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 NƯỚCDÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM

ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNGHÓA

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 NƯỚCDÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNHTẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng 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 giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.

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

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu tráchnhiệm 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 ra trong 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

20/2-26/2 -Hiểu được nguyên lí

làm việc của cảm biến

-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 mạch cứng

1.1.1CHIP VI ĐIỀU KHIỂN 16F877A 2

1.1.2CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04 3

1.1.3LIQUID CRYSTAL DISPLAY (LCD)’ 5

1.1.4BIẾN TRỞ 7

1.1.5TỤ ĐIỆN 9

1.1.6THẠCH ANH 10

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: 12

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU: 12

1.3.1TIMER1 CỦA VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A 12

1.3.2CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04 15

1.3.3LCD 16x2 18

1.3.4CÁC CHÂN TRIS, PORT 19

1.3.5PHẠM VI NGHIÊN CỨU 21

1.3.6DỰ KIẾN KẾT QUẢ 21

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 21

2.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH : 21

2.1.1KHỐI ĐIỀU KHIỂN 22

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

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

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 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 từ cảm biến đến bề mặt nước Cảm biến siêu âm sẽ phát ra sóng siêu âm ở chân Trigger và nhận lại sóng phản xạ ở chân Echo từ bề mặt của nước Thông qua tính toán thời gian di chuyển của sóng, mạch đo có thể tính toán, xác định chiều cao mực 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, không khí và bụi bẩn Nó cũng có thể được sử dụng để giám sát mực nước trong thời gian thực, đồng thời truyền thông tin đo đạc về mực nước đến các thiết bị điều khiển và báo động nhằm cho chúng ta biết cách xử lí và đưa ra các biện pháp phù hợp với bồn 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 rãi trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng và thủy lợi có thể kể đến như dung trong hồ bơi, các bồn chứa nước trong công nghiệp, hoặc các bồn chứa máy bơm 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 trong các 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 nhớ lưu 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) và khả năng đầu vào dòng (input current sinking) và đầu ra dòng (output current sourcing).

- 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 và Capture/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 nhiều ứng dụng khác nhau như hệ thống đèn giao thông, điều khiển thiết bị điện tử, hệ thống 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 sử dụng 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.

- Điện áp hoạt động: 5V DC.

Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một giải pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng đo khoảng cách Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như robot, hệ thống an ninh, hệ thống đo đạc và kiểm tra, hệ thống tự động hóa và các ứng dụng liên quan đến khoảng cách.

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 hình tinh 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:

- LCD sử dụng tinh thể lỏng và các bộ lọc để hiển thị hình ảnh.

- Nguồn sáng phía sau màn hình chiếu qua các tinh thể lỏng, tạo nên hình ảnh được hiển thị trên màn hình.

- LCD có khả năng hiển thị hình ảnh chất lượng cao và tiết kiệm năng lượng hơn so với các loại màn hình khác như CRT (Cathode Ray Tube).

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 đo bằng số điểm ảnh theo chiều ngang và dọc Ví dụ: 1920x1080 là độ phân giải Full 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 thái sáng, 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 khi xem 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 điều chỉnh 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 để

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

- Công suất định mức: Tùy thuộc vào thiết kế của từng loại biến trở Thông thường, 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 sử dụng Thông thường, tuổi thọ của biến trở 10k là khoảng 10.000 lần xoay/kéo trở.

-Hình 1-5 Biến trở 10k

2.1.5 TỤ ĐIỆN

Tụ 22p là một loại tụ điện có dung lượng định mức là 22 picofarad (pF) Tụ điện này thường được sử dụng trong các mạch điện tử như bộ lọc tín hiệu và giảm nhiễu.

Thông tin cơ bản về tụ 22p:

- Điện áp định mức: Tùy thuộc vào từng loại tụ và được ghi rõ trên nhãn của từng tụ Thông thường, điện áp định mức của tụ 22p dao động từ 25V đến 50V.

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

- Nhiệt độ hoạt động: Tùy thuộc vào từng loại tụ Thông thường, tụ 22p có thể hoạt 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 dụng rộng rãi trong các mạch điện tử như bộ phân tần tín hiệu và các ứng dụng điện tử khác 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 các

- 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 cụ thể mà thạch anh được sử dụng.

- Nhiệt độ hoạt động: Tùy thuộc vào từng loại thạch anh Thông thường, thạch anh 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 datasheet của 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 kiến thức về Timer1, TRIS, PORT của vi điều khiển, cách hoạt động và hiển thị của LCD và nguyên lí hoạt động của cảm biến siêu âm HC-SR04 để tính toán chiều cao mực 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 và nhận 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 lại 0000h 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 và Counter, 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 Clock Prescale 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 Oscillator Enable 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 khi TMR1CS = 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 (cạnh lên).

- 0= Chọn xung nội bên trong (FOSC/4).

Bit 0 -TMR1ON: bit điều khiển Timer1

- 1= Cho phép Timer1 đếm.

- 0= Timer1 ngừng đếm.

Chế độ làm việc chính trong mạch:

- Chế độ Tỉmer: Timer1 sẽ đếm xung clock và tăng giá trị của thanh ghi TMR1 mỗi khi đếm được 1 chu kì clock Thời gian được xác định bởi công thức:

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

Về nguyên lí hoạt động:

- Đầu tiên, chân Trig sẽ phát xung tối thiểu là 10us, đầu phát của cảm biến phát ra bao gồm 8 xung, có tần số là 40KHz

- Khi xung chạm vật thể, thì sóng siêu âm sẽ phản xạ ngược lại vào đầu thu còn lại, lúc đó Echo nhảy lên mức 1, và duy trì đến khi nào nhận tất cả xung phản xạ về thì Echo mới về 0 Lúc đó ta có được độ rộng xung để tính được thời gian.

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

Tổng quan: Màn hình LCD 16x2 là một thiết bị hiển thị kỹ thuật số được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử Màn hình này có kích thước 16x2 (16 ký tự trên một hàng, hai hàng) và có khả năng hiển thị các ký tự số, chữ và các ký tự đặc biệt.

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 Thường được 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 ta dùng Pic để điều khiển và hiển thị.

Tris Port là một thanh ghi điều khiển đầu vào/đầu ra trong vi điều khiển PIC16f877a 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

Chức năng:

- Thanh ghi Tris được sử dụng để cấu hình các chân I/O của PIC16f877a là đầu vào hoặc đầu ra.

- Khi một bit trong thanh ghi Tris được thiết lập là 0, chân I/O tương ứng được cấu hình là đầu ra.

- Khi một bit trong thanh ghi Tris được thiết lập là 1, chân I/O tương ứng được cấu hình là đầu vào.

Cách hoạt động:

- Để thiết lập một chân I/O của PIC16f877a là đầu vào hoặc đầu ra, ta phải thiết 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 đó bằng 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 đó bằng 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 mô phỏng nên còn hạn chế, có thể sử dụng để đo mực nước của các bình, bồn chứa nước nhỏ trong các gia đình Nếu có điều kiện và mục đích sử dụng cao hơn vẫn đáp 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 vào bình, từ đó ta biết được độ cao của mực nước trong bình chứa.

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH :