Thiết kế hệ thống đo dung tích xăng trong bình chứa

Thiết kế hệ thống đo dung tích xăng trong bình chứa Thiết kế hệ thống đo dung tích xăng trong bình chứa Thiết kế hệ thống đo dung tích xăng trong bình chứa Thiết kế hệ thống đo dung tích xăng trong bình chứa Thiết kế hệ thống đo dung tích xăng trong bình chứa Thiết kế hệ thống đo dung tích xăng trong bình chứa Thiết kế hệ thống đo dung tích xăng trong bình chứa

Nhiệm vụ của đề tài

Hệ thống đo dung tích xăng trong bồn chứa được thiết kế để theo dõi mức xăng và nhiệt độ xung quanh bồn Hệ thống này không chỉ hiển thị thông tin về mức xăng mà còn cung cấp cảnh báo khi có rò rỉ xăng xảy ra, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quản lý nhiên liệu.

Sơ đồ khối và nhiệm vụ của các khối

Sơ đồ khối tổng quát

Nhiệm vụ của các khối

Khối nguồn cung cấp điện áp và dòng điện cho toàn bộ hệ thống, đảm bảo mức điện áp 5V cho các khối điều khiển, khối hiển thị và cảnh báo, cũng như khối cảm biến.

+ Điện áp: (4.8 ÷ 5.2)V + Dòng điện: (1 ÷ 2)A + Sai số cho phép: ±2%

2.2.2 Khối hiển thị và cảnh báo

 Phần hiển thị: Hiển thị mức xăng và nhiệt độ đo được

+ Kích thước: 150cm x 90cm (dài x rộng)

+ Hiển thị được số từ 0 đến 9

 Phần cảnh báo: Cảnh báo mức xăng hiện tại đầy hay cạn

+ Tần số: (2KHz ÷ 3KHz) ± 500Hz

Nhận tín hiệu dạng số từ khối cảm biến truyền sang để đưa ra kết quả hiện thị và báo động

Yêu cầu ngõ vào: dạng số

Yêu cầu ngõ ra: dạng số

Để thực hiện nhiệm vụ đo dung tích xăng trong bồn chứa, khối cảm biến cần phải đo đồng thời nhiệt độ xung quanh bồn và phát hiện xem có rò rỉ xăng hay không Cụ thể, các đối tượng cần đo của khối cảm biến bao gồm dung tích xăng, nhiệt độ và nồng độ xăng xung quanh bồn trong trường hợp có rò rỉ.

+ Đối tượng cần đo: dung tích xăng trong bể

+ Giới hạn đo: đo xăng trong bồn có chiều cao tối đa 0,5m + Độ chính xác: 99% (sai số 5mm)

+ Yêu cầu ngõ ra: điện áp ra có biên độ 4,8v  5,2v Tần số 10kHz, dòng khoảng 15mA

+ Đối tượng cần đo: nhiệt độ xung quanh bồn xăng

+ Giới hạn cần đo: nhiệt độ cao nhất không quá 60 0

+ Độ chính xác: sai số 1 0 C

+ Tín hiệu ra dạng analog

+ Đối tượng cần đo: nồng độ xăng trong môi trường xung quanh bồn xăng

+ Giới hạn đo:từ 300ppm đến 10000ppm

+ Tín hiệu ra: dạng analog.

Chọn linh kiện chính

Khối hiển thị và cảnh báo

+ Ưu điểm: Độ chính xác cao

+ Nhược điểm: Khó sử dụng, không đủ nhiệm vụ

+ Ưu điểm: Tiết kiệm điện, sức bền và độ va đập cao, đa dạng về màu sắc

+ Nhược điểm: Kích cỡ không phù hợp, giá thành cao

+ Ưu điểm: Phù hợp để sử dụng, nhiều kích thước để lựa chọn, dễ sử dụng, giá thành hợp lý

+ Nhược điểm: dùng dòng khá lớn

 Chọn phương pháp dùng LED 7 đoạn

Chọn LED 7 đoạn đơn loại anod chung 1.5inch phù hợp với nhiệm vụ với các thông số sau:

 Chọn linh kiện phụ trợ:

BJT 2SA1015 để kích dẫn với các thông số sau:

+ PC = 400mW Điện trở 2KΩ để kích dẫn cho BJT A1015

Trở 330Ω để bảo vệ LED

Trở 6.8Ω và 100Ω để hạn dòng cho LED

IC giải mã SN74LS47 để giải mã cho LED 7 đoạn

Cảnh báo bằng còi: Phát âm thanh cảnh báo

Cảnh báo bằng LED: Phát tín hiệu ánh sáng

 Chọn phương pháp cảnh báo sử dụng cả còi và đèn LED

Chọn loại LED tròn đơn 5mm để cảnh báo vì đơn giản, rẻ, gọn

Các loại còi có thể dùng để cảnh báo:

+ Còi chip: nhỏ gọn, dễ sử dụng, âm thanh đáp ứng tốt, giá rẻ + Loa: giá đắt, cần mạch khuếch đại phức tạp

+ Còi hú: sử dụng điện áp cao, không cần thiết, giá cao

 Sử dụng còi chip (loại 5V)

 Chọn linh kiện phụ trợ:

Trở 220Ω để hạn dòng cho LED

BJT 2SC1815 để kích dẫn cho còi

Trở 2KΩ để phân cực cho BJT

Diode 4007 để triệt tiêu dòng cảm ứng

3.1.3 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị và cảnh báo

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị và cảnh báo

 Giải thích nguyên lý làm việc:

Khi tín hiệu chân B của BJT ở mức 1, BJT không dẫn điện, dẫn đến LED 7 đoạn không sáng và còi không kêu Ngược lại, khi tín hiệu ở mức 0, BJT bắt đầu dẫn, làm cho LED và còi hoạt động.

Khi tín hiệu ra của IC 7447 ở mức logic 0 thì thanh đó của LED 7 đoạn sẽ sáng Và ngược lại, khi ở mức logic 1 thì thanh đó sẽ tắt.

Khối nguồn

Dùng biến áp và chỉnh lưu dòng điện một chiều

Linh kiện chính: Biến áp 220V-12V, cầu diode 3A

Linh kiện phụ: tụ 4700uF/25V, tụ 104, LED báo có nguồn và trở hạn dòng cho LED

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý tầng chỉnh lưu

Trường hợp tải nhỏ nhất:

Trường hợp tải lớn nhất:

3.2.2 Nâng dòng và ổn áp 5V

Phương pháp dùng IC ổn áp vì ổn định, đơn giản, dễ sử dụng, giá rẻ Linh kiện chính: BJT B688, IC ổn áp LM7805

Linh kiện phụ: tụ 470uF, 100uF, tụ 104, LED báo có nguồn và trở hạn dòng cho LED, trở công suất phân cực cho BJT

Hình 3 Sơ đồ nguyên lý tầng nâng dòng và ổn áp 5V

Trường hợp tải nhỏ nhất:

Trường hợp tải trung bình:

Trường hợp tải lớn nhất:

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

Hình 4 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

 Giải thích nguyên lý làm việc:

Nguồn 12V AC đầu vào khi qua cầu diode sẽ được chỉnh lưu thành điện áp DC, qua các tụ lọc nhiễu gợn để sóng ra phẳng hơn

Khi nguồn chỉnh lưu đi qua IC LM7805, điện áp đầu ra sẽ được ổn định ở mức 5V Tuy nhiên, do dòng ra của IC LM7805 rất nhỏ, nên BJT B688 được sử dụng để nâng cao dòng đầu ra, đáp ứng nhu cầu sử dụng thực tế.

Khối cảm biến

Để đo dung tích xăng, có nhiều phương pháp như cảm biến siêu âm, cảm biến chênh áp, cảm biến điện dung và cảm biến phát sóng radar Các cảm biến này đều có độ chính xác cao, nhưng cảm biến điện dung và cảm biến chênh áp cần tiếp xúc trực tiếp với xăng, dễ bị hư hỏng và yêu cầu vật liệu chất lượng cao (như inox) để tăng độ bền, dẫn đến chi phí cao Ngược lại, cảm biến siêu âm không tiếp xúc với xăng, có độ bền tốt và giá thành hợp lý, nhưng không hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao Cảm biến phát sóng radar mang lại độ chính xác vượt trội và có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt, nhưng chi phí rất cao.

Khi chọn loại cảm biến siêu âm, cảm biến HC_SR04 là lựa chọn hàng đầu nhờ vào giá thành rẻ và độ chính xác cao Với các thông số kỹ thuật ấn tượng, HC_SR04 đảm bảo thực hiện tốt các nhiệm vụ được đề ra.

Nguồn làm việc: 5V (một số mạch điện tử có thể cấp nguồn 3.3V vẫn hoạt động bình thường nhưng cảm biến siêu âm cần hoạt động ở mức 5V)

► Dòng tiêu thụ: nhỏ hơn 2mA

► Tín hiệu đầu ra: xung HIGH (5V) và LOW (0V)

► Khoảng cách đo: 2cm - 300cm (3 mét)

Hiện nay cảm biến nhiệt độ được chia ra làm các loại sau:

+ Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector )

+ Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc (hỏa kế - Pyrometer) Dùng hồng ngoại hay lazer

Cặp nhiệt độ: nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV) + Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao

+ Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao

+ Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

Nhiệt điện trở là hiện tượng mà điện trở giữa hai đầu dây kim loại thay đổi khi nhiệt độ biến đổi Độ tuyến tính của sự thay đổi này phụ thuộc vào loại kim loại và chỉ xảy ra trong một khoảng nhiệt độ nhất định.

+ Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế

+ Khuyết điểm: Dải đo bé hơn cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn cặp nhiệt điện

+ Thường dùng: Trong các nghành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất,…

Thermistor: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi

+ Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo

+ Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp

+ Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử

Bán dẫn: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

+ Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản

+ Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền

+ Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị

 Chọn loại cảm biến nhiệt độ bằng bán dẫn

Các loại cảm biến bán dẫn phổ biến bao gồm LM35, LM335, LM45 và DS18B20 Trong số đó, cảm biến nhiệt độ LM35 được lựa chọn vì độ chính xác cao với sai số nhỏ và giá thành hợp lý.

Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35 Đơn vị nhiệt độ: °C

Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C

 Đo rò rỉ xăng: Đối tượng cần đo: nồng độ xăng trong môi trường xung quanh bồn xăng

Giới hạn đo: từ 300ppm đến 10000ppm Độ chính xác:

Tín hiệu ra: dạng analog

Xăng là một chất dễ cháy, do đó việc sử dụng các cảm biến phát hiện chất dễ cháy nổ như MQ2, MQ5, và MQ7 để phát hiện rò rỉ xăng là rất cần thiết.

Cảm biến MQ2 được lựa chọn nhờ vào độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh Thông tin đo lường từ cảm biến có thể thu thập dễ dàng bất cứ lúc nào, với phạm vi phát triển rộng rãi Ngoài ra, cảm biến này còn hoạt động ổn định và có độ bền cao.

Để đảm bảo khối cảm biến hoạt động hiệu quả, cần có một bộ nguồn riêng với điện áp vào từ 12v đến 15v và điện áp ra ổn định từ 4.8v đến 5.2v Để cung cấp điện áp ra 5v cho các cảm biến, cần chọn IC ổn áp, và IC LM78xx, đặc biệt là LM7805, là lựa chọn phù hợp để duy trì mức điện áp ổn định.

Khi HC_SR04 nhận nguồn cung cấp, nó sẽ nhận xung kích hoạt từ vi điều khiển và phát sóng siêu âm Đồng thời, chân echo sẽ tạo ra một xung cao có độ rộng tương ứng với thời gian từ khi phát sóng đến khi nhận sóng phản xạ Tín hiệu tại chân echo sau đó được truyền đến vi điều khiển để xử lý.

Bộ nguồn cung cấp cho khối cảm biến có đầu vào từ bộ nguồn bên khối xử lý trung tâm, nằm trong khoảng 12v đến 16v Đi qua diode chống ngược dòng, điện áp đầu vào của LM7805 giảm xuống còn 11.3v đến 15.3v Đầu ra của LM7805 là VoutLM7805.

Mạch cảm biến nhiệt độ được lắp đặt bên ngoài bồn xăng, với đầu vào từ mạch chính của khối cảm biến có điện áp dao động từ 12v đến 16v Điện áp này sau đó được điều chỉnh qua LM7805, với đầu vào Vin từ 12v đến 16v và đầu ra Vout nằm trong khoảng 4.75v đến 5.25v.

Vin+LM358 (200mV ->650mV) tùy thuộc vào nhiệt độ môi trường, cứ 10mV = 1°C

Mạch cảm biến rò rỉ xăng : Đầu vào được lấy từ mạch chính của khối cảm biến có khoảng điện áp

(12v ->16v) Đi qua LM7805 Đầu vào của LM7805 có Vin = (12v ->16v) Đầu ra Vout = (4.75v -> 5.25v)

Phần mạch lọc tích cực dùng để lọc tín hiệu nhận từ cảm biến trước khi đưa vào vi điều khiển:

Tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ được đưa vào chân 3 của LM358 và lấy ra tại chân 1 của LM358 với khoảng điện áp là 3.5*V3

Tín hiệu từ cảm biến rò rỉ đưa vào chân 5 của LM358 và lấy ra tại chân

7, mạch này chỉ lọc nhiễu , không khuếch đại.

Khối điều khiển

Nên chọn chip atemega328p vì có tốc độ xử lí nhanh, tiêu tốn ít năng lượng, dễ lập trình

Khối cảm biến được đặt cách khối trung tâm khoảng 20m, do đó việc lựa chọn chuẩn truyền tín hiệu phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tín hiệu được truyền đi một cách an toàn và không bị tổn hao Có hai phương thức truyền tín hiệu: truyền có dây và không dây Trong truyền có dây, có thể sử dụng chuẩn giao tiếp RS232, RS485 hoặc dòng điện vòng 20mA Trong khi đó, truyền không dây có thể thực hiện qua sóng AM hoặc FM.

Chọn chuẩn giao tiếp RS485 vì có tốc độ truyền nhanh, khả năng chống nhiễu tốt, có thể giao tiếp với nhiều vi điều khiển

Vì vậy mà bên khối cảm biến sẽ gắn thêm một vi điều khiển là atemega328p

Vì chọn chuẩn giao tiếp RS485 nên ở mỗi bên sẽ gắn 1 con Max485

Tín hiệu sẽ được truyền từ khối cảm biến sang khối điều khiển thông qua chuẩn RS485.

Đo kiểm tra từng linh kiện chính trong mạch

Khối nguồn

Trường hợp tải nhỏ nhất:

Ngõ ra: 12.4V ∈ (11.5 ÷ 13.5)V + Điện áp qua cầu: 15.81V ∈ (14.5 ÷ 17.3)V

Hình 5 Dạng sóng của điện áp qua tụ

Trường hợp tải trung bình:

Ngõ ra: 11.1V ∈ (11 ÷ 13)V + Điện áp qua cầu: 13.2V ∈ (14 ÷ 16)V + Điện áp qua tụ: 13.1V

Hình 6 Dạng sóng của điện áp qua tụ

Trường hợp tải lớn nhất:

Ngõ ra: 10.6V ∉ (11 ÷ 12.5)V + Điện áp qua cầu: 11.17V ∉ (14 ÷ 15.6)V + Điện áp qua tụ: 11.15V

Hình 7 Dạng sóng của điện áp qua tụ

Mạch hoạt động đúng yêu cầu, các mức điện áp phù hợp trong khoảng lý thuyết

Trường hợp tải lớn nhất thì điện áp ra của biến áp và điện áp qua cầu không thuộc khoảng lý thuyết, nhưng mạch vẫn hoạt động bình thường

4.1.2 Nâng dòng và ổn áp 5V

Trường hợp tải nhỏ nhất:

Trường hợp tải trung bình:

Trường hợp tải lớn nhất:

Hình 8 Dạng sóng ngõ ra LM7805

Các mức điện áp ở trường hợp không tải phù hợp với khoảng lý thuyết

Các mức điện áp ở trường hợp tải trung bình và tải lớn nhất có sụt áp ở ngõ vào, nhưng ngõ ra phù hợp khoảng lý thuyết

Mạch vẫn hoạt động bình thường

4.2 Khối hiện thị và cảnh báo

Hình 9 Giả lập mức logic 0 cấp vào để hiển thị, tổng dòng đo được là 97.2mA

 Nhận xét: Mạch hoạt động bình thường Các mức điện áp phù hợp khoảng lý thuyết

Mạch cảm biến nhiệt độ đặt tại bên ngoài bồn xăng:

+ Vheader = 13.63v + VinLM7805 54v + VoutLM7805 = 4,97v + Vì VinLM7805 54v thuộc khoảng (12v ->16v) và VoutLM7805

= 4,97v thuộc khoảng (4.75v -> 5.25v) nên LM7805 hoạt động ổn định

+ VccLM35 = 4.96v + VoutLM35 = 0.25v + VccLM358 = 4.97v + V3LM358 = 0.25v + V1LM358 = 0.82v + Ta thấy V1LM358 = 3.28* V3LM358

Mạch cảm biến rò rỉ xăng:

+ Vheader = 14.31v + VinLM7805 31v + VoutLM7805 = 4,9v + Vì VinLM7805 31v thuộc khoảng (12v ->16v) và VoutLM7805

= 4,9v thuộc khoảng (4.75v -> 5.25v) nên LM7805 hoạt động ổn định

Bộ nguồn cung cấp cho khối cảm biến:

+ Vheader = 14.94v + VD1 = 0.77v + VinLM7805 = 14.12v + VoutLM7805 = 4.97v Trường hợp có tải :

Phần mạch lọc tích cực dùng để lọc tín hiệu nhận từ cảm biến trước khi đưa vào vi điều khiển :

+ VccLM358= 4.98v + V3LM358 = 0.75v + V1LM358 = 2.32v + V5LM358 = 0.52v + V7LM358 = 0.52v

V3 được tăng cường gấp ba lần khi đi qua mạch khuếch đại và lọc nhiễu, trong khi đó V5 giữ nguyên giá trị khi đi qua mạch lọc, vì mạch này chỉ có chức năng lọc mà không thực hiện khuếch đại.

Khối hiển thị và cảnh báo

Hình 10 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

Trường hợp tải nhỏ nhất:

 Nhận xét: Mạch hoạt động trong khoảng lý thuyết.

Đo kiểm tra nguyên lý làm việc của từng khối

Khối nguồn

Hình 10 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

Trường hợp tải nhỏ nhất:

 Nhận xét: Mạch hoạt động trong khoảng lý thuyết

Trường hợp tải trung bình:

 Nhận xét: Mạch hoạt động không nằm trong khoảng lý thuyết, gần khoảng lý thuyết nhưng vẫn bình thường

Trường hợp tải lớn nhất:

 Nhận xét: Mạch hoạt động ngoài khoảng lý thuyết nhưng vẫn bình thường.