ĐỀ TÀI CẢM BIỆN NHIỆT ĐỘ LM35 VÀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT SỬ DỤNG MẠNG CAN

TRƯỜNG ĐH GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO HỌC PHẦN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GIAO THÔNG ĐỀ TÀI CẢM BIỆN NHIỆT ĐỘ LM35 VÀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT SỬ DỤNG MẠNG CAN Giảng viên hướng dẫn: TS LƯU HOÀNG MINH Sinh viên thực hiện: 2051210097 DG20 LÊ MINH HẢO Tp Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 10 năm 2023 1 Nhận xét của giảng viên hướng dẫn TP.Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2023 Giảng viên hướng dẫn (ký và ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN 2 Sau thời gian học tập, tìm hiểu và được thầy chỉ dạy, nhóm em đã nắm được những kiến thức cơ bản của môn học đo lường và điều khiển hệ thống giao thông Để áp dụng lý thuyết của môn học với thực tế, em đã được giao đề tài: “cảm biến nhiệt độ LM35 và hệ thống giám sát sử dụng mạng can ” Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn chế, tài liệu tham khảo giới hạn nên báo cáo còn xảy ra sai sót Em rất mong thầy và các bạn góp ý, bổ sung để báo cáo của em được hoàn thiện hơn và giúp em rút được thêm kinh nghiệm cho các báo cáo khác ở các môn học sau Em xin chân thành cảm ơn thầy! 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ LM35 6 1.1 Giới thiệu 6 1.2 Sơ đồ đấu chân của cảm biến nhiệt độ LM35 7 1.3 Thông số kỹ thuật LM35 7 1.4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ LM35 .8 1.5 Các dạng mạch đo nhiệt độ .8 1.6 Các bước tính toán nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt độ LM35 9 1.7 Công thức chuyển đổi điện áp thành nhiệt độ .9 1.8 Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ LM35 .10 1.9 LM35 VỚI ARDUINO 10 CHƯƠNG 2 MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 12 2.1 Mạng truyền thông công nghiệp? 12 2.2 Trình bày sơ lược phần lý thuyết cơ sở kỹ thuật mạng truyền thông công nghiệp được giao của nhóm 12 2.2.1 Các khái niệm cơ bản 12 2.2.2 Chế độ truyền tải 13 2.2.3 Cấu trúc mạng – Toplogy 15 2.2.4 Kiến trúc giao thức .16 2.2.5 Truy nhập bus .18 2.3 Trình bày về mạng CAN .18 2.3.1 Sơ lược phần lý thuyết mạng CAN được giao của nhóm 18 2.3.2 Sơ lược về module can bus MCP2515 .19 2.3.3 Hệ thống giám sát tốc độ động cơ sử dụng mạng CAN 21 2.3.4 Viết chương trình cho hệ thống giám sát tốc độ động cơ 22 4 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại công nghiệp 4.0, việc triển khai ứng dụng điều khiển, xử lý giao thông thông minh ngày càng phổ biến vì sự phát triển vượt bậc của lĩnh vực này không chỉ áp dụng trong công nghệ mà còn hữu dụng triệt để trong đời sống xã hội Khi áp dụng các kĩ thuật này vào mô hình hệ thống giao thông, còn những bất cập mà không chỉ dừng lại việc điều khiển các vi điều khiển mà còn điều khiển cả hệ thống tuyến đường giao thông lớn … mà nó ngày càng trở nên phức tạp Với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp hóa – hiện đại hóa, đặc biệt là ngành điện, điện tử, sự phát minh ra các linh kiện điện tử hay các con IC đã và đang ngày càng đáp ứng được yêu cầu của các hệ thống trong lĩnh vực công nghiệp Việc sử dụng các linh kiện điện tử giúp cho hệ thống trở nên linh hoạt và đa dạng hơn, giá thành thấp hơn và độ chính xác cao hơn 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ LM35 1.1 Giới thiệu Nhiệt độ là một trong những thông số được đo phổ biến nhất trên thế giới Chúng được sử dụng trong các thiết bị gia dụng như lò vi sóng, tủ lạnh, máy điều hòa, v.v cho đến các thiết bị được sử dụng trong công nghiệp Cảm biến nhiệt độ về cơ bản đo nóng/lạnh được tạo ra bởi một đối tượng mà nó được kết nối Cảm biến cung cấp một giá trị điện trở, dòng điện hoặc điện áp ở đầu ra tỷ lệ với nhiệt độ cần đo, sau đó các đại lượng này được đo hoặc xử lý theo ứng dụng của chúng ta Cảm biến nhiệt độ về cơ bản được phân thành hai loại: Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc: Các cảm biến nhiệt độ này sử dụng đối lưu và bức xạ để theo dõi nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ tiếp xúc: Cảm biến nhiệt độ tiếp xúc được chia thành ba loại: 1 Cơ điện (Cặp nhiệt điện – Thermocouple) 2 Cảm biến nhiệt độ điện trở (RTD – Resistance Temperature Detector) 3 Dựa trên chất bán dẫn (LM35, DS1820, v.v ) LM35 là một cảm biến nhiệt độ tương tự, điện áp ở đầu ra của cảm biến tỷ lệ với nhiệt độ tức thời và có thể dễ dàng được xử lý để có được giá trị nhiệt độ bằng oC Ưu điểm của LM35 so với cặp nhiệt điện là nó không yêu cầu bất kỳ hiệu chuẩn bên ngoài nào Lớp vỏ cũng bảo vệ nó khỏi bị quá nhiệt Chi phí thấp và độ chính xác cao đã khiến cho loại cảm biến này trở thành một lựa chọn đối với những người yêu thích chế tạo mạch điện tử, người làm mạch tự chế và các bạn sinh viên Vì có nhiều ưu điểm nêu trên nên cảm biến nhiệt độ LM35 đã được sử dụng trong nhiều sản phẩm đơn giản, giá thành thấp Đã hơn 15 năm kể từ lần ra mắt đầu tiên nhưng cảm biến này vẫn tồn tại và được sử dụng trong nhiều sản phẩm và ứng dụng đã cho thấy giá trị của loại cảm biến này 6 1.2 Sơ đồ đấu chân của cảm biến nhiệt độ LM35 Hình 1.2: chân Tên chân Chức năng 1 VCC hay +VS Chân cấp nguồn với điện áp từ 4V đến 30V 2 VOUT Chân lấy điện áp ra, điện áp ở chân này thay 3 GND đổi 10mV/oC Chân nối đất 1.3 Thông số kỹ thuật LM35 Hiệu chuẩn trực tiếp theo oC Điện áp hoạt động: 4-30VDC Dòng điện tiêu thụ: khoảng 60uA Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C Khoảng nhiệt độ đo được: -55°C đến 150°C Điện áp thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C Độ tự gia nhiệt thấp, 0,08oC trong không khí tĩnh Sai số: 0,25°C Trở kháng ngõ ra nhỏ, 0,2Ω với dòng tải 1mA 7 Kiểu chân: TO92 Kích thước: 4.3 × 4.3mm LM35 có thể đo nhiệt độ trong phạm vi từ -55oC đến 150oC Độ chính xác thực tế của cảm biến: ±1/4°C ở nhiệt độ phòng và ±3/4°C trong phạm vi nhiệt độ từ - 55°C đến 150°C Việc chuyển đổi điện áp đầu ra sang oC cũng dễ dàng và trực tiếp Trở kháng đầu ra nhỏ, đầu ra tuyến tính và hiệu chuẩn chính xác là những đặc tính vốn có của LM35, giúp tạo giao tiếp để đọc hoặc điều khiển mạch rất dễ dàng Điện áp cung cấp cho cảm biến LM35 hoạt động có thể từ +4 V đến 30 V Nó tiêu thụ dòng điện khoảng 60μA LM35A LM35 có nhiều họ là LM35A, LM35CA, LM35D, LM135, LM135A, LM235, LM335 Tất cả các thành viên trong họ LM35 đều hoạt động theo nguyên tắc giống nhau nhưng khả năng đo nhiệt độ khác nhau và chúng cũng có nhiều kiểu chân khác nhau (SOIC, TO-220, TO-92, TO) 1.4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ LM35 Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho ra một giá trị điện áp nhất định tại chân VOUT (chân giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ Như vậy, bằng cách đưa vào chân bên trái của cảm biến LM35 điện áp 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện thế ở chân giữa, bạn sẽ có được nhiệt độ (0-100ºC) tương ứng với điện áp đo được Vì điện áp ngõ ra của cảm biến tương đối nhỏ nên thông thường trong các mạch ứng dụng thực tế, chúng ta thường dùng Op-Amp để khuếch đại điện áp ngõ ra này 1.5 Các dạng mạch đo nhiệt độ LM35 có thể được sử dụng một trong hai cấu hình mạch như hình bên dưới Cả hai đều mang lại kết quả khác nhau Hình 1.5 8 Trong cấu hình mạch phía bên trái, cảm biến chỉ có thể đo nhiệt độ dương từ 2 oC đến 150 oC Theo cấu hình mạch này, chúng ta chỉ cần cấp nguồn cho LM35 và kết nối đầu ra trực tiếp với bộ chuyển đổi tương tự sang số Trong cấu hình mạch thứ hai, chúng ta có thể đo nhiệt độ toàn dải từ -55 oC đến 150 oC Cấu hình mạch này hơi phức tạp nhưng mang lại kết quả cao Trong trường hợp này, chúng ta phải kết nối một điện trở bên ngoài (R1) để chuyển mức điện áp âm lên dương Giá trị điện trở bên ngoài có thể được tính toán theo công thức ghi bên dưới cấu hình mạch Mặc dù cấu hình mạch đầu tiên không cần điện trở ở phía đầu ra nhưng tôi khuyên bạn nên kết nối điện trở 80 kΩ đến 100 kΩ giữa chân VOUT và chân GND Khi tôi thực hiện một số thí nghiệm, tôi nhận thấy rằng các số đọc bị dao động và ngõ ra VOUT có hiện tượng thả nổi Vì vậy, một điện trở giữa VOUT và GND sẽ cố định chân VOUT ở mức thấp và ngăn không cho chân này bị thả nổi Các thông số về độ chính xác cho cả hai cấu hình mạch là khác nhau Mức độ chính xác trung bình là ± 1 oC cho cả hai cấu hình Nhưng mức độ chính xác giảm đối với khoảng nhiệt độ từ 2 oC đến 25 oC 1.6 Các bước tính toán nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt độ LM35 Thiết kế mạch Cấp nguồn cho cảm biến với điện áp từ 4V đến 30V Chân GND được nối đất Kết nối chân VOUT với đầu vào bộ chuyển đổi tương tự sang số hay vi điều khiển Lấy mẫu đọc ADC để xác định điện áp đầu ra VOUT Chuyển đổi điện áp thành nhiệt độ 1.7 Công thức chuyển đổi điện áp thành nhiệt độ Công thức để chuyển đổi điện áp sang nhiệt độ độ C cho LM35 là: Nhiệt độ đo được (oC) = Điện áp được đọc bởi bộ ADC/10 mV Tôi chia cho 10 mV vì độ nhạy của cảm biến LM35 là 10mV 9 Làm theo các bước và hướng dẫn ở trên, bạn có thể dễ dàng giao tiếp cảm biến LM35 với bất kỳ bộ vi điều khiển nào có chân chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số được tích hợp sẵn Hầu hết tất cả các bộ vi điều khiển ngày nay đều có bộ ADC tích hợp sẵn 1.8 Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ LM35 Cảm biến nhiệt độ LM35 phù hợp cho các ứng dụng: Học tập nghiên cứu Đo nhiệt độ của một môi trường cụ thể Giám sát nhiệt độ trong hệ thống HVAC Kiểm tra nhiệt độ pin Cung cấp thông tin về nhiệt độ của một linh kiện điện tử khác 1.9 LM35 VỚI ARDUINO Sơ đồ đấu nối Cảm biến nhiệt độ LM35 +Vs (4 – 20V) Arduino Uno GND VCC VOUT GND A0 Hình 1.9 CODE 10 2.2.4 Kiến trúc giao thức 17 - Dịch vụ truyền thông: Các dịch vụ truyền thông được thực hiện bằng phần cứng hoặc phần mềm Việc khai thác các dịch vụ đó từ phía người sử dụng phải thông qua phần mềm giao diện mạng Ví dụ: Giao diện người – máy HMI và điều khiển giám sát SCADA, các giao diện mạng này có thể được cài đặt sẵn trên các phần mềm như PLC, SCADA hoặc qua các thư viện phần mềm phổ thông khác dưới dạng các hàm dịch vụ như C/C++, Visual Basic,… Hình 2.2.4.1: Thiết kế giao diện điều khiển nút nhấn và đèn trên phần mềm PLC - Giao thức UART: Là một mạch vi điện tử, được sử dụng rộng rãi cho việc truyền bit nối tiếp cũng như chuyển đổi song song/nối tiếp giữa đường truyền và bus PC Việc truyền tải được thực hiện theo từng ký tự 7 hoặc 8 bit, được bổ sung 2 bit đánh dấu đầu cuối và 1 bit kiểm tra lỗi chẵn lẻ Bit khởi đầu luôn là bit 0 và bit kết thúc bao giờ cũng là 1 Các bit được truyền luôn theo thứ tự từ bit thấp đến bit cao 18 Hình 2.2.4.2: Ứng dụng giao thức UART: điều khiển vi điều khiển bằng PC qua cổng RS232 - Mô hình lớp: Để thực hiện 1 dịch vụ truyền thông, mỗi bức điện được xử lý qua nhiều lớp trên cơ sở các giao thức quy định, gọi là xử lý giao thức theo mô hình lớp - Kiến trúc giao thức OSI: OSI chỉ là một mô hình kiến trúc phân lớp với mục đích phục vụ việc sắp xếp và đối chiếu các hệ thống truyền thông có sẵn 19 2.2.5 Truy nhập bus Hình 2.2.5: Phân loại các phương pháp truy nhập bus 2.3 Trình bày về mạng CAN 2.3.1 Sơ lược phần lý thuyết mạng CAN được giao của nhóm - Bảo toàn dữ liệu trong mạng CAN: Mỗi trạm CAN đều sử dụng kết hợp nhiều biện pháp để tự kiểm tra, phát hiện và báo hiệu lỗi; theo dõi mức tín hiệu của mỗi bit truyền đi và so sánh với với tín hiệu nhận được trên bus; kiểm soát qua mã CRC; thực hiện nhồi bit (nhồi một bit nghịch đảo sau năm bít giống nhau); kiểm soát khung thông báo - Kỹ thuật truyền dẫn trong mạng CAN: CAN thực chất chỉ là chuẩn giao thức từ phần trên của lớp vật lí cho tới hết lớp liên kết dữ liệu, vì vậy không có quy định cụ thể về chuẩn truyền dẫn cũng như môi trường truyền thông CAN phân biệt 2 trạng thái logic của tín hiệu là mức trội(dominant) và mức lặn(recessive), tuy nhiên không quy định rõ giá trị bit nào ứng với mức tín hiệu nào Trong trường hợp cả bit trội và bit lặn được phát đồng thời thì bit trội sẽ lấn át và tín hiệu trên BUS sẽ có mức trội - Mã hóa bit: Trước khi được chuyển đổi thành tín hiệu trên đường truyền, CAN sử dụng phương pháp nhồi bit (bit stuffing) Phương pháp này được sử dụng với mục đích chính là tạo một dãy bit thuận lợi cho việc đóng gói dữ liệu và mã hóa bit Khi 5 bit giống nhau liên tục, bộ phát sẽ tự động bổ sung bit nghịch đảo vào cuối, bên nhận sẽ phát hiện ra bit được nhồi và tái tạo thông tin ban đầu Ví dụ: 20