Báo cáo nhập môn ngành kỹ thuật điều khiển tự động hóa và hệ thống điện

Thiết bị đo lường là tập hợp tất cả các dụng cụ, thiết bị, máy móc được thiết kế vàtạo ra nhằm mục đích phục vụ các công việc đo đạc các chỉ số cần thiết cho conngười sử dụng trong hoạt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO NHẬP MÔN

Giảng viên hướng dẫn: Thầy Bùi Đăng Thảnh

  HÀ NỘI, 3/2023

Chương 1 : THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ BỤI

1.1 Sơ lược về thiết bị đo

1.2 IoT

1.3 Tổng quan về thiết bị đo nồng độ bụi

1.4 Cách thức hoạt động của máy đo nồng độ bụi :

1.5 Công dụng của máy đo nồng độ bụi :

Chương 2 : Cảm biến bụi Sharp GP2Y1010AU0F

2.1 Thông tin tổng quát

2.1.1 Giới thiệu

2.1.2 Ứng dụng

2.1.3 Đặc điểm

2.2 Thông số kỹ thuật

2.2.1 Sơ đồ kết nối cảm biến với arduino UNO

2.2.2 Thông tin ký hiệu

2.2.3 Date code ( 2 digit )

2.2.4 Kích thước phác thảo

2.2.5 Ngưỡng giới hạn sản phẩm

2.2.6 Thông số quang điện tử của thiết bị

2.2.7 Điều kiện đầu vào khuyến nghị cho hệ thống led đầu cuối

2.3 Cách sử dụng cảm biến bụi GP2Y1010AU0F

2.3.1 Chuẩn bị

2.3.2 Phương pháp đo

2.3.3 Phương pháp tính kết quả

Chương 3 : VI ĐIỀU KHIỂN

3.1 Tổng quát về vi điều khiển

3.1.1 Khái niệm vi điều khiển

3.1.2 Phân loại vi điều khiển

3.1.3 Các họ vi điều khiển phổ biến

3.1.4 Cấu trúc tổng quan của vi điều khiển

3.2 Vi điều khiển 8051

3.2.1 Tóm tắt về lịch sử của 8051

3.2.2 Kiến trúc phần cứng của họ 8051

3.2.4 Tổ chức bộ nhớ 

3.2.5 Ứng dụng ví dụ

3.2.6 Ứng dụng của vi điều khiển 8051

3.3 Code đề làm 2 led chạy

3.3.1 Phần Code

3.3.2 Giải thích một số hàm sử dụng trong đoạn Code

Chương 1 : THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ BỤI

1.1 Sơ lược về thiết bị đo

 Đo lường là gì?

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng một đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo. Hoặc có thể định nghĩa rằng đo lường là hành động cụthể thực hiện bằng công cụ đo lường để tìm trị số của một đại lượng chưa biết biểuthị bằng đơn vị đo lường. 

 Thiết bị đo lường là gì?

Thiết bị đo lường là tập hợp tất cả các dụng cụ, thiết bị, máy móc được thiết kế vàtạo ra nhằm mục đích phục vụ các công việc đo đạc các chỉ số cần thiết cho conngười sử dụng trong hoạt động thống kê, sản xuất, nghiên cứu, buôn bán,…

 Vai trò của thiết bị đo:

- Giúp kiểm định tất cả các kết quả sau quá trình thực nghiệm một cách chính xác,

rõ ràng theo các đơn vị đo lường tiêu chuẩn quốc tế

- Cung cấp cho con người những số liệu, chỉ số dễ dàng, nhanh chóng và tiện lợi

- Đảm bảo hiệu quả phục vụ các nhiệm vụ quản lý riền kinh tế, kỹ thuật

- Giúp các hoạt động sản xuất, nghiên cứu, sáng tạo được thuận lợi hơn, góp phầncải thiện năng suất lao động, nâng cao sản lượng và chất lượng sản phẩm tạo ra

- Góp phần thúc đẩy sự tiến bộ khoa học kỹ thuật

- Việc sử dụng các công cụ đo lường còn giúp dễ dàng kiểm soát hạn mức nhấtđịnh

- Các thiết bị, dụng cụ đo lường được áp dụng ở hầu hết các lĩnh vực như sản xuất

cơ khí, xây dựng, dự báo thời tiết, y tế, sức khỏe, thực phẩm, hàng tiêu dùng Đặc biệt, trong các ngành sản xuất công nghiệp, các thiết bị đo lường tiêu chuẩn, đolường công nghiệp là những thiết bị không thể thiếu và được sử dụng rất phổ biến

 Một số loại thiết bị, dụng cụ đo lường được sử dụng rộng rãi

- Cân điện tử

- Thiết bị đo độ ẩm, áp suất

- Thiết bị đo các chất độc hại, hóa chất, nồng độ bụi

- Thiết bị đo độ nhám bề mặt

- Thiết bị đo trọng lượng, khối lượng

- Thiết bị đo huyết áp, tìm mạch

- Thiết bị đo các chỉ số cơ thể con người như chiều cao, cân nặng

- Thiết bị phân tích nước

- Thiết bị chỉ thị đầu đọc

- Thiết bị đo dòng rò, đo khoảng cách

- Thiết bị thử nghiệm rơ le

 Cấu tạo chung của 1 thiết bị đoGồm 3 bộ phận chính:

 Chuyển đổi sơ cấp (CĐSC): thực hiện chức năng biến đổi cácđại lượng đo thành tín hiệu điện Là khâu quan trọng nhất của mộtthiết bị đo, quyết định độ chính xác cũng như độ nhạy của dụng cụ

Có nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác nhau giữa các thuộc tính củađại lượng đo lường và đại lượng đầu ra của chuyển đổi

 Mạch đo (MĐ): thực hiện chức năng thu thập, gia công thôngtin đo lường sau khi chuyển đổi sơ cấp; thực hiện các thao tác tínhtoán trên sơ đồ mạch Tùy thuộc vào dụng cụ là kiểu biến đổi thẳnghay kiểu so sánh mà mạch đo có cấu trúc khác nhau Các đặc tính

cơ bản của mạch đo bao gồm: độ nhạy, độ chính xác, đặc tínhđộng, công suất tiêu thụ, phạm vi làm việc được xem xét cụ thểcho từng loại mạch đo để có thiết kế phù hợp cũng như sử dụng cóhiệu quả Mạch đo thường sử dụng kỹ thuật điện tử và vi xử lý đểnâng cao các tính năng kỹ thuật đặc biệt của dụng cụ

 Cơ cấu chỉ thị (CCCT): là khâu cuối cùng của dụng cụđo, thựchiện chức năng thể hiện kết quảđo lường dưới dạng con số so vớiđơn vị sau khi qua mạch đo Các kiểu chỉ thị thường gặp gồm: chỉthị bằng kim chỉ, chỉ thị bằng thiết bị tự ghi (ghi lại các tín hiệuthay đổi theo thời gian), chỉ thị dưới dạng con số (đọc trực tiếphoặc tựđộng ghi lại) Việc phân chia các bộ phận như trên là theochức năng, không nhất thiết phải theo cấu trúc vật lý, trong thực tếcác khâu có thể gắn với nhau (một phần tử vật lý hực hiện nhiềuchức năng), có sự liên hệ chặt chẽ với nhau bằng các mạch phảnhồi

1.2 IoT

 IoT là gì?

IoT (Internet of Things) nghĩa là Internet vạn vật Một hệ thống các thiết bị tínhtoán, máy móc cơ khí và kỹ thuật số hoặc con người có liên quan với nhau và khả

năng truyền dữ liệu qua mạng mà không yêu cầu sự tương tác giữa con người vớimáy tính.

 Cấu trúc của một hệ thống IoTGồm 4 phần chính:

+ Thiết bị (Things)+ Trạm kết nối (Gateways)+ Hạ tầng mạng (Network and Cloud)+ Bộ phận phân tích và xử lí dữ liệu (Services-creation and SolutionLayers)

 Các cách truyền thông trong IoT phổ biến:

+ MQTT ( Message Queue Telemetry Transport):

MQTT là một giao thức mã nguồn mở để truyền các messages giữanhiều Client (Publisher và Subscriber) thông qua một Broker trung gian,được thiết kế để đơn giản và dễ dàng triễn khai Kiến trúc MQTT dựa trênBroker trung gian và sử dụng kết nối TCP long-lived từ các Client đếnBroker. 

+ CoAP (Constrained Applications Protocol):

CoAP là một giao thức truyền tải tài liệu theo mô hình client/server dựtrên internet tương tự như giao thức HTTP nhưng được thiết kế cho các thiết

 bị ràng buộc Giao thức này hỗ trợ một giao thức one-to-one để chuyển đổitrạng thái thông tin giữa client và server

+ AMQP (Advanced Message Queue Protocol):

AMQP là một giao thức làm trung gian cho các gói tin trên lớp ứngdụng với mục đích thay thế các hệ thống truyền tin độc quyền và khôngtương thích Các tính năng chính của AMQP là định hướng message, hàngđợi, định tuyến (bao gồm point-to-point và publish-subscribe) có độ tin cậy

và bảo mật cao Các hoạt động sẽ được thực hiện thông qua broker, nó cungcấp khả năng điều khiển luồng (Flow Control)

+ DDS (Data Distribution Service):

DDS là một ngôn ngữ trung gian dựa vào dữ liệu tập trung được sửdụng để cho phép khả năng mở rộng, thời gian thực, độ tin cậy cao và traođổi dữ liệu tương tác Đây là một giao thức phi tập trung (broker-less) vớitruyền thông ngang hàng trực tiếp theo kiểu peer-to-peer giữa các publishers

và subscribers và được thiết kế để trở thành một ngôn ngữ và hệ điều hànhđộc lập DDS gửi và nhận dữ liệu, sự kiện, và thông tin lệnh trên UDPnhưng cũng có thể chạy trên các giao thức truyền tải khác như IP Multicast,TCP/IP, bộ nhớ chia sẻ,…

+ XMPP (Extensible Messaging và Presence Protocol):

XMPP (trước đây gọi là “Jabber”) là giao thức truyền thông dùng chođịnh hướng tin nhắn trung gian dựa trên ngôn ngữ XML XMPP là mô hình phân quyền client-server phi tập trung, được sử dụng cho các ứng dụng nhắntin văn bản Có thể nói XMPP gần như là thời gian thực và có thể mở rộngđến hàng trăm hàng nghìn nút Dữ liệu nhị phân phải được mã hóa base64trước khi nó được truyền đi trong băng tần

 Các cách truyền dữ liệu trong IoT:

+Bluetooth: Một công nghệ giao tiếp truyền thông trong khoảng cách ngắnxuất hiện hầu hết ở các thiết bị như máy tính, điện thoại/ smartphone, và

nó được dự kiến là chìa khóa cho các sản phẩm IoT đặc biệt, cho phép giaotiếp thiết bị với các smartphone

+ Zigbee: giống như Bluetooth, là một loại truyền thông trong khoảng cáchngắn, hiện được sử dụng với số lượng lớn và thường được sử dụng trongcông nghiệp có một lợi thế đáng kể trong các hệ thống phức tạp cần các điềukiện: tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng số lượngcác node cao

+ Wifi  (là viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11) là hệ thống mạngkhông dây sử dụng sóng vô tuyến, cũng giống như điện thoại di đông, truyềnhình và radio. Kết nôi Wifi thường là sự lựa chọn hàng đầu của rất nhiều kỹ

sư giải pháp bởi tính thông dụng và kinh tế của hệ thống wifi và mạng LANvới mô hình kết nối trong một phạm vi địa lý có giới hạn

+ Mạng 3G còn được biết đến là thế hệ thứ ba (third-generation) của chuẩncông nghệ di động Tính năng của nó là cho phép thực hiện thao tác truyền

đi các dữ liệu thoại như nghe, gọi, nhắn tin, và cả các dữ liệu ngoàithoại  bao gồm tin nhắn nhanh, gửi email, hình ảnh, tải tệp,

+ 5G là viết tắt của 5th Generation, hay được gọi là thế hệ thứ 5 của mạng diđộng với nhiều cải tiến hơn so với 4G 5G được thiết kế để tăng tốc độ vàkhả năng phản hồi nhanh chóng của mạng không dây

1.3 Tổng quan về thiết bị đo nồng độ bụi

• Máy đo nồng độ bụi hay còn gọi là máy đếm hạt bụi, là một thiết bị tiện lợi

để giám sát chất lượng không khí trong phòng sạch, các nơi làm việc và xưởng sảnxuất, chế biến… Máy có thể đo được kích thước và nồng độ các hạt bụi trongkhông khí đặc biệt là các hạt bụi mịn mà mắt thường không thể nhìn thấy được. Nồng độ bụi đo được trong không khí, khói chính là nồng độ thực tại thời điểm đo.Màn hình hiển thị kết quả giúp người dùng ngay lập tức đánh giá được tình trạngkhông khí và xu hướng bụi tại khu vực đo

• Có 3 loại máy đo nồng độ bụi :

+ Máy đo nồng độ bụi cầm tay có khả năng đo được các hạt bị có kích thước từ0,3 – 0,5µm, mã hóa 10000 phép đo, sử dụng nguồn sáng của đèn laser Máy đượcthiết kế nhỏ gọn, sử dụng thuận tiện trong nhiều môi trường nên là dòng máy đượcsử

dụng nhiều nhất Kết quả đo được trả ngay trên màn hình hiển thị, cũng với các nút bấm điều khiển trên thân máy giúp tạo thuận lợi nhất cho nhân viên trong quả trình

sử dụng

+ Máy đo độ bụi model HD có thể đo được kích thước hạt từ 0,01 – 50nm, có kếthợp cả hệ thống âm báo Thiết bị này có khối lượng lớn và tiêu tốn nhiều nănglượng hơn so với máy đo nồng độ bụi cầm tay Tuy nhiên, thiết kế máy vẫn gọngàng, dễ sử dụng và có thể di chuyển giữ các khu vực đo Máy thường được sửdụng trong các môi trường làm việc có hạt bụi nhỏ mịn như các ngành điện tử, sảnxuất phụ gia hóa chất…

 Hình 3.1  

+ Máy đo nồng độ hạt bụi sử dụng phương pháp đo cân bằng áp suất Máy có khảnăng đo được kích thước hạt từ 0,1 – 10µm, mã hóa 500 phép đo Nhưng nhượcđiểm của dòng máy này là thiết kế khá nặng và cồng kềnh nên thường chỉ sử dụngtrong môi trường cố định, ít di chuyển.

1.4 Cách thức hoạt động của máy đo nồng độ bụi :

được gọi là Máy đếm hạt nhân ngưng tụ (CNC - Condensation NucleiCounter) đo nồng độ hạt siêu mịn không thể phát hiện bằng quang kế hoặcOPC Phần chèn hộp mực chứa chất lỏng có độ tinh khiết cao, thường là cồnisopropyl hoặc butanol được áp dụng cho các mẫu không khí đi vào Khi cáchạt và chất lỏng tương tác, các hạt nano mở rộng đến kích thước xấp xỉ 10-

mầm đồng nhất Máy đếm hạt CPC đạt được giá trị bão hòa lý tưởng, thường

là 100-200%, bằng cách điều chỉnh chặt chẽ các mức bão hòa khi chúng daođộng theo nhiệt độ Độ bão hòa càng đồng đều, CPC có thể phát hiện cácxung phương sai riêng lẻ của ánh sáng bị phân tán bởi các hạt đi qua càngchính xác Các hạt không đồng nhất góp phần dẫn đến kết quả thử nghiệm

có thể bị sai (hiểu nhầm) hoặc đánh lừa hoàn toàn, làm nổi bật một tìnhhuống trong đó CPC được ưu tiên hơn so với máy đếm hạt quang học tiêuchuẩn Máy đếm hạt quang học tiêu chuẩn thiếu độ nhạy để ghi lại các hạt ởngưỡng khoảng 50nm Máy đếm hạt ngưng tụ đếm tất cả các hạt có kíchthước xuống đến 1 nm, tùy thuộc vào kiểu máy Mặt khác, CPC không thểcung cấp dữ liệu về kích thước của các hạt mà chỉ có thể đếm số lượng

  Hình 4.1

 Máy đếm hạt tán xạ ánh sáng là một trong những thiết kế phổ biến nhấtđược sử dụng để giám sát và phân loại chất lượng không khí trong phòngsạch Còn được gọi là máy đếm hạt quang học, đo nồng độ số lượng hạt và phạm vi kích thước để xác nhận hệ thống lọc cơ học và xác định nguồn ô 

nhiễm Khi một hạt đi qua một chùm ánh sáng, ánh sáng bị tán xạ Máy đếmhạt quang học không trực tiếp chỉ ra kích thước của một hạt Thay vào đó,chúng sẽ đo đường kính của ánh sáng bị phân tán và lơ lửng trong khôngkhí Kích thước hạt, còn được gọi là đường kính hạt, được đo sau khi máy

dò photon chuyển đổi kích thước và tần số của ánh sáng tán xạ thành tín hiệuđiện Dữ liệu và phép đo hữu ích yêu cầu thiết kế quang học chất lượng vàtia laser công suất cao với các góc chính xác

  Hình 4.2

1.5 Công dụng của máy đo nồng độ bụi :

 • Cho biết chất lượng không khí tại địa điểm đo Từ đó tìm cách cải thiện chấtlượng không khí sao cho phù hợp với môi trường làm việc , bệnh viện, nhà máysản xuất , giúp đảm bảo sức khỏe cho con người , chất lượng sản phẩm

• Kiểm tra các rò rỉ của bộ lọc không khí

Chương 2 : Cảm biến bụi Sharp GP2Y1010AU0F

2.1 Thông tin tổng quát

2.1.1 Giới thiệu

Cảm biến bụi quang Sharp có một diode hồng ngoại bên trong và một

 phototransistor được bố trí theo đường chéo Diode chiếu ánh sáng và

 phototransistor phát hiện các điểm tối do các hạt mịn đi qua Ngoài tính năng này,tùy thuộc vào dạng xung xuất ra, bạn có thể kiểm tra xem có khói hay bụi haykhông

Cảm biến bụi quang Sharp (GP2Y1010AU0F) đặc biệt hiệu quả trong việc pháthiện các hạt rất mịn như khói thuốc lá, và được sử dụng phổ biến trong các hệthống lọc không khí

  Đây là cảm biến bạn sẽ cần nếu muốn đo các hạt không khí, xây dựng hệ thốnglọc không khí hoặc phát hiện một số hạt nhất định Bao gồm một cáp đặc biệt đểkết nối với các ứng dụng khác

2.1.2 Ứng dụng

- Phát hiện bụi trong không khí Đo những gì đang diễn ra trong bầu khí quyển

- Máy lọc không khí Lọc nếu phát hiện lượng hạt cao

- Hệ thống máy lạnh

- Theo dõi không khí, công bố chất lượng không khí môi trường lên internet

2.1.3 Đặc điểm

- Điện áp cung cấp: 5-7V

- Nhiệt độ hoạt động: -10-65 độ C

- Dòng tiêu thụ: tối đa 20mA, điển hình 11mA

- Đầu ra của cảm biến là điện áp tương tự tỷ lệ với mật độ bụi đo được, với độnhạy 0,5V / 0,1mg / m3

2.2 Thông số kỹ thuật

2.2.1 Sơ đồ kết nối cảm biến với arduino UNO

2.2.2 Thông tin ký hiệu

Hình 2.2Die stamp marking : Phần nhãn hiệu in nổiInk stamp marking : Phần nhãn hiệu in mựcDate code : Ngày, tháng, năm sản xuất2.2.3 Date code ( 2 digit )

   Nước sản xuất : Philippines

2.2.4 Kích thước phác thảo

Hình 2.4Terminal configuration : phương tiện cấu hình đầu cuối2.2.5 Ngưỡng giới hạn sản phẩm

2.2.6 Thông số quang điện tử của thiết bị

Sensitivity : bộ phận cảm biến

Output voltage : điện áp đầu ra

Terminal current : dòng điện đầu ra

Consumption current : dòng điện tiêu thụ

2.2.7 Điều kiện đầu vào khuyến nghị cho hệ thống led đầu cuối

Hình 2.7Điều kiện đầu vào cho hệ thống led đầu cuối ( Sơ đồ )

  Hình 2.102.3 Cách sử dụng cảm biến bụi GP2Y1010AU0F2.3.1 Chuẩn bị

  +) Arduino

  +) cảm biến bụi GP2Y1010AU0F

+) Điện trở+) Tụ ĐiệnNối mạch

Hình 2.11