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 - Điện trở 220k dùng cho đèn led Hình 1.12 Điện trở 221k 1.3.6 Chiết áp 10k Ohms - Dùng để điều kiển mức tín hiệu thiết bị Hình 1.13 Chiết áp 3362p 1.3.7 Cịi chíp, cơng tắc, đèn led - Cịi chíp để phát âm từ hệ thống 18 Hình 1.14 Cịi chip - Cơng tắc dùng tắt, bật hệ thống Hình 1.15 Cơng tắc - Đèn led đỏ báo mức nước thấp, vàng mức nước trung bình, xanh mức nước nhiều Hình 1.16 Đèn led 19 1.3.8 Board cắm, dây nối Hình 1.17 Board cắm, dây nối CHƯƠNG 2: KẾ HOẠCH THỰC HIỆN, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 2.1 Bảng kế hoạch thực Thời gian Nội dung thực thực 03/11/2022 Thầy An giáo viên môn gợi ý chủ đề thực 10/11/2022 Tìm hiểu đề tài liên quan đến Arduino Tiến độ thực Kết Nhóm tìm hiểu dự án mà thầy gợi ý tìm thêm ngồi Hiểu đề tài nhóm chuẩn bị thực Tham khảo số website để hiểu sâu Arduino Tìm nhiều đề tài 17/11/2022 Nhóm đưa đề tài Mỗi thành viên nhóm Đã thống thực đóng góp đề tài nhóm chọn đề tài để làm khác báo cáo 24/11/2022 Cả nhóm thảo luận đề tài chọn Phân chia cho thành viên để tìm hiểu nội dung đề tài 01/12/2022 Thực báo cáo, đưa Tìm hiểu đồ án mẫu phương hướng phương pháp thực hiện, thực đồ án hướng dẫn 20 Đã tìm nhiều nội dung để thực đề tài Bản báo cáo lên ý tưởng thực 08/11/2022 Tự Đức nghiên cứu phần code arduino protues 10/12/2022 Việt Anh xây dựng hệ thống thiết bị vật lý Cả thực chạy mơ hình phần mềm protues, nghiên cứu soạn code arduino Hệ thống với cấu tạo phức tạm khó kết nối với Bước đầu hệ thống cịn lỗi khơng chạy Các thiết bị nối sai không hoạt động 11/12/2022 Sửa kết nối lại thiết bị Đã kết nối thiết bị Hệ thống chạy hiển hệ thống với thị 12/12/2022 Hoài, Thùy Thúy Anh nghiên cứu thực báo cáo đồ án Hoàn thiện với đầy đủ thơng tin nhóm nội dung có đề tài 16/12/2022 Cả nhóm xem lại hệ thống Cả nhóm hoàn thiện tất thực bổ sung đưa đồ án cuối nội dung đồ án Thực xong 2/3 đồ án Hoàn thành báo cáo đồ án 2.2 Xác định hệ thống xây dựng Với yêu cầu đề tài đối tượng đề tài thực hệ thống cảm biến lượng nước bồn, hệ thống hình thành với hệ thống cảm biến để biết thông tin mức chất lỏng bồn cịn hay khơng Để làm điều này, phải xác mức chất lỏng bồn để hiểu thị lên hình Khi thấy mực nước giảm phát tín hiệu báo đèn, chất lỏng mà xuống đến mức thấp hệ thống thơng báo kèm theo còi để cảnh báo.Trong hệ thống kèm theo đo nhiệt độ thời điểm hiển thị lên hình 21 3.3 Phân tích hệ thống cần xây dựng Hệ thống hoạt động theo sơ đồ sau: Cảm biến nhiệt độ Khối xử lý trung tâm Khối nguồn Hiển thị Cảm biến siêu âm Điều kiển Nút bấm Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động hệ thống - Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện cho hệ thệ thống (5v) - Khối xử lý trung tâm: Xử lý tín hiệu hệ thống, xử lý thông tin cảm biến siêu âm, nhiệt độ - Cảm biến nhiệt độ: Nhiệt độ đo khối xử lý trung tâm phaann tích hiển thị lên hình - Cảm biến siêu âm: Đo mực chất lỏng bể có thay đổi gửi khối xử lý trung tâm sau hiển thị lên hình LCD - Điều kiển: Nút điều kiển cho phép bật tắt hệ thống có hoạt dộng hay khơng - Hiển thị: Khi khối xử lý gửi hình hiển thị nhiệt độ mực chất lỏng bể có thay đổi hay khơng 22 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1 Xây dựng hệ thống với thiết bị vật lý Mơ hình tồn hệ thống thiết bị vật lý liên kết với Hình 3.1 Mơ hình tồn hệ thống 3.2 xây dựng phần mềm điều kiển hệ thống 3.2.1 Mơ phần mềm protues Hình 3.5 Mơ hệ thống phần mềm protues 23 3.2.2 Thực code IDE Arduino Hình 3.6 Khai báo thư viện chân cắm hệ thống Hình 3.7 Khai báo chân vào hệ thống 24 Hình 3.8 Khai báo hiển thị led Hình 3.9 Khai báo in hình lcd 25 3.3 Vận hành thử nghiệm hệ thống kết thử nghiệm 3.3.1 Hệ thống hoạt động phần mềm protues Hình 3.10 Hệ thống hiển thị led xanh nhiệt độ Hình 3.10 Hệ thống hiển thị led đỏ nhiệt độ 26 3.3.2 Hệ thống hoạt động thiết bị Hệ thống cảm biến đo mức chất lỏng mức nước đầy cách mặt nước 2cm đèn xanh phát sáng Khi hệ thống truyền tín hiệu lên hình lcd hiển thị khoảnh cách 2m nhiệt độ Hình 3.2 Hệ thống đo mức nước đầy Hệ thống cảm biến đo mức chất lỏng trung bình mức nước cách mặt nước từ -> 6cm đèn vàng phát sáng Khi hệ thống truyền tín hiệu lên hình lcd hiển thị khoảnh cách -> 6cm nhiệt độ Hình 3.3 Hệ thống đo mức nước trung bình 27 Hệ thống cảm biến đo mức chất lỏng thấp (hết) mức nước cách mặt nước từ >9 cm đèn đỏ phát sáng cảnh báo Khi hệ thống truyền tín hiệu lên hình lcd hiển thị khoảnh cách >9 cm nhiệt độ Hình 3.4 Hệ thống đo mức nước thấp (hết) 28 KẾT LUẬN Nội dung thực hiện: - Nhóm tìm hiểu hệ thống nhúng gì, thành phần cấu tạo Arduino - Lựu chọn đề tài để làm báo cáo - Nhóm xây dựng cảm biến siêu âm nhiệt độ chạy mơ chương trình hệ thống phần phềm protues, kết chạy thành công hệ thống nghiên cứu - Ứng dụng vào phần mềm nghiên cứu nhóm xây dựng hệ thống với thiết bị vật lý - Đề tài đặt hồn tất Khó khăn: - Nhóm chưa thực phần loa báo hiệu - Hệ thống bị sai nhiều - Thiết lập IDE protues cịn nhiều thiết sót Ứng dụng vào thực tiễn: - Cảm biến siêu âm phát vật cản: Như ví dụ phía trên, dịng tơ nay, phần đầu xe đuôi xe trang bị cảm biến siêu âm đo khoảng cách 29 Hình 3.1 Cảm biến siêu âm phát vật cản - Cảm biến siêu âm công nghiệp: Trong công nghiệp, cảm biến siêu âm ứng dụng ứng dụng phát dị tật sản phẩm; phát sản phẩm bị ngã đổ băng chuyền, phát sản phẩm bị nứt bể,… Hình 3.2 Cảm biến siêu âm công nghiệp 30 - Cảm biến siêu âm đo mức nước: Ngoài ứng dụng để đo mức nước, người ta dùng cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng nói chung Tức bao gồm dầu ăn, dầu diesel, socola, nước trái cây, đường, muối, acid ăn mịn,… Lý dịng cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng đo mức mà không cần tiếp xúc với môi trường đo nên khơng bị ảnh hưởng độ ăn mịn đươc dùng ứng dụng đo mức thực phẩm Hình 3.3 Cảm biến siêu âm đo mức nước 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO Arduino Project Hub (https://create.arduino.cc/projecthub/MichDragstar/ultrasonic-sensor-withalarm-lcd-and-temperature-a5dbab? ref=platform&ref_id=424_trending _&offset=694) Arduino.cc ( https://www.arduino.cc) Hệ thống đo mức chất lỏng (https://text.123docz.net/document/7302422-doan-xay-dung-he-thong-do-muc-chat-long-trong-binh-chua-su-dung-cambien-sieu-am.htm) Thư viện protues( https://componentsearchengine.com/library/proteus? gclid=Cj0KCQiAqOucBhDrARIsAPCQL1aeAUqLqZ8Qt91V4jXJ47Xbsl_ ulov_93TJFBd8ZzjhVtRsvAV8V9oaAs5vEALw_wcB) Ứng dụng cảm biến siêu âm (https://thegioidienco.vn/cam-bien-sieuam.html) 32