thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bình chứa

Với các phương pháp đo lường thủ công lạc hậu, độ chính xác thấp, không thể kiểm soát, tiêu tốn chi phí nhân lực,… thì giải pháp điều khiển và giám sát chất lỏng trong bình chứa từ xa và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN &

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN &

Đà Nẵng, 08/2023

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

Bài toán điều khiển mức là một vấn đề cần giải quyết trong các lĩnh vực về dầu mỏ, hóa chất, công nghiệp, thực phẩm,… khi thực hiện pha trộn cần độ chính xác cao Khi các thiết bị ngày càng hiện đại và tối ưu cần đòi hỏi được độ chính xác và tin cậy càng cao Một số sai sót sẽ ảnh hưởng đến sản phẩm và chất lượng đầu ra

Báo cáo về đề tài gồm 5 chương: Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Giới thiệu Arduino Mega 2560, Arduino Nano và phần mềm lập trình Winform

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bình chứa trong thực tế

Chương 4: Thiết kế và chế tạo mô hình Chương 5: Đánh giá kết quả thực hiện và hướng phát triển của đề tài Kết luận

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển mãnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp thông tin … Do đó là một sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà

Điện tử đang trở thành một ngành đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày Một trong những ứng dụng quan trọng của ngành công nghệ điện tử là kỹ thuật điều khiển từ xa và giám sát qua máy tính Xuất phát từ nhu cầu thực tế qua những ứng dụng tiện ích và hiệu quả mà công nghệ điều khiển từ xa

mang lại, em đã quyết định chọn đề tài: “Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám

sát mức chất lỏng trong bình chứa”

Với các phương pháp đo lường thủ công lạc hậu, độ chính xác thấp, không thể kiểm soát, tiêu tốn chi phí nhân lực,… thì giải pháp điều khiển và giám sát chất lỏng trong bình chứa từ xa và chính xác gần như tuyệt đối lên trên một thiết bị là rất mang tính thực thi Qua đó còn giúp các doanh nghiệp kiểm soát dược chính xác mức chất lỏng trong các bình chứa

LỜI CAM ĐOAN

“Tôi xin cam đoan đồ án này là công trình do tôi nghiên cứu và thực hiện với sự hướng dẫn của thầy ThS Dương Quang Thiện”

Các dữ liệu, hình ảnh và kết quả hoàn thành trình bày đồ án là có thật, tuân thủ đúng nguyên tắc trình bày trong đồ án / khóa luận văn tốt nghiệp, chưa từng được công bố ở các nguyên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về nghiên cứu của mình

Trần Quang Hiếu

LỜI CẢM ƠN

Lời nói đầu tiên cho em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban lãnh đạo trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng và quý thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử, đặc biệt quý thầy cô bộ môn Tự động hóa đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho em để thực hiện đề tài trong thời gian học tập vừa qua

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy ThS Dương Quang Thiện đã

hướng dẫn em từ những vấn đề cơ bản, đưa ra những giải pháp kĩ thuật và các giải quyết các vấn đề phát sinh khi làm thực nghiệm giúp cho em dễ dàng tiếp thu kiến thức để thực hiện đề tài một cách hiệu quả nhất Thầy đã cho em những lời khuyên hữu ích, không những áp dụng trong quá trình làm đề tài mà còn áp dụng trong thực tế Cảm ơn thầy vì sự tân tình hướng dẫn cũng như đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất để em có thể thực hiện và hoàn thành đồ án đúng thời gian

Mặc dù đã có nhiều cố gắng và nỗ lực thực hiện, nhưng do kiến thức cũng như khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những sai phạm, thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ dẫn từ nơi quý thầy cô và các bạn sinh viên

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Trần Quang Hiếu

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 3

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN 4

TÓM TẮT 5

LỜI NÓI ĐẦU 1

LỜI CAM ĐOAN 2

1.3.1 Phương pháp đo mức chất lỏng bằng sóng siêu âm 3

1.3.2 Phương pháp đo mức chất lỏng sử dụng điện dung 4

1.3.3 Phương pháp chênh lệch áp suất để xác định mức chất lỏng 5

1.3.4 Phương pháp đo ON/OFF 6

1.3.5 Phương pháp đo mức chất lỏng bằng phao 6

1.5 Phương pháp nghiên cứu 7

1.6 Giới hạn đề tài 7

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU ARDUINO VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH WINFORM 8

2.1 Tổng quan về Arduino 8

2.1.1 Giới thiệu về Arduino 8

2.1.2 Một số loại Arduino trên thị trường 8

2.1.3 Một vài ứng dụng của Arduino 10

2.2 Arduino Mega 2560 11

2.3 Arduino Nano 12

2.4 Giới thiệu về cảm biến 13

2.4.1 Khái niệm 13

2.4.2 Cấu tạo chung 14

2.4.3 Một số cảm biến phổ biến đo mức chất lỏng 14

2.5 Giới thiệu phần mềm lập trình Winforms 20

2.5.1 Khái niệm về Winforms 20

2.5.3 Các thuộc tính cơ bản trên Winforms Application 21

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MỨC CHẤT LỎNG TRONG BÌNH CHỨA TRONG THỰC TẾ 23

3.1 Tiêu chuẩn dùng nước 23

3.2 Sơ đồ khối hệ thống 24

3.3 Hệ thống bơm 24

3.3.1 Cấu tạo 24

3.3.2 Nguyên lý hoạt động 25

3.3.3 Ưu nhược điểm 25

3.3.4 Tiêu chí lựa chọn máy bơm 26

3.4 Hệ thống xả 26

3.5 Tính toán lưu lượng 26

3.6 Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát trong thực tế 27

3.6.1 Bộ điều khiển 27

3.6.2 Các thành phần hệ thống điều khiển 28

3.6.3 Hệ thống giám sát 29

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH 31

4.1 Quy trình công nghệ của hệ thống 31

4.2 Cách đo mức chất lỏng và nguyên lý làm việc 31

4.3 Sơ dồ mạch điêu khiển và mạch giám sát 32

4.2.1 Sơ đồ mạch điều khiển 32

4.2.2 Sơ đồ mạch giám sát 33

4.4 Lưu đồ thuật toán của hệ thống 35

4.5 Thiết kế mô hình và lựa chọn thiết bị 36

5.2 Ưu và nhược điểm 50

5.3 Hướng khắc phục và phát triển trong tương lai 50

Kết luận 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 PHỤ LỤC 2

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Hình 1 1 Phương pháp đo mức bằng siêu âm 3

Hình 1 2 Đo mức bằng phương pháp điện dung 4

Hình 1 3 Đo mức bằng phương pháp áp suất 5

Hình 1 4 Đo mức bằng phương pháp ON/OFF 6

Hình 2 7 Các cảm biến phổ biến hiện nay 14

Hình 2 8 Cảm biến tiệm cận điện dung 14

Hình 2 9 Ứng dụng cảm biến tiệm cận điện dung trong thực tế 15

Hình 2 10 Cảm biến siêu âm được dùng để đo khoảng cách 16

Hình 2 11 Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm ( quá trình cho và nhận ) 17

Hình 2 12 Cấu tạo phao cảm biến mức nước 18

Hình 2 13 Cấu tạo cảm biến áp suất 19

Hình 2 14 Giao diện chính của phần mềm Winforms 20

Hình 2 15 Chi tiết các cửa sổ, thuộc tính trên Winforms Application 21

Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 24

Hình 3 2 Cấu tạo bơm cấp nước sinh hoạt 24

Hình 3 3 Bộ điều khiển mức nước LCU - 1232 / Kết nối báo tràn 27

Hình 3 4 Bộ điều khiển mức nước LCU - 1232 / Kết nối báo cạn 28

Hình 3 5 Đồng hồ nước thông minh 29

Hình 3 6 Cảm biến dò rỏ rỉ nước 29

Hình 3 7 Hệ thống theo dõi, cảnh báo và quản lý từ xa 30

Hình 4 1 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống điều khiển mức chất lỏng 33

Hình 4 2 Sơ đồ mạch giám sát hệ thống điều khiển mức chất lỏng 34

Hình 4 3 Lưu đồ thuật toán hệ thống 35

Hình 4 4 Bình trong suốt đo mức chất lỏng 36

Hình 4 5 Sơ đồ khối hệ thống 37

Hình 4 6 Sơ đồ mạch các khối hệ thống 38

Hình 4 7 Cảm biến lưu lượng nước 39

Hình 4 8 Cảm biến siêu âm HC - SR04 40

Hình 4 9 Real Time Clock DS1307 (RTC) 40

Hình 4 10 Module Lora XS1278 AS32 41

Hình 4 17 Màn hình LCD2004 47

Hình 4 18 Mô hình hệ thống điều khiển và giám sát chất lỏng (Bề trên) 48

Hình 4 19 Mô hình hệ thống điều khiển và giám sát chất lỏng trong bình chứa (Bề ngang) 49

Hình 4 20 Hệ thống điều khiển mức chất lỏng được giám sát trên Winforms 49

Bảng 1 Một số loại Arduino trên thị trường 10

Bảng 2 Bảng tiêu chuẩn sử dụng nước phân theo đối tượng sử dụng 23

Bảng 3 Bảng tiêu chuẩn sử dụng nước phân theo độ tiện nghi nhà ở 23

Bảng 4 Bảng kết nối chân Arduino 32

Bảng 5 Chức năng các chân của Arduino Nano 33

MỞ ĐẦU

Trong thời đại bùng bổ công nghệ như hiện nay thì điều khiển tự động ngày càng khẳng định vị thế vững chắc của mình trong nhiều ứng dụng Nhờ quá trình tự động hóa mà năng suất chất lượng sản phẩm được nâng cao Cũng chính vì lẽ đó em đã tập trung giải quyết bài toán điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bình Trong đề tài này em đã xây dựng thành công mô hình và thiết kế giao điện giám sát mức nước dựa trên nguyên lý đo mức bằng cảm biến siêu âm

Trong nhiều ứng dụng của đời sống hằng ngày và đặc biệt trong các hệ thống bể chứa nguyên liệu lỏng, việc điều khiển và giám sát mức chất lỏng là vô cùng quan trọng Có rất nhiều hệ thống mà hiệu quả của việc này đã đem lại lợi ích kinh tế rất cao như: điều khiển và giám sát mức trong kho xăng dầu, hệ thống pha trộn hóa chất, hệ thống nồi hơi,… Trong đề tài này, em đã thiết kế thành công mô hình điều khiển và giám sát mức chất lỏng trong bình chứa

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ mà trong đó là kỹ thuật tự động giám sát điều khiển thiết bị đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, cung cấp thông tin Do đó, là một sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền kinh tế khoa học nước nhà

Như chúng ta cũng đã biết nhu cầu cuộc sống con người ngày càng phát triển hiện đại gần như các thiết bị đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của người sử dụng Chúng chưa có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu Ở đây, các thiết bị điều khiển tự động được kết nối với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh có thể giao tiếp với nhau

Điển hình của một hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua màn hình LCD, các tín hiệu đèn báo và một số thiết bị đơn giàn như: cảm biến siêu âm, cảm biến lưu lượng, cảm biến phao Nó hoạt động như một hệ thống bơm xả nước thông minh, nghĩa là các thiết bị này có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu thông qua một bộ đầu não trung tâm Bộ đầu não trung tâm ở đây là một bộ xử lý đã được lập trình sẵn tất cả các chương trình điều khiển Thông thường các hệ thống bơm xả nước sử dụng theo phương pháp thủ công là chính sử dụng bằng tay chân con người, theo dõi mức nước dựa vào mắt thường, một số trường hợp nước tràn hoặc xả không ngừng xảy ra một cách đột ngột mà chúng ta không thể kiểm soát kịp thời Vì vậy để khắc phục và kiểm soát kịp thời qua đó tạo ra sản phẩm hiệu quả trên kinh tế thị trường đồng thời tiết kiệm được nguồn nhân công lao động đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống cùng với sự phát triển mạnh mẽ về lĩnh vực điện

tử nên em quyết định chọn đề tài: “Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển và giám sát

mức chất lỏng trong bình chứa”

1.2 Lý do chọn đề tài

Nước là một phần quan trọng không thể thiếu trong sinh hoạt của con người Để có nước sinh hoạt và phục vụ các nhu cầu khác trong cuộc sống, chúng ta thường dùng bể chứa và máy bơm Tuy nhiên việc bật máy bơm để bơm nước lên bể chứa khi gần hết nước, rồi phải canh thời gian tắt máy bơm để tránh nước tràn ra ngoài bể là việc làm rất mất thời gian và không phải lúc nào chúng ta cũng đều nhớ và làm nó

Chính vì vậy, trong đề tài này em muốn máy bơm phải hoạt động tự động để tiết

“Khi nước trong bể chứa hết đến (mức cảnh báo) thì máy bơm phải tự động chạy để bơm nước lên bể, khi nước đầy bể đến (mức đầy) thì máy bơm dừng hoạt động

1.3 Mục tiêu và phạm vi của đề tài Mục tiêu đề tài

Mục tiêu đặt ra là điều khiển khối chất lỏng trong bình chứa qua cơ cấu chấp hành bơm – van để hệ thống luôn ổn định ở một mức đặt ban đầu, đồng thời có khả năng giám sát quá trình hoạt động của toàn bộ hệ thống trên máy tính

Tiết kiệm tối đa nguồn nhân lực và thời gian Xử lý được khối lượng chất lỏng lớn

Phương pháp đo mức bằng sóng siêu âm là một phương pháp đo mức không tiếp xúc Phương pháp này được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống xử lý nước Nó cho phép đo chất lỏng có khả năng ăn mòn cao

Hình 1 1 Phương pháp đo mức bằng siêu âm

Nguyên lý đo siêu âm

Phương pháp đo mức này sẽ sử dụng một thiết bị gọi là cảm biến siêu âm Cảm biến này phát ra một chùm sóng siêu âm Chùm sóng siêu âm này chạm vào bề mặt chất lỏng và nó phản xạ lại Cảm biến siêu âm nhận lại chùm sóng bị phản xạ tính toán thời gian và vận tốc sóng Từ đó cho ra khoảng cách giữa cảm biến và chất lỏng cần đo

1.3.2 Phương pháp đo mức chất lỏng sử dụng điện dung

Đây là phương pháp đo ngâm trực tiếp trong chất lỏng Phương pháp đo mức chất lỏng này đem lại độ chính xác cao nhưng đòi hỏi chất lỏng phải dẫn điện Với công nghệ phát triển thì việc đo chất lỏng dẫn điện thấp và chất lỏng không dẫn điẹn bằng điện dụng vẫn có thể thực hiện được

Nguyên lý đo mức điện dung

Đo mức bằng điện dung có nguyên lý khá đơn giản Bạn chỉ cần đưa que điện cực vào trong chất lỏng cần đo Que điện cực sẽ cảm nhận giá trị điện trong chất lỏng Giá trị này ngập đến vị trí nào của que dò điện cực nó sẽ xuất hiệu cho ta biêt mức chất lỏng trong bồn

Hình 1 2 Đo mức bằng phương pháp điện dung

Ưu điểm

Phương pháp này có độ chính xác cao vì nó được ngâm trực tiếp trong chất lỏng Nó phù hợp với các vị trí đo nhiệt đô cao và áp suất lớn Đo được rất nhiều loại chất lỏng khác nhau Ngoài ra phương pháp này còn dùng để đo các chất rắn dạng hạt như cát, hạt cà phê, xi măng…

Nhược điểm

Nhược điểm của phương pháp này đó chính là không thể đo được khoảng cách quá xa Chiều dài đo được phụ thuộc vào chiều dài của que dò Nhược điểm này có thể khắc phục bằng sử dụng que dò dạng dây

1.3.3 Phương pháp chênh lệch áp suất để xác định mức chất lỏng

Dùng phương pháp này được dùng trong các hệ thống kín khó thay đổi kết cấu Ngoài ra người ta dùng phương pháp này để đo trong các ao, hồ lớn Loại cảm biến dùng để đo trong môi trường kín là cảm biến áp suất Còn để đo ao, hồ, thì ta dùng cảm biến thủy tĩnh

Nguyên lý đo bằng áp suất

Đo mức chất lỏng bằng áp suất có nguyên lý khá đơn giản Đầu tiên xác định áp suất trong bồn bằng cảm biến áp suất Sau đó chúng ta qui đổi thành mực nước theo bảng qui đổi chuẩn Theo bảng qui đổi chuẩn, áp suất 1 bar tương đương với 10,21 mét nước Ví dụ áp suất đo được là 0,1 bar có nghĩa là trong bồn có 1,021m nước

Hình 1 3 Đo mức bằng phương pháp áp suất

bồn có áp suất phải sử dụng đến cảm biến chênh áp Điều này đảm bảo cho việc đo mức là chính xác

1.3.4 Phương pháp đo ON/OFF

Phương pháp đo ON/OFF hay còn gọi là phương pháp báo đầy báo cạn Phương pháp đo này có giá thành rẻ nhất Phương pháp này được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp bảo quản, dùng trong các bồn trộn, khuấy,… Phương pháp này chỉ được sử dụng nếu các bạn chỉ cần biết 2 vị trí đầy và cạn không cần biết bên trong chưa bao nhiêu nước Khi đầy tự ngắt bơm, khi cạn tự bật bơm

Hình 1 4 Đo mức bằng phương pháp ON/OFF

1.3.5 Phương pháp đo mức chất lỏng bằng phao

Phương pháp đo mức chất lỏng bằng phao là những loại cảm biến mức dạng phao, là thiết bị đo báo mức trong môi trường chất lỏng được ứng dụng hiệu quả trong các ngành công nghiệp hàng đầu như: hóa chất, dầu khí, hóa dầu, thực phẩm (rượu, bia,nước giải pháp,…), xử lý nước và nước thải, hệ thống PCCC,…

Nguyên lý hoạt động của phương pháp đo mức chất lỏng bằng phao được chia thành 2 loại là on/off và liên tục:

• Dạng on/off: dạng này báo mức cạn và đầy tương ứng ở điểm thấp và cao nhất Khi chất lỏng báo mức cạn thì motor được điều khiển bật và ngược lại • Dạng liên tục: loại cảm biến này hoạt động dựa vào sự liên tục theo sự thay đổi mức điện trở và chuyển đổi thành tín hiệu 4-20mA tương ứng

Hiện nay loại cảm biến đo mức nước dạng phao gồm có 3 loại chính là phao cáp, phao từ, phao lắp cạnh

Hình 1 5 Đo mức bằng phao

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp tham khảo tài liệu: Bằng cách thu thập thông tin từ sách, tạp chí về điện tử và truy cập từ mạng Internet

Phương pháp quan sát: Khảo sát một số mạch điện tử thực tế đang có trên thị trường và tham khảo thêm một số dạng mạch từ mạng Internet

Phương pháp thực nghiệm: Từ những ý tưởng và kiến thức vốn có của em kết hợp với sự hướng dẫn của giảng viên, em đã lắp ráp thử nghiệm nhiều dạng mạch khác nhau để từ đó chọn ra phương án tối ưu

1.6 Giới hạn đề tài

Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát chất lỏng Sử dụng bo Arduino Mega 2560 và lập trình Winforms

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU ARDUINO VÀ PHẦN MỀM LẬP

TRÌNH WINFORM

2.1 Tổng quan về Arduino 2.1.1 Giới thiệu về Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield

Hình 2 1 Logo Arduino

Môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là một ứng dụng platform (nền tảng) được viết bằng Java, và từ IDE này sẽ được sử dụng cho Ngôn ngữ lập trình xử lý (Processing programming language) và project Wiring Nó được thiết kế để dành cho những người mới tập làm quen với lĩnh vực phát triển phần mềm Một chương trình hoặc code viết cho Arduino được gọi là một Sketch

cross-Các chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++ Arduino IDE đi kèm với một thư viện phần mềm được gọi là "Wiring", từ project Wiring gốc, có thể giúp các thao tác input/output được dễ dàng hơn

2.1.2 Một số loại Arduino trên thị trường

Arduino được biết đến ở Việt Nam rất rộng rãi Từ học sinh trung học, đến sinh viên và người đi làm Những dự án nhỏ và lớn được thực hiện một cách rất nhanh, các mã nguồn mở được chia sẻ nhiều trên diễn dàn trong nước và nước ngoài Giúp ích rất nhiều cho những bạn theo đam mê nghiên cứu chế tạo những sản phẩm có ích cho xã

hội

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều phiên bản Arduino như Arduino Uno R3, Arduino Uno R3 CH340, Arduino Mega2560, Arduino Nano, Arduino Pro Mino, Arduino Lenadro, Arduino Industrial…

Dưới đây là bảng tổng hợp một số Arduino thông dụng:

1 Mega

Chân số lên đến 64, 14 chân có thể phát PWM, 4 cổng truyền tiếp cùng kích thước khá lớn 5x10cm

2 Micro

Có đến 20 chân, trong đó có 7 chân có thể phát PWM Loại này có thiết kế khá nhỏ gọn, kích thước chỉ 5x2cm

3 Nano

Loại board có kích thước nhỏ nhất chỉ 2x4cm, việc lắp đặt được thực hiện dễ dàng

4 Leonardo

Là board không có cổng nối USB dùng lập trình Được thiết kế tại một chip nhỏ điều khiển Kết

nối qua COM ảo và có thể kết nối với chuột và

bàn phím

khoảng không lớn, ta thường thấy hai loại có

nguồn 3.3V và 5V

Bảng 1 Một số loại Arduino trên thị trường

2.1.3 Một vài ứng dụng của Arduino

Arduino có nhiều ứng dụng trong đời sống, trong việc chế tạo các thiết bị điện tử chất lượng cao Một số ứng dụng có thể kể đến như:

• Lập trình robot: Arduino chính là một phần quan trọng trong trung tâm xử lí giúp điều khiển được hoạt động của robot

• Lập trình máy bay không người lái Có thể nói đây là ứng dụng có nhiều kì vọng trong tương lai

• Game tương tác: chúng ta có thể dùng Arduino để tương tác với Joystick, màn hình, để chơi các trò như Tetrix, phá gạch, Mario và nhiều game rất sáng tạo nữa

• Arduino điều khiển thiết bị ánh sáng cảm biến tốt Là một trong những bộ phần quan trọng trong cây đèn giao thông, các hiệu ứng đèn nháy được cài đặt làm nổi bật các biển quảng cáo

• Arduino cũng được ứng dụng trong máy in 3D và nhiều ứng dụng khác tùy thuộc vào khả năng sáng tạo của người sử dụng

Hình 2 2 Xe tự hành sử dụng Arduino

Hình 2 5 Bo mạch Arduino Mega 2560

Nền tảng mã nguồn mở này chứa các thành phần bao gồm 54 chân digital, trong đó 15 chân có thể sử dụng như các chân PWM, 4 cổng nối tiếp phần cứng UART, 16 đầu vào analog, 1 cổng kết nối USB, 1 đầu ICSP, 1 jack cắm điện, 1 nút reset và 1 thạch anh 16MHz Nhìn chung, Arduino Mega 2560 chứa tất cả các linh kiện cần thiết để hỗ trợ hoạt động cho các vi điều khiển

Khác với các vi xử lý khác của Arduino, Arduino Mega 2560 không sử dụng chip FTDI điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý thông tin mà nó sử dụng ATmega16U2 được lập trình như một thiết bị chuyển đổi tín hiệu truyền từ USB Ngoài ra, Arduino Mega 2560 cơ bản tương tự như Arduino Uno R3, chỉ khác ở số lượng chân và sở hữu nhiều tính năng mạnh mẽ hơn Do đó, các bạn hoàn toàn vẫn có thể lập trình cho loại vi điều khiển này bằng chương trình lập trình tương tự như với Arduino Uno R3

2.3 Arduino Nano

Arduino Nano là một bảng mạch điện tử có kích thước nhỏ chỉ bằng 1 nửa đồng xu gấp lại, được phát triển dựa trên dựa trên ATmega328P phát hành vào năm 2008 và khá thân thiện với breadboard Arduino Nano cung cấp các kết nối và thông số kỹ thuật tương tự như bảng điện tử Arduino Uno nhưng với kích thước nhỏ gọn hơn rất nhiều

Hình 2 6 Bo mạch chính Arduino Nano

Arduino Nano sở hữu chức năng tương tự như Arduino Duemilanove hay Arduino UNO Sự khác biệt điển hình giữa chúng chính là dạng mạch Arduino Nano pinout được tích hợp vi điều khiển ATmega328P giống với Arduino UNO nhưng bảng UNO lại có dạng Plastic Dual-In-line Package PDIP với tổng số chân là 30, trong khi bảng Nano có sẵn trong Plastic Quad Flat Pack với 32 chân Điểm khác biệt tiếp theo đó là bảng Nano có tới 8 cổng ADC còn bảng UNO có 6 cổng ADC Bên cạnh đó, bảng Nano không có giác nguồn DC như các bo mạch Arduino thông thường khác, thay vào đó chúng được trang bị cổng mini-USB cho phép vừa sử dụng trong lập trình vừa làm bộ giám sát nối tiếp

Arduino Nano có ưu điểm là chọn được công suất lớn nhất với hiệu điện thế của nó, có thể lập trình trực tiếp từ máy tính một cách tiện dụng và đơn giản Đặc biệt, Arduino Nano pinout có kích thước nhỏ gọn, chỉ 185 mm x 430 mm với trọng lượng khoảng 7g Nhờ điều này mà Arduino Nano được ứng dụng cực kỳ đa dạng trong cuộc sống hiện đại ngày nay

2.4 Giới thiệu về cảm biến 2.4.1 Khái niệm

Cảm biến là thiết bị có khả năng tiếp nhận tác động đầu vào từ môi trường vật lý như ánh sáng, điện từ, sóng siêu âm, chuyển động áp suất, và nhanh chóng trả về tín hiệu sau đó bằng ánh sáng, âm thanh, chuyển động vật thể, chữ trên màn hình…

Các loại cảm biến ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị tự động, thiết bị thông minh như cửa tự động, đèn tự động, thiết bị cảnh báo áp suất, thiết bị chống trộm, Cảm biến xuất hiện ở mọi nơi như nhà ở, văn phòng, nhà máy, khu công nghiệp, đường xá và các sinh hoạt hàng ngày của con người

Hình 2 7 Các cảm biến phổ biến hiện nay

2.4.2 Cấu tạo chung

Cấu tạo chung của một thiết bị cảm biến gồm 3 bộ phận:

Vi mạch xử lý

Là hệ thống mạch điện phức tạp để điều khiển toàn bộ hoạt động thiết bị gồm tiếp nhận tín hiệu đầu vào, xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu cảnh báo tương ứng

Thiết bị thu đầu vào

Là bộ phận thu nhận các thay đổi của đối tượng mà cảm biến hướng tới như áp suất, tia hồng ngoại, ánh sáng, sóng điện từ, sóng siêu âm,

Thiết bị đầu ra

Tiếp nhận và thể hiện thông tin sau khi tín hiệu đầu vào được phân tích

2.4.3 Một số cảm biến phổ biến đo mức chất lỏng

Cảm biến tiệm cận điện dung

Hình 2 8 Cảm biến tiệm cận điện dung

Cảm biến tiệm cận điện dung (hay còn lại là cảm biến điện môi) là một thiết bị cảm biến có thể đo được những hằng số điện môi của môi trường xung quanh nó, cảm nhận được các mức chất lỏng, chất kết dính hay phân loại các chất rắn có kích thước nhỏ như là hạt nhựa, bột, xi măng, cát, Thường thì những thiết bị cảm biến tiệm cận

điện dung sẽ được sử dụng nhiều trong những khu vực nhà máy với nhiệm vụ đo đạc những mức chất lỏng, mức chất rắn trong các bồn chứa, sili hoặc các bể chứa,

Nguyên lý hoạt động

Thiết bị cảm biến tiệm cận điện dung sẽ thay đổi dựa trên sự thay đổi điện dung ở tụ điện Hoạt động khi có một vậy bất kỳ đi qua vùng nhạy cảm của cảm biến điện dung thì điện dung trong tụ điện sẽ tăng lên Điều này phụ thuộc vào những yếu tố như là kích thước, khoảng cách, hằng số điện môi của loại vật liệu Trong mạch của cảm biến có dùng nguồn DC tạo được các dao động cho cảm biến dòng, từ cảm biến dòng sẽ đưa ra 1 dòng điện tỷ lệ với khoảng cách giữa 2 tấm cực

• Ứng dụng trong các thiết bị đếm sản phẩm

Hình 2 9 Ứng dụng cảm biến tiệm cận điện dung trong thực tế

Cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm là thiết bị điện tử đo khoảng cách của một đối tượng mục tiêu bằng cách phát ra sóng siêu âm, sau đó âm thanh phản xạ được chuyển đổi thành tín hiệu điện Theo đó, bộ phát của cảm biến có khả năng tạo ra âm thanh nhờ sử dụng tinh thể áp điện Còn bộ thu có vai trò tiếp nhận âm thanh đến và đi từ các vị trí khác nhau

Hình 2 10 Cảm biến siêu âm được dùng để đo khoảng cách

Cấu tạo

Thiết bị cảm siêu âm được cấu tạo bởi một bộ phận đầu dò phát ra tín hiệu Đầu dò của cảm biến hoạt động như một microphone để nhận và phát âm thanh siêu âm Chúng được thiết kế với nhiều hình dạng như:

• Đầu dò thằng (sóng dọc) • Đầu dò ngang (sóng ngang) • Đầu dò sóng bề mặt

• Đầu dò kép (một đầu phát và một đầu nhận tín hiệu) Mặc dù thiết kế khác nhau nhưng các thiết bị đầu dò cảm biến sóng siêu âm này đều có chung cấu tạo gồm:

• Bộ phát: Cấu tạo từ gốm với đường kính rộng 15mm, hoạt động nhờ cơ chế chuyển động bằng máy rung để tạo ra các sóng siêu âm truyền vào không khí • Bộ thu: Có chức năg hình thành các rung động cơ học tương thích với sóng siêu âm và chuyển đổi thành năng lượng điện ở đầu ra của bộ thu

• Điều khiển: Là bộ phận sử dụng mạch điện tích hợp để điều khiển sự truyền sóng siêu âm của bộ phát, từ đó đánh giá được khả năg nhận tín hiệu và kích thước của bộ thụ

Nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm có nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình cho và nhận, có nghĩa là hệ thống cảm biến sẽ liên tục phát ra các sóng âm thanh ngắn với tần số cao hơn mức mà con người có thể nghe và có tốc độ lan truyền mạnh Khi các sóng âm này gặp phải vật cản là chất rắn hay chất lỏng thì sẽ tạo ra các bước sóng phản hồi Sau cùng, thiết bị cảm biến sẽ tiếp nhận, phân tích và xác định chính xác khoảng cách từ cảm biến

Hình 2 11 Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm ( quá trình cho và nhận )

Ứng dụng

• Với các dòng ô tô thông minh hiện nay thì cảm biến siêu âm gần như là một công nghệ không thể thiếu, hỗ trợ người lái trong việc đỗ xe, phòng tránh va chạm để có một chuyến đi an toàn

• Công nghiệp sản xuất các thiết bị cảm biến đo kích thước và đo mức nhiên liệu

• Cảm biến vân tay (cảm biến hoạt động bằng cách thu lại song âm được phản hồi lại từ làn da của người dùng)

• Đo mức nước

Cảm biến phao điện từ

Phao cảm biến mức nước (phao điện) là thiết bị cảm biến mức nước được thiết kế dạng phao giúp đo chính xác lưu lượng nước có trong bể chứa, bồn chứa, hồ chứa, truyền kết quả đo về bộ phận điều khiển nhằm đảm bảo cho máy bơm nước không bị chảy mỗi khi chạy không tải hoặc tác dụng giúp chống tràn

Cấu tạo phao cảm biến nước bao gồm phao nước, quả cân (quả nặng), tiếp điểm điện, cơ cấu dẫn động và dây chuyền tín hiệu

Hình 2 12 Cấu tạo phao cảm biến mức nước

Nguyên lý hoạt động

Phao cảm biển mức nước về cơ bản là một công tắc với các tiếp điểm dẫn điện được tác động (đóng – mở) bởi các cơ cấu dẫn động cơ khí có liên quan đến sự thay đổi của mức nước cần giám sát

Mực nước tác động hoặc không tác động lên phao sẽ ảnh hưởng tới trạng thái đóng hoặc mở của phao Tín hiệu điện sẽ được gửi về bộ phận giám sát, điều khiển hoặc trực tiếp về động cơ để cảnh báo hoặc kiếm soát mực nước

Ưu nhược điểm

• Thiết kế đơn giản, nhỏ gọn, dễ sử dụng, dễ lắp đặt • Giá thành rẻ

• Thông thường chỉ cảnh báo được 1 hoặc 2 mức nước Nếu muốn cảnh báo

nhiều mức thì giá thành cao và tốn nhiều dây dẫn

• Không phù hợp với các ứng dụng mà vị trí lắp phao cách xa bơm hoặc cách

xa thiết bị theo dõi, điều khiển

Ứng dụng

Cảm biến mức phao điện từ ứng dụng khi cần báo đầu, báo cạn đơn giản; môi chất là nước không độc hại, ăn mòn; nhiệt độ môi chất không quá cao ( tầm <100 độ C)

Ứng dụng

• Trong hệ thống phanh ô tô, cảm biến áp suất có thể được sử dụng để phát hiện các tình trạng lỗi trong hệ thống phanh thủy lực có thể ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của chúng

• Trong máy thở y tế, cảm biến áp suất được sử dụng để theo dõi áo suất oxy và giúp kiểm soát sự trộn lẫn giữa không khí và oxy cung cấp cho bệnh nhân

2.5 Giới thiệu phần mềm lập trình Winforms 2.5.1 Khái niệm về Winforms

Windows Forms (thường gọi tắt là winforms) là thuật ngữ mô tả một ứng dụng được viết dùng NET FrameWorrk và có giao diện người dùng Windows Forms

Mỗi màn hình windows cung cấp một giao diện giúp người dùng giao tiếp với ứng dụng Giao diện này được gọi là giao diện đồ họa (GUI) của ứng dụng

Là các ứng dụng windows chạy trên máy tính – mã lệnh thực thi ngay trên máy tính: Microsoft, Word, Excel, Access, Calculator, yahoo, Mail… là các ứng

dụng Windows Forms

Hình 2 14 Giao diện chính của phần mềm Winforms

2.5.2 Ưu điểm và nhược điểm các phần mềm trên Winforms

Ưu điểm

Đa phần lập trình viên C# NET nào cũng từng học/sử dụng Winform Bởi vì: Giao diện kéo thả dễ sử dụng; Gắn các event cho các button chỉ cần double click, lại hỗ trợ quá trời event như click, hover,…; Việc viết code cũng vô cùng trực quan: từ việc lấy text từ TextBox cho tới show dữ liệu bằng MessageBox, hoặc dùng Grid để kết nối SQL WinForm rất dễ học và dễ dạy

Vì dễ code, chỉ cần kéo thả, lại có nhiều component có sẵn, WinForm rất phù hợp để làm các phần mềm quản lý, tính tiền, thống kê… Đây cũng là loại ứng dụng mà các công ty/doanh nghiệp vừa và nhỏ cần Ngoài ra, chỉ cần sử dụng component như TelerikUI hoặc DevExpress (Ở Việt Nam, hầu như chúng ta đều dùng crack nên các component này hoàn toàn miễn phí), WinForm có thể tạo ra các giao diện hiện đại, đẹp

• Đảm bảo an toàn, bảo mật thông tin • Có thể chạy trên các phiên bản Windows khác nhau • Thao tác trên nhiều giao diện

Nhược điểm

Phần mềm chạy trên nền tảng Windows đó chính là người dùng muốn dùng phần mềm sẽ phải sử dụng máy tính đã cài phần mềm Do vậy, bạn phải mang theo mình chiếc máy tính cá nhân để phục vụ cho công việc

Winform chỉ phù hợp các ứng dụng trên desktop: ứng dụng quản lý thông tin, ứng dụng tương tác trực tiếp với người dùng

Đồ họa trên winform không cao nên giao diện phần mềm sẽ thiếu tính trực quan, hơi khó thao tác, không thân thiện với người dùng

2.5.3 Các thuộc tính cơ bản trên Winforms Application

Hình 2 15 Chi tiết các cửa sổ, thuộc tính trên Winforms Application

ToolBox

Là nơi chứa các điều khiển để thiết kế giao diện, để mở cửa sổ ToolBox các

bạn vào View | ToolBox (Ctrl + Alt + X)

C# cung cấp danh sách các Component/Control được liệt kê theo nhóm Cho

phép các bạn sử dụng thao tác kéo thả vào form để thiết kế giao diện cho chương trình

Trong ToolBox có các nhóm điều khiển để thiết kế giao diện như sau:

Form là vùng để thiết kế giao diện, ta chọn nhấn dữ chuột trái kéo điều khiển

vào form hoặc double click vào điều khiển mà bạn muốn thiết kế Các điều khiển còn được gọi là control hay component

Properties là nơi thiết lập thuộc tính của các điều khiển, với mỗi điều khiển/

Control đều được cung cấp sẵn một danh sách các thuộc tính để các bạn có thể thiết lập

Code Winfow (cửa sổ viết code) là nơi để chúng ta lập trình theo sự kiện của

Lập trình ứng dụng winforms là lập trình theo hướng sự kiện Mỗi control có danh sách các sự kiện đi kèm, ta cần lập trình tương tác ở sự kiện nào thì phát sinh và code ở sự kiện đó