Điều chỉnh mực nước tự động bằng cảm biến siêu âm

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH CỬ NHÂN VẬT LÝ Đề tài: ĐIỀU CHỈNH MỰC NƯỚC TỰ ĐỘNG BẰNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM Người hướng dẫn: Phạm Xuân Trung Người thực hiện: Phan Thị Si Đà Nẵng, tháng 5/2013 SVTH: Phan Thị Si I KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô khoa Vật lý trường Đại Học Sư Phạm quan tâm giúp đỡ, tạo điều kiện cho em trình thực đề tài Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GV Phạm Xuân Trung _ khoa Điện Tử Viễn Thông - Đại Học Bách Khoa trực tiếp hướng dẫn, định hướng chuyên môn, quan tâm giúp đỡ tận tình tạo điều kiện thuận lợi q trình thực luận văn Nhờ em tiếp thu ý kiến đóng góp nhận xét quý báu thầy Trên hết em xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc đến gia đình tạo điều kiện tốt để em hồn thành tốt cơng việc q trình thực luận văn Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè anh thuộc khoa Điện Tử Viễn Thông - Đại Học Bách Khoa giúp đỡ suốt thời gian thực luận văn Mặc dù cố gắng trình thực luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận góp ý q thầy bạn bè Sinh viên thực Phan Thị Si SVTH: Phan Thị Si II KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I DANH MỤC BẢNG VI DANH MỤC HÌNH VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IX LỜI MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MỤC ĐÍCH-YÊU CẦU GIỚI THIỆU NỘI DUNG THỰC HIỆN: CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 1.1 KHÁI QUÁT VỀ VI ĐIỀU KHIỂN: 1.1.1 Giới thiệu chung: 1.1.2 Phân loại vi điều khiển 1.1.3 Cấu trúc tổng quan vi điều khiển 1.2 KHÁI QUÁT VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Kiến trúc PIC 1.2.3 RISC CISC 1.2.4 PIPELINING 1.2.5 Các dòng PIC cách lựa chọn vi điều khiển cho PIC: 1.2.6 Ngơn ngữ lập trình cho PIC 10 1.3 GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A 11 1.3.1 Các dạng sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F877A 11 1.3.2 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A 12 1.3.3 Đặc điểm vi điều khiển PIC16F877A 13 1.3.4 Tổ chức nhớ PIC 14 1.3.5 Chức Capture PIC: 18 1.3.6 Các cổng xuất nhập PIC16F877A 19 CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ SÓNG SIÊU ÂM 24 2.1 LÝ THUYẾT VỀ SÓNG SIÊU ÂM 24 2.1.1 Định nghĩa 24 2.1.2 Các đại lượng đặc trưng sóng siêu âm 24 2.1.3 Đặc điểm sóng siêu âm: 25 SVTH: Phan Thị Si III KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP 2.1.4 Phân loại sóng siêu âm 25 2.1.5 Mơi trường truyền sóng siêu âm 26 2.1.6 Sự xạ - phản xạ - khúc xạ hấp thụ sóng âm 28 2.2 KHÁI QUÁT VỀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM 34 2.2.1 Một số loại cảm biến siêu âm 34 2.2.2 Cảm biến siêu âm nguyên tắc TOF (Time Of Flight) 35 2.2.3 Tầm quét cảm biến siêu âm 35 2.2.4 Thông số số loại cảm biến siêu âm SRF 36 2.3 CẢM BIẾN SIÊU ÂM HY-SRF05 VÀ ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT 36 2.3.1 Giới thiệu cảm biến siêu âm HY-SRF05 : 36 2.3.2 Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HY-SRF05: 37 2.3.2 Tính khoảng cách 37 2.3.4 Thay đổi chùm tia độ rộng chùm 38 2.3.5 Hoạt động phát nhận phản hồi sóng âm HY-SRF05 39 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH MỰC NƯỚC TỰ ĐỘNG 41 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 41 3.2 CÁC MODUL TRONG HỆ THỐNG 41 3.2.1 Khối điều khiển PIC: 41 3.2.2 Khối cảm biến: 42 3.2.3 Khối hiển thị 42 3.2.4 Khối điều khiển động 42 3.2.5: Khối phím bấm 42 3.2.6 Khối nguồn: 43 3.3 LỰA CHỌN LINH KIỆN 43 3.3.1 Khối điều khiển 43 3.3.2 Khối cảm biến : 43 3.3.3 Khối hiển thị 43 3.3.4 Khối điều khiển động cơ: 47 3.3.5 Khối phím bấm: 49 3.3.6 Khối nguồn 49 3.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 51 3.5 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 52 3.6 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 53 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 58 SVTH: Phan Thị Si IV KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 58 4.2 KHUYẾT ĐIỂM VÀ HƯỚNG KHẮC PHỤC 58 4.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 59 4.4 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC 61 SVTH: Phan Thị Si V KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tóm tắt đặc điểm vi điều khiển PIC Bảng 2.1: Vận tốc sóng mơi trường truyền Bảng 2.2: Bảng số liệu độ dài vùng gần r theo đường kính biến tử D (cm) Bảng 2.3: Hệ số hấp thụ số chất Bảng 2.4: Thông số số loại cảm biến siêu âm SRF Bảng 3.1: Chức chân LCD Bảng 3.2: Chức chân RS R/W theo mục đích sử dụng SVTH: Phan Thị Si VI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Kiến trúc Von-Neuman kiến trúc Harvad Hình 1.2: Vi điều khiển PIC16F877A/PIC16F874A dạng sơ đồ chân Hình 1.3 : Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A Hình 1.4 : Hình ảnh bank Hình 1.5 : Hình ảnh nạp PCLATH tới PC Hình 1.6: Sơ đồ chân PIC 16F877A Hình 1.7: Sơ đồ khối cổng A Hình 1.8: Sơ đồ khối chân RB3 đến RB0, chân RB7 đến RB4 cổng B Hình 1.9: Sơ đồ khối chân RC, RC, chân RC cổng C Hình 1.10:Sơ đồ khối cổng D Hình 1.11: Sơ đồ khối cổng E Hình 2.1: Sóng siêu âm Hình 2.2: Sóng dọc Hình 2.3: Sóng ngang Hình 2.4: Sóng mặt Hình 2.5 Sự xạ sóng âm Hình 2.6: Phương truyền sóng tính định hướng biến tử Hình 2.7: Măt phẳng âm Hình 2.8: Sự phản xạ sóng âm Hình 2.9: Sự khúc xạ sóng âm Hình 2.10: Các loại cảm biến siêu âm Hình 2.11: Cảm biến siêu âm HY-SRF05 Hình 2.12: Biểu đồ thời gian SRF05 SVTH: Phan Thị Si VII KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.2: Vi điều khiển PIC 16F877A Hình 3.3: Tụ gốm tụ thạch anh Hình 3.4: Cảm biến siêu âm HY-SRF05 Hình 3.5: LCD Hình 3.6: Sơ đồ chân LCD Hình 3.7: Máy bơm nước Hình 3.8: Rơ le Hình 3.9: Sơ đồ khối Rơ le từ trường Hình 3.10: Cấu trúc Rơ le Hình 3.11: Nút bấm Hình 3.12: Sơ đồ chân nút bấm dùng làm mạch Hình 3.13: Sơ đồ khối nguồn Hình 3.14 : Sơ đồ chân D866 NPN Hình 3.15: Sơ đồ ngun lý Hình 3.16: Lưu đồ thuật tốn chương trình Hình 3.17: Lưu đồ thuật tốn chương trình đo khoảng cách Hình 3.18: Lưu đồ thuật tốn chương trình tự động Hình 3.19: Lưu đồ thuật tốn chương trình bơm nước vào Hình 3.20: Lưu đồ thuật tốn chương trình bơm nước SVTH: Phan Thị Si VIII KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VĐK : vi điều khiển VXL : vi xử lý RISC : Reduced Instruction Set Computer CISC : Complex Instruction Set Computer DR : Data Register PIC : Programable Intelligent Computer PC : Program Counter IR : Instruction Register IP : Interrupt Priority Register TOF : Time Of Flight SSP : Synchronous Serial Port PSP : Parallel Slave Port ICSP : In Circuit Serial Programming SVTH: Phan Thị Si IX KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP LỜI MỞ ĐẦU ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, với ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến, giới ngày thay đổi, văn minh đại Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm bật xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ yếu tố cần thiết góp phần cho hoạt động người đạt hiệu Một số thành tựu bật phải nói đến việc phát ứng dụng sóng siêu âm vào đời sống, đặc biệt lĩnh vực y khoa thẩm mỹ với đại diện thiết bị siêu âm,… ngồi siêu âm cịn thể ưu việt lĩnh vực đo lường, kiểm định chất lượng sản phẩm, an ninh… với thiết bị đo khoảng cách, vận tốc, thiết bị cảnh báo, dò khuyết tật… Giao tiếp vi điều khiển thiết bị đo khoảng cách sóng siêu âm cho nhiều ứng dụng thực tế đời sống Một ứng dụng là: điều chỉnh mực nước tự động cảm biến siêu âm Sóng siêu âm ứng dụng đo khoảng cách cách dùng vi điều khiển tìm hiểu đề tài Trong trình làm đề dù cố gắng không tránh sai thiếu sót Rất mong nhận đóng góp chân thành q thầy bạn PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phân tích đặc tính chức linh kiện điện tử ( transistor, điện trở, tụ điện, ), cảm biến siêu âm, vi điều khiển PIC áp dụng kiến thức học, tài liệu đọc tạp chí, sách, internet với hướng dẫn nhiệt tình giáo viên hướng dẫn để xây dựng lên mạch có chức đo khoảng cách mực nước, hoạt động tốt với yêu cầu đề tài SVTH: Phan Thị Si KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 3.6 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN BEGIN KHOI TAO LCD KIEM TRA PHIM BAM CHUONG TRINH DKC Y NHAN RC0 CT TU DONG N Y NHAN RC1 N CT BOM VAO Y NHAN RC2 CT BOM RA N Y NHAN RC3 END Hình 3.16: Lưu đồ thuật tốn chương trình SVTH: Phan Thị Si 53 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP BEGIN Khởi tạo vùng nhớ lưu trữ liệu hiển thị tần số xung đếm Khởi tạo LCD Chương trình thơng báo Hiển thị LCD END Hình 3.17: Lưu đồ thuật tốn chương trình đo khoảng cách SVTH: Phan Thị Si 54 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP BEGIN Khởi tạo vùng nhớ lưu trữ liệu hiển thị tần số xung đếm Khởi tạo LCD Y KC>20 RB2=1 RB3=0 N Y KC=15 KC=20 RB2=1 RB3=0 N Y KC 20) {RB2=0;RB3=1; lcd_putcmd(line_1); printf(LCD_PutChar,"Nuoc vao > if (p < 15) {RB2=1;RB3=0; ");} // bơm vào lcd_putcmd(line_1); printf(LCD_PutChar,"Nuoc < ");} // bơm if ((p>=15)&&(p20) {RB2=0;RB3=1;} //bơm vào if (p=15) {RB2=0;RB3=0;} //ngừng bơm } } SVTH: Phan Thị Si 65 KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP HÌNH ẢNH: Dưới trình hoạt động hệ thống “điều khiển mực nước tự động cảm biến siêu âm”: a Quá trình ổn định mực nước: b Quá trình bơm nước ra: đèn led thứ đèn led tắt,đồng nghĩa với việc Rơ bật sáng, đồng nghĩa với việc le khơng kích hoạt Rơ le điều khiển cho q trình bơm nước kích hoạt c Quá trình bơm nước vào: đèn led thứ d Quá trình điều khiển nước tự động hai bật sáng, đồng nghĩa với việc Rơ le điều khiển cho trình bơm nước vào kích hoạt SVTH: Phan Thị Si 66 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: Phan Thị Si ... số loại cảm biến siêu âm 34 2.2.2 Cảm biến siêu âm nguyên tắc TOF (Time Of Flight) 35 2.2.3 Tầm quét cảm biến siêu âm 35 2.2.4 Thông số số loại cảm biến siêu âm SRF ... 235kHz cao 2.3 CẢM BIẾN SIÊU ÂM HY-SRF05 VÀ ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT 2.3.1 Giới thiệu cảm biến siêu âm HY-SRF05 : Cảm biến SRF05 loại cảm biến khoảng cách dựa nguyên lý thu phát siêu âm Cảm biến gồm phát... tật… Giao tiếp vi điều khiển thiết bị đo khoảng cách sóng siêu âm cho nhiều ứng dụng thực tế đời sống Một ứng dụng là: điều chỉnh mực nước tự động cảm biến siêu âm Sóng siêu âm ứng dụng đo khoảng