xây dựng mô hình hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển

Phần giao tiếp với máy tính sử dụng chương trình Visual Basic để thiết kế giao diện hiển thị kết quả, vẽ đồ thị và lưu trữ dữ liệu ở dạng bảng Excel từ kết quả đo được.. Ví dụ như trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG THU THẬP

DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN

MÃ SỐ: SV2009-06

THUỘC NHÓM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI CHỦ TRÌ: LÊ TRỌNG NGHĨA

NGƯỜI THAM GIA: TRẦN TẤN NGUYỆN

ĐƠN VỊ: KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Chúng em kính gửi lời cám ơn các thầy cô trong Khoa Điện – Điện tử đã giúp

đỡ chúng em hoàn thành đề tài này, đặc biệt là thầy Ngô Văn Thuyên đã giúp đỡ chúng em khi chúng em khi thực hiện đề tài này

Chúng em xin chân thành cám ơn phòng Quản lý Khoa Học cùng các thầy cô trong ban giám hiệu nhà trường đã tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành đề tài này

Cám ơn các bạn đã giúp đỡ nhóm để hoàn thành đề tài này

Mặc dù đề tài đã hoàn thành nhưng còn một số sai sót, kính mong quý thầy cô

và các bạn đóng góp ý kiến để những đề tài sau được hoàn thiện tốt hơn

Chúng em xin chân thành cám ơn

Nhóm sinh viên thực hiện:

Lê Trọng Nghĩa Trần Tấn Nguyện

MỤC LỤC

Trang

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 1

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ 2

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 2

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 2

1 Trên thế giới 2

2 Trong nước 2

III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI 3

1 Việc thu thập và lưu trữ dữ liệu thu thập được 3

2 Giá thành của một bộ thí nghiệm cao 3

PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 3

I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 3

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

III NỘI DUNG 3

1 Tổng quan về hệ thu thập dữ liệu và điều khiển Data Acquisition and Control 3

1.1 Giới thiệu về hệ DAQ 3

1.2 Cấu hình cơ bản của hệ DAQ 5

1.2.1 Vào/ ra tập trung 5

1.2.2 Vào/phân tán 5

1.2.3 Các bộ thu thập dữ liệu và điều khiền độc lập hoặc phân tán 7

1.2.4 Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488 8

2 Giao tiếp giữa hệ DAQ & máy tính 8

Cổng truyền thông máy tính (cổng COM) 8

2.2 Chuẩn giao tiếp RS-232 9

2.3 Chuẩn giao tiếp RS-485 9

3 Cảm biến 10

3.1 Khái niệm và các loại cảm biến 10

3.2 Các loại cảm biến sử dụng trong đề tài 10

3.2.1 Cảm biến nhiệt độ LM35 10

3.2.2 Cảm biến lực Loadcell 11

4 PIC 11

4.1 Tổng quan về PIC 11

4.2 Một số thông số về PIC 18F452 11

4.3 Sơ đồ khối của PIC 18F452 12

5 Mô hình hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển 13

5.1 Phần cứng 13

5.1.1 Nguồn cung cấp 13

5.1.2 Phần xử lý tín hiệu 13

5.1.3 Giao tiếp với máy tính 15

5.2 Phần mềm 16

V KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 18

1 Tính khoa học 18

2 Khả năng triển khai ứng dụng vào thực tế 19

3 Hiệu quả kinh tế - xã hội 19

PHẦN 3: KẾT LUẬN 19

I KẾT LUẬN 11

II ĐỀ NGHỊ 20

PHẦN PHỤ LỤC 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Mục tiêu đề tài là thiết kế chế tạo mô hình thu thập dữ liệu và điều khiển có khả năng thu thập và lưu trữ dữ liệu từ các cảm biến Đề tài này thi công mô hình vào/ra phân tán của hệ DAQ mà tiêu biểu là bộ phát số

Mô hình thu thập dữ liệu gồm:

▪ Module mạch nguồn cung cấp điện cho tất cả các thiết bị

▪ Module đo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt độ LM 35

▪ Module đo lực sử dụng Loadcell

▪ Module chuyển đổi ADC và tính toán kết quả thu thập từ cảm biến sử dụng chip vi xử lý PIC

▪ Module giao tiếp với máy tính, sử dụng mạch chuyển đổi RS 232 sang RS

485 và ngược lại

Tín hiệu sau khi được chuyển đổi từ các cảm biến sẽ được khuyếch đại rồi truyền tới chip vi xử lý PIC để thực hiện chuyển đổi ADC Tín hiệu sau khi xử lý xong sẽ truyền đi sử dụng chuẩn RS-485 Sau đó, sử dụng mạch chuyển đổi giữa RS 232 và RS-485 để giao tiếp với máy tính Phần giao tiếp với máy tính sử dụng chương trình Visual Basic để thiết kế giao diện hiển thị kết quả, vẽ đồ thị và lưu trữ dữ liệu ở dạng bảng Excel từ kết quả đo được

Sơ đồ nguyên lý:

LM35

Khuyếch đại

Vi xử lý ADC

Loadcell

Khuyếch đại

Vi xử lý ADC

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ

Để giải quyết các vấn đề trong cuộc sống thường ngày cũng như trong khoa học

kỹ thuật và công nghiệp, việc đo lường, thu thập dữ liệu các đại lượng vật lý là cần

thiết Ví dụ như trong đời sống hằng ngày: khi nướng bánh, chế biến thức ăn cần phải

đo nhiệt độ của lò nhiệt, Trong khoa học, kỹ thuật: dự báo thời tiết cần biết được

nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí, hướng gió và tốc độ gió,…

Trong công nghiệp: việc thu thập dữ liệu điện ở các phụ tải phục vụ cho việc

điều khiển và giám sát hệ thống điện, khi cần điều khiển động cơ quay ở một tốc độ

định sẵn cần đo tốc quay hiện thời của động cơ; khi đóng gói các sản phẩm cần đo

trọng lượng của sản phẩm trong bao bì;

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện nay, hầu hết các đại lượng vật lý đều

có thể đo lường được thông qua những thiết bị được gọi là cảm biến

Cảm biến là một thiết bị đo lường một đại lượng vật lý và chuyển đổi thành tín

hiệu mà tín hiệu có thể đọc được bởi một thiết bị khác Ví dụ: một nhiệt kế thủy ngân

chuyển đổi nhiệt độ cần đo thành sự giãn nở của thủy ngân, sự giãn nở này có thể được

đọc trên một ống thủy tinh đã được cân chỉnh; một thermocouple (cặp nhiệt ngẫu)

chuyển đổi nhiệt độ cần đo thành điện áp mà điện áp này có thể đọc được bằng một

Vôn kế

Tín hiệu ra từ cảm biến có thể là: tín hiệu cơ, tín hiệu điện Nhưng phổ biến vẫn là

tín hiệu điện vì tín hiệu điện có thể dễ dàng hiển thị, lưu trữ

Với sự đa dạng của cảm biến như vậy, trong các phòng thực tập hiện nay vẫn

thiếu một thiết bị vừa có thể đọc được tín hiệu từ cảm biến truyền về, vừa có thể lưu

trữ, xử lý dữ liệu đọc được trên máy tính Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo ra một thiết

bị có thể đọc tín hiệu từ cảm biến, vừa có thể lưu trữ dữ liệu đọc được, có kích thước

nhỏ gọn và giá cả hợp lý là cần thiết

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

▪ Cảm biến nhiệt độ LM35 và LOADCELL

▪ Chip PIC 18F452

▪ Giao tiếp với máy tính

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến việc thu thập dữ liệu và điều khiển,

tuy không thể liệt kê được hết nhưng dưới đây là một số công trình, sản phẩm tiêu

biểu:

1 Trên thế giới

▪ PSI-PHO2-U Series of Portable Sensor Interfaces giá £225.00, sản phẩm của

EAInstruments Ltd, là thiết bị rất gọn nhẹ dùng để kết nối các loại cảm biến điện hóa

với máy tính, sử dụng kèm với phần mềm chuyên dụng Thông tin thêm:

http://www.eainstruments.com/Products/PSI/PSI.htm

▪ Các thiết bị thu thập dữ liệu của các hãng: National Instruments,… Thông tin

thêm tại: http://www.ni.com/dataacquisition/

2 Trong nước

▪ “Thiết kế và phát triển thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương”, Kỹ sư

Phan Minh Tân, Viện công nghệ thông tin

▪ “Hệ thống giám sát và điều khiển từ xa”, sản phẩm của công ty Elcom Thông

tin thêm: http://www.elcom.com.vn/tabid/1334/Default.aspx

III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI

1 Việc thu thập và lưu trữ dữ liệu thu thập được

Dữ liệu thu thập được từ cảm biến chỉ được xử lý tức thời mà không lưu trữ thành file hoặc lưu trữ trên các thiết bị lưu trữ cho việc xử lý dữ liệu sau này

2 Giá thành của một bộ thí nghiệm cao

Vì là thiết bị đo lường, thu thập và xử lý dữ liệu nên đòi hỏi phải có phần mềm chuyên nghiệp để điều khiển và quản lý, vì vậy giá thành thường rất cao Mô hình này được chế tạo chủ yếu là để cung cấp những kiến thức cơ bản về thu thập dữ liệu và điều khiển cho sinh viên trong quá trình học tập

PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

▪ Tìm hiểu đặc tính, nguyên lý hoạt động của hệ thu thập dữ liệu và điều khiển, các cảm biến

▪ Nghiên cứu sử dụng PIC vào thu thập và xử lý dữ liệu

▪ Chế tạo thiết bị thu thập dữ liệu và giao tiếp với máy tính bằng phần mềm Visual Basic

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thực nghiệm, chế tạo thiết bị mẫu

III NỘI DUNG

1 Tổng quan về hệ thu thập dữ liệu và điều khiển Data Acquisition and Control 1.1 Giới thiệu về hệ DAQ

Thu thập dữ liệu (Data Acquisition) là quá trình mà tín hiệu vật lý từ thế giới thực được chuyển thành tín hiệu điện để đo lường và chuyển sang tín hiệu số cho quá trình xử lý, phân tích và lưu trữ bằng máy tính

Trong hầu hết các ứng dụng, hệ thống thu thập dữ liệu (Data Acquisition System) được thiết kế không những chỉ để thu thập dữ liệu mà còn có cả chức năng điều khiển Vì vậy, khi nói hệ DAQ thường hàm ý có cả chức năng điều khiển (Data Acquisition and Control)

Các thành phần cơ bản của hệ DAQ Hình 1.1

a Khối chuyển đổi và cảm biến (Transducers): gồm các thiết bị (cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, loadcell…) dùng để chuyển đổi tín hiệu vật lý sang tín hiệu điện

b Dây nối và cáp truyền thông (Field wiring)

Dây nối: liên kết ngõ ra của chuyển đổi/cảm biến đến phần cứng khối xử lý tín hiệu hoặc từ khối xử lý tín hiệu đến PC nếu khối xử lý tín hiệu ở xa PC Nếu phần cứng khối xử lý tín hệu cách xa PC và chuẩn truyền tín hiệu là RS-232 hoặc RS- 485 thì sử dụng cáp truyền thông Đây là thành phần dễ chịu ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài, vì vậy cần quan tâm đến vấn đề chống nhiễu

c Khối xử lý tín hiệu (Signal conditioning): chuyển tín hiệu từ đầu ra của cảm biến sang dạng thích hợp, được chấp nhận bởi phần cứng khối thu thập dữ liệu, đặc biệt là bộ chuyển đổi A/D Nhiệm vụ của khối này là: lọc, khuyếch đại, tuyến tính hoá, cách ly, kích thích

d Phần cứng thu thập dữ liệu (Data acquition hardware): Phần cứng thu thập dữ liệu tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau từ nhiều nhà sản xuất, có thể là:

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ DAQ

card giao tiếp mở rộng (plug-in expansion bus board), intelligent stand-alone loggers and controllers có thể được định cấu hình, quan sát và điều khiển từ máy tính qua RS-232 hoặc có thể hoạt động độc lập, hoặc các thiết bị độc lập từ

xa có thể điều khiển và định cấu hình từ máy tính qua chuẩn IEEE-4888 Chức năng cơ bản của khối này gồm:

▪ Chuyển tín hiệu tương tự sang dạng số để hiển thị, lưu trữ và phân tích

▪ Đọc vào tín hiệu số chứa thông tin về quá trình của một hệ thống

▪ Chuyển tín hiệu số từ PC sang tín hiệu điều khiển để điều khiển một hệ thống hay một quá trình

▪ Xuất ra tín hiệu điều khiển dạng số

e Phần mềm thu thập dữ liệu (Data acquition software) thường có 3 lựa chọn:

▪ Đọc và xuất dữ liệu trực tiếp dùng: assembly, hoặc các ngôn ngữ như: pascal, C, visual basic,…

▪ Dùng driver đi kèm với phần cứng cung cấp bởi nhà sản xuất

▪ Dùng gói phần mền ứng dụng cung cấp kèm với phần cứng thu thập dữ liệu

để thực hiện tất cả các nhiệm vụ yêu cầu cho một ứng dụng cụ thể

f Host computer (PC): ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ thu thập và xử lý dữ liệu

1.2 Cấu hình cơ bản của hệ DAQ

Các cấu hình thông dụng của hệ DAQ:

▪ Vào/ra tập trung với PC

▪ Vào/ra phân tán

▪ Các bộ thu thập dữ liệu và điều khiển độc lập hoặc phân tán

▪ Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488

1.2.1 Vào/ ra tập trung (Hình 1.2)

▪ Các mạch vào/ra tập trung được cắm trực tiếp vào máy tính qua các bus mở rộng

▪ Đặc điểm: nhỏ, gọn, tốc độ thu thập dữ liệu và điều khiển nhanh nhất, chi phí thấp

▪ Thường được sử dụng trong các ứng dụng mà PC ở gần cảm biến và cơ cấu chấp hành

1.2.2 Vào/phân tán (Hình 1.3)

Vào/ra phân tán nghĩa là module xử lý tín hiệu được đặt gần mỗi sensor tương ứng Mỗi sensor cần có một module xử lý tín hiệu riêng Dạng thường gặp của vào/ra phân tán là bộ phát số Bộ phát số này thực hiện tất cả các chức năng cần

Hình 1.3 Cấu hình vào/ra phân tán Hình 1.2 Cấu hình vào/ra tập trung

thiết, có vi xử lý và ADC để chuyển tín hiệu cần đo sang dạng số Tín hiệu số này được truyền về PC bằng chuẩn RS-232 hoặc RS-485

1.2.3 Các bộ thu thập dữ liệu và điều khiền độc lập hoặc phân tán

(Intelligent stand-alone loggers and controllers)

Tương tự như vào/ra phân tán với các bộ xử lý tín hiệu thông minh, có thể điều khiển và định cấu hình từ máy tính, đồng thời có thể hoạt động độc lập mà không cần PC Điều này rất có lợi khi phải đặt các bộ thu thập dữ liệu ở xa hoặc các ứng dụng không cho phép kết nối liên tục với máy tính

Hình 1.4 Sử dụng PCMCIA để nhập dữ liệu từ bộ thu thập dữ liệu độc lập

Hình 1.5 Sơ đồ bộ thu thập dữ liệu độc giao tiếp nối tiếp RS-232

1.2.4 Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488

GPIB (General Purpose Interface Bus) là chuẩn giao tiếp truyền thông song song tốc độ cao, cho phép kết nối đồng thời 15 thiết bị trên bus truyền dữ liệu song song, được thành lập năm 1965 bởi Hewlett-Packard để kết nối và điều khiển các thiết bị đo thử lập trình được của hãng Chuẩn này phù hợp cho các Lab nghiên cứu hoặc đo thử trong công nghiệp

2 Giao tiếp giữa hệ DAQ & máy tính

Cổng truyền thông máy tính (cổng COM)

Hình 1.6 Sơ đồ hệ thu thập dữ liệu phân tán

Hình 1.7 Cấu trúc hệ GPIB thông dụng

Thông thường một máy tính có 4 cổng truyền thông:

▪ Com1 có địa chỉ 3F8H

▪ Com2 có địa chỉ 2F8H

▪ Com3 có địa chỉ 3E8H

▪ Com4 có địa chỉ 2E8H

Mỗi cổng Com có 11 thanh ghi phục vụ liên kết và điều khiển

▪ TR: thanh ghi phát dữ liệu (ADDR Com)

▪ RR: thanh ghi thu dữ liệu (ADDR Com)

▪ IE: Interupt Enable cho phép ngắt (ADDR Com +1)

▪ IT: nhận dạng ngắt (ADDR Com + 2)

▪ LCR: điều khiển đường truyền (ADDR Com +3)

▪ MCR: điều khiển Modem (ADDR Com +4)

▪ LSR: thanh ghi trang thái đường truyền (ADDR Com +5)

▪ MSR: thanh ghi trang thái modem (ADDR Com + 6)

▪ DLSR: thanh ghi byte cao của giá trị chia xác định tốc độ truyền (ADDR Com +1)

2.2 Chuẩn giao tiếp RS-232

Là chuẩn giao tiếp được sử dụng rộng rãi Được sử dụng trong máy tính PC thông qua các cổng COM1, COM2 Đặc điểm của chuẩn này là:

▪ Giao tiếp điểm - điểm (point to point) Điều này sẽ trở nên khó khăn khi giao tiếp với nhiều thiết bị

▪ Truyền dữ liệu bất đồng bộ

▪ Truyền song công full – duplex

▪ Tín hiệu truyền: logic 1: -3V đến -15V, logic 0: +3V đến +15V Mức tín hiệu này không tương thích trực tiếp với các nguồn cấp trong máy tính (±5V và ±12V)

▪ Đường truyền không cân bằng nên dễ bị ảnh hưởng của nhiễu

▪ Khoảng cách truyền tối đa là 15m Khoảng cách này trở nên quá nhỏ khi có nhiều hệ thống điều khiển

Là mở rộng của chuẩn RS-422, đường truyền 2 dây, bán song công, cân bằng

và giao tiếp nhiều điểm (multi drop) RS-485 có thể truyền tin cậy đến khoảng cách 1200m, với tốc độ lên đến 10Mbps và cho phép đến 32 bộ thu phát ghép trên cùng đường truyền

Mức tín hiệu logic 1: -1.5V đến -6V, logic 0: +1.5V đến +6V Bộ phát có 3 trang thái 0, 1 và high Z Trạng thái high Z cho phép 32 bộ phát có thể nối cùng trên một dây, mặc dù tại mỗi thời điểm chỉ có một bộ phát được tích cực

Vì trong máy tính thường không có chuẩn RS-485 nên muốn sử dụng cho việc giao tiếp với khoảng cách truyền xa, hoặc giao tiếp điểm – đa điểm thì cần phải

có bộ chuyển đổi RS-232 sang RS-485 và ngược lại

3 Cảm biến

3.1 Khái niệm và các loại cảm biến

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận, biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện có thể đo và xử lý được

Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất…) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định vị trí của đại lượng đo

3.2 Các loại cảm biến sử dụng trong đề tài