Xây dựng hệ thống đo mức chất lỏng sử dụng cảm biến siêu âm

Cảm biến đo mức nước trong công nghiệp được lắp đặt ở môi trường nhiễu cao và thường bị xung áp. Điều này đòi hỏi các cảm biến phải hoạt động bình thường cả với xung điện áp và bù được nhiễu để đảm bảo đưa ra tín hiệu đo với chính xác cao. Thông thường, trong công nghiệp hay sử dụng giao diện truyền dẫn tín hiệu 420mA giữa bộtruyền tín hiệu đo với thiết bị điều khiển. Bộ truyền tín hiệu đo gắn với cảm biến đo mức có thể được cấp nguồn bởi chính mạch vòng 420mA này hoặc nguồn riêng. Bộ truyền tín hiệu đo sử dụng mạch vòng 420mA có yêu cầu rất khắt khe vè công suất: tất cả các thiết bị thu thập xử lý và truyền tín hiệu cần phải họt động độc lập với nguồn cấp từmạch vòng 420mA, chỉ những vi xử lývi điều khiển dùng chung nguồn của mạch vòng 420mA mới được kết hợp dùng chung nguồn của mạch vòng 420mA.

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: CĐT01-02 Khóa: 13-14 Tên nhóm: Nhóm Họ tên thành viên: Nguyễn Trung Hiếu 2019601925 Nguyễn Sỹ Hiếu 2018605050 Đào Trung Hiếu 2018603815 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống đo mức chất lỏng sử dụng cảm biến siêu âm Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống (L1.1) - Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2) - Nội dung 3: Mơ hình hóa mơ hệ thống (L2.1) - Nội dung 4: Viết báo cáo Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch mô hình sản phẩm (Nếu có) III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành đồ án theo thời gian quy định (từ ngày 13/09/2021 đến ngày 24/12/2021) Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Giáo trình mơn học Cảm biến hệ thống đo, vi điều khiển Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ThS Nhữ Quý Thơ MÔ TẢ KỸ THUẬT Mơ tả nhiệm vụ cơng nghệ Hệ thống có khả năng: - Giả lập tín hiệu điều khiển bơm chất lỏng cách bật /tắt bơm, hiển thị trạng thái tín hiệu điều khiển đèn LED - Đo mức chất lỏng bình - Hiển thị mức chất lỏng liên tục theo thời gian thực hình LCD - Có chức lựa chọn giới hạn mức chất lỏng để đưa cảnh báo giá trị vượt khoảng cho phép Cấu trúc thiết bị Thiết bị Loại sử dụng Cảm biến Cảm biến siêu âm Bộ điều khiển Vi điều khiển Hiện thị mức chất lỏng LCD Phím chức nhập liệu Nút bấm số Tín hiệu cảnh báo Đèn Đặc tính kỹ thuật Thơng số Giới hạn mức chất lỏng Sai số đo Giá trị 0-300mm 5% Nội dung báo cáo - Bản vẽ TT Tên vẽ Khổ giấy Số lượng Bản vẽ sơ đồ hệ thống A3 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống A3 - Báo cáo Chương Tổng quan hệ thống 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các yêu cầu 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn Chương Xây dựng mơ hình hệ thống 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu Chương 3: Mơ hình hóa mơ hệ thống 3.1 Mơ hình hóa mơ hệ khí 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ điều khiển 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển Kết Luận MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các yêu cầu 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu .3 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 1.3.2 Phương pháp nghiên cứu mơ hình hóa mơ 1.3.3 Phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn 1.4.1 Đối với nhóm đề tài 1.4.2 Đối với đời sống .5 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.2.1 Phân tích 2.2.2 Cấu tạo cảm biến siêu âm HY-SRF05 2.2.3 Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm HY-SRF05 12 2.2.4 Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HY-SRF05 13 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 13 2.3.1 Phân tích 13 2.3.2 Cấu tạo xử lý Arduino UNO R3 14 2.4 Một số thiết bị liên quan khác 17 2.4.1 Màn hình LCD 16x2: 17 2.4.2 Module I2C: 18 2.4.3 Bàn phím nhập liệu 19 2.4.4 LED báo hiệu 19 2.4.5 Module relay kênh 5V 20 2.5 Thiết kế mạch đo xử lí tín hiệu 22 2.5.1 Khối hiển thị 22 2.5.2 Khối chấp hành 23 2.5.3 Khối mạch mơ hình hệ thống 24 CHƯƠNG Mơ hình hóa mô 25 3.1 Mơ hình hóa mơ hệ khí .25 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ điều khiển 26 3.2.1 Mô với phần mềm proteus 26 3.3 Chương trình điều khiển 31 3.3.1 Giới thiệu phần mềm Arduino IDE 31 PHỤ LỤC 32 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.2-1Mặt trước cảm biến HY-SRF05 .8 Hình 2.2-2 Mơ Bồn chứa cách đo Hình 2.2-3 Phát sóng cảm biến siêu âm HY - SRF05 10 Hình 2.2-4 Mơ tả xung Mode 11 Hình 2.2-5 Mơ tả xung Mode 12 Hình 2.2-6 Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm HY - SRF05 .13 Hình 2.3-1 Vi điều khiển ATMEGA328P-PU 15 Hình 2.3-2 Các cổng vào ARDUINO UNO R3 16 Hình 2.4-1 Màn hình LCD 16*2 17 Hình 2.4-2 Bàn phím số ma trận 4x4 19 Hình 2.4-3 Sơ đồ chân Led .20 Hình 2.4-4 Relay kênh 5V 21 Hình 2.5-1 Sơ đồ đấu nối giao tiếp IC2 với LCD 16x2 .22 Hình 2.5-2 Sơ đồ đấu nối Relay Bơm vào UNO R3 .23 Hình 2.5-3 Mạch đo tồn hệ thống 24 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Một vài thông số ArduinoUno R3 .14 Bảng 2-2 Thông số kỹ thuật Relay 5V 21 Bảng 2-3 Các chân đấu nối tương ứng I2C LCD Arduino .22 Bảng 2-4 Sơ đồ chân kết nối Relay với Arduino 23 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển ngày mạnh mẽ tất lĩnh vực đời sống xản xuất Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào hoạt động sản xuất địi hỏi người phải khơng ngừng học hỏi nâng cao trình độ hiểu biết để kịp thời cập nhật tiến giới Chính vậy, phát triển ngành điện tử có ý nghĩa quan trọng sản phẩm ngành phục vụ tất ngành khác kinh tế như: phục vụ lĩnh vực tự động hóa, kỹ thuật robot, chế tạo, điều khiển cảm ứng, … Cảm biến đo mức nước công nghiệp lắp đặt môi trường nhiễu cao thường bị xung áp Điều đòi hỏi cảm biến phải hoạt động bình thường với xung điện áp bù nhiễu để đảm bảo đưa tín hiệu đo với xác cao Thơng thường, công nghiệp hay sử dụng giao diện truyền dẫn tín hiệu 4-20mA truyền tín hiệu đo với thiết bị điều khiển Bộ truyền tín hiệu đo gắn với cảm biến đo mức cấp nguồn mạch vịng 4-20mA nguồn riêng Bộ truyền tín hiệu đo sử dụng mạch vịng 4-20mA có yêu cầu khắt khe vè công suất: tất thiết bị thu thập/ xử lý truyền tín hiệu cần phải họt động độc lập với nguồn cấp từ mạch vòng 4-20mA, vi xử lý/vi điều khiển dùng chung nguồn mạch vòng 4-20mA kết hợp dùng chung nguồn mạch vòng 4-20mA Tất yếu tố góp phần cải thiện đáng kể suất hiệu hệ thống tự động hóa Dưới đây, báo cáo trình bày tổng quát nguyên tắc hoạt động, ưu điểm, nhược điểm đặc tính cảm biến siêu âm đo mức nhằm giúp người sử dụng chọn cảm biến cho ứng dụng Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy, cô Bộ môn Cơ điện tử Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cung cấp tài liệu để hoàn thành đề tài nghiên cứu Đồng thời ,nhóm đề tài muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn thầy Nhữ Quý Thơ tận tình hướng dẫn ,tạo điều kiện giúp đỡ nhóm suốt q trình thực đồ án mơn Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè hỗ trợ chia sẻ kinh nghiệm cho nhóm thời gian qua Xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung Đo mức chất lỏng đóng vai trị quan trọng, khơng phục vụ cho mục đích kiểm kê, đo đếm mà cịn ứng dụng hệ thống tự động hóa q trình sản xuất Chính việc hiểu rõ phương pháp đo nắm vững đặc tính thiết bị đo mức chất lỏng cần thiết Cảm biến đo thiếu để đo mức lưu lượng chất lỏng, hay hỗn hợp khílỏng ứng dụng cơng nghiệp thực phẩm-nước giải khát, dầu mỏ-khí đốt, hóa dược phẩm, sản xuất giấy, xi măng… Trên thị trường có nhiều phương pháp đo mức chất lỏng tiêu biểu đo mức nước dạng phao, cảm biến đo mức nước thủy tĩnh, thiết bị báo mức nước dạng que, đo mức chất lỏng dạng điện dung, đo mức chất lỏng Radar tiếp xúc, áp suất mức nước… bên cạnh phổ biến thơng dụng phương pháp đo mức nước sử dụng cảm biến siêu âm Thiết bị đo mức chất lỏng với phương pháp đo sóng siêu âm loại cảm biến đo mức nước có độ xác cao; hầu hết sử dụng đo mức nước; nước thải công nghiệp nước cất nhà máy sản xuất thuốc Đây coi cảm biến đo mức liên tục 4-20mA hay cảm biến đo mức liên tục 0-10V cảm biến đo mức liên tục truyền thông modbus rtu Hoặc đo mức Dầu Diezen; dầu Do trạm xăng; Đo mức dầu điều, dầu nành; dầu nhà máy… Điểm mạnh dịng độ xác cao 0.15% Đây mức đạt chuẩn Châu Âu Bên cạnh đó; q trình đo khơng xúc với chất lỏng nên độ bền cao Tốc độ truyền tín hiệu nhanh Cài đặt thay đổi dãy đo cách tự mà không làm thay đổi độ sai số thiết bị Do vậy, đề tài “Xây dựng hệ thống đo mức chất lỏng sử dụng cảm biến siêu âm ” nghiên cứu thực nhóm đề tài Hệ thống xây dựng cho phép tương tác thơng qua bàn phím nhập liệu, có hệ thống hiển thị cảnh báo đạt giới hạn yêu cầu 1.2 Các yêu cầu • Về hệ thống đo cảm biến : sử dụng cảm biến siêu âm đo khoảng cách để xác định xác mức chất lỏng bình chứa hiển thị xác lên hình LCD ,hạn chế sai số Hệ thống đảm bảo nhỏ gọn, hoạt động liên tục ,dễ dàng sử dụng, dễ bảo trì thay • Về phần điều khiển lập trình : Sử dụng phần mềm arduino ide máy tính, lập trình xác ,phổ biến dễ dàng tiếp cận • Về cấu chấp hành: hệ thống sử dụng xuất tín hiệu khởi động động máy bơm chất lỏng với giới hạn nhập liệu cho trước • Về mơ hình hóa mơ phỏng: thực mơ hình hóa hệ điện phần mềm Proteus sử dụng chương trình phần mềm Arduino ide mơ hoạt động hệ thống điện Sử dụng chương trình mơ hệ khí tương tác hệ thống điều khiển 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết • Dựa vào kiến thức học Cơ sở hệ thống tự động,Hệ thống tự động thủy khí, tìm hiểu qua internet, sách tham khảo ý kiến bạn bè, thầy • Tìm hiểu hệ thống đo mức chất lỏng phổ biến để học hỏi cách thiết kế chi tiết, cấu tạo tối ưu • Áp dụng phương pháp thiết kế, tính tốn, phân tích, xử lí số liệu để xây dựng mơ hình phù hợp với đề tài • Xây dựng sơ đồ khối tìm hiểu ngun lí hoạt động hệ thống • Xây dựng quy trình hoạt động dựa ngun lí tìm hiểu • Tính tốn sai số so sánh sau đo hiển thị 1.3.2 Phương pháp nghiên cứu mơ hình hóa mơ • Từ phương pháp nghiên cứu lí thuyết , nghiên cứu đưa mơ hình hóa hệ thống • Sử dụng phần mềm mô để mô cảm biến ,mạch điện tử, hệ thống điều khiển có hệ thống nhập liệu hiển thị CHƯƠNG Mơ hình hóa mơ 3.1 Mơ hình hóa mơ hệ khí Hình 3.1 Mơ hệ khí Video thực nhóm mơ tả hệ khí phầm mềm PC-simu Link: https://youtu.be/K-f5EhCjShs 25 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ điều khiển 3.2.1 Mô với phần mềm proteus Hình 3.2 Mơ hệ thống phần mềm Proteus 26 Chạy mơ Hình 3.3 Kết nối với chương trình điều khiển  Cách thức tiến hành kết nối Nhấn click chuột lên Arduino UNO ,hộp thoại hình 3.5 Chọn nhấn OK để hồn thành kết nối  Q trình mơ - Trạng thái ban đầu: Là trạng thái thiết lập giá trị ban đầu cảm biến , xung, trạng thái cấu chấp hành trạng thái tĩnh 27 Hình 3.4 Trạng thái ban đầu Bơm chưa hoạt động,chưa có thơng số cận cận Đèn chưa đưa tín hiệu cảnh báo LCD hiển thị: Tiến hành nhập liệu từ bàn phím : Nhấn A để lưu cận Nhấn B để lưu cận 28 - Trạng thái tắt: Hình 3.5 Trạng thái tắt Điều chỉnh khoảng cách thông qua cảm biến : Hình 3.6 Hình cảm biến Số hiển thị cảm biến khoảng cách cảm biến so với mặt chất lỏng cần đo Mũi tên hai bên cảm biến để điều chỉnh khoảng cách hiển thị tức thời theo cấp số cộng đơn vị mm 29 Trạng thái cảnh báo: Hình 3.7 Trạng thái cảnh báo Hệ thống nhận biết đến mức giới hạn đưa cảnh báo qua đèn , cấp tín hiệu cho động hoạt động thông qua relay 5V Để đưa cách thức vận hành cách trực quan nhất, video mô thực nhóm đề tài LINK: https://youtu.be/9LcUc0zSjnA 30 3.3 Chương trình điều khiển 3.3.1 Giới thiệu phần mềm Arduino IDE Arduino IDE phần mềm với mã nguồn mở, sử dụng chủ yếu để viết biên dịch mã vào module Arduino Nó bao gồm phần cứng phần mềm Phần cứng chứa đến 300,000 board mạch thiết kế sẵn với cảm biến, linh kiện Phần mềm giúp bạn sử dụng cảm biến, linh kiện Arduino cách linh hoạt phù hợp với mục đích sử dụng Hình 3.8 Giao diện ArduinoIDE 31 PHỤ LỤC Chương trình : #include #include LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); #include float distance; const byte ROWS = 4; const byte COLS =4; char keys[ROWS][COLS] = { {'7', '8', '9', 'A'}, {'4', '5', '6', 'B'}, {'1', '2', '3', 'C'}, {'*', '0', '#', 'D'} }; byte rowPins[ROWS] = {9, 8, 7, 6}; byte colPins[COLS] = {5, 4, 3, 2}; Keypad keypad = Keypad( makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS ); const int trig = 12; const int echo = 13; // chân trig cua HC-SR04 chan 12 // chân echo cua HC-SR04 chan 13 int str1,str2,str3,str4,str5,str6,str7,str8; int i; 32 int ght, ghd; char key; #define ledxanh 10 // KHAI BÁO CHÂN LED LÀ 10 int relay = 11; volatile byte relayState = LOW; void setup() { lcd.init(); lcd.backlight(); lcd.setCursor(0,0); // ÐUA CON TRO TAI COT HÀNG lcd.print("MOBILE ROBOT"); // IN RA MAN HÌNH CHO " MOBILE ROBOT" lcd.setCursor(2,1); // ÐUA CON TRO TAI COT HÀNG lcd.print("Xin chao "); // ÐUA RA MÀN HÌNH CH? " XIN CHÀO" delay(2000); lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("CanDuoi:"); pinMode(trig,OUTPUT); // chan trig phat tin hieu pinMode(echo,INPUT); // chan echo nhan tin hieu pinMode(ledxanh, OUTPUT); // khai bao led bieu thi tin hieu pinMode(relay, OUTPUT); digitalWrite(relay, LOW); } 33 void loop() { { char key=keypad.getKey(); if(key){ if(i==0){ str1=key; lcd.setCursor(13,0); lcd.print(str1-48); } if(i==1){ str2=key; lcd.setCursor(14,0); lcd.print(str2-48); } if(i==2){ str3=key; lcd.setCursor(15,0); lcd.print(str3-48); } { if(i==3&&key=='A'){ 34 lcd.setCursor(0,1); lcd.print("CanTren:"); } } { if(i==4) { str4=key; lcd.setCursor(13,1); lcd.print(str4-48); } } { if(i==5){ str5=key; lcd.setCursor(14,1); lcd.print(str5-48); } } { if(i==6){ str6=key; lcd.setCursor(15,1); lcd.print(str6-48); 35 } } ghd=(str1-48)*100+(str2-48)*10+(str3-48); ght=(str4-48)*100+(str5-48)*10+(str6-48); { if(i==7&&key=='B') { while(1) { khoangcach(); lcd.clear(); lcd.print("KC: "); lcd.print(distance); delay(500); lcd.print("cm"); if(distance= ghd) { lcd.clear(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("KC: "); lcd.print(distance); delay(200); lcd.print("cm"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("turn on"); delay(200); digitalWrite(ledxanh,HIGH); // led xanh sáng delay(200); // digitalWrite(ledxanh,LOW); // led xanh tat //delay(200); digitalWrite(relay, HIGH); } 37 } } i=i+1; } }}} void khoangcach() { float duration; digitalWrite(trig,0); // tat chân trig delayMicroseconds(2); digitalWrite(trig,1); // phát xung tai chân trig delayMicroseconds(10); digitalWrite(trig,0); // xung có dài 10 microSeconds // tat chân trig duration = pulseIn(echo,HIGH); distance =(duration/2/29.1); // bieu thuc khoang cách } /*void ssght() { if(distance>=ght) { lcd.setCursor(0,1); lcd.print("turn off"); 38 digitalWrite(ledxanh,HIGH); // led xanh sáng delay(200); digitalWrite(ledxanh,LOW); // led xanh tat delay(200); } } void ssghd() { if(distance