Bài tập lớn xây dựng hệ thống đo mức chất lỏng trong bình chứa sử dụng cảm biến siêu âm và đo nhiệt độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHÚNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO MỨC CHẤT LỎNG TRONG BÌNH CHỨA SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ ĐO NHIỆT ĐỘ HỌ VÀ TÊN/ SINH VIÊN: ĐẶNG VĂN TỰ MÃ SINH VIÊN: 20111063575 LỚP: DH10C10 TÊN HỌC PHẦN: XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHÚNG GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN ĐỨC AN Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2022 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH .3 MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu hệ thống nhúng 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Đặc điểm hệ thống nhúng 1.1.3 Ứng dụng tầm quan trọng hệ thống nhúng 1.2 Giới thiệu board nhúng Arduino .6 1.2.1 Arduino ? 1.2.2 Cấu tạo Arduino UNO .8 1.2.4 Ứng dụng Arduino 1.2.5 Phần mềm lập trình Arduino IDE 1.3 Linh kiện sử dụng đề tài 1.3.1 Kít Arduino R3 .9 1.3.2 Module cảm biến siêu âm HC-SR04 13 1.3.3 Màn hình LCD 16x2 15 1.3.4 Nhiệt kế DS18B20 16 1.3.5 Điện trở 4,75k, 221k 17 1.3.6 Chiết áp 10k Ohms .18 1.3.7 Còi chíp, cơng tắc, đèn led 18 1.3.8 Board cắm, dây nối .20 CHƯƠNG 2: KẾ HOẠCH THỰC HIỆN, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 20 2.1 Bảng kế hoạch thực 20 2.2 Xác định hệ thống xây dựng .21 3.3 Phân tích hệ thống cần xây dựng 22 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG 23 3.1 Xây dựng hệ thống với thiết bị vật lý 23 3.2 xây dựng phần mềm điều kiển hệ thống .23 3.2.1 Mô phần mềm protues .23 3.2.2 Thực code IDE Arduino .24 3.3 Vận hành thử nghiệm hệ thống kết thử nghiệm 26 3.3.1 Hệ thống hoạt động phần mềm protues .26 3.3.2 Hệ thống hoạt động thiết bị 27 KẾT LUẬN 29 Nội dung thực hiện: .29 Ứng dụng vào thực tiễn: .29 TÀI LIỆU THAM KHẢO .32 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Board nhúng Arduino UNO Hình 1.2 Cấu tạo Arduino Hình 1.3 Phần mềm IDE Hình 1.4 Kit Arduino R3 Hình 1.5 Vi điều kiển Arduino R3 Hình 1.6 Các cổng vào Hình 1.7 Module cảm biến siêu âm HC- SR04 Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động HC- SR04 Hình 1.9 Màn hình LCD 16x2 Hình 1.10 Nhiệt kế DS18B20 Hình 1.11 Điện trở 4,75k Hình 1.12 Điện trở 221k Hình 1.13 Chiết áp 3362p Hình 1.14 Cịi chip Hình 1.15 Cơng tắc Hình 1.15 Cơng tắc Hình 1.16 Đèn led Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động hệ thống Hình 3.1 Mơ hình tồn hệ thống Hình 3.5 Mơ hệ thống phần mềm protues Hình 3.6 Khai báo thư viện chân cắm hệ thống Hình 3.9 Khai báo in hình lcd Hình 3.2 Hệ thống đo mức nước đầy Hình 3.4 Hệ thống đo mức nước thấp (hết) Hình 3.10 Hệ thống hiển thị led xanh nhiệt độ Hình 3.3 Cảm biến siêu âm đo mức nước MỞ ĐẦU Tự động hóa q trình cơng nghệ thực phát triển ứng dụng mạnh mẽ công nghiệp, lựa chọn tối ưu cho lĩnh vực nhằm tạo sản phẩm chất lượng cao, tiết kiệm chi phí sản xuất tạo khả cạnh tranh mạnh mẽ thị trường Khoa học kỹ thuật, cách mạng công nghệ bước phát triển chúng ta- người kỹ thuật phải thay đổi tầm nhìn để theo kịp cơng nghệ đại Trọng tâm khoa học kỹ thuật văn minh công nghiệp đặt vào lĩnh vực cơng nghệ thơng tin, cơng nghệ vật liệu, nguồn lượng, công nghệ sinh học công nghệ kỹ thuật điều kiển tự động Từ Arduino đời, tạo nên bước ngoặc cho phát triển tự động hóa công nghiệp Arduino công cụ hỗ trợ đắc lực cho cơng việc lập trình Điểm hấp dẫn Arduino với người đam mê lập trình ngơn ngữ dễ học giống C/C++, ngoại vi bo mạch chuẩn hóa nên khơng cần biết nhiều điện tử, lập trình ứng dụng thú vị Thêm Arduino platform chuẩn hóa nên có nhiều bo mạch mở rộng(shield) để cắm chồng lên bo mạch Arduino, hình dung dễ hiểu “ library” ngơn ngữ lập trình Với Arduino bạn ứng dụng vào mạch đơn giản mạch cảm biến ánh sáng bật tắt đèn, mạch điều kiển động cơ,… cao bạn làm sản phẩm như: máy in 3D, Robot, khinh khí cầu, máy bay khơng người lái,… Chính tiện lợi đơn giản cho người sử dụng mà Arduino trở thành tượng ngành điện tử giới Những sản phẩm cộng đồng người dùng Arduino thiết bị hỗ trợ Arduino lớn đến mức thống kê Arduino cấu tạo từ phần cứng phần mềm IDE Phần cứng hay ta nghe tên quen thuộc vi điều kiển, board mạch mã nguồn mở Nhằm ứng dụng kiến thức trang bị trình học tập vào thực tế dựa sở mơn học” Xây dựng hệ thống nhúng” nhóm em lựa chọn đề tài” Xây dựng hệ thống đo chất lỏng bình chứa sử dụng cảm biến siêu âm đo nhiệt độ” Thời gian thực hiện: Từ tháng 11 năm 2022 đến tháng 12 năm 2022 Nhóm sinh viên gồm: TT Họ tên Lớp Đặng Văn Tự DH10C10 Nguyễn Thị Thu Hoài DH10C10 Nguyễn Thị Thùy DH10C10 Tạ Văn Đức DH10C10 Lê Thúy Anh DH10C10 Dương Việt Anh DH10C10 PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC Đặng Văn Tự - Xây dựng hệ thống protues - Code hệ thống IDE Nguyễn Thị Thu Hoài - Xây dựng tổng quan vấn đề nghiên cứu Nguyễn Thị Thùy - Xây dựng kế hoạch thực Tạ Văn Đức - Lắp ráp hệ thống Lê Thúy Anh - Xây dựng kết luận, tài liệu tam khảo Dương Việt Anh - Nghiên cứu code hệ thống Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Đức An Mục tiêu nghiên cứu: - Tìm hiểu kỹ mạch điều kiển Arduino mô Protues cách kết nối với máy tính - Nguyên cứu nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm ( HC-SR04 ) thông qua tài liệu internet - Đưa ý tưởng thông số giá trị hiển thị LCD, LED loa cảnh báo - Nghiên cứu linh kiện bo mạch linh kiện bảo vệ - Mô ứng dụng Protues CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu hệ thống nhúng 1.1.1 Khái niệm Hệ thống nhúng (tiếng anh embedded system) thuật ngữ để hệ thống có khả tự trị nhúng vào môi trường hay hệ thống mẹ Đó hệ thống tích hợp phần cứng phần mềm phục vụ tốn chun dụng nhiều lĩnh vực cơng nghiệp, tự động hoá điều khiển, quan trắc truyền tin Đặc điểm hệ thống nhúng hoạt động ổn định có tính tự động hố cao Hệ thống nhúng thường thiết kế để thực chức chuyên biệt Một hệ thống nhúng thực một vài chức định, thường kèm với yêu cầu cụ thể bao gồm số thiết bị máy móc phần cứng chun dụng mà ta khơng tìm thấy máy tính đa nói chung Vì hệ thống xây dựng cho số nhiệm vụ định nên nhà thiết kế tối ưu hóa nhằm giảm thiểu kích thước chi phí sản xuất Các hệ thống nhúng thường sản xuất hàng loạt với số lượng lớn Hệ thống nhúng đa dạng, phong phú chủng loại Đó thiết bị cầm tay nhỏ gọn đồng hồ kĩ thuật số máy chơi nhạc MP3, sản phẩm lớn đèn giao thơng, kiểm sốt nhà máy hệ thống kiểm soát máy lượng hạt nhân Xét độ phức tạp, hệ thống nhúng đơn giản với vi điều khiển phức tạp với nhiều đơn vị, thiết bị ngoại vi mạng lưới nằm gọn lớp vỏ máy lớn 1.1.2 Đặc điểm hệ thống nhúng Các hệ thống nhúng thiết kế để thực số nhiệm vụ chuyên dụng khơng phải đóng vai trị hệ thống máy tính đa chức Một số hệ thống địi hỏi ràng buộc tính hoạt động thời gian thực để đảm bảo độ an tồn tính ứng dụng; số hệ thống khơng địi hỏi ràng buộc chặt chẽ, cho phép đơn giản hóa hệ thống phần cứng để giảm thiểu chi phí sản xuất Một hệ thống nhúng thường khối riêng biệt mà hệthống phức tạp nằm thiết bị mà điều khiển Phần mềm viết cho hệ thống nhúng gọi firmware lưu trữ chip nhớ ROM nhớ flash khơng phải ổ đĩa Có tài nguyên giới hạn: các hệ thống nhúng bị giới hạn nhiều phần cứng chức phần mềm so với máy tính cá nhân Tương tác với giới thực: hệ thống nhúng tương tác với giới bên ngồi với nhiều cách: cảm nhận mơi trường, tác động trở lại môi trường, tốc độ tương tác phải đáp ứng thời gian thực, có khơng có giao diện giao tiếp với người dùng máy tính cá nhân Yêu cầu chất lượng ổn định độ tin cậy cao: Nhiều loại thiết bị nhúng có yêu cầu cao chất lượng, tính ổn định độ tin cậy Lỗi hệ thống nhúng gây tai nạn khủng khiếp, lỗi hệ thống nhúng khơng sửa Vì việc phát triển hệ thống nhúng yêu cầu quy trình kiểm tra - kiểm thử cẩn thận 1.1.3 Ứng dụng tầm quan trọng hệ thống nhúng Theo nhà thống kê giới, thị trường hệ thống nhúng lớn gấp khoảng 100 lần thị trường PC, số chip xử lý hệ thống nhúng chiếm tới 99% số chip sử dụng Hệ thống nhúng ứng dụng tất lĩnh vực sống nay:  Các thiết bị gia đình: tivi, tủ lạnh, nồi cơm điện,…  Các thiết bị công nghiệp: robot, dây chuyền,…  Giao thơng vận tải: Ơ tơ, máy bay,… Cùng với cách mạng khoa học – kĩ thuật, hệ thống nhúng coi lĩnh vực then chốt định thành công cách mạng 1.2 Giới thiệu board nhúng Arduino 1.2.1 Arduino ? Arduino là bo mạch vi điều khiển nhóm giáo sư sinh viên nước Ý thiết kế đưa vào năm 2005 Mạch Arduino sử dụng để cảm nhận điều khiển nhiều đối tượng khác Nó thực nhiều nhiệm vụ lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, nhiều đối tượng khác Ngồi mạch cịn có khả liên kết với nhiều module khác module đọc thẻ từ, ethernet shield, sim900A, ….để tăng khả ứng dụng mạch Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM, Atmel 32-bit,… Hiện phần cứng Arduino có tất phiên bản, Tuy nhiên phiên thường sử dụng nhiều Arduino Uno Arduino Mega