Báo cáo IOT Hệ thống kiểm soát mực nước sử dụng ESP32

ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG BÁCH KHOA KHOA TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN CUỐI KỲ HP KC326 NHÓM HP: KC326 NHÓM: 01 HỆ THỐNG KIỂM SOÁT MỰC NƯỚC TRONG BÌNH CHỨA Nhóm sinh viên thực hiện: 1. Nguyễn Nhật Linh MSSV: B2012513 Ngành: KT Cơ điện tử 2. Nguyễn Mạnh Hà MSSV: B2012497 Ngành: KT Cơ điện tử 3. Nguyễn Quốc Bảo MSSV: B2012416 Ngành: KT Cơ điện tử 4. Lê Nhật Em MSSV: B2012496 Ngành: KT Cơ điện tử

ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRƯỜNG BÁCH KHOA KHOA TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN CUỐI KỲ HP KC326 NHÓM HP: KC326 NHÓM: 01

HỆ THỐNG KIỂM SOÁT MỰC NƯỚC TRONG

BÌNH CHỨA

Nhóm sinh viên thực hiện:

1 Nguyễn Nhật Linh MSSV: B2012513 Ngành: KT Cơ điện tử

2 Nguyễn Mạnh Hà MSSV: B2012497 Ngành: KT Cơ điện tử

3 Nguyễn Quốc Bảo MSSV: B2012416 Ngành: KT Cơ điện tử

4 Lê Nhật Em MSSV: B2012496 Ngành: KT Cơ điện tử

LỜI CẢM ƠN

“Để hoàn thành Bài báo cáo học phần này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:

Thầy Nguyễn Văn Mướt vì đã tận tình hướng dẫn, góp ý kiến để em hoàn thành bài báo cáo này

Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm báo cáo 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 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 08

MỤC LỤC

Công nghệ IoT và Ứng dụng_KC326

GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CẢM BIẾN HC-SR04 4

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 5

1 Giới thiệu ý tưởng: 5

2 Mục tiêu của đề tài 6

3 Giới hạn của đề tài: 6

II THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 6

1 Phương pháp thực hiện: 6

1.1 Mô tả sơ lược hệ thống: 6

1.2 Quá trình thực hiện: 6

2 Mô hình của hệ thống: 7

2.1 Dạng sơ đồ khối 7

3 Thiết kế phần cứng mạch điện 8

3.1 Sơ đồ khối phần cứng mạch điện 8

3.2 Thiết kế mạch chi tiết trên phần mềm Proteus: 9

4 Thiết kế phần mềm 10

4.1 Phát thảo lưu đồ giải thuật 10

5 Thiết kế giao diện Wed 11

III KẾT QUẢ THỰC HIỆN 13

1 Một số hình ảnh thực tế của hệ thống 13

2 Mạch điện của hệ thống: 13

3 Kết quả thực hiện 14

IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

V BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC 17

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

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1 Giới thiệu ý tưởng:

❖ Đề tài: “Hệ thống kiểm soát mực nước trong bình chứa”

❖ Giới thiệu ý tưởng: Sử dụng cảm biến siêu âm để đo mực chất lỏng

trong bình chứa và hiển thị lên Wed app thông tin về mực nước có trong bình và vẽ biểu đồ theo dõi lượng nước theo thời gian thực có thể điều khiển động cơ bơm từ Wed app

❖ Mô tả cách tính lượng nước có trng bình:

Hình 1: Mô tả cách tính lượng nước trong bình

❖ Mô tả cách để tính toán khoảng cách đến vật cản cảu cảm biến siêu âm:

Hình 2: Ảnh mô tả khoảng cách truyền và phản hồi

Mực nước = 18 – X

➢ 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:

- 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

+ Quy đổi: 340m/s  0.034 cm/𝜇𝑠 340* 100

1000000 = 0.034

 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

Hình 1: Mô tả cách tính lượng nước trong bình

2 Mục tiêu của đề tài

❖ Đề tài có hai mục tiêu chính như:

- Xây dựng được hệ thống kiểm soát mực nước trong bình chứa

- Xây dựng giao diện Wed app để theo dõi lượng nước và điều khiển động

cơ

3 Giới hạn của đề tài:

- Hệ thống kiểm soát mực nước giới hạn ở mức chỉ xây dựng hệ thống

để hiểu rõ hơn về cách mà một hệ thống giám sát lượng nước ngoài thực tế hoạt động

- Đề tài giới hạn về quy mô và lượng nước chứa trong bình và cũng như việc chọn cảm biến để đo lượng nước chính xác trong bình

II THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1 Phương pháp thực hiện:

1.1 Mô tả sơ lược hệ thống:

❖ Mô tả hệ thống:

- Hệ thống sử dụng ESP32 làm trung tâm xử lý dữ liệu chính

1.2 Quá trình thực hiện:

➢ Các bước để tiếp cận đề tài cụ thể như sau:

Bước 1: Tìm hiểu về cảm biến siêu âm

S = 𝑻

𝑽

- 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

▪ 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

2 Mô hình của hệ thống:

2.1 Dạng sơ đồ khối

Hình : Sơ đồ khối của hệ thống

Bộ xử lí tung tâm

(ESP32)

Bộ cảnh báo

(Còi)

Bộ đo lường

(HC-SR04)

Bộ nguồn

(Nguồn DC)

Động cơ chính

(DC Motor 12V)

Bộ điều khiển

(L298N)

Động cơ phụ

(DC Motor 5V)

Giao diện Wed

(Điều khiển và giám sát)

❖ Mô tả sơ đồ khối hệ thống: Hệ thống được chia làm nhiều bộ có chức

năng như sau:

+ Bộ nguồn: Có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện cho các thiết bị sử dụng Nó

cung cấp nguồn cho ESP32 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 đóng

mở van nước và nó gửi tín hiệu về cho bộ xử lý trung tâm

+ Bộ cảnh báo: Dùng để cảnh báo tình trạng của hệ thống khi gặp sự cố người

dùng có thể quan sát và bật còi báo nhắc nhỡ khi hệ thống đang gặp sự cố (như nước không bơm lên, mực nước trong bình quá thấp)

+ Bộ điều khiển: Mạch điều khiển L2898N dùng để điều khiển động cơ bơm

nước hoạt động và đồng thời có thể điều chỉnh tốc độ bơm của động cơ

+ Động cơ: Động cơ bơm chính 12V có nhiệm vụ bơm mước vào bình chứa

theo sự điều khiển của bộ điều khiển là mạch L298N Bên cạnh đó động cơ phụ 5V dùng để giả lập thay thế cho động cơ chính khi bị hỏng Nó có thể được bật trực tiếp trên giao diện Wed để hoạt động thay cho động cơ chính khi

bị hỏng

+ Giao diện Wed: Dùng để theo dõi và giám sát mực nước Đồng thời có thể

điều khiển bằng nút nhấn để bật động cơ phụ hoặc bật còi báo

3 Thiết kế phần cứng mạch điện

3.1 Sơ đồ khối phần cứng mạch điện

Hình 6: Sơ đồ khối phần cứng mạch điện

❖ Phân tích sơ đồ khối mạch điện:

- ESP32: Làm trung tâm để xử lí dữ liệu từ cảm biến đưa về kết hợp với

các điều kiện để điều khiển các thiết bị chấp hành

Motor bơm ESP32

HC-SR04

Nguồn

L298N

Còi báo

Motor Phụ

- Cảm biến siêu âm HC-SR04: Có hai bộ phận Phát (Trig) và Thu

(Echo) bộ phận phát biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu siêu âm để

phát ra và khi gặp vật cản trên đường nó sẽ phản xạ lại khi này bộ thu

sóng siêu âm sẽ thu lại tín hiệu này và biến đổi tín hiệu siêu âm thành

tín hiệu điện dựa vào thời gian này (thời gian phát cho đến khi nhận lại

từ phản xạ) Kết hợp với tốc độ truyền âm thanh trong không khí (khoảng 340m/s), cảm biến có thể tính toán được khoảng cách đến vật cản Được

kết nối với chân 12 (Trig) và 14 (Echo)

- Mạch L298N: Dùng để điều khiên động cơ bơm chính hoạt động và nó

có thể thay đổi độ rộng xung để điều khiển tốc độ của động cơ, chân kết

nối với ESP32 của nó là: ENB chân số 6, IN3 chân số 7, IN4 chân số 8

- Động cơ chính: Dùng để bơm nước vào bình thông qua mạch điều khiển

L298N chân của động cơ được nối vào OUT3 và OUT4 của mạch điều khiển

- Động cơ phụ: Dùng để giả lập cho động cơ chính để bơm nước dùng

trong trường hợp động cơ chính bị hư hỏng Nó được kết nối với chân số

5 của ESP32

- Còi báo: Còi báo dùng để bật cảnh báo cho hệ thống Nó được kết nối

với chân số 4 của ESP32

3.2 Thiết kế mạch chi tiết trên phần mềm Proteus:

Hình 7: Sơ đồ khối phần cứng mạch điện

4 Thiết kế phần mềm

4.1 Phát thảo lưu đồ giải thuật

Hình 8: Sơ đồ khối phần cứng mạch điện

Begin

Khởi tạo chiều cao bình, các chân kết nối với HC-SR04, Còi, Motor, L298N

Đo mực nước (HC-SR04) Hiển thị mực nước lên LCD

1) Khoảng cách <10cm?

2) Khoảng cách >10cm?

3) Kiểm tra bật/tắt thiết bị ?

1 Bật động cơ bơm chính

2 Tắt động cơ bơm chính

3 Bật động cơ phụ và còi

• Nếu 1 sai kiểm tra 2

• Nếu 2 sai kiểm tra 1

3 Tắt động cơ phụ và còi

5 Thiết kế giao diện Wed

Giao diện wed cho trang chủ:

Hình 9: Giao diện trang chủ của Wed

Giao diện Wed cho trang thành viên nhóm

•

Hình 10: Giao diện trang thành viên nhóm của Wed

Khi di chuyển chuột đến ảnh tên các thành viên thì sẽ hiển thị ra thông tin cá nhân của thành viên

III KẾT QUẢ THỰC HIỆN

1 Một số hình ảnh thực tế của hệ thống

Hình 11: Mô hình thực tế của hệ thống

2 Mạch điện của hệ thống:

Hình 12: Phần mạch điện của hệ thống

3 Kết quả thực hiện

➢ Link video mô phỏng trên google drive:

https://drive.google.com/file/d/1LTIUB-RMNNMz6JkUi3fmvUGhyqrAUDF9/view?usp=sharing

Hình 13: Bật động cơ trên wed

Hình 14: Biểu đồ theo dõi mực nướ và lượng nước theo thời gian thực

❖ Kết quả thực hiện: Hệ thống có thể đo được lượng nước trong bình và điều

khiển lượng nước đồng thời theo dõi được dữ liệu lượng nước trên giao diện Wed và trên giao diện này có thể điều khiển một số thiết bi chấp hành như

động cơ và còi báo

❖ Thí nghiệm độ chính xác khi đo của cảm biến:

➢ Lưu ý: Sai số khi đo mực nước của của cảm biến so với thực tế dao động

khoảng 0 đến 1cm

- Một số lí do sai số trong quá trình thực hiện mà nhóm nhận ra như:

+ Dao động của mặt nước khi bơm khiến cảm biến đo sai

+ Nước trong quá trình bơm vào bình giọt bắt vào cảm biến sẽ dẫn đến sai số khi đo

+ Vị trí lắp cảm biến không cứng cáp nhấp nhô sẽ làm ảnh hưởng đến kết quả

đo của cảm biến (do cảm biếm được nhóm lắp trên nắp bình bằng nhựa dẽo nên xảy ra tình trạng này)

❖ Nhận xét chung về Ưu và Nhược điểm của hệ thống:

• Về ưu điểm:

+ Theo dõi và giám sát được trạng thái mực nước trong bình chứa trên giap diện wed và biểu đồ biến đổi lượng nước theo thời gian thực + Điều khiển được các thiết bị chấp hành như Motor và còi báo từ giao diện Wed

+ Cung cấp cách theo dõi trực quan và sinh động hơn

• Về nhược điểm:

+ Đôi khi nước bơm vào bình bắn vào cảm biến dẫn đến kết quả đo có sai sót

Sau nhiều lần thí nghiệm về độ sai số của cảm biến so với thực tế khi đo mực nước nhóm nhận thấy sai số dao động khoảng từ

0 đến 1cm

Trên hình ta thấy sai số là 0.5cm

Hình 12: Thí nghiệm về độ chính xác

của cảm biến

+ Hiển thị thông tin trên giao diện đôi lúc bị trễ khoảng thời gian từ 2 đến 3s

+ Dó ử dụng boar cắm nên tín hiệu từ cảm biến và MCU không được

ổn định + Hiệu xuất làm việc liên tục của cảm biến không cao

 Danh mục tài liệu tham khảo

[1] Bài giảng học phần Công nghệ IoT và Ứng dụng_KC326 của Thầy Nguyễn Văn Khanh_Trường Đại học Cần Thơ

[2] Ngôn ngữ HTML của thầy Đỗ Thanh Nghị_Trường Đại học Cần Thơ

[3] Dynamic HTML của thầy Đỗ Thanh Nghị_Trường Đại học Cần Thơ

[4] Lập trình JavaScript của thầy Đỗ Thanh Nghị_Trường Đại học Cần Thơ

[5] Nguồn Internet: https://zendvn.com/bai-viet/huong-dan-su-dung-visual-studio-code-a-z-toan-tap-10

[6] Nguồn internet: https://www.w3schools.com/java/ref_keyword_char.asp

[7] Nguồn internet: https://www.w3schools.com/java/java_switch.asp

V BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC

BẢNG PHÂN CHIA CÔNG VIỆC CHO CÁC TÀNH VIÊN

Nhận xét của CBHD Sinh viên thực hiện

……… Nhóm 08

………

………

Nguyễn Nhật Linh

(Nhóm trưởng) B2012513

Soạn file báo cáo, tìm hiểu cảm biến siêu

âm, đề xuất ý tưởng đề tài, thiết kế phần

cứng (sơ đồ khối, mô phỏng) thiết kế phần mềm (vẽ lưu đồ, viết code, thiết kế giao diện Wed

100%

Nguyễn Mạnh Hà

(Thành viên) B2012497

Tìm hiểu cảm biến siêu âm, mua trang thiết bị, thuyết trình cho đề tài Hỗ trợ viết code và thiết kế phần cứng cho hệ thống

100%

Nguyễn Quốc Bảo

(Thành viên) B2012416

Thiết kế phần cứng, hỗ trợ viết lưu đồ

Lê Nhật Em

(Thành viên) B2012496

Chuẩn bị vật tư trang thiết bị cho đề tài,

hỗ trợ thiết kế giao diện Wed 100%