ĐỒ ÁN CDIO EE 347 G ĐỀ TÀI MẠCH CHỈ BÁO MỰC NƯỚC BẰNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM

Lý do chọn đề tài Áp dụng các kỹ thuật đơn giản để giải quyết các vấn đề của cuộc sống.Trong đó có mạch báo mực nước bằng cảm bién siêu âm.. Với ứng dụng cơ bản và thường xuyên bắt gặp

ĐẠI HỌC DUY TÂN TRƯỜNG CÔNG NGHỆ

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN CDIO EE 347 G

ĐỀ TÀI:

MẠCH CHỈ BÁO MỰC NƯỚC BẰNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN DUY TUYẾN

LÊ THANH TÂM

Giảng viên hướng dẫn : THS LÊ PHƯỢNG QUYÊN Lớp : EDK2

Đà nẵng, tháng 10 năm 2024

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Áp dụng các kỹ thuật đơn giản để giải quyết các vấn đề của cuộc sống.Trong

đó có mạch báo mực nước bằng cảm bién siêu âm Mạch sẽ giúp cho chúng ta.Theodõi được mực nước khi ta đang bận làm việc khác , không có thời gian chờ nước đầy.Đồng thời kiến thức về kỹ thuật số là không thể thiếu đối với mỗi sinh viên, nhất làsinh viên điện tử Với ứng dụng cơ bản và thường xuyên bắt gặp trong thức tế em đã

chọn đề tài có tên là “ Mạch chỉ báo mực nước bằng cảm biến siêu âm “

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Thiết kế được mạch chống trộm bằng cảm biến siêu âm

 Sử dụng được phần mền Proteus và IAR phục vụ cho thiết ké và thi côngmạch

3 Phương pháp ngiên cứu

 Phương pháp tìm kiếm : Bằng cách thu thập thông tin từ sách, tạp chí vềđiện tử và truy cập internet

 Phương pháp thực nghiệm: Từ những ý tưởng và kiến thức vốn có kếthợp với sự hỗ trợ của giảng viên nhóm em đã thử nhiều dạng mạch khácnhau tạo ra phương pháp tối ưu

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô Quyên giảng viên môn đồ ánCDIO trường đại học Duy Tân đã trang bị giúp em những kỹ năng cơ bản và kiến thứccần thiết để hoàn thành được đồ án này

Tuy nhiên, trong quá trình làm đồ án do kiến thức chuyên ngành của em cònhạn chế nên không thể tránh khỏi một vài thiếu sót khi trình bày và đánh giá vấn đề.Rất mong nhận được sự góp ý, đánh giá của các thầy cô bộ môn để đề tài của em thêmhoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 2

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 6

1.1 TÍNH CẤP THIẾT ĐỀ TÀI 6

1.2 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGUYÊN CỨU 7

1.3 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG 7

1.3.1 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG 7

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ LINH KIỆN 10

2.1 Điện trở 10

2.1.1 Khái niệm 10

2.1.2 Phân loại điện trở 10

2.2 Giới thiệu về LED 11

2.3 LCD 16X2 11 2.4 MSP430G2553 14

2.5 Cảm biến siêu âm HC-SR04 17

Chương 3: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHẾ TẠO MẠCH 19

3.1 Sơ đồ khối của mạch đến sản phẩm 19

3.2 Lưu đồ thuật toán 20

3.3 Sơ đồ nguyên lý của mạch 21

3.4 Mạch thực tế trên phần mền Proteus 22

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 24

4.1 Đánh giá kết quả đạt được 24

4.2 Ưu điểm 24

4.3 Nhược điểm 24

Chương 5: DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

Mục lục hình ảnh Hình 2 1:Hình dạng và giá trị điện trở 11

Hình 2 2:LED 12

Hình 2 3: LCD 16X2 13

Hình 2.4 MSP 430 G 2553 15

Hình 2.5: cảm biến siêu âm HC-SR04 18

Hình 3.1 : sơ đồ khối toàn mạch 20

HÌNH 3.2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 21

Hình 3.3: sơ đồ nguyên lí của mạch cảnh báo mực nước bằng cảm biến siêu âm 22

2.3.1 Tạo mạch in PCB 23

2.3.2 Hình 3D 24

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI1.1.TÍNH CẤP THIẾT ĐỀ TÀI

Tính cấp thiết của đề tài "Mạch chỉ báo mực nước bằng cảm biến siêu âm" nằm ởnhu cầu ngày càng cao về việc giám sát và kiểm soát mực nước trong nhiều lĩnh vực khácnhau, bao gồm công nghiệp, nông nghiệp và dân dụng Với tình hình biến đổi khí hậu và

lũ lụt ngày càng gia tăng, việc đảm bảo an toàn và duy trì hoạt động ổn định của các hệthống chứa nước như hồ chứa, bể nước và các kênh rạch là vô cùng quan trọng Côngnghệ cảm biến siêu âm cho phép đo mực nước mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chấtlỏng, giúp nâng cao độ chính xác và tuổi thọ của thiết bị Đồng thời, hệ thống này có thểđược tích hợp vào các hệ thống tự động hóa, giúp tiết kiệm công sức và thời gian, đồngthời giảm thiểu rủi ro do con người thao tác sai hoặc không giám sát kịp thời Sự ứngdụng rộng rãi của mạch chỉ báo mực nước bằng cảm biến siêu âm góp phần nâng caohiệu quả quản lý nguồn nước và bảo vệ môi trường

1.2 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGUYÊN CỨU

- Mục tiêu của đề tài "Mạch chỉ báo mực nước bằng cảm biến siêu âm" là thiết kế

và chế tạo một hệ thống giám sát mực nước chính xác và tự động, sử dụng công nghệcảm biến siêu âm Hệ thống này sẽ giúp theo dõi mức nước trong các bể chứa tại trườnghọc, đảm bảo cung cấp nước liên tục và ổn định cho các hoạt động học tập, sinh hoạt củahọc sinh và giáo viên Đồng thời, đề tài còn hướng đến việc nâng cao khả năng ứng dụngcác công nghệ hiện đại vào đời sống thực tế, giúp sinh viên có cơ hội tiếp cận với các kỹthuật tiên tiến trong lĩnh vực tự động hóa

- Phạm vi của đề tài bao gồm việc nghiên cứu, thiết kế, lắp đặt và thử nghiệm

mạch chỉ báo mực nước tại các bể chứa nước của nhà trường Đề tài cũng tập trung vàoviệc xây dựng một hệ thống hoạt động ổn định, dễ sử dụng và có tính ứng dụng cao

1.3.GIỚI THIỆU HỆ THỐNG

1.3.1NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG

- Hệ thống mạch chỉ báo mực nước bằng cảm biến siêu âm sử dụng cảm biến

HC-SR04 là một giải pháp hiện đại và hiệu quả trong việc đo lường và giám sát mực nước

trong các bể chứa hoặc hệ thống cấp thoát nước Cảm biến HC-SR04 hoạt động dựa trên

nguyên lý sóng siêu âm, trong đó nó phát ra sóng âm và đo thời gian sóng phản xạ lại khichạm vào bề mặt nước, từ đó tính toán khoảng cách chính xác từ cảm biến đến mực nước

- Hệ thống bao gồm các thành phần chính như cảm biến siêu âm HC-SR04, vi

điều khiển (thường là Arduino hoặc các bộ vi xử lý tương tự), mạch xử lý tín hiệu và màn

hình hiển thị hoặc các đèn LED báo hiệu Cảm biến HC-SR04 có khả năng đo khoảng

cách từ 2cm đến 400cm với độ chính xác cao, giúp đo lường mực nước một cách nhanhchóng và tin cậy

- Quá trình hoạt động của hệ thống như sau: Cảm biến siêu âm phát ra sóng âm,sau đó nhận lại tín hiệu phản hồi từ bề mặt nước Tín hiệu này được gửi về vi điều khiển

để tính toán khoảng cách và xác định mực nước hiện tại Thông tin về mực nước sau đó

sẽ được hiển thị trên màn hình hoặc được chỉ báo qua đèn LED, giúp người sử dụng dễdàng theo dõi và kiểm soát tình trạng mực nước

- Hệ thống này không chỉ chính xác mà còn có tính ứng dụng cao trong thực tế,đặc biệt là ở các môi trường cần kiểm soát mực nước liên tục như trường học, các nhàmáy sản xuất, và hệ thống thủy lợi Với ưu điểm không tiếp xúc trực tiếp với nước, cảm

biến siêu âm HC-SR04 đảm bảo tính bền vững,

B.Ứng dụng

- Ứng dụng của hệ thống mạch chỉ báo mực nước bằng cảm biến siêu âm sử dụng

cảm biến HC-SR04 rất đa dạng, bao gồm:

1 Hệ thống cấp thoát nước: Hệ thống có thể được sử dụng để theo dõi và kiểm soát

mực nước trong các bể chứa nước sinh hoạt, bể nước ngầm, và hệ thống thoátnước, giúp đảm bảo an toàn và tránh tình trạng tràn nước hoặc cạn kiệt

2 Nông nghiệp: Cảm biến siêu âm có thể dùng để giám sát mực nước trong các ao

hồ tưới tiêu, đảm bảo cung cấp nước ổn định cho cây trồng và vật nuôi mà khôngcần sự giám sát thủ công

3 Nhà máy công nghiệp: Trong các nhà máy sản xuất, hệ thống này giúp kiểm tra

và điều chỉnh mực nước trong các bồn chứa chất lỏng, giảm thiểu nguy cơ trànhoặc cạn bồn, giúp quy trình sản xuất diễn ra liên tục

4 Quản lý môi trường: Hệ thống có thể được ứng dụng để theo dõi mực nước trong

các hồ chứa hoặc đập nước, đặc biệt trong các vùng dễ bị ngập lụt, giúp giám sát

và cảnh báo kịp thời khi có biến động về mực nước

5 Nhà trường và hộ gia đình: Hệ thống giúp quản lý mực nước trong bể chứa của

các khuôn viên trường học và các hộ gia đình, giúp tiết kiệm nước và đảm bảocung cấp nước ổn định

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ LINH KIỆN 2.1.ĐIỆN TRỞ

2.1.2P HÂN LOẠI ĐIỆN TRỞ

- Phân loại theo cấu tạo có 3 loại cơ bản:

 Than ép: loại này có công suất <3W và hoạt động ở tần số thấp

 Màng than: loại này có công suất >3W và hoạt động ở tần số cao

 Dây quấn: loại này có công suất >5W và hoạt động ở tần sô thấp

- Phân loại theo công suất :

 Công suất nhỏ : có kích thước nhỏ nhất

 Công suất trung bình : có kích thước lớn hơn

 Công suất lớn : có kích thước lớn nhất

Lưu ý

- Kích thước càng lớn khả năng tản nhiệt càng lớn, khi ghép nối hay thay thể ta

chọn loại có cùng công suất

2.2 GIỚI THIỆU VỀ LED

Bản chất của Led là một đi-ốt, nó chưa một chíp dẫn pha có các tạp chất để tạo

ra mội tiếp giáp P-N, kênh P chữa lỗ trống , kênh N chứa điện từ, dòng điện truyền từAnod đến Ktot, khi điện từ lấp đầy lỗ trống nó sinh ra bức xạ ánh sáng, các bước sóngphát ra màu khác nhau tuỳ thuộc vào tạp chất trong chip bán dẫn Led phân thành 3 loạichính theo công suất : nhỏ , trung bình, lớn

Hình 2 2:LED

2.3.LCD 16X2

 LCD 16×2 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số

 LCD 16×2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều khiển(RS, RW, EN)

 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16×2

 Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữliệu

 Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi

LCD 16×2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta đang làm.Chức năng các chân cơ bản

= 1 (cao) chọn thanh ghi dữliệu

5 R/W Chọn thanh ghi đọc/viết dữ

liệu = 0 thanh ghi viết= 1 thanh ghi đọc

Hình 2 3: LCD 16X2

CÁC LỆNH ĐIỀU KHIỂN LCD

80 Bắt con trỏ trở về vị trí đầu tiên của hàng 1

C0 Bắt con trỏ trở về vị trí đầu tiên của hàng 2

- Đây là một cách tiếp cận dễ dàng để phát triển trên MCU MSP430, với tínhnăng mô phỏng bo mạch khi lập trình và gỡ lỗi cùng với các nút nhấn và đèn LED

Hình 2.4 MSP 430 G 2553

b Chức năng các chân cơ bản

RESET kết nối với chân

rs của VĐK Nếu được nhấn, vi điều khiển sẽ reset.

bên dưới kết nối nguồn điện sau khi lập trình

Bộ dao động

thạch anh Mối hàn liền kềvới vi điều khiển Để cấp nguồn xung nhịp chính xác.

Đầu nối eZ430 6 chân đầu nối cung cấp cầu nối giữa bảng mạch mô phỏng và

bảng mạch Vi điều khiển Có thể ngắt kết nối đểcách lý cả hai phần

c Tính năng và thông số kĩ thuật

 Có ổ cắm chân dễ dàng cắm hoặc tháo vi điều khiển

 Công nghệ kiểm hoát năng lượng để tiêu thụ điện năng cực thấp

 Có nút nhấn và hai đèn LED để tương tác với người dùng

 Có giao diện lập trình và gỡ lỗi USB lắp đặt không cần điều khiển

 Giao tiếp nối tiếp UART khả dụng tốc độ lên đến 9600 Baud

 Hỗ trợ các thiết bị MSP430G2xx2, MSP430G2xx3 và MSP430F20xx thuộcpackage PDIP14 hoặc PDIP20

 Robot

 Tự động hóa tòa nhà

 Kiểm soát truy cập và bảo mật

 Hệ thống an ninh và khóa điện tử

 Dụng cụ đo lường điện tử

 Thiết bị theo dõi sức khỏe

2.5 CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04

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

- Nó cung cấp các chi tiết đo lường chính xác và đi kèm với độ phân giải khoảng3mm, có thể có sự khác biệt nhỏ về khoảng cách tính toán từ đối tượng và khoảng cáchthực tế

Hình 2.5: cảm biến siêu âm HC-SR04

b Nguyên lí

- Nguyên tắc trong đó Nó dựa trên việc mô phỏng phương pháp được sử dụng

khi bạn ném một viên đá vào giếng để đo độ sâu của nó Bạn ném hòn đá và thời gian

bao lâu để nó rơi xuống đáy Sau đó, bạn tính toán tốc độ theo thời gian trôi qua và bạn sẽ

có được quãng đường mà viên đá đã đi được Nhưng trong trường hợp đó, cảm biến làbạn

- Trong HC-SR04, bộ phát sẽ phát ra sóng siêu âm và khi chúng bật ra khỏi vật thể

hoặc chướng ngại vật cản đường chúng sẽ bị bộ thu bắt Các mạch sẽ thực hiện các tính

toán cần thiết của tiếng vang đó để xác định khoảng cách Điều này cũng có thể quen

thuộc với bạn nếu bạn biết hệ thống mà một số loài động vật như cá heo, cá voi hoặc dơi

sử dụng để xác định vị trí chướng ngại vật, con mồi, v.v

Trigger là chân đầu vào Chân này phải được giữ ở mức cao trong 10us để khởi tạo

phép đo bằng cách gửi sóng siêu âm

Chương 3: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHẾ TẠO MẠCH

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH ĐẾN SẢN PHẨM

Hình 3.1 : sơ đồ khối toàn mạch

- Khối nguồn: cũng cấp nguồn năng lượng cho mạch hoạt động sử dụng nguồn 3,3

và 5v

- Khồi cảm biến: chứa cảm biến siêu âm

- Khối xử lý: xử lý thông tin từ cảm biến báo về

- Khối thông báo: hiển thị lên màn hình lcd và có thể tích năng còi hú khi đạt tínhiệu yêu cầu

3.2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN

HÌNH 3.2 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN

3.3.SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA MẠCH

Hình 3.3: sơ đồ nguyên lí của mạch cảnh báo mực nước bằng cảm biến siêu âm

Các linh kiện đầy đủ :

3.4.SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG ALTIUM

Nguyên Lý hoạt động

- Mạch sẽ dựa trên hoạt động của cảm biến siêu âm

- Cảm biến siêu âm (SR-04) phát ra sóng siêu âm chạm vào mặt nước và phản lại vềcảm biến

- Dữ liệu cảm biến sẽ được chuyển đến vi điều khiển (MSP320G2553) để xử lý dữliệu của cảm biến siêu âm để tính khoảng cách từ cảm biến siêu âm đến mặt nước

- Dữ liệu được xử lý trên vi điều khiển sẽ được xuất ra LCD gồm:

+ Khoảng cách mực nước (cm)

+ Mực nước ở trạng thái (CẠN/TRUNG BÌNH/ĐẦY)

+ Khi ở mức (CẠN/ĐẦY) led sẽ được bật lên để thông báo để tắt/bật máy bơm

3.6 MẠCH THỰC TẾ TRÊN PHẦN MỀN PROTEUS

2.3.1 Tạo mạch in PCB

- Nghiên cứu lý thuyết về các linh kiện, cách cài đặt và sử dụng phần mềm vẽ mạchproteus.

- Thiết kế và thi công mạch, nắm được các kỹ năng làm mạch cơ bản

4.2 ƯU ĐIỂM

- Mạch chỉ báo mực nước bằng cảm biến siêu âm là một dự án rất đơn giản nhưng rấthữu ích để thông báo mực nước hằng ngày một cách nhanh chóng và tiện lợi Mạch đãhoàn thành và đạt đúng yêu cầu khi nước sắp tràn sẽ báo lên màn hình LCD và còi hú đểngười dùng tiện theo dõi và sử dụng

- Các linh kiện mạch dễ tìm trên thị trường

- Dễ dàng sử dụng và chi phí thấp

4.3.NHƯỢC ĐIỂM.

- Cảm biến sử dụng lâu ngày trong môi trường ẩm nóng dễ xảy ra hư hỏng, sai số

- Các mối hàn trong mạch còn thiếu thầm mỹ

4.4 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

- Ứng dụng rộng rãi trong mọi khu vực nhà ở, cơ quan, trường học

- Với sự hướng dẫn tận tình của giảng viên : Lê Phượng Quyên đã giúp chúng em có sảnphẩm này Tuy nhiên do thời gian thực hiện còn hạn chế so với số lượng kiếm thức màchúng em phải tìm hiểu vì vậy không tránh khỏi sai sót trong quá trình hoạt động thiết bị

1) Website https://kientrucannam.vn/

2) Website arduino.vn

3) Website https://www.alldatasheet.vn/4) Website https://ohstem.vn/