xây dựng bộ thí nghiệm đo lường cảm biến giao tiếp với máy tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN XÂY DỰNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH S K C 0 5 MÃ SỐ: SV2009-05 S KC 0 5 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 2-2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN XÂY DỰNG BỘ THÍ NGHIỆM ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH MÃ SỐ: SV2009-05 THUỘC NHĨM NGÀNH: NGƯỜI CHỦ TRÌ: NGƯỜI THAM GIA: ĐƠN VỊ: KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐỖ HỮU KIỆT PHẠM NGỌC NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TP HỒ CHÍ MINH – 2010 MỤC LỤC Trang TÓM TẮT ĐỀ TÀI PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ I ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU II CƠNG TRÌNH LIÊN HỆ III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI II PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU III NỘI DUNG Cảm biến 1.1 Khái niệm loại cảm biến 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phân loại cảm biến 1.1.3 Các đặc trƣng 1.2 Các loại cảm biến sử dụng đề tài 1.2.1 Cảm biến nhiệt độ LM35 1.2.2 Cảm biến nhiệt độ LM335 1.2.3 Cảm biến nhiệt PT100 1.2.4 Cảm biến lực Loadcell IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 19 TÍNH KHOA HỌC 19 KHẢ NĂNG TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG VÀO THỰC TẾ 19 HIỆU QUẢ KINH TẾ XÃ HỘI 19 PHẦN 3: KẾT LUẬN 20 I KẾT LUẬN 20 II ĐỀ NGHỊ 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC TÓM TẮT ĐỀ TÀI Mục tiêu đề tài: Thiết kế, thi cơng mơ hình thu thập liệu điều khiển có khả thu thập, vẽ đồ thị lưu trữ liệu từ cảm biến PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật, việc theo dõi, đo lường, thu thập liệu đại lượng vật lý sống ngày đặc biệt công nghiệp cần thiết Với phát triển khoa học kỹ thuật nay, hầu hết đại lượng vật lý đo lường thông qua thiết bị gọi cảm biến Cảm biến thiết bị đo lường đại lượng vật lý, chuyển đổi thành tín hiệu đọc thiết bị khác Ví dụ: nhiệt kế thủy ngân chuyển đổi nhiệt độ cần đo thành giãn nở thủy ngân, giãn nở đọc ống thủy tinh cân chỉnh; thermocouple (cặp nhiệt ngẫu) chuyển đổi nhiệt độ cần đo thành điện áp mà điện áp đọc vơn kế Tín hiệu từ cảm biến là: tín hiệu cơ, tín hiệu điện Nhưng phổ biến tín hiệu điện tín hiệu điện dễ dàng hiển thị lưu trữ Với đa dạng cảm biến vậy, phòng thực tập thiếu thiết bị vừa đọc tín hiệu từ cảm biến truyền về, vừa lưu trữ, xử lý liệu đọc máy tính Vì việc nghiên cứu chế tạo thiết bị đọc tín hiệu từ cảm biến, vừa lưu trữ liệu đọc được, vừa có kích thước nhỏ gọn giá hợp lý cần thiết Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC I ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU  Atmega 16  Cảm biến nhiệt độ LM35  Max232 II CƠNG TRÌNH LIÊN HỆ Có nhiều cơng trình nghiên cứu liên quan đến việc đọc tín hiệu từ cảm biến, khơng thể liệt kê hết số công trình, sản phẩm tiêu biểu: Trên giới:  EZ100 Sensor Display giá $387, sản phẩm Global Water Instrumentation, Inc, thiết bị cầm tay đọc cảm biến có ngõ dạng dịng điện khoảng 4-20mA Thông tin thêm: http://www.globalw.com/products/ez100.html  PSI-PHO2-U Series of Portable Sensor Interfaces giá £225.00, sản phẩm EAInstruments Ltd, thiết bị gọn nhẹ dùng để kết nối loại cảm biến điện hóa với máy tính, sử dụng kèm với phần mềm chuyên dụng Thông tin thêm: http://www.eainstruments.com/Products/PSI/PSI.htm Trong nước:  “Hệ thống giám sát điều hiển từ xa”, sản phẩm công ty Elcom Thông tin thêm: http://www.elcom.com.vn/tabid/1334/Default.aspx  “Thiết kế phát triển thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm điểm sương”, Kỹ sư Phan Minh Tân, Viện Công nghệ Thông http://www.enco.com.vn/article.php?id=79&cid=13 tin Thông tin thêm: Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI Việc thu thập lưu trữ liệu: Dữ liệu thu thập từ cảm biến xử lý tức thời mà không lưu trữ thành file lưu trữ thiết bị lưu trữ cho việc xử lý liệu sau Giá thành thí nghiệm cao: Vì thiết bị đo lường, thu thập xử lý liệu nên địi hỏi phải có phần mềm chuyên nghiệp để điều khiển quản lý, giá thành thường cao Mơ hình chế tạo chủ yếu để cung cấp kiến thức thu thập liệu điều khiển cho sinh viên trình học tập Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI  Tìm hiểu đặc tính, ngun lý hoạt động hệ thu thập liệu điều khiển, loại cảm biến thông dụng  Nghiên cứu sử dụng ATmega vào thu thập xử lý liệu  Chế tạo thiết bị thu thập liệu giao tiếp với máy tính II PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thực nghiệm, chế tạo thiết bị mẫu III NỘI DUNG Tổng quan hệ thu thập liệu điều khiển Data Acquisition and Control 1.1 Giới thiệu hệ DAQ Thu thập liệu (Data Acquisition) trình mà tín hiệu vật lý từ giới thực chuyển thành tín hiệu điện để đo lường chuyển sang tín hiệu số cho q trình xử lý, phân tích lưu trữ máy tính Trong hầu hết ứng dụng, hệ thu thập liệu (Data Acquisition System) thiết kế để thu thập liệu mà cịn có chức điều khiển Vì vậy, nói hệ DAQ thường hàm ý có chức điều khiển (Data Acquisition and Control) Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC Các thành phần hệ DAQ Hình Các thành phần hệ DAQ  Khối chuyển đổi cảm biến (Transdusers): gồm thiết bị (cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ,…) dùng để chuyển đổi tín hiệu vật lý sang tín hiệu điện  Dây nối cáp truyền thông (Field wiring): Dây nối liên kết ngõ chuyển đổi/cảm biến đến phần cứng khối xử lý tín hiệu từ khối xử lý tín hiệu đến PC khối xử lý tín hiệu xa PC Nếu phần cứng khối xử lý tín hệu cách xa PC chuẩn truyền tín hiệu RS-232 RS- 485 sử dụng cáp truyền thông Đây thành phần dễ chịu ảnh hưởng nhiễu bên ngồi, cần quan tâm đến vấn đề chống nhiễu  Khối xử lý tín hiệu (Signal conditioning): Chuyển tín hiệu từ đầu cảm biến sang dạng thích hợp, chấp nhận phần cứng khối thu thập liệu, đặc biệt Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC chuyển đổi A/D Nhiệm vụ khối là: lọc, khuyếch đại, tuyến tính hố, cách ly, kích thích  Phần cứng thu thập liệu (Data acquition hardware): Phần cứng thu thập liệu tồn nhiều hình thức khác từ nhiều nhà sản xuất, là: card giao tiếp mở rộng (plug-in expansion bus board), intelligent stand-alone loggers and controllers định cấu hình, quan sát điều khiển từ máy tíh qua RS232 hoạt động độc lập, thiết bị độc lập từ xa điều khiển định cấu hình từ máy tính qua chuẩn IEEE-4888 Chức khối gồm: - Chuyển tín hiệu tương tự sang dạng số để hiển thị, lưu trữ phân tích - Đọc vào tín hiệu số chứa thơng tin q trình hệ thống - Chuyển tín hiệu số từ PC sang tín hiệu điều khiển để điều khiển hệ thống hay trình - Xuất tín hiệu điều khiển dạng số  Phần mềm thu thập liệu (Data acquition software) thường có lựa chọn: - Đọc xuất liệu trực tiếp dùng: assembly, ngôn ngữ như: pascal, C, visual basic,… - Dùng driver kèm với phần cứng cung cấp nhà sản xuất - Dùng gói phần mền ứng dụng cung cấp kèm với phần cứng thu thập liệu để thực tất nhiệm vụ yêu cầu cho ứng dụng cụ thể  Host computer (PC): ảnh hưởng lớn đến tốc độ thu thập xử lý liệu 1.2 Cấu hình hệ DAQ Các cấu hình thông dụng hệ DAQ: Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC 15 Hình 10: Cấu trúc sơ đồ chân ATmega 16 Port A (PA7 PA0): Được dành riêng cho ngõ vào analog chuyển đổi ADC Ngoài Port A dùng Port vào hướng chuyển đổi ADC không sử dụng Mỗi chân Port A cung cấp điện trở kéo lên bên Bộ đệm ngõ Port A điều khiển cho khả năng: sink dòng source dòng Khi Port A sử dụng ngõ vào, chúng source dòng điện trở kéo lên bên tích cực Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC 16 Port B,C,D: Được dùng Port vào hướng với điện trở kéo lên bên Mỗi chân mõi Port cung cấp điện trở kéo lên bên Bộ đệm ngõ mõi Port điều khiển cho khả năng: sink dòng source dòng Khi Port sử dụng ngõ vào, chúng source dòng điện trở kéo lên bên tích cưc Ngồi ra, mõi Port sử dụng chức khác: Port B: Port C: Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC 17 Port D: 5.2.2 Cảm biến nhiệt độ LM35 Đặc tính:  Được hiệu chỉnh trực tiếp thành oC  Hệ số chia tuyến tính + 10.0 mV/ oC  Sai số khoảng 0.5 oC 25 oC  Phạm vi giới hạn nhiệt độ từ −55 tới +150 oC  Phù hợp với ứng dụng điều khiển từ xa  Giá thành thấp  Hoạt động từ 4V đến 30V  Dịng qua khoảng 60 µA  Khả tự tản nhiệt thấp, khoảng 0.08 oC điều kiện khơng khí tĩnh  Mức độ phi tuyến tiêu biểu ±1⁄4 oC Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC 18  Trở kháng ngõ thấp, 0.1 Ω với tải mA LM35 đo nhiệt độ ngõ vào xuất tín hiệu điện áp ngõ tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ ngõ vào oC Vì có lợi cảm biến tuyến tính hiệu chỉnh theo độ Kelvin oK LM35 không cần thiết phải hiệu chỉnh hay tinh chỉnh bên ngồi cung cấp phạm vi xác tiêu biểu ±1⁄4 oC nhiệt độ phòng ±3⁄4 oC nhiệt độ từ −55 tới +150 oC Trở kháng ngõ thấp, tuyến tính hiệu chỉnh xác làm cho việc đọc ngõ kiểm soát mạch điện trở nên dễ dàng LM35 sử dụng nguồn đơn nguồn đơi rút dịng khoảng 60 µA Sơ đồ đo: Hình 11: Cảm biến nhiệt độ LM35 Công thức chuyển đổi: Vout = 0.01  t 0C (V) Mơ hình hệ thống thu thập liệu điều khiển 6.1 Phần cứng Mơ hình hệ thống thu thập liệu điều khiển gồm phần sau:  Mạch nguồn  Mạch nạp cho Atmega Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC 19  Phần xử lý chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số: Do vi điều khiển Atmega16 có xử lý tín hiệu ADC nên cần thiết kế loại cảm biến cho tương thích với điều khiển Atmega  Phần giao tiếp điều khiển với máy tính 6.1.1 Mạch nguồn Thiết bị sử dụng nguồn từ mạch ổn áp dùng IC Atmega 16 hoạt động với điện áp nguồn 5V nên cần phải có mạch ổn áp 5V Mạch ổn áp sử dụng đề tài mạch ổn áp dùng IC LM7805, với điện áp ngõ 5V, dòng tối đa 1A Để chống nhiễu ta gắn thêm tụ bypass 0.1μF Sơ đồ khối: Nguồn 220VAC Biến áp Mạch ổn áp Cung cấp điện cho thiết bị Hình 11 Sơ đồ khối mạch nguồn Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC 20 Sơ đồ nguyên lý: J1 VCC JACK ADAPTOR J2 SW PWR 2 C1 1000u C3 100u VIN GND U1 VOUT LM7805 SW1 D1 C2 10u JACK PIN LED R1 1k Hình 12 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 6.1.2 Mạch nạp Hình 13 Sơ đồ nguyên lý mạch nạp cho Atmega 6.1.3 Mạch giao tiếp điều khiển Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC 21 Tín hiệu từ cảm biến sau sử lý cho tương thích đưa vi điều khiển (như tín hiệu từ cảm biến từ LM35), vi điều khiển Atmega16 chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang tín hiệu số Tín hiệu thu thập truyền máy tính đường truyền RS232 Trên máy tính tín hiệu sử lý thu thập liệu lại phần mềm Visual Basic Sơ đồ nguyên lý trình bày chi tiết hình 14 15 Cảm biến  Thu thập liệu RS232 Vi xử lý Atmega16 Chuyển đổi Cảm biến ADC Truyền liệu Cảm biến… Khối xử lý Khối cảm biến Hình 14 Sơ đồ khối thu thập liệu điều khiển Hình 15 Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp điều khiển với Atmega Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC 22 6.2 Phần mềm 6.2.1 Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý tín hiệu Atmega16 BEGIN Đọc tín hiệu từ cảm biến Chuyển đổi ADC Tính tốn giá trị END Hình 16 Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý tín hiệu Atmega16 Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC 23 6.2.2 Lưu đồ giải thuật chương trình hiển thị, vẽ đồ thị , lưu kết giao diện Visual Basic BEGIN Nhận tín hiệu từ cổng COM Đọc cảm biến Hiển thị kết Vẽ đồ thị Lưu liệu END Hình 17 Lưu đồ giải thuật chương trình Visual Basic Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC 24 Kết 7.1 Tính khoa học Sau q trình nghiên cứu, nhóm hồn thành cơng trình nghiên cứu đạt kết quả:  Nguyên lý hoạt động, cách đo cảm biến vi điều khiển Atmega  Thi công mạch nạp Atmega16  Giao tiếp máy tính với thiết bị điều khiển  Thiết kế thu thập liệu lưu trữ liệu cho cảm biến Kết nhóm đạt thu thập liệu từ loại cảm biến vi điều khiển Atmega, phần thu thập liệu viết Visual Basic Giao diện trình bày hình 18 Hình 18 Màn hình giao diện Visual Basic Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC 25 Giao diện lưu trữ trình bày hình 19 Hình 19 Lưu trữ liệu Excel 7.2 Khả triển khai ứng dụng vào thực tế Sản phẩm cơng trình nghiên cứu có tính năng:  Đọc loại cảm biến khác xử lý tín hiệu cho tương thích với vi điều khiển  Giao tiếp lưu trữ tín hiệu cản biến  Kích thước: nhỏ, gọn  Ứng dụng: Khi sử dụng thiết bị đo, thu thập hiển thị liệu mong muốn loại cảm biến thích hợp Sản phẩm sử dụng thực tập sinh viên chuyên ngành 7.3 Hiệu kinh tế xã hội Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC  Giá thành sản phẩm thấp  Dễ sử dụng  Có thể dùng làm phương tiện thực tập cho sinh viên 26 Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC 27 PHẦN 3: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ I KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu đề tài, dù thời gian dài chúng em cố gắng hoàn thành thật tốt đề tài, thời gian quy định đạt nhiệm vụ giao: Chế tạo mơ hình thiết bị thu thập lưu trữ liệu từ loại cảm biến II ĐỀ NGHỊ Nghiên cứu thành cơng cịn số điểm cần phát triển thêm như:  Sử lý liệu thu thập  Thiết kế tuơng thích khác cho loại cảm biến khác  Kết nối nhiều vi điều khiển với Xây dựng TNĐLCB giao tiếp với PC 28 Phụ lục: TÀI LIỆU THAM KHẢO Khoa Điện – Điện tử, Giáo trình đo lường khơng điện, Đại học Sư phạm Kỹ thuật HCM, 2005 Ngô diên Tập Đo lường điều khiển máy tính, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2000 Trần Văn Sư Truyền số liệu mạng thông tin số, Nhà xuất Đại học quốc gia TP.HCM, 2005