Đồ án hệ thống nhúng kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đề tài mạch đo chiều cao mực nước dùng cảm biến siêu âm

Đồ án nghiên cứu hệ thống nhúng kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đề tài mạch đo chiều cao mực nước dùng cảm biến, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài

• Tác giả: Trần Trí Cường
• Người hướng dẫn: TS. Võ Hữu Hậu
• Trường học: Trường Đại Học Tôn Đức Thắng
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Mạch Đo Chiều Cao Mực Nước Dùng Cảm Biến Siêu Âm
• Loại tài liệu: Đồ Án Hệ Thống Nhúng
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
• LỊCH TRÌNH LÀM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1.1: CHIP VI ĐIỀU KHIỂN 16F877A
• 1.1. CHIP VI ĐIỀU KHIỂN 16F877A
• 1.2. CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04
• 1.3. LIQUID CRYSTAL DISPLAY (LCD)’
• 1.4. BIẾN TRỞ
• 1.5. TỤ ĐIỆN
• 1.6. THẠCH ANH
• 1.7. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.8. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 1.8.1. TIMER1 CỦA VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A
• 1.8.2. CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04
• 1.8.3. CÁC CHÂN TRIS, PORT
• 1.9. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.10. DỰ KIẾN KẾT QUẢ
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
• 2.1. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH
• 2.2. KHỐI ĐIỀU KHIỂN
• 2.3. KHỐI CẢM BIẾN
• 2.4. KHỐI HIỂN THỊ
• 2.5. MẠCH THỰC TẾ
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
• 3.2. LƯU DỒ GIẢI THUẬT
• 3.3. NHƯỢC ĐIỂM
• 3.4. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC A

Tóm tắt

I. Tổng quan giải pháp đo mực nước bằng cảm biến siêu âm

Việc giám sát và đo lường mực nước là một bài toán quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ quản lý bể chứa gia đình đến các hệ thống thủy lợi công nghiệp. Các phương pháp truyền thống thường gặp hạn chế về độ bền và độ chính xác khi tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng. Để giải quyết vấn đề này, giải pháp sử dụng cảm biến không tiếp xúc đã ra đời, trong đó mạch đo chiều cao nước bằng cảm biến siêu âm HC-SR04 nổi lên như một lựa chọn tối ưu. Đây là một thiết bị đo lường chính xác, được thiết kế chuyên dụng để xác định chiều cao mực nước trong các bể chứa, bồn hoặc silo. Giải pháp này kết hợp sức mạnh của vi điều khiển như Arduino, ESP8266, hoặc PIC với khả năng đo khoảng cách đáng tin cậy của cảm biến siêu âm. Theo nghiên cứu "Mạch đo chiều cao mực nước dùng cảm biến siêu âm" của Trần Trí Cường (Đại học Tôn Đức Thắng, 2023), hệ thống này có thể đạt độ chính xác cao và hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện môi trường. Mạch hoạt động dựa trên nguyên tắc phát sóng siêu âm từ cảm biến đến bề mặt chất lỏng và tính toán khoảng cách dựa trên thời gian sóng phản xạ trở lại. Từ khoảng cách này, hệ thống suy ra chiều cao thực tế của mực nước, mở ra tiềm năng cho các dự án DIY và ứng dụng IoT trong việc giám sát bể nước một cách thông minh và hiệu quả.

1.1. Giới thiệu cảm biến siêu âm HC SR04 và ứng dụng

Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một linh kiện điện tử phổ biến, được sử dụng rộng rãi để tạo ra các mạch đo khoảng cách. Nó có khả năng đo từ 2cm đến 400cm với độ chính xác tương đối cao. Cảm biến bao gồm một bộ phát (Transmitter) và một bộ thu (Receiver). Bộ phát tạo ra một chùm sóng siêu âm ở tần số 40kHz, không thể nghe được bằng tai người. Khi sóng này gặp vật cản, nó sẽ phản xạ lại và được bộ thu ghi nhận. Ứng dụng của HC-SR04 rất đa dạng, từ robot tránh vật cản, hệ thống an ninh, đến các thiết bị đo lường tự động. Trong bối cảnh của bài viết này, nó đóng vai trò là cảm biến đo mức chất lỏng, cung cấp dữ liệu thô về khoảng cách từ cảm biến (đặt trên đỉnh bể) đến mặt nước.

1.2. Phân tích nguyên lý hoạt động HC SR04 trong đo lường

Nguyên lý hoạt động HC-SR04 dựa trên việc đo thời gian bay của sóng âm (Time of Flight). Quá trình diễn ra như sau: Vi điều khiển gửi một xung tín hiệu (trigger) kéo dài ít nhất 10 micro giây (µs) đến chân Trig của cảm biến. Ngay sau đó, module HC-SR04 sẽ tự động phát ra một chuỗi 8 xung siêu âm ở tần số 40kHz. Đồng thời, chân Echo của cảm biến sẽ được kéo lên mức cao (HIGH). Khi sóng siêu âm phản xạ từ mặt nước trở về và được bộ thu nhận diện, chân Echo ngay lập tức được kéo về mức thấp (LOW). Khoảng thời gian chân Echo ở mức cao chính là tổng thời gian sóng siêu âm di chuyển đi và về. Bằng cách đo độ rộng của xung này, vi điều khiển có thể tính toán chính xác khoảng cách đến mặt nước.

II. Thách thức khi giám sát bể nước giải pháp không tiếp xúc

Giám sát mực nước trong các bể chứa luôn đi kèm với những thách thức cố hữu. Các phương pháp sử dụng phao cơ học dễ bị kẹt, ăn mòn và cung cấp thông tin không liên tục. Các cảm biến đo áp suất hoặc điện dung, dù chính xác hơn, lại yêu cầu tiếp xúc trực tiếp với nước. Điều này dẫn đến nguy cơ bị ảnh hưởng bởi cặn bẩn, hóa chất trong nước, và suy giảm tuổi thọ theo thời gian. Sự ăn mòn và bám bẩn không chỉ làm giảm độ tin cậy mà còn đòi hỏi chi phí bảo trì thường xuyên. Hơn nữa, việc lắp đặt các cảm biến tiếp xúc thường phức tạp, yêu cầu phải khoan cắt thành bể. Để vượt qua những rào cản này, việc sử dụng cảm biến không tiếp xúc như cảm biến siêu âm HC-SR04 là một giải pháp vượt trội. Phương pháp này loại bỏ hoàn toàn các vấn đề liên quan đến ăn mòn và bám bẩn vì cảm biến được đặt phía trên mặt nước. Nó cung cấp khả năng đo lường liên tục, ổn định và có thể dễ dàng lắp đặt trên mọi loại bể chứa mà không cần can thiệp vào cấu trúc. Giải pháp này đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng cần giám sát bể nước sạch, bể chứa hóa chất, hoặc trong các hệ thống tưới tiêu tự động.

2.1. Nhược điểm của các phương pháp đo mực nước truyền thống

Các phương pháp đo mực nước truyền thống như phao cơ, thước đo thủ công hay cảm biến điện cực tồn tại nhiều hạn chế. Phao cơ dễ bị kẹt, phụ thuộc vào cơ cấu vật lý và không cung cấp dữ liệu số chính xác. Thước đo thủ công đòi hỏi sự can thiệp của con người, không thể tự động hóa. Cảm biến điện cực, mặc dù tự động, lại rất nhạy cảm với độ tinh khiết và thành phần hóa học của nước, dễ bị oxy hóa và cho kết quả sai lệch. Các phương pháp này nhìn chung thiếu khả năng tích hợp vào các hệ thống thông minh, không thể cung cấp cảnh báo từ xa hoặc tự động hóa quy trình, làm tăng chi phí vận hành và giảm hiệu quả quản lý.

2.2. Ưu thế của cảm biến không tiếp xúc trong công nghiệp

Ưu điểm lớn nhất của cảm biến không tiếp xúc là độ bền và chi phí bảo trì thấp. Vì không chạm vào chất lỏng, cảm biến tránh được mọi tác động ăn mòn, mài mòn hay bám bẩn, đảm bảo tuổi thọ lâu dài và kết quả đo ổn định. Điều này đặc biệt quan trọng trong môi trường công nghiệp, nơi chất lỏng có thể là hóa chất ăn mòn hoặc chứa nhiều tạp chất. Ngoài ra, việc lắp đặt cũng đơn giản hơn rất nhiều. Khả năng cung cấp dữ liệu đo lường liên tục và chính xác cho phép tích hợp sâu vào các hệ thống SCADA, PLC hoặc các nền tảng IoT, giúp tự động hóa hoàn toàn quy trình giám sát và điều khiển, từ đó tối ưu hóa sản xuất và đảm bảo an toàn vận hành.

III. Hướng dẫn thiết kế phần cứng mạch đo mực nước với HC SR04

Việc xây dựng một mạch đo chiều cao nước bằng cảm biến siêu âm HC-SR04 đòi hỏi sự kết hợp giữa các linh kiện điện tử cơ bản. Trái tim của mạch là một bộ vi điều khiển, có nhiệm vụ xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển các thiết bị ngoại vi. Các lựa chọn phổ biến bao gồm Arduino (Uno, Nano) cho người mới bắt đầu, ESP8266/ESP32 cho các ứng dụng IoT cần kết nối Wi-Fi, hoặc các dòng vi điều khiển chuyên dụng như PIC16F877A được đề cập trong nghiên cứu gốc. Bên cạnh vi điều khiển và cảm biến HC-SR04, các thành phần khác bao gồm một màn hình LCD 16x2 để hiển thị mực nước trực tiếp, một biến trở để điều chỉnh độ tương phản của LCD, và các dây cắm cần thiết. Việc thiết kế phần cứng cần đảm bảo cấp nguồn ổn định 5V cho cả vi điều khiển và cảm biến. Một sơ đồ nguyên lý rõ ràng là bước đầu tiên và quan trọng nhất, giúp xác định cách kết nối các chân tín hiệu (Trig, Echo) của cảm biến với các chân I/O của vi điều khiển, cũng như cách giao tiếp với màn hình LCD. Sơ đồ mạch cần được thiết kế cẩn thận để giảm thiểu nhiễu và đảm bảo tín hiệu được truyền đi một cách chính xác, tạo nền tảng vững chắc cho việc lập trình và vận hành hệ thống sau này.

3.1. Sơ đồ nguyên lý kết nối HC SR04 với Arduino và PIC

Một sơ đồ nguyên lý chuẩn cho mạch này khá đơn giản. Đối với Arduino Uno, chân VCC của HC-SR04 nối với chân 5V, GND nối với GND. Chân Trig có thể nối với một chân digital bất kỳ (ví dụ: chân 9) và chân Echo nối với một chân digital khác (ví dụ: chân 10). Đối với vi điều khiển PIC16F877A, theo tài liệu nghiên cứu, chân Trig được kết nối tới chân RB0 và chân Echo kết nối tới chân RB1. Sơ đồ này là nền tảng cho mọi dự án DIY, đảm bảo các tín hiệu điều khiển và nhận dữ liệu được truyền tải chính xác giữa cảm biến và bộ xử lý trung tâm, cho phép hệ thống hoạt động đúng theo thuật toán đã lập trình.

3.2. Lựa chọn vi điều khiển Arduino ESP8266 hay NodeMCU

Việc lựa chọn vi điều khiển phụ thuộc vào mục tiêu của dự án. Arduino là lựa chọn tuyệt vời cho người mới bắt đầu nhờ cộng đồng hỗ trợ lớn và thư viện phong phú. ESP8266 hoặc NodeMCU là các biến thể lý tưởng khi dự án cần kết nối Internet để xây dựng hệ thống IoT giám sát bể nước từ xa. Chúng tích hợp sẵn module Wi-Fi, giúp đơn giản hóa phần cứng và giảm chi phí. ESP32 là phiên bản nâng cấp mạnh mẽ hơn với nhiều chân I/O hơn, hỗ trợ cả Wi-Fi và Bluetooth. Trong khi đó, các dòng PIC như PIC16F877A phù hợp cho các ứng dụng nhúng chuyên sâu, đòi hỏi sự tối ưu hóa về tài nguyên và hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp.

3.3. Tích hợp màn hình LCD 16x2 để hiển thị mực nước

Để hiển thị mực nước một cách trực quan, màn hình LCD 16x2 là một lựa chọn kinh tế và hiệu quả. Màn hình này có thể hiển thị 2 dòng, mỗi dòng 16 ký tự, đủ để thông báo các thông số như "Chieu cao: XX.X cm". Việc kết nối LCD với Arduino thường sử dụng thư viện LiquidCrystal, yêu cầu kết nối khoảng 6 chân digital (RS, E, D4, D5, D6, D7). Một biến trở 10k được nối với chân V0 của LCD để điều chỉnh độ tương phản. Việc tích hợp màn hình giúp hệ thống trở nên độc lập, người dùng có thể theo dõi trạng thái mực nước ngay tại chỗ mà không cần kết nối với máy tính.

IV. Bí quyết lập trình mạch đo mực nước chính xác với HC SR04

Phần mềm là linh hồn của mạch đo chiều cao nước bằng cảm biến siêu âm HC-SR04. Một đoạn code đo mực nước được tối ưu sẽ quyết định độ chính xác và ổn định của toàn hệ thống. Quá trình lập trình Arduino hoặc bất kỳ vi điều khiển nào khác đều tuân theo một thuật toán chung. Đầu tiên, cấu hình chân Trig là OUTPUT và chân Echo là INPUT. Vòng lặp chính của chương trình sẽ thực hiện việc phát một xung trigger 10µs. Ngay sau đó, chương trình sử dụng hàm pulseIn() (trên Arduino) hoặc bộ định thời (Timer1 trên PIC, như trong nghiên cứu) để đo thời gian chân Echo ở mức cao. Thời gian này, tính bằng micro giây, chính là thời gian sóng âm di chuyển hai lượt. Để tăng độ chính xác, có thể sử dụng thư viện NewPing, một thư viện được tối ưu hóa cho cảm biến siêu âm, giúp lọc nhiễu và cho kết quả ổn định hơn so với việc dùng pulseIn() đơn thuần. Cuối cùng, áp dụng công thức vật lý để chuyển đổi thời gian thành khoảng cách, sau đó trừ đi tổng chiều cao của bể để ra được mực nước thực tế. Việc hiệu chỉnh các thông số trong code, như vận tốc âm thanh (có thể thay đổi theo nhiệt độ), là bí quyết để đạt được kết quả đo lường chính xác nhất.

4.1. Giải thuật và code đo mực nước cho vi điều khiển

Lưu đồ giải thuật bắt đầu bằng việc khởi tạo các chân I/O và các biến cần thiết. Trong vòng lặp chính: (1) Đảm bảo chân Trig ở mức thấp. (2) Gửi một xung 10µs đến chân Trig. (3) Dùng bộ đếm thời gian hoặc hàm chuyên dụng để đo độ rộng xung ở chân Echo. (4) Lưu giá trị thời gian (t). (5) Áp dụng công thức tính khoảng cách d = (t * 0.0344) / 2. (6) Tính chiều cao mực nước h_nuoc = H_be - d. (7) Hiển thị mực nước lên màn hình LCD 16x2 hoặc gửi qua cổng serial. Đoạn code đo mực nước cần có thêm các bước lọc nhiễu, ví dụ như lấy trung bình của nhiều lần đo liên tiếp để loại bỏ các giá trị đột biến.

4.2. Công thức tính toán chiều cao nước từ tín hiệu cảm biến

Công thức cốt lõi dựa trên vật lý sóng âm. Vận tốc của âm thanh trong không khí ở điều kiện tiêu chuẩn là khoảng 344 m/s, tương đương 0.0344 cm/µs. Vì thời gian t đo được là thời gian cho cả quãng đường đi và về, nên khoảng cách d từ cảm biến đến mặt nước được tính bằng công thức: d = (Thời gian * Vận tốc âm thanh) / 2. Thay số vào, ta có: d (cm) = (t (µs) * 0.0344) / 2. Một công thức rút gọn thường được sử dụng trong các tài liệu là d (cm) = t (µs) / 58. Sau khi có khoảng cách d, chiều cao mực nước h_nuoc được tính bằng cách lấy tổng chiều cao của bể chứa H_be trừ đi d: h_nuoc = H_be - d.

V. Ứng dụng thực tiễn mạch đo mực nước mở rộng tính năng

Từ một mạch đo chiều cao nước bằng cảm biến siêu âm HC-SR04 cơ bản, nhiều tính năng nâng cao có thể được phát triển để tạo ra các hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh. Ứng dụng phổ biến nhất là xây dựng hệ thống giám sát bể nước thông minh. Bằng cách thiết lập các ngưỡng giá trị, mạch có thể kích hoạt cảnh báo cạn nước hoặc cảnh báo đầy nước thông qua còi báo hoặc đèn LED. Đây là một tính năng cực kỳ hữu ích cho các hộ gia đình hoặc nhà máy để tránh tình trạng hết nước đột ngột hoặc tràn bể gây lãng phí. Một bước phát triển cao hơn là tích hợp module relay. Relay hoạt động như một công tắc điện tử, cho phép vi điều khiển bật/tắt các thiết bị có công suất lớn như máy bơm. Khi mực nước xuống dưới ngưỡng cạn, relay sẽ tự động kích hoạt máy bơm; và khi nước đầy, relay sẽ ngắt máy bơm. Hệ thống này giúp tự động hóa hoàn toàn việc quản lý nguồn nước. Với sự phát triển của IoT, việc kết hợp mạch với ESP32 hoặc ESP8266 để gửi dữ liệu lên các nền tảng đám mây như Blynk hoặc Thingspeak đang trở thành xu hướng. Điều này cho phép người dùng theo dõi và điều khiển hệ thống từ bất kỳ đâu thông qua điện thoại thông minh.

5.1. Xây dựng hệ thống giám sát bể nước và cảnh báo đầy nước

Để xây dựng hệ thống cảnh báo đầy nước hoặc cạn nước, chỉ cần bổ sung một còi buzzer hoặc đèn LED vào mạch. Trong code, ta thêm các câu lệnh điều kiện if-else. Ví dụ: if (muc_nuoc > NGUONG_DAY) { bat_coi_canh_bao(); }. Ngưỡng đầy và ngưỡng cạn là các giá trị được người dùng định nghĩa trước. Hệ thống này giúp tăng cường an toàn, ngăn ngừa sự cố tràn nước hoặc hư hỏng máy bơm do chạy khô. Đây là một dự án DIY đơn giản nhưng mang lại hiệu quả thực tiễn cao.

5.2. Tích hợp module relay để điều khiển máy bơm tự động

Việc tích hợp module relay cho phép mạch thực hiện hành động vật lý. Relay được kết nối với một chân digital của vi điều khiển. Khi chân này ở mức cao, relay đóng mạch và cấp điện cho máy bơm. Khi ở mức thấp, relay ngắt mạch. Thuật toán điều khiển máy bơm rất trực quan: if (muc_nuoc < NGUONG_CAN) { bat_may_bom(); } else if (muc_nuoc > NGUONG_DAY) { tat_may_bom(); }. Hệ thống này biến mạch đo lường thành một giải pháp điều khiển tự động hoàn chỉnh, cốt lõi của nhiều hệ thống tưới tiêu tự động và quản lý nước thông minh.

5.3. Phát triển dự án IoT với ESP32 và nền tảng Blynk

Bằng cách thay thế Arduino bằng ESP32 hoặc NodeMCU, dự án có thể kết nối với mạng Wi-Fi. Nền tảng Blynk cung cấp một giao diện kéo-thả đơn giản để tạo ứng dụng di động. Code đo mực nước sẽ được bổ sung các hàm của thư viện Blynk để gửi giá trị đo được lên một "Virtual Pin" trên server. Người dùng có thể tạo một giao diện trên điện thoại với đồng hồ đo, biểu đồ lịch sử và các nút bấm để điều khiển module relay từ xa. Đây là một ví dụ điển hình của ứng dụng IoT, biến một bể nước thông thường thành một tài sản thông minh có thể giám sát toàn cầu.

VI. Đánh giá ưu nhược điểm và hướng phát triển mạch đo mực nước

Mạch đo chiều cao nước sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 là một giải pháp hiệu quả, chi phí thấp và có độ chính xác cao cho nhiều ứng dụng. Ưu điểm lớn nhất của nó là khả năng đo không tiếp xúc, giúp loại bỏ các vấn đề về ăn mòn và bảo trì, đồng thời dễ dàng lắp đặt. Tuy nhiên, giải pháp này cũng có một số nhược điểm cần lưu ý. Cảm biến HC-SR04 không chống nước và có thể bị ảnh hưởng bởi độ ẩm cao hoặc ngưng tụ hơi nước, làm giảm độ tin cậy khi hoạt động trong môi trường kín. Ngoài ra, độ chính xác có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ không khí (làm thay đổi vận tốc âm thanh) và các bề mặt không bằng phẳng hoặc có bọt khí. Hướng phát triển trong tương lai tập trung vào việc khắc phục những hạn chế này. Một trong những giải pháp là thay thế HC-SR04 bằng các loại cảm biến siêu âm chống nước chuyên dụng như JSN-SR04T. Đồng thời, việc tích hợp thêm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm (như DHT11/DHT22) để bù sai số trong công thức tính toán sẽ giúp tăng cường độ chính xác. Về lâu dài, các hệ thống này sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong các mô hình nông nghiệp thông minh, đặc biệt là hệ thống tưới tiêu tự động, và các ứng dụng quản lý tài nguyên nước trong thành phố thông minh.

6.1. Tổng kết ưu điểm và các hạn chế cần lưu ý của mạch

Ưu điểm chính bao gồm: chi phí thấp, dễ triển khai, độ chính xác chấp nhận được cho hầu hết ứng dụng, và quan trọng nhất là không tiếp xúc. Tuy nhiên, hạn chế của cảm biến HC-SR04 là không chống nước, dễ bị ảnh hưởng bởi ngưng tụ hơi nước, và có một 'vùng mù' (khoảng 2cm) không thể đo được. Bề mặt nước bị gợn sóng mạnh hoặc có bọt cũng có thể làm nhiễu tín hiệu phản xạ, dẫn đến kết quả không ổn định. Người dùng cần lưu ý những điểm này khi triển khai trong thực tế để đảm bảo hệ thống hoạt động tin cậy.

6.2. So sánh HC SR04 với JSN SR04T cho ứng dụng ngoài trời

Khi ứng dụng đòi hỏi hoạt động trong môi trường ẩm ướt hoặc ngoài trời, JSN-SR04T là một sự thay thế vượt trội cho HC-SR04. Đây là phiên bản chống nước của cảm biến siêu âm, với đầu dò được bọc kín trong một vỏ bảo vệ. Trong khi cảm biến siêu âm HC-SR04 phù hợp cho các dự án DIY trong nhà hoặc môi trường khô ráo, JSN-SR04T được thiết kế để chịu được các điều kiện khắc nghiệt hơn, lý tưởng cho việc giám sát bể nước ngoài trời, bồn chứa trong các nhà máy hoặc các ứng dụng nông nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 GIỚI THIỆU: Mạch đo chiều cao mực nước sử dụng cảm biến siêu âm là một thiết bị đo lường chính xác và đáng tin cậy, được thiết kế dùng để đo chiều cao mực nước trong các bể chứa nước, bồn chứa hoặc hệ thống đường ống. Mạch đo sử dụng cảm biến siêu âm, cụ thể là HC-SR04 (05) để đo khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt nước. Cảm biến siêu âm sẽ phát ra sóng siêu âm ở chân Trigger và nhận lại sóng phản xạ ở chân Echo từ bề mặt của nước. Thông qua tính toán thời gian di chuyển của sóng, mạch đo có thể tính toán, xác định chiều cao mực nước.

Mạch đo chiều cao mực nước sử dụng cảm biến siêu âm có độ chính xác cao, không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện thời tiết hoặc các yếu tố khác như ánh sáng, không khí và bụi bẩn. Nó cũng có thể được sử dụng để giám sát mực nước trong thời gian thực, đồng thời truyền thông tin đo đạc về mực nước đến các thiết bị điều khiển và báo động nhằm cho chúng ta biết cách xử lí và đưa ra các biện pháp phù hợp với bồn chứa, bể nước. Mạch đo chiều cao mực nước sử dụng cảm biến siêu âm là một giải pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí cho các hệ thống đo đạc mực nước. Nó được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng và thủy lợi.

có thể kể đến như dung trong hồ bơi, các bồn chứa nước trong công nghiệp, hoặc các bồn chứa máy bơm nước. Mạch đo chiều cao mực nước SVTH: Trần Trí Cường ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 13 1.1 CHIP VI ĐIỀU KHIỂN 16F877A PIC 16F877A là một loại vi điều khiển dòng 8-bit của hãng Microchip Technology. Đây là một trong những loại vi điều khiển phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử, điều khiển và tự động hóa. Đặc điểm nổi bật của PIC 16F877A bao gồm: - Vi điều khiển 8-bit với bộ nhớ lưu trữ chương trình (flash) 14K và bộ nhớ lưu trữ dữ liệu SRAM 368 byte.

- Tần số hoạt động tối đa lên tới 20 MHz với nguồn cấp 5V. - Có 35 chân kết nối I/O với khả năng đầu vào/tín hiệu đầu ra (input/output) và khả năng đầu vào dòng (input current sinking) và đầu ra dòng (output current sourcing). - Hỗ trợ giao tiếp thông qua các giao thức như USART, SPI, I2C. - Hỗ trợ các tính năng điều khiển như Timer/Counter, Watchdog Timer và Capture/Compare/PWM (CCP).

Các thông số kỹ thuật chính của PIC 16F877A bao gồm: - Kiến trúc vi xử lý RISC với 35 lệnh thực thi. - Điện áp cung cấp từ 4V đến 5. - Dòng tiêu thụ năng lượng thấp, chỉ từ 2mA đến 10mA. - Điện áp đầu vào tín hiệu từ 0 đến 5V.

- Tần số xung nội 4 MHz đến 20 MHz. Mạch đo chiều cao mực nước SVTH: Trần Trí Cường ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 14 PIC 16F877A là một vi điều khiển linh hoạt và tiện lợi, được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như hệ thống đèn giao thông, điều khiển thiết bị điện tử, hệ thống bảo mật và điều khiển robot. Hình TỔNG QUAN-1.2 CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SR04 Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một trong những loại cảm biến phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử và tự động hóa. Đây là một loại cảm biến đo khoảng cách bằng sóng siêu âm.

Đặc điểm nổi bật của cảm biến HC-SR04 bao gồm: - Có khả năng đo khoảng cách từ 2cm đến 400cm với độ chính xác cao. - Sử dụng nguồn cấp từ 5V đến 15V. - Có hai chân kết nối: Trig (đầu vào tín hiệu điều khiển) và Echo (đầu ra tín hiệu). - Sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách và có khả năng chống nhiễu tốt.

- Thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt và sử dụng. Mạch đo chiều cao mực nước SVTH: Trần Trí Cường ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 15 Các thông số kỹ thuật chính của cảm biến HC-SR04 bao gồm: - Khoảng cách đo tối thiểu: 2cm. - Khoảng cách đo tối đa: 400cm. - Thời gian đo: từ 50ms đến 60ms.

- Điện áp hoạt động: 5V DC. Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một giải pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng đo khoảng cách. Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như robot, hệ thống an ninh, hệ thống đo đạc và kiểm tra, hệ thống tự động hóa và các ứng dụng liên quan đến khoảng cách. Hình TỔNG QUAN-2.

Cảm biến siêu âm HC-SR04 1.3 LIQUID CRYSTAL DISPLAY (LCD)’ LCD là viết tắt của từ tiếng Anh "Liquid Crystal Display", tạm dịch là "Màn hình tinh thể lỏng". Đây là một loại màn hình phẳng được sử dụng rộng rãi trên các thiết bị điện Mạch đo chiều cao mực nước SVTH: Trần Trí Cường ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 16 tử như máy tính, điện thoại, máy ảnh, tivi, v. Thông tin cơ bản về LCD: - LCD sử dụng tinh thể lỏng và các bộ lọc để hiển thị hình ảnh. - Nguồn sáng phía sau màn hình chiếu qua các tinh thể lỏng, tạo nên hình ảnh được hiển thị trên màn hình.

- LCD có khả năng hiển thị hình ảnh chất lượng cao và tiết kiệm năng lượng hơn so với các loại màn hình khác như CRT (Cathode Ray Tube). Thông tin kỹ thuật về LCD: - Kích thước màn hình: Thường được đo bằng đường chéo của màn hình, đơn vị là inch. - Độ phân giải: Số điểm ảnh tối đa có thể hiển thị trên màn hình. Được đo bằng số điểm ảnh theo chiều ngang và dọc.

Ví dụ: 1920x1080 là độ phân giải Full HD. - Tỷ lệ khung hình: Số khung hình màn hình có thể hiển thị mỗi giây, đơn vị là Hz. Ví dụ: 60Hz là tỷ lệ khung hình phổ biến trên các màn hình hiện nay. - Thời gian đáp ứng: Thời gian cần để thay đổi từ trạng thái tối sang trạng thái sáng, hoặc ngược lại.

Đơn vị là mili giây (ms). Thời gian đáp ứng thấp hơn sẽ giúp giảm hiện tượng mờ hình, hiện tượng hình ảnh kéo dài, đặc biệt khi xem phim hoặc chơi game. Mạch đo chiều cao mực nước SVTH: Trần Trí Cường ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 17 Hình TỔNG QUAN-3. LCD Hình TỔNG QUAN-4.

Thông số kỹ thuật LCD Mạch đo chiều cao mực nước SVTH: Trần Trí Cường ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 18 1.4 BIẾN TRỞ Biến trở 10k là một loại biến trở có trở kháng định mức là 10 kOhm (kilo-ohm). Đây là một loại linh kiện điện tử thường được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh trở kháng và dòng điện. Thông tin cơ bản về biến trở 10k: - Biến trở 10k có thể được điều chỉnh để thay đổi trở kháng theo nhu cầu. - Biến trở 10k thường được thiết kế để có thể xoay hoặc kéo lên/kéo xuống để thay đổi trở kháng.

- Biến trở 10k có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh tần số, độ sáng, âm lượng, v. Thông tin kỹ thuật về biến trở 10k: - Trở kháng định mức: 10 kOhm. - Sai số trở kháng: Thường là +/- 5% hoặc +/- 10%. - Công suất định mức: Tùy thuộc vào thiết kế của từng loại biến trở.

Thông thường, công suất định mức của biến trở 10k dao động từ 0. - Điện áp định mức: Thường là 250VAC hoặc 300VDC. - Tuổi thọ: Tùy thuộc vào chất lượng của từng loại biến trở và điều kiện sử dụng. Thông thường, tuổi thọ của biến trở 10k là khoảng 10.000 lần xoay/kéo trở.

Mạch đo chiều cao mực nước SVTH: Trần Trí Cường ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 19 - Hình TỔNG QUAN-5. Biến trở 10k Mạch đo chiều cao mực nước SVTH: Trần Trí Cường ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 20 1.5 TỤ ĐIỆN Tụ 22p là một loại tụ điện có dung lượng định mức là 22 picofarad (pF). Tụ điện này thường được sử dụng trong các mạch điện tử như bộ lọc tín hiệu và giảm nhiễu. Thông tin cơ bản về tụ 22p: - Tụ 22p có dung lượng định mức là 22 pF.

- Tụ 22p có thể được làm từ nhiều loại vật liệu điện cách ly như ceramic, mica, v. - Tụ 22p thường được sử dụng để lọc tín hiệu và giảm nhiễu trong các mạch điện tử. Thông tin kỹ thuật về tụ 22p: - Dung lượng định mức: 22 pF. - Điện áp định mức: Tùy thuộc vào từng loại tụ và được ghi rõ trên nhãn của từng tụ.

Thông thường, điện áp định mức của tụ 22p dao động từ 25V đến 50V. - Sai số dung lượng: Thường là +/- 5% hoặc +/- 10%. - Nhiệt độ hoạt động: Tùy thuộc vào từng loại tụ. Thông thường, tụ 22p có thể hoạt động ở nhiệt độ từ -55 độ C đến +125 độ C.

- Kích thước: Tùy thuộc vào từng loại tụ và được ghi rõ trên nhãn của từng tụ. Mạch đo chiều cao mực nước SVTH: Trần Trí Cường ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 21 Hình TỔNG QUAN-6.6 THẠCH ANH Thạch anh 20M (20 MHz quartz crystal) là một loại bộ phận điện tử được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử như bộ phân tần tín hiệu và các ứng dụng điện tử khác. Thạch anh 20M được đặt tên theo tần số tần số hoạt động của nó là 20 MHz. Thông tin cơ bản về thạch anh 20M: - Thạch anh 20M là một loại bộ phận điện tử tần số cao.

- Thạch anh 20M được sử dụng để sinh tín hiệu chính xác, ổn định trong các mạch điện tử. - Thạch anh 20M được gắn trực tiếp trên mạch in và có dạng hình thang hoặc hình vuông. Thông tin kỹ thuật về thạch anh 20M: Mạch đo chiều cao mực nước SVTH: Trần Trí Cường ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 22 - Tần số hoạt động: 20 MHz. - Sai số tần số: Thường là +/- 10 ppm hoặc +/- 20 ppm.

- Điện áp định mức: Thường là 5V hoặc 3.3V, tùy thuộc vào mạch điện tử cụ thể mà thạch anh được sử dụng. - Nhiệt độ hoạt động: Tùy thuộc vào từng loại thạch anh. Thông thường, thạch anh 20M có thể hoạt động ở nhiệt độ từ -10 độ C đến +60 độ C. - Kích thước: Tùy thuộc vào từng loại thạch anh và được ghi rõ trên datasheet của từng sản phẩm.

Hình TỔNG QUAN-7.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: Trong mạch đo chiều cao mực nước dùng cảm biến siêu âm, ta vận dụng các kiến thức về Timer1, TRIS, PORT của vi điều khiển, cách hoạt động và hiển thị của LCD và nguyên lí hoạt động của cảm biến siêu âm HC-SR04 để tính toán chiều cao mực nước. Mạch đo chiều cao mực nước SVTH: Trần Trí Cường ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 23 - TRIS, PORT: Các cổng ngõ vào (tín hiệu từ cảm biến) và các cổng ngõ ra (trích xuất số liệu và hiển thị lên LCD.