Hệ thống bơm nước bồn chứa thông minh

ĐỒN THANH NIÊN CƠNG SẢN HỒ CHÍ MINH BAN CHẤP HÀNH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - CƠNG TRÌNH DỰ THI SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM 2012 Tên cơng trình: HỆ THỐNG BƠM NƯỚC BỒN CHỨA THƠNG MINH Lĩnh vực nghiên cứu : KỶ THUẬT Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HỐ Mã số cơng trình:………… Chƣơng 01: MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Xuất phát từ yêu cầu thực tế khác khu vực ngoại thành Thành phố Hồ Chí Minh: lượng nước cung cấp cấp cho hộ gia đình khơng đủ nhu cầu sử dụng, đặc biệt vào cao điểm Các hộ dân thường dùng mơ hình dự trữ nước sau: Bồn nước (B2) cao Bồn nước (B1) mặt đất Nguồn cung cấp nước sinh hoạt Val chiều Nguồn nước từ nhà máy Val chiều Bồn (B1): bồn nước dự trữ Bồn (B2): bồn nước có áp lực cao dùng để cung cấp nước sinh hoạt chung Nguồn nước từ nhà máy thông thường chảy vào B1 vài thời điểm ngày, vào ban đêm áp lực nước tăng nên có khả chảy vào B1 B2, nhiên thực tế cho thấy nhiều khu vực ngoại thành lượng nước không lên đủ B2 người ta thường sử dụng máy bơm để bơm nước dự trữ từ B1 lên B2 để phục vụ nhu cầu sử dụng Vấn đề đặt là: Nếu đợi B2 khởi động bơm từ B1 lên: công việc thường thực vào ban ngày, lượng nước B1 giảm nguồn nước từ nhà máy yếu, chí khơng cạn kiệt để bổ sung cho B1 dẫn đến thiếu nước sinh hoạt Nếu thực bơm nước lên B2 vào ban đêm để tận dụng lưu lượng nước mạnh nguồn từ nhà máy phát sinh vấn đề:  Thứ nhất: người sử dụng phải thức khuya để chờ áp lực nước đủ mạnh cung cấp đầy B1 sau tiến hành bơm; sau thời gian bơm nguồn nước nhà máy tiếp tục bổ sung cho B1 kết ngày hôm sau được: B1 B2 đầy; công việc vất vả, tốn thời gian chờ đợi phí tiền điện cho máy bơm Áp lực nước từ nhà máy  Thứ hai: nguồn nước đêm đủ mạnh cung cấp đầy B1 B2, tiến hành bơm bổ sung dẫn đến lãng phí cơng sức chi phí điện Mong muốn người dùng bắt đầu ngày với B1 B2 đầy nước dựa giản đồ lưu lượng nước cung cấp theo hình 1, nên mục đích nghiên cứu để tạo thiết bị điều khiển trình bơm nước cách thông minh Áp lực nước đủ chảy vào B2 Áp lực nước đủ chảy vào B1 4h-7h 7h-10h 10h-13h 13h-16h 16h-21h 21h-24h 0h-4h Áp lực nước đường ống từ nhà máy thay đổi thất thường ln yếu vào ban ngày hệ thống thiết kế tập trung giải hai vấn đề:  Thứ nhất: áp lực nước đêm đủ mạnh (đường đứt nét): hệ thống máy bơm không cần hoạt động, từ 21h hôm trước đến 4h sáng hôm sau đủ cấp đầy B1, B2  Thứ hai: áp lực nước đêm yếu: sau khoảng 2h, nước không cấp lên B2 hệ thống bơm khởi động lấy nước từ B1 cấp bổ sung cho B2 Mơ hình thiết kế sau: Bồn nước (B2) cao Bồn nước (B1) mặt đất CONTROLLER Nguồn cung cấp nước sinh hoạt SENSOR Val chiều Nguồn nước từ nhà máy Val chiều Hệ thống bồn chứa thông thường gắn thêm điều khiển hoạt động sở thời gian thực cảm biến lưu lượng cho phép xác định áp lực nước từ nhà máy, từ đưa định có bơm bổ sung cho B2 hay khơng cách tự động Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Các linh kiện lien quan sử dụng nghiên cứu: I Sơ lƣợc PIC 16I877A: I.1 Khái niệm: PIC tên viết tắt “Programable Intelligent Computer ” tạm dịch “máy tính thơng minh khả trình” hãng Genenral Instrument đặt tên cho Vi điều khiển họ: PIC1650 thiết kế để dùng làm thiết bị ngoại vi cho Vi điều khiển PC1600 Vi điều khiển nghiên cứu phát triển thêm từ hình thành dịng Vi điều khiển PIC ngày I.2 Các thông số PIC16F877A Đây Vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit, lệnh thực thi chu kỳ xung clock Tốc độ hoạt động tối đa cho phép 20MHz với chu kỳ lệnh 200ns Bộ nhớ chương trình 8K x 14 bit 368x8 byte RAM nhớ liệu EEPROM với dung lượng 256 x byte Số PORT I/O với 33 chân I/O Các đặc tính ngoại vi với khối chức sau: Timer0; đếm bit với chia tần số bit Timer1: đếm 16 bit với chia tần số, thực chức đếm vào xung clock ngoại vi Vi điều khiển hoạt động chế độ sleep Timer2: đếm bit với chia tần số, postcaler Hai Capture/So sánh/Điều chế độ rộng xung Các chuẩn giao tiếp SSP (Synchronous Serial Port),SPI vào 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 ngồi Các đặc tính Analog: kênh chuyển đổi ADC 10bit Hai so sánh Bên cạnh vài đặc tính khác Vi điều khiển như: Bộ nhớ Flash với khả ghi xoá 100.000 lần Bộ nhớ EEPROM với khả ghi xoá đượcr 1.000.000 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 Prigramming) thông qua chân Watchdog Timer với dao động Chức bảo vệ mật mã chương trình Chế dộ sleep Có thể hoạt động nhiều dạng Oscillator khác I.3 Chức Port PIC16F877A: I.3.1 PORT A ( RPA ): Gồm chân I/O chiều: nghĩa xuất nhập Bên cạnh PORT A cịn ngõ ADC, so sánh, ngõ vào xung clock Timer0 ngõ vào Bộ giao tiếp MSSP (Master Synchronous Port) Các ghi liên quan đến PORTA: TRISA :điều khiển việc xuất nhập PORTA PORTA :chứa giá trị chân PORTA CMCON :thanh ghi điều khiển so sánh CVRCON : ghi điều khiển so sánh điện áp ADCON1 : ghi điều khiển ADC I.3.2 PORTB ( RPB ): Gồm chân I/O Một số chân PORTB sử dụng trình nạp chương trình cho Vi điều khiển với chế độ nạp khác PortB liên qua đến ngắt ngoại vi Timer0 PortB cịn tích hợp chức điện trở kéo lên điều khiển chương trình Các ghi điều khiển chức PORTB: TRISB :điều khiển việc xuất nhập PORTB PORTB : giá trị chân PORTB OPTION_REG : điều khiển ngắt ngoại vi Timer0 I.3.3 PORTC ( RPC): Gồm chân I/O PORTC chứa chân so sánh, Timer1, PWM chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C, SSP, USART Các ghi điều khiển PORTC: TRISC :điều khiển xuất nhập PORTC PORTC : chứa giá trị chân PORTC I.3.4 PORTD( RPD ): Gồm chân I/O cổng xuất liệu chuẩn giao tiếp PSP (Parallel Slave Port) Các ghi điều khiển PORTD: TRISD ;điều khiển xuất nhập PORTD PORTD ;chứa giá trị chân PORTD I.3.5 PORTE (RPE): Gồm chân I/O PORTE ngõ vào analog chân điều khiển chuẩn giao tiếp PSP Các ghi điều khiển PORTE TRISE ;điều khiển xuất nhập PORTE PORTE ;chứa giá trị chân PORTE II Sơ lƣợc LCD: II.1 Giới thiệu LCD: Màn hình tinh thể lỏng (liquid crystal display - LCD) loại thiết bị hiển thị cấu tạo tế bào (các điểm ảnh) chứa tinh thể lỏng có khả thay đổi tính phân cực ánh sáng thay đổi cường độ ánh sáng truyền qua kết hợp với kính lọc phân cực Chúng có ưu điểm phẳng, cho hình ảnh sáng, chân thật tiết kiệm lượng LCD loại thị thụ động, tiêu thị lượng nhỏ có tỉ số tương phản tốt II.2 Chức chân LCD: Chân VDD,VSS VEE: Chân VDD: cấp nguồn dương 5V Chân VSS nối đất Chân VEE dùng để chỉnh độ tương phản LCD Chân đọc/ghi – R/W: Đầu vào đọc/ghi cho phép người dùng ghi thông tin len LCD R/W=0 đọc thông tin từ R/W=1 Chân cho phép E: Chân cho phép E sử dụng liệu Xung phải rộng tối thiểu 450ns Chân D0-D7: Đây chân liệu bit, dùng để gửi thông tin lên LCD đọc nội dung ghi LCD II.3 Tập lệnh LCD Để hiển thị chữ số, gửi mã ASCII chữ từ A đến Z, a đến f số từ – 9,…đến chân bật RS=1 Mã (Hex) Lệnh ghi LCD 01H Xóa hình hiển thị 02H Trở đầu dòng 04H Giảm trỏ (dịch trỏ sang trái) 06H Tăng trỏ (dịch trỏ sang phải) 05H Dịch hiển thị sang phải 07H Dịch hiển thị sang trái 08H Tắt trỏ, tắt hiển thị 0AH Tắt hiển thị, bật trỏ III 0CH Bật hiển thị, tắt trỏ 0EH Bật hiển thị, nhấp nháy trỏ 0FH Tắt trỏ, nhấp nháy trỏ 10H Dịch vị trí trỏ sang trái 14H Dịch vị trí trỏ sang phải 18H Dịch toàn hiển thị sang trái 1CH Dịch toàn hiển thị sang phải 80H Ép trỏ vũ đầu dòng thứ C0H Ép trỏ vũ đầu dòng thứ hai 38H Hai dòng ma trận 5x7 Phần mềm soạn thảo chƣơng trình CCS: Để viết chương trình CCS ta phải tạo PROJECT cách:Nhấp vào biểu tượng chọn New => Source File Sau ta viết chương trình giao diện CCS Khi viết chương trình xong ta nhấn F9 để tiến hành kiểm tra lổi biên dịch sang file *.hex Sau tiến hành sửa lổi chương trình biên dịch ta có file *.hex để nạp vào IC số file thông tin Project khác IV Phần mềm mô Proteus: Giao diện việc phần mềm Proteus: Để lấy linh kiện cần thiết cho mạch mô từ thư viện ta vào: Library > Pick Device sử dụng phím P bàn phím Để nạp chương trình cho IC ta nhấp đơi chuột trái vào IC cửa sổ: Sau chọn đường dẩn chương trình nhấn nút OK chương trình nạp vào IC Chƣơng 03: THIẾT KẾ HỆ THỐNG I Sơ đồ khối: Động bơm Cảm biến lưu lượng Bộ điều khiển Thời gian thực Màn hình hiển thị Bàn phím điều khiển Bộ cảm biến lưu lượng cho phép đo lưu lượng nước bơm lên bồn chứa, kết hợp với thời gian thực cho thơng tin xác khả cung cấp nước lên bồn chứa thời điểm xác định, sở điều khiển định điều khiển động bơm hay khơng Màn hình hiển thị cho phép cài đặt thông số điều khiển hiển thị thời gian thực Bàn phím cho phép nhập thông số cài đặt cho hệ thống Bộ điều khiển: thực công việc sau Ban ngày: có yêu cầu bơm nước cưỡng lên bồn (thơng qua phím nhấn bàn phím), hệ thống mở máy bơm khoảng thời gian cài đặt trước từ bàn phím (ví dụ: phút, 10 phút,…) Ban đêm: dựa số liệu từ cảm biến lưu lượng thời gian thực, điều khiển tự định có bơm nước bổ sung lên bồn hay khơng Q trình bơm nước bổ sung tự động phải xét đến điều kiện sau:  Bồn đầy  Bồn dự trữ Trong trường hợp hệ thống kiểm soát cách sau: máy bơm hoạt động bồn bồn đầy (val khí tự động đóng dần đóng hồn tồn) cảm biến lưu lượng thong báo điều khiển để định dừng trình bơm Thiết kế khối: 1.1 Khối cảm biến lưu lượng: Sử dụng đồng hồ nước cảm biến hồng ngoại đo tốc độ quay đồng hồ nguyên tắc phản xạ LED R4 D2 4K7 U4:A LED D3 RV2 R3 270 10k 12 R5 COUNT 50% I 1k LM339 II.2 Khối thời gian thực: Sử dụng IC thời gian thực DS1307 kết nối với RB0 RB1 vi điều khiển cung cấp thời gian thực để điều khiển hệ thống máy bơm U2 RB0 RB1 SCL SDA X1 X1 32576 SOUT VBAT X2 DS1307 BAT1 3.5V II.3Màn hình hiển thị: Sử dụng LCD hàng 16 ký tự/ hang TC1602A nối với port D điều khiển LCD1 RD0 RD1 RD4 RD5 RD6 RD7 RD2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 10 11 12 13 14 RS RW E VSS VDD VEE LM016L II.4 Khối motor bơm: Sử dụng relay để tạo tín hiệu đóng/ ngắt motor thơng qua contactor RL1 Q1 MOTOR 12V RE1 2N4123 II.5 Bộ điều khiển: Sử dụng vi điều khiển PIC 16F877A U1 14 13 33 34 35 36 37 38 39 40 RE3/MCLR/VPP RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/CCP2 RA0/AN0/ULPW U/C12IN0RC2/P1A/CCP1 RA1/AN1/C12IN1RC3/SCK/SCL RA2/AN2/VREF-/CVREF/C2IN+ RC4/SDI/SDA RA3/AN3/VREF+/C1IN+ RC5/SDO RA4/T0CKI/C1OUT RC6/TX/CK RA5/AN4/SS/C2OUT RC7/RX/DT RA6/OSC2/CLKOUT RA7/OSC1/CLKIN RD0 RD1 RB0/AN12/INT RD2 RB1/AN10/C12IN3RD3 RB2/AN8 RD4 RB3/AN9/PGM/C12IN2RD5/P1B RB4/AN11 RD6/P1C RB5/AN13/T1G RD7/P1D RB6/ICSPCLK RB7/ICSPDAT RE0/AN5 RE1/AN6 RE2/AN7 PIC16F877A D1 LED-GREEN 15 16 17 18 23 24 25 26 19 20 21 22 27 28 29 30 10 RD0 RD1 RD4 RD5 RD6 RD7 RD2 Chƣơng 4: KẾT LUẬN Dựa thiết kế mô hệ thống, nghiên cứu đạt vấn đề sau: - Kiểm soát thời gian thực - Kiểm sốt lưu lượng nước thơng qua tín hiệu mơ giả lập - Hệ thống đưa tín hiệu điều khiển tay tự động xác Kiến nghị: đề tài hồn tồn có khả thực thực tế với chi phí thấp có đủ thời gian kinh phí hỗ trợ PHỤ LỤC #include #FUSES NOWDT, HS, NOPUT, PROTECT, NODEBUG, NOBROWNOUT, NOLVP #use delay(clock=4000000) #include #include // #define LMP PIN_B6 #define LED PIN_B7 // unsigned char sec,min,hour,day,date,month,year; unsigned char sec1,min1,hour1,day1,date1,month1,year1; unsigned char Value; float Nhietdo; void Adj_Disp(unsigned char Disp) { unsigned char so1, so2; lcd_gotoxy(1,2); lcd_putc(">>>>>> "); so1 = Disp /16 + 0x30; so2 = (Disp % 16) + 0x30; //lcd_gotoxy(1,2); lcd_putc(so1); lcd_putc(so2); lcd_putc("