Ứng dụng labview điều khiển lò nhiệt ghép nối với máy tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Ngƣời hƣớng dẫn: CN Nguyễn Huy Dũng Sinh viên: Phạm Trung Hiếu HẢI PHÒNG 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG ỨNG DỤNG LABVIEW ĐIỀU KHIỂN LỊ NHIỆT GHÉP NỐI VỚI MÁY TÍNH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHÍNH QUY NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Ngƣời hƣớng dẫn: CN Nguyễn Huy Dũng Sinh viên: Phạm Trung Hiếu HẢI PHÒNG 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Phạm Trung Hiếu Lớp : ĐT1301 Mã SV: 1351030011 Ngành: Điện tử viễn thông Tên đề tài: Ứng dụng LabVIEW điều khiển lị nhiệt ghép nối với máy tính NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( lý luận, thực tiễn, số liệu cần tính tốn vẽ) …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính tốn …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Địa điểm thực tập tốt nghiệp …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn thứ nhất: Họ tên: Nguyễn Huy Dũng Học hàm, học vị: Cử nhân Cơ quan công tác: Trường Đại học Dân lập Hải Phòng Nội dung hướng dẫn: Ngƣời hƣớng dẫn thứ hai: Họ tên: Học hàm, học vị: Cơ quan công tác: Nội dung hướng dẫn: Đề tài tốt nghiệp giao ngày…….tháng…….năm 2013 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày…….tháng…….năm 2013 Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Người hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng năm 2013 Hiệu trƣởng GS.TS.NGƢT Trần Hữu Nghị PHẦN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp: Đánh giá chất lƣợng khóa luận (so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T T.N mặt lý luận, thực tiễn, tính tốn số liệu…): Cho điểm cán hƣớng dẫn (ghi số chữ): Hải Phòng, ngày……tháng……năm 2013 Cán hƣớng dẫn PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN Đánh giá chất lƣợng đề tài tốt nghiệp mặt thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý luận chọn phƣơng án tối ƣu, cách tính tốn chất lƣợng thuyết minh vẽ, giá trị lý luận thực tiễn đề tài Cho điểm cán phản biện (Điểm ghi số chữ) Hải Phòng, ngày……tháng……năm 2013 Ngƣời chấm phản biện MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH LABVIEW 1.1: Tổng quan labVIEW 1.1.1 LabVIEW gì? 1.1.2.Vai trò LabVIEW 1.1.3.Các chức LabVIEW 1.1.4.Phần mềm nhúng vào LabVIEW 1.1.5.Các giao thức kết nối 1.1.6.Các Module công cụ LabVIEW 1.1.6.1.Các module LabVIEW 1.1.6.2.Các công cụ LabVIEW 1.1.7.LabVIEW làm việc nào? 1.2.Các thành phần LabVIEW 1.2.1.Bảng giao diện (The Front panel) 1.2.2.Sơ đồ khối (The Block Diagram) 11 1.3.Những cơng cụ lập trình LabVIEW 13 1.3.1.Tools Palette 13 1.3.2.Bảng điều khiển (Controls Palette) 14 1.3.3.Bảng hàm chức (Function palette) 16 1.4.Các loại Control Indicatior 24 1.4.1.Các Control thường dùng 24 1.4.2.Các dạng Indicator thường dùng 26 1.4.3.Kiểu liệu LabVIEW chuyển đổi liệu 29 1.5.Vòng lặp While (While Loop), vòng lặp For (For Loop) 30 1.5.1.Vòng lặp While (While Loop) 30 1.5.2.Vòng lặp For (For Loop) 32 1.6.Mảng 33 1.6.1.Khái niệm mảng cách tạo mảng 33 1.6.2.Trích liệu từ mảng 35 1.7.Bó 37 1.8.Cách tạo thiết bị ảo thiết bị ảo 40 CHƢƠNG ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT ĐIỆN TRỞ 47 2.1.Giới thiệu 47 2.2.Ưu nhược điểm lò điện so với lò sử dụng nhiên liệu 47 2.3.Nguyên lý làm việc lò điện trở 48 2.4.Các phương pháp điều khiển lò điện trở 49 2.4.1.Điều khiển dùng Rơle 49 2.4.2.Điều khiển Thyristor 50 2.4.3.Kết luận 52 2.5.Các nguyên tắc điều khiển Thyristor (Triac) 53 2.5.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính 53 2.5.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” 54 2.5.3 Sơ đồ khối mạch điều khiển 55 CHƢƠNG ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT ĐIỆN TRỞ GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH BẰNG LABVIEW 57 3.1.Phương án thiết kế 57 3.1.1.Yêu cầu thiết kế 57 3.1.2Phương pháp điều khiển 57 3.2: Giới thiệu Card USB-9001 58 3.2.1: Thông số kỹ thuật 58 3.2.2Cách sử dụng 60 3.3 Mơ hình điều khiển sử dụng card USB-9001 61 3.3.1 Sensor LM35 61 3.3.2.Xây dựng mơ hình điều khiển: 62 3.4: Chương trình điều khiển ngơn ngữ LabVIEW 63 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN – HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 65 4.1.Các kết thực đề tài 65 4.2.Những hạn chế 65 4.3.Hướng phát triển đề tài 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Phạm vi ứng dụng LabVIEW Hình 1.2 Các giao thức kết nối LabVIEW Hình 1.3 Bảng giao diện Hình 1.4 Mơ tả tên VI thời tải Hình 1.5 Thanh cơng cụ giao diện 10 Hình 1.6 Sơ đồ khối LabVIEW 12 Hình 1.7 Bảng Tool Palette 13 Hình 1.8 Bảng mẫu Controls 15 Hình 1.9 Bảng điều khiển thị số 15 Hình 1.10 Bảng điều khiển thị logic 16 Hình 1.11 Bảng Graph 16 Hình 1.12 Bảng Functions 17 Hình 1.13 Hàm cấu trúc- Structures Function 17 Hình 1.14 Hàm mảng – Function Array 18 Hình 1.15 Hàm cụm & biến thể – Cluter & Variant 18 Hình 1.16 Hàm số học – Numeric Function 19 Hình 1.17 Hàm Boolean 19 Hình 1.18 Hàm chuỗi – String Function 20 Hình 1.19 Hàm so sánh – Comparison Functions 20 Hình 1.20 Hàm Thời gian – Time function 21 Hình 1.21 Hàm Dialog & User Interface 21 Hình 1.22 Hàm File I/O- File I/O Function 22 Hình 1.23 Hàm dạng sóng – Waveform 22 Hình 1.24 Hàm điều khiển ứng dụng- Application Control 23 Hình 1.25 Hàm đồng hố - Synchronization Function 23 Hình 1.26 Hàm đồ họa âm – Graphic & Sound Function 23 Hình 1.27 Hàm phát sinh báo cáo – Report Generation Function 24 Hình 1.28: Cách lấy Control 25 Hình 129: Copy nhanh việc kéo thả 25 Hình 1.30: Cách lấy Indicator 27 Hình 1.31: Cách lấy Indicator 28 Hình 1.32: Cách lấy Indicator 28 Hình 1.33: Các kiểu liệu LabVIEW 29  Giá thành đắt phương pháp điều khiển dùng Rơle Từ ưu-nhược điểm hai phương pháp ta thấy công việc yêu cầu độ xác cao, chất lượng tốt ta áp dung phương pháp hai Còn chất lượng vừa phải dùng phương pháp để tiếc kiệm chi phí 2.5.Các nguyên tắc điều khiển Thyristor (Triac) Trong thực tế người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển: thẳng đứng tuyến tính thẳng đứng “arcos” để thực điều chỉnh vị trí xung nửa chu kỳ dương điện áp đặt Thyristor Triac 2.5.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Theo nguyên tắc người ta dùng hai điện áp - Điện áp đồng bộ, ký hiệu Us, đồng với điện áp đặt hai đầu lực Thyristor, Triac thường đặt vào đầu đảo khâu so sánh - Điện áp điều khiển, ký hiệu Ucm (điện áp chiều điều chỉnh biên độ) thường đặt vào đầu không đảo khâu so sánh Hiệu điện đầu vào khâu so sánh là: Ud = Ucm - Us Mỗi Us = Ucm khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận “sườn xuống điện áp đầu khâu so sánh, sườn xuống thông qua đa hài trạng thái ổn định, tạo xung điều khiển Như vậy, cách làm biến đổi Ucm, người ta điều chỉnh thời điểm xuất xung ra, tức điều chỉnh góc Giữa Ucm có quan hệ sau: U cm người ta lấy Ucmmax = Usm S sm 53 Us Ucm US Ucm wt Xđk wt a a Hình 2.5 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính 2.5.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” Theo nguyên tắc người ta dùng hai điện áp - Điện áp đồng US, vượt trước UAK = Umsin t Thyristor góc /2 US = Um cos t - Điện áp điều khiển Ucm điện áp chiều, điều chỉnh biên độ theo hai chiều (dương âm) Nếu đặt US vào cổng đảo UCM vào cổng khơng đảo khâu so sánh US = Ucm, ta nhận xung mảnh đầu so sánh khâu lật trạng thái: Umcos = Ucm Do đó: = arecos Khi Ucm = Um Khi Ucm = = = Khi Ucm = -Um U cm Um = Như vậy, điều chỉnh Ucm từ trị Ucm = +Um, đến trị Ucm = -Um, ta điều chỉnh góc từ đến 54 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” sử dụng thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao Us UAK Us UAK Ucm wt p 2p Xủk wt a Hình 2.6 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng 2.5.3 Sơ đồ khối mạch điều khiển Để thực tốt việc điều khiển Thyristor, triac mạch điều khiển bao gồm khâu sau: Đồng pha So sánh Khuếch đại T Hình 2.7 Sơ đồ khối mạch điều khiển Với sơ đồ nhiệm vụ khâu sau: - Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp điện áp dạng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod Thyristor - Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh điệnáp tựa với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp (Uđk = Urc) Tại thời điểm hai điện áp phát xung đầu để gửi sang tầng khuếch đại 55 - Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor Xung để mở Tiristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng, để bảo đảm yêu cầu Thyristor mở tức thời có xung điều khiển (thường gặp loại xung xung kim xung chữ nhật); đủ độ rộng với độ rộng xung lớn thời gian mở Thyristor, đủ công suất, cách ly mạch mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực lớn) 56 CHƢƠNG ĐIỀU KHIỂN LÕ NHIỆT ĐIỆN TRỞ GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH BẰNG LABVIEW 3.1.Phƣơng án thiết kế 3.1.1.Yêu cầu thiết kế - Mơ hình lị nhiệt điện trở sử dụng bóng đèn sợi đốt 200W/ 220V - Sử dụng sensor cảm biến nhiệt bán dẫn LM35 để đo nhiệt độ - Sử dụng card USB- 9001 để ghép nối máy tính khối cơng suất điều khiển lị - Áp dụng phần mềm LabVIEW viết chương trình điều khiển tạo giao diện điều khiển máy tính 3.1.2 Phƣơng pháp điều khiển - Chọn phương án điều khiển ki ểu Rơle, thay Rơle Triac để đóng mở mềm - Mạch điều khiển Triac thiết kế theo sơ đồ sau: Hình 3.1 Mạch điều khiển lị điện trở Mạch hoạt động theo nguyên lý sau: (điều khiển theo phương pháp xung) Khi nhiệt độ buồng đốt nhỏ nhiệt độ đặt (dựa vào sensor LM35), Udk = 5V, MOC dẫn làm Triac mở có điện áp qua Thanh đốt (điện áp lúc Full 220V) 57 - Nếu nhiệt độ buồng đốt vượt nhiệt độ đặt, Uđk = 0V, MOC ngừng dẫn làm Triac khóa khơng có điện áp qua Thanh đốt, nhiệt độ tạm thời giữ (vì nhiệt có qn tính chậm) 3.2: Giới thiệu Card USB-9001 3.2.1: Thông số kỹ thuật Thông số chung Cổng kết nối USB (chuẩn giao tiếp RS232) Hỗ trợ hệ điều hành Windows Kiểu đo kênh đo điện áp (ADC) đếm xung từ loại encoder (đếm lên xuống tùy theo chiều quay encoder) Điều khiển · kênh xuất tín hiệu số · kênh xuất tín hiệu điều chế xung (PWM) Họ DAQ Đọc tín hiệu Analog Số kênh SE Tốc độ lấy mẫu 142S/s Độ phân giải bits Trích mẫu đồng thời Khơng Ngưỡng điện áp giới hạn lớn tới V Độ xác 10 mV (Vref=2.56V) Tín hiệu analog từ loại cảm Nhiệt độ, áp xuất, lưu lượng vv biến Lĩnh vực ứng dụng đo điện áp Điều khiển tự động, tơ, cơng nghiệp Xuất tín hiệu PWM Số kênh Tốc độ cập nhật 100 S/s Độ phân giải bits Ngưỡng điện áp V 58 Tín hiệu điều khiển dịng điện 10 mA (dịng ngắn mạch) Các chân xuất tín hiệu số Số kênh Timing Software Logic Levels TTL Ngưỡng điện áp V Output Current Flow Sinking, Sourcing Dòng điện (Kênh/Tổng) 10 mA/100 mA Bộ đếm xung Số đếm (đếm lên đếm xuống) Độ phân giải 16 bits Tần số nguồn xung lớn 250 KHz Độ rộng xung vào nhỏ us Mức logic TTL Ngưỡng cực đại V Ứng dụng Đo tốc độ động từ Encoder, đo xung, vv Cho phép thực nhớ tạm Yes Tác động (Triggering) Digital 59 3.2.2 Cách sử dụng Chân Kí Hiệu Giá Mơ tả Giá trị trị Reset Input ADC0 Nhận tín hiệu dạng tương tự(analog) Vref NA -ADC5 5v USB 2.55v set máy tính Input PULSE Input DIR Đếm xung cạnh lên (0-5v) Set đếm xung PULSE đếm xuống 5v 5V Set đếm xung PULSE đếm lên output PWM0 PWM1 Tạo xung với tần số cố định hệ số xung thay đổi từ 0-255 tùy số đặt máy tính (xung 0-5v tổng trở 470Ohm) Output SW0-SW2 Tính hiệu dạng số(0 5v Tổng trở 470 Ohm) tùy set máy tính SW3 Tính hiệu dạng số (0 5v), không không sử dụng ADC0 Nguồn GND Mass Nguồn +5v Lấy từ USB 5v Sơ đồ chân: - ADC0-ADC5: trả giá trị chuyển đổi chân ADC tương ứng (0-255) - DAC0-DAC1: đặt giá trị ngõ chân PWM cho chân DAC tương ứng (0- 255) - SW0-SW3: đặt giá trị cho ngõ số (TRUE-FALSE) PULSE: trả giá trị số xung đếm từ chân PULSE (giá trị từ 0-65635) 60 Hình 3.2 Sơ đồ chức Card USB-9001 3.3 Mơ hình điều khiển sử dụng card USB-9001 3.3.1 Sensor LM35 LM35 họ cảm biến nhiệt, mạch tích hợp, xác cao có điện áp đầu tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ Celsius Họ khơng u cầu chỉnh bên ngồi LM35 cho điện áp 10mV ứng với thay đổi nhiệt độ 10C Bảng 3.1 giới thiệu số thông số kỹ thuật họ LM35: Mã sản phẩm Dải nhiệt độ Độ xác Đầu LM35A -55 C to +150 C + 1.0 C 10 mV/F LM35 -55 C to +150 C + 1.5 C 10 mV/F LM35CA -40 C to +110 C + 1.0 C 10 mV/F LM35C -40 C to +110 C + 1.5 C 10 mV/F LM35D C to +100 C + 2.0 C 10 mV/F 61 Kiểu chân sơ đồ ứng dụng: 3.3.2.Xây dựng mơ hình điều khiển: Mơ hình điều khiển xây dựng hình 3.3 Hình 3.3 Điều khiển lị nhiệt điện trở ghép nối với máy tính Trong đó: - Máy tính: tạo giao diện điều khiển lị nhiệt phần mềm LabVIEW thông qua card USB_9001 62 - Card USB-9001: giao tiếp với máy tính qua cổng USB Nó nhận liệu nhiệt độ từ LM35 qua ADC1 (8 bit) chuyển thành tín hiệu số đưa máy tính Bằng chương trình LabVIEW máy tính xử lý, thông qua card USB-9001 tạo Udk, điều khiển Triac (Modul Cơng suất điều khiển lị nhiệt) đóng mở nguồn cấp cho Lị nhiệt - Modul Cơng suất điều khiển lị nhiệt: trực tiếp đóng mở nguồn cấp điện cho lò nhiệt - LM35: sensor đo nhiệt độ lò nhiệt - Lị nhiệt điện trở: mơ hình sử dụng bóng đèn sợi đốt 200W/ 220V Hình 3.4 Sơ đồ ghép nối phần cứng điều khiển lò nhiệt điện trở 3.4: Chƣơng trình điều khiển ngơn ngữ LabVIEW Chương trình LabVIEW máy tính tạo giao diện người dùng điều khiển lò nhiệt điện trở Độ phân giải kênh ADC Card USB-9001 bit, nên giá trị từ đến 5V sensor LM35 chia thành 28 = 256 giá trị (tức từ đến 255) Do ta có cơng thức chuyển giá trị số thành giá trị điện áp thực sau: 63 V 5S card 255 Như vậy, Vdo giá trị điện áp Vout sensor mà ta đo đồng hồ Voltmeter Code LabVIEW: 64 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN – HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 4.1.Các kết thực đƣợc đề tài - Tìm hiểu LabVIEW bản, giao thức kết nối, phần mềm nhúng vào LabVIEW, công cụ kèm - Thiết kế thi cơng hồn thành giao diện người dùng (The Front Panel) sơ đồ khối (The Block Diagram) LabVIEW để điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt - Thiết kế hoàn thành mạch điều khiển nhiệt độ - Hoàn thành thuyết minh theo thời gian giao 4.2.Những hạn chế Đồ án em đáp ứng yêu cầu đề tài đặt ra, nhiên nhiều hạn chế: - Ứng dụng LabVIEW rộng rãi, thân chúng em chưa tìm hiểu nhiều Giao thức kết nối LabVIEW với thiết bị đa dạng card PCI dùng giao tiếp qua cổng USB, RS232, RS485…Tuy nhiên chúng em tìm hiểu với card USB- 9001 - Đối với mơ hình lị nhiệt chúng em, tín hiệu vào điện áp, tín hiệu nhiệt độ Nhưng thực tế đối tượng chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố khác như: nhiệt độ mơi trường, độ ẩm, gió, yếu tố làm mát…Tuy nhiên, toán ứng dụng chúng em có hạn chế có tín hiệu vào tín hiệu ( hệ SISO ) 4.3.Hƣớng phát triển đề tài - LabVIEW công cụ mạnh đo lường điều khiển Ứng dụng LabVIEW điều khiển nhiều đối tượng lĩnh vực khác Chúng ta dùng LabVIEW để kiểm tra, giám sát tự động trình sản xuất hay đánh giá chất lượng sản phẩm Chúng ta dùng 65 LabVIEW để đo tín hiệu tương tự tốc độ cao hay ứng dụng để liên kết với PLC phần cứng công nghiệp khác - Phát triển toán ứng dụng theo hướng nhiều đầu vào tác động Mơ hình trở thành hệ MISO ( hệ nhiều đầu vào – đầu ) Khi thuật tốn điều khiển thay đổi Em mong em sinh viên khóa sau tiếp tục nghiên cứu, phát triển để đề tài hoàn thiện ứng dụng hiệu thực tế 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Evtatech – Vagam:Học nhanh LabVIEW tiếng việt Hieutq: Tự học nhanh Labview 8.2 hình ảnh Tiếng anh Getting Stared With LabVIEW – Author (Apache Software Foundation) LabVIEW Fundamentals - Author (Apache Software Foundation) LabVIEW Quick Reference Card – National Instruments Corporation LabVIEW Advanced I, hãng National Instrument LabVIEW Basics I + Basics II Course Manual National Instrument PCI – 1710/1710 HG Multifunction DAS card for PCI bus user’s Manual LabVIEW Tutorial Manual - National Instruments Corporation Internet 10 http://www.ni.com 11 http://www.advantech.com/support 12 http://www.dieukhientudong.htm 13 http://techteach.no/labview/lv85/pid_control/index.htm 14 http://www.dientuvienthong.net 67