CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu đề tài Khoa Âm học về âm thanh, bắt đầu từ thời Pythagoras vào thế kỷ thứ 6 trước công nguyên, người đã viết về các tính chất toán học của các nhạc cụ dây. Khả năng định vị ở dơi được Lazzaro Spallanzani phát hiện vào năm 1794, khi ông chứng minh rằng dơi săn mồi và di chuyển bằng âm thanh không nghe được chứ không phải tầm nhìn. Francis Galton vào năm 1893 đã phát minh ra còi Galton, một loại còi có thể điều chỉnh được tạo ra sóng siêu âm, ông dùng để đo phạm vi thính giác của con người và các động vật khác, chứng minh rằng nhiều loài động vật có thể nghe được âm thanh trên phạm vi thính giác của con người. Ứng dụng công nghệ đầu tiên của sóng siêu âm là nỗ lực phát hiện tàu ngầm của Paul Langevin vào năm 1917.
Một số nhà sản xuất cảm biến siêu âm phổ biến hiện nay như Maxbotix, MigatronCorp, PKP, KEYENCE. Hiện nay khoa học kĩ thuật ngày càng được chú trọng vào phát triển và ứng dụng khoa học kĩ thuật vào thực tiễn. Nhằm mục đích đo vận tốc, đo chiều dài .hay là đo khoảng cách, những nơi nguy hiểm mà con người chưa thể đặt chân tới, cảm biến siêu âm được cho ra đời. Một trong những cảm biến siêu âm được sử dụng rộng rãi hiện nay là cảm biến HC- SR04.HC-SR04 có độ chính xác cao trong khoảng(2-400cm) và giá thành rẻ.
Nhằm ứng dụng các kiến thức đã được trang bị trong quá trình học tập vào thực tế dựa trên cơ sở môn học “Cảm biến và hệ thống đo”, em đã lựa chọn đề tài “Xây dựng hệ thống đo mức chất lỏng trong bình chứa sử dụng cảm biến siêu âm bằng cảm biến HC-SR04”. 3 Hình 1: Ứng dụng trong nước thải đô thị Hình 2: Sử dụng cảm biến siêu âm để đo mức nước bể chứa thủy điện 4 Hình 3: Cảm biến siêu âm để đo mức nước trong mương 1.2 Các yêu cầu cơ bản -Hệ thống phù hợp với nhu cầu của người tiêu dùng, của các doanh nghiệp. -Giá thành của hệ thống phù hợp và kết cấu nhỏ gọn. -Sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 kết hợp với mạch Arduino.
-Sai số trung bình khoảng 0,15% đối với khoảng cách 2m trở lại. -Hoạt động ổn định ở môi trường có nhiệt độ từ 60°C trở xuống và áp suất khoảng 1 bar trở lại. -Hiển thị trên thanh LCD, LED và Loa cảnh báo.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu: 1.1 Phương pháp: - Nghiên cứu về nguyên lý hoạt động của cảm biến HC-SR04 thông qua các tài liệu trên internet. -Tìm hiểu kĩ hơn về mạch điều khiển Arduino mô phỏng trên Proteus và cách kết nối với máy tính.
-Tìm các công thức toán học để tính ra dung tích nước, lưu lượng máy bơm thông qua giá trị khoảng cách đo được từ cảm biến. - Đề xuất và nghiên cứu về các linh kiện sẽ có trong mạch và các linh kiện bảo vệ. - Mô phỏng mạch trên ứng dụng Proteus. - Dựa và tham khảo vào các mô hình tham khảo trên Internet để cải tiến thiết kế và mục đích sử dụng.2 Phạm vi đề tài và giới hạn nghiên cứu - Ngoài ứng dụng để đo mức nước, cảm biến siêu âm còn dùng để đo mức chất lỏng khác như: dầu ăn, nước trái cây,.
- Sử dụng trong công nghiệp và các hộ gia đình để phục vụ an toàn cho các bình chứa, bể chứa trong các hộ gia đình khi có sự cố tràn gây ra nguy hiểm.4 Ý nghĩa thực tiễn Có vai trò to lớn trong các ngành công nghiệp và trong nghiên cứu khoa học. Đo lưu lượng có tầm quan trọng đặc biệt trong công nghiệp như khi cần khống chế lượng chất lỏng tham gia vào quá trình ở lò phản ứng hóa học, nhà máy sản xuất xi 6 măng, động cơ đốt,. Bên cạnh đó sản phẩm có thể phát triển thêm để ứng dụng vào để đo khoảng cách hay thăm dò những nơi mà con người chưa thể đặt chân đến. 7 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 2.1 Phân tích và lựa chọn cảm biến siêu âm Trên thị trường tồn tại khá nhiều loại cảm biến dùng trong việc đo khoảng cách.
Tùy vào nhu cầu về tính chính xác, giá thành, mục đích sử dụng, môi trường xung quanh mà có những loại cảm biến đặc thù. Có 4 loại cảm biến thường được dùng để đo khoảng cách: Cảm biến laser: Dùng trong đo khoảng cách dựa trên nguyên lý phản xạ của tia laser. Được ưa chuộng bởi tính ứng dụng cao trong nhiều môi trường. Đây là loại cảm biến khá phổ biến vì độ chính xác cao, sở hữ đa tính năng, kích thước nhỏ gọn dễ dàng và tiết kiệm được thời gian và có thể đo trên phạm vi diện rộng các vật tuy nhiên Các loại máy sử dụng cảm biến đo khoảng cách bằng laser thường sử dụng pin cần phải nạp năng lượng thường xuyên, khi xảy ra sự cố thì khó sửa chữa, phải thực hiện nhiều thao tác trên các nút bấm bằng tay.
Cảm biến từ: Cảm biến từ thuộc nhóm cảm biến tiệm cận, là thiết bị dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ có khả năng nhận biết phát hiện vật mang từ tính (chủ yếu là sắt), không tiếp xúc, ở khoảng cách gần (khoảng vài mm đến vài chục mm) hoạt động được ngay cả trong môi trường khắc nghiệt tuổi thọ của nó cao và dễ dàng trong việc lắp đặt tuy nhiên trong môi trường chất lỏng thì cảm biến hoạt động kém hiệu quả hơn đưa ra những số liệu tương đối. Cảm biến điện dung: Thiết bị cảm biến điện dung được dùng để phát hiện chất lỏng, chất rắn; hoặc đo mức liên tục ngõ ra tín hiệu 4-20mA, 0-10v bên cạnh đó cảm biến điện dung còn có khả năng nhận biết được vật không phải làm từ kim loại. cảm biến hoạt kém hiệu quả hơn đưa ra những số liệu tương đối. 8 Cảm biến điện dung: Thiết bị cảm biến điện dung được dùng để phát hiện chất lỏng, chất rắn; hoặc đo mức liên tục ngõ ra tín hiệu 4-20mA, 0-10v bên cạnh đó cảm biến điện dung còn có khả năng nhận biết được vật không phải làm từ kim loại.
cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện dung của tụ điện bên trong cảm biến. Cảm biến điện dung hoạt động tốt trong các môi trường khắc nghiệt như: môi trường dễ cháy nổ, nhiệt độ và áp suất cao,.tuy nhiên cảm biến này lại bị giới hạn về khoảng cách nhận biết của vật, nó khá nhạy cảm khi môi trường thay đổi. Cảm biến siêu âm: Cảm biến siêu âm là loại cảm biến có độ chính xác rất cao, nó có thể nhận biết được mọi nguyên vật liệu. Đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm có nhiều công dụng và mức độ sử dụng rộng rãi trong y học, công nghiệp,.
Sau quá trình tìm hiểu đánh giá về các loại cảm biến sử dụng để đo khoảng cách trên thị trường. Em đã lựa chọn sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 để thực hiện đề tài vì nguyên lý của nó đáp ứng đầy đủ nhất những yêu cầu đang thực hiện 9 2.1 Cảm biến siêu âm HC-SR04 Tên module STT cảm biến siêu Thông số kĩ thuật Độ chính xác âm -Tần số hoạt động: 40KHz -Sai số: 0,3 cm -Điện áp hoạt động: 5V -Khoảng cách 1 HY-SRF05 -Dòng tiêu thụ: 10-40mA đo: 2-400cm -Góc quét: <15 độ - Số cổng: 5 -Tần số hoạt động: 40KHz -Sai số: 0,3 cm -Điện áp hoạt động: 5V -Khoảng cách 2 HC-SR04 -Dòng tiêu thụ: 10-40mA đo: 2-400cm -Góc quét: <15 độ - Số cổng:4 Bảng 1: So sánh 2 modul cảm biến siêu âm Về cơ bản thông số kĩ thuật cũng như nguyên lý hoạt động của 2 module cảm biến siêu âm là giống nhau nhưng Module HC-SR04 có giá thành thấp hơn giúp tiết kiệm chi phí trong việc thực hiện đề tài. Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một dạng cảm biến module. Cảm biến này thường chỉ là một bản mạch, hoạt động theo nguyên lý thu phát sóng siêu âm bởi 2 chiếc loa cao tần.
Cảm biến siêu âm HC-SR04 thường được kết hợp với các bộ arduino, PIC, AVR,. để chạy một số ứng dụng như : phát hiện vật cản trên xe robot, đo khoảng cách vật,. 10 Hình 4: Module cảm biến siêu âm HC-SR04 Chính vì là một cảm biến siêu âm dạng module, cho nên hầu như ứng dụng hay độ chính xác của cảm biến đều phụ thuộc vào phần code mà người sử dụng lập trình và nạp vào bản mạch điều khiển.2 Ưu và nhược điểm của cảm biến siêu âm HC-SR04 Ưu điểm: Cảm biến siêu âm đo mức nước không tiếp xúc với môi chất cần đo. Đây chính là ưu điểm lớn nhất của cảm biến siêu âm.
Chính vì thế mà tuổi thọ của cảm biến siêu âm sẽ bền hơn rất nhiều so với các loại cảm biến tiếp xúc trực tiếp. Thiết kế nhỏ gọn nhưng vẫn đạt chuẩn công nghiệp. Điều chỉnh được khoảng cách bất kỳ trong khoảng cách mà cảm biến đo được. Độ chính xác cao so với cảm biến điện dụng.
Thời gian đáp ứng nhanh Giá thành cạnh tranh Đo được hầu hết các loại chất rắn và chất lỏng Lắp đặt dễ dàng Nhược điểm: Cảm biếu siêu âm sẽ có điểm chết không đo được nằm gần cảm biến. Khoảng cách lắp đặt với thành bồn phải có một khoảng cách phù hợp với khoảng cách đo của cảm biến. Không thể đo được khi có vật cản trong phạm vi đo Nhiệt độ max 80oC và áp suất làm việc thấp max 1 bar Các trường hợp có bọt thì cảm biến không phân biệt được Để đo chính xác chúng ta cần phải cài đặt lại theo khoảng cách đo 12 2.3 Cấu tạo cảm biến siêu âm Cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04 gồm 3 phần: Bộ phận phát sóng siêu âm Cấu tạo của các đầu phát và đầu thu siêu âm là các loa gốm đặc biệt, phát siêu âm có cường độ cao ở tần số thường là 40kHz cho nhu cầu đo khoảng cách. Hình 5: Phát sóng trên cảm biến siêu âm Về nguyên lý, các loa này cần có nguồn điện áp cao mới phát tốt được.
Trên mạch công suất sử dụng IC MAX232 làm nhiệm vụ đệm. IC này sẽ lấy tín hiệu từ bộ điều khiển, khuếch đại biên độ lên mức +/-30V cấp nguồn cho bộ loa trên. IC này sẽ được đóng ngắt qua một transistor để hạn chế việc tiêu thụ dòng. Bộ phận thu sóng siêu âm phản xạ Thiết bị thu là dạng loa gồm có cấu tạo chỉ nhạy với một tần số chẳng hạn như 40KHz.