1 | P a g e

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG
Đề tài: Đo mức nƣớc dùng cảm biến siêu âm
và điều khiển máy bơm nƣớc.
Giáo viên hƣớng dẫn: TS.Nguyễn Cảnh Quang
Sinh viên thực hiện:
Hà Nội, tháng 12 năm 2014
Nguyễn Tiến Sang
ĐK&TĐH4
20112096
Trần Quang Hùng
ĐK&TĐH3
20111533

2 | P a g e

Mục lục
Trang
LỜI NÓI ĐẦU 4
CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 5
1.1 Tổng quan chung 5

4.2.4 Cơ cấu chấp hành 20
4.3 Thiết kế phần mềm 22
4.3.1 Lƣu đồ thuật toán 22
4.3.2 Khối đo thời gian truyền 23
4.3.3 Khối điều khiển relay tự động 24
4.3.4 Khối điều khiển bằng tay 25
CHƢƠNG V: KẾT QUẢ 26
CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 27
TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

4 | P a g e

LỜI NÓI ĐẦU
Khoa học kỹ thuật đang thay đổi từng ngày, từng giờ và chúng ta - những con
ngƣời 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 công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu, công nghệ năng
lƣợng, công nghệ sinh học và công nghệ tự động. Từ khi VI ĐIỀU KHIỂN ra đời, nó đã
tạo nên một bƣớc ngoặc mới cho sự phát triển của tự động hóa trong công nghiệp,
sự xuất hiện của VĐK trong các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện nay đã chứng
minh đƣợc điều đó.Hệ thống điều khiển dùng VĐK có khả năng chống nhiễu, khả
năng giao tiếp công suất và tính đơn giản trong lập trình, khả năng tích hợp sâu vào
trong các hệ thống nhúng. Cùng với sự ra đời của các phần mềm giám sát và thu
thập dữ liệu, VĐK đã trở thành sự lựa chọn hoàn hảo cho các hệ thống điều khiển tự
động trong công nghiệp.
Trong các ngành công nghiệp sản xuất chất lỏng nhƣ hóa chất, nƣớc uống
đóng chai, sữa, nƣớc mắm, dầu ăn… vấn đề cần điều khiển mức, lƣu lƣợng dòng chảy

tƣơng đối khó, cần phải có sự đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm khi lƣu lƣợng
nƣớc xả thay đổi.
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, đặc biệt là ngành tự động điều khiển,
nó đƣợc ứng dụng rộng rãi trong đời sống, công nghiệp.Vì vậy cần phải có những
bộ điều khiển hiện đại, chính xác và đáng tin cậy. VĐK là một sự lựa chọn tốt nhất
cho các ứng dụng trong công nghiệp với độ chính xác, ổn định và độ tin cậy cao.
Với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện nay thì có nhiều cách
để điều khiển mức chất lỏng của hệ thống bồn nƣớc, nhƣng ở đây chúng em sử
dụng VĐK để điều khiển và cảm biến siêu âm để đo mức nƣớc, có sử dung rơ le để
điều khiển tốc độ của máy bơm nƣớc.
1.2 Mục tiêu đề tài
Sau khi xác định đƣợc đối tƣợng, chủ thể và giới hạn phạm vi nghiên cứu, việc
xác định mục tiêu sẽ là bƣớc quan trọng kế tiếp nhằm định hƣớng đúng đắn cho quy
trình thực hiện đề tài. Mục tiêu đề tài cụ thể đƣợc thể hiện nhƣ sau:
- Thiết kế mạch đo dùng cảm biến SRF04 và điều khiển bơm nƣớc
- Lập trình cho VĐK theo yêu cầu của đề tài, ổn định mức nƣớc theo thông số
cài đặt.
CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
2.1 Các phƣơng pháp đo khoảng cách không tiếp xúc
Phƣơng pháp đo khoảng cách không tiếp xúc đƣợc hiểu là đo khoảng cách
thực từ điểm tham chiếu tới một đối tƣợng không thông qua tiếp xúc vật lý. Có ít
nhất bảy kỹ thuật đo khác nhau:
 Đo tam giác
 Thời gian truyền
 Đo dịch pha
 Điều biến tần số
 Giao thoa

6 | P a g e


gắn trên vật. Siêu âm, sóng rađiô, hoặc các nguồn năng lƣợng quang học thƣờng
đƣợc sử dụng; vì vậy các thông số liên quan đến việc tính toán khoảng cách là c tốc
độ của âm thanh trong không khí (gần 0.305 m/ms), và tốc độ của ánh sáng
(0.305m/ns).
Phát/Thu
Đối tượng
d

7 | P a g e

Với các loại cảm biến tích cực (phản xạ), khoảng cách đo hiệu quả phụ thuộc
không chỉ vào mức năng lƣợng phát ra mà còn phụ thuộc vào các đặc tính sau của
đối tƣợng:
 Diện tích tiết diện ngang - xác định lƣợng năng lƣợng phát ra tác động vào
đối tƣợng.
 Hệ số phản xạ- xác định lƣợng năng lƣợng truyền tới đƣợc phản xạ
so với lƣợng năng lƣợng bị hấp thụ hoặc xuyên qua.
 Độ tập trung - xác định khả năng phân bố lại của năng lƣợng phản xạ.
Sai số của phƣơng pháp thời gian truyền có thể do các nguyên nhân sau:
- Sự thay đổi tốc độ truyền sóng, đặc biệt là với các hệ thống âm thanh
- Không xác định chính xác đƣợc thời gian đến của xung phản xạ
(Figueroa & Lamancusa, 1992)
- Sai số của mạch định thời sử dụng để đo thời gian truyền
- Sự tƣơng tác của sóng tới với bề mặt của đối tƣợng cần đo khoảng
cách.
2.4 Nhận xét
Trong đề tài này, đối tƣợng đo của chúng em là nƣớc/chất lỏng. Qua nghiên
cứu một số phƣơng pháp đo và ƣu nhƣợc điểm từng phƣơng pháp, nhóm kết luận
dùng phƣơng pháp đo thời gian truyền là hợp lý và có độ tin cậy hơn cả.
CHƢƠNG III: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ ĐO TRONG ĐỀ TÀI

bên trong mạch
Ở các bộ vi điều khiển, các tập lệnh thƣờng rất mạnh trong việc xử lý các kiểu
dữ liệu nhỏ nhƣ bit hoặc một vài bit.
3.2.2 Vì sao chọn ATmega8
Vi điều khiển ATmega8 có nhiều ƣu điểm nhƣ dễ sử dụng, mức tiêu thụ điện
thấp, cộng đồng hõ trợ lớn, mức tích hợp cao, phù hợp với nhiều hệ thống nhúng.
Có sự đa dạng trong tích hợp hệ thống.
ATmega8 có thể đƣợc viết trên ngôn ngữ lập trình C hoặc assembly

9 | P a g e Vi điều khiển ATmega8- 16PU
Ở đây chúng em dùng vi điều khiển ATmega8 16PU. Tƣơng ứng với xung
thạch anh 16Mhz
3.2.3 Đặc điểm vi điều khiển ATmega8
Bit: Là vi điều khiển 8 bit
Clock: Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, hoặc sử dụng xung clock
nội lên đến 8 MHz (sai số 3%)
Bộ nhớ: Bộ nhớ chƣơng trình Flash 8 Kb có thể lập trình lại rất nhiều lần. Có
SRAM (Ram tĩnh) 1 Kb, và đặc biệt có bộ nhớ lƣu trữ lập trình đƣợc EEPROM.
Ngõ vào ra: (I/O Ports) 2 hƣớng (bi-directional), 23 pin.
Ngắt: 2 ngắt ngoài, 19 vectors ngắt.
Timer/counter: tích hợp PWM.
ADC: Các bộ chuyển đối Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh.
Analog comparator: tích hợp module so sánh 2 điện áp analog.
USART: Giao diện nối tiếp USART (tƣơng thích chuẩn nối tiếp RS-232).
TWI: Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial (tƣơng thích chuẩn I2C) Master và
Slaver.
SPI: Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI)

• N.V. Dùng nguồn 3-5V 12 | P a g e

Chú thích các chân
3.4 Cơ cấu chấp hành relay
3.4.1 Nguyên lý
Khi cần điều chỉnh mức nƣớc trong bể, cần có một máy bơm 3 pha đảm nhận
công việc này ( theo nhƣ yêu cầu đề tài đặt ra). Trong phần này, để điều khiển tốc độ
động cơ, tốc độ bơm nƣớc nhanh hay chậm, chúng em sử dụng bộ rơ le gồm 3 rơ le
trung gian phục vụ cho việc điều khiển. Hoạt động ở hai cấp độ động cơ điều chỉnh
độ nhanh hay chậm. Sử dụng nguyên lý điều khiển đổi nối Y–∆.

Mạch động lực khởi động/điều khiển Sao – Tam giác
Dựa theo nguyên lý động lực khởi động hai cấp độ của động cơ 3 pha.
Chúng em sử dụng bộ 3 relay 5V làm relay trung gian đóng cắt contactor để chuyển
đổi giữa các cấp tốc độ.
3.4.2 Chọn relay

13 | P a g e Relay 5V- 10A
Trong phần nay chúng em chọn loại relay 5V – 10A. Có một số ƣu điểm sau:
- Kích thƣớc nhỏ gọn, thích hợp trong các mạch nhúng.
- Sử dụng nguồn 5V phù hợp với yêu cầu thiết kế, mô phỏng.
- Có giá cả phải chăng, đƣợc sinh viên sử dụng nhiều.
CHƢƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
4.1 Phần mềm sử dụng

16 | P a g e

Nhƣợc điểm: Không có kho thƣ viện lớn. Còn nhiều linh kiện không có sẵn.
4.1.3 Trình thiết kế mạch in
Chúng em sử dụng phần mềm Ares Professional để thiết kế mạch in.

Giao diện phần mềm
4.2 Thiết kế phần cứng
4.2.1 Sơ đồ nguyên lí
Bao gồm các khối :
- Vi điều khiển ATmega8,
- Màn hình LCD
- Các led báo
- Nút bấm điều khiển
- Relay điều khiển
- Cảm biến siêu âm
- Khối động cơ (mô phỏng)
Sơ đồ khối:

17 | P a g e Sơ đồ nguyên lý:

18 | P a g e 4.2.2 Khối cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm SRF04 gồm có 4 chân:

b) Nguyên lý hoạt động
- Đƣờng E cho phép hay không cho phép với LCD. Nếu E=1 là cho phép, sau
đó kiểm tra trạng thái chân RS và RW. Nêu E=0 là cấm . E khởi tạo quá trinh truyền
tín hiệu từ vi điều khiển đến LCD
- Đƣờng RS qui định dữ liệu/lệnh đƣợc gửi tới LCD. RS=1 Dữ liệu(ký tự) đang
đƣợc viết lên LCD. RS = 0 Lệnh đang đƣợc viết lên LCD.
- Đƣờng RW qui định hƣớng truyền dữ liệu giữa LCD và vi điều khiển. Nếu
RW=0 VĐK viết lên LCD. RW=1 VĐK đọc dữ liệu từ LCD.
- Chân D0-D7: Đây là 8 chân dữ liệu 8 bit, đƣợc dùng để gửi thông tin lên
LCD, hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD. Để hiển thị chữ cái và con số,
chúng ta gửi các mã ASCII của các chữ cái từ A-Z, a-f và các con số từ 0-9 đến các
chân này khi bật RS=1.

4.2.4 Cơ cấu chấp hành
Mạch điều khiển điều khiển đóng cắt 3 relay trung gian, 3 relay trung gian
chịu trách nhiệm đóng cắt 3 contactor để điều khiển động cơ 3 pha.
Phƣơng pháp khởi động, điều chỉnh tốc độ phù hợp với các động cơ cho
phép đổi tổ nối dây. Phƣơng pháp chỉ cho ta 2 cấp tốc độ.
Từ phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha:












của tải, tốc độ động cơ phải giảm theo.
Vậy bằng cách đổi tỏ nối dây Y–∆, ta đã điều chỉnh đƣợc tốc độ của động cơ
không đồng bộ 3 pha.
Sơ đồ nguyên lý mạch relay-contactor điều khiển:

22 | P a g e 4.3 Thiết kế phần mềm
4.3.1 Lƣu đồ thuật toán

23 | P a g e 4.3.2 Khối đo thời gian truyền

24 | P a g e Chúng em sử dụng thạch anh 16Mhz, và chia 8 lấy 2Mhz cho timer. Suy ra
timer sẽ tăng chu kỳ trong 0.5uS.
Tốc độ âm thanh là 340.29m/s
Tốc độ sóng phản xạ lại rơi vào khoảng 170.15 m/s






  