Đồ án đo lường và điều kiển đo mức chất lỏng bằng cảm biến siêu âm

Đồ án năm 3 sinh viên ngành cơ điện tử , khoa cơ khí HAUI. Đo mức chất lỏng sử dụng cảm biến siêu âm HCSR04, Full mô phỏng proteus, hướng dẫn lập trình arduino, bản thiết kế cơ khí trên inventor..... Khóa 14 Đại học công nghiệp Hà nội Đề cương các câu hỏi vấn đáp

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN Đề tài: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO MỨC CHẤT LỎNG TRONG BÌNH CHỨA BẰNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM Giáo viên hướng dẫn: Th.s Lưu Vũ Hải Sinh viên thực hiện: Lê Trung Kiên 2019605900 Trần Văn Kiên 2019605402 Trần Quang Nhật 2019604333 Lớp: Cơ điện tử Khoá: 14 Hà Nội – 2021 LỜI NĨI ĐẦU Ln với phát triển đất nước tiến không ngừng nghỉ khoa học kĩ thuật đại Đối với đất nước đà hội nhập phát triển để hướng đến cơng nghiệp hố-hiện đại hố Việt Nam cụm từ “tự động hố” số cụm từ nhắc đến nhiều năm gần Có thể nói Arduino đời tạo nên bước ngoặt với tự động hố cơng nghiệp Với Arduino bạn ứng dụng vào mạch đơn giản mạch cảm biến ánh sáng, mạch cảm biến âm hay mạch cảm biến mực chất lỏng Nhằm ứng dụng kiến thức trang bị trình học tập vào thực tế dựa sở môn học “Cảm biến hệ thống đo”, nhóm em lựa chọn đề tài “Xây dựng hệ thống đo mức chất lỏng bình chứa sử dụng cảm biến siêu âm” Nội dung hệ thống xử lý tín hiệu từ cảm biến siêu âm đo mức để điều khiển hoạt động hệ thống bơm ổn định mực chất lỏng bồn Hệ thống có khả ứng dụng rộng rãi hệ thống hệ thống chiết rót chai tự động, hệ thống pha trộn nguyên liệu chất lỏng, trạm chứa nước cung cấp cho sinh hoạt sản xuất Ngồi ra, cịn làm tảng để ứng dụng thuật toán điều khiển vào hệ thống khác hệ thống ổn định lò nhiệt, hệ thống ổn định lưu lượng đường ống dẫn chất lỏng… Đề tài hướng dẫn thầy Lưu Vũ Hải Mặc dù, q trình thực đồ án nhóm em cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt chắn không tránh khỏi thiếu sót, mong q thầy/cơ thơng cảm mong nhận ý kiến đóng góp từ q thầy/cơ Sinh viên thực Lê Trung Kiên Trần Văn Kiên Trần Quang Nhật MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung Khoa Âm học âm thanh, thời Pythagoras vào kỷ thứ trước cơng ngun, người viết tính chất toán học nhạc cụ dây Khả định vị dơi Lazzaro Spallanzani phát vào năm 1794, ông chứng minh dơi săn mồi di chuyển âm không nghe tầm nhìn Francis Galton vào năm 1893 phát minh cịi Galton, loại cịi điều chỉnh tạo sóng siêu âm, ơng dùng để đo phạm vi thính giác người động vật khác, chứng minh nhiều loài động vật nghe âm phạm vi thính giác người Ứng dụng công nghệ sóng siêu âm nỗ lực phát tàu ngầm Paul Langevin vào năm 1917 Một số nhà sản xuất cảm biến siêu âm phổ biến Maxbotix, MigatronCorp, PKP, KEYENCE… Hiện khoa học kĩ thuật ngày trọng vào phát triển ứng dụng khoa học kĩ thuật vào thực tiễn Nhằm mục đích đo vận tốc, đo chiều dài đo khoảng cách, nơi nguy hiểm mà người chưa thể đặt chân tới, cảm biến siêu âm cho đời Một cảm biến siêu âm sử dụng rộng rãi cảm biến HC-SR04.HC-SR04 có độ xác cao khoảng(2-300cm) giá thành rẻ Nhằm ứng dụng kiến thức trang bị trình học tập vào thực tế dựa sở môn học “Cảm biến hệ thống đo”, nhóm em lựa chọn đề tài “Xây dựng hệ thống đo mức chất lỏng bình chứa sử dụng cảm biến siêu âm” cảm biến HC-SR04 Hình 1: Sử dụng cảm biến siêu âm để đo mức nước bể chứa thủy điện Hình 2: Cảm biến siêu âm để đo mức nước mương 1.2 Các yêu cầu bản: -Hệ thống phù hợp với nhu cầu người tiêu dùng, doanh nghiệp -Giá thành hệ thống phù hợp kết cấu nhỏ gọn -Sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 kết hợp với mạch Arduino -Sai số trung bình khoảng 0,15% khoảng cách 2m trở lại -Hoạt động ổn định mơi trường có nhiệt độ từ 60°C trở xuống áp suất khoảng bar trở lại -Hiển thị LCD, LED Loa cảnh báo 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu a) Phương pháp - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động cảm biến HC-SR04 thông qua tài liệu internet -Tìm hiểu kĩ mạch điều khiển Arduino mô Proteus cách kết nối với máy tính -Tìm cơng thức tốn học để tính dung tích nước, lưu lượng máy bơm thông qua giá trị khoảng cách đo từ cảm biến - Đề xuất nghiên cứu linh kiện có mạch kinh kiện bảo vệ - Mô mạch ứng dụng Proteus - Dựa tham khảo vào mơ hình tham khảo Internet để cải tiến thiết kế mục đích sử dụng b) Phạm vi đề tài giới hạn nghiên - Ngoài ứng dụng để đo mức nước, cảm biến siêu âm dùng để đo mức chất lỏng khác như: dầu ăn, nước trái cây, … - Sử dụng cơng nghiệp hộ gia đình để phục vụ an tồn cho bình chứa, bể chứa hộ gia đình có cố tràn gây nguy hiểm 1.4 Ý nghĩa thực tiễn Có vai trị to lớn ngành cơng nghiệp nghiên cứu khoa học Đo lưu lượng có tầm quan trọng đặc biệt công nghiệp cần khống chế lượng chất lỏng tham gia vào trình lị phản ứng hóa học, nhà máy sản xuất xi măng, động đốt, … Bên cạnh sản phẩm phát triển thêm để ứng dụng vào để đo khoảng cách hay thăm dò nơi mà người chưa thể đặt chân đến CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống Khối hiển thị Khối cảm biến siêu âm Khối xử lí trung tâm Khối nguồn Khối nút nhấn led báo hiệu Khối điều khiển động DC Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.2.1 Phân tích lựa chọn cảm biến - Cảm biến siêu âm: Cảm biến siêu âm loại cảm biến có độ xác cao, nhận biết nguyên vật liệu Đo khoảng cách cảm biến siêu âm có nhiều cơng dụng mức độ sử dụng rộng rãi y học, công nghiệp, Sau trình tìm hiểu đánh giá loại cảm biến sử dụng để đo khoảng cách thị trường Nhóm thực chúng em lựa chọn sử dụng cảm biến siêu âm để thực đề tài ngun lý đáp ứng đầy đủ yêu cầu mà nhóm thực 2.2.2 Ưu điểm nhược điểm cảm biến siêu âm Ưu điểm: - Cảm biến siêu âm đo mức nước không tiếp xúc với môi chất cần đo: ưu điểm lớn cảm biến siêu âm Chính mà tuổi thọ cảm biến siêu âm bền nhiều so với loại cảm biến tiếp xúc trực tiếp - Thiết kế nhỏ gọn đạt chuẩn công nghiệp - Điều chỉnh khoảng cách khoảng cách mà cảm biến đo - Độ xác cao so với cảm biến điện dung - Thời gian đáp ứng nhanh - Giá thành cạnh tranh - Đo hầu hết loại chất rắn chất lỏng - Lắp đặt dễ dàng Nhược điểm: - Cảm biến siêu âm có điểm chết khơng đo nằm gần cảm biến - Khoảng cách lắp đặt với thành bồn phải có khoảng cách phù hợp với khoảng cách đo cảm biến - Khơng thể đo có vật cản phạm vi đo - Nhiệt độ max 80oC áp suất làm việc thấp max bar - Các trường hợp có bọt cảm biến khơng phân biệt - Để đo xác cần phải cài đặt lại theo khoảng cách đo 2.2.3 Cảm biến siêu âm HC-SR04 Cảm biến siêu âm HC-SR04 dạng cảm biến module Cảm biến thường mạch, hoạt động theo nguyên lý thu phát sóng siêu âm loa cao tần Cảm biến siêu âm HC-SR04 thường kết hợp với arduino, PIC, AVR, … để chạy số ứng dụng như: phát vật cản xe robot, đo khoảng cách vật, … Hình 2: Cảm biến siêu âm HC-SR04 Chính cảm biến siêu âm dạng module, ứng dụng hay độ xác cảm biến phụ thuộc vào phần code mà người sử dụng lập trình nạp vào mạch điều khiển 2.2.4 Cấu tạo cảm biến siêu âm Cấu tạo cảm biến HC-SR04 gồm phần: -Bộ phận phát sóng siêu âm: Cấu tạo đầu phát đầu thu siêu âm loa gốm đặc biệt, phát siêu âm có cường độ cao tần số thường 40kHz cho nhu cầu đo khoảng cách Hình 3: Mơ hoạt động đầu thu phát cảm biến siêu âm Về nguyên lý, loa cần có nguồn điện áp cao phát tốt Trên mạch công suất sử dụng IC MAX232 làm nhiệm vụ đệm IC lấy tín hiệu từ điều khiển, khuếch đại biên độ lên mức +/-30V cấp nguồn cho loa IC đóng ngắt qua transistor để hạn chế việc tiêu thụ dụng -Bộ phận thu sóng siêu âm phản xạ: Thiết bị thu dạng loa gốm có cấu tạo nhạy với tần số chẳng hạn 40KHz Qua loạt linh kiện OPAM TL072, transistor NPN… Tín hiệu liên tục khuếch đại biên độ cuối đưa qua so sánh, kết hợp với tín hiệu từ điều khiển để đưa điều khiển -Bộ phận xử lý, điều khiển tín hiệu Vi điều khiển (PIC16F688, PIC18F4520, 8051, …) sử dụng làm nhiệm vụ phát xung, xử lý tính tốn thời gian từ phát đến thu sóng siêu âm nhận tín hiệu TRIG 2.2.5 Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm Để đo khoảng cách cảm biến siêu âm HC-SR04, ta phát xung ngắn (5 microSeconds) từ chân Trig Tiếp theo, xung HIGH chân Echo 10 Hình 9: Nút nhấn - Thông số kỹ thuật: + Nút nhấn không giữ, sử dụng cho điều khiển mạch, reset + Có chân vng + Thường gọi nút nhấn rùa + Kích thước: H= 4.3 2.2.8.1 Module SN74LS11N Chức logic: Họ Logic: Số cực cổng: Số dòng đầu vào: Số lượng đường cửa Dòng đầu mức cao: AND LS Gate Input Output - 0.4 mA 18 Dòng đầu mức thấp: mA Thời gian trễ lan truyền: 15 ns Điện áp cấp nguồn - Tối đa: 5.25 V Điện áp cấp nguồn - Tối thiểu: 4.75 V Nhiệt độ làm việc tối đa + 70 C Chiều cao: 4.57 mm Loại đầu vào: TTL Chiều dài: 19.3 mm Số Bit: bit Dòng cấp nguồn vận hành: 3.6 uA Điện áp cấp vận hành: 5V Bảng 1: Thông số kĩ thuật Module SN74LS11N 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển Arduino Uno R3: Đây loại board đơn giản nên phù hợp với người bắt đầu Arduino Uno bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa vi điều khiển Microchip ATmega328 Bảng mạch trang bị chân đầu vào/ đầu Digital Analog giao tiếp với bảng mạch mở rộng khác Dữ liệu số bao gồm 14 chân, đầu vào gồm chân 5V, khả phân giải 1024 mức, tốc độ 16MHz, điện áp từ 7V đến 12V Kích thước Board 5,5x7cm =>> Trong trình tìm kiếm điều khiển để đáp ứng tốt nhu cầu mà nhóm em thực đề tài Chúng em nhận thấy ưu điểm vượt trội mà Arduino mang lại Lựa chọn mạch điều khiển Arduino lựa chọn tối ưu 19 Hình 10: Arduino Uno R3 2.4 Thiết kế mạch đo xử lí tín hiệu Hình 11: Mạch đo Lập trình để hệ thống thực cơng việc sau: -Với d khoảng cách từ mặt chất lỏng đến vị trí gắn cảm biến 20 + Khi d > d1 led xanh bật, hệ thống hoạt động bình thường + Khi d < d1 cm led vàng bật đồng thời led xanh tắt + Khi d < d2 cm led đỏ bật, led vàng led xanh tắt + Khi d < d3 cm loa bật để cảnh báo - Lập trình nút bấm: + Chọn giới hạn đo + Tắt còi báo 21 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG 3.1 Mơ hình hóa mơ hệ thống khí Hình 1: Bản vẽ thiết kế khí 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ thống điều khiển Mơ mạch phần mềm Proteus: Proteus phần mềm cho phép mô hoạt động mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết chương trình điều khiển cho họ vi điều khiển MCS 51, PIC, AVR, … Proteus phần mềm mô mạch điện tử Lancenter Electronics, mô cho hầu hết linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho MCU PIC, 8051, AVR, Motorola Phần mềm bao gồm chương trình: ISIS cho phép mô mạch ARES dùng để vẽ mạch in Proteus công cụ mô cho loại Vi Điều Khiển tốt, hỗ trợ 22 dạng VĐK PIC, 8051, PIC, AVR, HC11, MSP430, ARM7/LPC2000 giao tiếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethenet, cịn mơ mạch số, mạch tương tự cách hiệu Proteus công cụ chuyên mơ mạch điện tử Hình 2: Mạch mô đo mức nước Proteus 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 3.3.1 Lưu đồ thuật tốn 23 Hình 3: Lưu đồ thuật tốn 3.3.2 Chương trình điều khiển arduino: #include #include LiquidCrystal_I2C #define echoPin #define trigPin #define SDAPin A4 #define SCLPin A5 // #define led1Pin #define led2Pin 24 #define led3Pin #define buzzerPin boolean tat =0; int x=0; int d1=30; int d2=15; int d3=5; float distance; float duration; void tinh_khoang_cach() { digitalWrite(trigPin, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trigPin, HIGH) delayMicroseconds(10); digitalWrite(trigPin, LOW); duration = pulseIn(echoPin, HIGH); distance = (duration*0.034/2); } void ngat() { if( !digitalRead(13)) { tat =1; } } 25 void setup() { pinMode(trigPin, OUTPUT); pinMode(echoPin, INPUT); pinMode(10, INPUT_PULLUP); pinMode(11, INPUT_PULLUP); pinMode(12, INPUT_PULLUP); pinMode(13, INPUT_PULLUP); pinMode(led1Pin, OUTPUT); pinMode(led2Pin, OUTPUT); pinMode(led3Pin, OUTPUT); pinMode(buzzerPin, OUTPUT); pinMode(2, INPUT_PULLUP); pinMode(3, INPUT_PULLUP); lcd.init(); lcd.begin(16,2); lcd.backlight(); lcd.setCursor(3,0); lcd.print("Do an nhom"); lcd.setCursor(2,1); lcd.print("do muc nuoc bang cam bien sieu am"); delay(1500); lcd.clear(); attachInterrupt(0,ngat,FALLING); attachInterrupt(1,chon_gioi_han,FALLING); } 26 void chon_gioi_han () { delay(1000); if( !digitalRead(12)) { x=x+1; if (x>=4) { x=0; } } if( !digitalRead(10)) { if(x==1) d1=d1+1; if(x==2) d2=d2+1; if(x==3) d3=d3+1; } if( !digitalRead(11)) { if(x==1) d1=d1-1; if(x==2) d2=d2-1; if(x==3) d3=d3-1; } } void change() { 27 if(x!=0) { lcd.clear(); while (x==1) { lcd.print ("Gioi han d1: "); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print(d1); lcd.print("cm "); } lcd.clear(); while (x==2) { lcd.print ("Gioi han d2: "); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print(d2); lcd.print("cm "); } lcd.clear(); while (x==3) { lcd.print ("Gioi han d3: "); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print(d3); lcd.print("cm "); } 28 lcd.clear(); } if (tat==1) { digitalWrite(buzzerPin,LOW); // lat loa delay(120000); tat=0; } } void canh_bao() { if(distance>d1) { lcd.clear(); lcd.print("d= "); lcd.print(distance); lcd.print("cm"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("An toan"); delay(500); digitalWrite(led1Pin, HIGH); digitalWrite(led2Pin, LOW); digitalWrite(led3Pin, LOW); digitalWrite(buzzerPin, LOW); } 29 else if (distanced2) { lcd.clear(); lcd.print("d= "); lcd.print(distance); lcd.print("cm"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Bao dong cap 1"); delay(500); digitalWrite(led1Pin, LOW); digitalWrite(led2Pin, HIGH); digitalWrite(led3Pin, LOW); digitalWrite(buzzerPin, LOW); } else if(distanced3) { lcd.clear(); lcd.print("d= "); lcd.print(distance); lcd.print("cm"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Bao dong cap 2"); delay(500); digitalWrite(led1Pin, LOW); digitalWrite(led2Pin, LOW); digitalWrite(led3Pin, HIGH); 30 digitalWrite(buzzerPin, LOW); } else if(distance