ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN tử ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CƠ ĐIỆN tử ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC
MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật đang thay đổi từng ngày, từng giờ và chúng ta - những con người của kỹ thuật cũng phải thay đổi tầm nhìn của mình để theo kịp công nghệ hiện đại. Trọng tâm của khoa học kỹ thuật trong nền văn minh công nghiệp này đặt vào 5 lĩnh vực chính đó là công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu, công nghệ năng lượng, công nghệ sinh học và công nghệ tự động. Từ khi VI ĐIỀU KHIỂN ra đời, nó đã tạo nên một bước ngoặc mới cho sự phát triển của tự động hóa trong công nghiệp, sự xuất hiện của VĐK trong các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện nay đã chứng minh được điều đó.Hệ thống điều khiển dùng VĐK có khả năng chống nhiễu, khả năng giao tiếp công suất và tính đơn giản trong lập trình. Cùng với sự ra đời của các phần mềm giám sát và thu thập dữ liệu, VĐK đã trở thành sự lựa chọn hoàn hảo cho các hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp.
Nhằm ứng dụng các kiến thức đã được trang bị trong quá trình học tập vào thực tế, nhóm thực hiện đã lựa chọn đề tài “ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC”. Nội dung chính của hệ thống là xử lý tín hiệu từ cảm biến siêu âm SRF05 đo mức để điều khiển hoạt động của hệ thống bơm ổn định mực chất lỏng trong bồn. Hệ thống này có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống như hệ thống chiết rót chai tự động, hệ thống pha trộn nguyên liệu chất lỏng, các trạm chứa nước cung cấp cho sinh hoạt và sản xuất. Ngoài ra, nó còn có thể làm nền tảng để ứng dụng các thuật toán điều khiển vào các hệ thống khác như hệ thống ổn định lò nhiệt, hệ thống ổn định áp suất đường ống dẫn chất lỏng…
Những kiến thức, năng lực đạt được trong quá trình học tập ở trường sẽ được đánh giá qua đợt bảo vệ đồ án cuối khóa. Vì vậy, nhóm thực hiện đề tài cố gắng tận dụng những kiến thức đã học ở trường cùng với sự tìm tòi, nghiên cứu và hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn cùng Thầy/Cô thuộc Khoa Cơ Khí – Bộ Môn Cơ Điện Tử để có thể hoàn thành tốt đồ án này.
Mặc dù, nhóm thực hiện đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt ra và đúng thời hạn nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, mong các quý Thầy/Cô và các bạn thông cảm.Nhóm thực hiện đề tài mong nhận được những ý kiến đóng góp từ quý Thầy/Cô và các bạn.
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.. i
LỜI CẢM ƠN.. ii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN.. iii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN.. iv
MỤC LỤC.. v
DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH.. vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. ix
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.. 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ. 1
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 2
1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 2
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 3
2.1 TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05. 3
2.1.1 Giới thiệu. 3
2.1.2 Các chế độ của SRF05. 4
2.1.3 Tính toán khoảng cách. 6
2.1.4 Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05. 7
2.2 TÌM HIỂU VỀ PIC16F877. 9
2.2.1 Giới thiệu và các đặc tính nổi bật của PIC 16F877. 9
2.2.2 Cấu tạo của PIC16F877. 11
2.2.3 Tổ chức bộ nhớ PIC 16F877. 14
2.2.4 Sự tổ chức dữ liệu RAM.. 14
2.2.5 Cổng vào ra. 17
2.2.6 Các bộ Timer 17
2.2.6.1 Timer 0. 17
2.2.6.2 Timer 1. 20
2.2.6.3 Timer 2. 21
2.2.7 Truyên nhận dữ liệu. 22
2.2.8 Bộ chuyển đổi tương tự sang số. 22
2.3 TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM VB VÀ CỔNG NỐI TIẾP COM.. 23
2.3.1 Tìm hiểu về phần mềm VB.. 23
2.3.2 Tìm hiểu cổng nối tiếp COM.. 23
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG.. 25
3.1 YÊU CẦU THIẾT KẾ. 25
3.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG.. 25
3.2.1 Lựa chọn phần cứng. 25
3.2.2 Khối xử lí và khối điều khiển trung tâm.. 27
3.2.3 Khối cảm biến. 29
3.2.4 Cơ cấu chấp hành. 29
3.2.5 Khối hiển thị 30
3.3 THIẾT KẾ MẠCH CỦA HỆ THỐNG.. 32
3.3.1 Sơ đồ mạch khối vi xử lí 33
3.3.2 Sơ đồ mạch khối cảm biến. 34
3.3.3 Sơ đồ mạch khối nguồn. 35
3.3.4 Sơ đồ mạch RS232. 37
3.3.5 Sơ đồ mạch ngõ ra. 39
3.3.6 Sơ đồ mạch hiển thị LCD.. 40
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI 42
4.1 MÔ HÌNH SAU THI CÔNG.. 42
4.2 GIAO DIỆN GIÁM SÁT SAU KHI THI CÔNG.. 44
CHƯƠNG 5: NHẬN XÉT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.. 45
5.1 KẾT LUẬN.. 45
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN.. 45
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 46
DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH
Hình ........................................................................................................................ trang
Hình 2.1 Sơ đồ chân của SRF05................................................................................. 3
Hình 2.2 Giản đồ định thời SRF05 chế độ phản hồi và kích hoạt........................ 4
Hình 2.3 Giản đồ định thời chế độ một chân chung............................................... 5
Hình 2.4 độ rộng tia và chùm của SRF05................................................................. 7
Hình 2.5 Nguyên tắc cơ bản của sonar..................................................................... 7
Hình 2.6 Vùng phát hiện của SRF05......................................................................... 8
Hình 2.7 Sơ đồ chân PIC 17F877............................................................................. 11
Hình 2.8 Sơ đồ khối PIC 16F877............................................................................. 12
Hình 2.9 Sơ đồ bank của RAM................................................................................ 13
Hình 2.10 Sơ đồ khối của Timer 0 và WDT........................................................... 17
Hình 2.11 Sơ đồ khối Timer 1.................................................................................. 21
Hình 2.12 Sơ đồ khối Timer 2.................................................................................. 22
Hình 2.13 Cổng COM 9 chân (DB9)....................................................................... 24
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống........................................................................... 26
Hình 3.2 PIC 16F877................................................................................................. 28
Hình 3.3 Cảm biến SRF05........................................................................................ 29
Hình 3.4 Bơm chìm AP2500..................................................................................... 30
Hình 3.5 LCD 16x2.................................................................................................... 30
Hình 3.6 Sơ đồ chân LCD 16x2............................................................................... 31
Hình 3.7 Sơ đồ toàn mạch của đề tài....................................................................... 32
Hình 3.8 Sơ đồ vi xử lí.............................................................................................. 33
Hình 3.9 Sơ đồ mạch khối cảm biến....................................................................... 34
Hình 3.10 Sơ đồ khối mạch nguồn.......................................................................... 35
Hình 3.11 IC7805....................................................................................................... 35
Hình 3.12 Bảng thông số IC 7805............................................................................ 36
Hình 3.13 Sơ đồ mạch RS232.................................................................................. 37
Hình 3.14 Sơ đồ chân IC MAX232.......................................................................... 38
Hình 3.15 Sơ đồ ngõ ra.............................................................................................. 39
Hình 3.16 Sơ đồ mạch hiển thị LCD....................................................................... 40
Hình 3.17 Lưu đồ giải thuật...................................................................................... 41
Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống sau khi thi công............................................................... 42
Hình 4.2 Sơ đồ mạch sau khi thi công.................................................................... 43
Hình 4.3 Giao diện giao tiếp.................................................................................... 44
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
VB (Visual Basic)
BASIC (Beginners All –Purpose Symbolic Instruction Code)
RS (Register Select)
VBA (Visual Basic for Application)
E (Enable)
DTE (Data Terminal Equipment)
DCE (Data Communication Equipment)
PLC( Programmable Logic Device)
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
- ĐẶT VẤN ĐỀ
Tự động hóa quá trình công nghệ đã thực sự phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp, là sự lựa chọn tối ưu trong mọi lĩnh vực nhằm tạo ra sản phẩm chất lượng cao, tiết kiệm chi phí sản xuất tạo khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường.
Hiện nay, sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, trong đó kỹ thuật điều khiển tự động cũng góp phần rất lớn tạo điều kiện để nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất.
Trong các ngành công nghiệpsản xuất chất lỏng như hóa chất, nước uống đóng chai, sữa, nước mắm, dầu ăn… vấn đề cần điều khiển mức, lưu lượng dòng chảy cần đáp ứng với độ chính xác cao để phục vụ quá trình sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn, đảm bảo quá trình sản xuất các chất lỏng không bị gián đoạn, tăng tuổi thọ thiết bị. Người vận hành không cần phải trực tiếp kiểm tra trong các bồn chứa hoặc đóng mở bơm liên tục, vấn đề bị cạn hay tràn trong bồn chứa chất lỏng hoàn toàn được khắc phục cho dù đầu ra thay đổi.
Chính vì vậy, chúng tôi chọn đề tài “ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC”. Với yêu cầu ứng dụng thực tế trên, đối tượng đề tài thực hiện chính ở đây là hệ thống bồn nước, hệ thống bồn nước được hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng nhưng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trước, mực chất lỏng trong bồn được duy trì ổn định. Để làm được điều này, nó đòi hỏi ta phải điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm vào hệ thống bồn nước, làm mực nước trong bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trước là không đổi.Việc điều khiển hệ thống để giữ được mức chất lỏng trong bồn ổn định là tương đối khó, cần phải có sự đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm khi lưu lượng nước xả thay đổi.
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, đặc biệt là ngành tự động điều khiển, nó được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, công nghiệp.Vì vậy cần phải có những bộ điều khiển hiện đại, chính xác và đáng tin cậy.VĐK là một sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng trong công nghiệp với độ chính xác, ổn định và độ tin cậy cao.
Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiều cách để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nước, nhưng ở đây chúng tôi sử dụng VĐK SRF05 để điều khiển, sử dụng công cụ VB (Visual Basic) giao tiếp hiển thị trực tiếp VĐK lên máy tính.
- MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Sau khi xác định được đối tượng, chủ thể và giới hạn phạm vi nghiên cứu, việc xác định mục tiêu sẽ là bước quan trọng kế tiếp nhằm định hướng đúng đắn cho quy trình thực hiện đề tài. Mục tiêu đề tài cụ thể được thể hiện như sau:
- Thiết kế, thi công hệ thống bơm ổn định mực nước.
- Thiết kế mạch điều khiển mực nước SRF05.
- Lập trình cho VĐK theo yêu cầu của đề tài, ổn định mức nước theo thông số cài đặt.
- Sử dụng phần mềm VB để điều khiển giám sát hệ thống ổn định mức nước.
- NỘI DUNG ĐỀ TÀI
Phần còn lại của đề tài có nội dung như sau:
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này trình bày về cảm biến SRF05 (cấu tạo, nguyên lí hoạt động, ứng dụng….), VĐK sử dụng là PIC 16F877 (cấu tạo, nguyên lí hoạt động, chức năng,….).
Chương 3: Thiết kế hệ thống
Nếu chương 2 chúng ta trình bày cơ sở lý thiết thì chương 3 chúng ta trình bày về cách thiết kế hệ thống, hệ thống được chia làm 2 phần chính đó là thiết kế phần cứng và thiết kế, lập trình phần mềm
Chương 4:
Kết quả của đề tài được trình bày, mô tả trong chương này
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Chương cuối cùng trình bày về vấn đề đã giải quyết và chưa giải quyết mở ra hướng mới cho các đề tài sau này.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Để thiết kế và thi công hoàn thành một hệ thống ổn định và chính xác chúng ta cần phải có được thông tin đầy đủ về hệ thống. Vì vậy, chương 2 này chúng ta trình bày các cơ sở lý thuyết về nó.
2.1 TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05
2.1.1 Giới thiệu
Cảm biến siêu âm SRF05 là một bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, ngoài ra còn giảm bớt chi phí. SRF05 là hoàn toàn tương thích với SRF04. Khoảng cách được tăng từ 3 mét đến 4 mét.
SRF05 cho phép sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, dó đó tiết kiệm giá trị trên chân điều khiển. Khi chân chế độ không kết nối thì SRF05 hoạt động riêng biệt chân kích hoạt và chân hồi tiếp, như SRF04, SRF05 bao gồm một thời gian trễ trước khi xung phản hồi để mang lại điều khiển chậm hơn chẳng hạn như bộ điều khiển thời gian cơ bản Stamp và Picaxe để thực hiện các xung lệnh.
Hình 2.1 Sơ đồ chân của SRF05
2.1.2 Các chế độ của SRF05
- Chế độ 1: Tương ứng SRF04 – tách biệt chân kích hoạt và phản hồi
Chế độ này sử dụng riêng biệt chân kích hoạt và phản hồi, và là chế độ đơn giản nhất để sử dụng. Tất cả các chương trình điển hình của SRF04 sẽ làm việc cho SRF05 ở chế độ này. Để sử dụng chế độ này, chỉ cần chân chế độ không kết nối – SRF05 có 1 nội dừng trên chân này.
Giản đồ định thời SRF05, chế độ tách biệt và phản hồi.
Hình 2.2 Giản đồ định thời SRF05 chế độ phản hồi và kích hoạt
Ở chế độ này theo giản đồ ta thấy:
Để cho SRF05 hoạt động thì cần cấp một xung mức cao có độ rộng xung >= 10us trên chân kích hoạt.
Sau khi nhận được xung từ chân kích hoạt thì SRF05 sẽ tạo ra 8 xung để phát siêu âm, sau khi hoàn thành việc phát 8 xung này thì SRF05 sẽ kéo chân phản hồi
lên mức 1, độ rộng xung trên chân phản hồi tương ứng với khoảng cách của vật cản với SRf05, nếu không có vật cản thì nó sẽ trả về mức 0 sau 30ms
Đặc biệt lưu ý SRf05 chỉ có thể nhận xung kích hoạt trên chân kích hoạt tối đa là 20Hz, nên việc kích xung trên chân kích hoạt phải phù hợp thì SRF05 mới hoạt động chính xác.
- Chế độ 2 – dùng một chân cho cả kích hoạt và phản hồi
Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và phản hồi, và được thiết kế để lưu trữ các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng. Để sử dụng chế độ này, chân chế độ kết nối vào chân mass. Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân với tín hiệu kích hoạt. SRF05 sẽ không tăng dòng hồi tiếp cho đến 700us sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt.
Hình 2.3 Giản đồ định thời chế độ một chân chung cho cả kích hoạt và phản hồi
Để sử dụng chế độ này với các Stamp BS2 cơ bản, ta chỉ cần sử dùng PULSOUT và PLUSin trên cùng một chân:
- SRF05 PIN 5 sử dụng pin cho cả hai và kích hoạt echo
- Range VAR Word xác định phạm vi biến 16 bit SRF05 = 0 ‘bắt đầu bằng pin thấp
- PULSOUT SRF05, 5 đưa ra kích hoạt pulse 10uS (5 x 2uS)
- PULSIN SRF05, 1, Range echo đo thời gian
- Range =Range/29 để chuyển qua cm(chia 74 cho inch)
2.1.3 Tính toán khoảng cách
Giản đồ định thời trên SRF05 thể hiện ở hai chế độ trên. Chỉ cần cung cấp một đoạn xung ngắn 10us kích hoạt vào để bắt đầu đo khoảng cách. Các SRF05 sẽ cho ra một chu kỳ 8 xung nhịp của siêu âm ở 40Khz và tăng cao dòng phản hồi của nó(hoặc chế độ kích hoạt 2 dòng). Sau đó chờ phản hồi, và ngay sau khi phát hiện vật cản nó giảm dòng phản hồi lại. Dòng phản hồi là một xung có chiều rộng tỷ lệ với khoảng cách đến đối tượng. Bằng cách đo xung, ta hoàn toàn có thể tính toán khoảng cách theo cm/inch hoặc đơn vị khác. Nếu không phát hiện thấy vật cản thì SRF05 giảm thấp hơn dòng phản hồi của nó sau khoảng 30 ms.
SRF05 có thể được kích hoạt nhanh chóng với mọi 50mS, hoặc 20 lần mỗi giây. Bạn nên chờ 50ms trước khi kích hoạt kế tiếp, ngay cả khi SRF05 phát hiện một đối tượng gần và xung phản hồi ngắn hơn. Điều này là để đảm bảo các siêu âm “beep” đã phai mờ và sẽ không gây ra sai phản hồi ở lần đo kế tiếp.
Các thiết lập khác của chân 5:
Chân 5 được đóng nhẫn là “programming pins” được sử dụng một lần duy nhất trong quá trình sản xuất để lập trình cho bộ nhớ Flash trên chip PIC16F877. Các chương trình của PIC16F877 pins cũng được sử dụng cho các chức năng khác trên SRF05, nên chắc chắn rằng bạn không kết nối bất cứ cái gì với các chân, hoặc sẽ làm gián đoạn hoạt động mô-đun.
Thay đổi độ rộng tia và độ rông chùm:
Chùm tia của SRF05 có dạng hình nón với độ rộng của chùm là một hàm của diện tích mặt của các cảm biến và là cố định. Chùm tia của cảm biến được sử dụng trên SRF05 được biểu diển nhu sau
Hình 2.4 độ rộng tia và chùm của SRF05
2.1.4 Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05
Nguyên tắc cơ bản của sonar: là tạo ra xung âm thanh điện từ và sau đó lắng nghe tiếng vọng tạo ra khi các sóng âm thanh số truy cập một đối tượng và được phản xạ trở lại. Để tính thời gian cho sóng phản hồi trở về, một ước tính chính xác có thể được làm bằng khoảng cách tới đối tượng. Xung âm thanh được tạo ra bởi SRF05 là siêu âm, nghĩa là nó ở trên phạm vi nhận xét của con người. Trong khi tần số thấp có thể được sử dụng trong các loại ứng dụng, tần số cao hơn thực hiện tốt hơn cho phạm vi ngắn, nhu cầu độ chính xác cao.
Hình 2.5 Nguyên tắc cơ bản của sonar
Một số đặc điểm khác của cảm biến SRF05
Mức độ sóng âm hồi tiếp phụ thuộc vào cấu tạo của đối tượng và góc phản xạ của nó. Một đối tượng mềm có thể cho ra tín hiệu phản hồi yếu hoặc không có phản hồi. Một đối tượng ở một góc cân đối thì mới có thể chuyển thành tín hiệu một chiều cho cảm biến nhận
Vùng phát hiện của SRF05
Nếu ngưỡng phát hiện quá gần với cảm biến thì các đối tượng trên một đường có thể bị va chạm tại một điểm mù. Nếu ngưỡng phát hiện đặt ở một khoảng cách quá lớn từ các cảm biến thì các đối tượng sẽ được phát hiện mà không phải là trên một đường va chạm.
..............................................................................
CHƯƠNG 5: NHẬN XÉT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
5.1 KẾT LUẬN
Sau hơn một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, tham khảo nhiều tài liệu và được sự hướng dẫn của thầy cô, nhóm đã thực hiện xong đề tài : ‘‘ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC’’. Việc hoàn thành đề tài với những nội dung và mục tiêu đề ra ban đầu đã đem lại cho nhóm thực hiện một lượng kiến thức bổ ích, thiết thực và có khả năng ứng dụng trong thực tế. Sau thời gian thực hiện đồ án, nhóm đã hoàn thành được những công việc sau :
- Xây dựng, thiết kế thi công mô hình bồn nước
- Tìm hiểu vầ thiết kế mạch cảm biến SRF05
- Lập trình giao diện giao tiếp RS232 với máy tính
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Đề tài ‘‘Ổn định mức nước’’được thực hiện trên mô hình thí nghiệm. Để đưa đề tài này vào áp dụng trong thực tiễn đời sống và sản xuất thì cần phải nâng cấp và mở rộng hệ thống hơn nữa. Chẳng hạn, đối với các bồn chứa chất lỏng cỡ lớn, các cơ cấu bơm, xả lớn với tần suất liên tục thì cần phải nâng cấp hệ thống bơm cho phù hợp, thay cảm biến siêu âm có tầm đo lớn hơn.
Hệ thống chỉ mới đáp ứng được yêu cầu điều khiển ổn định mực chất lỏng nhưng chưa đáp ứng được điều khiển ổn định mực nước theo thời gian yêu cầu. Do đó, trong tương lai, chúng ta có thể kết hợp với các phương pháp, các thuật toán… để hệ thống có thể đáp ứng ổn định mức theo thời gian mong muốn.
Ngoài ra, dựa vào ứng dụng và tầm khả năng hoạt động , chúng ta có thể phát triển thành các đề tài khác như hệ thống ổn định lò nhiệt, hệ thống ổn định áp suất,
