Báo cáo Đo lường và Điều khiển bằng máy tính

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG BÁCH KHOA ….…. BÁO CÁO Đo lường và Điều khiển bằng máy tính_CT397 Đề tài: Tìm hiểu về cảm biến siêu âm, thiết kế hệ thống kiểm soát mực nước Giảng viên hướng dẫn : Thầy Nguyễn Khắc Nguyên Học phần : Đo lường và Điều khiển bằng Máy tính Nhóm : 09 Sinh viên thực hiện : Nguyễn Nhật Linh B2012513 Nguyễn Mạnh Hà B2012497 Nguyễn Quốc Bảo B2012416 Lê Nhật Em B2012496

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG BÁCH KHOA ….… BÁO CÁO Đo lường và Điều khiển bằng máy tính_CT397 Đề tài: Tìm hiểu về cảm biến siêu âm, thiết kế hệ thống kiểm soát mực nước Giảng viên hướng dẫn : Thầy Nguyễn Khắc Nguyên Học phần : Đo lường và Điều khiển bằng Máy tính Nhóm : 09 Sinh viên thực hiện : Nguyễn Nhật Linh B2012513 Nguyễn Mạnh Hà B2012497 Nguyễn Quốc Bảo B2012416 Lê Nhật Em B2012496 Cần thơ: 12/2023 Đo lường và Điều khiển bằng Máy tính_CT397 Trường Đại học Cần Thơ LỜI CẢM ƠN “Để hoàn thành Bài báo cáo học phần này, nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Thầy Nguyễn Khắc Nguyên vì đã tận tình hướng dẫn, góp ý kiến để em hoàn thành bài báo cáo này Do thời gian làm báo cáo có hạn cũng như những hạn chế về kiến thức, trong bài chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự nhận xét, đóng góp ý kiến từ phía Thầy để bài làm của nhóm em được hoàn thiện hơn Lời cuối cùng, em xin kính chúc thầy nhiều sức khỏe, thành công và hạnh phúc!” Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Nhóm 09 SVTH: Nhóm 09 Trang 2 Đo lường và Điều khiển bằng Máy tính_CT397 Trường Đại học Cần Thơ MỤC LỤC Đo lường và điều khiển bằng Máy tính_CT397 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CẢM BIẾN HC-SR04 4 I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 5 1 Tên và mục tiêu đề tài: 5 2 Các tính năng cơ bản 5 3 Phương pháp thực hiện 5 II THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 6 1 Mô hình hệ thống 6 1.1 Mô tả sơ lược về hệ thống: 6 1.2 Vẽ mô hình hệ thống dạng khối 8 2 Thiết kế phần cứng mạch điện 9 2.1 Mô tả sơ lược hoạt động của mạch điện 9 2.2 Vẽ sơ đồ khối phần cứng mạch điện 9 3 Thiết kế phần mềm điều khiển trên board nhúng 13 3.1 Mô tả chức năng của phần mềm 13 3.2 Lưu đồ chương trình chính 14 3.3 Đoạn code chương trình 15 4 Thiết kế phần mềm điều khiển trên máy tính 18 4.1 Mô tả chức năng của phần mền điều khiển trên máy tính 18 4.2 Giao diện chính chương trình 18 4.3 Đoạn code các chức năng chính 21 III KẾT QUẢ THỰC HIỆN 26 1 Mô hình thực tế 26 2 Phần cứng mạch điện 26 3 Kết quả thực hiện 27 4 Kết quả thực hiện các tính năng đã đặt ra của hệ thống (ở phần 1) 29 5 Nhận xét chung về ưu nhược điểm của hệ thống 29 6 Hướng phát triển cho đề tài: 29 IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 V PHỤ LỤC 30 1 Quá trình thực hiện đề tài 30 2 Danh sách thành viên và bảng phân chia công việc 31 3 Trả lời câu hỏi 32 SVTH: Nhóm 09 Trang 3 Đo lường và Điều khiển bằng Máy tính_CT397 Trường Đại học Cần Thơ GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CẢM BIẾN HC-SR04 (Cảm biến siêu âm) Cảm biến HC-SR04 là một cảm biến khoảng cách siêu âm giá rẻ và dễ sử dụng Nó có phạm vi đo từ 2 đến 400 cm và thường được sử dụng trong các dự án tự động hóa Cảm biến này hoạt động bằng cách phát ra sóng siêu âm và đo thời gian sóng phản xạ trở lại để tính toán khoảng cách đến vật cản HC-SR04 có thể được sử dụng với nhiều loại vi điều khiển khác nhau, bao gồm cả Arduino Cảm biến HC-SR04 có kích thước nhỏ gọn và dễ lắp đặt Nó có hai chân kết nối chính là chân Trigger và chân Echo Chân Trigger được sử dụng để kích hoạt phát sóng siêu âm, trong khi chân Echo được sử dụng để đọc tín hiệu phản xạ trở lại Cảm biến này cũng có hai chân cấp nguồn Vcc và Gnd để kết nối với nguồn điện HC-SR04 là một giải pháp hiệu quả về chi phí để đo khoảng cách trong các ứng dụng như robot tránh vật cản, đo khoảng cách và định vị Với giá thành rẻ và tính năng dễ sử dụng, HC-SR04 là một lựa chọn tuyệt vời cho các dự án điện tử cho sinh viên SVTH: Nhóm 09 Trang 4 Đo lường và Điều khiển bằng Máy tính_CT397 Trường Đại học Cần Thơ I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1 Tên và mục tiêu đề tài: ❖ Tên đề tài thực hiện: Tìm hiểu về cảm biến siêu âm, thiết kế hệ thống kiểm soát mực nước ❖ Mục tiêu của đề tài: - Xây dựng được hệ thống kiểm soát mực nước trong bình chứa - Xây dựng giao diện Dashboard theo dõi và giám sát cho hệ thống 2 Các tính năng cơ bản - Đề tài có thể theo dõi và giám sát được mực nước trong bình chứa khi đóng hoặc xả van nước thông qua cảm biến siêu âm HC-SR04 và hiển thị giá trị mực nước lên giao diện Dashboard và màn hình LCD - Giao diện Dashboard cho phép người dùng theo dõi trạng thái mực nước và trạng thái của một số thiết bị chấp hành khác như (Động cơ, led, còi…) Đồng thời có thể điều khiển trực tiếp các thiết bị chấp hành như động cơ bơm nước phụ và còi báo từ giao diện 3 Phương pháp thực hiện ❖ Nắm rõ yêu cầu của đề tài và thực hiện theo đúng với mục đích đề ra: - Đầu tiên, Tìm hiểu về đề tài, ứng dụng trong cuộc sống và những mô hình của đề tài, thực hiện mô phỏng phần cứng cho đề tài, chạy thử nghiệm ghi nhận kết quả - Sau đó, tiến hành lắp đặt thực tế mô mình cho hệ thống,kiểm tra sai số và hiệu chỉnh Rút ra những kết luận, nhận xét ưu và nhược điểm của đề tài ➢ Các bước để tiếp cận đề tài cụ thể như sau: Bước 1: Tìm hiểu về cảm biến siêu âm - Về nguyên lý hoạt động, cách nó đo mực nước và yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo Bước 2: Xác định rõ ứng dụng của hệ thống - Xác định rõ mục tiêu ứng dụng của hệ thống được ứng dụng trong bể chứa nước hay trong nông nghiệp và công nghiệp… Bước 3: Thiết kế hệ thống: - Dựa trên những gì đã xác định, lựa chọn thiết kế hệ thống phù hợp bao gồm việc (lựa chọn cảm biến, vị trí lắp đặp, và thiết kế phần cứng, mô phỏng cho hệ thống và thiết kế phần mềm để điều khiển và giám sát) Bước 4: Lập trình và mô phỏng hệ thống - Viết chương trình để điều khiển và giám sát cho hệ thống sau đó tiến hành kiểm tra hiệu suất và độ chính xác của hệ thống Bước 5: Thử nghiệm và điều chỉnh - Cuối cùng, chạy thử nghiệm hệ thống trong điều kiện thực tế và hiệu chỉnh nếu cần thiết Bước 6: Nhận xét về đề tài - Những ưu và nhược điểm của đề tài mang lại hướng phát triển cho đề tài và những giải pháp đề xuất, cải tiến (nếu có) SVTH: Nhóm 09 Trang 5 Đo lường và Điều khiển bằng Máy tính_CT397 Trường Đại học Cần Thơ ▪ Lưu ý về việc chọn cảm biến: Cần lựa chọn dãy đo của của biến phù hợp, điều kiện môi trường sử dụng (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất…) và loại chất lỏng cần để đo II THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 1 Mô hình hệ thống 1.1 Mô tả sơ lược về hệ thống: ❖ Mô tả sơ lược hệ thống: “ Hệ thống kiểm soát mực nước bằng cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ sóng siêu âm Dây là cách mô tả hoạt động của hệ thống: Cảm biến siêu âm (HC-SR04), được lắp trên đầu của một bình chứa khi đo mực nước cảm biến này phát ra sóng siêu âm và nhận lại sóng phản xạ từ bề mặt nước Khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt nước có thể được tính toán dựa trên thời gian mà sóng siêu âm mất để đi và trở lại Bộ điều khiển (MCU), nhận tín hiệu từ cảm biến siêu âm và xử lý thông tin để xác định mực nước hiện tại trong bình để ra lệnh cho thiết bị chấp hành Thiết bị chấp hành (như Motor, lcd 16*2, led, buzzer), dựa vào thông tin từ bộ điều khiển Các thiết bị này sẽ hiển thị trạng thái mực nước (như lcd 16*2) hoặc thêm hoặc giảm lượng nước trong bình (motor bơm) và biểu diễn trạng thái mực nước cao hay thấp (led đơn) Cuối cùng, Giao diện người dùng (Dashboad trên node-red), giao diện này cho phép người dùng có thể theo dõi mực nước hiện tại cũng như các trạng thái của motor, led… và điều khiển chúng trên giao diện.” ❖ Mô tả cách để tính toán khoảng cách đến vật cản của cảm biến siêu âm: Hình 1: Ảnh mô tả khoảng cách truyền và phản hồi ➢ Nguyên lí đo: - Cảm biến siêu âm HC-SR04 phát sóng siêu âm tới vật cần đo - Sóng siêu âm gặp vật cản phản xạ lại cảm biến - Gọi t là thời gian từ khi phát sóng siêu âm đến khi sóng phản xạ lại - Khoảng cách đo được tính theo công thức: S = 𝑻 𝑽 SVTH: Nhóm 09 Trang 6 Đo lường và Điều khiển bằng Máy tính_CT397 Trường Đại học Cần Thơ - Trong đó: + T là thời gian sóng siêu âm phát ra khi gặp vật cản (không tính lúc phản xạ lại): T = 𝒕 𝟐 + V là vận tốc sóng siêu âm trong không khí (khoảng 340m/s) + S là khoảng cách cần đo 340* 100 = 0.034 + Quy đổi: 340m/s  0.034 cm/𝜇𝑠 1000000  Vậy 1𝜇s thì sóng siêu âm đi được 0.034cm Số 𝜇s tương ứng với 1cm là: 1 0.034 = 29.41 𝜇s đây cũng là số dùng để tính toán ❖ Mô tả cách đo mực nước trong bình chứa: Hình 2: Sơ đồ minh họa cách tính mực nước trong bình ➢ Mô tả: Nhóm chuẩn bị một bình chứa nước với chiều cao là 18cm khi cảm biến đo đến bề mặt của nước sẽ thu một giá trị là X khi đó để xác định lượng nước còn lại trong bình bằng cách là lấy chiều cao của bình trừ đi X Mực nước = 18 – X SVTH: Nhóm 09 Trang 7 Đo lường và Điều khiển bằng Máy tính_CT397 Trường Đại học Cần Thơ 1.2 Vẽ mô hình hệ thống dạng khối Bộ nguồn Bộ cảnh báo Cổng COM (Nguồn DC) (BUZZER) Giao diện Dashboar Cổng COM (Theo dõi và điều khiển) Bộ xử lí tung tâm (ARDUINO UNO) Bộ điều khiển Bộ hiển thị (L298N) (LCD) Động cơ Bộ đo lường (DC Motor) (HC-SR04) Hình 3: Mô hình hệ thống dạng khối ❖ Mô tả sơ đồ khối hệ thống: Hệ thống kiểm soát mực nước dùng Arduino Uno làm vi xử lý trung tâm + Bộ nguồn: Có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện cho các thiết bị sử dụng Nó cung cấp nguồn cho Arduino để xử lý dữ liệu, cung cấp cho bộ điều khiển L298N để điều khiển động cơ… + Bộ xử lí trung tâm: Tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến để xử lý và trả về tín hiệu để điều khiển các bộ như bộ cảnh báo, bộ hiển thị, bộ điều khiển + Bộ đo lường: Có nhiệm vụ đo khoảng cách mực nước từ bình chứa khi động cơ bơm nước vào bình và nó gửi tín hiệu về cho bộ xử lý trung tâm + Bộ hiển thị: Dùng để hiển thị thông tin mực nước đã gửi về từ cảm biến thông qua xử lí của Arduino + Bộ cảnh báo: Dùng để cảnh báo tình trạng của hệ thống nếu động cơ bơm chính xảy xự cố hư hỏng thì sẽ cảnh báo và bật động cơ phụ trược tiếp từ giao diện Dashboard + Bộ điều khiển: Mạch điều khiển L298N dùng để điều khiển động cơ bơm nước hoạt động và đồng thời có thể điều chỉnh tốc độ bơm của động cơ + Giao diện Dashboard: Dùng để theo dõi và giám sát mực nước và những trạng thái làm việc của các thiết bị như động cơ, led…Đồng thời có thể điều khiển bằng nút nhấn để bật động cơ phụ và còi SVTH: Nhóm 09 Trang 8 Đo lường và Điều khiển bằng Máy tính_CT397 Trường Đại học Cần Thơ 2 Thiết kế phần cứng mạch điện 2.1 Mô tả sơ lược hoạt động của mạch điện Hình 4: Sơ đồ nguyên lý mạch điện mô phỏng trên phần mềm Proteus ❖ Mô tả sơ lược hoạt động mạch điện: Hệ thống sử dụng Arduino Uno làm trung tâm xử lý dữ liệu Màn hình LCD 16× 2 sử dụng chuẩn I2C (để tiết kiệm chân trên Arduino) dùng để hiển thị mực nước khi đo được từ cảm biến siêu âm HC-SR04 Mạch L298N dùng để điều khiển động cơ 12V để bơm nước ngoài ra nó còn dùng để điều chỉnh tốc độ bơm nước Hai led đơn RED và BLUE dùng để hiển thị hai trạng thái nước trong bình còn ít hay nhiều Động cơ phụ 5V được bật trược tiếp từ giao diện Dashboard để phòng trường hợp động cơ chính bị hư hỏng và có thể thay thế cho động cơ chính Và cuối cùng cổng COM dùng để giao tiếp với giao diện Dashboard 2.2 Vẽ sơ đồ khối phần cứng mạch điện LCD 16×2 HC-SR04 Cổng COM I2C Led đơn Nguồn Arduino Motor Phụ và Còi báo L298N Motor bơm Slider (Điều khiển mực mước trong bình) SVTH: Nhóm 09 Trang 9 Đo lường và Điều khiển bằng Máy tính_CT397 Trường Đại học Cần Thơ Hình 5: Sơ đồ khối phần cứng mạch điện ➢ Chú thích: : Phần này được điều khiển từ giao diện Dashboard 2.3 Thiết kế chi tiết Khối nguồn: - Mô tả: Cung cấp nguồn cho các thiết bị có trong hệ thống như cho Arduino, mạch L298N và Motor bơm… Khối xử lí dữ liệu cảm biến: - Mô tả: Chân Trig dùng để phát tín hiệu siêu âm của HC-SR04 được kết nối với chân số 9 trên Arduino và thu tín hiệu Echo được kết nối với chân số 10 Ở khối này cảm biến có nhiệm vụ đo khoảng cách và gửi về cho Arduino xử lý tín hiệu SVTH: Nhóm 09 Trang 10