Chuyên đề này tập trung xây dựng một thiết bị thu thậpcác dữ liệu về độ rung động theo 3 chiều X, Y, Z và dư liệu về nhiệt độ nước làm mát, áp suất dầu động cơ, trong các trường hợp động
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
*****
Chuyên đề: Cảm biến quang trong công nghiệp: phát hiện đếm số lượng sản phẩm
trong dây chuyền!
Hà Nội, 3/2021
Trang 2MỤC LỤC
1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1
2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO VÀ CẢNH BÁO SỰ CỐ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1
2.1 Mục tiêu thiết kế 1
2.2 Lựa chọn thiết bị 3
2.1.1 Cảm biến đo độ rung MPU6050 3
2.1.2 Tính chọn khối hiển thị LCD 6
2.1.3 Tính chọn khối lưu trữ dữ liệu SD 7
2.1.4 Tính chọn khối truyền thông GPRS 8
2.1.5 Khối cảm biến 10
2.1.6 Khối xử lý trung tâm 11
2.3 Kết quả 13
3 KẾT LUẬN 17
PHỤ LỤC 18
Code trên vi xử lý 18
Trang 31 ĐẶT VẤN ĐỀ
Phân tích tín hiệu rung là một phương pháp mới để phát hiện/chẩn đoán sớm các
sự cố của động cơ đốt trong Chuyên đề này tập trung xây dựng một thiết bị thu thậpcác dữ liệu về độ rung động theo 3 chiều X, Y, Z và dư liệu về nhiệt độ nước làm mát,
áp suất dầu động cơ, trong các trường hợp động cơ cháy bình thường, quá tải và một
số trường hợp sự cố khác (như lỗi vòng bi, ổ trục, lỗi khâu làm mát, mức dầu thấp….)
Dữ liệu sẽ được sử dụng để phân tích, xây dựng các mô hình nhận dạng sử dụng công
cụ trí tuệ nhận tạo (AI)
Hình 1: Hình ảnh của một mô hình thu thập dữ liệu
2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO VÀ CẢNH BÁO SỰ CỐ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
2.1 Mục tiêu thiết kế
Mục tiêu thiết kế chính của thiết bị này là thu thập các thông số của động cơ đốt trong, cụ thể như sau:
Đo độ rung theo ba trục x, y, z;
Đo nhiệt độ nước làm động cơ;
Áp suất của dầu nhớn
Tính năng chính của thiết bị:
Thiết bị nhỏ gọn có thể đo di động và gắn được trên động cơ;
Lưu dữ liệu này vào thẻ nhở SD, thời gian lưu liên tục trong 30 ngày;
Hiển thị dữ liệu online trên màn hình LCD;
Thiết bị có thể chạy nguồn điện lưới hay chạy pin;
Trang 4 Truyền dữ liệu lên mạng Internet;
Từ những mục đích yêu cầu trên đề xuất sơ đồ khối của thiết bị như sau:
UART
Cảm biến đo nhiệt độ Analog
Cảm biến áp suất dầu Analog
Hình 2: Sơ đồ khối của thiết bị
Sơ đồ các khối chức năng cơ bản của thiết bị được trình bày ở trên bao gồm cáckhối chính sau:
Khối cảm biến:
o Đo độ rung: Sử dụng module cảm biến gia tốc MPU 6050;
o Đo nhiệt độ: PT100 Omron/Nhật
o Đo áp suất: Keller/Thụ Sỹ
Khối truyền thông: Dữ liệu thu thập từ thiết bị tại hiện trường sẽ được gửi
vào mạng Internet Người dùng có thể truy xuất để giám sát dữ liệu nàythông qua giao diện web hoặc từ một ứng dụng trên máy tính;
Vi xử lý trung tâm: Đủ nhanh để thực hiện được các nhiệm vụ tính toán
cũng như đủ giao tiếp với các ngoại vi được lựa chọn sử dụng trong thiết bị,chuyên đề sử dụng IC AVR;
Màn hình LCD: Màn hình là phương tiện hiển thị cơ bản của các thiết bị,
hiển thị thông số hoạt động của thiết bị lựa chọn sử dụng màn hình HMI3.5 inch là loại cảm ứng điện trở,
Trang 5 Thẻ nhớ: Thiết bị sẽ sử dụng các thẻ nhớ dung lượng cao để lưu giữ được
dữ liệu từ cảm biến đo độ rung, thông số mà đặc biệt Chuyên đề sử dụngthẻ nhớ SD có dung lượng lớn 8G thỏa mãn được yêu cầu lưu trữ kết quả
đo trong thời gian dài (có thể lưu liên tục trong 30 ngày);
2.2 Lựa chọn thiết bị
2.1.1 Cảm biến đo độ rung MPU6050
Hình 3: Sơ đồ khối của module MPU6050
Nguyên lý hoạt động của cảm biến gia tốc:
MEMS sensor là một hệ thống cảm biến vi cơ điện tử trong đó MEMS là viếttắt “Micro ElectroMechanical Systems” MEMS sensor ứng dụng trong các hệ cảmbiến gia tốc, con quay hồi chuyển, la bàn số, cảm biến áp suất, độ ẩm, micro phone,…Trong cảm biến gia tốc giá trị đo về gồm giá trị gia tốc và một giá trị bị ảnh hưởng bởilực hấp dẫn của trái đất người ta gọi là gia tốc tĩnh Lợi dụng đặc điểm này mà ngoàiviệc đo gia tốc người ta thường dùng cảm biến gia tốc để đo góc nghiêng, được ứngdụng nhiều nhất trong các smartphone Để dễ hình dung bạn xem hình bên dưới
Trang 6Vật có khối lượng màu đỏ có nối với một thước đo khi bạn làm vật dao động dĩnhiên sẽ sinh ra gia tốc và được hiện giá trị trên thước đo nhưng khi bạn nghiêng vậtnặng một góc bất kỳ không sinh gia tốc nhưng do ảnh hưởng lực hút vật màu đỏ sẽdồn qua một bên và cũng hiện giá trị trên thước đo Đây cũng là một khuyết điểm lớn
mà cảm biến gia tốc mắc phải Môi trường không ổn định chẳng hạn như run sẽ làmảnh hưởng lớn đến giá trị đo, đó là một hình thức nhiễu
Đối với cảm biến con quay hồi chuyển hay còn gọi tắt là gyro sẽ đo vận tốc gócsinh ra Cảm biến này ít bị ảnh hưởng nhiễu do môi trường Gyro có thể dễ dàng đogóc nếu ta lấy giá trị đo được tích phân, nhưng nhược điểm là bị sai số tích lũy do lỗi
là tích phân số Cảm biến la bàn dễ dàng đo được góc nhưng giá trị đo góc chưa chínhxác vì ảnh hưởng ít nhiều bởi vị trí đo đạt và nhiễu từ trường Có thể kết cả 3 loại cảmbiến trên trong một hệ toán học để bù trừ ưu khuyết điểm lẫn nhau
Chuyên đề chọn cảm biến gia tốc MPU 6050:
MPU-6050 là cảm biến của hãng InvenSense MPU-6050 là một trong những giải
pháp cảm biến chuyển động đầu tiên trên thế giới có tới 6 (mở rộng tới 9) trục cảm
biến tích hợp trong một chip duy nhất MPU-6050 sử dụng công nghệ độc
quyền MotionFusion của InvenSense có thể chạy trên các thiết bị di động, tay điềukhiển…MPU-6050 tích hợp 6 trục cảm biến bao gồm:
Con quay hồi chuyển 3 trục (3-axis MEMS gyroscope);
Cảm biến gia tốc 3 chiều (3-axis MEMS accelerometer);
Ngoài ra, MPU-6050 còn có một đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử lý tín hiệu(Digital Motion Processor – DSP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tính toán cầnthiết Điều này giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính toán của vi điều khiển, cải thiệntốc độ xử lý và cho ra phản hồi nhanh hơn Đây chính là 1 điểm khác biệt đáng kể củaMPU-6050 so với các cảm biến gia tốc và gyro khác MPU-6050 có thể kết hợp với
Trang 7cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành bộ cảm biến 9 góc đầy đủ thông qua giao
tiếp I2C Các cảm biến bên trong MPU-6050 sử dụng bộ chuyển đổi tương tự – số(Anolog to Digital Converter – ADC) 16-bit cho ra kết quả chi tiết về góc quay, tọađộ…Với 16-bit bạn sẽ có 2^16 = 65536 giá trị cho một cảm biến.Tùy thuộc vào yêu cầu của bạn, cảm biến MPU-6050 có thể hoạt động ở chế độ tốc độ
xử lý cao hoặc chế độ đo góc quay chính xác (chậm hơn) MPU-6050 có khả năng đo
Hình 4: Hình dạng của module MPU6050
MPU6050 là chip tích hợp 2 cảm biến: vận tốc góc (gyroscope) và gia tốc góc (accelerometer):
MPU6050 cho biết vận tốc và gia tốc góc, từ đó xác định được hướng của vậttrong không gian 3 chiều
Dải điện áp hoạt động : 2,37V – 3,46V
Dải nhiệt hoạt đông: -40 đến +85°C
Hoạt động với 3 tần số xung clock:
Xung clock nội : CLK SEL = 0,1,2,3
Xung clock ngoài 32,768kHz : CLK_SEL = 4
Xung clock ngoài 19,2MHz : CLK_SEL = 5
Đầu ra là tín hiệu số về độ dịch góc của 3 trục X Y Z với đọ rộng thang
đo ±250,±500, ±1000, ±2000°/s
Trang 8 Tín hiệu đồng hồ ngoài kết nối vào chân FSYNC hỗ trợ đồng bộ ảnh, video,GPS.
Tích hợp bộ chuyển đổi ADC 16bit lấy mẫu tốc độ góc cùng lúc
Cho phép sử dụng chương trình ngắt
Giao thức I2C: ở chế độ cơ bản là 100kHz - ở chế độ nhanh là 400kHz
Bao gồm các dữ liệu nối tiếp tín hiệu (SDA) và đồng nối tiếp (SCL)
Khi kết nối với vi điều khiển MPU6050 đóng vai trò là slave Địa chỉ Slave làb110100X
2.1.2 Tính chọn khối hiển thị LCD
Thiết bị lựa chọn sử dụng màn hình HMI Nextion 3.5 Inch, hình ảnh của mànhình (hình 2.13) và sơ đồ kết nối với vi xử lý (hình 2.14)
Hình 5: Hình ảnh màn hình Nextion 3.5 Inch
Thông số kỹ thuật của màn hình:
- Màn hình HMI 3.5 inch là loại cảm ứng điện trở;
- Giao tiếp theo chuẩn UART;
- Nguồn cung cấp 5V
Trang 9PH0 12 PE6 8
PE3 5
PE0 2
PH3 15 PH1 13 PH4 16 PH2 14
PE7 9 PE5
7 PE46
PH5 17
PB4 23
PB1 20
PB6
25 PB524
PB2 21 PB3 22
AVCC
10099 AGND
GND 81GND 62
VCC 10VCC 31VCC 61VCC 80GND 11GND 32
U4
ATMEGA2560
22p
C14 22p C15
GND
R29 10k
RST
ECG ADC
TXD0 RXD0
VCC
GND
1 2 3 4
LCD GND
TX RX RXD1
TXD1
MOSI_1 MISO_1
KEY1 KEY2 KEY3 KEY4
Hình 6: Sơ đồ kết nối giữa màn hình Nextion 3.5 Inch với vi xử lý
2.1.3 Tính chọn khối lưu trữ dữ liệu SD
Thiết bị có khả năng lưu trữ dữ liệu đo được cũng như thời gian đo vào trong thẻnhớ SD Card Để lưu dữ liệu đo được vào thẻ nhớ, chuyên đề lựa chọn dạng thẻ nhớ SDdung lượng 8 GB Hình ảnh của thẻ nhớ SD và module micro SD (hình 7) và sơ đồ kếtnối với vi xử lý (hình 8)
Hình 7: Hình ảnh của thẻ nhớ SD và module micro SD
Trang 10PH0 12 PE6 8
PE3 5
PE0 2
PH3 15 PH1 13 PH4 16 PH2 14
PE7 9 PE5
7 PE46
PH5 17
PB4 23
PB1 20
PB6
25 PB524
PB2 21 PB3 22
AVCC
10099 AGND
GND 81GND 62
VCC 10VCC 31VCC 61VCC 80GND 11GND 32
U4
ATMEGA2560
22p
C14 22p C15
GND
R29 10k
RST
ECG ADC
TXD0 RXD0
RXD1 TXD1
MOSI_1 MISO_1
KEY1 KEY2 KEY3 KEY4
Nhằm thực hiện truyền bộ dữ liệu đo được từ người bệnh thông qua thiết bị điệntim cầm tay về máy chủ để bác sỹ có thể theo dõi và chẩn đoán được tình hình sứckhoẻ của bệnh nhân, nhóm tác giả sử dụng Module Sim800 để thực hiện quá trìnhtruyền nhận không dây thông qua mạng GSM
Hình 9: Hình ảnh của IC SIM800
Sim800 là có chức năng như là một chiếc điện thoại di động, được đóng góionchip với giao tiếp vật lý có 60 chân Dùng chuẩn TTL thuận thiện cho việc kết nối
Trang 11với các thiết bị khác như vi xử lý, máy tính, thông qua tập lệnh AT, được hãng cungcấp miễn phí cho người dùng để phát triển ứng dụng.
Module SIM800 ngoài có thể gọi điện nhắn tin như điện thoại, thì nó còn hỗ trợgiao thức TCP-IP, hỗ trợ này hiện ứng dụng là chủ yếu để truyền dữ liệu từ thiết bị cóSIM800 lên server, cho phép người dùng có thể đồng bộ dữ liệu giữa thiết bị với máytính thông qua mạng internet Module SIM800 có chế độ SLEEP để tiếp kiệm nănglượng Như vậy, ta có thể sử dụng modusle SIM800 để truyền dữ liệu đi ra, ngườinhận có thể xem dữ liệu của thiết bị từ điện thoại, hay máy tính có kết nối internet
Hình 10: Hình ảnh của module SIM800
Giới thiệu chung về module SIM800
- Module có hỗ trợ các chuẩn giao thức: GPRS, GSM, GPS, bluetooth…
- Dải nguồn cung cấp cho module: 6 ÷12V DC;
- Có chế độ SLEEP để tiết kiệm điện năng
- Kết nối với các thiết bị bên ngoài theo chuẩn chuyền thống nối tiếp UART thống qua tập lệnh AT
- Dải nhiệt độ hoạt động: -40 ÷85 oC
- Tốc độ truyền thống theo chuẩn UART: 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200,
38400, 57600, 115200, 115200 (tốc độ mặc định)
Chuyên đề lựa chọn sử dụng SIM800A, kết nối với vi xử lý theo chuyển UART,
có sơ đồ kết nối như hình 2.19 sau đây
Trang 12PH0 12 PE6 8
PE3 5
PE0 2
PH3 15 PH1 13
PH4 16 PH2 14 PE7 9 PE5
7 PE46
PH5 17
PB4 23
PB1 20
PB6
25 PB524 PB2 21 PB3 22
AVCC
100 AGND99
GND 81GND 62
VCC 10VCC 31VCC 61VCC 80GND 11GND 32ATMEGA2560
22p C14 22p C15
GND
R29 10k
RST
ECG ADC
TXD0 RXD0
RXD1 TXD1
MOSI_1 MISO_1
Hình 11: Sơ đồ nguyên lý ghép nối giữa vi xử lý với module SIM800
- Xuất xứ: Keller / Thụy Sỹ
Hình 12: Thống số và hình ảnh của cảm biến đo áp suất
b) Cảm biến đo nhiệt độ PT100
Trang 13- Thang đo: -20…150 oC
- Kết nối ren 13mm
- Dài 8mm
Hình 13: Thống số và hình ảnh của cảm biến đo nhiệt độ PT100
2.1.6 Khối xử lý trung tâm
IC vi xử lý dùng cho thiết bị đo, trong chuyên đề lựa chọn sử dụng vi điềukhiển ATmega2560 của hãng Atmel ATmega2560 thuộc dòng vi điều khiển rất quenthuộc, có khả năng tính toán và xử lý tốt Sau đây là một số thông số kỹ thuật của vi xửlý
- Hoạt động ở điện áp: 5VDC
- Số lượng chân vào/ra số: 54 trong đó có 15 chân cho PWM
- Số lượng chân đầu vào tương tự: 16
- Điện điện tại cho ngõ vào: 40 mA
- Dung lượng bộ nhớ SRAM: 8KB
- -Clock:16MHz
Trang 14PH0 12 PE6 8 PE3 5 PE0 2
PH3 15 PH1 13 PH4 16 PH2 14 PE7 9 PE5
7 PE46
PH5 17
PG3 28
PB7 26 PB4 23 PB1 20
PB6
25 PB524 PB2 21 PB3 22
AVCC
10099 AGND
GND 81GND 62
VCC 10VCC 31VCC 61VCC 80GND 11GND 32
U4
ATMEGA2560
22p C14 22p C15
GND
R29 10k
RST
ECG ADC TXD0
L1
D4
SD103
C18 10uF
GND
3K R33
GND
1K R32
THE NHO SD
GND
VCC
MOSI CS SCK 5V GND
VCC
GND
1 3
LCD
GND TX
MOSI_1 SCK_1
EN2 5VSS
8
TS 1
BAT 2 BAT 3
CE 4EN1 6
LCD
SD
BT Battery3.3V
GND GND
SCL_I2C VCC
SDA_I2C CX1
VCC
32K
GND
4K7 R2 4K7 R3
X1 1 X2 2 VBAT 3
GND 4 SDA
5 SCL6
SQW/OUT 7VCC 8
U1
DS1307 RETIME
VCC GND
SDA SCL
1 3
Trang 15Lưu đồ thuật toán hoạt động:
Đọc dữ liệu từ cảm biến gia tốc MPU6050, PT100,
Áp suất
ii > 100
Reset lại biến đếm: ii=0
Truyên dữ liệu từ bộ nhớ đệm tx lên internet
Y N
Khơi tạo các khối chức năng
Khối thẻ nhớ SD;
Khối cảm biến MPU 6050
Khối LCD
Khối truyền thông
Biến đêm ii=0;
Begin
Hiển thị lên màn hình HMI LCD
Lưu dữ liệu vào thẻ nhớ SD
Lưu dữ liệu vào
bộ nhớ đệm: tx Tăng biến đếm: ii=ii+1
2.3 Kết quả
2.3.1 Thi công phần cứng
Thiết kế mạch in cho thiết bị
Trang 16(a) (b)
Hình 15: Mặt trên của mạch in (a) và mặt dưới của mạch in (b)
Vỏ hộp thiết bị
Căn cứ vào chức năng của thiết bị, việc tích toán, lựa chọn các phần tử của thiết
bị, vỏ thiết bị được làm bằng nhựa, đây là hình ảnh 3D của vỏ thiết bị
Hình 16: Hình ảnh kích thước và 3D của thiết bị
Trang 17Hình 17: Hình ảnh dữ liệu trên màn hình LCD, có tín hiệu từ cảm biến giá tốc của 03
trục X,Y,Z nhiệt độ và áp suất
Giới thiệu thiết bị:
1
2
1- Hôp gắn cảm biến gia tốc MPU6050 bằng nhôm
2- Thiết bị thu thập dữ liệu;
Hình 18: Hình ảnh kết nối giữa cảm biến gia tôc MPU6050 với thiết bị đo
Trang 18 Các công tắc nguồn và các cổng kết nối
3
5
4
3- Khe cắm thẻ nhớ SD4- Màn hình HMI5- Cáp data
Hình ảnh mặt cạnh bên trái thiết bị
6- Cổng kết nối USB7- Giắc cắm nguồn DC 12V
Hình 19: Hình ảnh mặt cạnh bên phải thiết bị
Hộp gắn cảm biến gia tốc MPU6050
Hình 20: Hình ảnh hộp gắn cảm biến gia tốc MPU6050, làm bằng nhôm
Trang 193 KẾT LUẬN
Chuyên đề đã thiết kế chế tạo xong thiết bị thu thập các tín hiệu cảnh báo sự cốcủa động cơ đốt trong, sử dụng IC AVR Bước đầu đã thử nghiệm thiết bị, chuẩn hóacác số liệu từ các cảm biến, quá trình truyền thông, lưu trữ trên thẻ nhớ, hiển thị lênmàn hình LCD Dự kiến trong thời gian tới thiết bị sẽ thử nghiệm trên mô hình thật, để
đo và thu thấp dữ liệu của động cơ đốt trong để kiểm chứng tính chính xác và độ ổnđịnh của thiết bị
Trang 20const byte addRTC = 0xa3>>1;
extern uint8_t SmallFont[];
Trang 22// open a new file and immediately close it:
dataFile = SD.open(namefile, FILE_WRITE);
dataFile = SD.open(namefile, FILE_WRITE);
Trang 23// don't do anything more:
dataFile = SD.open(namefile, FILE_WRITE);
dataFile.close();
}
accelgyro.getAcceleration(&ax, &ay, &az);
dataFile = SD.open(namefile, FILE_WRITE);
Trang 24myGLCD.print("WRITING DATA TO SD CARD ",15, 80);
Trang 26(Binary-Coded Decimal) sang Decimal
int dec2bcd(byte num) { return ((num / 10 * 16) + (num % 10)); } // Chuyển từ Decimal sang BCD