Thiết kế và xây dựng màn hình giám sát cho đường truyền RS 485

Để có thể chế tạo ra màn hình giám sát cho đường truyền RS485 thì ta cần có phương pháp nghiên cứu đúng đắn. Cụ thể các bước nghiên cứu như sau: - Nghiên cứu về khung truyền, mã hóa, bảo toàn dữ liệu trên đường truyền RS485 - Nghiên cứu, khảo sát một số màn hình giám sát hiện có trên thị trường. - Nghiên cứu đưa ra các yêu cầu chức năng và vận hành của thiết bị từ đó xây dựng thiết kế phần cứng cũng như phần mềm. - Chế tạo thử nghiệm và hiệu chỉnh sản phẩm. Sau quá trình nghiên cứu, chế tạo, sản phẩm đã hoàn thiện và mang lại những lợi ích, hiệu quả: + Thiết bị khi được bổ sung vào hệ thống các thiết bị thực hành đang có của khoa Công nghệ Tự động hóa sẽ tăng tính trực quan cho các môn học có liên quan, từ đó giúp sinh viên dễ dàng hơn trong việc tiếp cận môn học cũng như tăng khả năng nhận thức nắm bắt bài giảng. + Màn hình giám sát đường truyền RS485 giúp cho người vận hành, người lập trình dễ dàng nắm bắt lỗi trong quá trình thao tác, thử nghiệm từ đó giảm thiểu thời gian hiệu chỉnh hệ thống và làm tăng năng suất lao động. Nội dung chi tiết của báo cáo được trình bày ở những chương sau.

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

PLC : Programmable logic controller

PC: Personal Computer

OSI: Open Systems Interconnection Reference Model

PWM: Pulse Width Modulation

LCD: Liquid-Crystal Display

ASCII: American Standard Code for Information Interchange

DANH MỤC HÌNH VẼ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT

ĐƠN VỊ: KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo màn hình giám sát cho đường truyền RS485

- Mã số:

- Chủ nhiệm đề tài: Vũ Thạch Dương

- Thời gian thực hiện: Từ tháng 01 năm 2020 đến 31 tháng 12 năm 2020

có chức năng giám sát khung truyền dữ liệu

Do đó, màn hình giám sát cho đường truyền RS485 là một thiết bị mới, cầnthiết cho quá trình dạy học cho các môn học liên quan Đồng thời đây cũng là mộtthiết bị có khả năng phát triển hoàn thiện để đưa vào thương mại trong tương lai

4 Kết quả nghiên cứu:

- Nắm được về khung truyền, mã hóa, bảo toàn dữ liệu trên đường truyền RS485.

- Đưa ra các yêu cầu chức năng và vận hành của thiết bị từ đó xây dựng thiết kế phầncứng cũng như phần mềm

- Chế tạo và thử nghiệm thành công sản phẩm

5 Sản phẩm:

Màn hình giám sát cho đường truyền RS485

6 Đề xuất chuyển giao

− Phương thức chuyển giao: Chuyển giao cho phòng thực hành khoa Công nghệ

Tự động hóa làm thiết bị giảng dạy cho các môn học có liên quan

− Địa chỉ ứng dụng: Phòng thực hành khoa Công nghệ Tự động hóa, trường đạihọc Công nghệ Thông tin và Truyền thông

− Tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu:

+ Thiết bị khi được bổ sung vào hệ thống các thiết bị thực hành đang có củakhoa Công nghệ Tự động hóa sẽ tăng tính trực quan cho các môn học có liên quan,

từ đó giúp sinh viên dễ dàng hơn trong việc tiếp cận môn học cũng như tăng khảnăng nhận thức nắm bắt bài giảng

+ Màn hình giám sát đường truyền RS485 giúp cho người vận hành, người lậptrình dễ dàng nắm bắt lỗi trong quá trình thao tác, thử nghiệm từ đó giảm thiểu thờigian hiệu chỉnh hệ thống và làm tăng năng suất lao động

− Đề xuất công bố kết quả nghiên cứu

Ngày tháng năm

Khoa chuyên môn

(ký, họ và tên, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài(ký, họ và tên)

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

Manufacture monitoring screen for RS485 transmission line

3 Creativeness and innovativeness:

During the practice, PLC operation requires monitoring devices to verify theaccuracy of communication as well as monitor the necessary specifications on theRS485 transmission line Although there are several types of surveillance monitors onthe market with different prices and functions, there is still no function to monitor datatransmission frames

Therefore, the monitor monitor for the RS485 transmission line is a newdevice, essential for the teaching process for related subjects At the same time, this isalso a fully developed device for commercial use in the future

- Effects and benefits of research results:

+ Equipment, when added to the system of existing practice devices of theFaculty of Automation Technology, will increase the visualization of the relevantsubjects, thereby making it easier for students to approach the subject study as well asincrease cognitive ability to grasp lectures

+ RS485 line monitoring screen helps operators, programmers easily grasperrors during the operation and testing, thereby reducing system calibration time andincreasing labor productivity

- Proposal to publish research results

MỞ ĐẦU

Hiện nay, PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp do đó các môn học

liên quan đến PLC đã được đưa vào giảng dạy với thời lượng ngày càng lớn Trongquá trình thực hành, vận hành PLC rất cần có những thiết bị giám sát để kiểm chứng

sự chính xác của việc truyền thông cũng như giám sát các thông số kĩ thuật cần thiếttrên đường truyền RS485 Mặc dù, trên thị trường có một số loại màn hình giám sátthuộc nhiều hãng với giá cả và chức năng khác nhau tuy nhiên vẫn chưa có chức nănggiám sát khung truyền dữ liệu Từ đó đặt ra yêu cầu cấp thiết cần chế tạo ra một thiết

- Nghiên cứu, khảo sát một số màn hình giám sát hiện có trên thị trường

- Nghiên cứu đưa ra các yêu cầu chức năng và vận hành của thiết bị từ đó xâydựng thiết kế phần cứng cũng như phần mềm

- Chế tạo thử nghiệm và hiệu chỉnh sản phẩm

Sau quá trình nghiên cứu, chế tạo, sản phẩm đã hoàn thiện và mang lại nhữnglợi ích, hiệu quả:

+ Thiết bị khi được bổ sung vào hệ thống các thiết bị thực hành đang có của khoa Công nghệ Tự động hóa sẽ tăng tính trực quan cho các môn học có liên quan,

từ đó giúp sinh viên dễ dàng hơn trong việc tiếp cận môn học cũng như tăng khả năng nhận thức nắm bắt bài giảng

+ Màn hình giám sát đường truyền RS485 giúp cho người vận hành, người lập trình dễ dàng nắm bắt lỗi trong quá trình thao tác, thử nghiệm từ đó giảm thiểu thờigian hiệu chỉnh hệ thống và làm tăng năng suất lao động

Nội dung chi tiết của báo cáo được trình bày ở những chương sau

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ GIÁM SÁT

TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN RS485 1.1 Giao thức truyền thông

1.1.1 Một số khái niệm cơ bản

- Giao thức truyền thông: là những quy định trong việc truyền thông tin giữa các thiết bịtrong một hệ thống công nghiệp

- Trong công nghiệp, thì các bộ phận trong hệ thống được cấu trúc theo sơ đồ phân cấp:

Hình 1.1 Sơ đồ phân cấp giao thức truyền thông trong công nghiệp

- Điều này có nghĩa là các thiết bị trong một hệ thống công nghiệp có mối liên quan vớinhau Các thiết bị cơ cấu chấp hành: Như motor, cảm biến… nằm ở cấp thấp nhất(được gọi là cấp trường), nó chịu sự điều khiển của các thiết bị ở cấp trên nó–cấp điềukhiển Các thiết bị ở cấp điều khiển như: PLC, PC… thì chịu sự điều khiển và giámsát ở cấp cao hơn… Và cứ thế, một hệ thống trong công nghiệp thông thường có 5cấp

- Điều cần quan tâm ở đây, là việc liên lạc và truyền tín hiệu giữa các thiết bị trong cáccấp được thực hiện nhờ các đường dây bus tín hiệu (bao gồm 4 loại bus: bus trường,bus hệ thống, mạng xí nghiệp và mạng công ty) Để tín hiệu truyền được trên các busthì cần có những tiêu chuẩn để truyền Tiêu chuẩn này phải đảm bảo cả thiết bị ở cấptrên và cấp dưới đều hỗ trợ Tiêu chuẩn này được gọi là giao thức truyền thông

- Ứng với mỗi đường dây bus cho việc kết nối giữa 2 cấp thì có một giao thức truyềnthông riêng Đối với bus trường: Thông thường người ta sử dụng các giao thức:Profibus, Modbus…

- Tuy các giao thức truyền thông giữa các cấp là khác nhau, thế nhưng chúng đều cóchung một đặc điểm là tuân theo một mô hình giao thức nhất định Đó là mô hìnhmạng OSI

Hình 1.2 Mô hình mạng OSI quy định trình tự để truyền một đoạn tin giữa 2 thiết bị

- Đoạn tin được truyền sẽ đi qua 7 lớp từ máy gửi đưa đến bus truyền thông, sau đóđoạn tin này sẽ được nhận từ máy tương ứng Các lớp trong mô hình giúp xác địnhnhững đặc tính cần thiết cho đoạn tin truyền Ví dụ như: Lớp Presentation quy định cúpháp của đoạn tin truyền, lớp Session quy định thời gian truyền tin…

- Ở Việt Nam hiện nay, thông thường ở để liên lạc giữa cấp trường và cấp điều khiển,các nhà máy thường sử dụng giao thức mạng truyền thông Profibus Ngoài giao thứcProfibus thì giao thức mạng Modbus cũng là một sự lựa chọn khá tốt cho việc truyền

thông ở bus trường Trong bài viết này sẽ tập trung vào giao thức mạng truyền thôngModbus.

- Các chuẩn truyền trong công nghiệp:

Có 2 tiêu chuẩn phổ biến trong việc truyền dữ liệu nối tiếp: đó là chuẩn RS-232

và chuẩn RS-485

1.1.2 Chuẩn RS-232

- Việc truyền dữ liệu được thực hiện nhờ 3 dây TxD, RxD và mass Tín hiệu đượctruyền đi bằng cách: Tín hiệu được so sánh với mass để phát hiện sự sai lệch Điềunày khiến cho dữ liệu khó có thể khôi phục lại ở trạm phát Một điều nữa là chuẩntruyền RS-232 chỉ được sử dụng để truyền tín hiệu giữa 2 trạm được kết nối trực tiếp,việc mở rộng số lượng trạm sử dụng chuẩn truyền RS-232 là không khả thi

- Hình bên dưới trình bày sơ đồ kết nối dây giữa 1 trạm PLC và 1 trạm PC theo chuẩntruyền RS-232 Việc truyền tín hiệu giữa 2 thiết bị có cổng COM dùng chuẩn truyềnRS-232 cũng có cách đấu nối tương tự

Hình 1.3 Sơ đồ kết nối giữa PLC và PC theo chuẩn truyền RS-232

- Nhược điểm của chuẩn truyền RS-232 là tín hiệu không thể truyền đi xa, do việc mấtmát tín hiệu không thể phục hồi được, và việc kết nối theo chuẩn RS-232 chỉ đượcthực hiện giao tiếp giữa 2 thiết bị (point-to-point) nên hạn chế số lượng thiết bị cótrong mạng

- Một số đặc điểm của chuẩn truyền RS-232 là: Khoảng cách truyền tối đa là 15m, tốc

độ truyền là 20Kbps, hỗ trợ kết nối điểm-điểm trên một mạng

1.1.3 Chuẩn RS-485

- Việc truyền dữ liệu được thực hiện trên 2 dây A,B Chuẩn này truyền tín hiệu theophương pháp lấy vi sai cân bằng Có nghĩa là tín hiệu truyền đi nhờ cả 2 dây Và dữliệu nhận được được căn cứ theo sự sai lệch giữa 2 tín hiệu này

Hình 1.4 Cách truyền dữ liệu theo chuẩn truyền RS-485

Giả sử khi A = 0, B = 1 thì dữ liệu được nhận biết đó là data = 1, và khi A =

1, B = 0 thì dữ liệu được nhận biết là data = 0 Nhờ việc so sánh như trên, nên khi cónhiễu xảy ra, thì cả 2 tín hiệu A, B điều bị suy giảm như nhau, thế nên độ chênh lệchđiện áp giữa chúng là không đổi, vì vậy ở thiết bị nhận vẫn có thể nhận được tín hiệumột cách chính xác

+ Khi sự chênh lệch điện áp giữa A và B nằm trong khoảng -6V đến -1.6V thì

dữ liệu được nhận tương ứng với mức 1

+ Khi sự chênh lệch điện áp giữa A và B nằm trong khoảng +1,5 đến +6V thì

dữ liệu được nhận tương ứng với mức 0

- Ưu điểm của chuẩn truyền RS-485 là giảm đi sự sai lệch dữ liệu ở thiết bị nhận, vàviệc truyền thông tin đi được xa hơn Ngoài ra, ta còn có thể kết nối được nhiều thiết

bị trên cùng một mạng, (chuẩn truyền RS-485 sử dụng cách kết nối multidrop: kết nối

đa điểm) khi sử dụng chuẩn truyền RS-485

- Một số đặc tính của chuẩn truyền RS-485: Khoảng cách truyền lên đến 1200m, tốc độtruyền có thể lên đến 10Mbps, số lượng thiết bị tối đa có thể kết nối là 32 thiết bị phát

và 32 thiết bị thu

1.2 Mạng truyền thông MODBUS

1.2.1 Khái niệm tổng quát về mạng truyền thông Modbus

- Modbus là một giao thức mạng truyền dữ liệu theo kiểu nối tiếp Nó hỗ trợ cả 2 chuẩntruyền RS-232 và RS-485 Việc truyền dữ liệu được thực hiện theo cơ chế 1 Master/nhiều Slave.

- Sơ đồ bên dưới trình bày sự tham chiếu giao thức Modbus lên mô hình chuẩn OSI.Theo đó thì giao thức Modbus nằm ở lớp thứ 1, thứ 2 và thứ 7 của mô hình OSI Lớpthứ 7 này (lớp ứng dụng) giúp hỗ trợ phương thức truyền thông server/client giữa cácthiết bị kết nối trên bus hoặc trên mạng không dây Lớp thứ 2 và lớp thứ 1 quy địnhhình thức truyền dữ liệu theo kiểu nối tiếp và chuẩn truyền vật lý là EIA/TIA–485(hoặc EIA/TIA–232)

Hình 1.5 Giao thức Modbus và mô hình OSI

Giao thức Modbus được sử dụng rộng rãi nhờ tính đơn giản, linh hoạt và đángtin cậy của nó Giao thức Modbus có thể truyền dữ liệu rời rạc hoặc tương tự Thếnhưng giao thức Modbus bị giới hạn bởi cách thức giao tiếp theo chuẩn RS-485 Tốc

độ truyền của chuẩn này trong khoảng 0.010Mbps đến 0.115Mbps Trong khi ngàynay, các mạng hỗ trợ tốc độ truyền trong khoảng từ 5Mbps đến 16Mbps, thậm chí đốivới các mạng Ethernet nó còn cung cấp tốc độ truyền lên đến 100Mbps, 1Gbps và10Gbps

• Modbus ASCII: Dữ liệu được truyền trên bus nối tiếp Dữ liệu truyền được định dạngdưới dạng mã ASCII Modbus ASCII có ưu điểm là có thể dễ dàng để người dùng hiểuđược dữ liệu đang truyền Thông thường thì giao thức Modbus ASCII được sử dụngtrong việc kiểm tra và giới thiệu cho giao thức mạng Modbus.

• Modbus TCP/IP: Dữ liệu có thể được truyền trên mạng LAN hoặc mạng ở trên mộtkhu vực rộng Dữ liệu được định dạng theo mã hexadecimal

1.2.3 Ứng dụng của giao thức Modbus

- Modbus là một giao thức truyền thông mở, nó là phương pháp truyền thông phổ biếnnhật được sử dụng để kết nối các thiết bị điện tử công nghiệp

- Modbus thường được dùng để truyền các tín hiệu từ các thiết bị đo, thiết bị điều khiểntrở về bộ điều khiển chính hay hệ thống thu thập dữ liệu

- Mosbus thường dùng để kết nối máy tính giám sát với một thiết bị điều khiển (RTU:Remote terminal unit) trong hệ thống Scada (hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu)

Modbus làm việc như thế nào:

- Modbus truyền tin thông qua dây nối tiếp giữa các thiết bị Cách cài đặt đơn giản nhất

là dùng 1 cáp nối tiếp kết nối giữa 2 port nối tiếp của 2 thiết bị master–slave

- Dữ liệu được truyền đi dưới dạng bit Mỗi bit được thể hiện dưới dạng điện áp Mức 0ứng với điện áp dương và bit 1 ứng với điện áp âm Các bit này được gửi với tốc độrất nhanh Tốc độ truyền thông thường là 9600 baud

1.3 Mạng truyền thông Modbus RTU

Giao thức Modbus RTU là một giao thức mở, sử dụng đường truyền vật lý

RS-232 hoặc RS-485 và mô hình dạng Master-Slave Đây là một giao thức được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như BMS (Building Management Systems), tự động hóa,công nghiệp, điện lực,

Modbus được coi là giao thức truyền thông hoạt động ở tầng "Application", cung cấp khả năng truyền thông Master/Slave giữa các thiết bị được kết nối thông qua các bus hoặc network Trên mô hình OSI, Modbus được đặt ở lớp 7 Modbus được xácđịnh là một giao thức hoạt động theo "hỏi/đáp" và sử dụng các "function codes" tươngứng để hỏi đáp

- Cấu trúc bản tin Modbus RTU:

Một bản tin Modbus RTU bao gồm: 1 byte địa chỉ - 1 byte mã hàm - n byte dữliệu - 2 byte CRC như hình ở dưới:

Hình 1.6 Cấu trúc bản tin Modbus RTU

- Chức năng và vai trò cụ thể như sau:

• Byte địa chỉ: Xác định thiết bị mang địa chỉ được nhận dữ liệu (đối với Slave) hoặc dữliệu nhận được từ địa chỉ nào (đối với Master) Địa chỉ này được quy định từ 0–254

• Byte mã hàm: Được quy định từ Master, xác định yêu cầu dữ liệu từ thiết bị Slave Ví

dụ mã 01: Đọc dữ liệu lưu trữ dạng Bit, 03: Đọc dữ liệu tức thời dạng Byte, 05: Ghi

dữ liệu 1 bit vào Slave, 15: Ghi dữ liệu nhiều bit vào Slave

• Byte dữ liệu: xác định dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave

o Đọc dữ liệu:

 Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu

 Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu - n byte dữ liệu đọc được

o Ghi dữ liệu:

 Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu - n byte dữ liệu cần ghi

 Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu - 2 byte độ dài dữ liệu

• Byte CRC: 2 byte kiểm tra lỗi của hàm truyền cách tính giá trị của Byte CRC 16 Bit

1.4 Khảo sát một số thiết bị giám sát trên đường truyền RS485

Trên thực tế, có một số thiết bị giám sát đường truyền RS485 Tuy nhiên,những thiết bị này thường là những thiết bị chuyên dụng, với những tính năng cụ thểhoặc là những thiết bị thu thập tín hiệu rồi gửi lên thiết bị nhận khác (hoạt động nhưmột Getway) Dưới đây ta đi tìm hiểu một vài thiết bị như vậy

1.4.1 Thiết bị FC1301 của công ty Cadpro

Thiết bị FC1301 chuyển đổi quang điện CadProFC130x được sử dụng đểchuyển đổi nhiều kênh dữ liệu số theo chuẩn RS RS232/RS485/485, các đầu đo tương

tự hoặc số thành một thiết bị IP với cổng ra cáp quang10/100FX Thiết bị FC1302 cóthể trộn lẫn đồng thời các luồng dữ liệu trên với một đường dữ liệu Ethernet 10/100

TX lên chung đường dữ liệu cáp quang 10/100FX Đặc biệt thiết bị được ứng dụngvới các đường truyền mạng ngoài trời, tầm xa, đòi hỏi chống nhiễu điệu từ, chống sétcho thiết bị đo đạc dữ liệu hiện trường vào trung tâm điều khiển chuẩn IP

Tính năng thiết bị

+ 3 trong 1: truyền tín hiệu RS232/422/485, đo tín hiệu GIPO, đo mức tương tựthành một thiết bị IP, trộn dữ liệu 1 cổng TX10/100 (FC1302) thành một đường truyền10/100FX

+ Hỗ trợ khoảng cách 2km với cáp đa mốt (multi mode), 30 km với cáp đơnmốt (single mode)

+ Hỗ trợ truyền tin cáp đơn Single fiber transmission – WDM

+ Nguồn vào dải rộng từ 18 VDC – 32 VDC, có chức năng bảo vệ chống đấungược

+ Bảo vệ cách điện AC 1,5KV Hi-Pot giữa Nguồn-Vỏ

+ Hoạt động trong môi trường công nghiệp, có khả năng chống nhiễu điện từ,chịu nhiệt độ cao, rung sóc, khói bụi

+ Nhiệt độ hoạt động tối đa 70 độ C

+ Hoạt động trong môi trường có độ ẩm tới 95%

+ Lắp đặt trên thanh DIM 35mm tiêu chuẩn

1.4.2 Thiết bị ATC-871 của ATC- China

ATC-871 là một sản phẩm công nghiệp của hãng ATC-China hiện đang đượcBKAII phân phối rộng rãi tại thị trường Việt Nam Thiết bị cho phép truyền dữ liệukhông dây thông qua các chuẩn truyền thông RS232 hoặc RS485 (option) với khoảngcách lên tới 500m Với chuẩn RS232 thì mã sản phẩm sẽ là ATC-871S1, và với chuẩnRS485 thì mã sản phẩm sẽ là ATC-871S2

ATC-871 có khả năng truyền bán song công phù hợp hầu hết các kiểu truyềnthông điểm - đa điểm Trạm đầu tiên quyết định điều khiển việc truyền thông và thôngqua khung dữ liệu với mã địa chỉ dữ liệu hoặc việc truyền câu lệnh Trạm thứ hai sẽnhận đầy đủ dữ liệu này và đáp lại bằng cách so sánh mã địa chỉ; tất cả công việc sẽđược thoả mãn bởi các lớp nghi thức nhằm đảm bảo chỉ một module không dây trongmạng truyền thông là trong trạng thái phát trong một thời điểm nhằm tránh xung độtgiữa các module

ATC-871 cũng có thể được áp dụng truyền thông kiểu điểm - điểm dễ dàng hơnnhằm hoàn thiện hệ thống có dây (RS232/485/TTL) của bạn

Thông số kỹ thuật:

+ Khoảng cách truyền tin cậy lên đến 500m;

+ Cung cấp dữ liệu trong suốt với byte định hướng có thể thích ứng với nhữngnghi thức sử dụng khác nhau;

+ Có thể cung cấp nhiều phương pháp truyền thông đa dạng như điểm - điểm,điểm - đa điểm, đa điểm - điểm;

+ Tự động lọc các dữ liệu giả được tạo ra trong không khí, có thể truyền dữ liệu

xa hơn;

+ Cơ chế điều biến dựa trên FSK, kỹ thuật mã hóa kênh chỉnh sửa lỗi hiệu quảcao, chống nhiễu dữ liệu;

+ Phạm vi tần số: 429.00~433.30MHz ISM;

+ Công suất truyền thấp: tối đa 100mW;

+ Được trang bị đế gắn antenna SMA 50 ohm, cung cấp nhiều lựa chọn antenna

+ Dòng điện phát: (A) ≤30mA (B) ≤130mA

+ Dòng điện thu: ≤10mA (1200bps);

Ứng dụng tiêu biểu:

+ Điều khiển từ xa trong công nghiệp, ghi nhận thông điệp không dây;

+ Hệ thống thu thập dữ liệu tự động, hệ thống giám giát thủy học & khí tượnghọc, điều khiển từ xa không dây;

+ Hệ thống kiểm tra, điểm danh; hệ thống bán hàng (POS), hệ thống giám sáttiện nghi phòng máy;

+ Các ứng dụng truyền dữ liệu RS232/485/TTL không dây khác

1.5 Yêu cầu thiết kế của thiết bị

Từ những khảo sát ở trên, ta thấy để đáp ứng nhu cầu bài toán cần thiết kế bộ giám sát gồm hai phần, đó là khối cảm biến và khối hiển thị

KHỐI TRUYẾN THÔNG KHỐI

XỬ LÝ TRUNG TÂM CẢM BIẾN

KHỐI NGUỒN

Khối cảm biến có chức năng đo lường một đại lượng vật lý nào đó và gửi lên

đường truyền RS485 Khối này có tác dụng tạo tín hiệu có thể thay đổi trên đường

truyền, từ đó ta có thể kiểm soát tính đúng đắn của thiết bị chính

Khối chức năng chính là khối hiển thị, khối này kết nối với khối cảm biến thông

qua đường truyền RS485 Khối chính này hiển thị mọi thông tin nhận được từ khối

cảm biến và hiển thị lên màn hình

Hình 1.7 Sơ đồ khối cảm biến

KHỐI HIỂN THỊ

KHỐI

XỬ LÝ TRUNG TÂM KHỐI TRUYẾN THÔNG

KHỐI NGUỒN

Hình 1.8 Sơ đồ khối hiển thị

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN THIẾT BỊ

2.1 Vi điều khiển AVR Atmega328

Giới thiệu

Atmega328 là một chíp vi điều khiển được sản xuất bởi hãng Atmel thuộc

họ MegaAVR có sức mạnh hơn hẳn Atmega8 Atmega328 là một bộ vi điều

khiển 8bit dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể

ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế

giới vi xử lý 8bit (2KB SRAM) Trong đề tài này tác giả đã thiết kế Atmega328

hoạt động như một Arduino Uno

Hình 2.1: Atmega328

Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra I/O, 32 thanh ghi,

3 bộ timer/counter có thể lập trình, có các ngắt nội và ngoại (2 lệnh trên mộtvector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp UART, SPI, I²C Ngoài ra có thể sửdụng bộ biến đổi số tương tự 10 bit (ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả nănglập trình được watchdog timer (bộ đếm xung nhịp), hoạt động với 5 chế độnguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợbootloader

Trong đề tài này Atmega328 sẽ được sử dụng làm bộ xử lý trung tâm cókhả năng vận hành như một Arduino

Sơ đồ chân

Sơ đồ chân của vi điều khiển Atmega328

Hình 2.2: Sơ đồ chân của vi điều khiển Atmega328

•Digital: Các chân I/O digital (chân số 2–13 ) được sử dụng làm chân nhập, xuấttín hiệu số thông qua các hàm chính: pinMode(), digitalWrite(), digitalRead().Điện áp hoạt động là 5V, dòng điện qua các chân này ở chế độ bình thường là20mA, cấp dòng quá 40mA sẽ phá hỏng vi điều khiển

•Analog: Có 6 chân Input analog (A0 – A5), độ phân giải mỗi chân là 10 bit (0 –

1023 ) Các chân này dùng để đọc tín hiệu điện áp 0 – 5V (mặc định) tương ứngvới 1024 giá trị, sử dụng hàm analogRead()

•PWM: các chân được đánh số 3, 5, 6, 9, 10, 11; có chức năng cấp xung PWM (8bit) thông qua hàm analogWrite()

•UART: Atmega328 cho phép truyền dữ liệu thông qua hai chân 0 (RX) và chân 1(TX)

Thông số chính của Atmega328

•Kiến trúc: AVR 8bit

•Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz

•Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB

•Bộ nhớ EEPROM: 1KB

•Bộ nhớ RAM: 2KB

•Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V

•Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit

•Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh)

5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

3V3: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.V-in (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino Nano, ta nối cực dươngcủa nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đươngvới việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Hình 2.4: Sơ đồ chân Arduino Nano

Thông số kỹ thuật:

+ IC MAX 485 được tích hợp sẵn trên board

+ Truyền nhận với năng lượng thấp theo chuẩn RS-485

+ Các chân của IC đã được đưa ra thích hợp cho việc sử dụng với vi điềukhiển hay Arduino

+ Điện áp hoạt động: 5V

+ Kích thước: 44 x 14mm

Sơ đồ chân module giao tiếp TTL RS485:

Hình 2.6: Sơ đồ nối chân Module RS485

2.4 Màn hình Graphics LCD128x64

Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng trongrất nhiều các ứng dụng của vi điều khiển LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạnghiển thị khác: Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồhọa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốnrất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ…

Hình 2.7 LCD 128x64

Màn hình hiển thị LCD 12864 5V xanh lá: là loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ

dùng để hiển thị chữ, số hoặc hình ảnh Khác với Text LCD (Như LCD 2004, LCD1602…) Màn hình hiển thị LCD 128×64 5V không được chia thành các ô để hiển thịcác mã ASCII vì GLCD không có bộ nhớ CGRAM (Character Generation RAM).Màn hình hiển thị LCD 128×64 5V có 128 cột và 64 hàng tương ứng có 128×64=8192chấm (dot) Mỗi chấm tương ứng với 1 bit dữ liệu, và như thế cần 8192 bits hay 1024bytes RAM để chứa dữ liệu hiển thị đầy mỗi màn hình hiển thị LCD 128×64 Tùytheo loại chip điều khiển, nguyên lý hoạt động của LCD có thể khác nhau Màn hìnhhiển thị LCD 128×64 5V xanh dương dùng chíp KS0108

Chip KS0108 chỉ có 512 bytes RAM (4096 bits = 64×64) vì vậy chỉ điều khiểnhiển thị được 64 dòng x 64 cột Để điều khiển màn hình hiển thị LCD 128×64 5Vxanh dương cần 2 chip KS0108, và thực thế trong các loại LCD có 2 chip KS0108,màn hình hiển thị LCD 128×64 sẽ tương tự 2 LCD 64×64 ghép lại

Màn hình hiển thị LCD 128×64 5V xanh lá dùng KS0108 thường có 20 chântrong đó chỉ có 18 chân là thực sự điều khiển trực tiếp LCD, 2 chân (thường là 2 châncuối 19 và 20) là 2 chân Anốt và Katốt của LED nền Trong 18 chân còn lại, có 4 châncung cấp nguồn và 14 chân điều khiển và dữ liệu

LƯU Ý: Màn hình hiển thị LCD 128×64 5V xanh dương có thiết kế 2 vị trí hàn 2 điện

trở có giá trị 0 ohm R9, R10 để chúng ta có thể tùy chọn chế độ giao tiếp song song(Hàn R9), hoặc giao tiếp nối tiếp (Hàn R10) Mặc định, nhà sản xuất đã hàn điện trở

có giá trị 0 ohm vào vị trí R10 Do đó, mặc định GLCD 12864B ở chế độ giao tiếp nốitiếp

Sơ đồ chân:

Hình 2.8 Chức năng các chân của LCD128x64.

2.5.Cảm biến DHT11

Đặc điểm:

DHT11 Là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ vàrất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1-wire ( giao tiếp digital 1-wire truyền dữ liệuduy nhất) Cảm biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận về đượcchính xác mà không cần phải qua bất kỳ tính toán nào.

Thông số kỹ thuật:

+ Điện áp hoạt động: 5V

+ Khoảng đo độ ẩm: 0% – 100% RH sai số 2% RH

+ Khoảng đo nhiệt độ: -40 ~ 80 độ C sai số 0.5% độ C

+ Tần số lấy mẫu tối đa 0.5Hz (2 giây / lần)

+ Kích thước: 28mm x 12mm x 10mm

Sơ đồ chân

+ Chân VCC nối với nguồn diện áp từ 3.6 VCD đến 5VDC

+ Chân Data: chân tín hiệu nối vào vi điều khiển và phải thêm 1 điện trở 4,7k lênchân VCC

+ Chân NC không sử dụng

+ chân GND nối với GND của hệ thống.

Hình 2.9 Cảm biến độ ẩm DHT11

KHỐI TRUYẾN THÔNG

RS485

KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM ATMEGA328

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM

DHT11

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÀN HÌNH GIÁM SÁT ĐƯỜNG TRUYỀN RS485

3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Sau khi lựa chọn linh kiện ta có sơ đồ khối sau:

Hình 3.1 Sơ đồ khối cảm biến sau khi chọn linh kiện

KHỐI TRUYẾN THÔNG RS485

KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM ARDUINO NANO

NÚT NHẤN

Hình 3.2 Sơ đồ khối hiển thị sau khi chọn linh kiện

3.2 Nguyên lý hoạt động

Khi được cấp nguồn, vi điều khiển bắt đầu giao tiếp với cảm biến DHT11 và

nhận kết quả trả về Vi điều khiển ATMEGA328 xử lý kết quả này và truyền lên

đường truyền RS485 bằng module RS485 Như đã trình bày ở trên, khối cảm biến ở

đây chỉ có tác dụng tạo tín hiệu truyền lên BUS485 Giả sử không có cảm biến ta cũng

có thể dùng vi điều khiển thông thường để gửi dữ liệu bất kỳ nào đó để thử nghiệm