khiển Microchip ATmega328 phát triển Arduino.cc Bảng mạch trang bị chân đầu vào đầu Digital Analog giao tiếp với bảng mạch mở rộng khác Mạch Arduino Uno thích hợp cho bạn tiếp cận đam mê điện tử, lập trình…Dựa tảng mở Arduino.cc cung cấp bạn dễ dàng xây dựng cho dự án nhanh (lập trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật tắt led…) o Thông số kỹ thuật Chip điều khiển Atmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào (khuyên dùng) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V Số chân Digital 14 (of which provide PWM output) Số chân PWM Digital Số chân Analog Dòng điện DC chân I/O 20 mA Dòng điện DC chân 3.3V 50 mA Flash Memory 32 KB (ATmega328P) of which 0.5 KB SRAM used bootloader KBby (ATmega328P) EEPROM KB (ATmega328P) Tốc độ thạch anh 16 MHz LED_BUILTIN 13 Chiều dài 68.6 mm Chiều rộng 53.4 mm Cân nặng 25 g o Power: LED: Có LED tích hợp bảng mạch nối vào chân D13 Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) LED sáng LED tắt mức thấp (LOW) VIN: Chân dùng để cấp nguồn (điện áp cấp từ 7-12VDC) 5V: Điện áp 5V (dòng điện chân tối đa 500mA) 3V3: Điện áp 3.3V (dòng điện chân tối đa 50mA) GND: Là chân mang điện cực âm board IOREF: Điệp áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đọc điện áp chân IOREF Chân IOREF không dùng để làm chân cấp nguồn o Bộ nhớ Vi điều khiển ATmega328: 32 KB nhớ Plash: bootloader chiếm 0.5KB KB cho SRAM: (Static Random Access Menory): giá trị biến khai báo lưu Khai báo nhiều biến tốn nhiều nhớ RAM Khi nguồn liệu SRAM bị KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): Là nơi đọc ghi liệu vào không bị liệu nguồn o Các chân đầu vào đầu Trên Board Arduino Uno có 14 chân Digital sử dụng để làm chân đầu vào đầu chúng sử dụng hàm pinMode(), digitalWrite(), digitalRead() Giá trị điện áp chân 5V, dịng chân 20mA bên có điện trở kéo lên 20-50 ohm Dòng tối đa chân I/O không vượt 40mA để tránh trường hợp gây hỏng board mạch Ngoài ra, số chân Digital có chức đặc biệt: Serial: (RX) (TX): Được sử dụng để nhận liệu (RX) truyền liệu (TX) TTL Ngắt ngoài: Chân PWM: 3, 5, 6, 11 Cung cấp đầu xung PWM với độ phân giải bit hàm analogWrite () SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Các chân hỗ trợ giao tiếp SPI thư viện SPI LED: Có LED tích hợp bảng mạch nối vào chân D13 Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) LED sáng LED tắt mức thấp (LOW) TWI/I2C: A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác Arduino Uno R3 có chân Analog từ A0 đến A5, đầu vào cung cấp độ phân giải 10 bit 1.2.2 Động chiều DC Hình 1.3 Động DC Động chiều motor DC động điều khiển dịng điện có hướng xác định Đầu dây động thường có hai dây VCC GND Và động sử dụng cho mạch động 540 Cấu tạo bao gồm phần stator (phần cảm), roto (phần cứng), phần chỉnh lưu: - Stato động điện chiều thường hay nhiều nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện - Roto có cuộn dây quấn thường nối với nguồn điện chiều - Bộ phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện chuyển động quay roto liên tục, thông thường phận có cổ góp chổi than tiếp xúc với cổ góp Thơng số kỹ thuật - Dải điện áp: 6-12V - Ở mức 6V dòng điện1.3A tốc độ quay 4500 vòng/phút - Ở mức 12V dòng điện 1.95A tốc độ quay 18500 vòng/phút - Chiều dài 50mm - Đường kính thân động 35,5mm - Lỗ bắt ốc: M3 - Đường kính trục: 3.175mm - Trọng lượng khoảng 161g 1.2.3 Cảm biến siêu âm SRS05 Thông số kỹ thuật: - Điện áp cung cấp: DC 5V - Cường độ dòng điện tiêu thụ: 2mA - Điện áp ngõ mức cao: 5V - Điện áp ngõ mức thấp: 0V - Góc phát hiện: không 15 độ - Khoảng cách phát hiện: 2cm - 450cm - Độ xác cao: lên đến 0.3cm Hình 1.4 Cảm biến siêu âm SRS05 Sơ đồ chân: - Chân Vcc : chân cấp 5V - Chân Trigger: chân kích hoạt q trình phát sóng âm Q trình kích hoạt chu kỳ điện áp cao/thấp diễn - Chân Echo : chân nhận tín hiệu, bình thường trạng thái 0V, kích hoạt lên 5V sau có tín hiệu trả về, sau trả 0V - Chân OUT : chân nhận tín hiệu chế độ - Chân GND chân cấp nguồn 0V Nguyên lý hoạt động: Chế độ 1: Để đo khoảng cách, phát xung ngắn (5 microSeconds) từ chân TRIG Sau cảm biến tạo xung HIGH phản xạ chân Chiều rộng xung với thời gian sóng siêu âm phát từ cảm biến quay trở lại Tốc độ tương đương 29.412 microSeconds/cm (1 000 000/(340*100)) Khi tính thời gian ta chia cho 29.412 để lấy khoảng cách Chế độ 2: Ta sử dụng chân OUT để cảm biến vừa phát xung vừa nhận xung phản xạ về, chân chế độ nối đất Tín hiệu hồi tiếp xuất chân với tín hiệu kích hoạt Cảm biến khơng tăng dịng phản hồi 700 microSeconds sau kết thúc tín hiệu kích hoạt bạn có thời gian để kích hoạt pin xoay quanh làm cho trở thành đầu vào 1.2.3 Module điều khiển động L298N Hình 1.5 Module L298N Mạch điều khiển tốc độ L298N có khả điều khiển nhiều động lúc Sử dụng IC L298N có cấu tạo gồm hai mạch cầu H transitor o Thông số kỹ thuật - Điện áp đầu vào 5-30V - Dòng điện tối đa cho động 2A - Điện áp tín hiệu điều khiển là: 5-7V - Dòng điện yêu cầu tín hiệu điều khiển 0-36mA o Sơ đồ chân module L298N OUT A 12V GND 5V ENA IN1 IN2 IN3 IN4 ENB OUT B Hình 1.6 Sơ đồ chân Module L298N - Chân 12V Power cấp nguồn cho mạch L298N nguồn động lực cho động - Chân 5V Power dùng cấp nguồn cho Arduino, Jumber 5V enable - Chân GND chân cấp MASS cho mạch, sử dụng vi điều khiển cần nói GND cho mạch với GND vi điều khiển - Chân Enable chân cho phép ngỏ động hoạt động dừng mặc định mạch có Jumper A Enable B Enable cho phép chạy - Chân IN1, IN2 điều khiển tốc độ động thông qua ngỏ output A - Chân IN3, IN4 điều khiển tốc độ động thông qua ngỏ output B - Chân output A, output B chân động 1,2 Hình 1.7 Mạch cầu H Mạch cầu H transitor: cầu H phương pháp hiệu hiệu để điều khiển động nhiều ứng dụng điện tử đặc biệt robot Mạch gồm transistor tạo thành cầu H Các diot D1 đến D4 có chức bảo vệ transistor lưỡng cực tương ứng khỏi bị hư hại Các điện trở R1 đến R4 giới hạn dòng cực B transistor tương ứng Nguyên lý làm việc mạch dễ hiểu Khi đầu nối D nối đất A kéo +Vcc, transistor Q1 Q4 dẫn dòng điện qua động từ trái sang phải Khi đầu nối B nối đất C kéo +Vcc, transistor Q3 Q2 bật dòng điện chạy qua động từ phải sang trái làm cho động quay theo hướng ngược lại CHƯƠNG THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH GIAO TIẾP ARDUINO VỚI SIMULINK 2.1 Giới thiệu phần mềm mô Matlab Simulink: Simulink phát triển MathWorks, mơi trường lập trình đồ họa để lập mơ hình, mơ phân tích hệ thống động đa miền Giao diện cơng cụ sơ đồ khối đồ họa tập hợp thư viện khối tùy chỉnh Nó cung cấp tích hợp chặt chẽ với phần cịn lại mơi trường MATLAB điều khiển MATLAB dũ liệu từ Simulink sử dụng rộng rãi điều khiển tự động xử lý tín hiệu số cho mô đa miền thiết kế dựa mơ hình 2.2 Sơ đồ điều khiển lưu đồ giải thuật Hình 2.2 Lưu đồ giải thuật Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển Sơ đồ điều khiển: đọc giá trị cảm biến SRS05 gởi vào Arduino đưa vào điều khiển mờ Fuzzy để xử lý để đưa xung PWM cho phù hợp để cấp cho L298 điều khiển máy bơm 10 2.3 Mơ hình điều khiển Simulink Đầu tiên tín hiệu từ cảm biến đưa vào khối Ultrasonic Sensor để đọc giá trị cảm biến sau qua khối Gain để chuyển đổi giá trị mét sang centimet đồng thời hiển thị kết qua màng hình Display khối Scope, liệu đưa qua khối điều khiển mờ Fuzzy để xử lý tín hiệu đưa tín hiệu điều khiển xung PWM khối cấp xung PWM chân Pin 10 Arduino Bên cạnh đưa giá trị xung PWM vào màng hình Display khối Scope, để máy bơm quay chiều bơm cách cấp mức cao (1) vào chân Pin cấp mức thấp (0) vào chân Pin Ở vị trí tín hiệu đầu vào lớn 25cm mực nước thấp đèn chân Pin 12 bật Khi tín hiệu mức nhỏ 5cm tương ứng mực nước đạt chuẩn đèn chân Pin 11 bật lên Bộ điều khiển mờ Hình 2.4 Mơ hình điều khiển mờ 11 Khối đầu vào bao gồm bốn hàm liên thuộc khoảng cách từ cảm biến đến mực nước: - Cao : từ 1.5 – m - Vừa : từ 0.5 -1.5 m - Thấp : từ 1.5 – m Hình 2.5 Hàm liên thuộc đầu vào 12 Khối đầu giá trị điện áp: - Cao : 22 - Vừa : 10 - Nhỏ : Hình 2.6 Hàm liên thuộc đầu Hình 2.5 Hàm liên thuộc đầu 13 Luật mờ tương ứng là: - Mực nước cao điện áp thấp - Mực nước vừa điện áp vừa - Mực nước thấp điện áp cao Hình 2.6 Luật mờ CHƯƠNG KẾT LUẬN Qua khoảng thời gian tìm hiểu thực đề tài hoàn thành mạch lập trình thực nghiệm thành cơng theo mục tiêu đặt đề tài điều khiển động bơm bơm mực nước khác với điện áp thích hợp Nhóm tác giả trình bày xong trình cách để thực đề tài, sau hoàn thành xong đề tài này, nhận thấy hiểu thêm nhiều kiến thức điều khiển mờ, trình điều khiển kỹ thuật lập trình Matlab simulink Đây mạch đơn giản có ứng dụng sống Nó giúp người đỡ phần thời gian đóng mở cửa, góp phần tạo tính tiện lợi cho việc lưu thơng Mơ hình Bơm nước điều khiển điều khiển mờ có nhiều cách thực hiên nhiều loại linh kiện khác nhau, tác giả chọn linh kiện, cách thực tối ưu linh hoạt cho đề tài Tuy nhiên cách khác đáng để tìm hiểu, học hỏi nghiên cứu thêm để phục vụ cho việc học làm đề tài sau 14 Qua đồ án nhóm tác giả gặp số khó khăn q trình thực hiện, qua góp phần kiểm chứng nhiều phần lý thuyết với thực hành Góp phần hiểu rõ ngành học đặc biệt trình điều khiển tự động 3.1 Ưu điểm: - Mơ hình hoạt động mục tiêu đề - Mạch đơn giản dễ thực - Số lượng linh kiện giá thành thực mạch thực tế ước tính rẻ -Bộ điều khiển lập trình đơn giản dễ hiểu 3.2 Nhược điểm: - Mơ hình chưa tối ưu so với mơ hình sử dụng rộng rãi - Cảm biến siêu âm dễ bị hư hỏng tiếp xúc với nước 3.3 Hướng phát triển đề tài Trong tương lai, qua đề tài nhóm phát triển nhiều cách Đầu tiên thay cảm biến siêu âm SRS05 thành cảm biến siêu âm ULM53 cảm biến radar khác có độ xác cao sử dụng công nghiệp để khắc phục nhiều nhược điểm nhiễu dễ hư bị hư hỏng Thứ hai sử dụng thêm bồn nước để tiết kiệm điện trình bơm nước …, Thứ ba sử dụng thiết bị có chất lượng cao khả điều khiển tối ưu để giúp q trình điều khiển trở nên dễ dàng có nâng suất 15 ... điều khiển mờ để điều khiển cảm biến siêu âm để đo mức nước, có sử dụng rơ le để điều khiển tốc độ máy bơm nước 1.2 Giới thiệu thiết bị phần cứng sử dụng cho mạch cửa tự động: Hình 1.2 Arduino Uno... hình sử dụng rộng rãi - Cảm biến siêu âm dễ bị hư hỏng tiếp xúc với nước 3.3 Hướng phát triển đề tài Trong tương lai, qua đề tài nhóm phát triển nhiều cách Đầu tiên thay cảm biến siêu âm SRS05... thành cảm biến siêu âm ULM53 cảm biến radar khác có độ xác cao sử dụng công nghiệp để khắc phục nhiều nhược điểm nhiễu dễ hư bị hư hỏng Thứ hai sử dụng thêm bồn nước để tiết kiệm điện trình bơm nước