Mạch báo mực nước dùng PIC (có code và sơ đồ mạch) .......................... Mạch báo mực nước dùng PIC (có code và sơ đồ mạch) .......................... Mạch báo mực nước dùng PIC (có code và sơ đồ mạch) .......................... Mạch báo mực nước dùng PIC (có code và sơ đồ mạch) .......................... Mạch báo mực nước dùng PIC (có code và sơ đồ mạch) ..........................
ĐỒ ÁN Mạch Báo Mực Nước Mục lục MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ SRF04 1.1.Giới thiệu SRF04 1.2.Sơ đồ chân SRF04 1.3.Nguyên lý hoạt động SRF04 10 1.4.Tính tốn khoảng cách 11 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 12 2.1 Giới thiệu vi điều khiển PIC16F877A 12 2.2 Một vài thông số vi điều khiển PIC16F877A 16 CHƯƠNG THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 19 LCD 16x2 (HD44780) 19 CHƯƠNG THIẾT KẾ .21 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .21 Thiết kế phần cứng 21 4.2.1 Khối điều khiển .22 4.2.2 Khối hiển thị LCD 23 Thiết kế phần mềm 24 Lưu đồ chương trình .24 Kết Luận .25 Hướng Phát Triển Đề Tài 25 PHỤ LỤC 26 Danh sách hình ảnh Hình 1.1: Hình ảnh SRF04 Hình 1.2: Sơ đồ chân SRF04 Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý 10 Hình 2.1: Sơ đồ chân hình dạng PIC 16F877A .12 Hình 2.2: Cấu trúc bên PIC 16F877A 17 Hình 3.1: Hình ảnh LCD 16x2 19 Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .21 Hình 4.2: Mơ khối nguồn 5V .22 Hình 4.3: Mơ PIC6F877A .22 Hình 4.4: Mô khối cảm biến SRF04 23 Hình 4.5: Mơ khối hiển thị LCD 23 Hình 4.6: Lưu đồ chương trình 24 Hình 4.7: Mạch in cảnh báo mực nước 24 Danh sách bảng: Bảng 2.1: Chức chân vi điều khiển PIC16F877A 13 Bảng 3.1: Chức chân LCD 16x2 19 MỞ ĐẦU Tính cần thiết đề tài: Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật đại, việc điều khiển thiết bị điện tử từ đơn giản đến phức tạp khơng khó khăn Trong thực tế yêu cầu đo mức chất lỏng xuất nhiều lĩnh vực: Sản xuất nông nghiệp: đảm bảo lượng nước tưới tiêu cho trồng, đảm bảo lượng nước bể hồ nuôi thủy sản Đo mức xăng dầu khai thác dầu khí Khống chế mức nước thủy điện, nhiệt điện Đo mức chất lỏng phòng thí nghiệm, xét nghiệm Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: Tùy theo yêu cầu độ xác mức chất lỏng ứng dụng mà lựa chọn loại cảm biến khác Có nhiều phương pháp đo mức: thổi bọt khí, chênh áp, đo l ực căng, phao nổi, cơng tắc khoảng hở, loadcell, độ dẫn điện, h ạt nhân, radar, RF Admittance, siêu âm, sóng viba… Phổ biến hai loại cảm biến siêu âm, cảm biên áp suất: Các cảm biến biến đại lượng vật lý thành tín hiệu analog, tín hiệu điện đưa điều khiển, điều khiển tính toán đưa chiều cao mức nước thực tế Lợi ích lớn nh ất c cơng nghệ đo mức nước thơng qua mơi trường khí siêu âm, rada laze thiết bị đo không tiếp xúc với bề mặt vật cần đo nh ằm t ạo tín hiệu phản hồi cảm biến Điều giải thích ch ất lượng khơng khí bề mặt chất lỏng cần ln tính đến s ản xuất lắp đặt cảm biến nhiễu loạn tín hiệu góp ph ần vào sai số phép đo Như vậy, cảm biến đo mức dùng siêu âm giải pháp phù h ợp cho đối tượng với u cầu hình dạng, mơi trường ổn định biết trước Đối tượng nghiên cứu - Cảm biến siêu âm SRF04 - Tổng quan vi điều khiển PIC16F877A Phương pháp nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu, tìm hiểu cảm biến siêu âm SRF04 - Nghiên cứu, xây dựng chương trình cho vi điều khiển PIC16F877A thực việc điều khiển SRF04 để đo mực nước xuất hình LCD CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ SRF04 1.1 Giới thiệu SRF04 Cảm biến siêu âm cảm biến ứng dụng nhiều nhất, lĩnh vực thông th ường robot, mơ hình hay đ ến lĩnh vực chuyên dụng đo độ sâu, quét địa hình đáy biển, đo độ dày bê tông xây dựng ứng dụng quân sự… Hình 1.1: Hình ảnh SRF04 Các thơng số kỹ thuật SRF04 trình bày đây: Điện áp: DC 5V Dòng điện: 2mA Output level: 5V Góc cảm ứng: không 15 độ Phát khoảng cách: 2cm-450cm Độ xác cao: lên đến 0.3cm 1.2 Sơ đồ chân SRF04 SRF04 có chân: Hình 1.2: Sơ đồ chân SRF04 SRF04 có chân, bao gồm: VCC, Trigger, Echo GND (SRF05 có thêm chân Out) VCC: Chân cấp nguồn 5V GND: Chân nối mass (0V) Trigger: Chân kích phát sóng siêu âm (ở chế độ 1) Ở chế độ chân Trigger vừa chân kích vừa chân báo tín hiệu ph ản xạ sóng siêu âm Echo: Chân báo có tín hiệu phản xạ sóng siêu âm 1.3 Nguyên lý hoạt động SRF04 Đầu tiên sơ đồ nguyên lý: Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý Cấu tạo gồm phần: Phần phát tín hiệu Các đầu phát đầu thu siêu âm loa g ốm đ ược ch ế t ạo đ ặc bi ệt, hoạt động phát siêu âm có cường độ cao tần số ( thường 40kHz cho ứng dụng đo khoảng cách) Các loa c ần có nguồn tín hiệu điều khiển có điện áp cao phát tốt (theo datasheet ~ 30V) Chính ph ần phát, ph ần đ ệm công su ất sử dụng MAX232 làm nhiệm vụ đệm Nó lấy tín hiệu từ điều khiển, khuếch đại biên độ lên +/-30V cung cấp cho loa gốm Để tiết kiệm nguồn cho module cảm biến, phần cấp điện cho MAX232 điều khiển thông qua trans PNP, không hoạt động, điều khiển làm cho trans ngưng dẫn, hạn chế tiêu thụ dòng 2 Phần thu tín hiệu Khi loa gốm làm đầu thu ( loa chế tạo ch ỉ nh ạy v ới m ột t ần số đó- 40KHz) thu sóng siêu âm, phát điện hai cực Điện nhỏ, đ ưa qua m ột OPAM, TL072 ( Một số module dụng LM324, ) Tín hiệu liên t ục đ ược khuếch đại biên độ cuối đưa qua so sánh, kết h ợp v ới tín hiệu từ điều khiển để đưa điều khiển thông qua trans NPN Phần xử lý, điều khiển Phần xử lý, điều khiển thường sử dụng m ột vi điều ển (PIC16F688, STC11, ) làm nhiệm vụ phát xung, xử lý tính toán th ời gian t phát đ ến thu sóng siêu âm phát nhận tín hiệu TRIG Đến ngun lý hoạt động thông thường cảm biến ( c ấp xung TRIG, chờ đo độ rộng xung ECHO để tính tốn th ời gian, ) 1.4.Tính tốn khoảng cách Giản đồ định thời SRF04 thể hai chế đ ộ Ch ỉ c ần cung cấp đoạn xung ngắn 10us kích hoạt vào chế độ bắt đầu đo khoảng cách Các chân SRF04 cho môt chu kỳ xung nhịp siêu âm 40Khz tăng cao dòng phản hồi (hoặc chế độ kích dòng) Sau chờ phản hồi, sau phát vật cản giảm dòng ph ản h ồi l ại Dòng phản hồi xung có chiều rộng tỷ lệ với khoảng cách đ ến đ ối tượng Bằng cách đo xung ta hồn tồn có th ể tính tốn kho ảng cách theo cm/inch đơn vị khác Nếu khơng phát thấy vật cản SRF04 giảm thấp dòng phản hồi sau khoảng 30ms SRF04 đươc kích hoạt nhanh chóng với 50ms , ho ặc 20 l ần giây Bạn nên chờ 50ms trước kích hoạt kế tiếp, SRF04 phát đối tượng gần xung phản hồi ngắn h ơn Đi ều đ ể đảm bảo siêu âm “beep” phai mờ không gây sai ph ản h ồi lần đo CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 2.1 Giới thiệu vi điều khiển PIC16F877A PIC16F877A PIC họ PIC16XX, họ vi điều khiển 8-bit, tiêu hao lượng thấp, đáp ứng nhanh, chế tạo theo công nghệ CMOS, ch ống tĩnh điện tuyệt đối PIC16F877A có nhiều tính đặc biệt làm giảm thiểu thiết bị ngoại vi, kinh tế cao, có hệ thống bật đáng tin c ậy s ự tiêu th ụ lượng thấp Ở có lựa chọn dao dộng ch ỉ có chân k ết nối dao động RC nên có giải pháp tiết kiệm cao Chế đ ộ Sleep ti ết ki ệm nguồn đánh thức nguồn reset PIC16F877A có 40/44 chân với phân chia cấu trúc nh sau : Có port xuất/nhập Có kênh chuyển đổi A/D 10-bit Có PWM Có định thời: Timer0, timer1 timer2 Có giao tiếp truyền nối tiếp: chuẩn RS 232, I2C… Có giao tiếp LCD Hình 2.1: Sơ đồ chân hình dạng PIC 16F877A Chức chân: Châ Tên Chức n 10 : Hoạt động Reset mức thấp - VPP : ngõ vào áp lập trình - RA0 : xuất/nhập số RA0/AN0 - AN0 : ngõ vào tương tự - RA1 : xuất/nhập số RA1/AN1 - AN1 : ngõ vào tương tự - RA2 : xuất/nhập số RA2/AN2/VREF-/CV - AN2 : ngõ vào tương tự REF - VREF -: ngõ vào điện áp chuẩn (thấp) A/D - RA3 : xuất/nhập số RA3/AN3/VREF+ - AN3 : ngõ vào tương tự - VREF+ : ngõ vào điện áp chuẩn (cao) A/D - RA4 : xuất/nhập số RA4/TOCKI/C1OU - TOCKI : ngõ vào xung clock bên cho T timer0 - C1 OUT : Ngõ so sánh - RA5 : xuất/nhập số RA5/AN4/ - AN4 : ngõ vào tương tự /C2OUT - SS : ngõ vào chọn lựa SPI phụ - C2 OUT : ngõ so sánh - RE0 : xuất nhập số RE0/ /AN5 - RD : điều khiển việc đọc port nhánh song song - AN5 : ngõ vào tương tự - RE1 : xuất/nhập số RE1/ /AN6 - WR : điều khiển việc ghi port nhánh song song - AN6 : ngõ vào tương tự - RE2 : xuất/nhập số RE2/ /AN7 - CS : Chip lựa chọn điều khiển port nhánh song song - AN7 : ngõ vào tương tự /VPP 11 VDD 12 VSS 13 OSC1/CLKI 14 OSC2/CLKO 15 RC0/T1 OCO/T1CKI 16 RC1/T1OSI/CCP2 17 RC2/CCP1 18 RC3/SCK/SCL 19 RD0/PSP0 20 RD1/PSP1 Chân nguồn PIC Chân nối đất Ngõ vào dao động thạch anh xung clock bên - OSC1: ngõ vào dao động thạch anh xung clock bên Ngõ vào Schmit trigger cấu tạo chế độ RC; cách khác CMOS - CLKI: ngõ vào nguồn xung bên ngồi Ln kết hợp với chức OSC1 Ngõ vào dao động thạch anh xung clock - OSC2: Ngõ dao động thạch anh Kết nối đến thạch anh cộng hưởng - CLKO: chế độ RC, ngõ OSC2, tần số OSC1 tốc độ chu kỳ lệnh - RC0 : xuất/nhập số - T1OCO : ngõ vào dao động Timer - T1CKI : ngõ vào xung clock bên Timer - RC1 : xuất/nhập số - T1OSI : ngõ vào dao động Timer - CCP2 : ngõ vào Capture 2, ngõ compare 2, ngõ PWM2 - RC2 : xuất/nhập số - CCP1 : ngõ vào Capture 1, ngõ compare 1, ngõ PWM1 - RC3 : xuất/nhập số - SCK : ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ chế độ SPI - SCL : ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ ngõ chế độ I2C - RD0 : xuất/nhập số - PSP0 : liệu port nhánh song song - RD1 : xuất/nhập số - PSP1 : liệu port nhánh song song 21 RD2/PSP2 22 RD3/PSP3 23 RC4/SDI/SDA 24 RC5/SDO 25 RC6/TX/CK 26 RC7/RX/DT 27 RD4/PSP 28 RD5/PSP5 29 RD6/PSP6 30 RD7/PSP7 31 VSS 32 VDD 33 RB0/INT 34 RB1 35 RB2 36 RB3 37 RB4 38 RB5 39 RB6/PGC - RD2 : xuất/nhập số - PSP2 : liệu port nhánh song song - RD3: xuất/nhập số - PSP3 : liệu port nhánh song song - RC4 : xuất/nhập số - SDI : liệu vào SPI - SDA : xuất/nhập liệu vào I2C - RC5 : xuất/nhập số - SDO : liệu SPI - RC6 : xuất/nhập số - TX : truyền bất đồng USART - CK : xung đồng USART - RC7 : xuất/nhập số - RX : nhận bất đồng USART - DT : liệu đồng USART - RD4: xuất/nhập số - PSP4 : liệu port nhánh song song - RD5: xuất/nhập số - PSP5 : liệu port nhánh song song - RD6: xuất/nhập số - PSP6 : liệu port nhánh song song - RD7: xuất/nhập số - PSP7 : liệu port nhánh song song Chân nối đất Chân nguồn PIC - RB0 : xuất/nhập số - INT : ngắt Xuất/nhập số Xuất/nhập số - RB3 : xuất/nhập số - Chân cho phép lập trình điện áp thấp ICPS - Xuất/nhập số - Ngắt PortB - Xuất/nhập số - Ngắt PortB - RB6 : xuất/nhập số 40 RB7/PGD - PGC : mạch vi sai xung clock lập trình ICSP - Ngắt PortB - RB7 : xuất/nhập số - PGD : mạch vi sai liệu lập trình ICSP - Ngắt PortB Bảng 2.1: Chức chân vi điều khiển PIC16F877A 2.2 Một vài thông số vi điều khiển PIC16F877A Đây vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit Mỗi lệnh thực thi chu kỳ xung clock Tốc độ hoạt động tối đa cho phép 20 MHz với chu kỳ l ệnh 200ns B ộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, nhớ liệu 368x8 byte RAM nh d ữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte Số PORT I/O v ới 33 pin I/O Các đặc tính ngoại vi bao gồm khối chức sau: Timer0: đếm bit với chia tần số bit Timer1: đếm 16 bit với chia tần số, thực ch ức đếm dựa vào xung clock ngoại vi vi điều ển hoạt động chế độ sleep Timer2: đếm bit với chia tần số, postcaler Hai Capture/so sánh/điều chế độ rông xung Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI I2C Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với bit địa Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với chân điều khiển RD, WR, CS bên Các đặc tính Analog: kênh chuyển đổi ADC 10 bit Hai so sánh Bên cạnh vài đặc tính khác vi điều khiển nh ư: Bộ nhớ flash với khả ghi xóa 100.000 lần Dữ liệu nhớ EEPROM lưu trữ 40 năm Khả tự nạp chương trình với điều khiển phần mềm Nạp chương trình mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua chân Watchdog Timer với dao động Chức bảo mật mã chương trình Chế độ Sleep Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác Hình 2.2: Cấu trúc bên PIC 16F877A Vi điều khiển PIC có kiến trúc Harvard, CPU truy cập ch ương trình liệu hai bus riêng biệt, nên làm tăng đáng kể băng thông so với kiến trúc Von Neumann CPU truy cập ch ương trình liệu bus.Việc tách riêng nhớ chương trình nhớ liệu cho phép số bit từ lệnh khác với số bit d ữ liệu.Ở PIC16F877A, từ lệnh dài 14 bit, từ liệu bit PIC16F877A ch ứa ALU bit ghi làm việc WR (working register) ALU đ ơn vị tính tốn số học logic, thực phép tình số đại s ố Boole ghi làm việc WR ghi liệu ALU có th ể th ực hi ện phép cộng, trừ, dịch bit phép toán logic CHƯƠNG THIẾT BỊ PHỤ TRỢ LCD 16x2 (HD44780) Khối hiển thị sử dụng đồ án LCD16x2 Trong ứng dụng thực tế LCD giúp cho việc giao tiếp người thiết bị trở nên trực quan dễ dàng Trong đồ án này, LCD 16x2 dùng để thị thông tin cần thiết báo có tin nhắn mới, báo trạng thái thiết bị hay thị xóa tin nhắn, số điện thoại nhắn tin Mạch sử dụng biến trở có đầu nối với chân số LCD để điều chỉnh độ tương phản LCD Mặc dù LCD có chân để truyền nhận liệu nhiên thực tế người ta thường dùng đến chân từ D4-D7 để tiết kiệm chân cho vi điều khiển [5] Hình 3.1: Hình ảnh LCD 16x2 Chức chân thể bảng 3.1 Chân số Ký hiệu Mức logic I/O Chức Vss - - Nguồn cung cấp(GND) Vdd - - Nguồn cung cấp(+5V) Vee - I Điện áp để điều chỉnh độ tương RS 0/ I R/W 0/ 0= Thanh ghi lệnh 1= Thanh ghi liệu I 0= Ghi vào LCD 1= Đọc từ LCD 0= Không cho LCD hoạt động E 1,1→0 I 1= Cho phép hoạt động 0/ 0/ 0/ 0/ 0/ 0/ 0/ I/O Từ xuống 0: bắt đầu đọc/ghi Data bus line 0(LSB) I/O Data bus line1 I/O Data bus line2 I/O Data bus line3 I/O Data bus line4 I/O Data bus line5 I/O Data bus line6 I/O Data bus line7(MSB) Vcc 0/ 1- - Nguồn cung cấp đèn LED GND - - Mass DB1 DB2 DB3 10 DB4 11 DB5 12 DB6 13 DB7 14 DB8 15 16 Bảng 3.1: Chức chân LCD 16x2 CHƯƠNG THIẾT KẾ Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Sơ đồ khối hoạt động hệ thống cảnh báo mực nước sử dụng cảm biến siêu âm sau: Khối nguồn, kh ối đ ầu vào, kh ối ều ển, khối hiển thị Khối nguồn Khối hiển thị (LCD) Khối điều khiển (vi điều khiển) Khối đầu vào (khối cảm biến) Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Khối nguồn: có chức biến đổi dòng xoay chiều 12v thành dòng chiều cung cấp cho kh ối ho ạt đ ộng Khối điều khiển: Có chứa vi điều khiển PIC16F877A Nhận tín hiệu từ khối cảm biến đưa cho hiển thị LCD, cảm bi ến siêu âm phát tín hiệu xung đo th ời gian tín hiệu nh ận v ề SRF04 xuất hiển thị LCD Khối hiển thị: hiển thị số liệu từ cảm biến siêu âm xuất hình LCD Thiết kế phần cứng Trong phần giới thiệu phần mạch báo mực nước sử dụng cảm biến siêu âm SRF04 hiên thị lên hình LCD Khối điều khiển khối công suất 4.2.1 Khối điều khiển Khối điều khiển bao gồm PIC16F877A, k h ố i nguồn cung cấp 5V Khối nguồn 5V: Khối nguồn 5V sử dụng IC ổn áp LM7805 Sơ đồ mắc thể hình 4.5 Dùng IC 7805 để nguồn điện 5V để cung cấp cho vi điều khiển tồn mạch Trong đồ án sử dụng LM7805 thiết bị phổ thơng, dùng hầu hết mạch điện tử, ổn định nguồn cung cấp cho mạch dễ sử dụng +12V U5 7805 1N4007 C1 0.1mF JACK-DC- A VO D11 C3 LED-NGUON 0.1mF C2 1000mF Hình 4.2: Mơ khối nguồn 5V Khối PIC16F877A K + VI 330 R22 J6 K GND A D2 Hình 4.3: Mơ PIC6F877A Khối cảm biến: Có nhiệm vụ phát thu hồi sóng âm từ tính tốn khoảng cách Hình 4.4: Mơ khối cảm biến SRF04 xuất hình hiển thị 4.2.2 Khối hiển thị LCD Có chứa LCD, thơng tin đưa từ khối điều khiển Hình 4.5: Mơ khối hiển thị LCD Thiết kế phần mềm Lưu đồ chương trình: Hình 4.6: Lưu đồ chương trình Mạch In: Hình 4.7: Mạch in cảnh báo mực nước Kết Luận Sau giao đề tài đồ án, em tiến hành nghiên cứu lý thuyết xây dựng, thiết kế kết đạt được: - Củng cố kiến thức thu nhận suốt trình học tậ p - Hiểu rõ cách thu phát tín hiệu c ảm bi ến siêu âm - Đã tiến hành thử nghiệm đo mực nước cho kết ý tưởng đề tài Hướng Phát Triển Đề Tài Đề tài “ Cảnh báo mực nước” dựa mô hình thí nghiệm Đ ể đ ưa đề tài vào thực tiễn đời sống sản xuất cần phải nâng cấp mở rộng Chẳng hạn, bình ch ứa ch ất l ỏng c ỡ l ớn, cấu bơm xã lớn với tần suất liên tục cần phải nâng cấp h ệ th ống bơm cho phù hợp, thay cảm biên siêu âm tầm đo lớn rộng h ơn Hệ thống đáp ứng yêu câu đo mực chất lỏng, ch ứ ch ưa hoàn toàn điều khiển mực chất lỏng Do tương lai nên kết hơp phương pháp, thuật toán lại v ới đ ể hệ thống đáp ứng việc để ta chủ động điều ển hồn tồn mực nước ta mong muốn Ngoài ra, dựa vào tầm đo khả hoạt động, có th ể phát triển thành đề tài khác hệ thống ổn định lò nhiệt, hệ thơng ổn định áp suất PHỤ LỤC CODE CHƯƠNG TRÌNH #DEFINE #DEFINE TRIGGER PIN_A0 ECHO PIN_A1 FLOAT KCSA, KCSB; UNSIGNED INT32 I, GT_TRAN, K,KQ,TRAM,CHUC; #int_timer1 void interrupt_timer1() { GT_TRAN++; } VOID TAO_XUNG_TRIGGER() { DELAY_MS(50); OUTPUT_HIGH(TRIGGER); DELAY_MS(1); OUTPUT_LOW(TRIGGER); SET_TIMER1(0); WHILE(!(INPUT(ECHO))); SETUP_TIMER_1(T1_INTERNAL); WHILE(INPUT(ECHO)); KCSA = GET_TIMER1(); SETUP_TIMER_1(T1_DISABLED); } VOID SETUP_SRF04() { SETUP_TIMER_1(T1_DISABLED); ENABLE_INTERRUPTS(GLOBAL); ENABLE_INTERRUPTS(INT_TIMER1); K=1; } VOID DOC_SRF04() { KCSB=0; FOR(I=0;I