BÁO CÁO đề TÀI BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH MỰC CHẤT LỎNG

Ngày: 24/07/2021 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỀ TÀI BÀI TẬP LỚN MÔN ĐIỆN TỬ ỨNG DỤNG: HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH MỰC CHẤT LỎNG Giáo viên hướng dẫn: thầy Nguyễn Trung Hiếu Nhóm sinh viên thực hiện: Ngơ Minh Châu – 1810842 Ngô Thành Long – 1812888 Trương Nguyễn Nhật Nam – 1813176 Trần Gia Tuấn – 1811314 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU III DANH MỤC HÌNH ẢNH IV DANH MỤC BẢNG BIỂU .V CHƯƠNG 1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI BÀI TẬP LỚN ĐẶC TẢ HỆ THỐNG 1.1.1 Yêu cầu sản phẩm (xong) .1 1.1.2 Đặc điểm thiết kế 1.1.3 Đặc điểm phần cứng .9 1.1.4 Đặc điểm phần mềm (xong) 10 1.2 CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG .15 1.2.1 Ràng buộc hệ thống 15 1.2.2 Chức 15 1.2.3 Đáp ứng real-time .16 1.2.4 Đồng hệ thống 16 1.3 KẾ HOẠCH DỰ ÁN 17 CHƯƠNG 2.1 THIẾT KẾ & MÔ PHỎNG 18 PHẦN CỨNG 18 2.1.1 Sơ đồ mạch 18 2.1.2 Tính tốn thông số mạch .18 2.2 PHẦN MỀM .20 2.2.1 Lưu đồ giải thuật 20 2.2.2 Giải thích giải thuật .21 2.2.3 Giải thích giải thuật (Tứn ghi) 21 CHƯƠNG Mô .23 Kết luận 24 LỜI MỞ ĐẦU Nội dung báo cáo tập lớn chúng em gồm chương:  Chương 1: Giới thiệu đề tài tập lớn  Chương 2: Thiết kế phần cứng phần mềm  Chương 3: Mô Trong thời gian làm thiết kế tập lớn, giúp đỡ bảo tận tình thầy Nguyễn Trung Hiếu với giúp đỡ bạn bè Do lực hạn chế nên tập lớn chúng em không tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận bảo thêm thầy bạn bè để thiết kế chúng em hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Sơ đồ chân UNO R3 Hình 1-2 Phao điện từ .4 Hình 1-3 Van điện từ 24V DC Hình 1-4 Sơ đồ khối hệ thống Hình 1-5 Mô tả khối Hình 1-6 Sơ đồ kết nối hệ thống .9 Hình 2-1 Sơ đồ mạch nguyên lý .18 Hình 2-2 Lưu đồ giải thuật 20 Hình 3-1 Schematic hệ thống 23 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Một vài thông số Arduino UNO R3 Bảng 1-2 Thông số kỹ thuật phao điện từ Bảng 1-3 Thông số kỹ thuật van điện từ .5 Bảng 1-4 Phân chia cứng – mềm Bảng 1-5 Kế hoạch dự án 17 CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI BÀI TẬP LỚN 1.1 ĐẶC TẢ HỆ THỐNG 1.1.1 Yêu cầu sản phẩm  Tên: Hệ thống bơm nước tự động  Mục đích: Bơm nước tự động hết, dừng bơm đầy xả nước cần thiết  Ngõ vào ngõ ra: + Ngõ vào: Tín hiệu phản hồi từ cảm biến phao, công tắc chuyển trạng thái bơm/xả nút cấu hình độ cao cảm biến phao + Ngõ ra: Tín hiệu truyền đến van bơm/xả động  Các trường hợp sử dụng: + Nạp chương trình vào Arduino thơng qua Laptop + Chương trình bắt đầu chạy kiểm tra cảm biến phao, công tắc bơm/xả nút nhấn với việc hiển thị chức sử dụng LCD + Khởi động bơm/xả nhận giá trị phản hồi từ cảm biến trạng thái công tắc bơm/xả Mực nước vật chứa bơm xả đến vị trí cảm biến phao + Hệ thống tự động thực việc trì mực chất lỏng bồn chứa đến mực nước cấu hình  Chức năng: + Nhận tín hiệu vào từ cảm biến phao, công tắc nút để đưa chuỗi liệu kích hoạt xử lý vi điều khiển + Thông qua ngõ vào, hệ thống đưa phương thức xử lý phù hợp cho van bơm/xả Các phương thức xử lý bao gồm tiến hành bơm/xả nước dừng bơm/xả nước  Hiệu suất: Độ trễ cho phép khoảng 0.5 ~ s Mực nước chênh lệch ước đoán giới hạn 1cm  Nguồn: 220VAC qua biến đổi 1.1.2 Đặc điểm thiết kế 1.1.2.1 Nguyên lý hoạt động - Nguồn: Khối nguồn cung cấp cho các khối khác, sử dụng mạch nguồn để biến đổi nguồn 220V AC thành nguồn 24V, 9V 5V DC thông qua mạch chỉnh lưu ổn áp ngõ - Computer: Máy tính, sử dụng để nạp chương trình vào bô ̣ nhớ chương trình của Arduino thông qua Arduino IDE - Micro-controller: Khối xử lý là Arduino Uno R3, vi điều khiển Atmega328 họ 8bit, có 14 chân digital I/O và chân analog đô ̣ phân giải 10bit, bô ̣ nhớ flash 32KB, SPRAM 2KB, EEPROM 1KB Hình 1.1 Sơ đồ chân UNO R3 (nguồn ảnh: pcboard.ca) Bảng 1-1 Một vài thông số Arduino UNO R3 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 SRAM KB (ATmega328) EEPROM KB (ATmega328)  Arduino sử dụng nguồn ni 9V, lấy từ khối nguồn lấy trực tiếp từ máy tính nạp chương trình  Cảm biến: sử dụng cảm biến phao Cảm biến hở ngập nước đóng nước cạn Đối với công tắc trạng thái bơm, Arduino điều khiển relay mở van bơm cảm biến phao đóng (phao ngồi nước) tắt van bơm cảm biến phao hở (phao nước) Đối với công tắc trạng thái xả, Arduino điều khiển relay mở van xả cảm biến phao hở (phao nước) tắt van xả cảm biến phao đóng (phao ngồi nước) Hình 1.2 Phao điện từ (nguồn ảnh: htpro.vn) Bảng 1-2 Thông số kỹ thuật phao điện từ Chiều dài cảm biến Chất liệu Điện áp hoạt động Dòng tiêu thụ Công suất Áp suất hoạt động Nhiệt độ môi trường hoạt động 52mm Nhựa PP – 110 VDC/AC 0.5 – A 10 W < 0.6 mpa -30 – 125 ºC  Van điện từ DC dùng nguồn 24V hoạt động kích hoạt rờ-le với tín hiệu điều khiển đóng ngắt từ vi điều khiển 2.1.3.3 Kết thiết kế hệ thống bơm/xả Vì khơng thể đánh giá mơ hệ thống bơm/xả độc lập nên nhóm đánh giá phần với phần giao diện người dùng 2.1.4 Thiết kế giao diện người dùng 2.1.4.1 Yêu cầu thiết kế - Đầu vào: nguồn áp 5V, tín hiệu điều khiển LCD - Đầu ra:  Giá trị độ cao phao tương ứng với nút nhấn  Các thông số thể LCD 2.1.4.2 Thực thiết kế Trong Proteus, nhóm sử dụng LCD có khả chỉnh độ sáng hình giao tiếp với Arduino thơng qua chuẩn I2C để tối ưu hóa số chân cần dùng Những chân cịn lại, nhóm sử dụng để đọc giá trị độ cao mà người dùng muốn cấu hình cho phao Tại đây, chúng em chống rung nút tụ 22nF điện trở 10K Các nút chúng em sử dụng với giá trị sau: 0.5 cm, cm 50cm 2.1.4.3 Kết thiết kế giao diện người dùng Kết giao diện người dùng với hệ thống bơm/xả nước kiểm tra mô chương trình Proteus Tổng thể hệ thống bơm/xả cấu hình hệ thống đạt đầy đủ yêu cầu Các giá trị đầu có sai số từ 1-2% sai số góc quay Motor Ngoài ra, hệ thống đáp ứng nhanh (chậm 10mA) cho lần cập nhật trạng thái chuyển mạch đột ngột 2.1.5 Layout mạch in hệ thống Bước thiết kế hệ thống sau hoàn tất sơ đồ mạch thực vẽ layout cho mạch, tạo mạch in để thực thi hệ thống thực tiễn Đối với hệ thống có sử dụng board Arduino, nhóm thiết kế phần mạch sử dụng dây nối kết nối Arduino với rào bao gồm tín hiệu cần kết nối Kit Arduino thiết kế nằm phía phần mạch in thơng qua phần đế nhựa nâng trụ lục giác Vị trí trụ thể mạch vịng trịn màu đỏ Kích thước đường mạch kết nối tín hiệu điều khiển vẽ mạch in sử dụng 30th, kích thước đường mạch nguồn 50th để chịu cơng suất cao Hình 2.8 Layout hệ thống Khối nguồn Đối với nguồn Vin từ nguồn 220AC, thiết kế sử dụng khối Terminal Block hai ngõ vào để kết nối với nguồn Đồng thời, khối biến áp thể không gian vừa đủ cho máy biến áp cỡ nhỏ hai Terminal Block hai ngõ vào vị trí kết nối với cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp Nguồn 9V sử dụng để cấp cho Arduino, thiết kế sử dụng khối Terminal Block khác cho nguồn để kết nối nguồn với đầu nối thùng board Arduino thông qua jack DC trịn Vị trí block lấy nguồn 9V Các đèn led D1 D2 D3 khối nguồn đưa vào để theo dõi hoạt động nguồn 24V, 9V 5V cấp từ nguồn thơng qua tình trạng sáng hay tắt led Relay van điều khiển Các van điều khiển mực chất lỏng (van xả Lower van bơm Upper) kết nối với Terminal Block Upper Lower điều khiển hoạt động thông qua relay đóng cắt R1 R2 Các van kết nối với led D7 D8 để kiểm tra van có hoạt động hay khơng Vị trí van layout sau: LCD nút nhấn LCD hàn trực tiếp rào đực vào sau cắm vào rào hàn vào mạch Trong layout thể rõ vị trí rào kết nối với LCD Các nút nhấn thiết kế bên cạnh LCD để thuận tiện cho trình sử dụng Vì mục đích thẩm mỹ, tụ trở làm nhiệm vụ chống rung cho nút thiết kế layout nằm bên LCD Phía nút nhấn switch thiết kế để cài đặt chế độ bơm hay xả Bên cạnh LCD biến trở sử dụng để tùy chỉnh độ sáng cho LCD 2.2 PHẦN MỀM 2.2.1 Lưu đồ giải thuật A Khởi động Switch Xả Switch? Bơm Nút nhấn Nút nhấn Quy đổi (+0.5, +5, +50) Quy đổi (-0.5, -5, -50) Hiển thị LCD Hiển thị LCD Điều khiển Servo Điều khiển Servo Khơng nước Khơng nước Sensor? Sensor? Có nước Có nước Đóng van Mở van Mở van A Hình 2.9 Lưu đồ giải thuật Đóng van 2.2.2 Giải thích giải thuật  Cấp nguồn khởi động hệ thống, hệ thống khởi động phần tử LCD, Servo Xóa liệu lần sử dụng trước có, giá trị độ cao hiển thị LCD lúc góc quay Servo tương ứng (có thể có sai số ± 1) Vị trí treo cảm biến nằm đỉnh bể chứa, độ cao cài đặt khoảng cách so với đỉnh (VD: muốn bơm đến mực nước 1m bể độ cao cài đặt tương ứng 200)  Hệ thống nhận diện trạng thái switch, switch tích cực cao bơm, tích cực thấp xả  Hệ thống nhận diện tiếp giá trị nút nhấn ứng với trạng thái, có nút nhấn với mức độ thay đổi sau: + Nút 1: lần nhấn thay đổi 0.5 cm + Nút 2: lần nhấn thay đổi cm + Nút 3: lần nhấn thay đổi 50 cm + Trạng thái nạp: lần nhấn cộng vào giá trị trước đó, vượt 300 quay lại + Trạng thái xả: lần nhấn trừ vào giá trị trước đó, vượt quay lại 300  Sau hoàn tất việc nhấn nút, hệ thống cập nhật hiển thị trạng thái độ cao treo cảm biến lên LCD  Tiếp đó, hệ thống điều khiển động Servo quay góc tương ứng với độ cao này, sai số động tầm ±5  Khi Servo cài đặt xong, hệ thống chờ nhận giá trị cảm biến, tùy trạng thái bơm/xả phản hồi từ cảm biến, hệ thống đóng ngắt van điện từ tương ứng: + Trạng thái bơm, cảm biến kín (khơng có nước): mở van cao (dẫn nước từ bồn cao xuống) + Trạng thái bơm, cảm biến hở (có nước): đóng van cao (ngưng dẫn nước) + Trạng thái xả, cảm biến hở: mở van thấp (xả nước xuống bồn thấp) + Trạng thái xả, cảm biến kín: đóng van thấp (ngưng xả nước)  Trong q trình nạp xả nước, chuyển đổi chế độ, hệ thống thực ngắt chế độ cũ nhảy sang chế độ (VD: nạp tắt switch chuyển qua xả, hệ thống đóng van bơm điều khiển van xả) CHƯƠNG MƠ PHỎNG HỆ THỐNG Để đánh giá tính hoạt động hệ thống có khả đáp ứng yêu cầu sản phẩm hay không, cần phải thực mô hệ thống sau kiểm nghiệm chức khối riêng biệt Hình 3.10 Schematic hệ thống 3.1 CÁC TRƯỜNG HỢP MƠ PHỎNG Để có nhìn trực quan hệ thống nhóm chúng em xin phân chia tiến trình mơ thành trường hợp sau: - Khi công tắc trạng thái bơm, phao độ cao 3m (độ sâu 0m) không chạm nước: Van bơm nước kích hoạt theo yêu cầu - Khi công tắc trạng thái bơm, phao độ cao 2,75m (độ sâu 0,25m) chạm nước: Van bơm nước khơng kích hoạt theo yêu cầu - Khi công tắc trạng thái xả, phao độ cao 1,80m (độ sâu 1,2m) khơng chạm nước: Van xả nước khơng kích hoạt theo yêu cầu - Khi công tắc trạng thái xả, phao độ cao 0,9m (độ sâu 2,1m) chạm nước: Van xả kích hoạt theo yêu cầu 3.2 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KẾT LUẬN Về bản, hệ thống chúng em đáp ứng số yêu cầu đặt ra:  Hệ thống nhận diện tín hiệu từ cảm biến  Hệ thống điều khiển relay  Bộ nguồn cung cấp điện áp DC Tuy nhiên, hệ thống chưa thực vận hành mong đợi Do trình độ chun mơn chưa đủ nên hệ thống chúng em số lỗi:  Bộ nguồn chưa ổn định, biến đổi số giá trị điện áp định  Hệ thống chưa thể nhận diện trạng thái cảm biến tức mà bị trễ khoảng vài trăm mili giây  Động servo xuất sai số khơng mong muốn khó điều khiển độ chia nhỏ ... 220V AC thành nguồn 24V, 9V 5V DC thông qua mạch chỉnh lưu ổn áp ngõ - Computer: Máy tính, sử dụng để nạp chương trình vào bô ̣ nhớ chương trình của Arduino thông qua Arduino IDE - Micro-controller: