báo cáo cơ sở điều khiển tự động Đề tài mạch điều khiển máy bơm bằng biến trở

Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… Th

UBND THÀNH PHỐ CẦN THƠ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ

KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ

BÀI BÁO CÁO

CỞ SỞ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Cần Thơ – 2018

1 Giới thiệu chung

Mạch bơm nước điều khiển bằng biến trở và cảm biến siêu âm là một mạch bơm nước đơn giản, nhỏ gọn Điều khiển máy bơm chủ yếu nhờ vào biến trở và cảm biến siêu âm Biến trở dùng để điều chỉnh mức bơm của động cơ, còn cảm biến siêu âm có chức năng kiểm tra lượng nước trong bồn chứa tới mức nào đó để trả thông tính về mạch điều khiển,

để điều động cơ tiếp tục bơm hoặc là ngừng bơm

2 Cấu tạo

Gồm có các thành phần chính như sau:

- Mạch điều khiển Arduino UNO R3

- Cảm biến siêu âm SRF05

- Biến trở 32k

- Motor bơm nước 12V

- Màn hình hiển thị LCD

- Module cổng giao tiếp I2C

- Module relay (rơ-le)

Và một số linh kiện khác: led, Test boarb, Adapter 5V, điện trờ 470Ω, dây cắm test boarb, ống nước, bồn chứa nước

2.1 Arduino UNO R3

Hình 2.1 Arduino UNO R3 Bảng 2.1 Một số thông số của Arduino UNO R3

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

2.1.1 Vi điều khiển

Hình 2.2 Vi điều khiển ATmega328 trên board Arduino UNO R3

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…

Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328 với giá khoảng 90.000đ Tuy nhiên nếu yêu cầu phần cứng của bạn không cao hoặc túi tiền không cho phép, bạn có thể sử dụng các loại vi điều khiển khác có chức năng tương đương nhưng

rẻ hơn như ATmega8 (bộ nhớ flash 8KB) với giá khoảng 45.000đ hoặc ATmega168 (bộ nhớ flash 16KB) với giá khoảng 65.000đ

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO

2.1.2 Các chân năng lượng

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng các

thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của

nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân

này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để

sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc

chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

 Lưu ý:

- Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó bạn phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ làm cho nó hư hỏng vì vậy các bạn nên bạn nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể

- Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết

bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board

- Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328

- Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển

- Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển

- Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếu không dùng để truyền nhận

dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng

Ở đây mình nói rằng bạn “có thể làm hỏng”, điều đó có nghĩa là chưa chắc sẽ hỏng

ngay bởi các thông số kĩ thuật của linh kiện điện tử luôn có một sự tương đối nhất định

Do đó hãy cứ tuân thủ theo những thông số kĩ thuật của nhà sản xuất

2.1.3 Bộ nhớ

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

- 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ

Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu

- 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai báo

khi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

- 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory):

đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

2.1.4 Các cổng vào/ra

Hình 2.3 Các cổng vào/ra trên board Arduino UNO R3

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

- 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive

– RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial

không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ

phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm

analogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các

chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

- LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút

Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 →

210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board, bạn có

thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu bạn cấp điện

áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

2.1.5 Lập trình cho Arduino UNO R3

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung Và Wiring lại là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++ Riêng mình thì

gọi nó là “ngôn ngữ Arduino”, và đội ngũ phát triển Arduino cũng gọi như vậy Ngôn ngữ

Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu Nếu học tốt chương trình Tin học 11 thì việc lập trình Arduino sẽ rất dễ đối với bạn.Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án này đã cũng cấp đến cho người

dùng một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development

Environment) như hình dưới đây

Hình 2.4 Đoạn mã nguồn như trong hình sẽ điều khiển một đèn LED nhấp nháy với

chu kì 1 giây

2.2 Cảm biến siêu âm

Hình 2.5 Cảm biến siêu âm SRF05

Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách phát đi 1 xung tín hiệu và đo thời gian nhận được tín hiệu trở vể Sau khi đo được tín hiệu trở về trên cảm biến siêu âm, ta tính được thời gian từ lúc phát đến lúc nhận được tín hiệu Từ thời gian này có thể tính ra được khoảng cách

Nếu đo được chính xác thời gian và không có nhiễu, mạch cảm biến siêu âm trả về kết quả cực kì chính xác Điều này phụ thuộc vào cách viết chương trình không sử dụng các hàm delay

Lưu ý: Sóng siêu âm chỉ bị dội lại khi gặp 1 số loại vật cản, nếu phát sóng siêu âm

vào chăn, nệm bạn sẽ không nhận được sóng phản hồi có thể sử dụng các loại chip thông dụng để nhận và xử lý dữ liệu như 8051, AVR, PIC, Arduino

Thông số kĩ thuật module SRF05:

- Nguồn cung cấp: 5V DC

- Dòng : 30mA (Max 50mA)

- Tần số hoạt động : 40KHz

- Khoảng cách lớn nhất đo được : 6m

- Khoảng cách nhỏ nhất đo được : 3 cm

- Góc quét : 45 °

- Kích thước module: 45x20mm

- Góc cảm biến < 15 độ

2.4 Motor bơm nước

Hình 2.7 Motor bơm nước 12V

Động cơ bơm P385 12VDC 3W có kích thước nhỏ gọn, được sử dụng để bơm nước, dung dịch với khả năng bơm tối đa lên đến 1.8L / 1 phút, động cơ sử dụng điện áp

12VDC, thích hợp với các thiết kế sử dụng máy bơm nhỏ: bơm hồ cá, tưới nước cho cây, , lưu ý không cấp ngược cực vì có thể làm hư cơ cấu bơm của động cơ (cực dương

có đánh dấu màu đỏ)

- Lưu lượng bơm: 1,8 ± 0,1 L / 1 phút

- Áp suất nước: 0.3Mpa

- Thời gian làm việc liên tục tối đa trong 1 ngày: không quá 8h

- Kích thước: 86 x 46 x 46 mm

2.5 Màn hình hiển thị LCD

Hình 2.8 Màn hình hiển thị LCD

Sơ đồ chân: Như hình 2.8

Bảng 2.2 Chức năng các chân trên LCD

Thứ tự chân Tên chân Chức năng

2 VCC Nguồn cấp cho LCD

3 VEE Điều chỉnh độ tương phản ( cần được gắn với biến

trở

4 RS Chọn thanh ghi:

RS = 0: Đưa LCD vào chế độ ghi lệnh

RS = 1: Đưa LCD vào chế độ ghi dữ liệu (dữ liệu xuất lên màn hình)

5 RW Chọn chế độ đọc/ghi cho LCD:

RW = 0: Vi điều khiển truyền dữ liệu vào LCD

RW = 1: Vi điều khiển đọc dữ liệu vào LCD

6 E E = 0: Vô hiệu hóa đọc/ghi

15 LED + Nguồn dương cấp cho led nền

16 LED - Nguồn âm cấp cho led nền

Các thanh ghi:

- Thanh ghi IR: Mỗi lệnh được nhà sản xuất LCD đánh địa chỉ rõ ràng Người dùng chỉ việc cung cấp địa chỉ lệnh bằng cách nạp vào thanh ghi IR.Ví dụ: Lệnh “hiển thị màn hình và con trỏ” có mã lệnh là 00001110

- Thanh ghi DR : Thanh ghi DR dùng để chứa dữ liệu 8 bit để ghi vào vùng RAM DDRAM hoặc CGRAM ( ở chế độ ghi) hoặc dùng để chứa dữ liệu từ 2 vùng RAM này gửi ra cho MPU (ở chế độ đọc)

- Cờ báo bận BF: (Busy Flag) Khi đang thực thi các hoạt động bên trong, LCD bỏ qua mọi giao tiếp với bên ngoài và bật cờ BF( thông qua chân DB7 khi có thiết lập RS=0, R/W=1) lên để cho biết nó đang “bận”

- Bộ đếm địa chỉ AC : (Address Counter) Khi một địa chỉ lệnh được nạp vào thanh ghi IR, thông tin được nối trực tiếp cho 2 vùng RAM (việc chọn lựa vùng RAM tương tác đã được bao hàm trong mã lệnh) Sau khi ghi vào (đọc từ) RAM, bộ đếm AC tự động tăng lên (giảm đi) 1 đơn vị Bộ nhớ LCD Vùng RAM hiển thị DDRAM : (Display Data RAM)

Chứa các mẫu kí tự loại 5x7 hoặc 5x10 điểm ảnh/kí tự, và định địa chỉ bằng 8 bit

Hình 2.10 Mẫu kí tự đồ họa riêng

4 Giả con trỏ (dịch con trỏ sang trái)

5 Tăng con trỏ (dịch con trỏ sang phải)

6 Dịch hiển thị sang phải

7 Dịch hiển thị sang trái

8 Tắt con trỏ, tắt hiển thị

A Bật con trỏ, tắt hiển thị

C Tắt con trỏ, bật hiển thị

E Bật hiển thi, nhấp nháy con trỏ

F Tắt con trỏ, nhấp nháy con trỏ

10 Dịch vị trí con trỏ sang trái

14 Dịch vị trí con trỏ sang phải

18 Dịch toàn bộ hiển thị sang trái

1C Dịch toàn bộ hiển thị sang phải

80 Ép con trỏ vào đầu dòng thứ nhất

C0 Ép con trỏ vào đầu dòng thứ hai

38 Hai dòng và ma trạn 5 x 7

Ví dụ một số lệnh:

Copy file “Lcd_4bit.h” vào thư mục C:\Program Files\PICC\Devices

lcd_init(): Khởi tạo LCD, gọi 1 lần trong hàm main

lcd_gotoxy(int8 x, int8 y) : Hiển thị tại vị trí cột x , hàng y

lcd_send_byte(int8 address, int8 n): Gửi 1 byte n đến lcd, address=0: thao tác lệnh, address=1: thao tác dữ liệu

int8 lcd_read_byte(void) : đọc về 1 byte - lcd_putc(char c) : Gửi các ký tự lên lcd char lcd_getc(int8 x, int8 y) : Đọc ký tự tại cột x, hàng y

2.6 Module cổng giao tiếp I2C

- Giao tiếp I2C

- Jump Chốt: Cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt

- Biến trở xoay độ tương phản cho LCD

I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:

- Một đường xung nhịp đồng hồ(SCL) chỉ do Master phát đi ( thông thường ở 100kHz và 400kHz Mức cao nhất là 1Mhz và 3.4MHz)

- Một đường dữ liệu(SDA) theo 2 hướng

2.7 Module rơ-le

Hình 2.12 Module rơ-le

Giới thiệu:

Rơ-le là một loại linh kiện điện tử thụ động rất hay gặp trong các ứng dụng thực tế Khi bạn gặp các vấn đề liên quan đến công suất và cần sự ổn định cao, ngoài ra có thể dễ dàng bảo trì, thì rơ-le chính là cái bạn cần tìm Vì vậy, hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về relay và các ứng dụng của nó trong cuộc sống

Rơ-le là một công tăc (khóa K) Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản, rơ-le

được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người Chính vì lẽ đó, rơ-le được dùng làm

công tắc điện tử Vì rơ-le là một công tắc nên nó có 2 trạng thái: đóng và mở

Các loại rơ-le và cách xác định trạng thái của nó:

Trên thị trường chúng ta có 2 loại module rơ-le: module rơ-le đóng ở mức thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng), module rơ-le đóng ở mức cao (nối cực dương

vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng) Nếu sơ sánh giữa 2 module rơ-le có cùng thông số kỹ thuật thì hầu hết mọi kinh kiện của nó đều giống nhau, chỉ khác nhau ở chỗ cái transitor của mỗi module Chính vì cái transistor này nên mới sinh ra 2 loại module rơ-le này đấy (có 2 loại transistor là NPN - kích ở mức cao, và PNP - kích ở mức thấp)

Thông số của một module relay

Một module rơ-le được tạo nên bởi 2 linh kiện thụ động cơ bản là rơ-le và transistor, nên module rơ-le có những thông số của chúng

- Hiệu điện thế kích tối ưu: Chẳng hạn, bạn cần một module relay sẽ làm nhiệm vụ bật tắt một bóng đèn (220V) khi trời tối từ cảm biến ánh sáng hoạt động ở mức 5-12V thì bạn bảo họ bán loại module relay 5V (5 volt) hoặc module relay 12V (12 volt) kích ở mức cao

- Các mức hiệu điện thế tối đa và cường độ dòng điện tối đa của đồ dùng điện khi nối vào module rơ-le

- 10A - 250VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệu điện thế <= 250V (AC) là 10A

- 10A - 30VDC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệu điện thế <= 30V (DC) là 10A

- 10A - 125VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệu điện thế <= 125V (AC) là 10A

- 10A - 28VDC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệu điện thế <= 28V (DC) là 10A

- SRD-05VDC-SL-C: Hiện điện thế kích tối ưu là 5V

Rơ-le bình thường gồm có 6 chân Trong đó có 3 chân để kích, 3 chân còn lại nối với

đồ dùng điện công suất cao

 3 chân dùng để kích:

- +: cấp hiệu điện thế kích tối ưu vào chân này

- : nối với cực âm

- S: chân tín hiệu, tùy vào loại module rơ-le mà nó sẽ làm nhiệm vụ kích rơ-le

- Nếu bạn đang dùng module rơ-le kích ở mức cao và chân S bạn cấp điện thế dương vào thì module rơ-le của bạn sẽ được kích, ngược lại thì không

- Tương tự với module rơ-le kích ở mức thấp

 3 chân còn lại nối với đồ dùng điện công suất cao:

- COM: chân nối với 1 chân bất kỳ của đồ dùng điện, nhưng mình khuyên bạn nên mắc vào đây chân lửa (nóng) nếu dùng hiệu điện thế xoay chiều và cực dương nếu là hiệu điện một chiều

- ON hoặc NO: chân này bạn sẽ nối với chân lửa (nóng) nếu dùng điện xoay chiều

và cực dương của nguồn nếu dòng điện một chiều

- OFF hoặc NC: chân này bạn sẽ nối chân lạnh (trung hòa) nếu dùng điện xoay chiều và cực âm của nguồn nếu dùng điện một chiều

Module I2C

Biến Trở