Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo mực chất lỏng trong bình chứa

LỜI NÓI ĐẦU Khoa học kỹ thuật thay đổi ngày, - người kỹ thuật phải thay đổi tầm nhìn để theo kịp cơng nghệ đại Từ VI ĐIỀU KHIỂN đời, tạo nên bước ngoặc cho phát triển tự động hóa cơng nghiệp.Hệ thống điều khiển dùng vi điều khiển có khả chống nhiễu, khả giao tiếp cơng suất tính đơn giản lập trình, khả tích hợp sâu vào hệ thống nhúng Trong ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, dầu ăn… vấn đề cần điều khiển mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ xác cao để phục vụ trình sản xuất đạt hiệu tốt hơn, đảm bảo q trình sản xuất chất lỏng khơng bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị Người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra bồn chứa đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn bồn chứa chất lỏng hoàn toàn khắc phục cho dù đầu thay đổi Nhằm ứng dụng kiến thức trang bị trình học tập vào thực tế, sinh viên lựa chọn đề tài “Nghiên cứu , Thiết kế hệ thống đo mực chất lỏng bình chứa” Đề tài khóa luận sinh viên chia thành bốn chương hình thành nên cách sử dụng hai phương pháp nghiên cứu nghiên cứu, tổng hợp lý thuyết chế tạo thực nghiệm Sinh viên xin chân thành cảm ơn thầy cô, đặc biệt ThS.Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung hướng dẫn tận tình truyền đạt nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu Sinh viên thực đề tài Nguyễn Thế Bình NHẬN XÉT (Của giảng viên phản biện) GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN MỤC LỤC PHẦN I: TỔNG QUAN VẤN ĐỂ NGHIÊN CỨU 1.1.Tình hình đo mực chất lỏng Việt Nam 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Kết đạt PHẦN II: NỘI DUNG KHÓA LUẬN Chương : GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ 1.1 Mạch Arduino Uno R3 1.1.1.Giới thiệu Arduino 1.1.2 Thông số kĩ thuật .3 1.1.3 Vi xử lí AVR Atmega328 1.1.4 USB 1.1.5 Bộ nguồn 1.2 Cảm biến siêu âm SRF04 .7 1.2.1 Tổng quan 1.2.2 Thông Số kĩ thuật 1.2.3 Nguyên lý hoạt động 1.3 Màn hình hiển thị LCD16x2 1.3.1 Màn hình LCD 1.3.2 Một số tính 11 1.4 Loa báo .12 1.5 Module giao tiếp I2C 13 1.6 Nút bấm 14 1.7 Đèn Led 16 Chương 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 17 2.1 Thiết kế hộp cho cảm biến 17 2.1.1 Lựa chọn phần mềm 17 2.1.2 Lựa chọn vật liệu .18 2.1.3 Thiết kế hộp cho Board mạch 18 2.14 Thiết kế hộp cho cảm biến siêu âm vẽ kĩ thuật 21 2.2 Sơ đồ nguyên lí 23 2.3 Khối cảm biến siêu âm .24 2.4 Màn hình hiển thị .25 2.5 Bộ biến đổi điện áp .26 Chương 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM .28 3.1.Lựa chọn phần mềm lập trình .28 3.2 Các bước thực lập trình 29 3.3 Trình mô mạch 34 3.4 Lưu đồ thuật toán 35 Chương 4: LẮP ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM .37 KẾT LUẬN .41 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ chân Arduino Uno Hình Sơ đồ chân vi điều khiển ATmega328 Hình Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm Hình Hình ảnh cảm biến siêu âm Hình Màn hình LCD 16x2 Hình Các panel hình LCD .9 Hình Sơ đồ kết nối chân LCD 1602 với nguồn mạch điều khiển 11 Hình Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị dùng LCD 1602 12 Hình Hình Loa báo .12 Hình 10 Sơ đồ nguyên lý hệ thống loa báo 13 Hình 11 Module I2C .13 Hình 12 Cấu tạo nút nhấn 15 Hình 13 Sơ đồ nguyên lý nút bấm 15 Hình 14 Đèn LED 16 Hình 15 Led phát hồng ngoại 16 Hình 16 Sơ đồ nguyên lý khối led báo 17 Hình 17 Thiết kế LCD nút bấm 19 Hình Mơi trường 3D 18 Hình 2 Mơi trường 2D Sketch .18 Hình Hồn nắp hộp 19 Hình Tạo Ren cho ốc vít 19 Hình Thiết kế thân hộp .20 Hình Thiết kế nguồn dây .20 Hình Thiết kế nút reset Loa 20 Hình Bản vẽ chi tiết 21 Hình Bản vẽ chi tiết 21 Hình 10 Thiết kế phần nắp hộp .22 Hình 11 Thiết kế phần thân hộp 22 Hình 12 Bản vẽ kĩ thuật 22 Hình 13 Bản vẽ kĩ thuật 23 Hình 14 Sơ đồ nguyên lý .24 Hình 15 Sơ đồ chản cảm biến siâu âm 24 Hình 16 Sơ đồ chân LCD 16x2 .25 Hình 17 Sơ đồ khối biến đổi điện áp 26 Hình 18 Mạch hạ áp chỉnh lưu dùng sơ đồ cầu H 26 Hình Phần mềm Arduino 28 Hình Giao diện phần mềm 28 Hình 3 Kết nối Arduino với máy tính 30 Hình Tìm kiếm Device Manager cửa sổ Run 31 Hình Giao diện Device Manager .31 Hình Kiểm tra cổng kết nối Arduino 32 Hình Vị trí phần mềm Arduino 32 Hình Chọn loại mạch Aruino phần mềm 33 Hình Chọn cổng làm việc cho Arduino .33 Hình 10 Cách xác nhận cổng làm việc phần mềm .34 Hình 11 Thiết kế mạch in 34 Hình Kết nối linh kiện với board Arduino 37 Hình Kết nối Board Arduino với mạch In 38 Hình Lắp ráp hoàn chỉnh 39 Hình 4 Thiết lập chiều cao bình chứa .39 Hình Chạy Thử nghiệm cảm biến lên LCD 40 Hình Xuống khoảng cách cho phép LED sáng Loa kêu .41 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Thông số kĩ thuật mạch Arduino Bảng 1.2 Thông số LCD 16x2 11 PHẦN I: TỔNG QUAN VẤN ĐỂ NGHIÊN CỨU 1.1.Tình hình đo mực chất lỏng Việt Nam Thế giới nhiều thập kỷ có tiến đáng kể việc tự động hóa; tự động hóa làm việc lĩnh vực cho dù phục vụ cho mục đích dân dụng hay cơng nghiệp Đo mực chất lỏng cảm biến siêu âm phổ biến Việt Nam Nó áp dụng nhiều công ty, nhà xưởng sản xuất chất lỏng nước đóng chai, dầuăn, hóa chất Khoa học kỹ thuật ngày phát triển, đặc biệt ngành tự động điều khiển, ứng dụng rộng rãi đời sống, cơng nghiệp.Vì cần phải có điều khiển đại, xác đáng tin cậy vi điều khiển lựa chọn tốt cho ứng dụng công nghiệp với độ xác, ổn định độ tin cậy cao Với phát triển kỹ thuật điều khiển tự động có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng hệ thống bồn nước, sinh viên sử dụng vi điều khiển để điều khiển cảm biến siêu âm để đo mức nước 1.2 Mục tiêu đề tài - Lập trình cho vi điều khiển , ổn định mức nước theo thông số cài đặt - Thiết kế hệ thống đo mực chất lỏng bình cảm biến siêu âm - Hồn thành mơ hìnhđo mực chất lỏng cảm biến siêu âm 1.3 Nội dung nghiên cứu - Sử dụng vi điều khiển cảm biến siêu âm để đo mực chất lỏng bình chứa 1.4 Phạm vi nghiên cứu - Thiết bị ứng dụng Công nghiệp, Nơng nghiệp Gia đình 1.5 Kết đạt - Hoàn thành sản phẩm thiết kế mạch đo mực chất lỏng bình chứa cảm biến siêu âm PHẦN II: NỘI DUNG KHÓA LUẬN Chương : GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ 1.1 Mạch Arduino Uno R3 1.1.1.Giới thiệu Arduino Để đáp ứng yêu cầu đề tài, điều khiển trung tâm lựa chọn bo mạch Arduino Uno R3 Arduino bo mạch vi xử lý dùng để lập trình tương tác với thiết bị phần cứng cảm biến, động cơ, đèn thiết bị khác Đặc điểm bật Arduino môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với ngơn ngữ lập trình học cách nhanh chóng với người am hiểu điện tử lập trình Và điều làm nên tượng Arduino mức giá thấp tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Arduino Uno R3 sử dụng chip dán Atmega328, có 14 chân digital I/O, chân đầu vào (input) analog thạch anh dao động 16MHz  Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chức đặc biệt số chân digital : - Chân Serial: (RX) (TX): dùng để gửi (transmit – TX) nhận (receive – RX) liệu TTL Serial - Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép bạn xuất xung PWM với độ phân giải 8bit , sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng đèn… - Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Bốn chân dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác - LED 13 : chân người dùng sử dụng cho LED  Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit , để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Đặc biệt có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác Hình 1Sơ đồ chân Arduino Uno 1.1.2 Thông số kĩ thuật Bảng 1.1 Thông số kĩ thuật mạch Arduino Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA 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 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader Chương 4: LẮP ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM - Lắp ráp linh kiện điện tử với Board Arduino mạch in Bước 1: Kết nối LCD với module I2C, hàn chân nút bấm Gắn cốđịnh Màn LCD ,nút bấm vào hộp nhựa kết nối dây cáp Hình 1Kết nối linh kiện với board Arduino ( Màn LCD kết nối với Module giao tiếp I2C ) Bước 2: Kết nối Arduino với mạch in hàn Răm cắm cho mạch in Gắn cốđịnh Loa , nút bấm board mạch vào hộp kết nối dây cáp với răm 37 Hình 2Kết nối Board Arduino với mạch In Bước 3: Lắp ráp hộp hoàn chỉnh cho mạch cảm biến siêu âm hình 38 Hình 3Lắp ráp hoàn chỉnh Bước 4: Cài đặt Code chạy thử nghiệm Thiết lập chiều cao bình chứa Hình 4Thiết lập chiều cao bình chứa 39 Bước 5: Hiển thị khoảng cách mực nước bình chứa với cảm biến siêu âm Hình 5Chạy Thử nghiệm cảm biến lên LCD Bước 6: Khi mực nước mức quy định cho phép hệ thống báo động cách Loa Led kêu 40 Hình 6Xuống khoảng cách cho phép LED sáng Loa kêu KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, tham khảo nhiều tài liệu hướng dẫn thầy Việc hồn thành đề tài với nội dung mục tiêu đề ban đầu đem lại cho sinh viên lượng kiến thức bổ ích, thiết thực có khả ứng dụng thực tế Sau thời gian thực đồ án, sinh viên hoàn thành công việc sau : - Xây dựng, thiết kế thi cơng mơ hình bồn nước - Tìm hiểu vàthiết kế mạch cảm biến SRF04 - Lập trình giao diện giao tiếp Arduino với máy tính - Thiết kế hồn chỉnh hệ thống đo mực chất lỏng bình chứa Tuy nhiên mơ hình cịn số mặt hạn chế hoạt động Mực nước bơm vào bể tạo gợn sóng Vì vậy, mạch đo cần có phương pháp kiểm tra nhiều lần tính tốn trung bình để đưa điều kiện điều khiển relay động tốt hơn, tránh trường hợp relay điều khiển đóng ngắt liên tục, nhảy chế độ làm hại đến contactor đặc biệt động 41 Hướng phát triền : Đề tài ‘‘Nghiên cứu, thiết kế đo mực chất lỏng bình chứa ’’được thực mơ hình thí nghiệm Để đưa đề tài vào áp dụng thực tiễn đời sống sản xuất cần phải nâng cấp mở rộng hệ thống Chẳng hạn, bồn chứa chất lỏng cỡ lớn, cấu bơm, xả lớn với tần suất liên tục cần phải nâng cấp hệ thống bơm cho phù hợp, thay cảm biến siêu âm có tầm đo lớn Hệ thống đáp ứng yêu cầu điều khiển ổn định mực chất lỏng chưa đáp ứng điều khiển ổn định mực nước theo thời gian yêu cầu Do đó, tương lai, kết hợp với phương pháp, thuật toán… để hệ thống đáp ứng ổn định mức theo thời gian mong muốn Ngoài ra, dựa vào ứng dụng tầm khả hoạt động , phát triển thành đề tài khác hệ thống ổn định lò nhiệt, hệ thống ổn định áp suất 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lập Trình Điều Khiển Với Arduino , Phạm Quang Huy - Lê Cảnh Trung, Nhà Xuất Bản Khoa học & kỹ thuật Cơ điện tử, Nhà Xuất Bản Khoa học & kỹ thuật ,2008 123doc-do-muc-nuoc-dung-cam-bien-sieu-am-va-dieu-khien-may-bomnuoc http://codientu.org/ http://arduino.vn/ PHỤ LỤC Chương trình điều khiển arduino đo mực chất lỏng cảm biến siêu âm //#include #include #include int buzzer=12; //int led=13; int sound=2500; int H; // chieu cao ho unsigned char f; // biến hàm yes or no const int trig = 8; // chân trig HC-SR04 const int echo = 7; // chân echo HC-SR04 LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); // RTC_DS1307 RTC; void force_settings() { delay(200); while (digitalRead(5)==HIGH) { if (digitalRead(6)==LOW) { delay(100); if ((H>=0)&(H0)&(H