Đề tài đo mực nước bằng cảm biến đo khoảng cách hc sr04 hiển thị lên lcd dùng arduino uno

HỒ CHÍ MINHKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬBỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ---ĐỀ TÀI MÔN HỌCNGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNGCHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ĐỀ TÀI:ĐO MỰC NƯỚC BẰNG CẢM

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH -

ĐỀ TÀI MÔN HỌC

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

ĐO MỰC NƯỚC BẰNG CẢM BIẾN

ĐO KHOẢNG CÁCH HC-SR04 HIỂN THỊ LÊN LCD DÙNG ARDUINO UNO

Môn học: Công nghệ cảm biến GVHD: ThS Nguyễn Trường Duy

Nguyễn Việt Anh MSSV: 20161156 Chu Đan Trường

MSSV: 20161285

Tp Hồ Chí Minh - 05/2023

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

GVHD: ThS Nguyễn Trường Duy

Nguyễn Việt Anh MSSV: 20161156

Tp Hồ Chí Minh - 05/2023

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

GIẢNG VIÊN KÝ TÊN

MỤC LỤC

LIỆT KÊ HÌNH VẼ 5

LỜI CAM ĐOAN 6

LỜI CẢM ƠN 7

Chương 1 TỔNG QUAN 8

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 8

1.2 MỤC TIÊU 8

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 8

1.4 GIỚI HẠN 9

1.5 BỐ CỤC 9

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

2.1 Giới thiệu phần cứng 10

2.1.1 Arduino Uno 10

2.1.2 Module sim800C 13

2.1.3 Khoá từ 16

2.1.4 Adapter 12V-2A 17

2.1.5 LCD 16x2 18

2.1.6 Module I2C Arduino 19

2.1.7 Keypad 4x4 20

2.1.8 Cảm biến vật cản hồng ngoại 21

Chương 3 THIẾT KẾ 22

3.1 GIỚI THIỆU 22

3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 22

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 22

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 23

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 24

4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG 24

Chương 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 29

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 30

6.1 KẾT LUẬN 30

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang

Hình 2.1: Arduino Uno 10

Hình 2.2: Sơ đồ chân Arduino Uno 11

Hình 2.3: Module Sim800C 13

Hình 2.4: Sơ đồ chân Module Sim800C 14

Hình 2.5: Khoá chốt điện từ 16

Hình 2.6: Adapter 12V-2A 17

Hình 2.7: LCD 16x2 xanh dương 18

Hình 2.8: Module I2C Arduino 19

Hình 2.9: Cấu tạo và sơ đồ chân keypad 4x4 20

Hình 2.10: Cảm biến vật cản hồng ngoại 20

Hình 2.11: Hai mắt TX và RX 21

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này là do nhóm tìm hiểu và tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Chương 1 TỔNG QUAN1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, thế giới đang ngày càng phát triển về mọi lĩnh vực đồng thời giúp cuộc sống của conngười phát triển song song theo đó Nhất là về lĩnh vực công nghê, khi con người đầu tư chất cámcũng như hiểu biết để phát triển và tìm tòi những cái mới về công nghệ Trong lĩnh vực công nghệkhông thể không kể đến công nghệ cảm biến Vì thế, nhóm chọn đề tài “Đo mực nước bằng cảm biến

đo khoảng cách HC-SR04 hiển thị lên LCD dùng Ảdduino Uno” Đề tài là một dự án ứng dụng côngnghệ điện tử để giải quyết vấn đề đo mực nước trong các bể chứa, hồ bơi, đồng ruộng hay các thiết bịliên quan đến nước khác Cảm biến đo khoảng cách HC-SR04 là một trong những loại cảm biến phổbiến và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đo khoảng cách trong công nghệ điện tử Sử dụngcảm biến này để đo mực nước có thể giúp người dùng dễ dàng và chính xác hơn trong việc kiểm tramực nước Bằng cách kết hợp cảm biến khoảng cách HC-SR04 và vi điều khiển Arduino Uno, ngườidùng có thể thiết kế một hệ thống đo mực nước đơn giản và hiệu quả Dữ liệu đo được sẽ được hiểnthị lên màn hình LCD, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và đánh giá mực nước trong bể chứa hay hồbơi Đề tài này không chỉ giúp người dùng tiết kiệm thời gian và công sức trong việc đo mực nước,

mà còn có thể giúp họ phát hiện sớm các vấn đề về mực nước, giúp cho việc quản lý và sử dụng nướctrở nên hiệu quả hơn

Tối ưu hệ thống để đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của dữ liệu đo được

Tăng cường tính linh hoạt của hệ thống, cho phép người dùng dễ dàng cài đặt và điều chỉnh các tham số để phù hợp với nhu cầu sử dụng của mỗi thiết bị

Nâng cao hiệu quả sử dụng nước và giảm thiểu lãng phí nước bằng cách giúp người dùng có thể quản lý và kiểm soát mực nước trong các thiết bị liên quan đến nước

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về các linh kiện: Arduino Uno, cảm biến HC-SR04, LCD

NỘI DUNG 2: Xây dựng kiến trúc hệ thống hiển thị mực nước trên màn hình LCD để người dùng dễ dàng theo dõi thông tin về mực nước, tình trạng mức nước trong bồn

NỘI DUNG 3: Thiết sơ đồ khối, sơ đồ nối dây

NỘI DUNG 4: Thi công và chạy mạch

NỘI DUNG 5: Đánh giá kết quả thực hiện

1.4 GIỚI HẠN

Khoảng cách đo: Cảm biến khoảng cách HC-SR04 có thể đo khoảng cách lên đến 4 mét Vì vậy, giới hạn của đề tài là đo mực nước trong các bể chứa, hồ bơi hoặc các thiết bị liên quan đến nước có kích thước tương đối nhỏ và không quá sâu

Độ chính xác của dữ liệu đo được: Độ chính xác của dữ liệu đo được phụ thuộc vào nhiều yếu

tố, bao gồm chất lượng của cảm biến, độ phân giải của màn hình LCD và độ ổn định của hệ thống Do đó, giới hạn của đề tài là đảm bảo độ chính xác đo được đủ để người dùng có thể quản lý và sử dụng nước một cách hiệu quả

Tính ứng dụng của hệ thống: Hệ thống đo mực nước được xây dựng trong đề tài này chỉ phục

vụ cho mục đích đo mực nước trong các bể chứa, hồ bơi hoặc các thiết bị liên quan đến nước khác Không được áp dụng cho các mục đích khác

Khả năng mở rộng: Hệ thống đo mực nước được thiết kế trong đề tài này có thể được mở rộng

và phát triển để đáp ứng các nhu cầu sử dụng khác Tuy nhiên, giới hạn của đề tài là chỉ nghiêncứu và triển khai hệ thống cơ bản để đo mực nước trong các bể chứa, hồ bơi hoặc các thiết bị liên quan đến nước khác

1.5 BỐ CỤC

Chương 1: Tổng Quan

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.

Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán

Chương 4: Thi công mạch

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Giới thiệu phần cứng

2.1.1 Arduino Uno

Giới thiệu

Arduino UNO R3 là một loại bo mạch vi điều khiển, được sử dụng phổ biến trong họ Arduino.Chúng được phát hành vào năm 2011, và là phiên bản thứ 3 mới nhất của bảng Arduino Ưu điềm củaArduino là ngôn ngữ cực kì dễ học (giống C/C++), cấp ngoại vi trên bo mạch đều đã được chuẩn hóa,nên không cần biết nhiều về điện tử chúng ta cũng có thể lập trình được Mạch kit này được phát triểndựa trên ATmega328P với mục đích kiểm soát và giữ bộ vi điều khiển Những model hiện tại đượctrang bị gồm 1 công giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích vớinhiều board mở rộng khác nhau

Hình 2.1 Arduino Uno

Nguyên lý hoạt động

Arduino Uno R3 được sử dụng bằng cách gắn vào máy tính thông qua một cáp USB Sau khi đã lắpđặt xong, chúng ta sẽ sử dụng pin hoặc bộ chuyển đổi AC-DC để cung cấp điện cho mạch kit Khi đấunối thành công, mạch sẽ kích hoạt và bắt đầu

Vai trò của mạch kit Arduino UNO R3

UNO được thiết kế để hỗ trợ sự phát triển của phần mềm Arduino IDE 1.0 Lý do mạch kit này cótên Arduino UNO R3 là vì chúng là phiên bản sửa đổi mới nhất, thứ 3 của Arduino Uno Có một sốthay đổi:

Chip điều khiển USB được thay đổi từ ATmega8U2 (flash 8K) thành ATmega16U2 (flash 16K).Điều này không làm tăng flash hoặc RAM có sẵn cho các bản phác thảo

Trang bị thêm ba chân mới Trong đó, các chân I2C (A4, A5) được đưa ra bên cạnh bảng gầnAREF Một chân IOREF bên cạnh chân đặt lại, là một bản sao của chân 5V

Nút đặt lại hiện nằm bên cạnh đầu nối USB, giúp dễ tiếp cận hơn khi sử dụng tấm chắn.Ngoài ra, mạch kit này cũng đóng vai trò quan trọng và chính trong bảng bảng USB-Arduino

Đặc điểm

Một trong những ưu điểm nổi bật của mạch kit arduino uno r3 là người sử dụng có thể thay đổi bộ viđiều khiển trên bảng trong trường hợp họ gặp phải sự cố hay mắc lỗi

Ngoài ra, bộ kit này còn mang đến cho người sử dụng nhiều tính năng tuyệt vời như:

Khả năng tháo rời

Tích hợp sẵn trong DIP (gói nội tuyến kép)

Khả năng điều khiển ATmega328

Dễ dàng tải lập trình

Ưu điểm cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng là: Arduino có một cộng đồng hỗ trợ lớn vàmột bộ thư viện hỗ trợ phong phú Cùng với “lá chắn” phần cứng bổ sung phía sau Điều này sẽ làmột sự lựa chọn tuyệt vời cho những người mới bắt đầu làm việc trong lĩnh vực thiết bị điện tửnhúng

Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3

Vi điều khiển Dựa trên ATmega328P

Điện áp hoạt động 5V

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V

Điện áp vào giới hạn 6-20V

Digital I/O pin 14 (6 chân PWM)

PWM Digital I/O Pins 6

Analog Input Pins 6

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA

Flash Memory 32 KB (ATmega328P)

0.5 KB được sử dụng bởi bootloaderSRAM 2 KB (ATmega328P)

Sơ đồ chân

Hình 2.2 Sơ đồ chân Arduino Uno

Chức năng các chân của arduino uno

5V, 3.3V Dùng để cấp nguồn đầu ra cho các thiết bị chứ

không phải chân cấp nguồn vào

Vin(Voltage Input): Dùng để cấp nguồn ngoài cho Arduino Uno,

nối dương cực vào chân nà và cực âm vào chânGND

GND (Ground): Cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Uno

Khi sử dụng các thiết bị sử dụng những nguồnđiện riêng biệt thì phải nối các chân này

IOREF: Điện áp hoạt động của Arduino, có mức điện

áp là 5V Không được sử dụng để lấy nguồn từchân này

RESET: Việc nhấn nút RESET trên mạch arduino

tương tự như khi nối chân RESET với GND quađiện trở 10KΩ

14 chân digital Dùng để đọc ghi dữ liệu Chúng chỉ hoạt động

ở 2 mức điện áp 0V và 5V với các dòng vào/ratối đa trên mỗi chân là 40 mA

2 chân Serial: 0(RX) và 1(TX) Dùng để gửi (transmit - TX) và nhận (Receive

- RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thểgiao tiếp với các thiết bị khác thông qua 2 chânnày, như gắn thêm màn hình LCD để hiển thị.Chân PWM: 3, 5,6,9, 10 và 11 Cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8

bit( giá trị từ 0 -> 2 -1 tương ứng với 0 - 5V 8

Chân giao tiếp SPI: 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO),

13(SCK)

4 chân này có thể truyền phát dữ liệu bằnggiao thức SPI tới các thiết bị khác

LED 13 Trên arduino có 1 đèn led, khi bấm nút reset

thì đèn led này sẽ nhấp nháy để báo hiệu Nóđược nối với chân số 13 Khi chân này được sửdụng, đèn led sẽ sáng

6 chân analog(A0 -> A5) Cung cấp độ phân giải 10 bit(0 → 2 -1) để10

đọc giá trị điện áp trong khoảng 0 -> 5V

2 chân A4(SDA) và A5(SCL) 2 chân A4(SDA) và A5(SCL)

- Các sóng siêu âm này là các tín hiệu âm thanh có thể được đo và hiển thị ở đầu nhận.

- Nó cung cấp các chi tiết đo lường chính xác và đi kèm với độ phân giải khoảng 3mm, có thể có sựkhác biệt nhỏ về khoảng cách tính toán từ đối tượng và khoảng cách thực tế

Thông số kỹ thuật cảm biến HC-SR04

Điện áp hoạt động: + 5V

Khoảng cách đo lý thuyết: 2cm đến 450cm

Khoảng cách đo thực tế: 2cm đến 80cm

Độ chính xác: 3mm

Góc đo được bao phủ: <15 °

Dòng điện hoạt động: <15mA

Tần số hoạt động: 40Hz

Cảm biến đo khoảng cách tương đương

Cặp thu phát sóng siêu âm, module cảm biến hồng ngoại, cặp cảm biến hồng ngoại, cảm biếnkhoảng cách analog IR

Hoạt động của cảm biến siêu âm HC-SR04

Như hình trên, cảm biến HC-SR04 là module 4 chân, có tên chân tương ứng là Vcc, Trigger, Echo

và Ground Cảm biến này là một cảm biến rất phổ biến được sử dụng trong nhiều ứng dụng cần đokhoảng cách hoặc cảm biến đối tượng Module có hai mắt ở phía trước tạo thành bộ phát siêu âm và

bộ thu Cảm biến hoạt động với công thức đơn giản

Khoảng cách = Tốc độ × Thời gian

Bộ phát sóng siêu âm truyền một sóng siêu âm, sóng này truyền trong không khí và khi nó bị bất kỳvật liệu nào cản trở nó sẽ bị phản xạ trở lại cảm biến, sóng phản xạ này được quan sát bởi module bộthu siêu âm như hình bên dưới

Bây giờ, để tính khoảng cách bằng cách sử dụng các công thức trên cần biết tốc độ và thời gian Vìchúng ta đang sử dụng sóng siêu âm nên tốc độ phổ quát của sóng siêu âm ở điều kiện phòng là 330m/ s Mạch điện tích hợp sẵn trên module sẽ tính toán thời gian cần thiết để sóng siêu âm quay trở lại vàbật chân echo ở mức cao trong cùng một khoảng thời gian cụ thể, bằng cách này chúng ta cũng có thểbiết được thời gian đã thực hiện Bây giờ chỉ cần tính toán khoảng cách bằng vi điều khiển hoặc bộ vi

xử lý

Cách sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04

Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780).

Giao tiếp: I2C

Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2).Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt

Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD

Giao tiếp I2C với LCD

Module I2C Arduino Arduino uno

Hình 2.5 Dây LED thanh nhôm RGB

Cấu tạo của dây led RGB

Cấu tạo của Led RGB khác với các dòng Led thường khác, RGB có cấu tạo gồm có 4 chân, trong đó bao gồm 1 chân dương chung và 3 chân âm cho từng màu riêng

Dây led RGB là sự kết hợp của ba màu led; màu sắc sẽ thay đổi dựa vào việc điều khiển các chân của Led; xung PWM là cách dùng phổ biến để điều khiển

Cấu tạo bao gồm 02 cực: Cực dương chung (Anode) và Cực âm riêng (Cathode) được ngăn cách nhau bởi một tinh thể vật liệu bán dẫn

Chương 3 THIẾT KẾ3.1 GIỚI THIỆU

Yêu cầu của đề tài gồm: Hệ thống hoạt động, khi đi ngang qua cảm biến đặt trước cửa thì cảm biến

sẽ nhận biết là có người, lúc này Module sim sẽ gửi một mã OTP đến điện thoại của chủ nhà, bắt buộcphải nhập mã OTP vào Keypad Mã đúng, Relay sẽ kích lên mức cao và chốt cửa điện từ sẽ được mở

Mã sai sẽ có thông báo hiển thị trên LCD và bắt phải làm lại từ đầu Mã OTP sẽ là mã ngẫu nhiên từ2000-9999 cho nên sau mỗi lần cửa mở thì mã sẽ khác nhau

3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Để hệ thống hoạt động ổn định thì nguồn cấp là 12V-2A cho toàn bộ hệ thống, Module simhoạt động với điện áp 5V-2A, ngoài ra các thiết bị khác cũng có điện áp hoạt động tương tựModule sim Chốt khóa điện từ hoạt động ở mức điện áp 12V

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG4.1 THI CÔNG HỆ THỐNG

Lắp ráp và kiểm tra

Lập danh sách các bước lắp ráp:

a Lắp ráp module nguồn

b Lắp ráp Module Sim

-Dây xanh là dây cấp nguồn cho Module sim 5V

-Dây trắng là dây nối đất

-Dây vàng nối chân TX của Module sim với chân 2 Arduino-Dây nâu nối chân RX của Module sim với chân 3 Arduino

c Láp ráp LCD

- Dây xanh dương cấp nguồn 5V cho LCD

- Dây nâu là dây nối đất

- Dây vàng nối chân SDA của LCD với chân A0 Arduino

- Dây cam nối chân SCL của LCD với chân A1 Arduino

d Lắp ráp khóa điện từ và Relay

- Chân âm của Adapter nối với chân âm của khóa điện từ

- Chân dương của Adapter nối với GND của Relay

- Chân dương của khóa điện từ nối với NO (tiếp điểm thường mở) của Relay

- Dây trắng nối GND của Relay với Arduino