Đồ án hệ thống nhúng kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đề tài mạch đo chiều cao mực nước dùng cảm biến siêu âm

CHƯƠNG 1.2.1 GIỚI THIỆU:Mạch đo chiều cao mực nước sử dụng cảm biến siêu âm là một thiết bị đo lường chính xác và đáng tin cậy, được thiết kế dùng để đo chiều cao mực nước trong các bể c

111Equation Chapter 1 Section 1 TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG

VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TRẦN TRÍ CƯỜNG

MẠCH ĐO CHIỀU CAO MỰC NƯỚC

DÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG

HÓA

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2023

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TRẦN TRÍ CƯỜNG

MẠCH ĐO CHIỀU CAO MỰC NƯỚC

DÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sựhướng dẫn khoa học của TS Võ Hữu Hậu Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong

đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây.Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giáđược chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệutham khảo

Ngoài ra, trong đồ án còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như sốliệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồngốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung Đồ án tốt nghiệp/ tổng hợp của mình Trường Đại học Tôn

Đức Thắng không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ratrong quá trình thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

Tác giả (ký tên và ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

-CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -

kiện cần dùng

-Tìm hiểu cách

hoạt động các linh kiện6/2-13/2 -Tìm hiểu về

Pic16F877A

-Tìm hiểu cách

hoạt động củacảm biến siêuâm

20/2-26/2 -Hiểu được nguyên lí

làm việc của cảm biếnsiêu âm

-Tìm hiểu về

cách tính toáncủa xung trongcảm biến

6/3-12/3 -Áp dụng được cách tính

toán vào đề tài

-Mô phỏng trên

Proteus20/3-26/3 -Mô phỏng mạch thành

Kiểm tra giữa

kỳ

-Đánh giá khối lượng hoàn thành……

-Được tiếp tục/không tiếp tục thực hiện ĐAHTN

17/4-23/4 -Làm mạch PCB, Vẽ

mạch in

-Thi công mạchcứng

Nộp Đồ án tốt

nghiệp

-Đã hoàn thành…… % Đồ án tốt nghiệp-được bảo vệ/không được bảo vệ ĐAHTN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VIII DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT IX

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 GIỚI THIỆU: 1

1.1.1 CHIP VI ĐIỀU KHIỂN 16F877A 2

1.1.2 CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04 3

1.1.3 LIQUID CRYSTAL DISPLAY (LCD)’ 5

1.1.4 BIẾN TRỞ 7

1.1.5 TỤ ĐIỆN 9

1.1.6 THẠCH ANH 10

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: 12

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU: 12

1.3.1 TIMER1 CỦA VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A 12

1.3.2 CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04 15

1.3.3 LCD 16x2 18

1.3.4 CÁC CHÂN TRIS, PORT 19

1.3.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 21

1.3.6 DỰ KIẾN KẾT QUẢ 21

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 21

2.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH : 21

2.1.1 KHỐI ĐIỀU KHIỂN 22

2.1.2 KHỐI CẢM BIẾN 22

2.1.3 KHỐI HIỂN THỊ 23

2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 25

2.3 MẠCH THỰC TẾ 27

CHƯƠNG 3 GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN 29

3.1 HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 29

3.2 LƯU DỒ GIẢI THUẬT 30

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 31

4.1 ƯU ĐIỂM 31

4.2 NHƯỢC ĐIỂM 31

4.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

PHỤ LỤC A 33 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 PIC 16F877A 3

Hình 1-2 Cảm biến siêu âm HC-SR04 4

Hình 1-3 LCD 6

Hình 1-4 Thông số kỹ thuật LCD 6

Hình 1-5 Biến trở 10k 8

Hình 1-6 Tụ điện 10

Hình 1-7 Thạch anh 20M 11

Hình 1-8 Thanh ghi Timer1 12

Hình 1-9 Chế độ đếm không đồng bộ của Timer1 14

Hình 1-10 Cấu tạo của timer1 15

Hình 1-11 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04 16

Hình 1-12 Vận tốc xung trong không khí 17

Hình 1-13 Đồ thị hoạt động xung của chân Trig và Echo 17

Hình 1-14 Datasheet của LCD 18

Hình 1-15 Cấu tạo các Tris/Port của PiC16F877A 20

Hình 2-1 Sơ đồ khối của mạch 22

Hình 2-2 PIC 16F877A 23

Hình 2-3 Cảm biến siêu âm 24

Hình 2-4.LCD 25

Hình 2-5 Sơ đồ nguyên lý 26

Hình 2-6 Sơ đồ mạch in 27

Hình 2-7 Mạch thực tế 28

Hình 2-8 Mạch PCB 29

Hình 3-1 Lưu đồ thuật toán 31

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DC : Direct Current

LCD : Liquid Crystal Display

PWM : Pulse Width Modulation

CPP : C plus plus

CRT :Cathode Ray Tube

I/O : Input / Output

bể chứa nước, bồn chứa hoặc hệ thống đường ống.

Mạch đo sử dụng cảm biến siêu âm, cụ thể là HC-SR04 (05) để đo khoảng cách từcảm biến đến bề mặt nước Cảm biến siêu âm sẽ phát ra sóng siêu âm ở chânTrigger và nhận lại sóng phản xạ ở chân Echo từ bề mặt của nước Thông qua tínhtoán thời gian di chuyển của sóng, mạch đo có thể tính toán, xác định chiều caomực nước

Mạch đo chiều cao mực nước sử dụng cảm biến siêu âm có độ chính xác cao, không

bị ảnh hưởng bởi các điều kiện thời tiết hoặc các yếu tố khác như ánh sáng, khôngkhí và bụi bẩn Nó cũng có thể được sử dụng để giám sát mực nước trong thời gianthực, đồng thời truyền thông tin đo đạc về mực nước đến các thiết bị điều khiển vàbáo động nhằm cho chúng ta biết cách xử lí và đưa ra các biện pháp phù hợp vớibồn chứa, bể nước

Mạch đo chiều cao mực nước sử dụng cảm biến siêu âm là một giải pháp hiệu quả

và tiết kiệm chi phí cho các hệ thống đo đạc mực nước Nó được ứng dụng rộng rãitrong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng và thủy lợi có thể kể đến nhưdung trong hồ bơi, các bồn chứa nước trong công nghiệp, hoặc các bồn chứa máybơm nước

2.1.1 CHIP VI ĐIỀU KHIỂN 16F877A

PIC 16F877A là một loại vi điều khiển dòng 8-bit của hãng Microchip Technology.Đây là một trong những loại vi điều khiển phổ biến và được sử dụng rộng rãi trongcác ứng dụng điện tử, điều khiển và tự động hóa

Đặc điểm nổi bật của PIC 16F877A bao gồm:

- Vi điều khiển 8-bit với bộ nhớ lưu trữ chương trình (flash) 14K và bộ nhớlưu trữ dữ liệu SRAM 368 byte

- Tần số hoạt động tối đa lên tới 20 MHz với nguồn cấp 5V

- Có 35 chân kết nối I/O với khả năng đầu vào/tín hiệu đầu ra (input/output) vàkhả năng đầu vào dòng (input current sinking) và đầu ra dòng (output currentsourcing)

- Hỗ trợ giao tiếp thông qua các giao thức như USART, SPI, I2C

- Hỗ trợ các tính năng điều khiển như Timer/Counter, Watchdog Timer vàCapture/Compare/PWM (CCP)

Các thông số kỹ thuật chính của PIC 16F877A bao gồm:

- Kiến trúc vi xử lý RISC với 35 lệnh thực thi

- Điện áp cung cấp từ 4V đến 5.5V

- Dòng tiêu thụ năng lượng thấp, chỉ từ 2mA đến 10mA

- Điện áp đầu vào tín hiệu từ 0 đến 5V

- Tần số xung nội 4 MHz đến 20 MHz

PIC 16F877A là một vi điều khiển linh hoạt và tiện lợi, được sử dụng trong nhiềuứng dụng khác nhau như hệ thống đèn giao thông, điều khiển thiết bị điện tử, hệthống bảo mật và điều khiển robot.

Hình 1-1 PIC 16F877A

2.1.2 CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04

Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một trong những loại cảm biến phổ biến và được sửdụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử và tự động hóa Đây là một loại cảm biến

đo khoảng cách bằng sóng siêu âm

Đặc điểm nổi bật của cảm biến HC-SR04 bao gồm:

- Có khả năng đo khoảng cách từ 2cm đến 400cm với độ chính xác cao

- Khoảng cách đo tối thiểu: 2cm.

- Khoảng cách đo tối đa: 400cm

- Góc đo: 15 độ

- Thời gian đo: từ 50ms đến 60ms

- Độ phân giải đo: 0.3cm

Hình 1-2 Cảm biến siêu âm HC-SR04

2.1.3 LIQUID CRYSTAL DISPLAY (LCD)’

LCD là viết tắt của từ tiếng Anh "Liquid Crystal Display", tạm dịch là "Màn hìnhtinh thể lỏng" Đây là một loại màn hình phẳng được sử dụng rộng rãi trên các thiết

bị điện tử như máy tính, điện thoại, máy ảnh, tivi, v.v

Thông tin cơ bản về LCD:

Thông tin kỹ thuật về LCD:

- Kích thước màn hình: Thường được đo bằng đường chéo của màn hình, đơn

vị là inch

- Độ phân giải: Số điểm ảnh tối đa có thể hiển thị trên màn hình Được đobằng số điểm ảnh theo chiều ngang và dọc Ví dụ: 1920x1080 là độ phân giảiFull HD

- Tỷ lệ khung hình: Số khung hình màn hình có thể hiển thị mỗi giây, đơn vị là

Hz Ví dụ: 60Hz là tỷ lệ khung hình phổ biến trên các màn hình hiện nay

- Thời gian đáp ứng: Thời gian cần để thay đổi từ trạng thái tối sang trạng tháisáng, hoặc ngược lại Đơn vị là mili giây (ms) Thời gian đáp ứng thấp hơn

sẽ giúp giảm hiện tượng mờ hình, hiện tượng hình ảnh kéo dài, đặc biệt khixem phim hoặc chơi game

Hình 1-3 LCD

Hình 1-4 Thông số kỹ thuật LCD

2.1.4 BIẾN TRỞ

Biến trở 10k là một loại biến trở có trở kháng định mức là 10 kOhm (kilo-ohm).Đây là một loại linh kiện điện tử thường được sử dụng trong các mạch điện để điềuchỉnh trở kháng và dòng điện.

Thông tin cơ bản về biến trở 10k:

- Biến trở 10k có thể được điều chỉnh để thay đổi trở kháng theo nhu cầu

- Biến trở 10k thường được thiết kế để có thể xoay hoặc kéo lên/kéo xuống đểthay đổi trở kháng

- Biến trở 10k có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh tần số,

độ sáng, âm lượng, v.v

Thông tin kỹ thuật về biến trở 10k:

- Trở kháng định mức: 10 kOhm

- Sai số trở kháng: Thường là +/- 5% hoặc +/- 10%

- Công suất định mức: Tùy thuộc vào thiết kế của từng loại biến trở Thôngthường, công suất định mức của biến trở 10k dao động từ 0.05W đến 0.25W

- Điện áp định mức: Thường là 250VAC hoặc 300VDC

- Tuổi thọ: Tùy thuộc vào chất lượng của từng loại biến trở và điều kiện sửdụng Thông thường, tuổi thọ của biến trở 10k là khoảng 10.000 lầnxoay/kéo trở

-Hình 1-5 Biến trở 10k

- Sai số dung lượng: Thường là +/- 5% hoặc +/- 10%.

- Nhiệt độ hoạt động: Tùy thuộc vào từng loại tụ Thông thường, tụ 22p có thểhoạt động ở nhiệt độ từ -55 độ C đến +125 độ C

- Kích thước: Tùy thuộc vào từng loại tụ và được ghi rõ trên nhãn của từng tụ

Hình 1-6 Tụ điện

2.1.6 THẠCH ANH

Thạch anh 20M (20 MHz quartz crystal) là một loại bộ phận điện tử được sử dụngrộng rãi trong các mạch điện tử như bộ phân tần tín hiệu và các ứng dụng điện tửkhác Thạch anh 20M được đặt tên theo tần số tần số hoạt động của nó là 20 MHz

Thông tin cơ bản về thạch anh 20M:

- Thạch anh 20M là một loại bộ phận điện tử tần số cao

- Thạch anh 20M được sử dụng để sinh tín hiệu chính xác, ổn định trong cácmạch điện tử

- Thạch anh 20M được gắn trực tiếp trên mạch in và có dạng hình thang hoặchình vuông

Thông tin kỹ thuật về thạch anh 20M:

- Tần số hoạt động: 20 MHz.

- Sai số tần số: Thường là +/- 10 ppm hoặc +/- 20 ppm

- Điện áp định mức: Thường là 5V hoặc 3.3V, tùy thuộc vào mạch điện tử cụthể mà thạch anh được sử dụng

- Nhiệt độ hoạt động: Tùy thuộc vào từng loại thạch anh Thông thường, thạchanh 20M có thể hoạt động ở nhiệt độ từ -10 độ C đến +60 độ C

- Kích thước: Tùy thuộc vào từng loại thạch anh và được ghi rõ trên datasheetcủa từng sản phẩm

Hình 1-7 Thạch anh 20M

2.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:

Trong mạch đo chiều cao mực nước dùng cảm biến siêu âm, ta vận dụng các kiếnthức về Timer1, TRIS, PORT của vi điều khiển, cách hoạt động và hiển thị củaLCD và nguyên lí hoạt động của cảm biến siêu âm HC-SR04 để tính toán chiều caomực nước

- TRIS, PORT: Các cổng ngõ vào (tín hiệu từ cảm biến) và các cổng ngõ ra(trích xuất số liệu và hiển thị lên LCD.

- Timer1: Chế độ Timer sẽ đếm xung clock mỗi khi chân cảm biến hoạt động,dùng để tính toán các giá trị cần thiết

- LCD: hiển thị các giá trị ngõ ra của PIC 16F877A

- Cảm biến siêu âm HC-SR04: Phát ra xung từ đầu cảm biến đến mặt nước vànhận xung phản xạ từ mặt nước về

2.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU:

2.3.1 TIMER1 CỦA VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A

Khái niệm:Là bộ định thời/đếm 16 bit gồm 2 thanh ghi 8 bit (TMR1H và TMR1L)– có thể đọc và ghi Hai thanh ghi này tăng từ 0000h đến FFFFh và quay trở lại0000h Khi bị tràn thì Timer1 sẽ phát sinh ngắt, cờ báo ngắt TMR1IF (PIR1<0>)lên mức 1 Timer1 có bit cho phép/cấm là TMR1IE (PIE1<0>)

Hình 1-8 Thanh ghi Timer1

Cấu hình: Timer1 là 1 timer 16-bit được lập trình và hoạt động ở 2 chế độ Timer vàCounter, sử dụng xung clock nội và ngoại

Trên Timer1, có 7 thanh ghi Trong mạch chỉ dùng 5 thanh ghi, cụ thể:

- Bit 5-4-T1CKPS1:T1CKPS0: các bit lựa chọn bộ chia - Timer1 input ClockPrescale Select bits

 11=1:8 giá trị chia

 10=1:4 giá trị chia

 01=1:2 giá trị chia

 00=1:1 giá trị chia

- Bit 3-1OSCEN: bit ĐK cho phép bộ dao động Timer1 - Timer1 OscillatorEnable Control bit

 1= bộ dao động được phép

 0= Tắt bộ dao động

Bit 2 -T1SYNC: bit ĐK đồng bộ ngõ vào xung clock bên ngoài của timer1

- Khi TMR1CS = 1:

 1= không thể đồng bộ ngõ vào clock ở từ bên ngoài

 0= đồng bộ ngõ vào clock ở từ bên ngoài

- Khi TMR1CS = 0:

 Bit này bị bỏ qua Timer1 dùng xung clock bên trong khiTMR1CS = 0

Bit 1 -TMR1CS: bit lựa chọn nguồn xung clock của timer1

- 1= Chọn nguồn xung clock từ bên ngoài ở chân RC0/T1OSO/T1CKI (cạnhlên)

- 0= Chọn xung nội bên trong (FOSC/4)

Bit 0 -TMR1ON: bit điều khiển Timer1

T=4 x chu kỳ clock x giá trị TMR1

Hình 1-9 Chế độ đếm không đồng bộ của Timer1

Hình 1-10 Cấu tạo của timer1

2.3.2 CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04

Về các chân cơ bản, HC-SR04 có 4 chân, bao gồm:

- 1 chân GND dùng để nối đất

- 1 chân Trig: dùng để phát xung tín hiệu ngõ ra

- 1 chân Echo: dùng để nhận xung phản xạ lại từ vật thể cần đo

- 1 chân Vcc nối vào nguồn cấp 5V

Ta có sơ đồ chi tiết về cảm biến siêu âm HC-SR04:

Hình 1-11 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04

Ta có ảnh minh họa về vận tốc của xung trong không khí và cách phát, nhận xungcủa cảm biến:

Hình 1-12 Vận tốc xung trong không khí

Hình 1-13 Đồ thị hoạt động xung của chân Trig và Echo

Áp dụng vào mạch đo mực nước:

Ta có:

Gọi S là quãng đường đi của sóng âm đến mực nước

S= 2 x d

Ta có hình minh họa các chân và tác dụng từng chân :

Hình 1-14 Datasheet của LCD

- Các chân 1,2,15,16 là các chân cấp nguồn cho LCD, trong đó: Chân 1 và 16

về đất GND, chân 2,15 được cấp nguồn 5V

- Chân 3 là chân điều chỉnh cấu hình LCD, như độ phân giải, độ sáng Thườngđược nối vào biến trở để điều khiển

- Chân 4 -> 6, là các chân điều khiển của LCD

- Từ chân 7-> 14 là các chân để nối vào các chip vi điều khiển, trong mạch tadùng Pic để điều khiển và hiển thị

Tris Port là một thanh ghi điều khiển đầu vào/đầu ra trong vi điều khiểnPIC16f877a Thanh ghi này được sử dụng để cấu hình các chân I/O của PIC16f877a

là đầu vào hoặc đầu ra

Tổng quan:

Tris/Port trong PIC16f877a bao gồm 4 thanh ghi: Tris A, Tris B, Tris C và Tris D

Mỗi thanh ghi Tris gồm 8 bit, tương ứng với 8 chân I/O trên PIC16f877a

Mỗi bit trong thanh ghi Tris có thể được thiết lập là đầu vào hoặc đầu ra

Hình 1-15 Cấu tạo các Tris/Port của PiC16F877A

- Để thiết lập một chân I/O của PIC16f877a là đầu vào hoặc đầu ra, ta phảithiết lập tương ứng bit trong thanh ghi Tris là 0 hoặc 1.

- Khi một chân I/O được cấu hình là đầu vào, ta có thể đọc giá trị trên chân đóbằng cách đọc giá trị của thanh ghi PORT tương ứng

- Khi một chân I/O được cấu hình là đầu ra, ta có thể ghi giá trị trên chân đóbằng cách ghi giá trị vào thanh ghi PORT tương ứng

2.3.5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Mạch có thể đo được trong phạm vi từ 2cm-400cm, nhưng mang tính chất môphỏng nên còn hạn chế, có thể sử dụng để đo mực nước của các bình, bồn chứanước nhỏ trong các gia đình Nếu có điều kiện và mục đích sử dụng cao hơn vẫnđáp ứng được

2.3.6 DỰ KIẾN KẾT QUẢ

Khi mạch có được hoạt động, mạch sẽ đo được khi bình nước trống là 0cm Khi ta

đổ nước vào, kết quả trên LCD sẽ tăng lên tùy thuốc vào lượng nước được cho vàobình, từ đó ta biết được độ cao của mực nước trong bình chứa

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH :

Hình 2-16 Sơ đồ khối của mạch

3.1.1 KHỐI ĐIỀU KHIỂN

Chức năng: Điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động của mạch

Linh kiện chính: PIC 16F877A

Thông số kỹ thuật cơ bản:

- Kiến trúc vi xử lý RISC với 35 lệnh thực thi

- Điện áp cung cấp từ 4V đến 5.5V

- Dòng tiêu thụ năng lượng thấp, chỉ từ 2mA đến 10mA

- Điện áp đầu vào tín hiệu từ 0 đến 5V

- Tần số xung nội 4 MHz đến 20 MHz