Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển nhiệt độ ứng dụng vi điều khiển avr,luận văn thạc sĩ kỹ thuật ngành kỹ thuật điện tử

ðỖ ðÌNH NA BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ðỖ ðÌNH NA NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MƠ HÌNH ðIỀU KHIỂN NHIỆT ðỘ ỨNG DỤNG VI ðIỀU KHIỂN AVR Chuyên ngành : Kỹ Thuật ðiện Tử LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Năm 2009 TP HỒ CHÍ MINH - 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

 ðỖ ðÌNH NA NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MƠ HÌNH ðIỀU KHIỂN NHIỆT ðỘ ỨNG DỤNG VI ðIỀU KHIỂN AVR Chuyên ngành: Kỹ Thuật ðiện Tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS LÊ HÙNG LÂN TP HỒ CHÍ MINH - 2009 LỜI CẢM ƠN
 Trước hết tác giả xin chân thành cảm ơn Phó Giáo Sư Tiến Sĩ Lê Hùng Lân, người tận tình hướng dẫn, động viên, hỗ trợ có định hướng q báu suốt q trình thực đề tài Ngồi hướng dẫn chun mơn thầy cịn giúp đưa phương pháp thực khoa học ñể tác giả hoàn thành luận văn ñạt chất lượng ñúng thời hạn Tác giả xin chân thành cảm ơn tới quý thầy cô trường ðại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội, Khoa ðiện – ðiện Tử đặc biệt q thầy Bộ Mơn ðiện Tử Viễn Thơng truyền đạt kiến thức quý báu suốt khoá học Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn lớp Kỹ thuật ðiện tử K14 anh chị khố trước, bạn bè đồng nghiệp quan tâm, động viên cung cấp tài liệu suốt trình học trình làm luận văn TP.HCM, Tháng 11/2009 Học viên Đỗ Đình Na TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC Họ tên : ðỗ ðình Na Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 29/06/1966 Nơi sinh : Ý Yên – Nam ðịnh Cơ quan cơng tác : Trường Cao ðẳng Nghề KTCN TP.HCM Khóa : 14 (2006 – 2009) Chuyên nghành : Kỹ Thuật ðiện Tử Mã số : 60.52.70 Cán hướng dẫn : PGS.TS.Lê Hùng Lân Bộ môn : Kỹ Thuật Viễn thơng Tên đề tài : NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MƠ HÌNH ðIỀU KHIỂN NHIỆT ðỘ ỨNG DỤNG VI ðIỀU KHIỂN AVR Mục đích nghiên cứu đề tài : Thiết kế mơ hình điều khiển nhiệt độ gồm chế độ điều khiển ON_OFF, PID, Fuzzy Có khả ñiều khiển tuần tự, giao tiếp ñiều khiển từ máy tính, hiển thị kết máy tính hình LCD Có thể ứng dụng cơng tác nghiên cứu giảng dạy trường dạy nghề, cao ñẳng, ñại học hoạt ñộng triển khai ứng dụng hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ yêu cầu thực tiễn… Phương pháp nghiên cứu kết ñạt ñược : Nghiên cứu lựa chọn giải pháp thiết kế Nghiên cứu thiết bị, linh kiện sử dụng để thiết kế mơ hình, xây dựng thuật tốn điều khiển, mơ kiểm chứng thuật tốn ñiều khiển ON/OFF, PID, FUZZY sử dụng phương pháp thực nghiệm, phân tích so sánh kết đạt ñược ðánh giá toàn luận văn, ñề nghị hướng phát triển ñề tài ðã thiết kế thi cơng hồn chỉnh mơ hình điều khiển nhiệt độ với ba chế độ điều khiển ON/OFF, PID, Fuzzy, có khả điều khiển giám sát máy tính Bộ ñiều khiển hoạt ñộng tốt ñáp ứng ñược mục tiêu đề ðiểm bình qn mơn học : ðiểm bảo vệ luận văn : Xác nhận cán hướng dẫn Ngày tháng năm 2009 Học viên ðỖ ðÌNH NA Xác nhận mơn -i- MỤC LỤC Trang TRÍCH YẾU LUẬN VĂN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH VẼ ix Chương MỞ ðẦU 1.1 ðặt vấn ñề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Giá trị thực tiễn khả triển khai ứng dụng ñề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Giới hạn ñề tài 1.6 ðiểm ñề tài 1.7 Các giải pháp áp dụng thiết kế mơ hình điều khiển nhiệt độ 1.8 Kết luận Chương LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 2.1 Hệ thống ño ñiều khiển nhiệt ñộ 2.1.1 Khái niệm hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ 2.1.2 Khái niệm nhiệt ñộ thang ño nhiệt ñộ 2.1.3 Sơ ñồ tổng quát hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ 2.1.4 Hệ thống ño lường 2.1.5 Hệ thống ño lường số 2.1.6 Mơ hình điều khiển giữ ổn định nhiệt độ máy tính 2.1.7 Nguyên tắc ñiều khiển giữ ổn ñịnh 2.2 Các phươg pháp ño nhiệt ñộ 10 - ii 2.3 Các loại cảm biến dùng ño lường nhiệt ñộ 10 2.3.1 ðịnh nghĩa ñặc trưng tổng quát loại cảm biến 10 2.3.2 Các thông số cảm biến nhiệt ñộ 10 2.3.3 Các loại cảm biến 11 2.3.4 Bù nhiệt môi trường 13 2.3.5 Các mạch khuếch ñại ño lường 13 2.4.Cơ sở lý thuyết vi ñiều khiển AVR ATMEGA32 14 2.4.1 ðặc ñiểm chung vi ñiều khiển ATMEGA32 14 2.4.2 Sơ ñồ chân 15 2.4.2.1.AVR ATmega32 dạng PDIP dạng TQFP/MLF 16 2.4.2.2 Chức chân vi ñiều khiển AVR ATMEGA32 16 2.4.3 Sơ ñồ khối vi ñiều khiển AVR ATMEGA32 18 2.5.Cơ sở lý thuyết giao tiếp máy tính 19 2.5.1 Chuẩn RS-232C 20 2.5.2 ðầu nối RS-232 máy tính 20 2.5.3 Khuôn mẫu liệu truyền 22 2.5.4 Tốc ñộ truyền liệu 23 2.5.5 Mức ñiện áp truyền 23 2.6 Kết luận 23 Chương LÝ THUYẾT LOGIC MỜ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ðIỀU KHIỂN NHIỆT ðỘ 3.1 Logic mờ ( Fuzzy logic) 24 3.1.1 Gới thiệu chung 24 3.1.2 Khái niệm logic mờ 25 3.1.3 Tập mờ 25 3.1.4 Các phép toán tập mờ 26 3.1.5 Biến ngôn ngữ giá trị biến ngôn ngữ 29 3.1.6 Luật hợp thành mờ 30 3.1.6.1 Mệnh ñề hợp thành 30 3.1.6.2 Mơ tả mệnh đề hợp thành 30 3.1.6.3 Luật hợp thành mờ 31 - iii 3.1.6.4.Thuật toán xây dựng luật hợp thành có nhiều mệnh đề hợp thành 32 3.1.6.5 Luật hợp thành ñơn ñiều kiện 33 3.1.6.6 Luật hợp thành có hai mệnh đề hợp thành 34 3.1.7 Giải mờ 35 3.17.1 Phương pháp cực ñại 36 3.17.2 Phương pháp trọng tâm 37 3.17.3 Phương pháp ñộ cao 38 3.1.8 Phương pháp suy luận mờ Mamdani 39 3.2 Các phương pháp ñiều khiển nhiệt ñộ 39 3.2.1 ðiều khiển ON_OFF 39 3.2.2 ðiều khiển PID vịng kín 40 3.2.2.1 Khâu hiệu chỉnh khuếch ñại tỉ lệ(P) 41 3.2.2.2 Khâu ñiều khiển tích phân I 42 3.2.2.3 Khâu ñiều khiển vi phân (khâu D) 43 3.2.2.4 ðiều khiển Tích Phân - Tỉ Lệ (PI) 44 3.2.2.5 ðiều khiển Vi Phân – Tỉ Lệ (PD) 44 3.2.2.6 ðiều khiển Vi Phân – Tích Phân – Tỉ Lệ (PID) 45 3.2.3 ðiều khiển mờ 47 3.2.3.1 Bộ ñiều khiển mờ 48 3.2.3.2 Nguyên lý ñiều khiển mờ 49 3.3 Kết luận 49 3.3.1 Bảng so sánh phương pháp ñiều khiển kinh ñiển 50 3.3.2 Ưu ñiểm ñiều khiển mờ so với phương pháp ñiều khiển kinh ñiển (truyền thống) 50 Chương THIẾT KẾ MƠ HÌNH ðIỀU KHIỂN NHIỆT ðỘ 4.1 Lựa chọn phương pháp ñiều khiển 51 4.2 ðối tượng lò nhiệt 51 4.3.Xây dựng thuật tốn điều khiển 53 4.3.1 ðiều khiển ON-OFF 53 4.3.1.1 Sơ ñồ ñiều khiển 53 4.3.1.2 Thuật tốn điều khiển 53 - iv 4.3.1.3 Kết mơ điều khiển ON_OFF MATLAB 53 4.3.2 Thuật tốn điều khiển PID 54 4.3.2.1 Phương pháp PID ZIEGLER NICHOLS 54 4.3.2.2 Kết mơ điều khiển PID MATLAB 58 4.4 Thiết kế ñiều khiển mờ 61 4.4.1 Sơ ñồ ñiều khiển sử dụng PID mờ 61 4.4.2 Chỉnh ñịnh PID 62 4.4.3 Chỉnh ñịnh mờ tham số ñiều khiển PID 62 4.4.4 ðiều khiển nhiệt ñộ lò nhiệt phương pháp Fuzzy_PID 63 4.4.4.1 Xác định biến ngơn ngữ 63 4.4.4.2 Mô tả biến ngôn ngữ 63 4.4.4.3 Tập mờ 64 4.4.4.4 Xây dựng sở luật hợp thành 64 4.4.4.5 Mờ hóa, hợp thành giải mờ 66 4.4.4.6 Hiệu chỉnh ñiều khiển mờ 67 4.4.4.7 Kết mô MATLAB 67 4.5 Thiết kế phần cứng mơ hình điều khiển nhiệt ñộ 70 4.5.1 Sơ ñồ khối mạch ñiều khiển nhiệt ñộ 70 4.5.2 Thiết kế chi tiết 72 4.5.2.1 Mạch nguồn 72 4.5.2.2 Mạch cảm biến khuếch đại tín hiệu 73 4.5.2.3 Mạch giao tiếp máy tính 75 4.5.2.4 Mạch công suất 76 4.5.2.5 Mạch hiển thị 77 4.5.2.5 Mạch thời gian thực Realtime DS1307 78 4.5.2.5 Mạch xử lý trung tâm điều khiển hệ thống phím nhấn 79 4.5.2.5 Mạch cảnh báo nhiệt 80 4.5.3 Sơ ñồ chi tiết tồn mạch điều khiển 80 4.5 Kết luận 82 Chương THIẾT KẾ PHẦN MỀM 5.1 Phần mềm hệ thống 83 -v5.2 Phần mềm giao tiếp ñiều khiển từ máy tính 91 5.2.1 Giới thiệu 91 5.2.2 Chương trình điều khiển nhiệt độ trực tiếp điều khiển 93 5.2.3 Chương trình điều khiển nhiệt độ từ máy tính 94 5.2.3.1 Chương trình điều khiển ON_OFF PC 95 5.2.3.2 Chương trình điều khiển PID PC 96 5.2.3.3 Chương trình điều khiển FUZZY PC 97 5.3 Kết luận 97 Chương KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 6.1 Thiết kế thi công board mạch 99 6.2 Kết thực nghiệm 100 6.2.1 Kết ñiều khiển ON/OFF 100 6.2.2 Kết ñiều khiển PID 101 6.2.3 Kết ñiều khiển FUZZY 102 6.3 Kết luận 103 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 7.1 Kết ñạt ñược 104 7.1.1 Ý nghĩa khoa học 104 7.1.2 Kết 104 7.1 Kiến nghị 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 107 PHỤ LỤC 109 - vi - DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AC Altenating Current A/D Analog/Digital ADC Analog To Digital Converter ALE Address Latch Enable ALU Arithmatic Logic Unit AVR (Automatic Volume Recognition) - The Name AVR Is Not Acronyn And Does Not Stand For Anything In Particular AVG Average CPU Central Processing Unit CISC Complex Instruction Set Computer DAC Digital To Analog Converter DCE Data Communications Equipment DC Direct Current DTE Data Terminal Equipment EEPROM Electrically Erasable Programmable ROM MIPS Million Instructions Per Second MLS Micro Lead Second Frame MISO Multi Input Single Output MIMO Multi Input – Multi Output MSB Most Significan Bit PID Proportional Integrative Derivative PI Proportional Integrative PD Proportional Derivative PB Proportional Band PWM Pulse Width Modulation QFN Quad Flat No-Lead Package GND Ground – Mass LCD Lequit Crystal Display LSB Least Significan Bit OP-AMP Operation Amplifier IC Intergrated Circuit - 21 - Hình 2.11 ðầu nối RS-232 máy tính Thứ tự chức chân quy ñịnh cụ thể phải tuân thủ cách nghiêm ngặt Trên máy tính thường có hai loại ñầu nối : ñầu nối chân ( DB9 ) đầu nối 25 chân( DB 25 ), Hình 2.11 cách xếp chân ñầu nối 25 chân : Bảng 2.2 Chức chân ñầu nối DB9 DB25 ðầu nối Tên tín hiệu Ký hiệu Chức Kiểu tín hiệu 25 - Frame Ground FG ðược nối với vỏ máy mass Transmit Data TD (DTE => DCE) Truyền liệu Dữ liệu Receive Data RD (DTE DCE) Yêu cầu gửi liệu ðiều khiển Clear To Send CTS (DTE