Nhằm khám phá và nắm bắt sự điều khiển và giám sát trong các hệ thống, cũng như ứng dụng những kiến thức đã học về vi điều khiển, vi xử lý và các môn học liên quan, Nhóm chúng em đã quyết định lựa chọn đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát lưu lượng nước trong đường ống và mức nước trong bể chứa . Đề tài này không chỉ giúp chúng em áp dụng kiến thức đã học vào hệ thống tự động hóa một cách sáng tạo, mà còn có tiềm năng đóng góp vào việc quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
Trang 2PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI MÔN HỌC
Bộ Công Thương
Trường ĐH Công nghiệp Hà Nội Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
PHIẾU GIAO BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA (NHÓM 8)
I Thông tin chung về nhóm SV
II Nội dung đề tài
Cho hệ thống điều khiển và giám sát lưu lượng nước trong đường ống và mức nước trong bể chứa:
Trong đó:
Q: Điểm đo lưu lượng(Có điều khiển và cảnh báo) có dải đo [0-1200]lit/h, Điểm làm việc là 600 lit/h
L: Điểm đo mức(Cảnh báo): có dải đo [0 - 4]m
RUN: Đèn báo hệ thống đang làm việc
HAP: Đèn cảnh báo lưu lượng cao (lớn hơn 1000 lit/h)
LAL: Đèn cảnh báo mức thấp (nhỏ hơn 0.5 m)
HAL: Đèn cảnh báo mức cao (lớn hơn 3.5 m)
START, STOP: Hai nút ấn khởi động và dừng hệ thống
Trạm điều khiển cục bộ sử dụng vi điều khiển (vi xử lý)
II Yêu cầu
1 Tìm hiểu tổng quan về hệ thống
Trang 32 Phân tích thiết kế hệ thống
a Đề xuất cấu trúc hệ thu thập dữ liệu và điều khiển
b Lựa chọn thiết bị đo, chấp hành, điều khiển và giám sát phù hợp
c Đề xuất giải pháp truyền thông cho hệ thống
d Xây dựng thuật toán đo và điều khiển giám sát
II Yêu cầu
1 Tìm hiểu tổng quan về hệ thống
2 Phân tích thiết kế hệ thống
a Đề xuất cấu trúc hệ thống
b Lựa chọn thiết bị đo, chấp hành, điều khiển và giám sát phù hợp
c Đề xuất giải pháp truyền thông cho hệ thống
d Xây dựng thuật toán đo và điều khiển giám sát và viết chương trình
e Mô phỏng hệ thống trên phần mềm sử dụng
f Phân tích ưu điểm và hạn chế của hệ thống, phương hướng khắc phục
III Lưu ý sinh viên
1 Hoạt động nhóm và thời gian nộp báo cáo
- Lập kế hoạch thực hiện nhóm sơ bộ và nộp sau 5-7 ngày kể từ ngày nhận đề tài và kế hoạch nhóm hoàn thiện vào tuần 4 của học kỳ
- Trong quá trình thực hiện hoạt động nhóm: các thành viên trong nhóm luân phiên chủ trì tổ chức các buổi họp làm việc nhóm
- Nộp các tài liệu liên quan đến hoạt động nhóm (báo cáo, biên bản họp làm việc nhóm, kết quả phản hồi nhóm PI5.3b) đầu kỳ vào tuần 4 và bản hoàn thiện vào tuần 10 của họckỳ
2 Báo cáo kết quả làm việc nhóm báo cáo môn học bao gồm:
o Báo cáo các nội dung chuyên môn
o Báo cáo làm việc nhóm với các phần liên quan đến quá trình tổ chức làm việccủa nhóm như sau:
- Đề tài/mục tiêu của nhóm (tham khảo Phụ lục 3),
- Phân chia vai trò các thành viên,
- Cách thức giao tiếp nhóm, các quy tắc chung làm việc nhóm (tham khảoPhụ lục 3),
- Kế hoạch làm việc nhóm chi tiết (tham khảo Phụ lục 2)
- Biên bản họp làm việc nhóm (tham khảo Phụ lục 2)
PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN
I Thông tin chung
1 Tên lớp: EE6113.6 Khóa:15
2 Tên nhóm (nếu giao phiếu học tập nhóm): Nhóm 8
3 Họ và tên thành viên trong nhóm:
Trang 4Nguyễn Quang Thọ – 2020601298 – K15
Hà Văn Tiến – 2021608873 – K16 LTNguyễn Thế Toàn – 2020606973 – K15 Nguyễn Ngọc Trúc – 2020605417 – K15
Từ Văn Tự – 2020603862 – K15
II Nội dung học tập
1 Tên chủ đề: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát lưu lượng nước trongđường ống và mức nước trong bể chứa
2 Hoạt động của sinh viên
- Ứng dụng của đề tài trong thực tiễn và quy trình công nghệ
- Tìm hiểu các thiết bị trên mô hình
- Tìm hiểu về thiết bị điều khiển
- Xây dựng thuật toán, lập trình và kết nối cho hệ thống điều khiển và giám sát lưu lượng nước trong đường ống và mức nước trong bể chứa
3 Sản phẩm nghiên cứu: Bài báo cáo
Trang 5KẾ HOẠCH THỰC HIỆN TIỂU LUẬN, BÀI TẬP LỚN, ĐỒ ÁN/DỰ ÁN
Tên nhóm: Nhóm 8.
Họ và tên thành viên trong nhóm:
Tên chủ đề: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát lưu lượng nước trong đường ống và mức nước trong bể chứa
1-3 Tổng quan về đề tài trong thực tiễn và quy trình công
nghệ
Trao đổi, thảo luận, tìm hiểu thông qua giáo trình
4-5 Tìm hiểu về thiết bị điều khiển và thiết kế hệ thống Trao đổi, thảo luận, tìm
hiểu thông qua giáo trình,
chọn thiết bị
hiểu thông qua giáo trình vàinternet, chọn thiết bị
Trang 69-13 Xây dựng thuật toán
Trang 7BÁO CÁO HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM
Tên chủ đề: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát lưu lượng nước trong đường ống và mức nước trong bể chứa
Kiến nghị với giảng viên hướng dẫn
(Nêu những khó khăn, hỗ trợ từ phía giảng viên,… nếu
Trang 89 Xây dựng phương thức truyền thống Tìm hiểu được cách thức
hoạt động , điều khiển củacác thiết bị
Lập trình
Biết rõ được nguyến lý hoạtđộng, cách thức lập trìnhtheo quy trình
Ngày 15 tháng 12 năm 2023.
XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN
(Ký, ghi rõ họ tên)
Trang 9LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại công nghệ phát triển như vũ bão, ngày càng có nhiều sản phẩm ra đời với những tính năng đa dạng, phong phú, và đặc biệt là rất thông minh.Khoa học phát triển làm cho những ngành khác cũng phát triển theo, điển hình đó làngành điện điện tử, điều khiển tự động, công nghệ thông tin, điện tử viễn thông… Các ngành này kết hợp lại với nhau là tiền đề của sự phát triển các loại máy móc thông minh Một hệ thống máy móc thông minh được cấu thành từ rất nhiều bộ phận, các bộ vi xử lý được lập trình phức tạp, các cơ cấu chấp hành, các cơ cấu xử
lý cũng rất phức tạp,… Có một bộ phận vô cùng quan trọng để tạo lên sự thông minh đó không thể không kể đến đó là các loại cảm biến, vi điều khiển, các bộ phậnhiển thị và điều khiển Nhờ có các bộ phận như vậy mà có rất nhiều các bộ điều kiển, các mạch điện ra đời giúp ích rất nhiều cho sự phát triển kinh tế cũng như quốc phòng hiện nay
Nhằm khám phá và nắm bắt sự điều khiển và giám sát trong các hệ thống,cũng như ứng dụng những kiến thức đã học về vi điều khiển, vi xử lý và các môn
học liên quan, Nhóm chúng em đã quyết định lựa chọn đề tài: "Thiết kế hệ
thống điều khiển và giám sát lưu lượng nước trong đường ống và mức nước trong bể
chứa " Đề tài này không chỉ giúp chúng em áp dụng kiến thức đã học vào hệ
thống tự động hóa một cách sáng tạo, mà còn có tiềm năng đóng góp vào việc quản
lý tài nguyên nước hiệu quả hơn
Trong quá trình làm đồ án không thể tránh khỏi những sai sót Em rất mong
sự đóng góp ý kiến, phê bình và sửa chữa từ quý thầy cô và các bạn sinh viên để đồ
án này hoàn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn!
Trang 10MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
MỤC LỤC 2
DANH MỤC HÌNH ẢNH 4
CHƯƠNG 1 Tổng quan về hệ thống 6
1.1 Mục đích của đề tài 6
1.2 Các thiết bị có trong hệ thống 6
1.2.1 Trạm điều khiển cục bộ 6
1.2.2 Màn hình máy tính giám sát 7
1.2.3 Các thiết bị đo 8
1.2.4 Động cơ bơm nước 8
1.2.5 Bảng điều khiển 9
CHƯƠNG 2 Thiết kế hệ thống 10
2.1 Đề xuất cấu trúc hệ thu thập dữ liệu và điều khiển 10
2.2 Phân tích và lựa chọn thiết bị 10
2.2.1 Cảm biến đo mức 10
2.2.2 Cảm biến đo lưu lượng 11
2.2.3 Thiết bị điều khiển 12
2.2.4 Bộ chuyển tín hiệu dòng điện- điện áp 15
2.2.5 Động cơ bơm nước 16
2.2.6 Relay đóng cắt mạch điện 17
CHƯƠNG 3 Xây dựng phương pháp truyền thông 19
3.1 Các phương pháp truyền thông giữa vi điều khiển và máy tính 19
3.1.1 Truyền song song 19
3.1.2 Truyền thông nối tiếp 19
3.1.3 Truyền thông đồng bộ và không đồng bộ 19
3.2 Tổng quan chuẩn giao tiếp UART trên 8051 20
3.2.1 Các thông số cơ bản trong truyền nhận UART 20
3.2.2 Tốc độ Baurate 21
3.2.3 Khung truyền(frame) 21
3.2.4 Start bit 22
3.2.5 Dữ liệu (data) 22
3.2.6 Stop bits 22
3.3 Các thanh ghi phục vụ UART trên 8051 22
3.3.1 Thanh ghi đệm port nối tiếp SBUF 23
3.3.2 Thanh ghi cấu hình cổng nối tiếp SCON 23
Trang 113.3.3 Các chế độ hoạt động của Port nối tiếp 24
3.3.4 Các bước thiết lập truyền / nhận thông qua UART 24
3.4 Kết nối truyền thông và thiết kế giao điện với C# 25
3.4.1 Giới thiệu về C# 25
3.4.2 Kết nối C# với arduino mô phỏng trên protes 26
3.4.3 Tạo một project 26
3.4.4 Thiết kế hiển thị chữ 28
3.4.5 Thiết kế nút nhấn 29
3.4.6 Thiết kế hộp hiển thị giá trị 30
3.4.7 Thư viện symboi Factory dotnet 31
3.4.8 Kết quả thiết kế giao điện 32
CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH 33
4.1 Mạch điện điều khiển 33
4.1.1 Ghép nối nút nhấn 33
4.1.2 Cấp nguồn cho mạch điều khiển 34
4.1.3 Khối tạo giao động 35
4.2 Xây dựng mạch trong proteus 36
4.3 Sơ đồ thuật toán 37
CHƯƠNG 5 KẾT MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO 45
PHỤ LỤC 46
Trang 12DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 1: Màn hình giám sát sử dụng C# winform 8
Hình 2 1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống 10
Hình 2 2: Thông số cảm biến ULM-70N-06 11
Hình 2 3: Cảm biến đo lưu lượng nước YF-S201 DN15 11
Hình 2 4: Sơ đồ khối của chip 8051 13
Hình 2 5: Sơ đồ chân của 8051 14
Hình 2 6: Mạch chuyển đổi tín hiệu 15
Hình 2 7: Động cơ bơm DP-220 17
Hình 2 8: Relay KY-019 5VDC 17
Hình 3 1: Cấu trúc tổ chức truyền bit UART 20
Hình 3 2: Ví dụ về một khung truyền 21
Hình 3 3: Cấu trúc thanh ghi SBUF 23
Hình 3 4: thanh ghi SCON 23
Hình 3 5: các chế độ của port nối tiếp 24
Hình 3 6: Giao điện cơ bản của phần mềm 25
Hình 3 7: Giao điện khởi động Vitual Serial Port 26
Hình 3 8: Tạo mới project C# Windown Form 27
Hình 3 9: Thiết kế hiển thị chữ label 29
Hình 3 10: Thiết kế nút nhấn 30
Hình 3 11: Thuộc tính và sự kiện của textbox 31
Hình 3 12: Thư viện symboy factory dotnet 32
Hình 3 13: Kết quả thiết kế giao điện 32
Hình 3 14: Adapter nguồn 12V 34
Hình 4 1: Sơ đồ thu thập dữ liệu và điều khiển động cơ 33
Trang 13Hình 4 2: Sơ đồ ghép nối nút nhấn vào vi điều khiển 33
Hình 4 3 Khối ổn áp nguồn 35
Hình 4 4: Khối tạo mạch giao động 35
Hình 4 5: Sơ đồ kết nối hệ thống trên Proteus 36
Hình 4 6: Thuật toán hàm main 37
Hình 4 7: Thuật toán tính lưu lượng 38
Hình 4 8: Thuật toán tính mức nước 38
Hình 4 9: Thuật toán truyền thông UART 39
Hình 4 10: Thuật toán trên C# Windown form 40
Hình 5 1: Trạng thái ban đầu 41
Hình 5 2: Hệ thống cảnh báo mức nước thấp 41
Hình 5 3: Lưu lượng nước trong đường ống tăng 42
Hình 5 4: Mức nước vượt qua giá trị mức thấp 42
Hình 5 5: Cảnh báo mức nước cao 43
Hình 5 6: Cảnh báo mức lưu lượng cao và mức nước cao 44
Trang 14CHƯƠNG 1 Tổng quan về hệ thống1.1 Mục đích của đề tài
Mục đích của đề tài "Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát lưu lượng
nước trong đường ống và mức nước trong bể chứa " là tìm hiểu và áp dụng kiến
thức về vi điều khiển, vi xử lý và các môn học liên quan đến điều khiển và giám sát không dây trong việc xây dựng một hệ thống thông minh để điều khiển và giám sát lưu lượng nước trong đường ống và mức nước trong bể chứa
Cụ thể mục tiêu của đề tài là
- Nghiên cứu và hiểu rõ về các nguyên lý và công nghệ liên quan đến vi điềukhiển, vi xử lý và điều khiển và giám sát trong lĩnh vực thủy lực và quản lýtài nguyên nước
- Thiết kế một hệ thống tự động hóa thông minh có khả năng đo lường, điều khiển và giám sát lưu lượng nước trong các đường ống và mức nước trong
bể chứa
- Phát triển các thuật toán và giao thức phần mềm để xử lý dữ liệu từ các cảm biến lưu lượng và cảm biến mức nước, và từ đó điều khiển hệ thống theo các yêu cầu và thông số đã được đặt trước
- Đánh giá hiệu suất của hệ thống được thiết kế thông qua các thử nghiệm và
so sánh kết quả với các phương pháp điều khiển và giám sát truyền thống
- Tạo ra một hệ thống hiệu quả, tiết kiệm và tự động hóa quá trình quản lýnước, đồng thời đảm bảo tính ổn định và đáng tin cậy của hệ thống
Trang 15cấp điều khiển là nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cơ cấu chấp hành.
Bộ điều khiển là PLC
Là một thiết bị điều khiển đặc biệt hoạt động dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng
bộ nhớ lập trình để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng điều khiển như: thựchiện các phép toán lô gíc, định giờ, đếm, thực hiện các thuậttoán điều khiển và quy trình công nghệ
Ưu điểm là dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn, thực hiện được các
thuật toán phức tạp và độ chính xác cao, mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảoquản và sửa chữa, mở rộng đầu vào ra, giảm thiểu số lượng rơ le và timer so với hệ điều khiển cổ điển, không hạn chế số lượng tiếp điểm và sử dụng trong chương trình Khả năng chống nhiễu tốt và hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
Nhược điểm: giá thành PLC còn rất cao, và phải trả phí để mua phần mềm
bản quyền để sử dụng.ngoài ra để lập trình còn đỏi hỏi người đó có kiến thứcchuyên môn
Bộ điều khiển là vi xử lý
Là một máy tính được tích hợp trên một chip, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào/ra, các module biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số
Ưu điểm : bộ vi điều khiển là chi phí mua một bộ chip là rẻ ,kích thước nhẹ,
gọn và dễ lập trình
Nhược điểm :thường không được tối ưu hóa cho độ tin cậy và ổn định cao
trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, nơi có thể xảy ra nhiễu điện từ và điều kiện làm việc khắc nghiệt.Có thời gian xử lý nhanh nhưng không đảm báo chính xác và tin cậy so với bộ điều khiển PLC
1.2.2 Màn hình máy tính giám sát
Máy tính diều khiển giám sát thuộc cấp điều khiển giám sát, nơi mà có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật Nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi,
Trang 16giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường Người vận hành, người dùng có thể điều khiển hệ thống chỉ bằng màn hình máy tính mà không cần phải xuống tận hiện trường
đo mực nước trong bồn chưa
1.2.4 Động cơ bơm nước
Chức năng cơ bản nhất của động cơ bơm là tạo ra chuyển động cơ học để đẩy nước từ một vị trí đến vị trí khác Điều này thường xuyên được áp dụng trong các hệ thống cung cấp nước, hệ thống làm mát, và các quy trình sản xuất yêu cầu dòng chảy nước
Động cơ bơm nước được sử dụng để kiểm soát lưu lượng, áp xuất nước thông qua hệ thống Bằng cách thay đổi tốc độ hoạt động của động cơ, hệ thống có thể điều chỉnh lượng nước chảy để đáp ứng các yêu cầu cụ thể
Trang 171.2.5 Bảng điều khiển
Cung cấp các thành phần cho việc điều khiển và giám sát hệ thống điện Nó
có thể bao gồm các công tắc, nút nhấn, đèn báo, và các thiết bị điều khiển khác để quản lý và kiểm soát hoạt động của các thiết bị điện
Bảng điều khiển có vai trò quan trọng trong việc vận hành của nhân viên Người vận hành chỉ cần theo tác trên bảng điều khiển mà không cần trực tiếp thao tác trên các khí cụ điện, giúp đảm bảo an toàn Ngoài ra bảng điều khiển còn có các đèn báo giúp quan sát vận hành hệ thống một cách tốt hơn
Trang 18CHƯƠNG 2 Thiết kế hệ thống2.1 Đề xuất cấu trúc hệ thu thập dữ liệu và điều khiển
Dinel ULM-70 sử dụng nguyên lý hoạt động của sóng siêu âm để đo khoảng cách từ cảm biến đến mục tiêu Nó phát ra một tín hiệu sóng siêu âm và sau đó đo thời gian mà sóng này cần để phản xạ lại từ mục tiêu và trở về cảm biến Dựa trên thời gian trôi qua, cảm biến tính toán khoảng cách từ cảm biến đến mục tiêu
Trang 19Hình 2 2: Thông số cảm biến ULM-70N-06
Bảng 2 1: Thông số của cảm biến ULM-70N-6
2.2.2 Cảm biến đo lưu lượng
Cảm biến lưu lượng là một thiết bị được sử dụng để đo và giám sát lưu lượng chất lỏng, khí hoặc chất rắn trong các quy trình công nghiệp và ứng dụng khác nhau Cảm biến này giúp đo lường chính xác lưu lượng của chất lưu qua một đường ống, một kênh hoặc một hệ thống
Với dải đo trong đề tài là [0-1200 lit/h] ta có thể quy đổi ra là [0-20 lit/min], Lựa chọn cảm biến đo lưu lượng sau đây
Hình 2 3: Cảm biến đo lưu lượng nước YF-S201 DN15
Trang 20 Công thức tính lưu lượng
2.2.3 Thiết bị điều khiển
Từ yêu cầu công nghệ đã được đặt ra và các thiết bị điều khiển hiện có, chúng em lựa chọn bộ điều khiển là một bộ vi điều khiển lựa chọn dòng vi điều khiển 8051 của Atmel vì những ưu điểm là : họ vi điều khiển 8051 là một trong những họ vi điều khiển phổ biến và dễ kiếm trên thị trường Điều này giúp dễ dàng tìm kiếm và mua được linh kiện cho dự án Ngoài ra như nó được lập trình dễ dàngbằng các ngôn ngữ như Assembly và C 8051 thường có giá thành thấp so với một
số vi điều khiển khác
Trang 212.2.3.1 Tổng quan vi điều khiển 8051
Hình 2 4: Sơ đồ khối của chip 8051
ROM: là loại bộ nhớ không mất dữ liệu khi mất nguồn cung cấp, được gọi là bộ
nhớ chương trình bên trong có dung lượng 4Kbytes dùng để lưu giữ các mãlệnh của chương trình( phần mềm ứng dụng)
RAM: Bộ nhớ dữ liệu có dung lượng 128 Byte đối với 8051 dùng để lưu giữ dữ
liệu như biến số , hằng số, bộ đệm truyền thông
Timer0, Timer1(T0,T1) : Là hai bộ đếm thời gian hoặc là bộ đếm xung
Serial Port: Là cổng truyền thông nối tiếp có các dặc điểm: Truyền xong công (tức
là có khả năng vừa truyền vừa nhạn dữ liệu tại cùng một thời điểm)Với phương thức truyền không đồng bộ
OSC: Bộ phát xung nhịp nhằm tạo ra sự làm việc một cách đòng bộ cho cả hệ
thống vi điều khiển
BUS: Khối điều khiển các Bus địa chỉ (Addres Bus), Bus dữ liệu (Data Bus) và Bus
điều khiển (Control Bus)
Sơ đồ chân của 8051
Trang 22Hình 2 5: Sơ đồ chân của 8051
- RESET (Tín hiệu vào): Dùng để khởi động lại toàn bộ hệ thống khi chươngtrình đang chạy mà gặp lỗi (Ví dụ: Gặp phải vòng lập vô hạn, chương trình bị treo )
- RxD, TXD: Là hai chân nhận và truyền số liệu của cổng truyền thông nổitiếp (mức tin hiệu là mức TTL) RxD (Receive Data), TXD (Transmit Data)
- INTO, INTI: Là hai chân nhận tín hiệu yêu cầu ngắt từ bên ngoài
- WR: (Tín hiệu ra) cho phép viết dữ liệu tới các ngoại vi, bộ nhớ bên ngoài
Trang 23- Vec, GND; Cấp nguồn cho vi điều khiển (Vec = 5VDC).
-EA/VP: Là tín hiệu vào
-ALE/P: (Tín hiệu ra) là tín hiệu chốt địa chỉ (Address Latch Enable), dùng
để phân biệt khi nào thì PO là bus dữ liệu hoặc là bus địa chỉ khi vi điều khiển cầnghép nối thêm các ngoại vi
- PSEN: Có chức năng giống chân RD nhưng chỉ để đọc bộ nhớ chươngtrìnên bên ngoài
2.2.4 Bộ chuyển tín hiệu dòng điện- điện áp
Mạch chuyển tín hiệu dòng áp Current 4~20mA to Voltage 3.3/5/10VDC Converter HW-685 được sử dụng để chuyển tín hiệu dòng điện từ 0/4~20mA sang các mức tín hiệu điện áp tương ứng 0~3.3V/5V/10V, thích hợp với các ứng dụng chuyển tín hiệu từ các cảm biến dạng dòng điện sang điện áp để giao tiếp với Vi điều khiển hoặc cần ổn định tín hiệu điện khi truyền ở khoảng cách xa
Hình 2 6: Mạch chuyển đổi tín hiệu
Thông số kỹ thuật:
- Current Input support: 4~20mA & 0~20mA
- Voltage Output support: 0~3.3VDC / 0~5VDC / 0~10VDC
Trang 24Khi dòng đầu vào đạt giá trị tối đa (20mA), hiệu chỉnh áp đầu ra bằng biến trở để đạt giá trị tối đa mong muốn (ở các mức áp đầu ra 3.3VDC, 5VDC hoặc 10VDC hiệu chỉnh qua Jumper J1, điện áp mong muốn tối thiểu có thể đạt được là 2.5VDC).
Hiệu chỉnh áp đầu ra của mạch qua các Jumper J1 như sau:
Với cảm biến Đo mức có dòng ra là 4–20ma: 0~5.0VDC J1 1,2 feet short, 3,4 feet shorted
2.2.5 Động cơ bơm nước
Có nhiều loại động cơ bơm một chiều được sử dụng trong các ứng dụng bơmkhác nhau Dưới đây là một số loại động cơ bơm một chiều phổ biến:
Động cơ bơm ly tâm: Đây là loại động cơ phổ biến nhất trong các ứng dụng
bơm Động cơ bơm ly tâm sử dụng nguyên lý của lực ly tâm để tạo ra áp lực và đẩy chất lỏng đi qua hệ thống ống dẫn Động cơ này thường được sử dụng trong các hệ thống cấp nước, hệ thống làm mát, hệ thống xử lý nước thải và các ứng dụng công nghiệp khác
Động cơ bơm dòng chảy: Loại động cơ này sử dụng nguyên lý của dòng
chảy để tạo ra áp lực và di chuyển chất lỏng Động cơ bơm dòng chảy thường được
sử dụng trong hệ thống cấp nước công cộng, hệ thống làm mát trung tâm và các ứngdụng công nghiệp khác có yêu cầu lưu lượng cao
Động cơ bơm tuần hoàn: Động cơ bơm tuần hoàn thường được sử dụng
trong hệ thống tuần hoàn nhiệt độ Chúng sử dụng nguyên lý của sự mở rộng và co lại của chất lỏng để tạo áp lực và di chuyển nó qua hệ thống
Động cơ bơm chìm (submersible pump) : là một loại động cơ được thiết kế
để hoạt động dưới nước hoặc trong các chất lỏng khác Điểm đặc biệt của động cơ bơm chìm là nó được đặt trực tiếp trong chất lỏng cần bơm, thường là trong ống giếng hoặc hồ chứa
Trong đề tài này cần lựa chọn động cơ bơm nước có khả năng bơm
1200lit/giờ Từ yêu cầu nhóm đồ án lựa chọn động cơ DP-220 của thương hiệu MAXPUMPS
Trang 25Hình 2 7: Động cơ bơm DP-220
Thông số kỹ thuật:
- Công suất 220W
- Model:
- Độ cao bơm tối đa 2,5m
- Lưu lượng bơm tối đa 20L/phút – 1200L/giờ
Trang 26- Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A (Để
an toàn nên dùng cho tải có công suất <100W)
- Tích hợp Diod chống nhiễu và đèn báo tín hiệu kích
- Kích thước: 34 x 27 x 20mm
Trang 27CHƯƠNG 3 Xây dựng phương pháp truyền thông
3.1 Các phương pháp truyền thông giữa vi điều khiển và máy tính
3.1.1 Truyền song song
Sử dụng nhiều dây dẫn để truyền dữ liệu giữa các thiết bị có khoảng cáchgần nhau (khoảng vài mét) Phương pháp này cho phép truyền dữ liệu với tốc độcao nhờ được nhiều bit thông tin nhưng khoảng cách bị hạn chế
3.1.2 Truyền thông nối tiếp
Sử dụng một dây dẫn để truyền dữ liệu ( một dây phát đi và một dây thu về) giữa các thiết bị có khoảng cách xa nhau (khoảng vài trăm mét trở lên) Phương pháp này sẽ truyền dữ liệu với tốc độ chậm hơn (so với phương pháp truyền song song) vì chỉ xử dụng một dây dẫn để truyền dữ liệu nên tại một thời điểm chỉ có thể truyền một bit thông tin nhưng khoảng cách truyền thì không bị hạn chế như ở phương pháp song song Chip 8051 có một port nối tiếp (Serial port) vì vậy trong đề
án này lựa chọn phương pháp truyền thông nối tiếp
Các chức năng của Serial port trên 8051
Chức năng của port: chuyển đổi từ dữ liệu song song thành dữ liệu nối tiếp
hoặc chuyển dữ liệu nối tiếp thành dữ liệu song song
Giao tiếp với port nối tiếp: thông qua chân TxD và chân RxD.
Đặc trung của port nối tiếp: Hoạt động song công (full duplex) nghĩa là có
khả năng thu/phát dữ liệu cùng lúc Nhận tiếp một dữ lieuj vào trong khi một dữ liệu đã được nhận và lưu giữ trong bộ đệm thu
3.1.3 Truyền thông đồng bộ và không đồng bộ
Ngoài ra, với phương pháp truyền thông nối tiếp, để đảm bảo tính chính xác của thông tin truyền nhận giữa bộ truyền và bộ nhận cần có những tiêu chuẩn cụ thể Một số giao thức như I2C, SPI,… sử dụng một đường truyền phát xung
(CLOCK) có chức năng đồng bộ quá trình trao đổi thông tin Ví dụ, thiết bị thứ nhấtmuốn truyền một bit data, thiết bị này sử dụng thêm một dây tín hiệu chuyển từ mứcthấp lên mức cao để thông báo cho thiết bị thu biết đang có dữ liệu gửi đến Đây là một cách giúp giảm thiểu rủi ro sai lệch thông tin trong quá trình giao tiếp, được gọi
là phương pháp truyền thông đồng bộ (Synchronous) Khác với truyền thông đồng
Trang 28bộ, truyền thông không đồng bộ (Asynchronous) có những cách chuẩn hóa riêng giữa các thiết bị giao tiếp với nhau và sẽ không cần dùng đến dây tín hiệu phát xung Ứng với cách này, giả sử ta quy định cho bộ truyền và bộ nhận rằng cứ mỗi 1micro giây thì bộ truyền sẽ gửi 1 bit dữ liệu, do đó cứ mỗi 1 micro giây bộ nhận sẽ chỉ cần kiểm tra và tiếp nhận thông tin, sau đó tổng hợp để thu được dữ liệu có nghĩa.
3.2 Tổng quan chuẩn giao tiếp UART trên 8051
Serial là chuẩn giao tiếp truyền thông nối tiếp không đồng bộ (được trình bàytrong phần trước), sử dụng UART kết hợp với mức logic TTL (mức điện áp cao tương ứng với 5V hoặc 3.3V và mức điện áp thấp tương ứng với 0V)
3.2.1 Các thông số cơ bản trong truyền nhận UART
+ Baud rate (tốc độ baud ): Khoảng thời gian dành cho 1 bit được truyền, phải đượccài đặt giống nhau ở gửi và nhận
+ Frame (khung truyền ): Khung truyền quy định về số bit trong mỗi lần truyền.+ Start bit : là bit đầu tiên được truyền trong 1 Frame Báo hiệu cho thiết bị nhận có một gói dữ liệu sắp đc truyền đến Bit bắt buộc
+ Data : dữ liệu cần truyền Bit có trọng số nhỏ nhất LSB được truyền trước sau đó đến bit MSB
+ Parity bit : kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không
+ Stop bit : là 1 hoặc các bit báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong Thiết bịnhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu Bit
Thường thì UART truyền theo chuẩn RS232, có tốc độ baud, 1 bit start, data
8 bit, 1 bit parity và 1 bit stop
Hình 3 1: Cấu trúc tổ chức truyền bit UART
Trang 293.2.2 Tốc độ Baurate
Như trong ví dụ về việc truyền 1 bit data sau mỗi 1 micro giây, ta nhận thấy rằng để việc giao tiếp diễn ra thành công, giữa 2 thiết bị cần có những thống nhất rõràng về khoảng thời gian truyền cho mỗi bit dữ liệu, hay nói cách khác tốc độ truyền cần phải được thống nhất với nhau Tốc độ này được gọi là tốc độ baud (baudrate), được định nghĩa là số bit truyền trong mỗi giây Ví dụ, nếu tốc độ baud được sử dụng là 9600, có nghĩa thời gian truyền cho 1 bit là 1/9600 = 104.167 micro giây
3.2.3 Khung truyền(frame)
Bên cạnh tốc độ baud, khung truyền đối với chuẩn giao tiếp Serial cũng hết sức quan trọng để đảm bảo việc truyền nhận được diễn ra chính xác Khung truyền quy định về số lượng bit truyền trong mỗi lần truyền, bao gồm start bit, các bit data,stop bits, ngoài ra còn có thể có parity bit (kiểm tra lỗi dữ liệu trong quá trình truyềnnhận)
Hình 3 2: Ví dụ về một khung truyềnHình ảnh trên là một ví dụ về khung truyền, bao gồm 1 bit start, 8 bits data
và cuối cùng là 1 bit stop
Trang 303.2.4 Start bit
Đây là bit đầu tiên được truyền vào khung truyền, có chức năng thông báo cho thiết bị nhận biết đang có một chuỗi dữ liệu sắp truyền đến Đối với các dòng AVR nói chung và UnoX nói riêng, ở trạng thái chưa có dữ liệu (Idle) đường truyềnluôn kéo lên mức cao Khi có dữ liệu mới, đường truyền được kéo xuống mức thấp,
do đó start bit sẽ được quy định là mức 0
3.2.5 Dữ liệu (data)
Dữ liệu cần truyền thông thường gồm 8 bits, tuy nhiên chúng ta hoàn toàn cóthể tùy chỉnh số lượng bit data cho một gói tin, có thể là 5, 6, 7, 9… Trong quá trìnhtruyền, bit có trọng số thấp nhất (LSB) sẽ được truyền trước, và cuối cùng sẽ là bit
có trọng số cao nhất (MSB)
3.2.6 Stop bits
Stop bits là một hoặc nhiều bit có chức năng thông báo cho thiết bị nhận biết rằng một gói dữ liệu đã được gửi xong Đây là bit quan trọng, cần phải có trong mộtkhung truyền Giá trị của các stop bit luôn bằng mức Idle (mức nghỉ) và ngược với giá trị của start bit Đối với các dòng vi điều khiển AVR các bit kết thúc này luôn làmức cao
3.3 Các thanh ghi phục vụ UART trên 8051
Giao tiếp UART là chuẩn giao tiếp nối tiếp được sử dụng phổ biến trong cácdòng VĐK Mặc dù có tốc độ truyền không cao, nhưng ngược lại giao tiếp UART
có phần cứng gọn nhẹ, dễ thiết kế và giá thành thấp Giao tiếp UART được sử dụngnhiều trong các ứng dụng như giao tiếp máy tinh, giao tiếp module SIM, module GPS
Vi điêu khiển AT89C51 được tích hợp một bộ giao tiếp nối tiếp UART và giao tiếp qua hai Chân P3.0 (RX- chân thu dữ liệu), P3.1 (TX- chân phát dữ liệu) Chức năng cơ bản của cổng nối tiếp là chuyển dữ liệu song song sang nối tiếp rồi truyền đi, và chuyển dữ liệu nối tiếp sang song song khi nhận Cổng nối tiếp dùng
để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi khác có trang bị chuẩn giao tiếp này như : máytính để bàn thông qua cổng COM, giao tiếp với một vi điều khiển khác,…
Trang 313.3.1 Thanh ghi đệm port nối tiếp SBUF
Thanh ghi SBUF (Serial Buffer Register): được dùng để lưu giữ liệu cần phát đi và
dữ liệu đã nhận được.Việc ghi dữ liệu vào thanh ghi SBUF sẽ nạp dữ liệu để phát đi
và việc đọc dữ liệu từ thanh ghi SBUF sẽ truy xuất dữ liệu thi được
Hình 3 3: Cấu trúc thanh ghi SBUFWrite only: chỉ ghi
Read only : chỉ đọc
Shift register: Thanh ghi dịch bit
Baud rate clock (transmit): xung clock tốc độ baud (phát)
Baud rate clock (receive): xung clock tốc độ baud (thu)
3.3.2 Thanh ghi cấu hình cổng nối tiếp SCON.
Hình 3 4: thanh ghi SCON
SM0, SM1: Đây là 2 bit sử dụng để xác định các chế độ làm việc Có 4 chế độ
truyền UART trong 8051, được miêu tả trong hình sau đây
Trang 32Hình 3 5: các chế độ của port nối tiếp
SM2: Đây là bit sử dụng cho truyền thông giữa các bộ vi điều khiển.
REN: Bit cho phép nhận dữ liệu, khi sử dụng chức năng nhận dữ liệu qua cổng
UART, phải bật bit này lên 1
TB8, RB8: Bit thứ 9 của truyền/nhận trong chế độ truyền 9 bit.
TI, RI: Cờ báo ngắt truyền, ngắt nhận.
3.3.3 Các chế độ hoạt động của Port nối tiếp
Chế độ 0 – thanh ghi dịch 8 bit
Chế độ 1 – UART 8 bit có tốc độ baud thay đổi
Chế độ 2 – UART 9 bit có tốc độ baud cố định
Chế độ 3 – UART 9 bit có tốc độ Baud thay đổi
3.3.4 Các bước thiết lập truyền / nhận thông qua UART
3.3.4.1 Thiết lập chế độ truyền, tốc độ baud
- Ghi giá trị 0x20 vào thanh ghi TMOD để cài đặt sử dụng timer 1 ở chế độ 8 bit, tự nạp lại (TMOD = 0x20)
- Ghi vào thanh ghi TH1 giá trị thích hợp để chọn tốc độ baudrate Giá trị này được tính dựa vào công thức đã cho ở mục 2 trong phần I
- Ghi vào thanh ghi SCON giá trị 0x50 để thiết lập chế độ truyền 8 bit, 1 bit start, 1 bit stop (SCON = 0x50 (SM0 = 0, SM1 = 1, REN = 1))
- Bật bit TR1 để khởi động timer 1