TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ
----------

BÁO CÁO HỌC PHẦN ĐIỀU KHIỂN MỜ
ĐỀ TÀI

Sử dụng cảm biến siêu âm phát hiện mực nước
khởi động máy bơm

Giảng viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Ths. Nguyễn Lê Thế Duy

Nguyễn Quốc Khanh

2000657

Nguyễn Thanh Đạt

2000149

Huỳnh Thị Yến Nhi

2000261

Ngành: CNKTĐK & TĐH – 2020

Cần Thơ – năm 2022

LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật đang thay đổi từng ngày, từng giờ 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, công nghệ vật liệu, công nghệ năng lượng, công nghệ sinh
học và công nghệ tự động. Từ khi VI ĐIỀU KHIỂN ra đời, nó đã tạo nên một bước
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 được điều đó.Hệ
thống điều khiển dùng VĐK có khả năng chống nhiều, khá năng giao tiếp cơng 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.
Nhằm ứng dụng các kiến thức đã được trang bị trong quá trình học tập vào thực tế,
nhóm thực hiện đã lựa chọn đề tài “Đo mức nước dùng cảm biến siêu âm và điều khiển
máy bơm nước".

1


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI .............................................................................. 3
1.1.Giới thiệu sơ lược về đề tài ......................................................................................................... 3
1.2. Giới thiệu về các thiết bị phần cứng sử dụng cho mạch cửa tự động: ................................... 3
1.2.1.ArduinoUno .......................................................................................................................... 3
1.2.2.Động cơ một chiều DC ......................................................................................................... 6
1.2.3Cảm biến siêu âm SRS05 ...................................................................................................... 7
1.2.4.Module điều khiển động cơ L298N ..................................................................................... 8

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH GIAO TIẾP ARDUINO VỚI SIMULINK ...................... 9
2.1.Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Matlab Simulink:............................................................. 9
2.2.Sơ đồ điều khiển và lưu đồ giải thuật ...................................................................................... 10
2.3.Mơ hình điều khiển trên Simulink ........................................................................................... 11
CHƯƠNG 3.KẾT LUẬN .................................................................................................................... 14
3.1.Ưu điểm:..................................................................................................................................... 15
3.2.Nhược điểm:............................................................................................................................... 15
3.3.Hướng phát triển của đề tài...................................................................................................... 15

2


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu sơ lược về đề tài
Với yêu cầu của đề tài trên, đối tượng đề tài thực hiện chính ở đây là hệ thống bồn
nước, hệ thống bồn nước được hình thành với hệ thống bơm chất lỏng nhưng luôn giữ
ổn định được mực chất lỏng trong bồn được duy trì ổn định, chống tràn bể hoặc cạn bể.
Để làm được điều này, nó địi hỏi ta phải điều khiển lưu lượng chất lỏng từ máy bơm
vào hệ thống bồn nước, làm mực nước trong bồn luôn ở mức cho phép. Việc điều khiển
hệ thống để giữ được mức chất lỏng trong bồn ổn định là tương đối khó, cần phải có sự
đáp ứng nhanh để điều khiển máy bơm khi lưu lượng nước xả thay đổi.
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, đặc biệt là ngành tự động điều khiển, nó
được ứng dụng rộng rãi trong đời sống, cơng nghiệp.Vì vậy cần phải có những bộ điều
khiển hiện đại, chính xác và đáng tin cậy. Điều khiển mờ là một sự lựa chọn tốt nhất cho
các ứng dụng trong cơng 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 nước, nhưng ở đây chúng em sử dụng điều khiển
mờ để điều khiển và cảm biến siêu âm để đo mức nước, có sử dụng rơ le để điều khiển
tốc độ của máy bơm nước.
1.2. Giới thiệu về các thiết bị phần cứng sử dụng cho mạch cửa tự động:

Hình 1.2 Arduino Uno

1.2.1. ArduinoUno
Arduino Uno là một bảng mạch vi điều
khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển
Microchip ATmega328 được phát triển bởi
Arduino.cc. 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. Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về
điện tử, lập trình…Dựa trên nền tảng mở do Arduino.cc cung cấp các bạn dễ dàng xây
dựng cho mình một dự án nhanh nhất (lập trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật tắt
led…).

3


o Thông số kỹ thuật
Chip điều khiển

Atmega328P

Điện áp hoạt động

5V

Điện áp đầu vào (khuyên dùng)

7-12V

Điện áp đầu vào (giới hạn)


6-20V

Số chân Digital

14 (of which 6 provide PWM output)

Số chân PWM Digital

6

Số chân Analog

6

Dòng điện DC trên mỗi chân I/O

20 mA

Dòng điện DC trên chân 3.3V

50 mA

Flash Memory

32 KB (ATmega328P) of which 0.5 KB

SRAM

used

bootloader
2 KBby
(ATmega328P)

EEPROM

1 KB (ATmega328P)

Tốc độ thạch anh

16 MHz

LED_BUILTIN

13

Chiều dài

68.6 mm

Chiều rộng

53.4 mm

Cân nặng

25 g

o Power:
LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân D13. Khi

chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức thấp (LOW).
VIN: Chân này dùng để cấp nguồn ngoài (điện áp cấp từ 7-12VDC).
5V: Điện áp ra 5V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 500mA).
3V3: Điện áp ra 3.3V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 50mA).
GND: Là chân mang điện cực âm trên board.

4


IOREF: Điệp áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO và có thể đọc điện
áp trên chân IOREF. Chân IOREF không dùng để làm chân cấp nguồn.
o Bộ nhớ
Vi điều khiển ATmega328:
32 KB bộ nhớ Plash: trong đó bootloader chiếm 0.5KB.
2 KB cho SRAM: (Static Random Access Menory): giá trị các biến khai báo sẽ được
lưu ở đây. Khai báo càng nhiều biến thì càng tốn nhiều bộ nhớ RAM. Khi mất nguồn dữ
liệu trên SRAM sẽ bị mất.
1 KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): Là
nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây và không bị mất dữ liệu khi mất nguồn.
o Các chân đầu vào và đầu ra
Trên Board Arduino Uno có 14 chân Digital được sử dụng để làm chân đầu vào
và đầu ra và chúng sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite(), digitalRead(). Giá
trị điện áp trên mỗi chân là 5V, dịng trên mỗi chân là 20mA và bên trong có điện trở
kéo lên là 20-50 ohm. Dòng tối đa trên mỗi chân I/O không vượt quá 40mA để tránh
trường hợp gây hỏng board mạch.
Ngồi ra, một số chân Digital có chức năng đặc biệt:
Serial: 0 (RX) và 1 (TX): Được sử dụng để nhận dữ liệu (RX) và truyền dữ liệu
(TX) TTL.
Ngắt ngoài: Chân 2 và 3.
PWM: 3, 5, 6, 9 và 11 Cung cấp đầu ra xung PWM với độ phân giải 8 bit bằng

hàm analogWrite ().
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Các chân này hỗ trợ giao tiếp SPI
bằng thư viện SPI.
LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân D13. Khi
chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức thấp (LOW).
TWI/I2C: A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
Arduino Uno R3 có 6 chân Analog từ A0 đến A5, đầu vào cung cấp độ phân giải là
10 bit.

5


1.2.2. Động cơ một chiều DC

Hình 1.3 Động cơ DC

Động cơ một chiều motor DC là một động cơ điều khiển bằng dịng điện có hướng
xác định. Đầu dây ra của động cơ thường có hai dây là VCC và GND. Và động cơ được
sử dụng cho mạch là động cơ 540.
Cấu tạo bao gồm 3 phần chính là stator (phần cảm), roto (phần cứng), phần chỉnh
lưu:
- Stato là động cơ điện một chiều thường là một hay nhiều nam châm vĩnh cửu hay
nam châm điện.
- Roto có các cuộn dây quấn thường và được nối với nguồn điện một chiều.
- Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động
quay của roto là liên tục, thơng thường bộ phận này sẽ có một cổ góp và một bộ chổi
than tiếp xúc với cổ góp.
Thơng số kỹ thuật
- Dải điện áp: 6-12V.
- Ở mức 6V dòng điện1.3A tốc độ quay là 4500 vòng/phút.

- Ở mức 12V dòng điện là 1.95A tốc độ quay là 18500 vịng/phút.
- Chiều dài là 50mm.
- Đường kính thân động cơ 35,5mm.
- Lỗ bắt ốc: M3.
- Đường kính trục: 3.175mm.
- Trọng lượng khoảng 161g

6


1.2.3 Cảm biến siêu âm SRS05
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp cung cấp: DC 5V.
- Cường độ dòng điện tiêu thụ: 2mA.
- Điện áp ngõ ra mức cao: 5V.
- Điện áp ngõ mức thấp: 0V.
- Góc phát hiện: khơng q 15 độ
- Khoảng cách phát hiện: 2cm - 450cm.
- Độ chính xác cao: lên đến 0.3cm.
Hình 1.4 Cảm biến siêu âm SRS05

Sơ đồ ra chân:
- Chân Vcc : chân cấp 5V.
- Chân Trigger: chân kích hoạt q trình phát sóng âm. Q trình kích hoạt khi một
chu kỳ điện áp cao/thấp diễn ra
- Chân Echo : chân nhận tín hiệu, bình thường sẽ ở trạng thái 0V, được kích hoạt
lên 5V ngay sau khi có tín hiệu trả về, sau đó trả về 0V.
- Chân OUT : chân nhận tín hiệu ở chế độ 2.
- Chân GND chân cấp nguồn 0V.
Nguyên lý hoạt động:

Chế độ 1: Để đo khoảng cách, phát một xung ngắn (5 microSeconds) từ chân TRIG.
Sau đó cảm biến sẽ tạo ra một xung HIGH phản xạ ở chân này. Chiều rộng của xung sẽ
bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biến quay trở lại. Tốc độ tương đương
29.412 microSeconds/cm (1 000 000/(340*100)). Khi tính được thời gian ta chia cho
29.412 để lấy khoảng cách.
Chế độ 2: Ta sử dụng chân OUT để cảm biến vừa phát ra xung rồi vừa nhận xung
phản xạ về, chân chế độ thì nối đất. Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng một chân
với tín hiệu kích hoạt. Cảm biến sẽ khơng tăng dịng phản hồi cho đến 700 microSeconds
sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt và bạn đã có thời gian để kích hoạt pin xoay quanh
và làm cho nó trở thành 1 đầu vào.

7


1.2.3. Module điều khiển động cơ L298N

Hình 1.5 Module L298N

Mạch điều khiển tốc độ L298N có khả năng điều khiển nhiều động cơ được cùng
lúc. Sử dụng IC chính là L298N có cấu tạo gồm hai mạch cầu H transitor.
o Thơng số kỹ thuật
- Điện áp đầu vào 5-30V.
- Dịng điện tối đa cho mỗi động cơ là 2A.
- Điện áp của tín hiệu điều khiển là: 5-7V.
- Dịng điện yêu cầu của tín hiệu điều khiển 0-36mA.
o Sơ đồ chân module L298N
OUT A

12V
GND

5V
ENA
IN1
IN2
IN3
IN4
ENB

OUT B

Hình 1.6 Sơ đồ chân Module L298N

- Chân 12V Power cấp nguồn cho mạch L298N và là nguồn động lực cho động cơ.
- Chân 5V Power có thể dùng cấp nguồn cho Arduino, khi Jumber 5V enable.

8


- Chân GND là chân cấp MASS cho mạch, sử dụng khi vi điều khiển cần nói GND
cho mạch với GND của vi điều khiển
- Chân Enable là chân cho phép ngỏ ra động cơ hoạt động hoặc dừng mặc định mạch
có Jumper A Enable và B Enable là cho phép chạy.
- Chân IN1, IN2 điều khiển và tốc độ động cơ 1 thông qua ngỏ ra output A.
- Chân IN3, IN4 điều khiển và tốc độ động cơ 1 thông qua ngỏ ra output B.
- Chân output A, output B là chân ra động cơ 1,2.

Hình 1.7 Mạch cầu H

Mạch cầu H transitor: cầu H là một phương pháp rất hiệu quả rất hiệu quả để điều
khiển động cơ và nó rất nhiều ứng dụng điện tử đặc biệt là về robot.

Mạch gồm 4 transistor tạo thành cầu H. Các diot D1 đến D4 có chức năng bảo vệ
các transistor lưỡng cực tương ứng khỏi bị hư hại. Các điện trở R1 đến R4 giới hạn
dòng cực B của các transistor tương ứng. Nguyên lý làm việc của mạch này dễ hiểu.
Khi đầu nối D được nối đất và A được kéo về +Vcc, các transistor Q1 và Q4 sẽ dẫn
dòng điện qua động cơ từ trái sang phải . Khi đầu nối B được nối đất và C được kéo
về +Vcc, các transistor Q3 và Q2 sẽ được bật và dòng điện chạy qua động cơ từ phải
sang trái làm cho động cơ quay theo hướng ngược lại.
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH GIAO TIẾP ARDUINO VỚI SIMULINK
2.1. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Matlab Simulink:
Simulink được phát triển bởi MathWorks, là một mơi trường
lập trình đồ họa để lập mơ hình, mơ phỏng và phân tích các hệ
thống động đa miền. Giao diện chính của nó là một công cụ sơ
đồ khối đồ họa và một tập hợp các thư viện khối tùy chỉnh. Nó
cung cấp tích hợp chặt chẽ với phần cịn lại của mơi trường MATLAB và có thể điều
9


khiển MATLAB hoặc được dũ liệu từ nó. Simulink được sử dụng rộng rãi trong điều
khiển tự động và xử lý tín hiệu số cho mơ phỏng đa miền và thiết kế dựa trên mơ hình.
2.2.

Sơ đồ điều khiển và lưu đồ giải thuật

Hình 2.2 Lưu đồ giải thuật

Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển

Sơ đồ điều khiển: đầu tiên sẽ đọc giá trị cảm biến SRS05 gởi vào Arduino đưa vào
bộ điều khiển mờ Fuzzy để xử lý để đưa ra xung PWM cho phù hợp để cấp cho L298
điều khiển máy bơm.


10


2.3.

Mơ hình điều khiển trên Simulink

Đầu tiên tín hiệu từ cảm biến sẽ được đưa vào khối Ultrasonic Sensor để đọc giá
trị cảm biến sau đó sẽ qua khối Gain để chuyển đổi giá trị mét sang centimet đồng thời
hiển thị kết quả qua màng hình Display và khối Scope, kế đến dữ liệu sẽ được đưa qua
khối điều khiển mờ Fuzzy để xử lý tín hiệu và đưa tín hiệu điều khiển xung PWM và
khối cấp xung PWM ở chân Pin 10 của Arduino. Bên cạnh đó đưa giá trị xung PWM
vào màng hình Display và khối Scope, để máy bơm có thể quay đúng chiều bơm bằng
cách là cấp mức cao (1) vào chân Pin 7 và cấp mức thấp (0) vào chân Pin 8. Ở vị trí tín
hiệu đầu vào lớn hơn 25cm là mực nước rất thấp và đèn ở chân Pin 12 sẽ được bật. Khi
tín hiệu ở mức nhỏ hơn 5cm tương ứng mực nước đã đạt chuẩn đèn ở chân Pin 11 sẽ
được bật lên.
Bộ điều khiển mờ

Hình 2.4 Mơ hình điều khiển mờ
11


Khối đầu vào bao gồm bốn hàm liên thuộc là khoảng cách từ cảm biến đến mực
nước:
- Cao : từ 1.5 – 2 m.
- Vừa : từ 0.5 -1.5 m.
- Thấp : từ 1.5 – 2 m.


Hình 2.5 Hàm liên thuộc đầu vào

12


Khối đầu ra là giá trị điện áp:
- Cao : 22
- Vừa : 10
- Nhỏ : 0

Hình 2.6 Hàm liên thuộc đầu ra

Hình 2.5 Hàm liên thuộc đầu ra

13


Luật mờ tương ứng là:
- Mực nước cao thì điện áp thấp.
- Mực nước vừa thì điện áp vừa.
- Mực nước thấp thì điện áp cao.

Hình 2.6 Luật mờ

CHƯƠNG 3. KẾT LUẬN
Qua khoảng thời gian tìm hiểu và thực hiện đề tài cũng đã được hoàn thành mạch
đã được lập trình và thực nghiệm thành cơng theo như mục tiêu được đặt ra bởi đề tài là
điều khiển được động cơ bơm bơm ở các mực nước khác nhau với các điện áp thích
hợp.
Nhóm tác giả đã trình bày xong quá trình và những cách để thực hiện đề tài, sau khi

hoàn thành xong đề tài này, nhận thấy được hiểu thêm nhiều kiến thức về điều khiển
mờ, quá trình điều khiển và kỹ thuật lập trình Matlab simulink. Đây là một mạch khá
đơn giản và có ứng dụng trong cuộc sống. Nó giúp mọi người đỡ đi phần thời gian đóng
mở cửa, góp phần tạo tính tiện lợi cho việc lưu thơng. Mơ hình Bơm nước điều khiển
bởi bộ điều khiển mờ có nhiều cách thực hiên bằng nhiều loại linh kiện khác nhau, nhưng
ở đây tác giả đã chọn ra những linh kiện, cách thực hiện tối ưu và linh hoạt cho đề tài
này. Tuy nhiên những cách khác vẫn đáng để tìm hiểu, học hỏi và nghiên cứu thêm để
phục vụ cho việc học và làm các đề tài sau này.
14


Qua đồ án trên tuy nhóm tác giả cũng đã gặp một số khó khăn trong q trình thực
hiện, nhưng qua đó cũng góp phần kiểm chứng được nhiều phần lý thuyết với thực hành.
Góp phần hiểu rõ hơn về ngành học đặc biệt là quá trình điều khiển tự động.
3.1. Ưu điểm:
- Mơ hình hoạt động đúng như mục tiêu được đề ra.
- Mạch khá đơn giản dễ thực hiện.
- Số lượng linh kiện ít giá thành khi thực hiện mạch thực tế ước tính rẻ.
-Bộ điều khiển được lập trình đơn giản dễ hiểu.
3.2. Nhược điểm:
- Mơ hình chưa được tối ưu so với các mơ hình được sử dụng rộng rãi .
- Cảm biến siêu âm dễ bị hư hỏng nếu tiếp xúc với nước.
3.3. Hướng phát triển của đề tài
Trong tương lai, qua đề tài của nhóm có thể phát triển bằng nhiều cách. Đầu tiên
chúng ta có thể thay thế cảm biến siêu âm SRS05 thành những cảm biến siêu âm ULM53 hoặc cảm biến radar khác có độ chính xác cao sử dụng trong công nghiệp để khắc
phục được nhiều nhược điểm như nhiễu hoặc dễ hư bị hư hỏng. Thứ hai là sử dụng thêm
một bồn nước để tiết kiệm điện năng trong quá trình bơm nước …, Thứ ba sử dụng
những thiết bị có chất lượng cao hơn và khả năng điều khiển tối ưu để giúp quá trình
điều khiển trở nên dễ dàng và có nâng suất.


15