Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Minh Phương XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG ĐA TÍN HIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, tháng 12 năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Minh Phương XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG ĐA TÍN HIỆU Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số: 60.44.01.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐỖ TRUNG KIÊN Hà Nội - Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và lòng biết ơn trân thành tới TS. Đỗ Trung Kiên, thầy đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn trân thànhđến các thầy cô trong khoa Vật lý, bộ môn Vật lý vô tuyến và điện tử trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội, các thầy cô đã giúp đỡ và chỉ bảo cho em trong suốt thời gian học tập tại Trường. Em cũng xin cảm ơn sự hỗ trợ của đề tài nhóm B - Đại học Quốc gia Hà nội QG.12.02. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn trân thành tới gia đình, bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn. Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn luận văn còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn. Một lần nữa, em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên: Trần Thị Minh Phương MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1. Hệ thiết bị đo lường 3 1.2. Bộ thu thập số liệu (Data logger) 4 1.2.1. Giới thiệu 4 1.2.2. Một số đặc điểm số liệu và hệ thu thập số liệu. 5 1.2.3. Một số bộ thu thập số liệu hiện nay 6 1.3. Thu thập số liệu thông qua webserver 7 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 9 2.1. Các đại lượng đo và lựa chọn cảm biến 9 2.1.1. Đo độ ẩm. 9 a) Giới thiệu: 9 b) Lựa chọn cảm biến: 10 2.1.2. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 14 a) Giới thiệu: 14 b) Lựa chọn cảm biến: 14 2.1.3. Đo nồng độ khí CO 2 15 a) Giới thiệu: 15 b) Lựa chọn cảm biến 16 2.1.4. Cảm biến âm thanh 18 a) Giới thiệu: 18 b) Lựa chọn cảm biến: 19 2.2. Vi điều khiển: 20 a) Giới thiệu về vi điều khiển 20 b) Giới thiệu về vi điều khiển PIC 21 c) Về vi điều khiển PIC 16F887A 22 2.3. Các thành phần khác trong mạch: 23 2.3.1. Bộ nguồn 23 2.3.2. IC thời gian thực RTC DS1307 23 2.4. Truyền, nhận dữ liệu đo 26 2.5. Xử lý số liệu và đưa lên Lan Server: 27 2.6. Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu 29 2.6.1. Mạch mô phỏng của hệ đo: 29 2.6.2. Xây dựng thuật toán cho hệ đo: 31 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 32 3.1 Kết quả xây dựng hệ đo 32 3.2. Kết quả số liệu thu thập từ hệ đo 33 3.3. Kết quả đưa số liệu lên Lan Server. 34 3.4. Các khả năng ứng dụng trong thực tiễn 36 3.5. Tiềm năng, mở rộng và nâng cấp hệ thông 36 KẾT LUẬN 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 Phụ lục 42 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình vẽ Trang Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ đo lường tự động. 3 Hình 1.2: Sơ đồ khối bộ thu thập số liệu 4 Hình 1 3: Bộ thu thập số liệu DVTH và MT100 6 Hình 2.1: Sự phụ thuộc của điện dung vào độ ẩm tương đối của DHT11 11 Hình 2.2: Hình ảnh của cảm biến DHT11 11 Hình 2.3: Hình ảnh của cảm biến DHT11 trong mạch mô phỏng 11 Hình 2.4: Hình ảnh kết nối MCU và DHT11 13 Hình 2.5: MCU gửi tín hiệu Start và tín hiệu trả lời của DHT11 13 Hình 2.6: Quá trình gửi bits “0” 13 Hình 2.7: Quá trình gửi bits “1” 14 Hình 2.8: Quá trình gửi bit STOP 14 Hình 2.9: Hình ảnh cảm biến DS18B20 trong mạch mô phỏng 15 Hình 2.10: Hình ảnh thực tế của cảm biến DS18B20 15 Hình 2.10: Hình ảnh của cảm biến khí gas MG811 16 Hình 2.11: Cấu tạo của cảm biến MG811 17 Hình 2.12: Sự phuh thuộc của cường độ dòng ra và nồng độ CO 2 – trong điều kiện môi trường bình thương (nhiệt độ 28 o C; độ ẩm 65%) 17 Hình 2.13: Hình ảnh cảm biến MG811 trong mạch mô phỏng 18 Hình 2.14: Hình ảnh của micro trong cảm biến đo âm thanh 19 Hình 2.15: Hình ảnh cảm biến đo âm thanh ghép nối với khuếch đại thuật toán LM386 20 Hình 2.16: Hình ảnh của vi điều khiển PIC 16F877A 22 Hình vẽ Trang Hình 2.17: Hình ảnh của DS1307 trong mạch mô phỏng 23 Hình 2.18: Sơ đồ khối của DS1307 24 Hình 2.19: Giản đồ thời gian của giao tiếp UART 26 Hình 2.20: Giao diện của phần mềm Herquese. 27 Hình 2.21: Mô hình đặt quyền truy cập dữ liệu 29 Hình 2.22: Sơ đồ khối của hệ đo 30 Hình 3.1: Hình ảnh hệ thống thu thập số 32 Hình 3.2: Hình ảnh chọn chế độ hiển thị số liệu lên LCD và truyền UART 32 Hình 3.3: Hình ảnh truyền dữ liệu đo theo UART vào máy tính. 33 Hình 3.4. Hình ảnh file số liệu ghi nhận từ hệ và lưu trên máy tính 33 Hình 3.5: Số liệu hiển thị qua phần mềm Herquese 34 Hình 3.6: Giao diện của hệ thống quản lý số liệu môi trường qua Lan Server 35 Hình 3.7: Hình ảnh kết quả đo được truy cập từ máy tính trung cùng mạng cục bộ 35 1 MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài. Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ linh kiện điện tử và công nghệ thông tin(CNTT) đã đưa tự động hóa vào từng ngõ ngách của cuộc sống, tạo ra những thay đổi to lớn trong lao động, sản xuất. Ứng dụng của vi điều khiển, vi xử lý cho phép con người có thể tạo ra những hệ thống hoạt động chính xác, tính ổn định cao, có khả năng làm việc một cách tự động và thông minh hơn, phục vụ cho từng mục đích cụ thể. Với yêu cầu trong thực tế là tại các phòng thí nghiệm, bênh viện, nhà kính trồng cây, …. cần kiểm soát tự động các thông số của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, điểm sương, tiếng ồn, nồng độ khí, …) để có thể điều chỉnh cho phù hợp thì việc nghiên cứu, xây dựng hệ đo các thông số môi trường đa tín hiệu là rất quan trọng và cần thiết. Với yêu cầu hệ cần thu thập các thông số môi trường một cách tự động,từ xa với khả năng xử lý, lưu trữ dữ liệu môi trường 24/24 và có thể giám sát qua môi trường Internet thì đã được thương mại hóa, tuy nhiên giá thành của các hệ này còn khá cao. Chính vì vậy, việc nghiên cứu và làm chủ được kỹ thuật cho hệ đo các thông số môi trường đa tín hiệulà điều cần thiết, phát huy được nội lực trong nước, định hướng sản xuất ra những sản phẩm tự động hóa chất lượng cao, giá cả cạnh tranh. Với mục đích đó, nội dung luận văn tập trung trình bày việc nghiên cứu và triển khai xây dựng một hệ đo các thông số môi trường đa tín hiệu trên cơ sở sử dụng các cảm biến đầu ra số ghép nối với một vi điều khiển và kết nối với máy tính làm Server. 2. Phương pháp nghiên cứu. Để có thể xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu, em đã tiến hành khảo sát, phân tích các đặc điểm liên quan đến thông số kỹ thuật của các cảm biến 2 ứng với từng thông số môi trường cần khao sát, các đặc trưng của vi điều khiển, các chuẩn kết nối; ngoài ra để có thể khảo sát, đánh giá phương án thiết kế hệ đó em sử dụng các phần mềm mô phỏng, tính toán thiết kế mạch trước khi thực hiện lắp đặt. Trong luận văn này, các thông số môi trường được xác định và tập trung nghiên cứu bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn và nồng độ khí CO 2 . Việc khảo sát số liệu và kiểm chứng kết quả thu được được thực hiện và so sánh với các hình thức đo đạt truyền thống. 3. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Chương 3:Kết quả thực nghiệm Các kết quả chính của luận văn được chứa đựng trong chương 2 và chương 3.Kết quả luận văn đã thu được biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn và nồng độ CO 2 theo thời gian. 1.1. Hệ thiết bị đo lư ờng Vi ệc đo đạc, thu thập xử lý thông tin nói chung chia l thu thập truyền và x ử lý. Trong đó quá tr lượng vật lý th ành các con s đo. Dụng cụ đo thông qua phép đo mà chuy tượng cần đo th ành các đ là có thể hiển thị đư ợc hoặc đọc đ thuận lợi cho việc lưu tr ữ, về cái đại lư ợng điện mang thông tin định l thế hoặc dòng đi ện. Đại l b ằng các thiết bị điện, mạch điện t đạt được rất nhiều th ành t được thực hiện tr ên cơ s hoàn toàn ho ặc tự động một phần thông qua hệ b ằng ít nhất một bộ vi xử lý v thực hiện công việc li ên quan h phần mềm, vận hành h ệ thống, sử dụng v đạc và đi ều khiển tự động có các chức năng đo đạc các đại l tượng, truyền thông, l ưu tr hiệu điều khi ển phản hồi Sơ đ ồ khối của một hệ đo l Hình CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ờng ệc đo đạc, thu thập xử lý thông tin nói chung chia làm ba ph ử lý. Trong đó quá tr ình đo thực chất là vi ệc định l ành các con s ố và đơn v ị bằng cách thực hiện phép đo bằng dụng cụ đo thông qua phép đo mà chuy ển các đại lư ợng vật lý cần đo của đối ành các đ ại lượng khác có thông tin định lư ợng của đại l ợc hoặc đọc đ ược một cách định lượng. Thư ờng ng ữ, truyền thông, xử lý thì các đại lư ợng cần đo đều chuyển ợng điện mang thông tin định l ượng của đại lư ợng cần đo nh ện. Đại l ượng điện này thu ận lợi cho việc truyền, l ằng các thiết bị điện, mạch điện t ích h ợp, với công nghệ điện toán m ành t ựu. Việc thu thập gồm truyền và lưu tr ữ ng ên cơ s ở điện toán. Việc xử lý thông tin đư ợc thực hiện tự động ặc tự động một phần thông qua hệ th ống điện toán, th ằng ít nhất một bộ vi xử lý v à một chương trình hoạt động tr ên vi x ên quan h ệ thống này là xây d ựng hệ thống gồm phần cứng v ệ thống, sử dụng v à đánh giá các kết qu ả đo. Một hệ thống đo ều khiển tự động có các chức năng đo đạc các đại l ư ợng, thông số của đối ưu tr ữ, xử lý, phân tích đánh giá và còn có th ể đ ển phản hồi tự động. ồ khối của một hệ đo l ường tự động như trên Hình 1.21: Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ đo lường tự động. 3 àm ba ph ần chính là đo, ệc định l ượng các đại ị bằng cách thực hiện phép đo bằng dụng cụ ợng vật lý cần đo của đối ợng của đại l ượng đó tức ờng ng ày nay, để ợng cần đo đều chuyển ợng cần đo nh ư hiệu điện ận lợi cho việc truyền, l ưu trữ, xử lý ợp, với công nghệ điện toán m à nhân loại đã ữ ng ày nay thường ợc thực hiện tự động ống điện toán, th ường thực hiệu ên vi x ử lý đó. Người ựng hệ thống gồm phần cứng v à ả đo. Một hệ thống đo ợng, thông số của đối ể đ ưa ra các tín [...]... cứu các thông số môi trường cần đo từ đó đưa ra các loại cảm biến phù hợp; cấu tạo và hoạt động của vi điều khiển PIC16F; truyền nhận dữ liệu UART Tiếp đó triển khai xây dựng hệ thu thập số liệu môi trường tự động Như đã trình bày tại phần mở đầu, luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu xây dựng hệ đo các thông số môi trường gồm: nhiệt độ, độ ẩm không khí, cường độ âm và nồng độ khí CO2, các thông số này... thập số liệu là hệ thống đo không có phần phản hồi Nhiệm vụ của bộ thu thập số liệu là đo đạc và lưu trữ, truyền thông số liệu Và cụ thể hơn và việc thu thập, đo đạc các thông số của môi trường 1.2 Bộ thu thập số liệu (Data logger) 1.2.1 Giới thiệu Bộ thu thập số liệu (Data logger) là thiết bị điện tử có khả năng đo đạc tự động và lưu trữ các số liệu đo được theo thời gian Do có khả năng tự động đo và... người quản trị, tất cả dữ liệu sẽ được thể hiện nhưng với quyền khách, chỉ có 5 dữ liệu cuối cùng được hiển thị Hình 2.21: Mô hình đặt quyền truy cập dữ liệu 2.6 Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu 2.6.1 Mạch mô phỏng của hệ đo: Tín hiệu từ các khối cơ bản (khối nhiệt độ, khối độ ẩm, khối CO2, khối âm thanh, khối thời gian được đưa vào VI ĐIỀU KHIỂN xử lý và hiển thị LCD hoặc truyền qua UART... người sử dụng Khối xử lý có thể là một hệ vi điều khiển hoặc máy tính cá nhân kết hợp với một số IC chuyên dụng khác 1.2.2 Một số đặc điểm số liệu và hệ thu thập số liệu Các hệ thống thu thập số liệu môi trường thường được đặt ở những nơi xa phòng thí nghiệm, do vậy nó phải có khả năng hoạt động độc lập, lưu trữ số liệu và có giao thức để truyền số liệu vào máy tính Ngoài ra, thiết bị phải có khả năng... nhau Các đại lượng đo thường là các đại lượng biến đổi chậm theo thời gian Bởi nếu không như vậy thì số lượng thông tin đo được sẽ là một khối lượng khổng lồ Đối với hệ thống thì tần số lấy mẫu là 1 Hz (tương ứng tần số tín hiệu nhỏ hơn 5 0,5Hz - Theo định lý Nyquist) thì khối lượng thông tin cần lưu trữ trong 1 ngày đã là rất lớn Một số loại data logger hỗ trợ thêm khả năng xử lý thông tin trước khi... DHT11 Hình 2.5: MCU gửi tín hiệu Start và tín hiệu trả lời của DHT11 Hình 2.6: Quá trình gửi bits “0” 13 Hình 2.7: Quá trình gửi bits “1” Hình 2.8: Quá trình gửi bit STOP 2.1.2 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 a) Giới thiệu: Nhiệt độ theo cách hiểu đơn giản nhất là đại lượng mô tả tính chất vật lý đặc trưng cho sự nóng, lạnh của vật, môi trường Để có thể đo được nhiệt độ thông qua các hệ điện tử, ta có thể... biến tuyến tính Hình 2.9 và 2.10 là hình ảnh của cảm biến DS18B20 Hình 2.9: Hình ảnh cảm biến DS18B20 trong mạch mô phỏng Hình 2.10: Hình ảnh thực tế của cảm biến DS18B20 2.1.3 Đo nồng độ khí CO2 a) Giới thiệu: 15 Cảm biến đo nồng độ khí là biến tử cho phép các định thông tin về môi trường khí, dựa trên lớp nhậy khí và phần chuyển tín hiệu điện Việc phát hiện khí được dựa trên sự thay đổi môi trường khí... xấp xỉ 20 lần Tin hiệu không bị méo và biến dạng quá nhiều (LM 386 là một bộ khuếch đại chuyên dụng cho âm thanh), vì vậy tín hiệu có tần số trong dải âm tần được khuếch đại gần bằng độ khuếch đại lý thuyết, và những tín hiệu có tần số nằm ngoài dài âm tần thì có độ khuếch đại nhỏ hơn Tín hiệu từ micro là mức điện thế thay đổi phụ thuộc theo áp suất không khí đập vào màng mic Tín hiệu này có biên độ... năng lượng Hệ thống được đặt ở xa nên khó có thể có người thường xuyên theo dõi sửa chữa được nên hệ thống phải có độ bền cao, chạy ổn định, tránh được các lỗi thông thường có thể xảy ra làm ảnh hưởng tới việc đo đạc và lưu trữ số liệu Các kết quả nghiên cứu không thể chỉ dựa trên số liệu đo đạc của một đại lượng mà còn phải dựa trên các yếu tố môi trường khác nữa nên hệ thống phải có khả năng đo đồng... lượng đo và lựa chọn cảm biến 2.1.1 Đo độ ẩm a) Giới thiệu: Độ ẩm tương đối là một trong số các đại lượng đặc trưng cho môi trường, có nhu cầu được theo dõi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Đại lượng này có sự thay đổi thường xuyên trong ngày, tuy nhiên tốc độ biến đổi khá là chậm nên có thể sử dụng được các hệ thống thu thập số liệu được Độ ẩm là đại lượng đặc trưng cho lượng hơi nước trong vật, môi trường; . dữ liệu đo 26 2.5. Xử lý số liệu và đưa lên Lan Server: 27 2.6. Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu 29 2.6.1. Mạch mô phỏng của hệ đo: 29 2.6.2. Xây dựng thuật toán cho hệ đo: 31. có thể xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu, em đã tiến hành khảo sát, phân tích các đặc điểm liên quan đến thông số kỹ thuật của các cảm biến 2 ứng với từng thông số môi trường. các thông số của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, điểm sương, tiếng ồn, nồng độ khí, …) để có thể điều chỉnh cho phù hợp thì việc nghiên cứu, xây dựng hệ đo các thông số môi trường đa tín hiệu