Nhóm 4 Điều khiển lưu lượng nước

Đồ án môn học: Ứng dụng máy tính trong đo lường và điều khiển Điều khiển lưu lượng chất lỏng và giám sát qua giao diện phần mềm MỤC LỤC MỞ ĐẦU.........................................................................................................................4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG...................................................................5 1.1. Giới thiệu về đề tài............................................................................................5 1.2 Mục tiêu và yêu cầu .........................................................................................6 1.3 Sơ đồ khối hệ thống..........................................................................................7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................9 2.1. Vi điều khiển Atmega 16 .................................................................................9 2.2. Cảm biến lưu lượng YF-S401 .......................................................................10 2.3 . Tổng quan giao tiếp UART .........................................................................11 2.4 . Điều chế độ rộng xung PWM......................................................................14 2.5 PID...................................................................................................................16 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH HỆ THỐNG .............................................17 3.1 Chương trình C++ .........................................................................................17 3.2 Thiết lập giao diện trên Winform.................................................................22 3.2.1 Màn hình giao diện:.................................................................................23 3.2.2 Code C#.....................................................................................................23 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN....................28 4.1 Kết luận...........................................................................................................28 4.2 Đánh giá, phát triển .......................................................................................30 TƯ LIỆU THAM KHẢO............................................................................................313 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Khối thành phần hệ thống...................................................................................7 Hình 2. Sơ đồ khối hệ thống............................................................................................8 Hình 3. Sơ đồ chân atmega 16.........................................................................................9 Hình 4. Cảm biến lưu lượng YF -S401 .........................................................................10 Hình 5. Thông số kỹ thuật của cảm biến lưu lượng ......................................................11 Hình 6. Truyền thông nối tiếp và song song .................................................................12 Hình 7. Sơ đồ khối UART.............................................................................................13 Hình 8. Sơ đồ truyền thông UART................................................................................13 Hình 9.Hình minh họa cách giao tiếp UART với vi điều khiển....................................14 Hình 10. Độ rộng xung PWM .......................................................................................15 Hình 11. Các khâu trong PID ........................................................................................16 Hình 12. Giao diện điều khiển.......................................................................................23 Hình 13. Mô phỏng hệ thống.........................................................................................29 Hình 14. Sản phẩm thực tế ............................................................................................29 Hình 15. Điều chế xung.................................................................................................30

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

LƯU LƯỢNG CHẤT LỎNG

Môn học: Ứng dụng máy tính trong đo lường và điều khiển

Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Văn Mạnh

Nhóm số 4

HANOI, 5/2024

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG 5

1.1 Giới thiệu về đề tài 5

1.2 Mục tiêu và yêu cầu 6

1.3 Sơ đồ khối hệ thống 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Vi điều khiển Atmega 16 9

2.2 Cảm biến lưu lượng YF-S401 10

2.3 Tổng quan giao tiếp UART 11

2.4 Điều chế độ rộng xung PWM 14

2.5 PID 16

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 17

3.1 Chương trình C++ 17

3.2 Thiết lập giao diện trên Winform 22

3.2.1 Màn hình giao diện: 23

3.2.2 Code C# 23

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 28

4.1 Kết luận 28

4.2 Đánh giá, phát triển 30

TƯ LIỆU THAM KHẢO 31

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Khối thành phần hệ thống 7

Hình 2 Sơ đồ khối hệ thống 8

Hình 3 Sơ đồ chân atmega 16 9

Hình 4 Cảm biến lưu lượng YF -S401 10

Hình 5 Thông số kỹ thuật của cảm biến lưu lượng 11

Hình 6 Truyền thông nối tiếp và song song 12

Hình 7 Sơ đồ khối UART 13

Hình 8 Sơ đồ truyền thông UART 13

Hình 9.Hình minh họa cách giao tiếp UART với vi điều khiển 14

Hình 10 Độ rộng xung PWM 15

Hình 11 Các khâu trong PID 16

Hình 12 Giao diện điều khiển 23

Hình 13 Mô phỏng hệ thống 29

Hình 14 Sản phẩm thực tế 29

Hình 15 Điều chế xung 30

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt

Công nghệ tự động giám sát và điều khiển lưu lượng chất lỏng cũng được nhiều công ty, xí nghiệp cũng như các nhà máy ứng dụng nhiều nhằm thay thế việc giám sát

và điều khiển lưu lượng chất lỏng bằng phương pháp thủ công Công nghệ tự động giám sát lưu lượng chất lỏng đảm bảo việc kiểm soát, điều khiển lưu lượng chất lỏng sử dụng, bơm, xả chất lỏng một cách tin cậy mà không cần sự kiểm tra trực tiếp của con người Công nghệ này được ứng dụng nhiều trong việc xử lý nước thải, lọc hóa dầu, nhà máy nước, nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện, điện hạt nhân, các bể nước, tháp nước tự động…

Từ những vấn đề trên đặt ra yêu cầu là dùng phương pháp nào để giám sát và điều khiển lưu lượng chất lỏng một cách hợp lý nhất về chi phí, độ tin cậy, khả năng linh hoạt, dễ vận hành và sử dụng nhất Trong thực tế có nhiều phương pháp tự động điều khiển lưu lượng chất lỏng, ở phần này nhóm thực hiện đề tài “Thiết kế và xây dựng

hệ thống điều khiển, giám sát lưu lượng nước trong bồn chứa đứng” Đề tài gồm các nội dung sau:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG

1.1 Giới thiệu về đề tài

1.1.1 Khái quát chung

Vấn đề quản lý các loại chất lỏng như nước, dầu mỏ, xăng, nước thải là một vấn

đề được nhiều người và tổ chức quan tâm trong thời đại hiện nay Đề tài “Điều khiển

và giám sát lưu lượng nước” được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, tại nhiều công ty, xí nghiệp và các nhà máy, đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và quản lý chất lỏng ở nhiều lĩnh vực khác nhau

Có nhiều phương pháp để giám sát và quản lý chất lỏng, bao gồm phương pháp thủ công và ứng dụng điều khiển tự động Ngày nay, phương pháp giám sát và quản

lý chất lỏng phần lớn được tự động hóa nhằm giảm bớt sức lao động của con người

1.1.2 Một số lĩnh vực ứng dụng công nghệ “Điều khiển và giám sát chất lỏng” trong thực tế

a Lĩnh vực sản xuất Điện

• Nhiệt Điện: Phần lớn việc quản lý và giám sát chất lỏng trong các nhà máy nhiệt điện tập trung vào hệ thống làm mát cho các bình ngưng Trong nhà máy nhiệt điện đốt than dùng Tuabin ngưng hơi, hệ thống tuần hoàn bình ngưng làm nhiệm

vụ rất quan trọng trong chu trình nhiệt Nó giúp thải một lượng nhiệt lượng rất lớn (khoảng 40 - 45%) lượng nhiệt mà nước nhận được từ lò hơi Tuy nhiệt lượng phải thải đi là lớn nhưng lại phải diễn ra ở điều kiện nhiệt độ thải nhiệt gần với nhiệt độ môi trường Chính vì vậy mà hiệu quả thải nhiệt của nó và do đó hiệu quả của chu trình nhà máy nhiệt điện bị phụ thuộc rất mạnh và nhạy cảm vào những yếu tố môi trường và điều kiện truyền nhiệt trong bình ngưng

• Thuỷ Điện: Thuỷ điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước, đa số năng lượng thuỷ điện có được từ thế năng của nước tích tại các đập nước làm quay Tuabin nước và máy phát điện Do việc lấy nước là năng lượng chính trong việc sản xuất điện nên việc điều tiết nước sao cho hợp lý và hiệu quả tuỳ vào thời điểm, lượng tiêu thụ điện, cũng như đảm bảo việc xả nước cho hạ du cần được tự

động hóa để đảm bảo tính chính xác, tính hiệu quả và hợp lý

b Lĩnh vực xử lý nước thải

Nước thải có mặt ở khắp nơi, đặc biệt là các khu công nghiệp, các nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện… Trong nhiều năm trở lại đây, việc ứng dụng công nghệ vào công tác xử

lý nước thải đã được nhiều cơ quan tổ chức ứng dụng nhằm thực hiện chiến lược bảo

vệ môi trường

c Nhà máy sản xuất nước

Nhà máy cung cấp nước đô thị: Tại các thành phố, nước sạch cần phải được cung cấp đầy đủ nhằm đảm bảo một cách đầy đủ nhu cầu sinh hoạt của người dân Điều chú ý là việc cấp nước phải luôn đáp ứng được nhu cầu sử dụng, lượng nước tiêu thụ

là không xác định nên hệ thống cấp nước phải được điều khiển sao cho áp suất bơm trong đường ống luôn ổn định

d Công nghệ lọc hóa dầu

Lọc hoá dầu, tháp nước và các trạm bơm nước lớn tự động cũng là các lĩnh vực có thể áp dụng công nghệ “Điều khiển và giám sát mức nước” để nâng cao hiệu quả sản

xuất

1.2 Mục tiêu và yêu cầu

1.2.1 Yêu cầu công nghệ

Trong đề tài này cần hiểu rõ và thực hiện tốt các vấn đề sau:

- Nắm được nguyên lý làm việc của mô hình;

- Dùng vi điều khiển Atmega và thuật toán điều khiển PID;

- Hiểu rõ và nắm bắt được các thiết bị trên phần cứng;

- Vẽ sơ đồ kết nối về điện của mô hình để tiện theo dõi và sửa chữa;

- Thiết kế giao diện trên máy tính phục vụ điều khiển;

1.2.2 Mục tiêu

Đồ án điều khiển lưu lượng nước là một dự án mà mục tiêu chính là tạo ra một hệ thống điều khiển thông minh để quản lý và điều khiển lưu lượng nước trong một hệ thống cụ thể

Mục tiêu của đồ án là phát triển và triển khai một hệ thống điều khiển lưu lượng nước thông minh nhằm cải thiện hiệu suất và quản lý tài nguyên nước hiệu quả Hệ thống này

sẽ được thiết kế để tự động điều chỉnh lưu lượng nước dựa trên các yếu tố như nhu cầu

sử dụng, điều kiện môi trường và thông tin từ các cảm biến đo lường Mục tiêu cụ thể bao gồm:

• Tối ưu hóa sử dụng tài nguyên: Xác định và áp dụng các thuật toán điều khiển để đảm bảo rằng lưu lượng nước được sử dụng một cách hiệu quả nhất, tránh lãng phí

và đồng thời đáp ứng đầy đủ nhu cầu sử dụng nước

• Đảm bảo ổn định hệ thống: Xây dựng các hệ thống điều khiển tự động để duy trì áp suất và lưu lượng nước ổn định trong toàn bộ hệ thống, giảm thiểu sự cố và đảm bảo hoạt động liên tục

• Tăng cường tính linh hoạt: Phát triển các phương pháp điều khiển linh hoạt, cho phép điều chỉnh lưu lượng nước theo yêu cầu thay đổi của hệ thống hoặc điều kiện môi trường, như trong các tình huống khẩn cấp hoặc thay đổi môi trường

• Đảm bảo an toàn và bảo mật: Tích hợp các tính năng an toàn và bảo mật vào hệ thống

để ngăn chặn các cuộc tấn công mạng và đảm bảo rằng hoạt động của hệ thống không gây nguy hiểm cho người và môi trường

• Tối ưu hóa chi phí và tiết kiệm năng lượng: Thiết kế hệ thống để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và giảm thiểu chi phí hoạt động, bao gồm cả việc sử dụng các thiết

bị tiết kiệm năng lượng và các biện pháp tối ưu hóa quy trình điều khiển

1.3 Sơ đồ khối hệ thống

Về tổng quan, hệ thống bao gồm các thành phần:

Hình 1 Khối thành phần hệ thống

- Khối điều khiển bao gồm:

+ vi điều khiển Atmega16A, đây chính là bộ não trung tâm của hệ thống,

+ Máy tính dựa trên giao diện điều khiển được lập trình bằng Winform C#

- Khối cảm biến bao gồm: cảm biến lưu lượng YF-S401 và cảm biến siêu âm SR04 dùng để đo mực nước

HC Khối truyền thông là module USB to TTL, giúp giao tiếp giữa máy tính và vi điều

khiển Máy tính sử dụng giao thức USB, còn vi điều khiển Atmega16 sử dụng giao thức UART

- Khối cơ cấu chấp hành bao gồm:

+ Module PWM điều khiển tốc độ máy bơm

+ Máy bơm MB385: điều khiển lưu lượng nước

Hình 2 Sơ đồ khối hệ thống

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Vi điều khiển Atmega 16

2.1.1 Khái quát

AVR Atmega16 là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất (Atmel cũng là nhà sản xuất dòng vi điều khiển 89C51 mà có thể bạn đã từng nghe đến) AVR là chip vi điều khiển 8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC(Reduced Instruction Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí

Hình 3 Sơ đồ chân atmega 16

Vi điều khiển Atmega16 hiệu suất cao, công suất thấp Atmel 8-bit AVR RISC dựa trên kết hợp 16KB bộ nhớ flash có thể lập trình, 1KB SRAM, 512B EEPROM, một 10-bit A / D chuyển đổi 8-kênh, và một giao diện JTAG cho on-chip gỡ lỗi Thiết bị

hỗ trợ thông lượng của 16 MIPS ở 16 MHz và hoạt động giữa 4,5-5,5 volt

Vi điều khiển Atmega16 thực hiện hướng dẫn trong một chu kỳ đồng hồ duy nhất, các thiết bị đạt được thông lượng gần 1 MIPS mỗi MHz, cân bằng điện năng tiêu thụ

và tốc độ xử lý

2.1.2 Tính năng và thông số

• Có bộ điều khiển 8-bit CMOS công suất thấp với chip AVR RISC

• Thông lượng lên đến 16MIPS mỗi MHz

• Có 32 thanh ghi chức năng chung

• Bộ nhớ Flash 16Kbytes

• 512 byte EEPROM, 1k byte SRAM, JTAG

• Ba bộ định thời / bộ đếm để so sánh tín hiệu

• Ngắt trong và ngoài

• Giao thức USART + I2C

2.2 Cảm biến lưu lượng YF-S401

Cảm biến lưu lượng nước YF-S401 dùng để đo lưu lượng nước chảy qua một ống dẫn Chất liệu bằng nhựa bên trong có cánh quạt nước và cảm biến hall Khi nước chảy qua van cảm biến làm cánh quạt quay dẫn đến sự thay đổi trạng thái đầu ra của cảm biến Hall, đầu ra tín hiệu xung

Hình 4 Cảm biến lưu lượng YF -S401

2.2.1 Thông số kỹ thuật

Hình 5 Thông số kỹ thuật của cảm biến lưu lượng

2.2.2 Sơ đồ, cấu tạo chi tiết

Cảm biến lưu lượng có 3 dây:

- Dây đỏ: cấp nguồn 5V-24VDC

- Dây đen: GND

- Dây vàng: Ngả ra của cảm biến Hall (PWM output)

Bằng cách đếm xung từ ngả ra của cảm biến, Bạn có thể dễ dàng tính được lưu lượng nước Mỗi xung tương ứng khoảng 2.25 ml

Lưu ý:

+ Đây không phải là một bộ cảm biến có độ chính xác tuyệt đối Tốc độ xung có thể sai lệch một chút tùy thuộc vào tốc độ dòng chảy, áp suất chất lỏng và định hướng cảm biến Vì vậy cần hiệu chỉnh sai lệch khoảng 10% Tuy nhiên, nếu đo lưu lượng cơ bản thì đây là cảm biến tốt nhất

+ Các tín hiệu xung ra là một dải xung vuông đơn giản vì vậy nó khá dễ dàng để nhập và chuyển đổi thành lít mỗi phút bằng cách sử dụng công thức sau đây:

Tần số xung F = (98 * Q) ± 2% với Q = L / MIN

2.3 Tổng quan giao tiếp UART

2.3.1 Khái niệm UART

Tên đầy đủ của UART là "Universal Asynchronous Receiver/Transmitter"

Nó là một vi mạch có sẵn trong các vi điều khiển, nhưng không giống như các

giao thức truyền thông khác như I2C và SPI Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu theo cách không đồng bộ Trong UART, giao tiếp giữa hai thiết

bị có thể thực hiện theo hai cách: giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song

2.3.2 Truyền thông nối tiếp và song song

Trong giao tiếp dữ liệu nối tiếp, thông tin được truyền qua một đường dây bit-by-bit và chỉ yêu cầu hai dây So với giao tiếp song song, truyền thông dữ liệu nối tiếp ít tốn kém hơn về mặt phần cứng và dây cáp Do đó, giao tiếp này thường được ưa chuộng trong các ứng dụng cần tính đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn

Trong khi đó, trong giao tiếp dữ liệu song song, thông tin có thể được truyền qua nhiều đường dây cùng một lúc Mặc dù tốn kém hơn về mặt phần cứng và dây cáp, giao tiếp dữ liệu song song cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao hơn Các ứng dụng phổ biến của giao tiếp này bao gồm máy in cổ điển, khe cắm PCI, bộ nhớ RAM, và những ứng dụng yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu cao

Hình 6 Truyền thông nối tiếp và song song

2.3.3 Sơ đồ khối UART

Sơ đồ khối của UART bao gồm hai thành phần chính: máy phát và máy thu

Cả hai phần này thường được điều chỉnh bởi một bộ tạo tốc độ baud để đảm bảo rằng tốc độ truyền dữ liệu phù hợp khi máy phát và máy thu giao tiếp với nhau Trong phần máy phát, thanh ghi giữ chứa byte dữ liệu cần truyền Các thanh ghi dịch chuyển trong cả máy phát và máy thu được sử dụng để dịch chuyển các bit qua trái hoặc phải cho đến khi một byte dữ liệu hoàn chỉnh được truyền hoặc

nhận Một logic điều khiển được sử dụng để quyết định khi nào nên thực hiện đọc hoặc ghi dữ liệu

Máy phát tốc độ baud đảm bảo rằng tốc độ truyền dữ liệu giữa máy phát và máy thu dao động từ 110 bit mỗi giây đến 230400 bit mỗi giây

Hình 7 Sơ đồ khối UART

2.3.4 Truyền thông UART

Hình 8 Sơ đồ truyền thông UART

UART là một giao thức truyền dữ liệu không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong vi điều khiển và các thiết bị điện tử Giao thức này sử dụng các thành phần

cơ bản như bit khởi đầu để bắt đầu truyền dữ liệu và bit dừng để kết thúc Bit kiểm tra chẵn lẻ có thể được sử dụng để kiểm tra lỗi dữ liệu và đảm bảo tính toàn vẹn của thông tin truyền Dữ liệu bit chứa thông tin thực sự được truyền từ bên gửi đến bên nhận, với độ dài của khung dữ liệu thường từ 5 đến 8 bit UART cung cấp khả năng truyền dữ liệu giữa các thiết bị với tốc độ và độ tin cậy cao,

làm cho nó trở thành một trong những giao thức truyền dữ liệu phổ biến nhất trong ngành điện tử

2.3.5 Giao diện UART

Hình 9.Hình minh họa cách giao tiếp UART với vi điều khiển

Hình minh họa cách giao tiếp UART với vi điều khiển, sử dụng ba tín hiệu chính

là TXD, RXD và GND Trong ví dụ này, việc truyền và nhận dữ liệu giữa một board vi điều khiển 8051 và máy tính cá nhân được thực hiện thông qua giao diện UART0 Chân TX truyền dữ liệu từ vi điều khiển đến máy tính, trong khi chân RX nhận dữ liệu từ máy tính Tốc độ baud được sử dụng để đồng bộ hóa tốc độ truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính

2.3.6 Các ứng dụng của UART

UART thường được sử dụng trong các bộ vi điều khiển cho các yêu cầu chính xác và chúng cũng có sẵn trong các thiết bị liên lạc khác nhau như giao tiếp không dây, thiết bị GPS, mô-đun Bluetooth và nhiều ứng dụng khác

Các tiêu chuẩn truyền thông như RS422 & TIA được sử dụng trong UART ngoại trừ RS232 Thông thường, UART là một IC riêng được sử dụng trong giao tiếp nối tiếp UART

2.4 Điều chế độ rộng xung PWM

2.4.1 PWM là gì?

PWM viết tắt của Pulse Width Modulation, có nghĩa là phương pháp điều chỉnh điện áp tải, hay hiểu đơn giản hơn đây là phương pháp điều chỉnh, thay đổi điện áp tải ra bằng việc thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, từ đó có sự thay đổi điện áp

Hình 10 Độ rộng xung PWM

Dùng PWM để điều chỉnh cường độ dòng điện sẽ hiệu quả hơn và cũng tiết kiệm hơn Các phương pháp điều chỉnh dòng điện khác rất tốn kém và phức tạp

2.4.2 Nguyên lý hoạt động của PWM

PWM hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt có chu kỳ của nguồn của tải Khi van G mở, toàn bộ điện áp được dùng cho tải Khi van đóng, tải bị cắt nguồn điện áp

Vì vậy, trong suốt chu kỳ đóng mở van G này, tải sẽ có lúc nhận được toàn bộ nguồn điện áp, có lúc nhận được một phần và cũng có lúc hoàn toàn không nhận được gì

𝑼𝒅 = 𝑼𝒎𝒂𝒙.𝒕

𝑻hay Ud = Umax.D Trong đó: D = t/T - đây là hệ số điều chỉnh PWM (còn gọi là

độ rộng xung), tính bằng % Ví dụ: với độ rộng xung D = 20% và Umax=12V thì điện áp trung bình được tính bằng:

U d = U max D=12.20%=2.4V

2.4.3 Ứng dụng của PWM

PWM được ứng dụng vào trong các mô hình điều khiển, thường gặp nhất là trong các bộ động cơ, xung áp, điều áp