NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ VÀ HƯỚNG GIÓ KỸ THUẬT SỐ
LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn tới thầy cô giáo khoa Điện tử viễn thông – trường Đại học hàng hải, định hướng, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho em trình nghiên cứu Đặc biệt em xin cảm ơn thầy Ngô Xuân Hường thầy Vũ Xuân Hậu trược tiếp hướng dẫn, bảo em để hoàn thành tốt đồ án Em xin chân thành cảm ơn tới chú, anh kỹ thuật viên Xưởng điện tử, thuộc công ty cổ phần điện tử hàng hải nhiệt tình bảo, tạo điều kiện cho em tìm hiểu, tiếp xúc với thiết bị thực tế đồng thời thực nghiệm, đo lường với thiết bị, máy móc Xưởng i LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan công trình nghiên cứu thân, hướng dẫn trực tiếp thầy Ngô Xuân Hường thầy Vũ Xuân Hậu Các kết nghiên cứu đưa đồ án em tự tìm hiểu, phân tích thực nghiệm không chép công trình nghiên cứu tác giả khác Nội dung đồ án có sử dụng số thông tin, tài liệu tham khảo trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian địa điểm công bố, liệt kê danh mục tài liệu tham khảo ii MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐO GIÓ 1.1.KHÁI NIỆM 1.2.CẤU TẠO CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐO GIÓ 1.2.1 Khối sensor 1.2.2 Khối Display 1.3.ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐO GIÓ CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 ENCODER .6 2.1.1 Khái quát chung encoder 2.1.2 Encoder tuyệt đối .7 2.1.3 Encoder tương đối .9 2.2 VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA8 10 2.2.1 Tổng quan vi điều khiển Atmega8 10 2.2.2 Cấu trúc chung vi điều khiển Atmega8 .11 2.2.3 Điều khiển vào I/O 14 2.2.4 Timer/counter 15 2.2.5 Truyền thông nối tiếp USART 18 2.3 CHUẨN GIAO TIẾP NMEA 0183 21 2.3.1 Khái niệm 21 2.3.2 Đặc điểm kỹ thuật 21 2.3.3 Câu lệnh NMEA hệ thống đo gió .22 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐO GIÓ 23 3.1 Ý TƯỞNG VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 23 3.1.1 Xác định toán thiết kế 23 3.1.2 Ý tưởng thiết kế .23 3.1.3 Phương án thiết kế 23 3.2 THIẾT KẾ KHỐI CẢM BIẾN .24 3.2.1 Cảm biến tốc độ gió 24 3.2.2 Cảm biến hướng gió 26 3.3 THIẾT KẾ KHỐI HIỂN THỊ 27 3.3.1 Thiết kế mạch 27 3.3.2 Lập trình cho vi điều khiển Atmega8 33 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35 Kết luận .35 Kiến nghị 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 PHỤ LỤC 38 iii MỘT SỐ TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN ENCODER ALU VĐK USART RAM ROM EPROM GPS Cảm biến góc quay Arithmetic Logic Unit – Khối xử lý toán học Vi điều khiển Truyền thông nối tiếp Random Access Memory – Bộ nhớ ghi/đọc Read Only Memory – Bộ nhớ đọc Aerraseble programmable ROM – Bộ nhớ Rom lập trình Global Position System – hệ thống định vị toàn cầu DANH MỤC CÁC BẢNG iv Số bảng Tên bảng Trang 2.1 Lựa chọn xung clock cho timer/counter 15 2.2 Cách thức kiểm tra parity 19 2.3 Độ dài liệu truyền 20 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v Số hình Tên hình Trang 1.1 Cảm biến đo gió WALKER 2050 1.2 Cảm biến đo gió YOUNG 05103 1.3 Màn hình báo máy đo gió WALER 2050 2.1 Cấu tạo encoder 2.2 Cấu tạo encoder tuyệt đối 2.3 Đĩa quay encoder tuyệt đối 2.4 Đĩa quay encoder tương đối 2.5 Vi điều khiển Atmega8 10 2.6 Sơ đồ chân Atmega8 10 2.7 Cấu trúc vi điều khiển Atmega8 11 2.8 Bộ nhớ chướng trình Atmega8 12 2.9 Cấu trúc nhớ liệu 14 3.1 Cấu tạo mô hình cảm biến tốc độ gió 24 3.2 Cảm biến hướng gió 25 3.3 Sơ đồ mạch Encoder cảm biến đo tốc độ gió 25 3.4 Cấu tạo mô hình cảm biến hướng gió 26 3.5 Cảm biến hướng gió 27 3.6 Sơ đồ layout mạch vi điều khiển 31 3.7 Mạch vi điều khiển 31 3.8 Sơ đồ layout mạch hiển thị Led 32 3.9 Mạch hiển thị Led 32 vi PHẦN MỞ ĐẦU Trong lịch sử phát triển mình, từ xa xưa, người biết tới nguồn lượng gió ảnh hưởng đến đời sống Ngưởi ta lợi dụng sức gió để đẩy thuyền buồm khơi, để chế tạo cối xay gió hay để làm máy phát điện, Tuy nhiên sức gió gây ảnh hưởng tiêu cực làm lệch hướng di chuyển tàu thuyền, ảnh hưởng tới độ vững tòa nhà cao tầng, hay gió to gây thiệt hại tới tài sản tính mạng ngưởi Do việc “đo” sức gió, nghĩa nắm thông số hướng gió, tốc độ gió, áp suất gió quan trọng, máy đo gió đời Tong trình tìm hiểu, chuẩn bị đề tài tốt nghiệp với định hướng thầy Ngô Xuân Hường thầy Vũ Xuân Hậu, em lựa chọn đề tài tốt nghiệp “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ VÀ HƯỚNG GIÓ KỸ THUẬT SỐ” Đây ý tưởng em việc thiết kế hệ thống đo gió, kết hợp với việc tìm hiểu hệ thống đo gió nay, với hướng dẫn, bảo thầy Tuy nhiên kiến thức em hạn chế, nên đồ án nhiều sai sót Em mong nhận góp ý, bổ sung thầy để đồ án em hoàn thiện đồng thời hội để em hoàn thiện kiến thức hiểu biết thân CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐO GIÓ 1.1 KHÁI NIỆM Hệ thống đo gió (anemometer), thiết bị dùng để đo tốc độ, hướng gió áp suất gió Hiện nay, hệ thống đo gió chủ yếu gồm hai chức đo tốc độ hướng gió 1.2 CẤU TẠO CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐO GIÓ 1.2.1 Khối sensor Hình 1.1 Cảm biến đo gió WALKER 2050 Khối cảm biến bao gồm cảm biến tốc độ gió (wind speed sensor) cảm biến hướng gió (direction indicator sensor) Tùy theo cấu tạo hình dạng cảm biến tốc độ gió, ta có loại hệ thống đo gió: Dạng máy đo gió hình chén, phát minh tiến sĩ John Thomas Romney Robinson (1846), thiết bị đo gió sử dụng rộng rãi Cấu tạo máy gồm tay đòn đặt vuông góc với Ở đầu tay đòn có gắn chén hình bán cầu Có trục đứng nằm giao điểm tay đòn tâm mà chén quay xung quanh truyền động thực đếm số vòng mà trục quay được, từ số vòng quay khoảng thời gian ta tính vận tốc gió Các chén đặt đối xứng với nhau, gió thổi vào phía chén Mặc dù phía chén có gió thổi vào áp suất gió nhỏ, chén bị đẩy theo hướng, kết hợp với tượng quán tính, chén liên tục bị đẩy sinh tượng quay vòng Máy đo gió dạng cối xay gió: trục quay nằm song song với hướng gió , với cánh quạt gắn đầu, nằm ngang, gió đổi chiều trục quay thay đổi Hình 1.2 Cảm biến đo gió YOUNG 05103 1.2.2 Khối Display Hình 1.3 Màn hình báo máy đo gió WALER 2050 Khối Display nhận tín hiệu từ cảm biến cho phép hiển thị tốc độ gió số, hướng gió thể vị trí đèn led sáng hay báo hướng mũi tên hình LCD Ngoài việc hiển thị hình, hệ thống đo gió cho phép xuất tín hiệu để đưa vào máy tính để xử lý hay ghép nối tới thiết bị khác (ví dụ hàng hải, tín hiệu đo gió ghép nối tới hộp đen, hải đồ điện tử, ) tín hiệu câu lệnh theo chuẩn giao tiếp NMEA 1.3 ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG ĐO GIÓ Hệ thống đo gió lắp đặt trạm khí tượng thủy văn, cho phép xác định thông số hướng gió, cường độ gió (cấp gió) áp suất gió, thông tin quan trọng việc phân tích tình hình thời tiết đưa tin dự báo, cảnh báo thời tiết Trong hàng hải, đặc biệt với tàu thuyền lưu thông biển, việc nắm thông tin hướng cường độ gió quan trọng, giúp cho người điều khiển tàu chỉnh góc lái phù hợp tránh tượng tàu bị trôi dạt lệch khỏi hướng hành trình Hệ thống đo gió nghi khí dẫn đường hàng hải quan trọng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau trình tìm hiểu thực hiện, đến đồ án “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ VÀ HƯỚNG GIÓ KỸ THUẬT SỐ” hoàn thành với tiến độ yêu cầu đề tài, đo tốc độ hướng gió Hệ thống đo tốc độ hướng gió cách nhanh chóng, hiển thị mặt báo đồng thời truyền liệu NMEA out để giao tiếp với máy tính thiết bị khác Nguyên lý hệ thống cấu tạo mô hình thực tế đơn giản dễ chế tạo Tuy nhiên cấu tạo đơn giản trình chế tạo khí thủ công, nên độ xác độ nhạy hệ thống không cao, tốc độ lẫn hướng gió Hệ thống xác định hướng gió, có tượng nhầm lẫn Một số thông số kỹ thuật: • Độ nhạy cảm biến (tốc độ gió tối thiểu đo được): 1.5 km/h • Độ xác hướng gió: 45o, độ xác tốc độ gió: 1.5348 km/h • Tốc độ gió tối đa: 99,9 km/h Kiến nghị Từ kết thu từ đồ án ưu nhược điểm mô hình, em xin đề xuất hướng nghiên cứu để phát triển đề tài nữa: Nâng cao độ xác hệ thống: cách sử dụng mắt đọc Encoder có độ xác cao hơn, tăng độ xác độ nhày cảm biến tôc độ gió cách sử dụng đĩa quay có nhiều lỗ Tăng độ xác cảm biến hướng gió cách sử dụng nhiều mắt đọc Encoder 35 Giảm kích thước khối cảm biến, cách sử dụng linh kiện có kích thước nhỏ gọn Tối ưu hệ thống: hai cảm biến tốc độ hướng gió kết hợp lại làm một, đồng thời mạch giải mã tích hợp bên khối cảm biến, đưa trực tiếp câu lệnh số xuống mạch hiển thị thiết bị khác 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO Văn Thế Minh, Kỹ thuật vi xử lý, NXB Giáo dục, 1997 Claus Betke, The NMEA 0183 Protocol, May 2000 Máy đo gió, wikipedia tiếng Việt Nguyễn Ngọc Bình, Encoder quay quang, encoder xung, encoder tuyệt đối, 2012 37 PHỤ LỤC Code chương trình cho vi điều khiển Atmega8 #include #include #include #define a1 PINC.3 #define b1 PINC.4 #define c1 PINC.5 #define m 1.53846 unsigned int x; unsigned char a,b,c; unsigned char mang[10]={0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8, 0x80, 0x90}; void quetled(unsigned char a,unsigned char b, unsigned char c) { PORTD=0x00; PORTD.5=1; PORTB=mang[a]; delay_ms(1); PORTD=0x00; PORTD.6=1; PORTB=mang[b]; delay_ms(1); PORTD=0x00; PORTD.7=1; PORTB=mang[c]; delay_ms(1); } 38 // Timer1 overflow interrupt service routine interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void) { TCNT1H=0xE17B >> 8; TCNT1L=0xE17B & 0xff; x=TCNT0*10*m; TCNT0=0; a=x/100; b=(x%100)/10; c=x%10; printf("$WIMWV,"); if((a1==0)&(b1==1)&(c1==0)) { PORTC.0=0; PORTC.1=0; PORTC.2=0; putchar(0+0x30); putchar(0+0x30); putchar(0+0x30); printf("."); putchar(0+0x30); } if((a1==1)&(b1==1)&(c1==0)) { PORTC.0=0; PORTC.1=0; PORTC.2=1; putchar(0+0x30); 39 putchar(4+0x30); putchar(5+0x30); printf("."); putchar(0+0x30); } if((a1==1)&(b1==1)&(c1==1)) { PORTC.0=0; PORTC.1=1; PORTC.2=0; putchar(0+0x30); putchar(9+0x30); putchar(0+0x30); printf("."); putchar(0+0x30); } if((a1==1)&(b1==0)&(c1==1)) { PORTC.0=0; PORTC.1=1; PORTC.2=1; putchar(1+0x30); putchar(3+0x30); putchar(5+0x30); printf("."); putchar(0+0x30); } if((a1==1)&(b1==0)&(c1==0)) { 40 PORTC.0=1; PORTC.1=0; PORTC.2=0; putchar(1+0x30); putchar(8+0x30); putchar(0+0x30); printf("."); putchar(0+0x30); } if((a1==0)&(b1==0)&(c1==0)) { PORTC.0=1; PORTC.1=0; PORTC.2=1; putchar(2+0x30); putchar(2+0x30); putchar(5+0x30); printf("."); putchar(0+0x30); } if((a1==0)&(b1==0)&(c1==1)) { PORTC.0=1; PORTC.1=1; PORTC.2=0; putchar(2+0x30); putchar(7+0x30); putchar(0+0x30); printf("."); 41 putchar(0+0x30); } if((a1==0)&(b1==1)&(c1==1)) { PORTC.0=1; PORTC.1=1; PORTC.2=1; putchar(3+0x30); putchar(1+0x30); putchar(5+0x30); printf("."); putchar(0+0x30); } printf(",R,"); putchar(a+0x30); putchar(b+0x30); printf("."); putchar(c+0x30); printf(",M,A*"); } void main(void) { // Input/Output Ports initialization // Port B initialization // Func7=Out Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=Out Func2=Out Func1=Out Func0=Out // State7=0 State6=0 State5=0 State4=0 State3=0 State2=0 State1=0 State0=0 PORTB=0x00; DDRB=0xFF; 42 // Port C initialization // Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=Out Func1=Out Func0=Out // State6=T State5=T State4=T State3=T State2=0 State1=0 State0=0 PORTC=0x00; DDRC=0x07; // Port D initialization // Func7=Out Func6=Out Func5=Out Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=0 State6=0 State5=0 State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTD=0x00; DDRD=0xE0; // Timer/Counter initialization // Clock source: T0 pin Rising Edge TCCR0=0x07; TCNT0=0x00; // Timer/Counter initialization // Clock source: System Clock // Clock value: 7.813 kHz // Mode: Normal top=0xFFFF // OC1A output: Discon // OC1B output: Discon // Noise Canceler: Off // Input Capture on Falling Edge // Timer1 Overflow Interrupt: On // Input Capture Interrupt: Off 43 // Compare A Match Interrupt: Off // Compare B Match Interrupt: Off TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x05; TCNT1H=0xE1; TCNT1L=0x7B; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; // Timer/Counter initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer2 Stopped // Mode: Normal top=0xFF // OC2 output: Disconnected ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; // External Interrupt(s) initialization // INT0: Off // INT1: Off MCUCR=0x00; // Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization 44 TIMSK=0x04; // USART initialization // Communication Parameters: Data, Stop, No Parity // USART Receiver: Off // USART Transmitter: On // USART Mode: Asynchronous // USART Baud Rate: 4800 UCSRA=0x00; UCSRB=0x08; UCSRC=0x86; UBRRH=0x00; UBRRL=0x67; // Analog Comparator initialization // Analog Comparator: Off // Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80; SFIOR=0x00; // ADC initialization // ADC disabled ADCSRA=0x00; // SPI initialization // SPI disabled SPCR=0x00; // TWI initialization 45 // TWI disabled TWCR=0x00; // Global enable interrupts #asm("sei") while (1) { quetled(a,b,c); } } 46 NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Tinh thần thái độ, cố gắng sinh viên trình thực Đồ án/khóa luận: …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Đánh giá chất lượng Đồ án/khóa luận tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đề mặt: lý luận, thực tiễn, chất lượng thuyết minh vẽ): …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Chấm điểm giảng viên hướng dẫn (Điểm ghi số chữ) Hải Phòng, ngày… tháng…năm 20… Giảng viên hướng dẫn 47 ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN Đánh giá chất lượng Đồ án/khóa luận tốt nghiệp mặt: thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý thuyết, vận dụng vào điều kiện cụ thể, chất lượng thuyết minh vẽ, mô hình (nếu có) …: …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Chấm điểm người phản biện (Điểm ghi số chữ) Hải Phòng, ngày… tháng… năm 20… Người phản biện 48 49