xây dựng bộ thí nghiệm đo lường cảm biến giao tiếp với máy tính

Cảm biến là một thiết bị đo lường một đại lượng vật lý, chuyển đổi thành tín hiệu và có thể đọc được bởi một thiết bị khác.. Với sự đa dạng của cảm biến như vậy, trong các phòng thực tập

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN

XÂY DỰNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH

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

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

XÂY DỰNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH

THUỘC NHÓM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI CHỦ TRÌ: ĐỖ HỮU KIỆT

NGƯỜI THAM GIA: PHẠM NGỌC NAM

ĐƠN VỊ: KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TP HỒ CHÍ MINH 2 – 2010

MÃ SỐ: SV2009-05

MỤC LỤC

Trang

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 1

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ 1

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1

II CÔNG TRÌNH LIÊN HỆ 1

III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI 2

PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 3

I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 3

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

III NỘI DUNG 3

1 Cảm biến 3

1.1 Khái niệm các loại cảm biến 3

1.1.1 Khái niệm 3

1.1.2 Phân loại cảm biến 3

1.1.3 Các đặc trưng cơ bản 5

1.2 Các loại cảm biến sử dụng trong đề tài 6

1.2.1 Cảm biến nhiệt độ LM35 6

1.2.2 Cảm biến nhiệt độ LM335 7

1.2.3 Cảm biến nhiệt PT100 7

1.2.4 Cảm biến lực Loadcell 8

IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 19

1 TÍNH KHOA HỌC 19

2 KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG VÀO THỰC TẾ 19

3 HIỆU QUẢ KINH TẾ XÃ HỘI 19

PHẦN 3: KẾT LUẬN 20

I KẾT LUẬN 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

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, chuyển đổi thành tín hiệu và 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 và 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, vừa có kích thước nhỏ gọn và giá

cả hợp lý là cần thiết

I ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU

 Atmega 16

 Cảm biến nhiệt độ LM35

 Max232

II CÔNG TRÌNH LIÊN HỆ

Có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến và việc đọc tín hiệu từ các cảm biến, tuy không thể liệt kê được hết nhưng dưới đây là một số công trình, sản phẩm tiêu biểu: Trên thế giới:

 EZ100 Sensor Display giá $387, sản phẩm của Global Water Instrumentation, Inc,

là thiết bị cầm tay có thể đọc được các cảm biến có ngõ ra dạng dòng điện trong khoảng 4-20mA Thông tin thêm: http://www.globalw.com/products/ez100.html

 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

III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI

Việc thu thập và lưu trữ dữ liệu:

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

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 loại cảm biến thông dụng

 Nghiên cứu sử dụng ATmega vào thu thập và xử lý dữ liệu

 Chế tạo thiết bị thu thập dữ liệu và giao tiếp với máy tính

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 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 Các thành phần cơ bản của hệ DAQ

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

 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

 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

 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: 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 tíh 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

 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

 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 2 Sơ đồ vào/ra tập trung

 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/ra phân tán

Hình 3 Sơ đồ vào/ra phân tán 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 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-

Hình 4 Sử dụng PCMCIA để nhập dữ liệu từ bộ thu thập dữ liệu độc lập

Hình 5 Sơ đồ bộ thu thập dữ liệu độc giao tiếp nối tiếp RS-232

Hình 6 Sơ đồ hệ thu thập dữ liệu phân tán

3 Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488

Hình 7 Cấu trúc hệ GPIB thông dụng 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

4 Giao tiếp giữa hệ DAQ và máy tính

4.1 Cổng truyền thông máy tính (cổng COM)

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)

4.2 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 là từ -3V đến -15V, logic 0 là từ +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

5 Cảm biến

5.1 Khái niệm cảm biến

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận và chuyển đổi các đại lượng vật lý, 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

5.2 Các thiết bị sử dụng trong đề tài

5.2.1 Vi điều khiển Atmega16

Vi điều khiển Atmega16 được chọn làm khối xử lý trung tâm Với nhiều tính năng mới hơn hẳn so với các vi điều khiển họ 8051:

 Vi điều khiển 8 bit, có tính năng sử dụng cao, công suất thấp

 Có 131 tập lệnh theo kiến trúc RISC, chủ yếu thực hiện trong 1 chu kì máy

 32x8 thanh ghi đa dụng

 16KB bộ nhớ flash có khả năng lập trình được

 512 Bytes EEPROM

 1K Byte Internal SRAM

 Nhiều ngõ vào ra (I/O Port) 2 hướng (bi-directional)

 2 bộ Timer/Counters 8-bit với Separate Prescalers và Compare Modes

 1 Timer/Counter 16-bit với Separate Prescaler, Compare Mode và Capture Mode

 4 kênh PWM

 8 kênh chuyển đổi ADC 10-bit

 8 kênh chuyển đổi đơn

 7 kênh chuyển đổi vi sai chỉ được đóng gói trong TQFP

 2 kênh chuyển đổi vi sai có khả năng lập trình, lựa chọn độ lợi 1x, 10x, hoặc 200x

 Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS-232)

 Giao diện nối tiếp Two-wire Serial (tương thích chuẩn I2C)

 Giao diện nối tiếp SPI Master và Slave

 Bộ Watchdog Timer có khả năng lập trình được với bộ dao động trên chip

 Bộ so sánh Analog trên chip

Sơ đồ chân

Với kiến trúc RISC này cho phép CPU làm việc nhanh gấp 10 lần kiến trúc CISC Lõi AVR kết hợp những tập lệnh với 32 thanh ghi làm việc với mục đích chung Cả 32 thanh ghi đều được kết nối trực tiếp đến ALU Cho phép truy xuất 2 thanh ghi làm việc độc lập

với 1 chu kì máy VCC và GND là hai chân cấp nguồn cho vi điều khiển

Hình 9: Sơ đồ chân ATmega 16

Hình 10: Cấu trúc sơ đồ chân ATmega 16

Port A (PA7 PA0): Được dành riêng cho ngõ vào analog của bộ chuyển đổi ADC Ngoài

ra Port A còn được dùng như 1 Port vào ra 2 hướng nếu bộ chuyển đổi ADC không sử dụng Mỗi chân của Port A được cung cấp điện trở kéo lên bên trong Bộ đệm ngõ ra của Port A được điều khiển cho cả 2 khả năng: sink dòng và source dòng Khi Port A sử dụng như ngõ vào, chúng sẽ source dòng nếu điện trở kéo lên bên trong tích cực

Port B,C,D: Được dùng như 1 Port vào ra 2 hướng với điện trở kéo lên bên trong Mỗi

chân của mõi Port được cung cấp điện trở kéo lên bên trong Bộ đệm ngõ ra của mõi Port được điều khiển cho cả 2 khả năng: sink dòng và source dòng Khi Port sử dụng như ngõ vào, chúng sẽ source dòng nếu điện trở kéo lên bên trong tích cưc Ngoài ra, mõi Port còn được sử dụng những chức năng khác:

Port B:

Port C:

 Dòng qua khoảng 60 µA

 Khả năng tự tản nhiệt thấp, khoảng 0.08 oC trong điều kiện không khí là

tĩnh

 Mức độ phi tuyến tiêu biểu là ±1⁄4 o

C

 Trở kháng ngõ ra thấp, 0.1 Ω với tải 1 mA

LM35 đo nhiệt độ ngõ vào và xuất tín hiệu điện áp ngõ ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ ngõ vào là oC Vì vậy nó có lợi thế hơn các cảm biến tuyến tính hiệu chỉnh theo độ Kelvin oK LM35 không cần thiết phải hiệu chỉnh hay tinh chỉnh bên ngoài vì nó được cung cấp phạm vi chính xác tiêu biểu là ±1⁄4 oC tại nhiệt độ phòng và ±3⁄4 oC ở nhiệt độ từ −55 tới +150 oC Trở kháng ngõ ra thấp, tuyến tính và hiệu chỉnh chính xác làm cho việc đọc ngõ

ra và kiểm soát mạch điện trở nên dễ dàng LM35 có thể sử dụng nguồn đơn hoặc nguồn đôi và rút dòng khoảng 60 µA

 Phần xử lý và chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số: Do vi điều khiển Atmega16 có

bộ xử lý tín hiệu ADC nên chỉ cần thiết kế các loại cảm biến cho tương thích với

bộ điều khiển Atmega

 Phần giao tiếp và điều khiển với máy tính

6.1.1 Mạch nguồn

Thiết bị có thể sử dụng nguồn từ mạch ổn áp dùng IC

Atmega 16 hoạt động với điện áp nguồn là 5V nên cần phải có một mạch ổn áp 5V Mạch

ổn áp được sử dụng trong đề tài này là mạch ổn áp dùng IC LM7805, với điện áp ngõ ra 5V, dòng ra tối đa là 1A

Để chống nhiễu ta gắn thêm tụ bypass 0.1μF

Sơ đồ nguyên lý:

D1 LED C3

1000u

R1 1k

Hình 13 Sơ đồ nguyên lý mạch nạp cho Atmega

6.1.3 Mạch giao tiếp và điều khiển

Tín hiệu từ cảm biến sau khi được sử lý cho tương thích và đưa về vi điều khiển (như tín hiệu từ cảm biến từ LM35), vi điều khiển Atmega16 sẽ chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang tín hiệu số Tín hiệu này được thu thập và truyền về máy tính bằng đường truyền RS232 Trên máy tính tín hiệu được sử lý và thu thập dữ liệu lại bằng phần mềm Visual Basic Sơ đồ nguyên lý được trình bày chi tiết như hình 14 và 15

Hình 15 Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp và điều khiển với Atmega

Vi xử lý Atmega16 Chuyển đổi

ADC

Cảm biến 1 RS232

Thu thập

dữ liệu

Hình 14 Sơ đồ khối thu thập dữ liệu và điều khiển

Cảm biến 2 Cảm biến…

Chuyển đổi ADC

Tính toán giá trị

Hình 16 Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý tín hiệu trên Atmega16

6.2.2 Lưu đồ giải thuật chương trình hiển thị, vẽ đồ thị , và lưu kết quả trên giao diện Visual Basic

BEGIN

Nhận tín hiệu

từ cổng COM

Hiển thị kết quả

Đọc cảm biến

Vẽ đồ thị

Lưu dữ liệu

END

Hình 17 Lưu đồ giải thuật chương trình Visual Basic