GIỚI THIỆU
Tổng quan
Trong ngành sản xuất hàng tiêu dùng, đặc biệt là các sản phẩm dạng lỏng, việc đảm bảo độ chính xác khi chiết rót dung tích là rất quan trọng Nhiều yếu tố như công nghệ sản xuất và độ chính xác của cảm biến có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của lưu lượng đo được.
Chúng ta cần nắm bắt và áp dụng hiệu quả công nghiệp tự động hóa để thúc đẩy sự phát triển của nền kỹ thuật.
Nhiệm vụ đồ án (khóa luận)
Tự động hóa trong quy trình chiết rót giúp nâng cao độ chính xác của lưu lượng và giảm thiểu tối đa sự tiếp xúc của chất lỏng với môi trường không đạt tiêu chuẩn.
Do hạn chế về thời gian và kiến thức, đề tài chỉ dừng lại ở nghiên cứu, thiết kế mạch và mô phỏng mô hình Quá trình thực hiện đồ án tập trung vào việc điều khiển lưu lượng nước trong máy chiết rót.
Tìm hiểu tài liệu liên quan đến đề tài là bước quan trọng để đưa ra các giải pháp tối ưu cho thiết kế và chế tạo sản phẩm Việc nghiên cứu kỹ lưỡng giúp xác định các xu hướng, công nghệ mới và phương pháp hiệu quả, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường.
Nội dung 2: Nắm được cấu trúc phần cứng của mạch.
Nội dung 3:Tìm hiểu nguyên lý làm việc của mạch điều khiển.
Nội dung 4:Thiết kế vẽ sơ đồ khối và sơ đồ thuật toán.
Nội dung 5: Tìm hiểu về vi điều khiển Atmega 2560 pro
Nội dung 6: Tìm hiểu phương pháp và lập trình Arduino cho Atmega 2560 pro.
Nội dung 7: Mua linh kiện và thiết kế phần cứng
Nội dung 8: Tiến hành hoàn thành sản phẩm và kiểm tra.
LÝ THUYẾT
Tổng quan về AVR
Bộ điều khiển AVR, được phát triển bởi Tập đoàn Atmel vào năm 1966, có cấu trúc thiết kế do Alf-Egil Bogen và Vegard Wollan thực hiện, thuộc kiến trúc RISC (Advanced Virtual RISC) Mặc dù AT90S8515 là bộ điều khiển đầu tiên dựa trên kiến trúc AVR, nhưng AT90S1200, ra mắt vào năm 1977, là sản phẩm đầu tiên được thương mại hóa.
Vi điều khiển AVR có sẵn trong 3 loại:
TinyAVR: Bộ nhớ ít hơn, kích thước nhỏ hơn, phù hợp cho các ứng dụng đơn giản.
MegaAVR là những thiết bị phổ biến với dung lượng bộ nhớ lên đến 256KB, cung cấp nhiều thiết bị ngoại vi và phù hợp cho các ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp.
XmegaAVR: Được sử dụng trong thương mại cho các ứng dụng phức tạp, cần bộ nhớ chương trình lớn và tốc độ
Hình 2.1 Vi điều khiển AVR.
2.1.3 Kiến trúc vi điều khiển
AVR là dòng vi điều khiển 8 bit tiên tiến của hãng Atmel, sử dụng công nghệ RISC với nhiều tính năng mạnh mẽ, tương đương với các dòng vi điều khiển 8 bit khác như PIC và Pisoc Do ra đời muộn hơn, vi điều khiển AVR sở hữu nhiều tính năng mới, đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người dùng So với dòng 8051 89xx, AVR có độ ổn định cao hơn, khả năng tích hợp tốt hơn, tính linh hoạt trong lập trình và mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
* Tính năng mới của họ AVR:
- Giao diện SPI đồng bộ.
- Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được.
- Bộ biến đổi ADC 10 bit.
- Các kênh băm xung PWM.
- Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, stand by vv.
- Một bộ định thời Watchdog.
2.1.4 So sánh PIC và AVR
Giao thức truyền thông UART, USART, LIN, CAN,
Ethernet, SPI, I2S UART, USART, SPI, I2C,
Tốc độ xử lý 4 chu kỳ/giờ 1 chu kỳ/giờ
Bộ nhớ SRAM, FLASH FLASH, SRAM, EEPROM
Cấu trúc bộ nhớ Cấu trúc Harvard Đã sửa đổi
Năng lượng tiêu thụ Thấp Thấp
Các dòng sản phẩm khác PIC16, PIC17, PIC18, PIC24,
PIC32 Tiny, Atmega, Xmega, các loại AVR đặc biệt
Nhà sản xuất Microchip Average Atmel
Giá thành Trung bình Trung bình
Sản phẩm phổ biến PIC18FXX8, PIC16F88X,
Bảng 2.1 So sánh AVR và PIC
Phần mềm lập trình AVR
2.2.1 Giới thiệu mikroC PRO for AVR
MikroC PRO cho AVR là một trình biên dịch đầy đủ tính năng ANSI
C cho AVR từ Atmel® mang đến những tính năng môi trường phong phú, kết quả của 15 năm nghiên cứu và phát triển Với sự gia tăng của các thư viện phần cứng và phần mềm, IDE trực quan, phần mềm Visual TFT tích hợp cùng với tài liệu chi tiết, người dùng có thể tận hưởng một bộ công cụ đầy đủ và tiện lợi.
2.2.2 Đặc điểm và tính năng của mikroC PRO for AVR.
MikroC cung cấp một cơ chế đơn giản để sử dụng các thư viện trong dự án của bạn, cho phép bạn chỉ cần chọn các thư viện cần thiết và chúng sẽ tự động có sẵn trong mã Bạn không cần phải thêm hàng loạt chỉ thị # Ngoài ra, bạn có thể dễ dàng cài đặt và quản lý các thư viện bên thứ ba thông qua trình quản lý gói và trình quản lý thư viện của chúng tôi.
Phần mềm lập trình mikroC for AVR cho phép bạn dễ dàng chọn các thư viện cần thiết cho dự án của mình bằng cách đánh dấu vào các ô tương ứng Bạn cũng có thể nhấn nút "Check All" để tự động bao gồm tất cả các thư viện.
Với hơn 1200 chức năng thư viện, bạn sẽ tiết kiệm thời gian, công sức và bạn sẽ viết mã tốt hơn.
Trong trình biên dịch của chúng ta, có hơn 109 ví dụ làm việc cho mỗi thư viện, giúp bạn hiểu rõ cách thức hoạt động của chúng Những ví dụ này cung cấp đoạn mã hữu ích, hỗ trợ bạn trong việc phát triển dự án của mình.
- 207 MCU hỗ trợ: Các mikroC PRO cho AVR hiện đang hỗ trợ 207 AVR và chúng tôi liên tục bổ sung thêm những tính năng mới.
2.2.3 Khái niệm về Arduino IDE
Arduino IDE, which stands for Arduino Integrated Development Environment, is a software tool that enables users to upload written code to circuit boards and execute applications.
Arduino bao gồm ba phần chính: Editor, dùng để viết mã; Debugger, giúp tìm kiếm và sửa lỗi khi xây dựng chương trình; và Compiler hoặc interpreter, công cụ biên dịch mã thành ngôn ngữ mà vi điều khiển có thể hiểu và thực thi theo yêu cầu người dùng.
Hình 2.3 Phần mềm lập trình Arduino IDE
Arduino IDE là một ứng dụng đa nền tảng được viết bằng ngôn ngữ lập trình Java, cho phép lập trình các chương trình sử dụng ngôn ngữ C hoặc C++ IDE này tích hợp thư viện phần mềm "wiring", giúp người dùng dễ dàng hơn trong việc lập trình Mỗi chương trình chạy trên Arduino được gọi là một sketch và được lưu dưới định dạng *.ino.
Hiện nay, ngoài các board thuộc họ Arduino, thì Arduino IDE còn hỗ trợ lập trình với nhiều dòng vi điều khiển khác như ESP, ARM, PIC, …
Giới thiệu về linh kiện sử dụng
2.3.1 Giới thiệu về bo mạch Arduino Mega 2560 Pro (Embed)
Arduino Mega 2560 Pro (Embed) là phiên bản thu nhỏ của Arduino Mega 2560, sử dụng vi điều khiển ATmega2560-16AU và thạch anh 16Mhz Mạch này có chức năng, số chân GPIO và cách sử dụng tương tự như Arduino Mega 2560, phù hợp cho các dự án cần tính nhỏ gọn và tiện lợi Sản phẩm được gia công chất lượng cao, đảm bảo độ bền và ổn định.
Hình 2.4 Aruino ATMega 2560 pro (embed)
IC nạp và giao tiếp UART CH340G tương thích với tất cả các hệ điều hành Windows, Mac, Linux,
Vi điều khiển chính: ATmega2560
Tốc độ thạch anh: 16Mhz
Nguồn nuôi mạch: o 5VDC từ cổng Micro USB. o Nguồn ngoài từ chân Vin từ 6~9VDC.
Dòng đầu ra chân 5VDC khi cấp nguồn từ: o Cổng USB: 500mA o Chân Vin: 800mA
Tích hợp IC chuyển nguồn 3.3VDC 800mA.
Số chân Digital: 54 (hỗ trợ 15 chân PWM)
Dòng ra tối đa trên GPIO: 20mA
Dung lượng bộ nhớ Flash: 256 KB, 8 KB used by bootloader.
Sơ đồ chân của bo mạch Arduino Atmega 2560 pro:
Hình 2.5 Sơ đồ chân của bo mạch Arduino Atmega 2560 pro
2.3.2 Cảm biến lưu lượng YF-S201:
Cảm biến lưu lượng nước là thiết bị quan trọng trong các hệ thống như máy bơm nước hồ cá, máy bơm mini và máy nước nóng Thiết bị này hoạt động dựa vào sự quay của cánh quạt khi nước chảy qua, kết hợp với cảm biến Hall để tạo ra xung vuông NPN.
Chịu áp lực đến : 1.75Mpa
Nhiệt độ hoạt động : < 120 độ C
Hình 2.7Cảm biến lưu lượng ỲF-S201
Cảm biến lưu lượng nước hoạt động thông qua một van nhựa cho phép nước chảy qua, kết hợp với rôto nước và cảm biến hiệu ứng Hall để xác định hướng và đo lưu lượng Khi nước chảy qua van, nó làm quay rôto, giúp quan sát sự thay đổi tốc độ động cơ Sự thay đổi này được chuyển đổi thành tín hiệu xung bởi cảm biến hiệu ứng Hall, từ đó cho phép đo lường tốc độ dòng chảy.
2.3.3 Động Cơ DC Bơm Nước Water Pump P385 12VDC Động cơ DC bơm nước Water Pump P385 12VDC có kích thước nhỏ gọn, áp lực mạnh, được sử dụng để bơm nước, dung dịch với khả năng bơm tối đa lên đến 1~2L/1 phút, thích hợp với các thiết kế sử dụng máy bơm nhỏ: bơm hồ cá, tưới nước cho cây, gắn với đầu phun để làm máy rửa tay hoặc các ứng dụng phun, xịt, ,
Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của cảm biến lưu lượng
Hình 2.9 Động Cơ DC Bơm Nước Water Pump P385
Điện áp làm việc: 12VDC
Áp suất đầu ra: 1-2,5 kg
Độ sâu hút đạt được: 1-2,5 mét
Tuổi thọ làm việc bình thường: 2-3 năm
Đường kính đầu vào và đầu ra: đường kính ngoài 8mm
Chiều dài động cơ: 32mm
Đường kính động cơ: 28mm
Bơm đường kính: 35mm – 40mm
Van điện từ Solenoid Valve 10mm 12VDC là thiết bị lý tưởng để điều khiển đóng ngắt dung dịch bằng điện 12VDC Với đường kính ống nhỏ 10mm, van này phù hợp cho việc kiểm soát các thể tích nhỏ và chính xác, thường được sử dụng trong các máy pha chế, chiết rót rượu, và cà phê Van có dạng thường đóng, nghĩa là khi không có điện cung cấp cho cuộn dây, van sẽ khóa lại, và khi có điện, van sẽ mở ra.
Điện áp hoạt động: 12VDC
Tiết diện ống vào ra: 10mm.
Nguyên lý hoạt động của van điện từ.
Mỗi chiếc van được cấu tạo bởi một cuộn lõi dây điện quấn quanh lõi sắt và được giữ chặt bởi một lò xo nén Lõi sắt này được bảo vệ dưới lớp gioăng cao su, đảm bảo tính năng hoạt động hiệu quả của van.
Khi không có dòng điện chạy qua => Lò xo giãn ép vào lõi sắt để đẩy cửa van đóng.
Khi dòng điện đi qua cuộn dây, nó tạo ra từ trường, làm cho lõi sắt bị hút vào Lực từ trường này đủ mạnh để kéo giãn lò xo, dẫn đến việc mở cửa van.
Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của van điện từ
Mạch 2 Relay Opto chọn mức kích High/Low 5VDC được sử dụng để bật, tắt thiết bị AC/DC qua Relay, mạch có thể tùy chọn kích bằng mức cao hoặc thấp (High/Low) qua Jumper, ngoài ra mạch còn bổ sung thêm Opto cách ly cho độ an toàn và chống nhiễu vượt trội (một số mạch trên thị trường không có Opto), thích hợp với các ứng dụng bật tắt, điều khiển thiết bị qua Relay.
Điện áp sử dụng: 5VDC
Dòng tiêu thụ: khoảng 200mA /1Relay
Tín hiệu kích: Tùy chọn mức cao High (5/12/24VDC theo loại Relay) hoặc thấp Low (0VDC) qua Jumper.
Tiếp điểm đóng ngắt Relay trên mạch: Max 250VAC-10A hoặc 30VDC-10A (Để an toàn nên dùng cho tải có công suất chưa nhấn.
Màn hình LCD 1602 sử dụng driver HD44780, hiển thị 2 dòng với 16 ký tự mỗi dòng Màn hình này có độ bền cao, phổ biến và dễ sử dụng, đặc biệt khi kết hợp với mạch chuyển tiếp I2C.
Thông số màn hình lcd1602
Điện áp hoạt động là 5V.
Chữ trắng, nền xanh dương
Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard.
Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện.
Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn.
Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu
Chức năng của từng chân:
Chân Ký hiệu Mô tả Giá trị
4 RS Lựa chọn thanh ghi RS=0: chọn thanh ghi lệnh
RS=1: chọn thanh ghi dữ liệu
5 R/W Chọn thanh ghi đọc/viết dữ liệu R/W=0: thanh ghi viết
15 A Cực dương led nền 0V đến 5V
Bảng 2.2 Chức năng từng chân của LCD 16x2
2.3.8 Mạch chuyển đổi giao tiếp I2C: Để sử dụng các loại LCD có driver là HD44780 (LCD 1602, LCD 2004,… ) cần có ít nhất 6 chân của MCU kết nối với các chân RS, EN, D7, D6, D5 và D4 để có thể giao tiếp với LCD.
Với mạch chuyển đổi giao tiếp I2C cho LCD, chỉ cần kết nối 2 chân SDA và SCL của MCU với 2 chân tương ứng trên module để hiển thị thông tin lên LCD Ngoài ra, độ tương phản có thể được điều chỉnh nhờ biến trở gắn trên module.
Thông số mạch chuyển đổi giao tiếp I2C:
Kích thước: 41.5mm(L)X19mm(W)X15.3MM(H)
Jump chốt: Cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
Biến trở xoay độ tương phản cho LCD
Hình 2.17 Mạch chuyển đổi giao tiếp I2C
THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG
Sơ đồ khối chức năng
(Van điện từ, bơm, relay)
Tìm hiểu và chuẩn bị linh kiện
Để tiến hành thi công lắp đặt, cần tìm hiểu và chuẩn bị đầy đủ các linh kiện cần thiết Việc đảm bảo linh kiện có chất lượng tốt sẽ giúp tránh các lỗi không đáng có, từ đó không làm chậm quá trình thi công Trước khi thực hiện, hãy kiểm tra kỹ lưỡng tình trạng của các linh kiện để đảm bảo chúng còn tốt.
STT Linh kiện trong mạch Số lượng
5 Mạch chuyển đổi giao tiếp I2C 1
6 Cảm biến lưu lượng YF-S201 1
Thiết kế phần cứng
Phần cứng của mạch yêu cầu sử dụng nguồn một chiều (DC), do đó có nhiều lựa chọn cho nguồn cấp như: pin, ắc quy, nguồn từ cổng USB, hoặc từ mạch nguồn thiết kế.
Ta sẽ sử dụng bộ nguồn với các thông số như sau: Điện áp ngõ vào là 100-240VAC.
Dòng cực đại ngõ ra là 1A. Điện áp ngõ ra là 12V.
Để cung cấp nguồn cho vi điều khiển, cảm biến, bàn phím và mạch relay, chúng ta cần xây dựng mạch hạ áp từ nguồn adapter 12V xuống 5V.
Cảm biến lưu lượng YF-S201 được kết nối với vi điều khiển thông qua chân D19, không chỉ đảm bảo chức năng digital mà còn hỗ trợ chức năng ngắt, giúp cảm biến duy trì việc nhận và truyền tín hiệu liên tục đến vi điều khiển.
Mạch hạ áp chuyển đổi từ 12V xuống 5V được thể hiện trong Hình 3.19 Hình 3.20 mô tả sơ đồ kết nối giữa vi điều khiển và cảm biến lưu lượng Để thuận tiện cho việc cài đặt lưu lượng chiết rót, bàn phím được kết nối với vi điều khiển thông qua 8 chân digital, với các hàng kết nối lần lượt tới chân D40, D42, D44, D46 và các cột kết nối tới chân D32, D34, D36, D38.
Hình 3.21 Sơ đồ kết nối giữa vi điều khiển và bàn phím
Để đơn giản hóa việc kết nối giữa LCD 1602 và vi điều khiển, ta sử dụng giao thức I2C làm trung gian Mạch chuyển đổi I2C không chỉ giúp tiết kiệm dây kết nối mà còn làm cho quá trình kết nối trở nên dễ dàng hơn, đồng thời vẫn cho phép điều khiển LCD 8bit hiệu quả.
Hình 3.23 Sơ đồ kết nối chân giữa I2C và Arduino.
Hình 3.22 Sơ đồ kết nối giữa I2C và LCD
Theo sơ đồ chân của nhà sản xuất, chân SDA của Aruino là D20 và chân SLD của Arduino là chân D21 Cần kết nối đúng chân để I2C hoạt động được.
3.3.4 Khối đầu ra. Để điều khiển được động cơ bơm nước và van điện tử, cần sử dụng mạch relay kích 5V Trong đó, động cơ bơm và van điện từ đều được kết nối chân thường hở.
COM2 Dây nguội của bơm
Bảng 3.4 Sơ đồ kết nối chân của khối đầu ra.
THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM
Lưu đồ thuật toán
Hình 4.24 Lưu đồ thuật toán
Hình 4.25 Lưu đồ thuật toán Autoset.
Phần mềm viết chương trình điều khiển là Arduino IDE
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); byte relayVale = 7; // relay byte relayPumper = 10; //bơm byte sensorInterrupt = 4; // digital pin 19 chân ngắt int4 byte sensorPin = 19; // chân tín hiệu unsigned long sosanh; unsigned long luuluong;
Hình 4.26 Lưu đồ thuật toán vandientu. float calibrationFactor = 7.5; // theo datasheet volatile byte pulseCount; float flowRate; unsigned int flowMilliLitres; unsigned long totalMilliLitres; unsigned long oldTime; byte setkey; unsigned int set;
// KEY PAD char key; const byte ROWS = 4; //four rows const byte COLS = 4; //four columns char keys[ ROWS ][COLS ] {
To set up a keypad in your project, connect the row pins to digital pins 40, 42, 44, and 46, and the column pins to digital pins 32, 34, 36, and 38 Utilize the Keypad library to create a keypad object by passing the keymap, row pins, column pins, and the number of rows and columns Implement an autoset function to configure settings automatically.
The code snippet allows users to set an automatic flow rate by selecting a key on the keypad Each key corresponds to a specific flow rate in milliliters (ml), with options ranging from 100 ml to 1000 ml When a key is pressed, the display clears and shows "AUTO SET," followed by the selected flow rate This functionality is implemented through a switch statement that assigns the appropriate value to the variable `luuluong` based on the key pressed.
{ lcd.init(); lcd.backlight(); pinMode(relayVale, OUTPUT); pinMode(relayPumper, OUTPUT); pinMode(sensorPin, INPUT); digitalWrite(sensorPin, HIGH); pulseCount = 0; flowRate = 0.0; flowMilliLitres = 0; totalMilliLitres = 0; oldTime = 0;
//sensorInterrup chuyển từ High sang Low thực hiện pulseCounter attachInterrupt(sensorInterrupt, pulseCounter , FALLING); vandientu();
// Increment the pulse counter pulseCount++;
{ digitalWrite(relayVale, HIGH); //relay kích mức cao
} if (sosanh < luuluong) { digitalWrite(relayVale, LOW);
{ key = keypad.getKey(); if (key == 'A')
{ lcd.clear(); lcd.print("AUTO SET"); while (key != 'B')plus
The code snippet processes flow rate measurements every second by detaching the interrupt from the sensor and calculating the flow rate based on pulse counts and a calibration factor It updates the total volume in milliliters and displays the current flow rate in liters per minute, alongside the total volume on an LCD screen After displaying the data, it resets the pulse count and reattaches the interrupt for continuous monitoring.
KẾT QUẢ THỰC HIỆN
Thi công lắp đặt
Trong quá trình thi công, việc bố trí linh kiện phải đảm bảo tính tiện lợi cho người sử dụng Các vị trí lắp đặt linh kiện cần được sắp xếp hợp lý, gọn gàng và an toàn để tránh hiện tượng chạm dây, gây hư hỏng cho linh kiện.
Đo đạc thử nghiệm
Để kiểm tra độ chính xác của cảm biến cũng như mô hình, cần tiến hành thực nghiệm nhiều lần
Lần đo Thông số cài đặt Thông số thực nghiệm Sai số