Thiết kế modul ghép nối với PC qua giao diện RS232 để điều khiển và giám sát hệ thống cấp nước tự động từ bể ngầm lên bể chứa ở trên cao (sử dụng 3 bơm nước)

Thiết kế modul ghép nối với PC qua giao diện RS232 để điều khiển và giám sát hệ thống cấp nước tự động từ bể ngầm lên bể chứa ở trên cao (sử dụng 3 bơm nước) Để giám sát mức nước trong bể chứa ta sử dụng cảm biến siêu âm. Dữ liệu trả về từ cảm biến siêu âm được Arduino xử lý và gửi lên PC qua cổng rs 232. Labview so sánh mức nước trong bể và thực hiện điều khiển 3 bơm bằng cách gửi tín hiệu điều khiển qua cổng rs232 xuống Arduino. Arduino nhận tín hiệu điều khiển, điều khiển các Relay cấp nguồn cho các bơm.

1 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm qua, ngành khoa học máy tính có nh ững bước tiến v ược bậc ngày có ảnh hưởng tích cực to lớn vào cu ộc cách m ạng khoa học kỹ thuật đại Đặc biệt đời phát tri ển nhanh chóng kỹ thuật số, làm cho ngành điện tử trở nên phong phú đa d ạng h ơn Nó góp phần lớn việc đưa kỹ thuật đại xâm nh ập r ộng rãi vào lĩnh vực hoạt động sản xuất, kinh tế đời sống - xã h ội T h ệ thống máy tính lớn đến hệ thống máy tính cá nhân, từ vi ệc ều khiển hệ thống máy móc cơng nghiệp đến thiết bị phục vụ đ ời s ống ngày người Với mong muốn tìm hiểu, ứng dụng tiến khoa h ọc kỹ thu ật đại vào phục vụ sản xuất, sinh hoạt đời sống ng ười Nh ận thấy, với điều kiện thời tiết nắng nóng khắc nghiệt nay, nhu c ầu s dụng nước sinh hoạt người cao so với nh ững th ời ểm khác nhiều Với tình vậy, việc nghiên cứu cho đ ời hệ thống bơm cấp nước tự động cần giải nhanh chóng Xuất phát từ ý tưởng trên, nhóm chúng em đ ưa ý t ưởng xây dựng đề tài: Thiết kế modul ghép nối với PC qua giao diện RS-232 để điều khiển giám sát hệ thống cấp nước tự động t bể ngầm lên b ể ch ứa cao (sử dụng bơm nước) Sau cùng, chúng em xin trân thành cảm ơn hướng dẫn Thầy: Nguyễn Văn Tiến Cảm ơn Thầy dạy, truy ền đạt cho chúng em kiến thức kinh nghiệm để áp dụng hồn thành đề tài Do kiến thức kinh nghiệm cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi nh ững thiếu sót, mong Thầy đánh giá, nhận xét để chúng em có thêm kinh nghiệm cho đề tài lần sau Mục Lục Chương 1: Tổng quan hệ thống 1.1 Nguyên lý điều khiển hệ thống Để giám sát mức nước bể chứa ta sử dụng cảm biến siêu âm Dữ liệu trả từ cảm biến siêu âm Arduino xử lý gửi lên PC qua cổng rs 232 Labview so sánh mức nước bể thực điều khiển bơm cách gửi tín hiệu điều khiển qua cổng rs232 xuống Arduino Arduino nhận tín hiệu điều khiển, điều khiển Relay cấp nguồn cho bơm 1.2 Giới thiệu tổng quan phần mềm LAPVIEW 1.2.1 Mục đích sử dụng LabVIEW (viết tắt Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) môi trường ngôn ngữ đồ họa hiệu việc giao tiếp đa kênh người, thuật toán thiết bị Gọi LabVIEW ngơn ngữ đồ họa hiệu cách th ức lập trình, LabVIEW khác với ngơn ngữ C (hay Python, Basic, vv.) điểm thay s dụng từ vựng (từ khóa) cố định LabVIEW sử dụng kh ối hình ảnh sinh động dây nối để tạo lệnh hàm nh hình Cũng khác biệt mà LabVIEW giúp cho vi ệc l ập trình tr nên đơn giản hết, đặc biệt, LabVIEW phù hợp đ ối v ới kỹ sư, nhà khoa học, hay giảng viên Chính đơn giản, dễ h ọc, d ễ nh giúp cho LabVIEW trở thành công cụ phổ biến ứng dụng thu thập liệu từ cảm biến, phát triển thuật toán, điều khiển thiết bị phịng thí nghiệm th ế gi ới Hình 1.1: Giao diện hình phần mềm Lapview Về ý nghĩa kỹ thuật, LabVIEW dùng để lập trình ch ương trình (source code: mã nguồn) máy tính tương tự ngơn ng ữ lập trình dựa chữ (text-based language) C, Python, Java, Basic, vv… Đồng thời, LabVIEW hỗ trợ kỹ sư, nhà khoa học sinh viên, vv xây dựng (thực thi) thuật toán cách nhanh, gọn, sáng t ạo, d ễ hi ễu nhờ khối hình ảnh có tính gợi nhớ cách th ức hoạt động theo ki ểu dòng liệu (data flow) từ trái qua phải Các thu ật tốn sau áp dụng lên mạch điện cấu chấp hành th ực nh vào việc kết nối hệ thống thật với LabVIEW thông qua nhiều chuẩn giao tiếp nh chuẩn giao tiếp RS232 (giao tiếp qua cổng COM), chuẩn USB, chu ẩn giao tiếp mạng TCP/IP, UDP, chuẩn GPIB, vv Vì LabVIEW m ột ngơn ng ữ giao tiếp đa kênh 1.2.2 Cấu trúc chương trình Lapview Một chương trình LabVIEW (dù đơn giản hay phức tạp tạo nên cách đơn giản từ thành phần sau: khối Control đóng vai trị input (hay giá trị nhập vào), Indicator đóng vai trị Ouput (giá trị hiển thị ra, kết quả), hàm đ ường dây n ối (wire) khối hàm lại Các Control ln nối vào nút bên trái hàm Các Indicator ln nối vào nút bên trái hàm Hình 1.2, đặc ểm m ột l ưu ý vô quan trọng sử dụng qui tắc vàng Change to sau Hình 1.2 : Các nút bên trái bên phải hàm Ta nhận thấy, Control có nút mũi tên lên-xu ống để tăng giảm giá trị (hoặc nhập trực tiếp vào ô Control) Các Indicator khơng thể nhập giá trị vào Control có màu trắng, cịn Indicator có màu xám Một Control đổi thành Indicator (hoặc Constant) cách nhấp Right Click lên Control cần đổi, chọn Change to Indicator Ho ặc ng ược l ại, Indicator đổi thành Control phép Change to Control Constant Control có giá trị khơng đ ổi suốt th ời gian ch ạy (Run) chương trình 1.2.3 Các thư viện Lapview Các thư viện LabVIEW nằm BD Khi mở BD LabVIEW bạn thấy có nhiều thư viện hình 1.3 Hình 1.3: Các thư viện hàm Lapview Các thư viện có ý nghĩa sau: − Programming nơi chứa hỗ trợ cơng cụ, hàm lập trình nói chung (giống ngơn ngữ khác C, Matlab, vv…) − SignalExpress hỗ trợ thu thập liệu, hiển thị tín hiệu máy tính − Advanced Signal Processing Toolkit hỗ trợ xử lý tiến hiệu nâng cao − Control Design and Simulation hỗ trợ xây dựng mô hình động lực học hệ thống thiết kế điều khiển (giống Matlab Simulink) − Digital Filter Design Toolkit hỗ trợ thiết kế lọc số − PID and Fuzzy Logic Toolkit hỗ trợ thiết kế điều khiển PID Fuzzy Logic − FPGA hỗ trợ lập trình FPGA − Real-Time hỗ trợ lập trình ứng dụng thời gian thực Internet Toolkit hỗ trợ giao tiếp qua mạng Internet Database Connectivity Toolkit hỗ trợ kết nối sở liệu − Vision Development Module hỗ trợ công cụ phát triển hệ th ống thu thập xử lý ảnh − Simulation Interface Toolkit cho phép kết n ối LabVIEW Matlab Simulink − Vision and Motion hỗ trợ lập trình chuy ển động nhiều bậc LabVIEW Embedded Modudle modun lập trình nhúng, dùng để lập trình vi điều khiển − Express: Là nơi chứa hàm thường dùng Các hàm th ường dùng tập thư viện LabVIEW Programming Trong thư viện thư viện Programming quan trọng nh ất nơi chứa tồn hàm sở mơi trường l ập trình đ h ọa LabVIEW Và tập sách này, sử dụng hàm Programming, sau áp dụng hàm để bắt tay vào th ực hành thu thập liệu, điều khiển PID động DC,…với phần cứng th ực 1.2.4 Các kiểu liệu LAPVIEW Kiểu liệu công cụ dùng để gán (ép) m ột numeric hay indicator vào dãy giá trị Ví dụ, ta muốn Numeric Control có giá tr ị (và nằm giá trị người điều khiển nhập giá tr ị khác) 0-255 ta gán Numeric Control vào kiểu liệu Unsigned bit (Viết tắt U8) Muốn đổi kiểu liệu Control, ta ch ọn Right Click lên Control đó> Chọn Representation> Chọn Kiểu cần gán Hình 1.4 liệt kê kiểu liệu LabVIEW Hình 1.4: Các kiểu liệu LabVIEW Trong LabVIEW có nhiều kiểu liệu khác nhau, ví dụ: Ký Cách hiệu Kiểu liệu Số bit Khoảng giá trị Byte signed integer –128 tới 127 Word signed integer 16 –32,768 tới 32,767 –2,147,483,648 tới Long signed integer 32 2,147,483,647 Quad signed integer 64 –1e19 tới 1e19 Byte unsigned integer tới 255 Word unsigned integer 16 tới 65,535 Long unsigned integer 32 tới 4,294,967,295 chuyển ñổi kiểu liệu: chuột phải lên ñối tượng muốn chuy ển ñ ổi ch ọn Represention chọn kiểu liệu mong muốn 1.2.5 Vòng lặp While Loop LAPVIEW Vòng lặp while vòng lặp có điều kiện hình 4.1 Ý nghĩa c vòng lặp while cho phép chạy chương trình t ới nút stop nhấn dừng lại ðể lấy while loop ta vào BD> Express> Execution> While loop trình bày hình 1.5 Hinh 1.5: Lấy while loop BD While loop lặp lại chương trình đặt vịng lặp này, tới nút Stop (conditional terminal) nút Stop FP nhấn (Lưu ý nút Stop có dạng liệu Boolean-true false) 10 1.3 Giới thiệu tổng quan ARDUNIO UNO R3 Hình 1.6: Ardunio Uno R3 1.3.1 Một vài thông số Ardunio Uno R3 Các thơng số R3 trình bày bảng 1.1 Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA 19 Hình 1.14: Nguyên lý hoạt động Module siêu âm 1.5 Module Relay kênh 5V Hình 1.15: Module Relay kênh 5V • • • • • Module sử dụng Relay tốt, đảm bảo hoạt động ổn định, lâu dài Trên module có opto để cách ly dịng ngược về, hiệu suất ổn định Có thể set mức cao thấp cách thiết lập jumper module Có Led báo nguồn màu xanh, Led báo trạng thái Relay màu đỏ Kết nối module với mạch điều khiển đơn giản 20 1.5.1 Thông số kỹ thuật trị C 250V-10A / DC 30V-10A VDC mA ức thấp (0V) mm * 26 * 18.5 mm 1.5.2 Kết nối với module Relay Relay PIN Uno X PIN NO hình COM hình NC No Connect VCC 5V GND GND IN GPIO7 Hình 1.15: Module Relay kênh 5V 21 Chương 2: Xây dựng chương trình điều khiển máy tính Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống 22 2.1 Xây dựng giao diện giám sát mức nước bể chứa Labview Hình 2.2: Giao diện giám sát hệ thống Giao diện giám sát gồm có thành phần:      Nút Stop dừng hệ thống Thanh chọn mức nước đặt cho bể chứa Thanh hiển thị mức nước bể chứa Các khối đèn báo bơm chạy Đèn báo mức nước bể với mức nước đặt 23 2.2 Xây dựng chương trình điều khiển Labview Hình 2.3: chương trình điều khiển Lapview Các khối có chương trình điều khiển: 24 Enable Termination Char chuẩn bị thiết bị nối tiếp để nhận Termination char Nếu TRUE (mặc định), thuộc tính VI_ATTR_ASRL_END_IN đặt để nhận dạng ký tự kết thúc Nếu FALSE, thuộc tính VI_ATTR_ASRL_END_IN đặt thành (Khơng có) thiết bị nối tiếp không nhận ký tự kết thúc Termination char Termination char kêu gọi chấm dứt hoạt động đọc Thao tác đọc kết thúc Termination char đọc từ thiết bị nối tiếp 0xA tương đương hex ký tự nguồn cấp liệu (\ n) Thay đổi ký tự kết thúc thành 0xD cho chuỗi thông báo kết thúc trả vận chuyển (\ r) Timeout định thời gian, tính mili giây, cho hoạt động ghi đọc Mặc định 10000 VISA resource name định tài nguyên mở Kiểm soát tên tài nguyên VISA định phiên lớp Baud rate tốc độ truyền Mặc định 9600 Data bits số bit liệu đến Giá trị bit liệu nằm khoảng từ năm đến tám Giá trị mặc định Parity định tính chẵn lẻ sử dụng cho khung hình truyền nhận Đầu vào chấp nhận giá trị sau no parity (default) odd parity even parity mark parity space parity 25 Error in mô tả điều kiện lỗi xảy trước nút chạy Đầu vào cung cấp lỗi tiêu chuẩn chức Stop bits định số lượng bit dừng sử dụng để kết thúc khung Đầu vào chấp nhận giá trị sau 10 15 `20 stop bit 1.5 stop bits stop bits Dữ liệu truyền đồng hay không đồng phụ thuộc vào tảng Nhấp chuột phải vào nút chọn Chế độ I / O đồng »Đồng từ menu phím tắt để ghi liệu đồng Khi bạn truyền liệu từ đến trình điều khiển phần cứng cách đồng bộ, chuỗi gọi bị khóa suốt thời gian truyền liệu Tùy thuộc vào tốc độ truyền, điều cản trở q trình khác yêu cầu chuỗi gọi Tuy nhiên, ứng dụng yêu cầu truyền liệu nhanh tốt, thực thao tác đồng dành riêng luồng gọi cho hoạt động write buffer chứa liệu ghi vào thiết bị 26 Hàm trả số byte yêu cầu hàm đến cuối đệm, đạt đến ký tự kết thúc thời gian chờ xảy Cụm lỗi đầu cho biết thời gian chờ xảy Dữ liệu đọc đồng hay không đồng phụ thuộc vào tảng Nhấp chuột phải vào nút chọn Chế độ I / O đồng »Đồng từ menu phím tắt để đọc liệu đồng byte count số byte số byte đọc read buffer chứa liệu đọc từ thiết bị return count chứa số byte thực đọc Cửa sổ kết nối hiển thị loại liệu mặc định cho chức đa hình Nếu bạn muốn hàm trả đầu số nguyên 64 bit, bạn phải nối số nguyên 64 bit vào đầu vào mặc định use system decimal point định nghĩa dấu phân cách thập phân Nếu TRUE (mặc định), dấu tách thập phân sử dụng dấu tách thập phân cục Nếu SAI, dấu phân cách thập phân khoảng thời gian String chuỗi, chuỗi chuỗi, chuỗi chuỗi chuỗi chuỗi Nếu chuỗi chứa ký tự Inf NaN, hàm trả giá trị LabVIEW Inf NaN tương ứng 27 Offset định số lượng ký tự thành chuỗi mà hàm bắt đầu tìm kiếm kết khớp bù phải số Độ lệch ký tự chuỗi Nếu độ lệch không mong muốn nhỏ 0, hàm bù Default đối tượng biểu diễn số định biểu diễn số cho số Giá trị mặc định giá trị dấu phẩy động, độ xác kép offset past number số chuỗi ký tự theo sau số số khứ bù phản ánh giá trị từ chuỗi cuối bạn nhập chuỗi chuỗi number số, cụm, mảng số mảng cụm, tùy thuộc vào cấu trúc chuỗi Bảng sau cho thấy giá trị chuỗi, offset số mặc định ảnh hưởng Lỗi I / O hoạt động chức Chức đóng phiên thiết bị có xảy lỗi hoạt động trước hay không Đối với phiên VISA mà bạn mở, bạn nên đóng phiên bạn kết thúc với Hàm chấp nhận tất lớp có sẵn Bạn sử dụng Trình theo dõi phiên VISA mở VI labview \ vi.lib \ Utility \ visa.llb để đóng tất phiên VISA mở Ngoài ra, bạn lưu cơng việc, nhập lại LabVIEW Thốt LabVIEW đóng tất phiên VISA mở Bạn chọn tùy chọn Tự động đóng phiên VISA trang Môi trường hộp thoại Tùy chọn 28 Ví dụ, LabVIEW gọi VI, giá trị đếm thời gian mili giây 112 ms mili giây chờ 10 ms, VI kết thúc giá trị đếm thời gian mili giây 122 ms Sử dụng chức Wait For Front Panel Activity để loại bỏ nhu cầu liên tục bỏ phiếu bảng mặt trước để xác định xem giá trị đối tượng bảng mặt trước có thay đổi hay không Độ phân giải hẹn phụ thuộc vào hệ thống xác phần nghìn giây, tùy thuộc vào tảng bạn Sử dụng chức Wait Until Next ms Nhiều để cải thiện độ phân giải milliseconds to wait định có mili giây để chờ đợi Chức không chờ lâu 0x7ffffff 2.147.483.647 ms Để chờ khoảng thời gian dài hơn, thực chức hai lần Việc nối giá trị đến tham số buộc luồng kiểm soát CPU millisecond timer value trả giá trị đếm thời gian mili giây sau chờ 29 2.3 Thiết kế mạch thực 2.3.1 Sơ đồ đấu nối: Hình 2.4 Sơ đồ đấu nối mạch thực 30 2.3.2 Thiết kế phần cứng Hình 2.5 Thiết kế phần cứng 31 2.3.4 Chạy chương trình điều khiển Hình 2.6 Màn hình giám sát mực nước bể mức thấp Hình Màn hình giám sát khỉ mực nước bể mức nước đặt 32 Kết luận • Bài tập lớn nhóm em đạt điều sau:  Đo gần mức nước bình chứa  Màn hình giám sát hoạt động tốt  Điều khiển bơm theo mức xác • Bên cạnh phần thực nhóm có nh ững h ạn chế: Mức nước đo dao động liên tục mặt nước không ổn định, dẫn đến mức nước bể xấp xỉ mức nước đặt relay đóng cắt liên tục • Ứng dụng đề tài cơng nghiệp: Đề tài có khả ứng dụng bể cấp nước cao cho tịa nhà cao tầng, cho b ể chứa hóa chất trung gian trước chưng luyện hay pha trộn ... sát hệ thống Giao diện giám sát gồm có thành phần:      Nút Stop dừng hệ thống Thanh chọn mức nước đặt cho bể chứa Thanh hiển thị mức nước bể chứa Các khối đèn báo bơm chạy Đèn báo mức nước. .. mực nước bể mức thấp Hình Màn hình giám sát khỉ mực nước bể mức nước đặt 32 Kết luận • Bài tập lớn nhóm em đạt điều sau:  Đo gần mức nước bình chứa  Màn hình giám sát hoạt động tốt  Điều khiển. .. Thiết kế mạch thực 2 .3. 1 Sơ đồ đấu nối: Hình 2.4 Sơ đồ đấu nối mạch thực 30 2 .3. 2 Thiết kế phần cứng Hình 2.5 Thiết kế phần cứng 31 2 .3. 4 Chạy chương trình điều khiển Hình 2.6 Màn hình giám sát