Thiết kế hệ thống đo mức nước sông tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

.......................................

HỒ AN NINH

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO MỨC NƯỚC SÔNG
TỰ ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS. NGUYỄN VĂN ĐỨC

HÀ NỘI – 2010


MỤC LỤC

Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................... 7
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................... 9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.............................................................. 10
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 13
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................... 14
1.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 14
1.2. Các yêu cầu về thiết kế của hệ thống ........................................................... 14
1.3. Các yêu cầu về chức năng của hệ thống....................................................... 15
1.4. Sơ đồ khối của hệ thống................................................................................ 15
CHƯƠNG 2: KHỐI ĐO MỨC NƯỚC............................................................... 17
2.1. Cảm biến siêu âm .......................................................................................... 17

2.1.1. Siêu âm là gì? ............................................................................................. 17
2.1.2. Giới thiệu cảm biến siêu âm ...................................................................... 18
2.1.3. Ứng dụng của cảm biến siêu âm................................................................ 18
2.1.4. Cấu tạo của cảm biến siêu âm ................................................................... 19
2.1.5. Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm .............................................. 19
2.1.6. Nguyên lý đo mức nước bằng cảm biến siêu âm ...................................... 20
2.1.6.1. Sai số lặp .................................................................................................. 22
2.1.6.2. Hiện tượng forecasting .............................................................................. 22
2.1.6.3. Hiện tượng đọc chéo ................................................................................. 23
2.1.7. Một số cảm biến siêu âm thông dụng ........................................................ 25
2.1.7.1. SRF485WPR - cảm biến siêu âm bù nhiệt độ ............................................ 25
2.1.7.2. SRF06 - Cảm biến siêu âm vòng lặp dòng điện 4 – 20mA ........................ 25
2.1.7.3. SRF01- Cảm biến siêu âm loại nhỏ nhất trên thế giới................................ 25
2.1.7.4. SRF08 - Cảm biến siêu âm hiệu suất cao .................................................. 26
2.1.7.5. SRF02 - Cảm biến siêu âm hiệu suất cao, giá thành rẻ .............................. 26

2


2.1.7.6. SRF05 - Cảm biến giá rẻ ........................................................................... 26
2.1.7.7. SRF235 - Cảm biến siêu âm “bút chì”....................................................... 27
2.1.7.8. SRF10 - Cảm biến siêu âm biến năng kép nhỏ nhất thế giới ...................... 27
2.1.7.9. SRF04 - Cảm biến siêu âm thông dụng ..................................................... 27
2.1.8. Ứng dụng cảm biến siêu âm đo mức nước - SRF05 ................................. 28
2.1.8.1. Giới thiệu .................................................................................................. 28
2.1.8.2. Các chế độ hoạt động ................................................................................ 28
2.2. Cảm biến áp suất .......................................................................................... 31
2.2.1. Áp suất và đơn vị đo .................................................................................. 31
2.2.2. Nguyên lý đo áp suất.................................................................................. 32
2.2.3. Áp kế vi sai dựa trên nguyên tắc cân bằng thuỷ tĩnh ............................... 34

2.2.3.1. Áp kế vi sai kiểu phao ............................................................................... 34
2.2.3.2. Áp kế vi sai kiểu chuông ........................................................................... 35
2.2.4. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng ......................................... 37
2.2.4.1. Phần tử biến dạng ..................................................................................... 37
2.2.4.2. Các bộ chuyển đổi điện ............................................................................. 42
2.2.5. Tín hiệu điện đầu ra của cảm biến áp suất .............................................. 48
2.2.5.1. Bộ chuyển đổi áp suất đầu ra millivolt ..................................................... 48
2.2.5.2. Bộ chuyển đổi đầu ra điện áp ................................................................... 49
2.2.5.3. Bộ chuyển đổi áp suất đầu ra dòng 4 – 20mA .......................................... 49
2.2.6. Một số cảm biến áp suất thông dụng ........................................................ 49
2.2.6.1. Tổng quan về kỹ thuật............................................................................... 49
2.2.6.2. Các đặc điểm vượt trội .............................................................................. 50
2.2.6.3. Phạm vi đo áp .......................................................................................... 50
2.2.6.4. Đầu ra và nguồn cấp ................................................................................. 50
2.2.7. Ứng dụng cảm biến áp suất đo mức nước - Huba 511 ............................. 50
2.2.7.1. Tổng quan kĩ thuật ................................................................................... 50
2.2.7.2. Đặc điểm kỹ thuật .................................................................................... 51
2.2.7.3. Cấu tạo ..................................................................................................... 51

3


2.3. Vi điều khiển AVR ATmega8 ....................................................................... 52
2.3.1. Giới thiệu .................................................................................................... 52
2.3.2. Bộ nhớ trên AVR ATmega8 ...................................................................... 54
2.3.2.1. Bộ nhớ chương trình Flash ........................................................................ 54
2.3.2.2. Bộ nhớ SRAM .......................................................................................... 55
2.3.2.3. Bộ nhớ dữ liệu EEPROM.......................................................................... 56
2.3.3. Timer/Counter trên AVR ATmega8 ......................................................... 57
2.3.3.1.Timer/Counter1 ......................................................................................... 58

2.3.4. Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) ..................................................... 61
CHƯƠNG 3: KHỐI XỬ LÝ DỮ LIỆU .............................................................. 62
3.1. Vi xử lý PSoC 29466 ..................................................................................... 62
3.1.1. Tính năng của vi xử lý PsoC 29466 ........................................................... 62
3.1.1.1. Các đặc tính chung.................................................................................... 64
3.1.1.2. Có thể cấu hình các khối trong chip .......................................................... 64
3.1.1.3. Giao thức truyền ....................................................................................... 64
3.1.2. Các cổng vào ra đa chức năng ................................................................... 64
3.1.2.1. Vào ra số................................................................................................... 65
3.1.2.2. Vào ra toàn cục ......................................................................................... 65
3.1.2.3. Vào ra tương tự ......................................................................................... 65
3.1.2.4. Các ngắt của khối GPIO............................................................................ 66
3.1.3. Các thanh ghi của GPIO ........................................................................... 66
3.1.3.1. Thanh ghi PRTxDR .................................................................................. 67
3.1.3.2. Thanh ghi PRTxIE .................................................................................... 67
3.1.3.3. Thanh ghi PRTxGS................................................................................... 67
3.1.3.4. Thanh ghi PRTxDM2x.............................................................................. 67
3.1.3.5. Thanh ghi PRTxICx .................................................................................. 68
3.1.4. Các bộ truyền thông trên PsoC ................................................................. 68
3.1.4.1. Bộ truyền thông không đồng bộ UART, TX, RX ...................................... 68
3.1.4.2. Bộ truyền thông SPI Master ...................................................................... 68

4


3.1.4.3. Bộ truyền thông SPI Slave ........................................................................ 69
3.1.5. Công cụ phát triển ..................................................................................... 69
3.2. LCD ............................................................................................................... 69
3.2.1. Giới thiệu LCD........................................................................................... 69
3.2.2. Đặc tính làm việc các chân LCD ............................................................... 71

3.3. Bàn phím ....................................................................................................... 71
3.3.1. Bàn phím Keypad ...................................................................................... 72
3.3.2. Bàn phím keyboard ................................................................................... 72
3.3.2.1. Giới thiệu .................................................................................................. 72
3.3.2.2. Cơ chế hoạt động ..................................................................................... 73
3.3.2.3. Các mã lệnh đặc biệt ................................................................................. 75
3.3.2.4. Giao thức truyền của keyboard.................................................................. 76
3.4. Module GSM Q24 ........................................................................................ 78
3.4.1. Giới thiệu .................................................................................................... 78
3.4.2. Giao tiếp trên module Q24 ........................................................................ 78
3.4.2.1. Giao tiếp nối tiếp ...................................................................................... 78
3.4.2.2. Giao tiếp với bàn phím .............................................................................. 81
3.4.2.3. Giao tiếp với SIM ..................................................................................... 82
3.4.2.4. Giao tiếp audio.......................................................................................... 83
3.4.3. Kết nối với anten ........................................................................................ 84
3.4.4. Câu lệnh AT ............................................................................................... 84
3.4.4.1. Cú pháp lệnh AT ....................................................................................... 84
3.4.4.2. Các lệnh AT thường dùng ......................................................................... 85
3.5. Bộ thu phát không dây HM-TR ................................................................... 86
3.5.1. Giới thiệu .................................................................................................... 87
3.5.1.1. Đặc điểm kỹ thuật ..................................................................................... 87
3.5.1.2. Ứng dụng của module HM-TR ................................................................. 88
3.5.1.3. Sơ đồ chân ra của module HM-TR ............................................................ 88
3.5.1.4. Các chế độ hoạt động của module HM-TR................................................ 89

5


3.5.2. Kết nối module với hệ thống...................................................................... 91
3.6. Phần mềm ..................................................................................................... 92

3.6.1. Giao tiếp RS232 ......................................................................................... 93
3.6.1.1. Giới thiệu .................................................................................................. 93
3.6.1.2. Sơ đồ chân RS232..................................................................................... 94
3.6.1.3. Các đặc trưng điện áp logic ....................................................................... 96
3.6.1.4. Quá trình truyền dữ liệu ............................................................................ 97
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 101

6


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A/D

Analog to Digital conversion

ADC

Analog to Digital Converter

ASCII

American Standard Code for Information Interchange

ACK

Acknowledgment code

CLK

Clock

EN

Enable

EEPROM

Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

FSK

Frequency Shift Keying

FDMA

Frequency Division Multiple Access

GPIO

General Purpose Input/Output

GND

Ground

GSM

Global System for Mobile Communications

LED

Light Emitting Diode

LPT

Line Print Terminal

ICP

Input Capture Pin

I2C

Inter-Integrated Circuit

LCD

Liquid Crystal Display

MCU

Microcontroller

MISO

Master Input Slave Output,

MOSI

Master Ouput Slave Input

OCR

Ouput Compare Register

PWM

Pulse Width Modulation

PsoC

Programmable System on Chip

PC

Personal Computer

RS232

Recommended Standard 232

RF

Radio Frequency

RAM

Random Access Memory

7


ROM

Read Only Memory

RX

Receive

RS

Register select

R/W

Read/Write

SRAM

Static random access memory

SMS

Short Message Service

SCL

Serial Clock

SDA

Serial Data

SIM

Subscriber Identification Module

SPI

Serial Peripheral Interface

SCLK

System Clock

SS

Slave Select

SCK

Serial Clock

TX

Transmit

TIMSK

Timer/Counter Interrupt Mask Register

UART

Universal Asynchronous Receiver and Transmitter

USB

Universal Serial Bus

VCC

Common Collector Voltage

8


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1: Bảng các đơn vị đo áp suất và hệ số chuyển đổi .................................... 32
Bảng 2.2: Chức năng các chân của AVR ATmega8 ............................................... 53
Bảng 2.3: Xung nhịp trong Timer/Counter 1.......................................................... 59
Bảng 2.4: Các bit trong TIMSK ............................................................................. 60
Bảng 3.1: Bảng chức năng các chân của vi xử lý PsoC 29466 ............................... 63
Bảng 3.2: Địa chỉ bit của thanh ghi bên trong ........................................................ 67
Bảng 3.3: Mô tả chi tiết các chân của LCD ............................................................ 71
Bảng 3.4: Các thông số giới hạn của LCD ............................................................. 71
Bảng 3.5: Miền làm việc bình thườngcủa LCD...................................................... 71

Bảng 3.6: Sơ đồ chân chuẩn P/S 2 ......................................................................... 73
Bảng 3.7: Các mã đặc biệt gửi từ máy đến keyboard ............................................. 76
Bảng 3.8: Các chân SPI của Q24 ........................................................................... 79
Bảng 3.9: Chân I2C trên Q24 ................................................................................ 80
Bảng 3.10: Các chân UART .................................................................................. 81
Bảng 3.11: Các chân giao tiếp bàn phím ................................................................ 82
Bảng 3.12: Chân kết nối SIM ................................................................................ 82
Bảng 3.13: Lệnh xem nhà sản xuất ........................................................................ 85
Bảng 3.14: Lệnh xem IMEI ................................................................................... 85
Bảng 3.15: Lệnh xem trạng thái kết nối của SIM ................................................... 85
Bảng 3.16: Lệnh kết nối cuộc gọi .......................................................................... 85
Bảng 3.17: Lệnh định dạng tin nhắn SMS ............................................................. 85
Bảng 3.18: Lệnh gửi tin nhắn ................................................................................ 86
Bảng 3.19: Lệnh liệt kê tin nhắn ............................................................................ 86
Bảng 3.20: Lệnh xóa tin nhắn ................................................................................ 86
Bảng 3.21: Chức năng các chân module HM-TR ................................................... 89
Bảng 3.22: Chức năng các chân chuẩn RS232 ....................................................... 96
Bảng 3.23: Mức điện áp của chuẩn RS-232 ........................................................... 96

9


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống đo mức nước .......................................................... 15
Hình 2.1: Sơ đồ khối đo mức nước ........................................................................ 17
Hình 2.2: Một số hình ảnh về cảm biến siêu âm ..................................................... 18
Hình 2.3: Nguyên lý TOF ...................................................................................... 20
Hình 2.4: Tầm quét của cảm biến siêu âm ............................................................. 21
Hình 2.5: Sự phản xạ của sóng siêu âm trên bề mặt vật liệu ................................... 23

Hình 2.6: Hiện tượng Forecasting .......................................................................... 23
Hình 2.7: Hiện tượng đọc chéo .............................................................................. 24
Hình 2.8: Cảm biến siêu âm SRF485WPR............................................................. 25
Hình 2.9: Cảm biến siêu âm SRF06 ....................................................................... 25
Hình 2.10: Cảm biến siêu âm SRF01 ..................................................................... 25
Hình 2.11: Cảm biến siêu âm SRF08 ..................................................................... 26
Hình 2.12: Cảm biến siêu âm SRF02 ..................................................................... 26
Hình 2.13: Cảm biến siêu âm SRF05 ..................................................................... 26
Hình 2.14: Cảm biến siêu âm SRF235 ................................................................... 27
Hình 2.15: Cảm biến siêu âm SRF10 ..................................................................... 27
Hình 2.16: Cảm biến siêu âm SRF04 ..................................................................... 27
Hình 2.17: Sơ đồ kết nối SRF05 chế độ 1 .............................................................. 29
Hình 2.18: Giản đồ định thời của SRF05 chế độ 1 ................................................. 29
Hình 2.19: Sơ đồ kết nối SRF05 chế độ 2 .............................................................. 30
Hình 2.20: Giản đồ định thời của SRF05 chế độ 2 ................................................. 30
Hình 2.21. Đo áp suất động bằng ống Pilot ............................................................ 33
Hình 2.22: Đo áp suất động bằng màng ................................................................. 34
Hình 2.23: Áp kế vi sai kiểu phao .......................................................................... 35
Hình 2.24: Áp kế vi sai kiểu chuông ...................................................................... 35
Hình 2.25: Phần tử biến dạng kiểu ống hình trụ ..................................................... 37
Hình 2.26: Lò xo ống............................................................................................. 38

10


Hình 2.27: Sơ đồ cấu tạo ống xiphông ................................................................... 40
Hình 2.28: Sơ đồ màng đo áp suất ......................................................................... 41
Hình 2.29: Sơ đồ cấu tạo màng dẻo có tâm cứng ................................................... 42
Hình 2.30: Bộ chuyển đổi kiểu cảm ứng ................................................................ 43
Hình 2.31: Sơ đồ cấu tạo nguyên lý của bộ biến đổi kiểu biến áp vi sai ................. 44

Hình 2.32: Bộ chuyển đổi kiểu điện dung .............................................................. 45
Hình 2.33: Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp trở .......................................................... 46
Hình 2.34: Cảm biến kiểu áp trở ............................................................................ 47
Hình 2.35: Một số cảm biến áp suất thông dụng .................................................... 49
Hình 2.36: Cấu tạo Huba 511 ................................................................................ 51
Hình 2.37: Sơ đồ chân AVR ATmega8 dạng PDIP ................................................ 52
Hình 2.38: Bản đồ bộ nhớ chương trình của AVR ATmega8 ................................. 54
Hình 2.39: Bản đồ bộ nhớ SRAM .......................................................................... 55
Hình 2.40: Thanh ghi EEARH và EEARL ............................................................. 56
Hình 2.41: Thanh ghi EEDR.................................................................................. 56
Hình 2.42: Thanh ghi EECR .................................................................................. 57
Hình 2.43: Thanh ghi TCNT1 ................................................................................ 58
Hình 2.44: Thanh ghi TCCR1A và TCCR1B......................................................... 59
Hình 2.45: Thanh ghi TIMSK................................................................................ 60
Hình 2.46: Thanh ghi OCR1A và OCR1B ............................................................. 60
Hình 2.47: Thanh ghi ICR1 ................................................................................... 61
Hình 3.1: Sơ đồ khối xử lý dữ liệu ......................................................................... 62
Hình 3.2: Sơ đồ chân ra của vi xử lý PsoC 29466 .................................................. 63
Hình 3.3: Sơ đồ chân LCD .................................................................................... 70
Hình 3.4: Bàn phím keypad 4 x 4 .......................................................................... 72
Hình 3.5: Sơ đồ chân keyboard P/S 2 .................................................................... 73
Hình 3.6: Mã quét các phím................................................................................... 74
Hình 3.7: Mã quét các phím mở rộng .................................................................... 75
Hình 3.8: Khung truyền 11 bits từ bàn phím đến máy ............................................ 77

11


Hình 3.9: Khung truyền từ máy đến bàn phím ....................................................... 77
Hình 3.10: Module GSM Q24 .............................................................................. 78

Hình 3.11: Sơ đồ kết nối Q24 với chip slave qua SPI............................................. 79
Hình 3.12: Sơ đồ kết nối Q24 với thiết bị I2C ....................................................... 80
Hình 3.13: Sơ đồ kết nối Q24 với qua chuẩn UART 1 ........................................... 80
Hình 3.14: Sơ đồ nối bàn phím keypad với Q24 .................................................... 82
Hình 3.15: Sơ đồ kết nối Q24 với khe SIM ............................................................ 83
Hình 3.16: Kết nối anten........................................................................................ 84
Hình 3.17: Module HM-TR ................................................................................... 87
Hình 3.18: Module HM-TR loại RS232 và TTL .................................................... 88
Hình 3.19: Sơ đồ chân HM-TR .............................................................................. 89
Hình 3.20 Chế độ config (module RS232) ............................................................. 90
Hình 3.21 Chế độ config (module TTL) ................................................................ 90
Hình 3.22: Giao diện phần mềm config ................................................................. 90
Hình 3.23: Sơ đồ kết nối của module ở chế độ thông thường ................................. 91
Hình 3.24: Kết nối với khối xử lý dữ liệu .............................................................. 92
Hình 3.25: Kết nối với khối đo mức nước.............................................................. 92
Hình 3.26: Sơ đồ chân DB9 ................................................................................... 94
Hình 3.27: Sơ đồ chân DB25 ................................................................................. 95
Hình 3.28: Khung truyền RS-232 (1 start bit, 8 bit data, no parity, 1 stop bit)........ 97
Hình 3.29: Kết nối trong RS232 kiểu bắt tay ......................................................... 99

12


MỞ ĐẦU

Hiện nay do sự biến đổi phức tạp của khí hậu trái đất gây nên tình trạng lũ lụt
hoặc hạn hán trên diện rộng, trong khi đó việc đo đạc mức nước sông cũng như hồ
thủy điện còn thô sơ, hệ thống trang thiết bị phục vụ công tác đo đạc được nước
ngoài tài trợ đã cũ và không còn thích hợp với điều kiện thực tế. Qua nghiên cứu hệ
thống đo mức nước sông Đà của Nhà máy Thủy điện Hòa Bình, tôi nhận thấy các

thiết bị phục vụ công tác đo mức nước do Nga cung cấp hiện nay đã cũ kỹ, thường
xuyên hỏng hóc và cần được theo dõi liên tục để tránh xảy ra những sự cố đáng tiếc.
Việc này gây tốn kém rất nhiều về thời gian, nhân lực và khi hệ thống đo mức nước
không có độ chính xác cao sẽ khó khăn trong việc điều tiết nước phục vụ tưới tiêu,
phát điện, dự trữ và xả nước.
Xuất phát từ những khó khăn đó, tôi đã làm luận văn “Thiết kế hệ thống đo
mức nước sông tự động” nhằm đáp ứng một cách tốt nhất cho công tác đo đạc mức
nước. Hệ thống sử dụng các thiết bị có độ chính xác cao, dùng được với cả hai loại
cảm biến siêu âm và áp suất tùy theo lựa chọn của người sử dụng. Ngoài ra, hệ
thống còn được kết hợp với hệ thống GSM, việc đo đạc được tiến hành một cách
nhanh chóng thông qua chỉ một tin nhắn và số liệu được gửi trực tiếp về trung tâm
điều hành.
Tôi xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Văn Đức đã tận tình giúp đỡ tôi
rất nhiều về kỹ thuật để hoàn thành luận văn này. Nhưng do hạn chế về kiến thức
cũng như thời gian nên luận văn còn nhiều thiếu sót, tôi xin ghi nhận những đóng
góp quý báu để có thể hoàn thiện tốt hơn nữa luận văn này.

13


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu chung:
Trước đây, để đo đạc mức nước sông, người đo phải đến từng điểm cần đo
và tiến hành đo, đồng thời ghi lại kết quả vào sổ tay sau đó mang về máy tính cá
nhân để xử lý số liệu. Việc làm này tốn rất nhiều công sức và thời gian, đồng thời
kết quả mang lại có độ chính xác thấp và độ trễ rất lớn. Hệ thống đo mức nước sông
tự động ra đời đã giải quyết được những khó khăn nói trên. Hệ thống giám sát một
cách tự động mức nước sông, người quản lý có thể tiến hành đo bất kỳ lúc nào với
chỉ một tin nhắn hoặc có thể thiết lập hệ thống đo theo chu kỳ, hệ thống sẽ phản hồi

kết quả mức nước một cách nhanh chóng và chính xác đến máy tính của người quản
lý, giúp người quản lý đưa ra các quyết định hợp lý mà không phải quan tâm đến độ
chậm trễ của dữ liệu. Hệ thống được thiết kế tối ưu, có thể đưa ra các cảnh báo tức
thời khi mức nước trên hoặc dưới ngưỡng, do hệ thống xảy ra sự cố hay do các yếu
tố khác tác động bên ngoài.
Không chỉ có tác dụng đo mức nước sông tự động, hệ thống còn có thể được
sử dụng trong các hệ thống đo mức khác như các trạm bơm, kho xăng dầu… Hệ
thống có thể sử dụng với cả cảm biến siêu âm và cảm biến áp suất nên còn có thể áp
dụng cho các hệ thống đo khoảng cách như cửa tự động, hệ thống lùi của xe ô tô…
Kết quả thu nhận được một cách nhanh chóng và chính xác, hỗ trợ tối đa cho người
sử dụng.
1.2. Các yêu cầu về thiết kế của hệ thống:
- Hệ thống được thiết kế nhỏ gọn, kết cấu chắc chắn, chịu được thời tiết và
các tác động bên ngoài.
- Kết quả thu được có độ chính xác cao, thời gian trễ nhỏ.
- Dữ liệu đầu ra có định dạng file .txt hoặc .xls, thuận tiện cho việc xử lý số
liệu và vẽ đồ thị.
- Đảm bảo độ an toàn và tin cậy khi thu nhận kết quả từ xa.
- Cảnh báo bằng loa và có nhiều chế độ thiết lập cảnh báo.

14


1.3. Các yêu cầu về chức năng của hệ thống:
- Hệ thống đo mức nước sông tự động.
- Hiển thị kết quả lên màn hình LCD.
- Hiển thị trạng thái hệ thống thông qua các đèn LED.
- Cảnh báo bằng loa.
- Điều khiển thông qua tin nhắn, máy tính.
- Lưu trữ kết quả trên máy tính.

- Vẽ đồ thị thể hiện sự thay đổi của mức nước.
1.4. Sơ đồ khối của hệ thống:
Nguồn

Cảm biến
siêu âm

Vi

Bàn phím

Phát
tín hiệu

LED
Vi

điều
Cảm biến
áp suất

Nguồn

xử

khiển

GSM

lý

Thu
tín hiệu

LED

PC

Loa

Khối đo mức nước

LCD

Khối xử lý dữ liệu

Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống đo mức nước
Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
- Khối đo mức nước đo đạc kết quả và truyền dữ liệu qua khối phát tín hiệu.
Có thể quan sát trực tiếp kết quả đo của khối đo mức nước qua LED.
- Khối xử lý dữ liệu nhận kết quả thông qua khối thu tín hiệu, hiển thị dữ liệu
thu được trên màn hình LCD.
- Người quản lý dùng bàn phím để quan sát dữ liệu thu được, thiết lập các
thông số cảnh báo, cập nhật kết quả đến máy tính và cập nhật số điện thoại thực
hiện tin nhắn qua mạng GSM.

15


- Nếu kết quả thu được nằm ngoài các thiết lập cảnh báo thì hệ thống loa sẽ
kêu và đèn LED sẽ nhấp nháy.

- Khi khối xử lý dữ liệu được kết nối với PC, có thể xuất dữ liệu ra dạng .txt
hoặc .xls, thuận tiện cho việc theo dõi và vẽ đồ thị.
- Có thể đặt chế độ đo liên tục theo chu kỳ định sẵn hoặc đo khi có tin nhắn
từ người quản lý.

16


CHƯƠNG 2: KHỐI ĐO MỨC NƯỚC

Khối đo mức nước là khối đo đạc và tính toán thông số để đưa ra mức nước.
Khối này trao đổi dữ liệu với khối xử lý dữ liệu thông qua bộ thu phát không dây.
Khối này bao gồm nguồn cung cấp, các cảm biến, vi điều khiển AVR Atmega8,
LED 7 thanh và bộ phát tín hiệu không dây.

Nguồn
cung cấp

Vi điều khiển
AVR ATmega8

Cảm biến
siêu âm

Bộ phát
tín hiệu

Cảm biến
áp suất

LED 7 thanh
Hình 2.1: Sơ đồ khối đo mức nước
Mức nước sông được đo đạc thông qua cảm biến siêu âm hoặc cảm biến áp
suất, sau đó được đưa vào vi điều khiển AVR Atmega8. Tại vi điều khiển này, dữ
liệu có thể xuất ra LED 7 thanh để quan sát trực tiếp hoặc phát không dây về khối
xử lý dữ liệu để hiển thị trên LCD hoặc lưu trữ và xử lý trên PC.
2.1. Cảm biến siêu âm:
2.1.1. Siêu âm là gì?
Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm nghe thấy (trên 20KHz).
Thính giác của con người rất nhạy cảm với dải tần số từ âm trầm (từ vài chục Hz)

17


đến các âm thanh rất cao (gần 20KHz), một số loài vật như ong, dơi mới có thể cảm
nhận được siêu âm.
2.1.2. Giới thiệu cảm biến siêu âm:
- Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua
phát sóng siêu âm.
- Cảm biến siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kim loại hoặc
phi kim, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong suốt hay mờ đục (những vật thể có hệ số
phản xạ sóng âm thanh đủ lớn).

Hình 2.2: Một số hình ảnh về cảm biến siêu âm
2.1.3. Ứng dụng của cảm biến siêu âm:
- Radar siêu âm (sonar) dùng để phát hiện các mục tiêu dưới nước như thăm
dò đáy biển, phát hiện đàn cá, tàu ngầm. Ưu điểm của siêu âm là ít bị suy giảm
trong môi trường nước.
- Phát hiện phóng điện cục bộ trong máy biến áp. Khi xảy ra phóng điện cục
bộ trong máy biến áp sẽ phát sinh sóng siêu âm lan truyền trong dầu, nhờ bộ cảm

biến siêu âm gắn trên thùng dầu có thể phân tích sóng tới và sóng phản xạ của
nguồn phóng điện và định vị chính xác vị trí dây quấn của máy biến áp có phóng
điện cục bộ.
- Trong ngành y tế, radar siêu âm giúp các bác sĩ có thể nhìn rõ cấu trúc nội
tạng của cơ thể bệnh nhân chẩn đoán chính xác khối u, thai nhi.
- Siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật gia công kim loại, sóng siêu
âm là sóng cơ đàn hồi mang năng lượng, có thể làm sạch bề mặt các chi tiết trước
khi gia công như mạ, hàn.
- Trong kỹ thuật đo và kiểm tra công nghiệp, việc đo và phân tích tiếng dội
khi chùm siêu âm được chiếu lên bề mặt kiểm tra có thể giúp chúng ta phát hiện
được trạng thái bề mặt và các khuyết tật bên trong cấu trúc.

18


- Một ứng dụng quan trọng của cảm biến siêu âm là dùng để đo mức nước
trong công tác đê điều, thủy lợi, phục vụ tốt cho công tác khí tượng thủy văn.
- Ngoài ra, cảm biến siêu âm còn rất nhiều ứng dụng khác như phát hiện
chiều cao, cảm biến lùi cho xe ô tô và các ứng dụng quan trọng khác trong cuộc
sống.
2.1.4. Cấu tạo của cảm biến siêu âm:
Cảm biến siêu âm gồm 4 phần chính:
+ Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm.
+ Bộ phận so sánh.
+ Mạch phát hiện.
+ Mạch ngõ ra.
- Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi, bộ phận so sánh sẽ tính toán
khoảng cách bằng cách so sánh thời gian phát, thời gian nhận và vận tốc âm thanh.
- Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc analog. Tín hiệu từ cảm biến digital
báo có hay không sự xuất hiện của đối tượng trong vùng cảm nhận của cảm biến, tín

hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách của đối tượng đến cảm
biến.
2.1.5. Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm:
- Kỹ thuật cảm biến siêu âm dựa trên đặc điểm vận tốc âm thanh là hằng số,
thời gian sóng âm thanh đi từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại liên hệ trực
tiếp đến độ dài quãng đường, do đó cảm biến siêu âm thường được dùng trong các
ứng dụng đo khoảng cách.
- Tần số hoạt động: cảm biến công nghiệp hoạt động với tần số từ 25KHz
đến 500KHz, cảm biến siêu âm trong y khoa hoạt động với tần số từ 5MHz trở lên.
Tần số của cảm biến tỷ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện của cảm biến: với tần
số 50KHz thì phạm vi hoạt động của cảm biến có thể lên tới 10m hoặc cao hơn, với
tần số 200KHz thì phạm vi hoạt động của cảm biến giới hạn ở mức 1m.
- Vùng hoạt động: là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách lớn nhất và
khoảng cách nhỏ nhất.

19


- Cảm biến siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng gần cảm biến gọi là
khu vực mù.
- Kích thước và vật liệu của đối tượng cần phát hiện quyết định khoảng cách
phát hiện lớn nhất: vật xốp < bìa các tông < kim loại.
- Cảm biến siêu âm có thể điều chỉnh khoảng cách phát hiện: một số dạng
cảm biến ngõ ra analog cho phép điều chỉnh khoảng cách phát hiện, sau một khoảng
thời gian xác định, khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh bởi người sử dụng.
- Ngoài ra để cảm biến siêu âm không phát hiện đối tượng dù chúng di
chuyển vào vùng hoạt động của cảm biến, người ta có thể tạo một lớp vỏ bằng chất
liệu có khả năng chống lại sóng âm thanh.
2.1.6. Nguyên lý đo mức nước bằng cảm biến siêu âm:
Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s.

Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ, đồng thời đo
được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về thì máy tính có thể xác định được
quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của
sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật theo hướng phát
của sóng siêu âm. Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính
theo nguyên lý TOF (Time Of Flight).
Nguyên lý TOF:

Hình 2.3: Nguyên lý TOF

20


Nguyên lý TOF là nguyên lý đo khoảng cách bằng thời gian truyền của sóng.
Phương pháp này được đặc biệt ứng dụng với các thiết bị sử dụng sóng siêu âm do
vận tốc di chuyển của sóng trong không khí và trong các vật liệu khác tương đối
chậm, và người ta có thể đo được khoảng cách với sai số nhỏ (khoảng 343m/s trong
không khí).
Phương pháp này không được dùng trong các thiết bị thu nhận sóng điện từ,
vì vận tốc sóng điện từ rất cao, bằng với vận tốc ánh sáng (300.000 km/s).
Khoảng cách từ thiết bị phát đến chướng ngại vật được tính bằng vận tốc của
sóng trong môi trường tương ứng nhân với một nửa thời gian truyền của sóng:
d

Trong đó:

v.t
2

(2.1)

d: khoảng cách cần đo.
v: vận tốc sóng siêu âm trong môi trường truyền sóng.
t: thời gian từ lúc sóng được phát đi đến lúc sóng được ghi nhận lại.

Khi sóng siêu âm phát ra và thu về, cảm biến siêu âm một cách gián tiếp cho
ta biết vị trí các chướng ngại vật theo hướng quét của cảm biến. Khi đó, dường như
trên quãng đường đi từ cảm biến đến chướng ngại vật, sóng siêu âm không gặp bất
cứ vật cản nào, và đâu đó xung quanh vị trí mà thông số cảm biến ghi nhận được, có
một chướng ngại vật. Và vì thế, cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành
một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn
các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó.

Hình 2.4: Tầm quét của cảm biến siêu âm

21


Như vậy, khi phát và thu về sóng siêu âm, ta ghi nhận được một vector định
vị với hướng là hướng của cảm biến và độ lớn là khoảng cách từ cảm biến đến
chướng ngại vật. Và khi đó, nếu ta nói cảm biến ghi nhận một vector 100cm, theo
hướng theta, có nghĩa là trong khoảng từ cảm biến tới chướng ngại vật ở hướng
theta dường như không có vật cản nào, và chướng ngại vật nằm ở đâu đó, cách cảm
biến theo hướng phát của cảm biến (theta) một khoảng 100cm.
Hình 2.4 chỉ ra rằng nếu có vật cản nằm trong tầm quét của cảm biến siêu
âm, thì vùng quét của siêu âm có thể được phân phân ra làm 3 vùng. Vùng 1 là vùng
phía ngoài hình quạt, là vùng dường như có vật cản nào đó. Vùng 2 là vùng gần tâm
quạt, dường như không có vật cản nào. Và vùng 3 là vùng còn lại sau vật cản, cho
đến vị trí xa nhất trong tầm quét của siêu âm, đây là vùng chưa biết, vì siêu âm
không thể “nhìn” xuyên qua vật cản, chúng ta không xét tới vùng này.

Phương pháp này có một nhược điểm là khi sóng được phát ra, ta không
quản lý được các sóng tán xạ và phản xạ, chỉ biết rằng đa số năng lượng sóng phản
xạ tập trung vào tia phản xạ theo nguyên lý góc tới bằng góc phản xạ. Mặt khác,
ngoại trừ các thiết bị siêu âm chuyên dụng, các cảm biến siêu âm thông thường có
góc mở lớn, sẽ dẫn đến nhiều sai số mà chúng ta sẽ đề cập trong phần này.
Các sai số nhiễu phổ biến với cảm biến siêu âm:
2.1.6.1. Sai số lặp:
Sai số lặp là sai số luôn xảy ra với tất cả các thiết bị đo lường nào, trong đó
có cả cảm biến siêu âm. Cảm biến siêu âm Polaroid 6500 được nhà sản xuất cung
cấp sai số lặp là 3% so với khoảng cách trả về của cảm biến.
2.1.6.2. Hiện tượng forecasting:
Hiện tượng Forecasting là hiện tượng phản xạ góc sai lệch của cảm biến. Do
nguyên lý TOF, để có khoảng cách đúng, cảm biến siêu âm phải hướng vuông góc
với bề mặt chướng ngại vật cần đo. Tuy nhiên, các chướng ngại vật không bao giờ
là phẳng, mịn, nên tia phản xạ có thể không tương ứng với góc tới. Các chùm tia
phản xạ này có năng lượng phản xạ thấp hơn. Tuy vậy, ở một khoảng cách nào đó,

22


cảm biến siêu âm vẫn có thể ghi nhận được những tín hiệu phản xạ này. Kết quả,
thông số đọc về của cảm biến siêu âm bị lệch do góc mở của cảm biến siêu âm lớn.

Hình 2.5: Sự phản xạ của sóng siêu âm trên bề mặt vật liệu
Hình ảnh về hiện tượng Forecasting như sau:

Hình 2.6: Hiện tượng Forecasting
Ngoài ra, vì góc mở rộng, nên không chỉ sai về nhận dạng vị trí chướng ngại
vật, mà khoảng cách ghi nhận cũng bị sai lệch. Tuy vậy, sai số này không đáng kể
như sai số do hiện tượng đọc chéo gây ra. Vì sai số này là sai số có thể quản lý

được, trong khi đó, sai số do hiện tượng đọc chéo không thể quản lý được.
2.1.6.3. Hiện tượng đọc chéo:
Hiện tượng đọc chéo (crosstalk) là hiện tượng mà cảm biến siêu âm này ghi
nhận tín hiệu phản xạ hoặc trực tiếp từ cảm biến siêu âm khác, hoặc sau quá trình
sóng siêu âm truyền đi và phản xạ qua các bề mặt quay lại cảm biến một cách
không mong muốn.

23


Hình sau đây mô tả hiện tượng đọc chéo của cảm biến siêu âm:

Hình 2.7: Hiện tượng đọc chéo
Phân loại hiện tượng đọc chéo: Hiện tượng đọc chéo có thể phân loại thành
hai loại chính:
- Loại 1: là hiện tượng nhiều robot hoạt động trong cùng một môi trường, và cảm
biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu của cảm biến siêu âm kia một cách trực tiếp hoặc
gián tiếp, hoặc do sóng siêu âm di chuyển trong không gian sau một thời gian ngẫu
nhiên nào đó quay trở lại cảm biến.
- Loại 2: là hiện tượng cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu của cảm biến siêu âm
kia trên cùng robot sau quá trình phản xạ.
Cần phải phân biệt hai quá trình đọc chéo này, bởi vì ta thấy rằng đối với
hiện tượng đọc chéo loại một, rõ ràng sóng siêu âm sai lệch là ngẫu nhiên, không dự
đoán được. Tuy nhiên, vì tính ngẫu nhiên này, việc xử lý nhiễu (tín hiệu sai từ cảm
biến khác) trở nên dễ dàng hơn. Trong khi đó với loại hai, tín hiệu sai khi hai cảm
biến gắn trên cùng robot và gặp một chướng ngại vật có khả năng gây ra hiện tượng
đọc chéo, thì dường như các kết quả ghi nhận sẽ khiến cho cảm biến nhận không thể
nào phân biệt được đâu là nhiễu, đâu là tín hiệu của bản thân nó phát ra.
Thuật toán EERUF (Error Eliminating Rapid Ultrasonic Firing) cho phép xử
lý cả hai loại của hiện tượng đọc chéo trên. Ý tưởng cơ bản của thuật toán này nằm

ở chỗ, xem các tín hiệu ghi nhận được là nhiễu và sử dụng những quy định phát và
thu để loại bỏ được các nhiễu không hợp lý.

24


2.1.7. Một số cảm biến siêu âm thông dụng:
2.1.7.1. SRF485WPR - cảm biến siêu âm bù nhiệt độ:
- Điện áp: 8V – 14V.
- Dòng điện: 10mA.
- Tần số: 40KHz.
- Dải đo: 60cm – 500cm.
- Kết nối: Chuẩn bus RS485.
- Có thể kết nối 127 cảm biến
Hình 2.8: Cảm biến siêu âm SRF485WPR

SRF485WPR với bộ điều khiển.

[ />
- Đơn vị đo: S, cm hoặc inch.
- Bù nhiệt độ: -30oC ÷ +50oC.

2.1.7.2. SRF06 - Cảm biến siêu âm vòng lặp dòng điện 4 – 20mA:
- Dải đo: 2cm – 4m.
- Nguồn cấp: 4 – 20mA, vòng lặp dòng điện.
- Tần số: 40KHz.
- Kích thước: 43mm x 20mm.
Hình 2.9: Cảm biến siêu âm SRF06
[ />
2.1.7.3. SRF01- Cảm biến siêu âm loại nhỏ nhất trên thế giới:

- Điện áp: 3.3V – 12V.
- Dòng điện: 25mA khi đo, 11mA chế độ chờ và 55A chế độ nghỉ.
- Tần số: 40KHz.
- Dải đo: 18cm – 600cm (chỉ tiêu kỹ thuật
công nghiệp, không cần hiệu chuẩn).
- Dải đo: 0cm – 600cm (chỉ tiêu Hobby
sau khi tự động hiệu chuẩn).

Hình 2.10: Cảm biến siêu âm SRF01
[ />
- Kết nối: với bus nối tiếp, tốc độ 9600 Baud.
- Có thể kết nối 16 SRF đến 1 chân trên bộ điều khiển.
- Đơn vị: cm hoặc inch.

25