Đồ án đo mức nước có sử dụng cảm biến siêu âm, kết hợp điều chỉnh tốc độ động cơ 2 cấp tốc độ. Nhanh chậm khi cạn hoặc đầy bể. Mô phỏng tốc độ động cơ dùng rơ le.Gồm có code và và mô phỏng trong file đính kèm.
1 | P a g e TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG Đề tài: Đo mức nƣớc dùng cảm biến siêu âm và điều khiển máy bơm nƣớc. Giáo viên hƣớng dẫn: TS.Nguyễn Cảnh Quang Sinh viên thực hiện: Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Nguyễn Tiến Sang ĐK&TĐH4 20112096 Trần Quang Hùng ĐK&TĐH3 20111533 2 | P a g e Mục lục Trang LỜI NÓI ĐẦU 4 CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 5 1.1 Tổng quan chung 5 1.2 Mục tiêu đề tài 5 CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 5 2.1 Các phƣơng pháp đo khoảng cách không tiếp xúc 5 2.2 Đo khoảng cách bằng phƣơng pháp tam giác 6 2.3 Đo khoảng cách bằng phƣơng pháp đo thời gian truyền 6 2.4 Nhận xét 7 CHƢƠNG III: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ ĐO TRONG ĐỀ TÀI 7 3.1 Cảm biến siêu âm 7 3.2 Vi xử lí AVR ATmega8 8 3.2.1 Tổng quan về vi điều khiển 8 3.2.2 Vì sao chọn ATmega8 8 3.2.3 Đặc điểm vi điều khiển ATmega8 9 3.3 Màn hình hiển thị LCD16x2 9 3.3.1 Màn hình LCD 9 3.3.2 Tại sao chọn LCD16x2 10 3.4 Cơ cấu chấp hành relay 12 3.4.1 Nguyên lý 12 3.4.2 Chọn relay 12 CHƢƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 13 4.1 Phần mềm sử dụng 13 4.1.1 Trình biên soạn và biên dịch 13 4.1.2 Trình mô phỏng mạch điện 14 4.1.3 Trình thiết kế mạch in 16 4.2 Thiết kế phần cứng 16 3 | P a g e 4.2.1 Sơ đồ nguyên lí 16 4.2.2 Khối cảm biến siêu âm 18 4.2.3 Màn hình hiển thị 19 4.2.4 Cơ cấu chấp hành 20 4.3 Thiết kế phần mềm 22 4.3.1 Lƣu đồ thuật toán 22 4.3.2 Khối đo thời gian truyền 23 4.3.3 Khối điều khiển relay tự động 24 4.3.4 Khối điều khiển bằng tay 25 CHƢƠNG V: KẾT QUẢ 26 CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 4 | P a g e LỜI NÓI ĐẦU Khoa học kỹ thuật đang thay đổi từng ngày, từng giờ và chúng ta - những con ngƣời của kỹ thuật cũng phải thay đổi tầm nhìn của mình để theo kịp công nghệ hiện đại. Trọng tâm của khoa học kỹ thuật trong nền văn minh công nghiệp này đặt vào 5 lĩnh vực chính đó là công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu, công nghệ năng lƣợng, công nghệ sinh học và công nghệ tự động. Từ khi VI ĐIỀU KHIỂN ra đời, nó đã tạo nên một bƣớc ngoặc mới cho sự phát triển của tự động hóa trong công nghiệp, sự xuất hiện của VĐK trong các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện nay đã chứng minh đƣợc điều đó.Hệ thống điều khiển dùng VĐK có khả năng chống nhiễu, khả năng giao tiếp công suất và tính đơn giản trong lập trình, khả năng tích hợp sâu vào trong các hệ thống nhúng. Cùng với sự ra đời của các phần mềm giám sát và thu thập dữ liệu, VĐK đã trở thành sự lựa chọn hoàn hảo cho các hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp. Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng nhƣ hóa chất, nƣớc uống đóng chai, sữa, nƣớc mắm, dầu ăn… vấn đề cần điều khiển mức, lƣu lƣợng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị. Ngƣời vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn đƣợc khắc phục cho dù đầu ra thay đổi. Nhằm ứng dụng các kiến thức đã đƣợc trang bị trong quá trình học tập vào thực tế, nhóm thực hiện đã lựa chọn đề tài “Đo mức nƣớc dùng cảm biến siêu âm và điều khiển máy bơm nƣớc”. Những kiến thức học đƣợc cùng với tài liệu tham khảo, tuy đã giúp hoàn thành bài tập lớn này song cũng không tránh khỏi sai sót, mong thầy và các bạn góp ý để hoàn thiện hơn nữa. Để hoàn thành bài tập lớn này, chúng em nhận đƣợc sự chỉ bảo tận tình của thầy Nguyễn Cảnh Quang. Chúng em một lần nữa cảm ơn thầy. Nhóm sinh viên thực hiện Trần Quang Hùng Nguyễn Tiến Sang 5 | P a g e CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan chung Với yêu cầu của đề tài trên, đối tƣợng đề tài thực hiện chính ở đây là hệ thống bồn nƣớc, hệ thống bồn nƣớc đƣợc hình thành với hệ thống bơm chất lỏng nhƣng luôn giữ ổn định đƣợc mực chất lỏng trong bồn đƣợc duy trì ổn định, chống tràn bể hoặc cạn bể. Để làm đƣợc điều này, nó đòi hỏi ta phải điều khiển lƣu lƣợng chất lỏng từ máy bơm vào hệ thống bồn nƣớc, làm mực nƣớc trong bồn luôn ở mức cho phép.Việc điều khiển hệ thống để giữ đƣợc mức chất lỏng trong bồn ổn định là tƣơng đối khó, cần phải có sự đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm khi lƣu lƣợng nƣớc xả thay đổi. Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, đặc biệt là ngành tự động điều khiển, nó đƣợc ứng dụng rộng rãi trong đời sống, công nghiệp.Vì vậy cần phải có những bộ điều khiển hiện đại, chính xác và đáng tin cậy. VĐK là một sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng trong công nghiệp với độ chính xác, ổn định và độ tin cậy cao. Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nƣớc, nhƣng ở đây chúng em sử dụng VĐK để điều khiển và cảm biến siêu âm để đo mức nƣớc, có sử dung rơ le để điều khiển tốc độ của máy bơm nƣớc. 1.2 Mục tiêu đề tài Sau khi xác định đƣợc đối tƣợng, chủ thể và giới hạn phạm vi nghiên cứu, việc xác định mục tiêu sẽ là bƣớc quan trọng kế tiếp nhằm định hƣớng đúng đắn cho quy trình thực hiện đề tài. Mục tiêu đề tài cụ thể đƣợc thể hiện nhƣ sau: - Thiết kế mạch đo dùng cảm biến SRF04 và điều khiển bơm nƣớc - Lập trình cho VĐK theo yêu cầu của đề tài, ổn định mức nƣớc theo thông số cài đặt. CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Các phƣơng pháp đo khoảng cách không tiếp xúc Phƣơng pháp đo khoảng cách không tiếp xúc đƣợc hiểu là đo khoảng cách thực từ điểm tham chiếu tới một đối tƣợng không thông qua tiếp xúc vật lý. Có ít nhất bảy kỹ thuật đo khác nhau: Đo tam giác Thời gian truyền Đo dịch pha Điều biến tần số Giao thoa 6 | P a g e Hội tụ quét Cƣờng độ tín hiệu trả về Cảm biến dùng đo khoảng cách không tiếp xúc đƣợc phân chia thành hai loại: chủ động (phát một số dạng năng lƣợng vào khu vực quan tâm) hoặc thụ động (dựa trên năng lƣợng phát ra từ các đối tƣợng trong khu vực quan tâm). 2.2 Đo khoảng cách bằng phƣơng pháp tam giác Phƣơng pháp đo tam giác dựa trên một tiền đề quan trọng của lƣợng giác học. Theo tiền đề này, nếu biết trƣớc độ dài củamột cạnh và hai góc của một tam giác thì có thể xác định đƣợc độ dài của các cạnh còn lại cũng nhƣ độ lớn của góc thứ ba. Đặc điểm làm việc của các hệ thống đo tam giác phụ thuộc vào việc hệ thống đó là chủ động hay thụ động. Các hệ thống thụ động sử dụng các camera thông thƣờng và yêu cầu điều kiện chiếu sáng tốt, trong trƣờng hợp ánh sáng môi trƣờng quá tốithì cần phải dùng thêm ánh sáng nhân tạo. Hơn nữa, các hệ thống này còn gặp khó khăn trong việc khớp các ảnh của mộtđiểm đƣợc thu bởi các camera khác nhau. Ngƣợc lại, các hệ thống chủ động chỉ sử dụng một bộ dò duy nhất và không yêu cầu nguồn chiếu sáng đặc biệt nào cũng nhƣ không gặp phải các vấn đề của hệ thống thụ động. Tuy nhiên, trong số trƣờnghợp các hệ thống chủ động không hoạt động đƣợc, nguyên nhân là do không phản xạ đƣợc ánh sáng hoặc do sự hấp thụ ánhsáng của bề mặt đối tƣợng. Độ chính xác của các hệ thống đo tam giác sẽ bị giảm khi khoảng cách đến đối tƣợng tăng. Các hệ thống này cũng có sai số khi đo các góc θ và φ . Ngoài ra, chúng cũng gặp khó khăn với hiện tƣợng “khuất vật”. 2.3 Đo khoảng cách bằng phƣơng pháp đo thời gian truyền Phƣơng pháp thời gian truyền đƣợc minh họa trong hình. Một sóng cửa (chỉ phát ra vài chu kỳ) đƣợc phát ra và phản xạ từ vật về bộ thu có vị trí gần bộ phát. Bộ phát và bộ thu có thể đƣợc tích hợp trên cùng một cảm biến. Bộ thu cũng có thể đƣợc gắn trên vật. T là thời gian từ khi bắt đầu phát đến khi có tín hiệu trả về, c là tốc độ truyền sóng. Khoảng cách đƣợc xác định bằng công thức: d = c.T/2 khi bộ phát và bộ thu ở cùng một vị trí, hoặc d = c.T khi bộ thu đƣợc gắn trên vật. Siêu âm, sóng rađiô, hoặc các nguồn năng lƣợng quang học thƣờng đƣợc sử dụng; vì vậy các thông số liên quan đến việc tính toán khoảng cách là c tốc độ của âm thanh trong không khí (gần 0.305 m/ms), và tốc độ của ánh sáng (0.305m/ns). Phát/Thu Đối tượng d 7 | P a g e Với các loại cảm biến tích cực (phản xạ), khoảng cách đo hiệu quả phụ thuộc không chỉ vào mức năng lƣợng phát ra mà còn phụ thuộc vào các đặc tính sau của đối tƣợng: Diện tích tiết diện ngang - xác định lƣợng năng lƣợng phát ra tác động vào đối tƣợng. Hệ số phản xạ- xác định lƣợng năng lƣợng truyền tới đƣợc phản xạ so với lƣợng năng lƣợng bị hấp thụ hoặc xuyên qua. Độ tập trung - xác định khả năng phân bố lại của năng lƣợng phản xạ. Sai số của phƣơng pháp thời gian truyền có thể do các nguyên nhân sau: - Sự thay đổi tốc độ truyền sóng, đặc biệt là với các hệ thống âm thanh - Không xác định chính xác đƣợc thời gian đến của xung phản xạ (Figueroa & Lamancusa, 1992) - Sai số của mạch định thời sử dụng để đo thời gian truyền - Sự tƣơng tác của sóng tới với bề mặt của đối tƣợng cần đo khoảng cách. 2.4 Nhận xét Trong đề tài này, đối tƣợng đo của chúng em là nƣớc/chất lỏng. Qua nghiên cứu một số phƣơng pháp đo và ƣu nhƣợc điểm từng phƣơng pháp, nhóm kết luận dùng phƣơng pháp đo thời gian truyền là hợp lý và có độ tin cậy hơn cả. CHƢƠNG III: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ ĐO TRONG ĐỀ TÀI 3.1 Cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm là loại cảm biến đo dùng sự phản xạ của sóng siêu âm để đo khoảng cách, vị trí đối tƣợng, mức nƣớc. Đây là loại cảm biến dùng cho nhiều hệ thống nhƣ điều khiển quá trình, các hệ thống ứng dụng trong giao thông, robot. Các hệ thống đo lƣờng dùng cảm biến. Ứng dụng khá rộng rãi trong đời sống . Trong hệ thống của bọn em cần đo chính xác mức nƣớc trong bình và phản hồi về . Từ đó đƣa ra mức điều khiển cho máy bơm nƣớc (Mô phỏng điều khiển sử dụng rơ le) Chọn cảm biến Từ thực tế trên, Chúng em đã đi đến lựa chọn loại cảm biến siêu âm SRF04. Loại cảm biến này có những ƣu điểm nhƣ: - Nhỏ gọn, dễ sử dụng, phù hợp với sinh viên - Đƣợc sử dụng rộng rãi tại thị trƣờng Việt Nam - Giá thành hợp lý 8 | P a g e Cảm biến siêu âm SRF04 3.2 Vi xử lí AVR ATmega8 3.2.1 Tổng quan về vi điều khiển Vi điều khiển là một con chip đƣợc ứng dụng nhiều trong các mạch điện tử,trong các hệ thống nhúng, các hệ thống điều khiển từ xa, các ứng dụng trong y khoa. Có khả năng vƣợt bậc trong việc tính toán , xử lý.Chúng bao gồm nhân vi xử lý, bộ nhớ, các cổng vào ra, bộ xử lý logic… Vi điều khiển bản thân nó đã tích hợp đƣợc một số thành phần ngoại vi bên ngoài nhƣ bộ nhớ, ADC, các thiết bị ngoại vi khác, theo khuynh hƣớng systems on chip (SoC). Vi điều khiển đã là một hệ thống khá hoàn chỉnh với CPU, bộ nhớ, các mạch giao tiếp, các bộ định thời và mạch điều khiển, mạch điều khiển ngắt tích hợp bên trong mạch Ở các bộ vi điều khiển, các tập lệnh thƣờng rất mạnh trong việc xử lý các kiểu dữ liệu nhỏ nhƣ bit hoặc một vài bit. 3.2.2 Vì sao chọn ATmega8 Vi điều khiển ATmega8 có nhiều ƣu điểm nhƣ dễ sử dụng, mức tiêu thụ điện thấp, cộng đồng hõ trợ lớn, mức tích hợp cao, phù hợp với nhiều hệ thống nhúng. Có sự đa dạng trong tích hợp hệ thống. ATmega8 có thể đƣợc viết trên ngôn ngữ lập trình C hoặc assembly 9 | P a g e Vi điều khiển ATmega8- 16PU Ở đây chúng em dùng vi điều khiển ATmega8 16PU. Tƣơng ứng với xung thạch anh 16Mhz 3.2.3 Đặc điểm vi điều khiển ATmega8 Bit: Là vi điều khiển 8 bit Clock: Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, hoặc sử dụng xung clock nội lên đến 8 MHz (sai số 3%) Bộ nhớ: Bộ nhớ chƣơng trình Flash 8 Kb có thể lập trình lại rất nhiều lần. Có SRAM (Ram tĩnh) 1 Kb, và đặc biệt có bộ nhớ lƣu trữ lập trình đƣợc EEPROM. Ngõ vào ra: (I/O Ports) 2 hƣớng (bi-directional), 23 pin. Ngắt: 2 ngắt ngoài, 19 vectors ngắt. Timer/counter: tích hợp PWM. ADC: Các bộ chuyển đối Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh. Analog comparator: tích hợp module so sánh 2 điện áp analog. USART: Giao diện nối tiếp USART (tƣơng thích chuẩn nối tiếp RS-232). TWI: Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial (tƣơng thích chuẩn I2C) Master và Slaver. SPI: Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI) 3.3 Màn hình hiển thị LCD16x2 3.3.1 Màn hình LCD 10 | P a g e Liquid-crystal display (LCD) là một loại tấm nền màn hình để hiển thị hình ảnh, video. Liquid-crystal dùng để hiển thị, màn hình có sử dụng đèn nền để điều chỉnh độ sang. Phần Liquid-crystal không dùng để phát sang trực tiếp Màn hình LCD đƣợc sử dụng rộng rãi trong giám sát, tivi, panel thiết bị, màn hình trong buồng lái máy bay. Các ứng dụng gần gũi trong đời sống nhƣ màn hình trò chơi điện tử, điện thoại, video, đồng hồ, máy tính cầm tay. LCD có thể hiển thị hình ảnh tùy ý Các tấm Panel màn hình LCD 3.3.2 Tại sao chọn LCD16x2 Dễ dàng điều khiển Có đủ không gian màn hình hiển thị các thông tin về khoảng đo, mức nƣớc, các chế độ điều khiển động cơ Có giao diện thân thiện [...]... - Vi điều khiển ATmega8, - Màn hình LCD - Các led báo - Nút bấm điều khiển - Relay điều khiển - Cảm biến siêu âm - Khối động cơ (mô phỏng) Sơ đồ khối: 16 | P a g e Sơ đồ nguyên lý: 17 | P a g e 4.2.2 Khối cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm SRF04 gồm có 4 chân: 1 Chân nguồn 5V 2 Chân Trigger 3 Chân Echo 4 Chân nối đất Nguyên tắc hoạt động cơ bản của cảm biến siêu âm: 18 | P a g e - Gửi tín hiệu mức cao... Module cảm biến sẽ tự động gửi 8 xung siêu âm có tần số 40kHz và tín hiệu của chân echo sẽ chuyên lên mức cao ngay lập tức - Khi sóng siêu âm phản xạ lại Module siêu âm nhận đƣợc xung phản xạ lại sẽ chuyển tín hiệu echo về mức thấp - Từ đó vi điều khiển sẽ tính toán đƣợc khoảng thời gian từ lúc phát đến khi phản xạ - Chân echo sẽ tự động chuyển xuống mức thấp sau 38uS nếu không có xung siêu âm phản... contactor và đặc biệt là động cơ Nguồn cung cấp cho cuộn hút của relay nên đƣợc cách li hay dùng riêng với nguồn cung cấp cho vi điều khiển Điều đó giúp Hệ làm việc ổn định, tránh nhiễu, sụt áp làm vi điều khiển bị nhiễu và hoạt động mất tin cậy Quá trình đóng cắt relay thậm chí là đóng cắt contactor gây ra song điện từ, song xung kích làm nhiễu vi điều khiển, vì vậy việc chống nhiễu cho vi điều khiển. .. thiện mạch đo đƣợc chính xác hơn, dải đo lớn hơn, tích hợp thêm truyền tin không dây mà vẫn đảm bảo độ chính xác để có thể mở rộng ứng dụng đƣợc trong công nghiệp Thực tế mực nƣớc đƣợc bơm vào bể tạo ra gợn song có thể cao đến 10cm Vì vậy, mạch đo cần có phƣơng pháp kiểm tra nhiều lần và tính toán trung bình để đƣa ra điều kiện điều khiển relay-động cơ tốt hơn, tránh trƣờng hợp relay đƣợc điều khiển đóng... công việc này ( theo nhƣ yêu cầu đề tài đặt ra) Trong phần này, để điều khiển tốc độ động cơ, tốc độ bơm nƣớc nhanh hay chậm, chúng em sử dụng bộ rơ le gồm 3 rơ le trung gian phục vụ cho việc điều khiển Hoạt động ở hai cấp độ động cơ điều chỉnh độ nhanh hay chậm Sử dụng nguyên lý điều khiển đổi nối Y–∆ Mạch động lực khởi động /điều khiển Sao – Tam giác Dựa theo nguyên lý động lực khởi động hai cấp độ... liệu giữa LCD và vi điều khiển Nếu RW=0 VĐK viết lên LCD RW=1 VĐK đọc dữ liệu từ LCD - Chân D0-D7: Đây là 8 chân dữ liệu 8 bit, đƣợc dùng để gửi thông tin lên LCD, hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD Để hiển thị chữ cái và con số, chúng ta gửi các mã ASCII của các chữ cái từ A-Z, a-f và các con số từ 0-9 đến các chân này khi bật RS=1 4.2.4 Cơ cấu chấp hành Mạch điều khiển điều khiển đóng cắt... thanh là 340.29m/s Tốc độ sóng phản xạ lại rơi vào khoảng 170.15 m/s Thời gian để sóng đi đƣợc khoảng 1cm và phản xạ lại cho cảm biến mất khoảng 58uS Vậy khoảng cách tính toán sẽ là : với r là độ rộng của xung thu đƣợc khi ở mức cao 4.3.3 Khối điều khiển relay tự động 24 | P a g e 4.3.4 Khối điều khiển bằng tay 25 | P a g e CHƢƠNG V: KẾT QUẢ Trong quá trình tìm hiểu còn gặp một số khó khăn về hiển thị... Y–∆, ta đã điều chỉnh đƣợc tốc độ của động cơ không đồng bộ 3 pha Sơ đồ nguyên lý mạch relay-contactor điều khiển: 21 | P a g e 4.3 Thiết kế phần mềm 4.3.1 Lƣu đồ thuật toán 22 | P a g e 4.3.2 Khối đo thời gian truyền 23 | P a g e Chúng em sử dụng thạch anh 16Mhz, và chia 8 lấy 2Mhz cho timer Suy ra timer sẽ tăng chu kỳ trong 0.5uS Tốc độ âm thanh là 340.29m/s Tốc độ sóng phản xạ lại rơi vào khoảng... định Mạch đo mức nƣớc tƣơng đối chính xác, đo đạc trong khoảng 5m cho độ sai số dƣới 5cm Nhƣng mới chỉ đánh giá trong môi trƣờng sinh hoạt hằng ngày, vẫn chƣa có điều kiện để thử nghiệm trong môi trƣờng công nghiệp 26 | P a g e CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Do thời gian có hạn nên nhóm chƣa thể phát triển hệ thống một cách hoàn thiện Vẫn còn sai số không mong muốn trong việc đo đạc mức nƣớc... tính nổi bật • 5 x 8 điểm ảnh, có dùng con trỏ • Built-in controller (KS 0066 or Equivalent) • + 5V power supply (Also available for + 3V) • 1/16 duty cycle • B/L to be driven by pin 1, pin 2 or pin 15, pin 16 or A.K (LED) • N.V Dùng nguồn 3-5V 11 | P a g e Chú thích các chân 3.4 Cơ cấu chấp hành relay 3.4.1 Nguyên lý Khi cần điều chỉnh mức nƣớc trong bể, cần có một máy bơm 3 pha đảm nhận công việc này