Khi các khu công nghiệp mọc lên song song với đó là các nhà máy sản xuất ra đời, đây cũng là lúc mà ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa thể hiện rõ vai trò quan trọng của mình.. Em
Trang 1ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
Trang 2ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS NGUYỄN VĂN ĐỊNH
Trang 3NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VĂN THỊNH
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
Đề tài: “Thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển và giám sát hệ thống”
Số trang: 87 Số chương: 04 Tài liệu tham khảo: 20
Hiện vật: 2 quyển báo cáo, 1 mô hình, 2 đĩa CD
NHẬN XÉT
Kết luận:
Khánh Hòa, Ngày…… tháng… năm 2017
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký ghi rõ họ tên)
Trang 4PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI
Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VĂN THỊNH
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
Đề tài: “Thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển và giám sát hệ thống”
Số trang: 87 Số chương: 04 Tài liệu tham khảo: 20
Hiện vật: 2 quyển báo cáo, 1 mô hình, 2 đĩa CD
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
Kết luận:
Điểm phản biện
Điểm chung
Bằng số Bằng chữ
Khánh Hòa, Ngày… tháng… năm 2017
CÁN BỘ PHẢN BIỆN
(Ký ghi rõ họ tên)
Khánh Hòa, Ngày… tháng… năm 2017
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
(Ký ghi rõ họ tên)
Trang 5LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin gửi đến Ban giám hiệu trường Đại học Nha Trang lòng biết ơn
và niềm tự hào đã cho em có cơ hội học tập, làm việc tại trường trong suốt 4 năm học vừa qua Đó là một khoảng thời gian quí báu mà em không thể nào quên được Tiếp đến em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Khoa Cơ Khí nói chung và Bộ môn Cơ Điện Tử nói riêng đã dạy dỗ, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện đồ án tốt nghiệp này
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn Văn Định Cùng với các thầy cô giáo khác đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng chuyên
môn, động viên tinh thần giúp em hoàn thành tốt đồ án này
Bên cạnh đó em cũng muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ, động viên, tạo mọi điều kiện cho em học tập và rèn luyện
Trong quá trình thực hiện còn nhiều điều thiếu sót Rất mong sự chỉ bảo của thầy
cô để đề tài được hoàn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn!
Nha Trang, tháng 06 năm 2017 Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Thịnh
Trang 6MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN 1
MỤC LỤC ii
DANH MỤC CÁC BẢNG vi
DANH MỤC CÁC HÌNH vii
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 2
1.1 Giới thiệu thiết bị điều khiển và giám sát hệ thống 2
1.2 Nhu cầu về mức độ tự động hiện nay 3
1.3 Giới thiệu một số bộ điều khiển có sẵn trên thị trường 6
1.3.1 Bộ điều khiển lập trình PLC 6
1.3.2 Bộ điều khiển giám sát sử dụng vi điều khiển 7
1.4 Mục tiêu đề tài 7
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 8
2.1 Phương pháp nghiên cứu 8
2.1.1 Sơ đồ tổng thể 8
2.1.2 Phân tích môi trường khắc nghiệt của công nghiệp, các yếu tố làm cho bộ điều khiển mất ổn định, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu nhất 9
2.1.2.1 Nhiễu điện từ (nhiễu dẫn và nhiễu bức xạ) 9
2.1.2.2 Nhiễu nguồn 9
2.1.2.3 Nhiễu tín hiệu INPUT 9
2.1.2.4 Nhiễu từ điều khiển tải lớn 10
2.1.2.5 Nhiễu do linh kiện 10
2.1.2.6 Nhiễu do thiết kế board 11
2.1.3 Internet Of Things 12
Trang 72.1.3.1 Ứng dụng Internet Of Things trong bộ điều khiển 12
2.1.3.2 Lựa chọn máy chủ IOT 12
2.1.3.3 Board giao tiếp mạng sử dụng cho IOT: 13
2.1.4 Tìm hiểu các phần mềm sử dụng cho đồ án 14
2.1.4.1 Altium 14
2.1.4.3 AndroidSudio 16
2.1.4.4 CodeVisionAVR 17
2.1.4.5: Arduino IDE 18
2.1.5 Giao thức truyền thông sử dụng trong đồ án 19
2.1.5.1 UART 19
2.1.5.2 I 2 C 21
2.2 Yêu cầu của hệ thống 22
2.2.1 Yêu cầu phần cứng 22
2.2.2 Yêu cầu phần mềm 22
2.3 Phương án thiết kế 23
2.3.1 Phương án 1 23
2.3.1.1 Nội dung 23
2.3.1.2 Ưu điểm 23
2.3.1.3 Nhược điểm 23
2.3.2 Phương án 2 24
2.3.2.1 Nội dung 24
2.3.2.2 Ưu điểm 24
2.3.2.3 Nhược điểm 25
2.3.3 Kết luận 25
Trang 82.4 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí 25
2.4.1 Cơ sở lý thuyết 25
2.4.2 Thiết kế 26
2.5 Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 28
2.5.1 Cơ sở lý thuyết 28
2.5.1.1 MCU 28
2.5.1.2 Nguồn 29
2.5.1.4 Graphic LCD 30
2.5.1.5 Opto PC817 32
2.5.1.6 Diode 32
2.5.1.7 Điện trở 33
2.5.1.8 Transistor 33
2.5.2 Thiết kế 34
2.5.2.1 Mạch điều khiển 34
2.5.2.2 Chương trình điều khiển Android 39
2.5.2.3 Chương trình điều khiển NodeMCU 41
2.5.2.4 Chương trình điều khiển trên MCU 1 42
2.5.2.5 Chương trình điều khiển trên MCU 2 43
2.5.2.6 Chương trình điều khiển trên MCU 3 44
CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 45
3.1 Chuẩn bị 45
3.2 Thi công và lắp ráp 45
3.2.1 Vẽ mạch in 45
3.2.2 Hàn linh kiện và kiểm tra mạch 46
Trang 93.3 Sản phẩm thực tế 51
3.3.1 Hình ảnh các mạch 51
3.3.2 Các chi tiết cơ khí 52
3.3.3 Hệ thống mô hình 52
3.4 Cho chạy thử và kiểm nghiệm độ ổn định 53
3.4.1 Kiểm tra trước khi đưa vào hoạt động 53
3.4.1.1 Kiểm tra main board 53
3.4.1.2 Kiểm tra khối INPUT 55
3.4.1.3 Kiểm tra khối OUTPUT 56
3.4.1.4 Kiểm tra phần cơ khí 57
3.4.2 Cài đặt các thông số 57
3.4.3 Mô hình lúc hoạt động 61
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 64
4.1 Kết luận 64
4.1.1 Kết quả đạt được 64
4.1.2 Kết quả chưa đạt được 64
4.2 Đề xuất 64
4.2.1 Đề xuất phần cứng 64
4.2.2 Đề xuất phần mềm 64
4.2.3 Đề xuất cả hệ thống 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO 65
PHỤ LỤC 66
Trang 10DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Chức năng các chân I/O của GLCD 31
Bảng 3.1: Thao tác kiểm tra main board 53
Bảng 3.2: Thao tác kiểm tra khối Input 55
Bảng 3.3: Thao tác kiểm tra khối Output 56
Bảng 3.4: Thao tác kiểm tra cơ khí 57
Trang 11DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Tự động hóa trong sản xuất 2
Hình 1.2: Tự động hóa trong nông nghiệp 3
Hình 1.3: Nhà thông minh 3
Hình 1.4: Robot 4
Hình 1.5: Tự động hóa trong công nghiệp 5
Hình 1.6: PLC 6
Hình 1.7: Bộ giám sát từ xa 7
Hình 2.1: Sơ đồ tổng thể 8
Hình 2.2: Firebase 12
Hình 2.3: ESP8266 13
Hình 2.4: NodeMCU 14
Hình 2.5: Altium 15
Hình 2.6: Autocad 16
Hình 2.7: Android Studio 17
Hình 2.8: CodeVisionAVR 17
Hình 2.9: Arduino IDE 19
Hình 2.10: Mức logic chuẩn RS232 20
Hình 2.11: Truyền nối tiếp 20
Hình 2.12: Kết nối giữa Master và các Slave 21
Hình 2.13: Trạng thái lấy mẫu một bit dữ liệu trên SDA 22
Hình 2.14: Mặt trước kích thước 225 x 140 26
Hình 2.15: Mặt sau kích thước 225 x 140 26
Hình 2.16: Mặt trên kích thước 225 x 110 26
Hình 2.17: Mặt dưới kích thước 225 x 110 27
Hình 2.18: Hai mặt bên phải kích thước 110 x 128 27
Hình 2.19: Atmegal6 28
Hình 2.20: LM2576 29
Hình 2.21: DS3231 30
Hình 2.22: GLCD 30
Trang 12Hình 2.23: Sơ đồ chân Opto PC817 32
Hình 2.24: Diode 32
Hình 2.25: Điện trở 33
Hình 2.26: Transistor 33
Hình 2.27: Nguyên lý khối nguồn 34
Hình 2.28: Nguyên lý khối thời gian thực 34
Hình 2.29: Nguyên lý khối GLCD 35
Hình 2.30: Nguyên lý khối vi điều khiển 35
Hình 2.31: Main board 35
Hình 2.32: Mô hình 3D mặt trước và sau main board 36
Hình 2.33: Nguyên lý khối INPUT 37
Hình 2.34: Nguyên lý khối OUTPUT 37
Hình 2.35: Layout board cách ly 38
Hình 2.36: Mô hình 3D mặt trước và sau board cách ly 38
Hình 2.37: Giao diện trên Android 40
Hình 2.38: Giải thuật trên Android 40
Hình 2.39: Giải thuật trên NodeMCU 41
Hình 2.40: Giải thuật trên MCU1 42
Hình 2.41: Giải thuật trên MCU2 43
Hình 2.42: Giải thuật trên MCU3 44
Hình 3.1: Mạch layout board cách ly 45
Hình 3.2: Mạch layout main board 46
Hình 3.3: Hàn linh kiện 47
Hình 3.4: Kiểm tra mạch 47
Hình 3.5: Lắp khối nguồn và board cách ly 48
Hình 3.6: Lắp khối main board và GLCD 49
Hình 3.7: Mặt trước (a) và sau (b) thiết bị sau khi lắp xong 50
Hình 3.8: Hình ảnh mạch thực tế 51
Hình 3.9: Hình ảnh cơ khí thực tế 52
Hình 3.10: Hệ thống mô hình 52
Hình 3.11: Kiểm tra main board 53
Trang 13Hình 3.12: Kiểm tra khối Input 55
Hình 3.13: Kiểm tra khối Output 56
Hình 3.14: Vị trí các bộ phận mặt sau bộ điều khiển 57
Hình 3.15: Vị trí các bộ phận mặt trước bộ điều khiển 58
Hình 3.16: Khởi động bộ điều khiển 58
Hình 3.17: Thông tin bộ điều khiển 59
Hình 3.18: Cài đặt và sử dụng chức năng Smarthome 59
Hình 3.19: Cài đặt và sử dụng chức năng Sensor 60
Hình 3.20: Cài đặt và sử dụng chức năng giám sát sản phẩm 61
Hình 3.21: Điều khiển nhà thông minh 61
Hình 3.22: Máy dán keo 62
Hình 3.23: Máy dán hộp 62
Hình 3.24: Máy cán màng 62
Trang 14LỜI MỞ ĐẦU
Tự động hóa là ngành đang được phổ biến tại Việt Nam, với thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày nay, tự động hóa ngày càng trở nên quan trọng Khi các khu công nghiệp mọc lên song song với đó là các nhà máy sản xuất ra đời, đây cũng là lúc mà ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa thể hiện rõ vai trò quan trọng của mình Các nhà máy hoạt động liên tục đòi hỏi các thiết bị cần thiết sẽ phải sản xuất liên tục để đáp ứng nhu cầu hoạt động của các nhà máy
Cơ điện tử được xem là một chuyên ngành mới hình thành ở nước ta Được xác định là một ngành mũi nhọn trong chiến lược phát triển khoa học - công nghệ của Việt Nam hiện nay và trong thời gian tới Đây là ngành có sự phức hợp của ba ngành
cơ khí, điện tử, và tin học
Là một sinh viên năm cuối, trải qua quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo đã giúp đỡ em trong những năm qua đã dạy
dỗ các kiến thức lý thuyết lẫn thực tế Dựa vào những kiến thức mà em học được, đồ
án tốt nghiệp là hướng đi tổng hợp kiến thức của em Em xin chọn đề tài “Thiết kế
và chế tạo thiết bị điều khiển và giám sát hệ thống”
Đề tài này em nghiên cứu dựa trên các vấn đề xảy ra trong môi trường công nghiệp hiện nay, cũng như nhu cầu điều khiển, giám sát các máy móc và hệ thống Từ đó đưa ra ý tưởng thiết kế một bộ điều khiển phù hợp dễ dàng sử dụng và độ ổn định cao
Với mong muốn tạo ra một bộ điều khiển đúc kết từ các kinh nghiệm có được Để làm ra một bộ điều khiển với giá thành rẻ, đáp ứng các nhu cầu vừa và nhỏ trong môi trường công nghiệp, tăng cao hiệu quả kinh tế Đồng thời tạo ra một xu hướng nghiên cứu về các bộ điều khiển trong công nghiệp nhằm tự động hóa trong quá trình sản xuất cho các em khóa sau
Trang 15CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu thiết bị điều khiển và giám sát hệ thống
Hình 1.1: Tự động hóa trong sản xuất
- Các thiết bị điều khiển và giám sát có mặt ở khắp mọi nơi và trên mọi lĩnh vực trong cuộc sống chúng ta để tự động hóa các vấn đề, làm mọi thứ trở nên đơn giản và hiệu quả hơn, để cuộc sống trở nên hiện đại và chất lượng hơn về mọi mặt
- Khi nhu cầu và sự hiểu biết con người ngày càng cao, yêu cầu về số lượng và chất lượng của các sản phẩm cũng không ngừng tăng, điều đó đòi hỏi các dây chuyền sản xuất trong công nghiệp ngày càng hiện đại, có mức độ tự động hóa ngày càng cao với việc sử dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại có trợ giúp của máy tính
- Hệ thống điều khiển và tự động hóa có mặt trong mọi dây chuyền sản xuất của các ngành kinh tế khác nhau như: công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải
- Nhưng để tự động hóa được quá trình sản xuất như thế cần một bộ điều khiển đóng vai trò là khu xử lý trung tâm, nhằm điều khiển các thiết bị ra vào theo lập trình sẵn của người lập trình cho bộ điều khiển
Trang 161.2 Nhu cầu về mức độ tự động hiện nay
Vai trò của công nghệ tự động hóa trong nền kinh tế quốc dân và sự phát triển của
xã hội là cực kỳ to lớn Tự động hóa mang lại nhiều tiện ích trong muôn màu muôn
vẻ của cuộc sống văn minh hiện đại Vì thế tự động đóng vai trò rất quan trọng
- Nông nghiệp:
Hình 1.2: Tự động hóa trong nông nghiệp
+ Tiết kiệm được thời gian, nhân lực vật lực cho việc điều hành các vườn trồng nông nghiệp
+ Giảm chi phí sản xuất, điều hành quá trình trồng rau
+ Tăng năng suất lao động
- Smarthome :
Hình 1.3: Nhà thông minh
- Hệ thống chiếu sáng thông minh
Trang 17+ Điều khiển và giám sát trên điện thoại, máy tính bảng + Tự động chiếu sáng
+ Hẹn giờ chiếu sáng
- Hệ thống rèm cửa tự động
+ Điều khiển nhiều rèm cửa cùng 1 lúc
+ Hẹn giờ mở - đóng rèm
+ Điều khiển qua internet
- Hệ thống điều hòa không khí
+ Điều khiển nhiệt độ từ xa
- Chủ động điều khiển bình nóng lạnh
+ Nước ấm luôn sẵn
+ Tiện nghi và tiết kiệm hơn
- Tận hưởng hệ thống âm thanh đa vùng
+ Hệ thống amply không dây
- An toàn tuyệt đối với hệ thống an ninh 24/7
Trang 18Có khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại, việc nặng nhọc, gây nguy hiểm cho con người, như nóng, độc, phóng xạ, dưới nước sâu, trong lòng đất, ngoài vũ trụ,…
+ Tính chính xác rất cao, có khả năng tự động hóa cao, có tính lặp lại
+ Tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm: do robot có thể làm việc nhiều ca mà không mệt mỏi, không cần ăn trưa, không đòi hỏi lương
- Công nghiệp:
Hình 1.5: Tự động hóa trong công nghiệp
+ Giảm chi phí vận hành: Tự động hóa công nghiệp giúp giảm thiểu số nhân công cần thiết để vận hành máy móc dẫn đến việc giảm được các chi phí liên quan đến con người như tiền lương, tiền bảo hiểm y tế, tiền lương nghỉ lễ, nghỉ ốm, tiền làm thêm giờ hay lương hưu
+ Tăng năng suất: Hệ thống tự động hóa có thể cho phép một nhà máy họat động 24/7 trong một tuần, một tháng và thậm chí là cả năm Nhờ vậy, năng suất sản xuất
sẽ được cải thiện và nâng cao đáng kể
+ Cải thiện chất lượng sản phẩm: tự động hóa có khả năng giảm các sai sót mà con người có thể gặp phải Hơn nữa, các sản phẩm được tạo nên bởi hệ thống tự động hóa
sẽ có chất lượng đồng đều hơn
+ Tăng tính linh hoạt: Khi thêm một bước mới vào quy trình sản xuất, các nhà quản lý sẽ thường phải hướng dẫn, đào tạo người lao động ở bước đầu thực hiện Tuy nhiên, robot và các hệ thống máy tính hoàn toàn có thể được lập trình để thực hiện
Trang 19các thao tác mới mà không cần qua đào tạo hay hướng dẫn, nhờ đó giúp quy trình sản xuất trở nên linh hoạt hơn
+ Tăng mức độ an toàn: Hệ thống tự động hóa có thể thay thế con người trong những môi trường nguy hiểm như ở dưới nước, khu vực có lửa
1.3 Giới thiệu một số bộ điều khiển có sẵn trên thị trường
1.3.1 Bộ điều khiển lập trình PLC
Hình 1.6: PLC
Ưu điểm:
- Dễ lập trình và thay đổi chương trình
- Cấu trúc dạng module mở rộng dễ bảo trì và sữa chữa
- Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất
- Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp
Nhược điểm
- Giá thành rất cao, không phù hợp cho môi trường công nghiệp nhỏ
- Các module được bán riêng lẻ giá thành rất cao
Trang 201.3.2 Bộ điều khiển giám sát sử dụng vi điều khiển
- Sản phẩm có chức năng cụ thể, do nhà sản xuất làm ra nên khả năng tùy biến ít
- Không làm chủ được công nghệ
- Không sử dụng được trong môi trường có tạp nhiễu
1.4 Mục tiêu đề tài
Thiết kế chế tạo bộ điều khiển và giám sát hệ thống, đáp ứng cho các nhu cầu điều khiển tự động hiện nay Có khả năng tùy biến cao, hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp cùng với giá thành rẻ
Trang 21CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG
NGHIÊN CỨU
2.1 Phương pháp nghiên cứu
2.1.1 Sơ đồ tổng thể
Hình 2.1: Sơ đồ tổng thể
NOISE: nhiễu tác động vào bộ điều khiển
Power: khối nguồn nuôi khối công suất và bộ xử lý trung tâm
ISOLATION: khối cách lý khối công suất và bộ xử lý trung tâm
INPUT: Các tín hiệu vào bộ điều khiển
OUTPUT: Các tín hiệu ra bộ điều khiển
RTC: Khối thời gian thực
Internet: Khối kết nối mạng Internet
Sensor: Khối kết nối cảm biến
Display: Khối hiển thị
MCU: Khối xử lý số học các bài toán điều khiển
Trang 222.1.2 Phân tích môi trường khắc nghiệt của công nghiệp, các yếu tố làm cho
bộ điều khiển mất ổn định, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu nhất
2.1.2.1 Nhiễu điện từ (nhiễu dẫn và nhiễu bức xạ)
- Nguyên nhân: Nhiễu điện từ sinh ra khi thiết bị điện – điện tử bất kỳ hoạt động
Nhiễu điện từ có hai biểu hiện:
+ Thứ nhất là nhiễu dẫn qua con đường dây dẫn, các thiết bị dùng điện đều có thể
bị ảnh hưởng
+ Thứ hai là nhiễu đường bức xạ qua không gian, tùy mức độ, nguyên lý của thiết
bị thì cường độ nhiễu ảnh hưởng đến thiết bị điện – điện tử hoạt động xung quanh đó nhiều hay ít
- Giải pháp:
+ Thiết kế hộp vỏ kim loại để tránh nhiễu điện từ gây ra
+ Các dây tín hiệu giao tiếp có dây bọc nhiễu tốt
+ Các dây nguồn có thể được qua cuộn lọc trước khi vào board
2.1.2.2 Nhiễu nguồn
- Nguyên nhân:
+ Khi sử dụng điện trong công nghiệp điện áp thường không ổn định, do nhiều đối tượng hoạt động công suất lớn, trong lúc vận hành và khởi động sẽ gây ra sụt áp, hoặc điện áp sẽ giao động lên xuống
+ Sử dụng chung nguồn với các thiết bị khác có thể bị rò điện từ các đối tượng công suất lớn
- Giải pháp:
+ Sử dụng nguồn cách ly riêng cho MCU
+ Làm phẳng điện áp
+ Gắn tụ để bù áp khi điện áp mất cân bằng
+ Lọc các xung nhọn hoạt động ở tần số cao và vừa
2.1.2.3 Nhiễu tín hiệu INPUT
- Nguyên nhân:
+ MCU chỉ hoạt động tín hiệu vào 5V, và tín hiệu phải ổn định, tránh các tín hiệu cao tần, hay mang nhiều xung nhiễu ở tần số cao, có thể làm treo MCU
Trang 23+ Trong môi trường công nghiệp thì có rất nhiều tín hiệu về MCU để xử lý, ở các đối tượng, các board động lực, hay công tắc hành trình, cảm biến v v các tín hiệu đó đều có thể gây nhiễu cho MCU
+ Tín hiệu từ các đối tượng đó có dải rộng các điện áp từ 5V đến 24V và có thể hơn, và mang nhiều các xung gây nhiễu
- Giải pháp:
+ Tạo ra một board cách ly quang, ngăn cách giữa tín hiệu vào và MCU, từ đó MCU có thể nhận tín hiệu ở bất kỳ điện áp nào và tuyệt đối an toàn
+ Trên board cách ly sử dụng thêm các linh kiện lọc nhiễu như: chống các tín hiệu
ở tần số cao, chống xung ngược v v
2.1.2.4 Nhiễu từ điều khiển tải lớn
- Nguyên nhân:
+ Điện áp các chân IO của MCU chỉ hoạt động được ở điện áp 5V và dòng < 25
mA
+ Nếu điều khiển các đối tượng cần áp cao hơn và dòng cao hơn thì không thể, ví
dụ biến tần điều khiển bằng PWM có loại yêu cầu áp 10V
+ Khi điều khiển tải lớn thì sẽ phát ra xung nhiễu, ví dụ như tia lửa điện từ relay,
là một linh kiện quen thuộc trong điều khiển
+ Điều khiển các đối tượng công suất lớn, như các loại driver điều khiển động cơ Tuy driver thiết kế rất tốt, nhưng các chân tín hiệu vẫn thấy rò điện, và nhiều xung nhiễu ở tần số cao
+ Khối công suất của board hoạt động ở tần số cao cho phép đóng cắt ở tần số cao,
có thể điều chế PWM, và hoạt động ở dải điện áp cao, dòng cao
+ Sử dụng các linh kiện chống các xung ngược trả về để bảo vệ linh kiện
2.1.2.5 Nhiễu do linh kiện
- Nguyên nhân:
Trang 24Đây là do chất lượng của nhà sản xuất linh kiện, trong điều kiện khắc nghiệt thì giữa linh kiện chính hãng và linh kiện trôi nổi hàng giả:
+ Linh kiện chính hãng có sức chịu đựng và ổn định tốt hơn rất nhiều so với hàng trôi nổi
+ Công suất và hiệu năng làm việc của linh kiện không chính hãng thậm chí không được một nữa so với thông số của sản phẩm
+ Linh kiện không chính hãng hoạt động không chính xác, chập chờn
- Giải pháp: Mua hàng có chọn lọc, lựa nơi uy tín nhất để mua, mua linh kiện có
xuất xứ nguồn gốc rõ ràng
2.1.2.6 Nhiễu do thiết kế board
Nhiễu trong thiết kế mạch điện tử là các loại tín hiệu tạp chất sinh ra một cách ngẫu nhiên gây ảnh hưởng xấu tới tín hiệu thông tin, có hai loại nhiễu chính được chú
ý:
+ Nhiễu bức xạ: Là nhiễu do chính thiết bị hoặc mạch điện đó gây ra
+ Nhiễu thu nhận: Là do thiết bị hoặc mạch điện đó nhận khi hoạt động gần các nguồn nhiễu
- Nguyên nhân:
+ Người thiết kế không theo chuẩn các đường dây tín hiệu
+ Sắp xếp linh kiện không hợp lý
+ Để cho các thành phần linh kiện trong mạch không gây nhiễu cho nhau, thì rất cần thiết phải có sự cách ly phù hợp Ví dụ khối nguồn gây nhiễu cao, trong khi đó các khối analog, digital cần có sự bảo vệ Trong trường hợp này, bố trí linh kiện theo từng khối là điều nên làm, và giữa các khu vực này nên có sự cách ly phù hợp
Trang 25+ Đặt các tụ lọc bố trí ở nhiều nơi trên khu vực đường nguồn để dập nhanh các xung nhiễu
+ Sau khi vẽ xong đặt boad chất lượng tốt, phủ mực bảo vệ
2.1.3 Internet Of Things
Internet Of Things viết tắt là IOT chính là Internet trong mọi thứ Và theo Wikipedia định nghĩa thì IOT chính là mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc mạng lưới kết nối thiết bị Internet Là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh riêng của nó và khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính [18]
2.1.3.1 Ứng dụng Internet Of Things trong bộ điều khiển
Internet Of Things giúp bộ điều khiển có thể giám sát và vận hành từ xa các đối tượng một cách linh hoạt hơn Để tiết kiệm về mặt thời gian, tiến trình cũng như chi phí
2.1.3.2 Lựa chọn máy chủ IOT
Internet Of Things hiện nay rất phát triển có nhiều máy chủ lưu trữ và hỗ trợ lập trình rất tối ưu như MQTT, Thingspeak, Firebase v v
Em lựa chọn sử dụng Firebase của Google vì:
+ Độ tin cậy cao Nói về độ tin cậy, Google là một ông chủ lớn của công nghệ thì
độ tin cậy vô cùng cao, chúng ta có thể hoàn toàn tin cậy
+ Tốc độ cao
+ Hỗ trợ tốt
+ Nhiều tính năng
Hình 2.2: Firebase
Trang 262.1.3.3 Board giao tiếp mạng sử dụng cho IOT
Trên thị trường có rất nhiều board giao tiếp mạng để phục vụ cho mục đích kết nối Internet như: Module Wifi UART HLK-RM04, Module Ethernet ENC28J60, Module WiFi NodeMcu ESP8266, Module Sim800A v v
Để lựa chọn một board dễ sử dụng, giá thành rẻ, và độ tin cậy cao Em lựa chọn ESP8266 So với các module còn lại thì ESP8266 có rất nhiều ưu điểm vượt trội như tốc độ cao, dễ sử dụng, giá thành rẻ và độ bền cao [20]
Hình 2.3: ESP8266
- Giới thiệu:
ESP8266 là dòng chip tích hợp WiFi 2.4Ghz có thể lập trình được, rẻ tiền được sản xuất bởi một công ty bán dẫn Trung Quốc Espressif Systems Được phát hành đầu tiên vào tháng 8 năm 2014, đóng gói được ra thị trường dạng modul ESP-01, được sản xuất bởi bên thứ 3: AI-Thinker Có khả năng kết nối Internet qua mạng Wifi một cách nhanh chóng và sử dụng rất ít linh kiện đi kèm Với giá cả có thể nói là rất
rẻ so với tính năng và khả năng ESP8266 có thể làm được ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trên thế giới rất lớn, cung cấp nhiều module lập trình mã mở giúp nhiều người có thể tiếp cận và xây dựng ứng dụng rất nhanh
Trang 27có xử lý và khả năng lưu trữ mạnh mẽ cho phép nó được tích hợp với các bộ cảm biến, vi điều khiển và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác thông qua GPIO với một chi phí tối thiểu và một PCB tối thiểu ESP8266-12E bao gồm các thông số kỹ thuật sau:
+ Truyền tải các gói dữ liệu trong < 2ms
+ Chế độ chờ tiêu thụ điện năng < 1.0mW (DTIM3)
- Module ESP8266 NodeMCU
Hình 2.4: NodeMCU
Lý do đang trong quá trình thử nghiệm nên quyết định sử dụng module ESP8266 Khi chạy ổn định thì sẽ thiết kế trực tiếp lên board để gọn hơn và chuyên nghiệp hơn + ESP8266 NodeMCU là kít phát triển dựa trên chip Wifi SoC ESP8266
+ Chip nạp giao tiếp UART CP2102
+ Cấp nguồn 5V DC MicroUSB hoặc chân Vin
+ GIPO giao tiếp 3.3VDC
+ Tích hợp Led báo trạng thái và nút nhất Reset
2.1.4 Tìm hiểu các phần mềm sử dụng cho đồ án
2.1.4.1 Altium
Trang 28Hình 2.5: Altium
Phần mềm thiết kế mạch tự động Altium Designer là một môi trường thiết kế điện
tử đồng nhất, tích hợp cả thiết kế nguyên lý, thiết kế mạch in PCB, lập trình hệ thống nhúng và FPGA [6]
- Các điểm đặc trưng của Altium Designer:
+ Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế
+ Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, đi dây tự động theo thuật toán tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ việc tìm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện, netlist có sẵn từ trước theo các tham số mới
+ Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…
+ Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất
cả các linh kiện nhúng, số, tương tự…
+ Đặt và sửa đối tượng trên các lớp cơ khí, định nghĩa các luật thiết kế, tùy chỉnh các lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện trên PCB
+ Mô phỏng mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực trong không gian 3 chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mô hình STEP, kiểm tra khoảng cách cách điện, cấu hình cho cả 2D và 3D
Trang 29+ Hỗ trợ thiết kế PCB sang FPGA và ngược lại
- Mục đích sử dụng:
+ Sử dụng thiết kế các board điều khiển một cách chuyên nghiệp nhất
+ Mô phỏng 3D để dễ dàng quan sát và phân tích
2.1.4.2 AutoCAD
Hình 2.6: Autocad
AutoCAD là phần mềm hỗ trợ vẽ kỹ thuật trên máy tính Nói một cách khác, AutoCAD là một công cụ hỗ trợ hình thành, thiết kế, trình bày, xử lý bản vẽ kỹ thuật trên máy tính Cho đến nay, AutoCAD là phần mềm được ứng dụng phổ biến nhất (khoảng trên 90%) trong việc thiết kế, hình thành bản vẽ 2D
- Mục đích sử dụng:
+ Thiết kế kích thước và vị trí bắt ốc chính xác cho board, để kết hợp với Altium + Thiết kế vỏ hộp
2.1.4.3 AndroidSudio
Trang 30- CodeVisionAVR bao gồm các thành phần sau:
+ Trình biên dịch ngôn ngữ C cho AVR
+ Trình biên dịch hợp ngữ cho AVR
Trang 31+ Module giao tiếp với debug board STK-500
+ Module tương tác với các lập trình viên
+ Terminal
- CodeVisionAVR cho tập tin đầu ra là:
+ HEX, BIN hoặc tập tin ROM để nạp vào thiết bị thông qua lập trình
+ COFF - file có chứa thông tin cho trình gỡ lỗi
+ OBJ - file
- Hiện nay, CodeVisionAVR bao gồm các thư viện như:
+ Alphanumeric LCD, GLCD
+ Philips I²C Bus
+ National Semiconductor LM75 Temperature Sensor
+ Maxim/Dallas Semiconductor DS1621 Thermometer/Thermostat
+ Philips PCF8563 and PCF8583 Real Time Clocks
+ Maxim/Dallas Semiconductor DS1302 and DS1307 Real Time Clocks
+ Maxim/Dallas Semiconductor 1 Wire protocol
+ Maxim/Dallas Semiconductor DS1820/DS18B20/DS1822 1 Wire Temperature
Trang 33Hình 2.10: Mức logic chuẩn RS232
UART theo chuẩn truyền thông nối tiếp, dữ liệu được truyền từng bit trên một đường truyền Tuy nhiên có nhiều hạn chế so với chuẩn truyền thông song song là tốc độ truyền còn chậm, và độ chính xác còn thấp
Hình 2.11: Truyền nối tiếp Baud rate: Việc truyền nhận không đồng bộ xảy ra thành công thì các thiết bị phải
thống nhất về khoảng thời gian dành cho từng bit truyền nhận hay nói cách khác tốc
độ truyền phải được cài đặt như nhau, tốc độ này gọi là tốc độ Baud Và cũng là số
bit truyền trong 1s
Frame (khung truyền): Do truyền thông nối tiếp không đồng bộ rất dễ mất hoặc bị
sai lệch dữ liệu, quá trình này phải tuân theo một số quy cách nhất định Bên cạnh tốc
độ Baud, khung truyền là một yếu tố quan trọng tạo nên sự thành công khi truyền và nhận Khung truyền bao gồm các quy định về số bit trong mỗi lần truyền, các bit báo như Start và Stop, các bit kiểm tra như Paruty, ngoài ra số lượng các bit trong một data cũng được quy định bởi khung truyền
Start bit: Start là bit đầu tiên được truyền trong một Frame truyền, bit này có chức năng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyền tới Ở module UART trong AVR, đường truyền luôn ở trạng thái cao khi nghỉ, nếu một chip AVR
Trang 34muốn thực hiện việc truyền dữ liệu nó sẽ gửi một bit Start bằng cách kéo được truyền xuống mức 0 và có điện áp là 0V Start là bit bắt buộc phải có trong khung truyền Data: Data hay dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần gửi và nhận Data không nhất thiết phải là gói 8 bit, với AVR có thể quy định số lượng bit của data
là 5, 6, 7, 8 hoặc 9
Parity bit: Parity là bit dùng kiểm tra dữ liệu truyền đúng không Có 2 loại Parity
là Parity chẵn và Parity lẻ Parity chẵn nghĩa là số lượng số 1 trong dữ liệu bao gồm bit Parity luôn là số chẵn Ngược lại tổng số lượng các số 1 trong Parity luôn là lẻ Stop bit: Stop bit là một bit báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu đã gửi xong Sau khi nhận được Stop bit, thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Stop bit là bit bắt buộc xuất hiện trong khung truyền
2.1.5.2 I 2 C
I2C trong AVR là một module truyền thông nối tiếp đồng bộ trên chip AVR dựa trên chuẩn giao tiếp ngoại vi I2C được phát triển bởi hãng Philips, thường được sử dụng để giao tiếp giữa các AVR và bất kỳ một thiết bị điều khiển bất kỳ theo chuẩn
I2C (chip nhớ, RTC, DCA, ADC )
I2C là giao tiếp nối tiếp thực hiện trên hai đường dây: Clock (SCL) và Data (SDA) giữa Master và Slave
Hình 2.12: Kết nối giữa Master và các Slave
+ Master: Là chip khởi động quá trình truyền nhận, phát đi địa chỉ của thiết bị cần giao tiếp và tạo xung giữ nhịp trên đường SCL
+ Slave: Là chip có một địa chỉ cố định, được gọi bởi Master và phục vụ yêu cầu từ Master
+ SDA - Serial Data: Là đường dữ liệu nối tiếp, tất cả các thông tin về địa chỉ hay dữ liệu đều được truyền trên đường này theo thứ tự từng bit một
Trang 35+ SCL - Serial Clock: Là đường giữ nhịp nối tiếp I2C là chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ, cần có 1 đường tạo xung giữ nhịp cho quá trình truyền/nhận, cứ mỗi xung trên đường giữ nhịp SCL, một bit dữ liệu trên đường SDA sẽ được lấy mẫu (sample)
Hình 2.13: Trạng thái lấy mẫu một bit dữ liệu trên SDA
Dữ liệu nối tiếp trên đường SDA được lấy mẫu khi đường SCL ở mức cao trong một chu kỳ giữ nhịp, vì thế đường SDA không được đổi trạng thái khi SCL ở mức cao
2.2 Yêu cầu của hệ thống
2.2.1 Yêu cầu phần cứng
Để một bộ điều khiển chạy ổn định trong môi trường công nghiệp, thì phần cứng rất quan trọng mang lại sự ổn định cho máy móc hoạt động
+ Thiết kế sắp xếp các linh kiện hợp lý và thẩm mỹ
+ Sử dụng các linh kiện để lọc nhiễu
+ Cách ly khu vực MCU điều khiển, và các tín hiệu INPUT, OUTPUT
+ Lọc nguồn ổn định
+ Kết nối chắc chắn các thiết bị ra vào
+ Chia sẽ và cách ly nguồn thông minh
+ Đi dây gọn gàng, phân chia dây theo chức năng, để dễ dàng lắp ráp
2.2.2 Yêu cầu phần mềm
Phần mềm là khu vực trung tâm xử lý các tín hiệu ra vào Và tương tác với người dùng theo lập trình sẵn Vì vậy phần mềm đóng vai trò rất quan trọng trong bộ điều khiển
+ Lọc các tín hiệu digital, để loại trừ các tín hiệu nhiễu
+ Lọc các tín hiệu analog qua các bộ lọc thông thấp, thông cao, checksum, để loại trừ nhiễu
Trang 36+ Tối ưu chương trình chính để máy vận hành một cách chính xác
+ Tối ưu chương trình quét nút nhấn và tương tác người dùng, để kịp xử lý
2.3 Phương án thiết kế
2.3.1 Phương án 1
2.3.1.1 Nội dung
- Phần cứng: Design main board tổng quát gồm:
+ Board 1 lớp, linh kiện thường
+ Sử dụng nguồn LM7805
+ Sử dụng 1 vi điều khiển Atmega16
+ Khối công suất cách ly sử dụng transistor C1815 và opto
+ Sử dụng nguồn 7805: Tiết kiệm chi phí, và nguyên lý dễ dàng
+ Sử dụng 1 vi điều khiển Atmega 16: Dễ dàng lập trình và tối ưu
+ Sử dụng khối cách ly công suất thấp, cho hiệu quả kinh tế, thời gian thiết kế + Sử dụng LCD text 20 x 4: Dễ lập trình, chi phí thấp
+ Realtime sử dụng DS1307 thư viện tích hợp sẵn trên CodeVisionAVR dễ dàng giao tiếp, giá thành rẻ
Trang 37+ Nguồn 7805 dễ dàng sinh nhiệt, công suất thấp, không đảm bảo cho máy móc hoạt động lâu dài
+ Sử dụng 1 vi điều khiển thì gặp những ứng dụng tốc độ cao hay độ phức tạp thì khó có thể giải quyết tối ưu các bài toán
+ Sử dụng khối cách ly công suất thấp, đơn giản sẽ giảm tuổi thọ cho các đầu kích
IO cần công suất cao
+ LCD text không thể hiển thị hình ảnh và font chữ, giảm độ chuyên nghiệp và tính thẩm mỹ cho bộ điều khiển
+ Realtime sử dụng DS1307 có sai số nhiều, và khả năng không đảm bảo trong môi trường công nghiệp
- Phần mềm IOT: Độ tin cậy và ổn định thấp, thời gian đáp ứng chậm
2.3.2 Phương án 2
2.3.2.1 Nội dung
- Phần cứng:
Sử dụng tách riêng biệt 2 board điều khiển và công suất, có các kết nối thông minh
theo chuẩn riêng
+ Thiết kế board 2 lớp, sử dụng linh kiện SMD
+ Board MCU
Sử dụng 3 MCU:
+ MCU 1: Lọc các tín hiệu INPUT
+ MCU 2: Là khu vực xử lý trung tâm
+ MCU 3: Khu vực xử lý giao diện và tương tác người dùng
- Phần cứng: Tách biệt giữa các board điểu khiển và cách ly, cho khả năng tùy
biến và mở rộng tùy cho nhiều mục đích
Trang 38+ Thiết kế board 2 lớp, sử dụng linh kiện SMD: Mạch nhỏ, đẹp, và mang tính chuyên nghiệp cao
+ Sử dụng nguồn 2576 cho dòng cao đảm bảo ổn định cho board điều khiển + Sử dụng 3 MCU phối hợp nhằm mục đích tới các ứng dụng phức tạp, và độ ổn định cao
+ Board cách ly công suất cao đảm bảo độ bền, cho đầu kích cần dòng lớn
+ Sử dụng GLCD để sản phẩm trở nên tùy biến hiển thị, và tăng độ chuyên nghiệp cũng như thẩm mỹ cho bộ điều khiển
+ Realtime sử dụng DS3231 độ chích xác cao, có khả năng chống nhiễu và bù nhiệt
- Phần mềm IOT: Độ tin cậy cao, đáp ứng nhanh, mức độ làm chủ và chuyên
+ Tốn thời gian thiết kế cũng như gia công, chi phí cao
+ Lập trình tương đối khó giao tiếp với các vi điều khiển, cũng như hiển thị trên GLCD, và giao tiếp với DS3231
- Phần mềm IOT: Xây dựng phần mềm phức tạp
2.3.3 Kết luận
Dựa vào các yếu tố trên, thấy được phương án thứ 2 tương đối phức tạp cả phần cứng lẫn phần mềm, tốn một lượng lớn thời gian và chi phí Tuy nhiên so với một sản phẩm trong công nghiệp, nếu hoạt động chính xác và ổn định thì giá trị của nó rất lớn Mặt khác trong quá trình học tập và nghiên cứu, em lựa chọn phương án 2 để tự thử thách bản thân Tạo ra một bộ điều khiển cho nhiều ứng dụng không những trong học tập mà nó còn vào một môi trường công nghiệp thực tế
2.4 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí
2.4.1 Cơ sở lý thuyết
Sản phẩm trong quá trình nghiên cứu và hoàn chỉnh nên em lựa chọn mica trong
để làm vỏ hộp điều khiển, dễ dàng quan sát lắp ráp và thử nghiệm, sau khi độ tin cậy
Trang 39lên cao có thể gia công kim loại để loại trừ nhiễu từ trường trong môi trường công nghiệp
+ Sử dụng Autocad để vẽ bản vẽ
+ Gia công CNC
2.4.2 Thiết kế
Hình 2.14: Mặt trước kích thước 225 x 140
(1) Vị trí các mối ghép (2) Vị trí nút nhấn (3) Vị trí gắn GLCD (4) Vị trí gắn công tắc (5) Vị trí bắt ốc
Hình 2.15: Mặt sau kích thước 225 x
140
(1) Vị trí các mối ghép (2) Vị trí bắt ốc cho các INPUT và OUTPUT
(3) Vị trí công tắc nguồn, cầu chì, jack cắm nguồn AC
(4) Vị trí bắt ốc
(1) Vị trí các mối ghép
(2) Vị trí còi và đèn khẩn cấp
Trang 40(1) Vị trí các mối ghép
Hình 2.17: Mặt dưới kích thước 225 x 110
Hình 2.18: Hai mặt bên phải kích thước 110 x 128
Trên bản thiết kế gồm: (1) Vị trí jack kết nối cảm biến
1
1
1
1