Cảm biến đo mức nước trong công nghiệp được lắp đặt ở môi trường nhiễu cao và thường bị xung áp. Điều này đòi hỏi các cảm biến phải hoạt động bình thường cả với xung điện áp và bù được nhiễu để đảm bảo đưa ra tín hiệu đo với chính xác cao. Thông thường, trong công nghiệp hay sử dụng giao diện truyền dẫn tín hiệu 420mA giữa bộtruyền tín hiệu đo với thiết bị điều khiển. Bộ truyền tín hiệu đo gắn với cảm biến đo mức có thể được cấp nguồn bởi chính mạch vòng 420mA này hoặc nguồn riêng. Bộ truyền tín hiệu đo sử dụng mạch vòng 420mA có yêu cầu rất khắt khe vè công suất: tất cả các thiết bị thu thập xử lý và truyền tín hiệu cần phải họt động độc lập với nguồn cấp từmạch vòng 420mA, chỉ những vi xử lývi điều khiển dùng chung nguồn của mạch vòng 420mA mới được kết hợp dùng chung nguồn của mạch vòng 420mA.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống
3.1 Mô hình hóa và mô phỏng hệ cơ khí
3.2 Mô hình hóa và mô phỏng hệ điều khiển
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 2
1.2 Các yêu cầu cơ bản 3
1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 3
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 3
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng 3
1.3.3 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu 4
1.4.1 Đối với nhóm đề tài 4
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 6
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 6
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 6
2.2.2 Cấu tạo cảm biến siêu âm HY-SRF05 8
2.2.3 Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm HY-SRF05 12
2.2.4 Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HY-SRF05 13
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 13
2.3.2 Cấu tạo của bộ xử lý Arduino UNO R3 14
2.4 Một số thiết bị liên quan khác 17
2.5 Thiết kế mạch đo và xử lí tín hiệu 22
2.5.3 Khối mạch mô hình hệ thống 24
CHƯƠNG 3 Mô hình hóa và mô phỏng 25
3.1 Mô hình hóa và mô phỏng hệ cơ khí 25
3.2 Mô hình hóa và mô phỏng hệ điều khiển 26
3.2.1 Mô phỏng với phần mềm proteus 26
3.3.1 Giới thiệu về phần mềm Arduino IDE 31
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.2-1Mặt trước của cảm biến HY-SRF05 8
Hình 2.2-2 Mô phỏng Bồn chứa và cách đo 9
Hình 2.2-3 Phát sóng trên cảm biến siêu âm HY - SRF05 10
Hình 2.2-4 Mô tả xung Mode 1 11
Hình 2.2-5 Mô tả xung Mode 2 12
Hình 2.2-6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm HY - SRF05 13
Hình 2.3-1 Vi điều khiển ATMEGA328P-PU 15
Hình 2.3-2 Các cổng vào ra của ARDUINO UNO R3 16
Hình 2.4-2 Bàn phím số ma trận 4x4 19
Hình 2.4-3 Sơ đồ các chân của Led 20
Hình 2.5-1 Sơ đồ đấu nối giao tiếp IC2 với LCD 16x2 22
Hình 2.5-2 Sơ đồ đấu nối Relay và Bơm vào UNO R3 23
Hình 2.5-3 Mạch đo toàn hệ thống 24
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Một vài thông số của ArduinoUno R3 14
Bảng 2-2 Thông số kỹ thuật Relay 5V 21
Bảng 2-3 Các chân đấu nối tương ứng của I2C LCD và Arduino 22
Bảng 2-4 Sơ đồ chân kết nối Relay với Arduino 23
Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật trong mọi lĩnh vực đời sống và sản xuất yêu cầu con người không ngừng học hỏi để cập nhật những tiến bộ mới nhất Việc phát triển ngành cơ điện tử trở nên vô cùng quan trọng, vì sản phẩm của ngành này phục vụ cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong nền kinh tế, bao gồm tự động hóa, kỹ thuật robot, chế tạo, điều khiển và cảm ứng.
Cảm biến đo mức nước trong công nghiệp thường được lắp đặt trong môi trường có nhiễu cao và xung áp, yêu cầu hoạt động ổn định để đảm bảo tín hiệu đo chính xác Giao diện truyền dẫn tín hiệu 4-20mA là phổ biến giữa bộ truyền tín hiệu và thiết bị điều khiển, với khả năng cấp nguồn từ mạch vòng 4-20mA hoặc nguồn riêng Bộ truyền tín hiệu cần hoạt động độc lập với nguồn cấp từ mạch vòng, chỉ các vi xử lý/vi điều khiển mới được sử dụng chung nguồn Những yếu tố này góp phần nâng cao năng suất và hiệu quả của hệ thống tự động hóa Bài báo cáo sẽ trình bày nguyên tắc hoạt động, ưu nhược điểm và đặc tính của cảm biến siêu âm đo mức, giúp người dùng lựa chọn cảm biến phù hợp cho ứng dụng của mình.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy cô Bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội, đã tạo điều kiện và cung cấp tài liệu quý giá cho đề tài nghiên cứu Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nhữ Quý Thơ, giảng viên hướng dẫn, đã tận tình hỗ trợ nhóm trong suốt quá trình thực hiện đồ án Cuối cùng, nhóm cũng xin cảm ơn bạn bè đã giúp đỡ và chia sẻ kinh nghiệm quý báu trong thời gian qua.
Xin chân thành cảm ơn!
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1 Giới thiệu chung Đo mức chất lỏng đóng một vai trò quan trọng, không chỉ vì phục vụ cho mục đích kiểm kê, đo đếm mà còn bởi vì ứng dụng của nó trong hệ thống tự động hóa các quá trình sản xuất Chính vì vậy việc hiểu rõ về phương pháp đo cũng như nắm vững các đặc tính của thiết bị đo mức chất lỏng là rất cần thiết
Cảm biến đo mức là thiết bị quan trọng trong việc đo lưu lượng chất lỏng và hỗn hợp khí lỏng trong các ngành công nghiệp như thực phẩm, dầu khí, hóa dược phẩm, sản xuất giấy và xi măng Trên thị trường hiện nay có nhiều phương pháp đo mức chất lỏng, bao gồm cảm biến dạng phao, cảm biến thủy tĩnh, thiết bị báo mức dạng que, đo điện dung, Radar tiếp xúc và áp suất Đặc biệt, phương pháp đo mức nước bằng cảm biến siêu âm đang trở nên phổ biến và được ưa chuộng trong nhiều ứng dụng.
Thiết bị đo mức chất lỏng bằng sóng siêu âm là một trong những cảm biến đo mức nước chính xác cao, thường được sử dụng để đo mức nước, nước thải trong công nghiệp và nước cất trong sản xuất thuốc Cảm biến này cung cấp tín hiệu liên tục 4-20mA, 0-10V hoặc truyền thông Modbus RTU, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong quá trình đo lường.
Dòng thiết bị đo mức dầu Diezen, dầu Do, dầu điều và dầu nành tại các trạm xăng và nhà máy có độ chính xác cao lên tới 0.15%, đạt tiêu chuẩn Châu Âu Với thiết kế tối ưu, thiết bị này có độ bền cao do quá trình đo ít tiếp xúc với chất lỏng Tốc độ truyền tín hiệu nhanh chóng và khả năng cài đặt dãy đo linh hoạt mà không ảnh hưởng đến độ sai số, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
Đề tài "Xây dựng hệ thống đo mức chất lỏng sử dụng cảm biến siêu âm" được nhóm nghiên cứu thực hiện nhằm phát triển một hệ thống tương tác qua bàn phím nhập liệu Hệ thống này còn được trang bị chức năng hiển thị và cảnh báo khi mức chất lỏng đạt đến giới hạn yêu cầu.
1.2 Các yêu cầu cơ bản
Hệ thống đo và cảm biến sử dụng cảm biến siêu âm để đo khoảng cách, xác định chính xác mức chất lỏng trong bình chứa và hiển thị kết quả trên màn hình LCD, giúp hạn chế sai số Thiết kế của hệ thống nhỏ gọn, cho phép hoạt động liên tục, dễ sử dụng, bảo trì và thay thế.
• Về phần điều khiển và lập trình : Sử dụng phần mềm arduino ide trên máy tính, lập trình chính xác ,phổ biến dễ dàng tiếp cận
• Về cơ cấu chấp hành: hệ thống sử dụng có thể xuất tín hiệu khởi động động cơ máy bơm chất lỏng với giới hạn nhập liệu cho trước
Mô hình hóa và mô phỏng hệ điện là quá trình thực hiện mô hình trên phần mềm Proteus, kết hợp với việc sử dụng Arduino IDE để mô phỏng hoạt động của hệ thống điện Đồng thời, chương trình mô phỏng hệ cơ khí cũng tương tác chặt chẽ với hệ thống điều khiển, giúp nâng cao hiệu quả trong việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng điện tử.
1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Dựa vào kiến thức từ các môn học như Cơ sở hệ thống tự động và Hệ thống tự động thủy khí, cùng với việc tìm hiểu qua internet, sách vở, và tham khảo ý kiến từ bạn bè cũng như thầy cô, chúng ta có thể mở rộng hiểu biết và áp dụng kiến thức vào thực tiễn.
• Tìm hiểu những hệ thống đo mức chất lỏng phổ biến để học hỏi cách thiết kế chi tiết, cấu tạo tối ưu nhất có thể
• Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính toán, phân tích, xử lí số liệu để xây dựng mô hình phù hợp với đề tài
• Xây dựng sơ đồ khối và tìm hiểu nguyên lí hoạt động của hệ thống
• Xây dựng quy trình hoạt động dựa trên nguyên lí đã tìm hiểu
• Tính toán sai số và so sánh sau khi đo và hiển thị
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng
• Từ phương pháp nghiên cứu lí thuyết , nghiên cứu đưa ra mô hình hóa của hệ thống
• Sử dụng các phần mềm mô phỏng để mô phỏng cảm biến ,mạch điện tử, hệ thống điều khiển trong đó có hệ thống nhập liệu và hiển thị
• Sử dụng phần mềm mô phỏng sơ đồ nối dây tương tác với hệ thống điều khiển và cảnh báo như relay, bơm, đèn,
• Sử dụng phần mềm mô phỏng hệ thống cơ khí và môi trường đo tương tác với cảm biến
• Sử dụng phần mềm xây dựng chương trình điều khiển tương tác với phần mềm mô phỏng trước đó
1.3.3 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Nghiên cứu lựa chọn các mô hình thực tế phù hợp với kết cấu của hệ thống
• Đo mức chất lỏng trong bình chứa với dải đo từ 2cm đến 15cm
• Giới hạn mức chất lỏng từ 0 – 300mm
• Sai số đo không quá 5% hoặc 0.3cm
Mô phỏng các mô hình và lưu đồ thuật toán, cùng với việc tính toán điều khiển trên các hệ thống, có thể thực hiện linh hoạt thông qua các phần mềm như Proteus, Fristing và Arduino Những công cụ này cho phép người dùng thay đổi các cơ cấu của hệ thống một cách dễ dàng, giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế và phát triển.
1.4.1 Đối với nhóm đề tài
• Việc nghiên cứu và phát triển đề tài trên giúp nhóm tác giả hiểu được nghiên lí hoạt động của hệ thống
• Biết sử dụng cảm biến để đo mức chất lỏng và tương tác với các hệ thống điều khiển và môi trường
Tìm hiểu cách xây dựng hệ thống mạch điện tử và hệ thống điều khiển, cùng với chương trình điều khiển tương tác với hệ thống cơ khí và môi trường đo là rất quan trọng Việc này giúp tối ưu hóa quy trình hoạt động và nâng cao hiệu suất của các thiết bị công nghiệp.
• Trong Công nghiệp: Đo mực nước ở các bình chứa nước sạch, các bình chứa nguyên liệu là chất lỏng, bình chứa chất thải công nghiệp độc hại,…
Giảm bớt thời gian của công nhân phải đến xem trực tiếp, có thể theo dõi và điều khiển hệ thống bơm và mực mước từ xa
Kiểm soát được mức của các chất hóa học, chất có độc tố mà con người không tiếp xúc lâu được
Giám sát bể chứa nguyên liệu xăng, dầu… cho máy bay, xe tăng, xe cứu hỏa…
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 2.1-1: Sơ đồ khối hệ thống
1.Khối điều khiển 2 Khối cảm biến
Màn hình LCD 3 Bể chất lỏng
Đèn cảnh báo 5 Bể dự trữ
Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống:
Bàn phím số được sử dụng để nhập giá trị cận trên và cận dưới Cảm biến siêu âm hoạt động tuyến tính với điện áp đầu vào của Arduino, trong đó tín hiệu đầu vào được chuyển đổi thành mã số thông qua bộ chuyển đổi ADC Giá trị này sau đó được hiển thị trên màn hình LCD Các giá trị giới hạn sẽ kích hoạt đèn cảnh báo và điều khiển hoạt động của bơm.
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến
Cảm biến đo là thiết bị quan trọng để xác định mức lưu lượng của chất lỏng hoặc hỗn hợp khí lỏng trong các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực thực phẩm, nước giải khát, dầu mỏ và khí.
Một số thiết bị liên quan khác
Màn hình LCD 16x2 là linh kiện phổ biến trong các dự án điện tử và lập trình, thường được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc thông báo.
Thông số kỹ thuật LCD 16x2
- 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
LCD truyền thống có nhiều chân kết nối, gây khó khăn trong quá trình đấu nối và chiếm dụng nhiều chân trên vi điều khiển Để khắc phục vấn đề này, module I2C LCD đã được phát triển, giúp giảm số lượng chân cần thiết và đơn giản hóa quá trình kết nối.
Thay vì sử dụng 6 chân vi điều khiển cho LCD 16x2 (RS, EN, D7, D6, D5 và D4), module I2C chỉ cần 2 chân (SCL, SDA) để kết nối Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780 như LCD 16x2, LCD 20x4 và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay, mang lại sự tiện lợi và tiết kiệm chân cho người dùng.
- Tiết kiệm chân cho vi điều khiển
- Dễ dàng kết nối với LCD
- Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC
- Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)
- Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)
- Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
- Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
Phím bấm số: là thiết bị bàn phím để nhập số đo giới khoảng cách và hiển thị lên
LCD Là một thiết bị phổ biến, đơn giản có thể kết nối với Ardunio một cách dễ dàng, đầy đủ các phím số
Hình 2.4-2 Bàn phím số ma trận 4x4
Bàn phím 4×4 là một thiết bị điều khiển có 16 nút được sắp xếp theo dạng ma trận, sử dụng công nghệ bàn phím màng không có bộ phận chuyển động Thiết kế của nó tương tự như bàn phím điện thoại, với bốn nút chức năng bổ sung Bàn phím này được trang bị một đầu nối 8 chân, thuận tiện cho việc kết nối với các mạch điều khiển microcontroller.
Thông số bàn phím số
Module bàn phím ma trận 4×4 loại phím mềm.
Nhiệt độ hoạt động 0 ~ 70oC
Kích thước bàn phím 77 x 69mm.
LED, viết tắt của Light-Emitting Diode, là một loại đi-ốt phát sáng khi có dòng điện đi qua Hoạt động của LED dựa trên nguyên lý phát quang, mang lại hiệu suất chiếu sáng cao và tiết kiệm năng lượng.
Trong khối điốt bán dẫn, electron chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống thấp, phát xạ sự chênh lệch năng lượng thành ánh sáng Màu sắc của đèn LED phụ thuộc vào hợp chất bán dẫn và được xác định bởi bước sóng ánh sáng phát ra.
Hình 2.4-3 Sơ đồ các chân của Led
Trong hệ thống này sử dụng 1 đèn LED để báo trạng thái động cơ, đèn, đèn xanh sáng động cơ hoạt động
Module Relay 1 kênh 5V hoạt động với điện áp 5VDC, cho phép điều khiển tải điện với hiệu điện thế tối đa 250V và dòng 10A cho điện xoay chiều AC, cùng với 30V cho điện một chiều DC.
Module relay 1 kênh nhỏ gọn và chuyên nghiệp, sở hữu khả năng chống nhiễu và cách điện tốt Với mạch kích relay tích hợp sử dụng IC cách ly quang và transistor, module này đảm bảo cách ly hoàn toàn giữa mạch vi điều khiển và rơ le, giúp vi điều khiển hoạt động ổn định.
Mạch điều khiển relay 1 kênh hoạt động bằng cách sử dụng tín hiệu kích thích mức Thấp (0V) Khi nhận tín hiệu 0V vào chân IN, relay sẽ chuyển sang trạng thái thường Mở Relay module này có nhiều ứng dụng, phù hợp cho cả điện DC và AC.
Bảng 2-2 Thông số kỹ thuật Relay 5V
Thông số Giá trị Điện áp tải tối đa AC 250V-10A / DC 30V-10A Điện áp điều khiển 5 VDC
Dòng kích Relay 5mA Trạng thái kích Mức thấp (0V) Đường kính Lỗ ốc 3.1 mm
Mô hình hóa và mô phỏng
Mô hình hóa và mô phỏng hệ điều khiển
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 2
1.2 Các yêu cầu cơ bản 3
1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 3
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 3
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng 3
1.3.3 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu 4
1.4.1 Đối với nhóm đề tài 4
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 6
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 6
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 6
2.2.2 Cấu tạo cảm biến siêu âm HY-SRF05 8
2.2.3 Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm HY-SRF05 12
2.2.4 Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HY-SRF05 13
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 13
2.3.2 Cấu tạo của bộ xử lý Arduino UNO R3 14
2.4 Một số thiết bị liên quan khác 17
2.5 Thiết kế mạch đo và xử lí tín hiệu 22
2.5.3 Khối mạch mô hình hệ thống 24
CHƯƠNG 3 Mô hình hóa và mô phỏng 25
3.1 Mô hình hóa và mô phỏng hệ cơ khí 25
3.2 Mô hình hóa và mô phỏng hệ điều khiển 26
3.2.1 Mô phỏng với phần mềm proteus 26
3.3.1 Giới thiệu về phần mềm Arduino IDE 31
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.2-1Mặt trước của cảm biến HY-SRF05 8
Hình 2.2-2 Mô phỏng Bồn chứa và cách đo 9
Hình 2.2-3 Phát sóng trên cảm biến siêu âm HY - SRF05 10
Hình 2.2-4 Mô tả xung Mode 1 11
Hình 2.2-5 Mô tả xung Mode 2 12
Hình 2.2-6 Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm HY - SRF05 13
Hình 2.3-1 Vi điều khiển ATMEGA328P-PU 15
Hình 2.3-2 Các cổng vào ra của ARDUINO UNO R3 16
Hình 2.4-2 Bàn phím số ma trận 4x4 19
Hình 2.4-3 Sơ đồ các chân của Led 20
Hình 2.5-1 Sơ đồ đấu nối giao tiếp IC2 với LCD 16x2 22
Hình 2.5-2 Sơ đồ đấu nối Relay và Bơm vào UNO R3 23
Hình 2.5-3 Mạch đo toàn hệ thống 24
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Một vài thông số của ArduinoUno R3 14
Bảng 2-2 Thông số kỹ thuật Relay 5V 21
Bảng 2-3 Các chân đấu nối tương ứng của I2C LCD và Arduino 22
Bảng 2-4 Sơ đồ chân kết nối Relay với Arduino 23
Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ảnh hưởng sâu rộng đến mọi lĩnh vực của đời sống và sản xuất Để ứng dụng hiệu quả những tiến bộ này, con người cần liên tục học hỏi và nâng cao kiến thức Do đó, việc phát triển ngành cơ điện tử trở nên vô cùng quan trọng, vì sản phẩm của ngành này hỗ trợ cho nhiều lĩnh vực khác trong nền kinh tế, bao gồm tự động hóa, kỹ thuật robot, chế tạo, điều khiển và cảm ứng.
Cảm biến đo mức nước trong công nghiệp thường phải hoạt động trong môi trường nhiễu cao và chịu xung áp, yêu cầu khả năng chống nhiễu và độ chính xác cao trong tín hiệu đo Giao diện truyền dẫn tín hiệu 4-20mA được sử dụng phổ biến để kết nối bộ truyền tín hiệu với thiết bị điều khiển, với nguồn cấp có thể từ mạch vòng này hoặc nguồn riêng Các thiết bị trong mạch vòng 4-20mA cần hoạt động độc lập, chỉ các vi xử lý/vi điều khiển mới được chia sẻ nguồn Những yếu tố này góp phần nâng cao năng suất và hiệu quả của hệ thống tự động hóa Bài báo cáo sẽ trình bày tổng quan về nguyên tắc hoạt động, ưu điểm, nhược điểm và đặc tính của cảm biến siêu âm đo mức, giúp người dùng lựa chọn cảm biến phù hợp cho ứng dụng của mình.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy, cô trong Bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội, đã hỗ trợ và cung cấp tài liệu cần thiết cho đề tài nghiên cứu Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn, thầy Nhữ Quý Thơ, vì sự tận tình và hỗ trợ trong suốt quá trình thực hiện đồ án Cuối cùng, nhóm cũng xin cảm ơn bạn bè đã giúp đỡ và chia sẻ kinh nghiệm quý báu trong thời gian qua.
Xin chân thành cảm ơn!
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1 Giới thiệu chung Đo mức chất lỏng đóng một vai trò quan trọng, không chỉ vì phục vụ cho mục đích kiểm kê, đo đếm mà còn bởi vì ứng dụng của nó trong hệ thống tự động hóa các quá trình sản xuất Chính vì vậy việc hiểu rõ về phương pháp đo cũng như nắm vững các đặc tính của thiết bị đo mức chất lỏng là rất cần thiết
Cảm biến đo mức là thiết bị thiết yếu trong việc đo lưu lượng chất lỏng và hỗn hợp khí lỏng trong nhiều ngành công nghiệp như thực phẩm, dầu khí, hóa dược phẩm, sản xuất giấy và xi măng Trên thị trường hiện có nhiều phương pháp đo mức chất lỏng, bao gồm đo mức nước dạng phao, cảm biến thủy tĩnh, thiết bị báo mức dạng que, đo mức điện dung, đo bằng Radar tiếp xúc và áp suất Trong số đó, phương pháp sử dụng cảm biến siêu âm đang trở nên phổ biến và được ưa chuộng.
Thiết bị đo mức chất lỏng bằng sóng siêu âm là một trong những cảm biến đo mức nước chính xác cao, thường được sử dụng để đo mức nước, nước thải trong công nghiệp và nước cất trong các nhà máy sản xuất thuốc Các cảm biến này cung cấp tín hiệu liên tục 4-20mA, 0-10V hoặc hỗ trợ giao thức truyền thông Modbus RTU.
Dòng thiết bị đo mức dầu Diezen và dầu Do tại các trạm xăng, cũng như dầu điều và dầu nành trong các nhà máy, nổi bật với độ chính xác cao đạt 0.15%, tương đương tiêu chuẩn Châu Âu Với thiết kế tối ưu, thiết bị này có độ bền cao do quá trình đo ít tiếp xúc với chất lỏng Ngoài ra, tốc độ truyền tín hiệu nhanh chóng và khả năng cài đặt linh hoạt các dãy đo mà không ảnh hưởng đến độ sai số, làm cho thiết bị trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp.
Đề tài "Xây dựng hệ thống đo mức chất lỏng sử dụng cảm biến siêu âm" được nhóm nghiên cứu thực hiện nhằm phát triển một hệ thống tương tác thông qua bàn phím nhập liệu Hệ thống này còn được trang bị chức năng hiển thị và cảnh báo khi mức chất lỏng đạt đến giới hạn yêu cầu.
1.2 Các yêu cầu cơ bản
Hệ thống đo và cảm biến sử dụng cảm biến siêu âm để xác định chính xác mức chất lỏng trong bình chứa, hiển thị thông tin rõ ràng trên màn hình LCD và giảm thiểu sai số Thiết kế của hệ thống nhỏ gọn, cho phép hoạt động liên tục, dễ dàng sử dụng và bảo trì, cũng như thuận tiện cho việc thay thế.
• Về phần điều khiển và lập trình : Sử dụng phần mềm arduino ide trên máy tính, lập trình chính xác ,phổ biến dễ dàng tiếp cận
• Về cơ cấu chấp hành: hệ thống sử dụng có thể xuất tín hiệu khởi động động cơ máy bơm chất lỏng với giới hạn nhập liệu cho trước
Mô hình hóa và mô phỏng hệ điện được thực hiện trên phần mềm Proteus, kết hợp với việc sử dụng Arduino IDE để mô phỏng hoạt động của hệ thống điện Đồng thời, chương trình mô phỏng hệ cơ khí tương tác với hệ thống điều khiển, giúp nâng cao hiệu quả trong việc thiết kế và kiểm tra các hệ thống điện và cơ khí.
1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Dựa vào kiến thức từ các môn học như Cơ sở hệ thống tự động và Hệ thống tự động thủy khí, cùng với việc tìm hiểu qua internet, sách vở và tham khảo ý kiến từ bạn bè cũng như thầy cô, chúng ta có thể nâng cao hiểu biết và áp dụng hiệu quả vào thực tiễn.
• Tìm hiểu những hệ thống đo mức chất lỏng phổ biến để học hỏi cách thiết kế chi tiết, cấu tạo tối ưu nhất có thể
• Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính toán, phân tích, xử lí số liệu để xây dựng mô hình phù hợp với đề tài
• Xây dựng sơ đồ khối và tìm hiểu nguyên lí hoạt động của hệ thống
• Xây dựng quy trình hoạt động dựa trên nguyên lí đã tìm hiểu
• Tính toán sai số và so sánh sau khi đo và hiển thị
1.3.2 Phương pháp nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng
• Từ phương pháp nghiên cứu lí thuyết , nghiên cứu đưa ra mô hình hóa của hệ thống
• Sử dụng các phần mềm mô phỏng để mô phỏng cảm biến ,mạch điện tử, hệ thống điều khiển trong đó có hệ thống nhập liệu và hiển thị
• Sử dụng phần mềm mô phỏng sơ đồ nối dây tương tác với hệ thống điều khiển và cảnh báo như relay, bơm, đèn,
• Sử dụng phần mềm mô phỏng hệ thống cơ khí và môi trường đo tương tác với cảm biến
• Sử dụng phần mềm xây dựng chương trình điều khiển tương tác với phần mềm mô phỏng trước đó
1.3.3 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Nghiên cứu lựa chọn các mô hình thực tế phù hợp với kết cấu của hệ thống
• Đo mức chất lỏng trong bình chứa với dải đo từ 2cm đến 15cm
• Giới hạn mức chất lỏng từ 0 – 300mm
• Sai số đo không quá 5% hoặc 0.3cm
Mô phỏng các mô hình và lưu đồ thuật toán là một phần quan trọng trong việc tính toán điều khiển trên các hệ thống Sử dụng các phần mềm như Proteus, Fristing, và Arduino, người dùng có thể linh hoạt thay đổi các cơ cấu của hệ thống để tối ưu hóa hiệu suất và tính chính xác.
1.4.1 Đối với nhóm đề tài
• Việc nghiên cứu và phát triển đề tài trên giúp nhóm tác giả hiểu được nghiên lí hoạt động của hệ thống
• Biết sử dụng cảm biến để đo mức chất lỏng và tương tác với các hệ thống điều khiển và môi trường
Nắm vững kiến thức về cách xây dựng hệ thống mạch điện tử và hệ thống điều khiển là rất quan trọng Học cách lập trình điều khiển tương tác với các hệ thống cơ khí và môi trường đo sẽ giúp bạn phát triển kỹ năng cần thiết trong lĩnh vực này.
• Trong Công nghiệp: Đo mực nước ở các bình chứa nước sạch, các bình chứa nguyên liệu là chất lỏng, bình chứa chất thải công nghiệp độc hại,…
Giảm bớt thời gian của công nhân phải đến xem trực tiếp, có thể theo dõi và điều khiển hệ thống bơm và mực mước từ xa
Kiểm soát được mức của các chất hóa học, chất có độc tố mà con người không tiếp xúc lâu được
Giám sát bể chứa nguyên liệu xăng, dầu… cho máy bay, xe tăng, xe cứu hỏa…
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 2.1-1: Sơ đồ khối hệ thống
1.Khối điều khiển 2 Khối cảm biến
Màn hình LCD 3 Bể chất lỏng
Đèn cảnh báo 5 Bể dự trữ
Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống:
Bàn phím số được sử dụng để nhập giá trị cận trên và cận dưới cho cảm biến siêu âm, giúp điều chỉnh giá trị điện áp đầu vào của Arduino Tín hiệu đầu vào sẽ được chuyển đổi qua bộ chuyển đổi ADC của vi xử lý Arduino, từ đó tín hiệu tương tự được chuyển thành mã số và hiển thị trên màn hình LCD Giá trị giới hạn này sẽ kích hoạt đèn cảnh báo và điều khiển hoạt động của bơm.
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến
Cảm biến đo là thiết bị thiết yếu để xác định mức lưu lượng của chất lỏng hoặc hỗn hợp khí lỏng trong các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực thực phẩm và nước giải khát, cũng như trong ngành dầu mỏ và khí.
Chương trình điều khiển
3.3.1 Giới thiệu về phần mềm Arduino IDE
Arduino IDE là phần mềm mã nguồn mở, chủ yếu dùng để viết và biên dịch mã cho module Arduino Phần cứng của nó bao gồm khoảng 300,000 board mạch thiết kế sẵn, tích hợp cảm biến và linh kiện Phần mềm giúp người dùng linh hoạt sử dụng các cảm biến và linh kiện của Arduino, phù hợp với nhiều mục đích khác nhau.
