Đồ án: Xây dựng hệ thống đo mức chất lỏng trong bình chứa sử dụng cảm biến siêu âm (có code đầy đủ)

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Khoa Cơ khí
----------

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
Đề tài : Xây dựng hệ thống đo mức chất lỏng trong
bình chứa sử dụng cảm biến siêu âm
Giáo viên hướng dẫn : TS.Nguyễn Văn Trường
Sinh viên thực hiện

:

Lớp

: Cơ điện tử

Khóa

: 13

Hà Nội- 2020


Mục lục
Mục lục..................................................................................................................1
Chương 1: Tổng quan hệ thống.............................................................................2
1.1 Giới thiệu chung...........................................................................................2
1.2 Các yêu cầu cơ bản.......................................................................................3

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu............................................3
1.4 Ý nghĩa thực tiễn..........................................................................................3
Chương 2 : Xây dựng mơ hình hệ thống...............................................................5
2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống......................................................................5
2.2. Phân tích và lựa chọn cảm biến...................................................................6
2.2.1 Ưu nhược điểm của cảm biến siêu âm...................................................6
2.2.2 Cảm biến siêu âm...................................................................................7
2.2.3 Cấu tạo cảm biến siêu âm......................................................................8
2.2.4 Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm.................................................9
2.2.5 Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm....................................................10
2.2.6 Bộ phận hiển thị...................................................................................11
2.2.7 Bộ phận điều chỉnh..............................................................................14
2.3. Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển.........................................................16
2.3.1. Ưu nhược điểm của Arduino Uno.......................................................17
2.3.2 Năng lượng...........................................................................................17
2.3.3. Thông số kĩ thuật.................................................................................18
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu.............................................................19
2.5. Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống..........................................................20
2.5.2. Mô phỏng trên Proteus........................................................................21
Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống........................................................23
3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí........................................................................23
3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử.............................................................26
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển:...........................................................26
3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống..............................................................28
Phụ lục.................................................................................................................29
1


Chương 1: Tổng quan hệ thống
1.1 Giới thiệu chung

Tự động hóa q trình cơng 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.
Khoa học kỹ thuật, cách mạng công nghiệp đang đang từng bước phát triển
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 cơng nghệ thơng tin,
cơng nghệ vật liệu, nguồn năng lượng, công nghệ sinh học và công nghệ kỹ
thuật điều khiển tự động. Từ khi Arduino ra đời, nó đã tạo nên một bước ngoặc
mới cho sự phát triển của tự động hóa trong cơng nghiệp. Arduino là công cụ hỗ
trợ đắc lực cho công việc lập trình. Điểm hấp dẫn ở Arduino với người đam mê
lập trình là ngơn ngữ dễ học khá giống C/C++, các ngoại vi trên bo mạch đều đã
được chuẩn hóa nên khơng cần biết nhiều về điện tử, chúng ta cũng có thể lập
trình được những ứng dụng thú vị. Thêm nữa Arduino là một platform đã được
chuẩn hóa nên đã có rất nhiều các bo mạch mở rộng (shield) để cắm chồng lên
bo mạch Arduino, có thể hình dung dễ hiểu là "library" của các ngơn ngữ lập
trình.
Với Arduino bạn có thể ứng dụng vào những mạch đơn giản như mạch cảm
biến ánh sáng bật tắt đèn, mạch điều khiển động cơ,... hoặc cao hơn nữa bạn có
thể làm những sản phẩm như: máy in 3D, Robot, khinh khí cầu, máy bay khơng
người lái,... Chính vì tính tiện lợi và đơn giản cho người sử dụng mà Arduino đã
trở thành một hiện tượng trong ngành điện tử thế giới. Những sản phẩm của
cộng đồng người dùng Arduino cũng như những thiết bị hỗ trợ Arduino lớn đến
mức không thể thống kê được
Arduino được cấu tạo từ phần cứng và phần mềm IDE. Phần cứng hay ta vẫn
nghe một cái tên quen thuộc là vi điều khiển, board mạch mã nguồn mở.
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”, nhóm em đã lựa
chọn đề tài “Xây dựng hệ thống đo mức chất lỏng trong bình chứa sử dụng

cảm biến siêu âm”. Nội dung chính của hệ thống là xử lý tín hiệu từ cảm biến
siêu âm 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. Ngồi ra, nó cịn 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 lưu lượng đường ống dẫn chất lỏng…
Những kiến thức, năng lực đạt được trong quá trình học tập ở trường sẽ được
đánh giá qua bài báo cáo với đợt bảo vệ đồ án cuối khóa. Vì vậy, nhóm đã cố
gắng tận dụng những kiến thức đã học ở trường cùng với sự tìm tịi, nghiên cứu
và hướng dẫn tận tình của Thầy Nguyễn Văn Trường cùng các Thầy/Cô thuộc
2


Khoa Cơ Khí – Bộ Mơn Cơ Điện Tử-Trường ĐHCNHN để có thể hồn thành
tốt đồ án này.
Mặc dù, trong q trình thực hiện đồ án nhóm em đã cố gắng hoàn thành
nhiệm vụ đề tài đặt ra nhưng chắc chắn sẽ khơng tránh khỏi những thiếu sót,
mong các q Thầy/Cô và các bạn thông cảm và rất mong nhận được những ý
kiến đóng góp từ q Thầy/Cơ và các bạn.

1.2 Các yêu cầu cơ bản
● Hệ thống phù hợp với nhu cầu của người tiêu dùng, của các doanh nghiệp.
● Hệ thống đảm bảo được độ chính xác.
● Giá thành của hệ thống phù hợp và kết cấu nhỏ gọn.
● Hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường.

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
a) Phương pháp
- Phương pháp lý thuyết

+ 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.
+ Đưa ra ý tưởng về các thơng số và giá trị sẽ được hiển thị trên thanh LCD,
LED và Loa cảnh báo.
+ Tìm các cơng thức tốn học để tính ra dung tích nước, lưu lượng máy bơm
thơng 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 kinh kiện
bảo vệ.
+ Mơ phỏng mạch trên ứng dụng Proteus .
- Phương pháp thực nghiệm:
+ Dựa và tham khảo vào các mơ hình tham khảo trên Internet để cải tiến thiết
kế và mục đích sử dụng.
b) Phạm vi đề tài và giới hạn nghiên cứu
Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong các hộ gia đình để phục vụ
an tồn cho các bình chứa, bể chứa trong các hộ gia đình khi có sự cố tràn gây
nguy hiểm.

1.4 Ý nghĩa thực tiễn
Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ,
nhu cầu của con người đặt ra ngày càng cao. Để đánh giá được chất lượng sản
phẩm thì khơng thể thiếu phương pháp sản xuất đo lường. Vì vậy dụng cụ đo
lường là một trong những công cụ lao động tạo ra chất lượng cao và tạo ra các
sản phẩm tốt.
3


Một trong những dụng cụ đo đó là thiết bị đo lưu lượng. Đo lưu lượng có tầm
quan trọng đặc biệt trong công nghiệp như khi cần khống chế lượng chất lỏng

tham gia vào qn trình ở lị phản ứng hóa học, nhà máy sản xuất xi măng, động
cơ đốt,…
Vận dụng một cách tổng hợp những kiến thức đã học để tiến hành thiết kế, thi
cơng mạch để từ đó có thể đào sâu, mở rộng và hồn thiện vốn hiểu biết của bản
thân
Kết quả thiết kế và thi công mạch giúp cho việc đơn giản hóa nhu cầu về tự
động hóa và thiết bị thơng minh.
Ngồi ra, đề tài cịn có thể giúp cho người mới học về điện, điện tử, cơ điện
tử,... có thể tiếp thu thêm những kiến thức mới về lập trình Arduino để ứng dụng
vào các nhu cầu của mình trong sinh hoạt đời sống và làm việc.

4


Chương 2 : Xây dựng mơ hình hệ thống
2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Khối hiển thị
Khối cảm biến
siêu âm

Khối nguồn

Khối xử lý
trung tâm

Khối nút nhấn và
led báo hiệu

Khối điều khiển

động cơ DC

Hình 1 : Sơ đồ khối hệ thống
Chú thích :

: Nguồn áp
: Tín hiệu

2.2. Phân tích và lựa chọn cảm biến
5


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, mơi
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 mơi trường. Đây là loại cảm biến
khá phổ biển 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), khơng 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 mơi 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
cịn có khả năng nhạn 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
cơng dụng và mức độ sử dụng rộng rãi trong y học, cơng nghiệp,...
=>> Sau q trình tìm hiểu đánh giá về các loại cảm biến sử dụng để đo
khoảng cách trên thị trường.Nhóm thực hiện chúng em đã lựa chọn sử dụng cảm
biến siêu âm để thực hiện đề tài vì ngun lý của nó đáp ứng đầy đủ nhất những
yêu cầu mà nhóm đang thực hiện.
2.2.1 Ưu nhược điểm của cảm biến siêu âm
Ưu điểm :
 Cảm biến siêu âm đo mức nước không tiếp xúc với mơi 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.
6


 Điều chỉnh được khoảng cách bất kỳ trong khoảng cách mà cảm biến
đo được.
 Độ chính xác cao so với cảm biến điện dung.

 Thời gian đáp ứng nhanh
 Giá thành cạnh tranh
 Đo được hầu hết các loại chất rắn và chất lỏng
 Lắp đặt dể dàng
Nhược điểm :
 Cảm biếu siêu âm sẽ có điểm chết khơng 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 khơng phân biệt được
 Để đo chính xác chúng ta cần phải cài đặt lại theo khoảng cách đo
2.2.2 Cảm biến siêu âm
Lựa chọn module cho cảm biến siêu âm:
STT Tên module
Thơng số kĩ thuật
Độ chính xác
cảm biến
siêu âm
1
HY-SRF05 -Tần số hoạt động: 40Khz
-Sai số: 0,3 cm
-Điện áp hoạt động: 5V
-Khoảng cách đo: 2-Dịng tiêu thụ: 10-40mA
400cm
-Góc qt: <15 độ
-Số cổng : 5
2
HC-SR04
-Tần số hoạt động: 40Khz

-Sai số: 0,3 cm
-Điện áp hoạt động: 5V
-Khoảng cách đo: 2-Dịng tiêu thụ: 10-40mA
400cm
-Góc qt: <15 độ
-Số cổng : 4
Bảng 1 : So sánh 2 module cảm biến siêu âm
7


=>>Về cơ bản thông số kĩ thuật cũng như nguyên lí 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,…

Hình 5 : Module cảm biến siêu âm
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.
2.2.3 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.

8


Hình 6 : 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 dịng.
Bộ phận thu sóng siêu âm phản xạ
Thiết bị thu là dạng loa gốm có cấu tạo chỉ nhạy với một tần số chẳng hạn
như 40KHz. Qua một loạt các linh kiện như OPAM TL072, transistor NPN…
Tín hiệu này liên tục được khuếch đại biên độ và cuối cùng là đưa qua một bộ so
sánh, kết hợp với tín hiệu từ bộ điều khiển để đưa về bộ điều khiển.
Bộ phận xử lý, điều khiển tín hiệu
Vi điều khiển (PIC16F688, PIC18F4520, 8051,…) được sử dụng làm nhiệm
vụ phát xung, xử lý tính tốn thời gian từ khi phát đến khi thu được sóng siêu
âm nếu nhận được tín hiệu TRIG.
2.2.4 Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm
Để đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm HC-SR04, ta sẽ phát 1 xung rất
ngắn (5 microSeconds) từ chân Trig. Tiếp theo, 1 xung HIGH ở chân Echo sẽ
được cảm biến tạo ra và phát đi cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở chân
này. Lúc này, độ rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ
cảm biến và phản xạ lại.
Trong không khí, tốc độ âm thanh đạt mức 340 m/s (hằng số), tương đương
với 29,412 microSeconds/cm (106 / (340*100)).
Khi đã tính được thời gian, ta sẽ chia cho 29,412 để ra giá trị khoảng cách.

9

Hình 7 : Kích thước và sóng của cảm biến siêu âm
Tuy nhiên trong điều kiện bình thường để cảm biến cho kết quả chính xác
nhất thì nên thực hiện ở khoảng cách <100cm, khoảng cách càng gần bề mặt vật
thể càng phẳng thì sai số càng nhỏ.

2.2.5 Thơng số kỹ thuật cảm biến siêu âm
Trước khi đi vào tìm hiểu các phần tiếp theo của dòng cảm biến này, chúng ta
cùng điểm qua một vài thông số kỹ thuật nổi bật của cảm biến siêu âm HC-SR04
như sau:
 Model: HC-SR04
 Điện áp làm việc: 5 VDC
 Dòng điện: 15 mA
 Tần số: 40 KHZ
 Khoảng cách phát hiện: 2cm – 400 cm
 Tín hiệu đầu ra: Xung mức cao 5V, mức thấp 0V
 Góc cảm biến: Khơng q 15 độ.
 Độ chính xác cao: Lên đến 3mm
10


 Chế độ kết nối: VCC / Trig (T-Trigger) / Echo (R-Receive) / GND

Module cảm biến có 4 chân:
 Chân VCC: Dùng để cấp nguồn 5 V
 Chân Trig: Chân digital output
 Chân Echo: Chân digital input
 Chân GND: Chân 0 V
2.2.6 Bộ phận hiển thị
2.2.6.1 LCD 16x2

Hình 8 : Màn hình LCD 16x2
Thơng số kỹ thuật LCD 16x2L:
LCD 16x2 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thơng số.
 LCD 16x2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 - D7) và 3 chân điều
khiển (RS, RW, EN).
 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16x2.
 Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc
chế độ dữ liệu.
 Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi.
LCD 16x2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta đang
làm.
Chức năng các chân của LCD:
+ Chân 1: (Vss) Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân
này với GND của mạch điều khiển.
+ Chân 2: VDD Là chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối
chân này với VCC = 5V của mạch điều khiển.
+ Chân 3: VEE là chân điều chỉnh độ tương phản của LCD.
+ Chân 4: RS Là chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS
11


với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
- Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở
chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ
“đọc” - read).
- Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong
LCD.
+ Chân 5: R/W là chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân
R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1”
để LCD ở chế độ đọc.

+ Chân 6: E Là chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt
lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép
của chân E.
- Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận)
thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của
tín hiệu chân E.
- Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện
cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi
nào chân E xuống mức thấp.
+ Chân 7 - 14: DB0 - DB7 - Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao
đổi thơng tin với MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này:
- Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit
DB7.
- Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit
MSB là DB7
+ Chân 15: Nguồn dương cho đèn nền.
+ Chân 16: GND cho đèn nền .
2.2.6.2 Module I2C

Hình 9 : Module I2C
LCD có quá nhiều chân gây khó khăn trong quá trình kết nối và chiếm dụng
nhiều chân của vi điều khiển nên việc sử dụng Module chuyển đổi I2C cho LCD
12


sẽ giải quyết vấn đề này, thay vì sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để
kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì với module chuyển đổi ta chỉ
cần sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để kết nối. Module chuyển đổi I2C hỗ trợ các
loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 1602, LCD 2004, … ), kết nối với vi
điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển

hiện nay.
Ưu điểm

Tiết kiệm chân cho vi điều khiển

Dễ dàng kết nối với LCD
Thông số kĩ thuật

Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC

Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)

Giao tiếp: I2C

Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân
A0/A1/A2)

Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H)

Trọng lượng: 5g

Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt

Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
2.2.6.3 Led đơn
Chức năng :
LED được dùng để làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị điện, điện tử, đèn
quảng cáo, trang trí, chiếu sáng, đèn giao thơng,...
LED- viết tắt của cụm từ Light Emitting Diode, tạm dịch làm Điot phát
quang. Là các điot có khả năng phát ra ánh sán hay tia hồng ngoại, tử ngoại cũng

giống như điot, Led được cấu tạo từ một bán dẫn loại P ghép với một bán dẫn
loại N.
Sơ đồ chân :

Hình 10 : Module của LED đơn
13


Giống như nhiều loại điot bán dẫn khác tùy theo mức năng lượng giải phóng
cáo hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau( tức màu sắc của Led sẽ
khác nhau).Mức năng lượng (và màu sắc của Led) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu
trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn
Tùy vào từng loại Led mà điện áp phân cực thuận khác nhau. Đối với Led
thường thì điện áp phân cực thuận khoảng 1,5 đến 2,5V. Cịn đối với Led siêu
sáng thì điệ áp phân cực thuận có thể lên tới 5V
Khi Led hoạt động bình thường thì cường độ dịng điện từ 10mA đến 50mA
Chức năng trong mạch :
Trong mạch, Led được dùng để báo hiệu các trạng thái của hệ thống.
2.2.6.4 Cịi báo

Hình 11 : Còi báo
- Còi chip 5 V là linh kiện được dùng trong các mạch điện tử với mục đích
tạo ra tín hiệu âm thanh.
- Loa, cịi có kích thước nhỏ và khối luượng nhẹ giúp thuận tiện khi lắp đặt
cũng như sử dụng.
- Thông số kĩ thuật:
+ Điện áp đầu vào: 3.5 – 5 V DC
+ Dòng điện tiêu thụ : <25 mA
+ Tần số âm thanh : 2300Hz ± 500Hz

14


2.2.7 Bộ phận điều chỉnh
2.2.7.1 Nút nhấn

Hình 12 : Nút nhấn 4 chân
Thông số kỹ thuật:
- Nút nhấn không giữ, sử dụng cho điều khiển mạch, reset
- Có 4 chân vng
- Thường gọi nút nhấn con rùa
- Kích thước: H=4.3
2.2.7.2 Module SN74LS11N

Hình 13 : Module SN74LS11N

Thơng số kĩ thuật
Đặc tính

Thơng số
15


Số cực cổng

3 gate

Số dòng đầu vào

3 input

Số dòng đường cửa ra

1 output

Dòng đầu ra mức cao

-0.4 mA

Dòng đầu ra mức thấp

8 mA

Điện áp

4.75 - 5.25 V

Thời gian trễ

15 ns

Chức năng logic

AND

Bảng 2 : Thông số kĩ thuật module SN74LS11N

2.3. Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
 Một số loại bộ điều khiển
Việc đưa ra công nghệ mới trong lĩnh vực thiết kế mạch điện tử điều khiển

những hệ thống từ đơn giản đến phức tạp là yếu tố cần thiết và mang tính thực tế
cao trong đó khối xử lí trung tâm đóng một vai trị rất quan trọng trong hệ thống
nó sẽ làm nhiệm vụ tiếp nhận và xử lí các dữ liệu đến và truyền đi 1 cách tự
động.Để xây dựng được một hệ thống điều khiển thông minh,việc lựa chọn bộ
điều khiển là yếu tố cần thiết cấu thành nên thành cơng của đề tài.
• Một số loại bộ điều khiển được sử dụng trong đo khoảng cách mực chất
lỏng:
- Vi điều khiển PIC 16F887A: có tất cả 40 chân được chia thành 5 PORT, 2
chân cấp nguồn, 2 chấn GND, 2 chân thạch anh và 1 chân dùng để RESET vi
điều khiển.
Tính năng và chức năng của nó được xem là vượt trội hơn nhiều so với
module khác đã được tích hợp sẵn như ADC 10BIT, PWM 10BIT, EEPROM
256BYTE,... ngoài ra PIC 16F887A mang đến cho ta nhiều thuận lợi hơn trong
việc thiết kế board mạch, PIC có ngơn ngữ hỗ trợ cho việc lập trình ngồi ngơn
ngữ Asembly cịn có ngơn ngữ C sử dụng tích hợp mới MPLAB IDE.
-Vi điều khiển 8051: các đặc tính cơ bản như ROM trên chip 4K byte, RAM
128 byte, 2 bộ định thời, 32 chân vào- ra tín hiệu, 1 cổng nối tiếp và 6 nguồn
ngắt. Tuy nhiên 8051 có những hạn chế nhất định như:
+ Bộ nhớ Ram có dung lượng thấp, chí có 128 byte điều này gây trở ngại lớn
khi thực hiện các dự án lớn, nếu cần thiết người ta phải mở rộng thêm làm hạn
chế số chân dành cho các ứng dụng của nó.
16


+ Số lượng các bộ giao tiếp với ngoại vi được tích hợp sẵn muốn sử dụng
thì người ta phải thêm các IC bên ngồi gây tốn kém và khó thực hiện,
+ Số lượng của Timer của 8051 ít (chỉ có 2 Timer) làm khó khăn cho việc
giải thuật khi viết chương trình.
+ Phần cứng của 8051 phức tạp giả sử nếu muốn đo hiệu điện thế hiển thị
trên LED hoặc LCD thì mạch 8051 phải có con ADC bên ngồi.

+ Trong một số mơi trường làm việc nhất định 8051 dễ bị nhiễu nếu không
biết cách chống nhiễu tốt.
- Arduino Uno R3 : Đây chính là loại board đơn giản nhất nên rất phù hợp
với những người mới bắt đầu tìm hiểu về lĩnh vực này.
Arduino Uno là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều
khiển Microchip ATmega328 .Bảng mạch được trang bị các bộ chân đầu vào/
đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau.
Dữ liệu số bao gồm 14 chân, đầu vào gồm 6 chân 5V, khả năng phân giải là
1024 mức, tốc độ 16MHz, điện áp từ 7V đến 12V. Kích thước của Board này là
5,5x7cm.
=>> Trong quá trình tìm kiếm 1 bộ điều khiển để đáp ứng tốt nhu cầu mà
nhóm em đang thực hiện đề tài. Chúng em nhận thấy những ưu điểm vượt trội
mà Arduino mang lại.Lựa chọn mạch điều khiển Arduino là một lựa chọn tối ưu
nhất.
2.3.1. Ưu nhược điểm của Arduino Uno
Ưu điểm :
 Có thể sử dụng ngay vì Arduino là một bộ hồn chỉnh gồm bộ nguồn
5V, một ổ ghi, một bộ dao động, một vi điều khiển, truyền thông nối
tiếp, LED và các giắc cắm.
 Thư viện các mẫu đã có sẵn trong phầm mềm Arduino mà khi sử dụng
khơng phải tích hợp thêm các chức năng khác.
 Thực hiện các công việc một cách đơn giản,có khả năng chuyển đổi
đơn vị tự động của nó.
Nhược điểm :
 Kích thước của Arduino lớn khó khăn trong việc xây dựng hệ thống.
 Chi phí lớn hơn với các dịng khác
2.3.2 Năng lượng
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB hoặc cấp
nguồn ngồi với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V.
Thường thì cấp nguồn bằng pin vng 9V là hợp lí nhất nếu bạn khơng có sẵn

17


nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm
hỏng Arduino UNO.
Các chân năng lượng:


GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn
dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này
phải được nối với nhau.



5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.



3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.



VIN (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực
dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.



IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể
được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó ln là 5V. Mặc dù vậy bạn không được
lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng phải là cấp

nguồn.



RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương
đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Hình 14 : Module Arduino R3
2.3.3. Thông số kĩ thuật
Vi điều khiển

ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động

5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V DC
18

Điện áp vào giới hạn

6-20V DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30 mA

Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

Bộ nhớ flash

32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi
bootloader

SRAM

2 KB (ATmega328)

EEPROM

1 KB (ATmega328)

Tốc độ thạch anh

16 MHz

LED_BUILTIN

13

Chiều dài

68.6 mm

Chiều rộng

53.4 mm

Bảng 3 : Thông số kĩ thuật của Arduino R3

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

19

Hình 15 : Mơ phỏng mạch đo của hệ thống

Xử lý tín hiệu :
Lập trình để hệ thống có thể thực hiện được các công việc sau :
-Với d là khoảng cách từ mặt chất lỏng đến vị trí gắn cảm biến
+ Khi d > d1 led xanh được bật, hệ thống hoạt động bình thường
+ Khi d < d1 cm led vàng được bật đồng thời led xanh tắt
+ Khi d < d2 cm led đỏ được bật, led vàng và led xanh tắt
+ Khi d < d3 cm loa được bật để cảnh báo
- Lập trình các nút bấm :
+ Chọn các giới hạn đo
+ Tắt còi báo

2.5. Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống
2.5.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng proteus
Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bao
gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều
khiển như MCS-51,PIC, AVR, … Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện
tử của Lancenter Electronics, mô phỏng cho hầu hết các linh kiện điện tử
thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho cả các MCU như PIC, 8051, AVR, Motorola.
Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS cho phép mô phỏng mạch và ARES
dùng để vẽ mạch in. Proteus là công cụ mô phỏng cho các loại Vi Điều Khiển
20


khá tốt, nó hỗ trợ các dịng VĐK PIC, 8051, PIC, AVR, HC11, MSP430,
ARM7/LPC2000 ... các giao tiếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethenet,... ngịai ra
cịn mơ phỏng các mạch số, mạch tương tự một cách hiệu quả. Proteus là bộ
công cụ chun về mơ phỏng mạch điện tử.

Hình 16 : Giao diện làm việc của proteus

2.5.2. Mô phỏng trên Proteus
Tiến hành mô phỏng các trường hợp xảy ra để xem kết quả hiển thị từ đó điều
chỉnh chương trình cho tối ưu nhất :

21


Hình 17 : Khi d>d1

Hình 18 : Khi d
22


Hình 19 : Khi d
Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống
3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí

23


Hình 20 : Bản vẽ thiết kế cơ khí

24