Đo khoảng cách sử dụng cảm biến siêu âm SRF05 xuất lên LCD dùng vi điều khiển 8051, cụ thể là AT89S52Báo cáo trình bày cụ thể từ thiết kế mạch nguồn, thiết kế phần cứng, thiết kế phần mềm.Thiết kế phần cứng bao gồm thiết kế mạch nguyên lý, thiết kế mạch in, giải thích lý do chọn các thành phần.Thiết kế phần mềm có lưu đồ thuật toán và code assembly chi tiết
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VIỆN - - ĐỒ ÁN I ĐO MỨC SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM Giảng viên hướng dẫn: Nhóm sinh viên thực hiện: STT Họ tên Hà Nội, 6/2021 MSSV MỞ ĐẦU Ngày nay, thiết bị điện tử trở nên quen thuộc lĩnh vực sống Chúng ưu tiên sử dụng nhờ tính ổn định, linh hoạt chun mơn hóa cao, đặc biệt loại vi điều khiển, cảm biến Chính vậy, yêu cầu tìm hiểu, khảo sát hệ vi điều khiển, cảm biến cần thiết cấp bách sinh viên ngành điện, đề tài thực để đáp ứng yêu cầu Nhận thấy nhu cầu đo khoảng cách cách chích xác thiết yếu sống, chúng em định chọn đề tài “Đo mức nước sử dụng cảm biến siêu âm” Cụ thể, nhóm em sử dụng cảm biến đo khoảng cách siêu âm SRF-05 vi điều khiển AT89S52 để thị số đo lên LCD 1602 với mã nguồn hợp ngữ (Assembly) Phục vụ q trình làm việc, nhóm em sử dụng phần mềm mơ Proteus, chương trình biên dịch mơ hợp ngữ Keil uVision5 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án gồm chương: Tổng quan đề tài; Thiết kế thi công; Mô kết quả; Kết luận Chương giới thiệu phương pháp đo mức, lý chọn cảm biến siêu âm cụ thể vào hoạt động cảm biến SRF-05 Quá trình thiết kế, xây dựng phần cứng, phần mềm đồ án trình bày cụ thể chương Qua q trình thiết kế thi cơng, kết thu phần cứng phần mềm tổng kết chương Chương cuối chương đúc kết lại q trình hồn thiện đồ án phương hướng tiếp tục phát triển MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan phương phép đo mức nước 1.1.1 Đo mức chất lỏng phao tuyến tính 1.1.2 Đo mức chất lỏng dạng quang 1.1.3 Đo mức chất lỏng cảm biến điện dung 1.1.4 Đo mức chất lỏng cảm biến siêu âm radar 1.1.5 Cảm biến đo mức sơng hồ dạng thủy tĩnh (thả chìm) 1.1.6 Đo mức chất lỏng sóng siêu âm 1.2 Lý chọn cảm biến sóng siêu âm 1.3 Cảm biến siêu âm SRF-05 1.3.1 Thông số kỹ thuật 1.3.2 Các đầu vào/ra cảm biến 1.3.3 Các chế độ hoạt động SRF-05 1.3.4 Hoạt động phát nhận phản hồi sóng âm SRF-05 10 CHƯƠNG THIẾT KẾ THI CÔNG 11 2.1 Thiết kế phần cứng 11 2.1.1 Khối nguồn 11 2.1.2 Khối điều khiển 12 2.1.3 Khối cảm biến 17 2.1.4 Khối hiển thị 18 2.1.5 Mạch nguyên lý hệ thống 22 2.1.6 Thiết kế mạch in 23 2.2 Thiết kế phần mềm 25 2.2.1 Lưu đồ thuật toán 25 2.2.2 Phần khởi tạo 26 2.2.3 Phần nhận tín hiệu đo 29 2.2.4 Phần xử lý tín hiệu đo 30 2.2.5 Phần hiển thị kết 34 2.2.6 Kiểm tra 36 2.2.7 Trường hợp vật khoảng đo 36 2.2.8 Tổng kết phần mềm 38 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 40 3.1 Mô 40 3.2 Kết 42 CHƯƠNG KẾT LUẬN 47 4.1 Kết luận 47 4.2 Hướng phát triển đồ án 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC 50 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan phương phép đo mức nước Vấn đề giám sát chất lỏng nhà máy công nghiệp hay đo mức nước sông hồ biển trạm thủy điện, khu vực thủy văn ln có nhiều phương pháp khác như: • Đo mức chất lỏng phao tuyến tính • Phương pháp đo mức axit, hóa chất, dầu dạng quang • Đo mức chất lỏng cảm biến điện dung • Phương pháp đo mức chất lỏng sóng siêu âm • Phương pháp đo mức chất lỏng sóng radar • Sử dụng cảm biến áp suất để đo mức chất lỏng • Cảm biến đo mức sơng hồ dạng thủy tĩnh (thả chìm) Sau giới thiệu chung vài thiết bị đo mức sử dụng phổ biến nhà máy 1.1.1 Đo mức chất lỏng phao tuyến tính Đây loại cảm biến đo mức nước, chất lỏng có chức nhận biết kiểm sốt tồn mức nước Tín hiệu loại tín hiệu 4-20mA Cấu tạo phần thân cảm biến làm từ nhiều chất liệu khác inox, PVC, PP,… Hình 1.1 Phao cảm biến đo mức chất lỏng Tùy theo trường hợp, môi trường, nhiệt độ khác mà chọn lựa loại cảm biến mực nước phù hợp Ngoài ra, ưu điểm cảm biến hoạt động tốt phạm vi nhỏ hẹp chịu nhiệt độ cao 1.1.2 Đo mức chất lỏng dạng quang Đây phương pháp thường dùng mơi trường dầu, hóa chất axit đặc tính phần đầu dị làm nhựa nên tránh bị ăn mịn tránh bị bám dính Ngun lý hoạt động phương pháp chất lỏng dính vào đầu cảm biến xuất tín hiệu PNP để điều báo động điều khiển thiết bị khác Với cấu tạo có ren kết nối, loại gắn trực tiếp vào thành bồn theo phương thẳng đứng nằm ngang Hình 1.2 Cảm biến dạng quang Tuy nhiên, cảm biến dạng quang gần khơng dùng độ tin cậy khơng cao mà hầu hết theo cảm biến điện dung siêu âm 1.1.3 Đo mức chất lỏng cảm biến điện dung Cảm biến điện dung loại cảm biến kết cấu dạng que điện cực dài, cắm trực tiếp vào chất lỏng cần đo Khi gắn, ta thường gắn lần que vị trí cao thấp để báo đầy/báo cạn Thông thường, loại cảm biến dùng để điều khiển bơm (khi bể đầy tắt bơm, bể cạn mở bơm) Hình 1.3 Cảm biến điện dung đo mức chất lỏng Loại cảm biến đo mức chất lỏng cịn đo chất rắn, xi măng, hạt nhựa,… bồn chứa với độ xác cao Ưu điểm: • Độ xác cao, dễ lắp đặt • Chịu nhiệt độ áp suất cao • Lắp đặt đơn giản, cần thiết kế ren gắn vào thành bồn chứa • Dùng nhiều môi trường: xăng, dầu, chất rắn, nước,… Nhược điểm: dạng que dị điện cực nên chiều dài tối đa que dò 2m Ngồi ra, điện dung có loại dây cáp nối dài đo tối đa 40m với độ xác cao 1.1.4 Đo mức chất lỏng cảm biến siêu âm radar Đây phương pháp coi hoàn mỹ phương pháp đo mức chất lỏng Dịng cảm biến có phương pháp đo nguyên lý hoạt động tương tự dòng cảm biến siêu âm Tuy nhiên, loại cảm biến sử dụng sóng radar thay sóng siêu âm Hình 1.4 Cảm biến radar đo mức chất lỏng, chất rắn, xi măng Ngoài đo mức chất lỏng, cảm biến đo mức sóng radar cịn đo liên tục mức chất rắn, hạt nhựa, xi măng, thức ăn gia súc, gạo, cám,… với độ xác cao, sai số 1mm toàn dải đo Về nguyên lý hoạt động, cảm biến đo mức sử dụng sóng radar hoạt động dựa việc phát sóng/phản xạ sóng tương tự cảm biến siêu âm Tuy nhiên, điểm khác biệt sóng radar phát dọc theo que cảm biến nên đảm bảo độ xác cao Ưu điểm: • Đo khơng cần tiếp xúc, độ cao cao (sai số 1mm tồn dải đo) • Có thể thay đổi khoảng cách đo trực tiếp đầu cảm biến • Có thể chịu nhiệt độ áp suất cao • Đo nhiều ứng dụng khác nhau: đo dầu, đo xăng, đo xi măng, đo hạt nhựa… Nhược điểm: điểm hạn chế dòng cảm biến đo mức giá thành sản phẩm Loại cảm biến có giá thành cao phương pháp đo mức chất lỏng đề cập 1.1.5 Cảm biến đo mức sông hồ dạng thủy tĩnh (thả chìm) Cảm biến dạng thủy tĩnh thường dùng nhiều ứng dụng đo nước sông, hồ đo mức nước hồ thủy điện Ưu điểm: loại cảm biến có cách sử dụng đơn giản, cần chọn mức cần đo phù hợp cho cảm biến, sau thả chìm xuống đối tượng cần đo Nhược điểm: cài đặt khoảng cách đo phải chọn xác dải đo Hình 1.5 Cảm biến đo mức dạng thủy tĩnh (thả chìm) 1.1.6 Đo mức chất lỏng sóng siêu âm Sử dụng phương pháp đo mức chất lỏng mà không cần tiếp xúc, loại cảm biến cho an tồn để đo mơi trường có nguy cháy nổ cao, chẳng hạn đo mức xăng dầu Tuy nhiên, khơng phương pháp đo mức khơng tiếp xúc mà làm giảm độ xác, cảm biến siêu âm có độ xác cao sai số 0,15% toàn dải đo Chính thế, dịng cảm biến đo mức siêu âm thường dùng ứng dụng đo mức xăng, dầu - mơi trường địi hỏi độ xác an tồn tuyệt đối Hình 1.6 Cảm biến siêu âm đo mức có hiển thị Dinel ULM-70 Nguyên lý hoạt động dòng cảm biến gắn nắp bồn chứa, phận phát sóng siêu âm phát chùm sóng xuống bề mặt chất lỏng với góc 10 độ Chùm sóng sau gặp bề mặt chất lỏng phản xạ lại cảm biến Lúc cảm biến đóng vai trị thu sóng Sau sóng siêu âm thu lại, phận xử lý cảm biến tính tốn khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt chất lỏng dựa vận tốc sóng siêu âm thời gian sóng phản xạ lại Lấy chiều cao bồn chứa trừ khoảng cách này, cảm biến tính chiều cao mức chất lỏng bồn Ưu điểm: • Phương pháp đo khơng tiếp xúc mà đảm bảo độ xác cao với sai số 0,15% • Cảm biến có hình hiển thị rõ ràng, giúp quan sát mức chất lỏng tốt • Tín hiệu output 4-20mA / 0-10V / Modbus RTU • Có thể thay đổi khoảng cách dễ dàng cách chỉnh trực tiếp hình Nhược điểm: bên cạnh ưu điểm dịng cảm biến cịn có số nhược điểm sau: Hình 3.3 Khi vật nằm ngồi khoảng đo, LCD hiển thị thơng báo: Hình 3.4 Khi đưa vật trở lại khoảng đo, LCD tiếp tục hiển thị giá trị đo bấm nút Hình 3.5 41 Qua kết trên, thấy phần mềm hoạt động hiệu quả, yêu cầu lập trình 3.2 Kết Dựa theo mạch nguyên lý, nhóm em xây dựng khối breadboard theo hình sau: Hình 3.6 Sản phẩm breadboard Hình 3.7 Cảm biến SRF-05 Cảm biến có chân kết nối Từ xuống chân GND, Out, Echo, Trig VCC Trong chân Out để hở mạch cảm biến hoạt động chế độ phát sóng thu sóng chân khác 42 Hình 3.8 Khối nguồn khối điều khiển Khối nguồn sử dụng IC ổn áp LM7805 cấp điện qua Jack DC 5.5mm từ adapter 9V/1A Thêm vào đó, khối cịn có đèn LED bên phải kết nối với nguồn 5V qua trở 1k Ohm để hiển thị trạng thái nguồn Khối điều khiển với thành phần vi điều khiển AT89S52 đáp ứng đầy đủ điều kiện để hoạt động gồm mạch dao động thạch anh; mạch reset có nút bấm để kích hoạt; chân VCC, 𝐸𝐴 GND nối lên nguồn 5V xuống 0V tương ứng Hình 3.9 Khối hiển thị 43 Màn hình LCD kết nối chân tín hiệu điều khiển tương ứng với vi điều khiển Mạch hiển thị có biến trở 10k Ohm để điều chỉnh độ tương phản cho hình Ngoài ra, để đèn đủ tối để chụp được, chân A hình LCD nối tiếp qua trở 10k Ohm lên nguồn 5V Hình 3.10 Khoảng cách thị khoảng cách gần xác Với khoảng cách nhỏ 50cm giá trị đo dao động, nhiên tăng khoảng cách lên, giá trị lần đo có thay đổi nhỏ vật cản chưa cố định Hình 3.11 44 Hình 3.12 Độ xác sản phẩm kiểm chứng thước đo Hình 3.13 Khi để cảm biến phát sóng vào khơng gian trống phía trước, cảm biến hiển thị thơng báo vật nằm ngồi khoảng đo 45 Hình 3.14 Sau đưa vật vào phạm vi đo, cảm biến lại thị giá trị khoảng cách Như qua q trình thử nghiệm, thấy sản phẩm hoạt động theo yêu cầu đặt Bước thiết kế mạch in, đóng hộp để hồn thiện sản phẩm 46 CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Kết luận Sản phẩm làm đáp ứng nhu cầu đồ án tìm hiểu phương pháp đo mức sử dụng cảm biến siêu âm Kết thu có tính xác cao phạm vi gần độ xác giảm khoảng cách tăng Độ xác kết giảm có nhiều vật phản xạ đối tượng đo khơng trạng thái tĩnh hoàn toàn Điều thể cảm biến siêu âm loại cảm biến phù hợp cho việc đo dung dịch tĩnh, bị dao động không gian hoạt động không xa, không chịu ảnh hưởng nhiều từ nhiễu âm Sản phẩm làm phục vụ mục đích đo khoảng cách khả xử lý nhiễu hạn chế dẫn đến giá trị hiển thị khơng ổn định; ngồi chưa đáp ứng yêu cầu thực tế giao diện người dùng cần phù hợp hơn, thiết kế cần nhỏ gọn đóng gói hợp lý Qua đồ án này, nhóm em có thêm nhiều kiến thức phương pháp đo mức sử dụng cơng nghiệp nói chung hiểu rõ nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm SRF-05 nói riêng Ngồi ra, em hiểu thêm cách vận hành phần cứng phần mềm dòng vi điều khiển 8051 cách giao tiếp với hình LCD Đây kiến thức q em khơng thể có qua việc học lý thuyết Không kiến thức chuyên ngành, em học hỏi thêm cách đọc Datasheet, tìm kiếm chọn lọc tài liệu mạng sách; kỹ quan trọng kỹ viết trình bày báo, cịn nhiều thiếu sót em hiểu thêm nội dung bố cục báo cáo, xếp mục lục, trình bày hình ảnh, bảng, mã nguồn,… 4.2 Hướng phát triển đồ án Trong thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0 nay, thiết bị đo ngày trở nên thông minh tiện dụng Để đáp ứng nhu cầu thực tế ta cần phải nghiên cứu phương pháp truyền số liệu không dây từ cảm biến đến máy tính thiết bị di động Thêm vào đó, hướng nghiên cứu thêm khác tích hợp 47 khả phân tích liệu cho sản phẩm, lưu trữ, so sánh giá trị đo để từ máy in in báo cáo LỜI KẾT 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] I Scott MacKenzie, THE 8051 MICROCONTROLLER, Pearson Education, 2007 [2] Trietnguyen – SPKT,LCD HD44780 - Giao Tiếp Và Lập Trình Điều Khiển, VAGAM, 2010 49 PHỤ LỤC A1 Mã nguồn LCD E RW RS BF EQU BIT BIT BIT BIT TRIGGER ECHO BIT BIT P1.0 P1.1 PHAN_NGUYEN EQU PHAN_TPHAN EQU ORG P2 P3.5 P3.6 P3.7 P2.7 40H 41H 0X0000 JMP ORG MAIN 0X000B JMP ORG T0ISR 0X0030 MAIN: CLR SETB ECHO MOV SETB EA SETB ET0 TRIGGER TMOD,#01H SETB P1.3 CALL LCD_INITIAL START: SETB TRIGGER CALL DELAY_10us CLR TRIGGER JNB ECHO,$ ;Doi srf05 phat xung sieu am MOV TH0,#0C6H ;Khoi tao gia tri de co gioi han MOV TL0,#03BH ;cho xung Echo la 15 ms SETB TR0 JB ECHO,$ CLR TR0 JBC 17H,KIEMTRASAUNGAT ;trường hợp khoảng đo CALL CALCULATE CALL HEXTOBCD CALL BCDTOASCII CALL HIENTHIKQ CALL DELAYMS CALL DELAYMS KIEMTRASAUNGAT: CALL KIEM_TRA JMP START ;kiểm tra có đo tiếp khơng KIEM_TRA: 50 JNB CALL JNB JB RET P1.2,$ DELAYMS P1.2,$ P1.2,$ HIENTHIKQ: CALL HANG1 MOV A,#0C4H CALL CMD_LCD MOV R0,#50H TIEPTUC: MOV A,@R0 CALL WRT_LCD INC R0 CJNE R0,#53H,TIEPTUC MOV A,#'.' CALL WRT_LCD MOV A,53H CALL WRT_LCD MOV A,#'c' CALL WRT_LCD MOV A,#'m' CALL WRT_LCD RET /////////////////////////// //////////////////////////////////////////// HEXTOBCD: MOV R0,PHAN_NGUYEN CALL HEXTOBCD1 MOV R0,PHAN_TPHAN CALL HEXTOBCD2 RET //////////////////////////////////// BCDTOASCII: MOV R0,#50H TIEPTHEO: MOV A,@R0 ADD A,#30H MOV @R0,A INC R0 CJNE R0,#54H,TIEPTHEO RET ////////////////////////////////////////////// HEXTOBCD1: MOV A,R0 MOV B,#10 DIV AB MOV 52H,B MOV DIV MOV B,#10 AB 51H,B MOV DIV MOV RET B,#10 AB 50H,B HEXTOBCD2: 51 MOV A,R0 MOV B,#10 DIV AB MOV 53H,B RET ////////////////////////////////////////// /////////////////////////////////// CALCULATE: CALL TIME_CAL CALL DIVIDE_58 MOV PHAN_NGUYEN,R3 CALL THAP_PHAN MOV PHAN_TPHAN,R3 RET //////////////////////////////////// ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; LCD_INITIAL: CALL DELAYMS MOV LCD,#38H ;;8 BIT, HANG, 5X8 CLR RS CLR RW SETB E CLR E MOV CALL A,#38H CMD_LCD MOV A,#0CH ;HIEN THI MAN HINH, K HIEN THI CON TRO CALL CMD_LCD MOV A,#01H ;XOA MAN HINH CALL CMD_LCD MOV A,#06H ;Tang tro va AC nhung CALL CMD_LCD ;noi dung k dich chuyen ghi DDRAM RET //////////////////////////////// ;;;;DELAY de khoi tao LCD //////////////////// DELAYMS: MOV R3,#150 WAIT: MOV R4,#200 DJNZ R4,$ DJNZ R3,WAIT RET ///////////////////////////////// ;;;;VIET/LENH LCD ///////////////////////////// CMD_LCD: ;RA LENH CHO LCD CALL CHECK_BF CLR RS CLR RW JMP EXE WRT_LCD: CALL CHECK_BF SETB RS CLR RW EXE: MOV LCD,A SETB E ;VIET LEN MAN HINH 52 CLR E RET //////////////////////////// ;;;;;CHECK_BF ///////////////////////// CHECK_BF: CLR RS ;RS=0 SETB RW ;RW=1 SETB BF ;latch for read RECHECK: CLR E SETB E JB BF,recheck RET ///////////////////// ;;;HIEN THI HANG ///////////////////////// HANG1: MOV A,#80H CALL CMD_LCD MOV A,#'K' CALL WRT_LCD MOV A,#'H' CALL WRT_LCD MOV A,#'O' CALL WRT_LCD MOV A,#'A' CALL WRT_LCD MOV A,#'N' CALL WRT_LCD MOV A,#'G' CALL WRT_LCD MOV A,#' ' CALL WRT_LCD MOV A,#'C' CALL WRT_LCD MOV A,#'A' CALL WRT_LCD MOV A,#'C' CALL WRT_LCD MOV A,#'H' CALL WRT_LCD MOV A,#' ' CALL WRT_LCD MOV A,#'L' CALL WRT_LCD MOV A,#'A' CALL WRT_LCD MOV A,#20H CALL WRT_LCD RET ///////////////////////// //////////////// DELAY_10us: MOV R7,#5 DJNZ R7,$ RET //////////////////////////// 53 ;;;;HAM TINH TOAN ///////////// TIME_CAL: //C63B=50747 - TIMER0 INIT MOV R0,TH0 MOV R1,TL0 CLR C MOV A,R1 SUBB A,#034H MOV R1,A MOV A,R0 SUBB A,#0C6H MOV R0,A RET //////////////////// ;;CHIA CHO 58, RA THUONG VA PHAN_DU /////////////////// DIVIDE_58: ///CHIA RO-R1 CHO 58; KET QUA = R3; PHAN DU = R1 MOV R3,#0 CLR C SUB: MOV A,R1 SUBB A,#58 INC R3 MOV R1,A JNC SUB MOV A,R0 SUBB A,#00 MOV R0,A JNC SUB CJNE R1,#0,NEXT JMP CONT NEXT: MOV A,R1 ADD A,#58 MOV R1,A CONT: DEC R3 RET //////////////////// THAP_PHAN: MOV A,R1 MOV B,#10 MUL AB MOV R0,B MOV R1,A CALL DIVIDE_58 RET //////////////////////////// T0ISR: MOV CALL MOV CALL MOV CALL A,#80H CMD_LCD A,#'N' WRT_LCD A,#'G' WRT_LCD 54 MOV CALL MOV CALL MOV CALL MOV CALL MOV CALL MOV CALL MOV CALL MOV CALL MOV CALL MOV CALL MOV CALL MOV CALL MOV CALL A,#'O' WRT_LCD A,#'A' WRT_LCD A,#'I' WRT_LCD A,#' ' WRT_LCD A,#'K' WRT_LCD A,#'H' WRT_LCD A,#'O' WRT_LCD A,#'A' WRT_LCD A,#'N' WRT_LCD A,#'G' WRT_LCD A,#' ' WRT_LCD A,#'D' WRT_LCD A,#'O' WRT_LCD MOV A,#0C4H CALL CMD_LCD MOV R5,#7 LOOP_WRT: MOV A,#20H CALL WRT_LCD DJNZ R5,LOOP_WRT SETB CALL 17H DELAYMS ;Delay để cảm biến xác lập lại RETI END 55 ... khoảng cách siêu âm SRF-05 vi điều khiển AT89S52 để thị số đo lên LCD 1602 với mã nguồn hợp ngữ (Assembly) Phục vụ trình làm việc, nhóm em sử dụng phần mềm mơ Proteus, chương trình biên dịch mơ... Giản đồ xung chế độ Cảm biến kích sau 50 ms, 20 lần giây Nên chờ 50 ms trước kích hoạt kế tiếp, SRF05 phát đối tượng gần xung phản hồi ngắn Điều để đảm bảo sóng siêu âm bị triệt tiêu không gây... lại Để tính thời gian cho phản hồi trở về, ước tính xác làm khoảng cách tới đối tượng Xung âm tạo SRF05 siêu âm, nghĩa phạm vi nhận biết người Trong tần số thấp sử dụng loại ứng dụng, tần số cao