Nghiên cứu ứng dụng cảm biến MEMS trong mô hình hệ thống tự động cân bằng tàu

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tôi xin cam đoan thông tin trích dẫn luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Hải Phòng, ngày 08 tháng 09 năm 2015 Tác giả luận văn Nguyễn Hoàng Hiếu i LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo Khoa Điện–Điện tử, trƣờng đại học Hàng hải Việt Nam, đóng góp nhiều ý kiến quan trọng để tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Viện Đào tạo Sau Đại học tạo điều kiện khích lệ để tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy TS Trần Sinh Biên Khoa Điện– Điện tử trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam tận tình hƣớng dẫn khích lệ tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin cảm ơn thầy giáo, anh chị em phòng thí nghiệm, trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam tạo điều kiện sở vật chất để tác giả thực thành công luận văn Những lời cảm ơn chân thành xin đƣợc đến tới gia đình bạn bè, ngƣời động viên, khuyến khích chia sẻ khó khăn suốt trình học tập nghiên cứu khoa học ii MỤC LỤC Lời cam đoan……………………………………………………………………… i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt ký hiệu iv Danh mục bảng v Danh mục hình vi Mở đầu Chƣơng KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU VICTORIA LEADER 1.1 Khái quát hệ thống tự động cân tàu 1.2 Giới thiệu hệ thống tự động cân tàu Victoria Leader Chƣơng CẢM BIẾN ĐO GÓC NGHIÊNG VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU 17 2.1 Cảm biến đo góc nghiêng 17 2.2 Các phƣơng pháp tiến hành cân tàu thủy 30 Chƣơng XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU 40 3.1 Xây dựng mô hình vật lý mô chức đo góc nghiêng hệ thống tự động cân tàu 40 3.2 Xây dựng chƣơng trình điều khiển mô số chức hệ thống tự động cân tàu 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 iii DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích MEMS MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM ADC Analog Digital Converter MSB Most Significant Bit LSB Least Significant Bit iv DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng 1.1 Tên bảng Vị trí cảm biến đƣợc đặt két tàu Victoria leader Trang 10 1.2 Vị trí van Ballast hệ thống 13 3.1 Bảng chức chân ADXL335 48 3.2 Lựa chọn giá trị tụ lọc 50 v DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình 1.1 Tên hình Cấu trúc hệ thống tự động cân tàu tàu Victoria Leader Trang 2.1 Sơ đồ hoạt động Encoder 18 2.2 Đĩa mã hoá encoder tuyệt đối vòng rãnh 19 2.3 Đĩa quay encoder tƣơng đối 20 2.4 Mô tả đĩa encoder tƣơng đối có lỗ định vị 21 2.5 Encoder tƣơng vòng rãnh 21 2.6 Encoder tƣơng đối thực tế 22 2.7 Minh hoạ cảm biến MEMS 24 2.8 Sơ đồ mô tả việc đo gia tốc dùng MEMS 27 2.9 2.10 Phƣơng pháp sử dụng quay hồi chuyển hệ thống cân tàu Phƣơng pháp sử dụng quay hồi chuyển hệ thống cân tàu 28 30 2.11 Sự xếp bố trí dằn đáy sống tàu 31 2.12 Kết cấu vị trí lắp đặt vây hai bên mạn để ổn định tàu 32 2.13 2.14 2.15 2.16 Nguyên lý hệ thống chống nghiêng lệch ngang kiểu thùng chứa Chi tiết mặt cắt thùng điển hình vị trí ngang thân tàu Chi tiết mặt cắt két điển hình, vị trí ngang thân tàu, tƣợng nghiêng lệch điển hình tàu đánh cá Hệ thống điều khiển chống nghiêng kiểu chủ động kết hợp điều khiển bơm van 33 33 35 35 2.17 Các tƣợng xảy nghiêng lệch thƣờng gặp tàu thủy 37 2.18 Một ví dụ bố trí két chống lắc, két dằn 38 vi Số hình Tên hình Trang 2.19 Hệ thống điều khiển cân kiểu dằn ballast 39 3.1 Sơ đồ khối hệ đo góc nghiêng 41 3.2 Sơ đồ tổng thể mô hình 42 3.3 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý tín hiệu đo 42 3.4 Vi điều khiển ATMEGA128 tích hợp ADC 43 3.5 Vi điều khiển ATMEGA128 44 3.6 Sensor đo góc nghiêng 46 3.7 Module cảm biến 5DOF 46 3.8 Sơ đồ khối cảm biến ADXL335 47 3.9 Sơ đồ chân cảm biến ADXL335 48 3.10 Cấu tạo Gyroscope 51 3.11 Cảm biến MEMS Gyro 51 3.12 Mô tả hiệu ứng Coriolis 52 3.13 Hoạt động MEMS Gyroscope 52 3.14 Cấu tạo MEMS Gyroscope 53 3.15 Nguyên lý mạch biến đổi MEMS Gyroscope 53 3.16 Khối nguồn module 54 3.17 Khối hiển thị LCD 54 3.18 Màn hìnhText LCD 16x2 55 3.19 Hình ảnh mạch in mô hình mô 56 3.20 3.21 Mô hình vật lý mô số chức hệ thống tự động cân tàu Khai báo cấu hình cho vi điều khiển dùng phần mềm CodeVisionAVR 57 59 3.22 Khai báo cấu hình cho vi điều khiển 59 3.23 Khai báo cổng vào/ra cho vi điều khiển 60 3.24 Khai báo ngắt 61 3.25 Khai báo ngắt cho Timer 61 vii Số hình 3.26 3.27 Tên hình Giao diện viết chƣơng trình cho vi điều khiển CodevisionAVR Lƣu đồ thuật toán mô số chức hệ thống tự động cân tàu viii Trang 62 63 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hệ thống giám sát điều khiển cân tàu hệ thống quan trọng tàu, đảm bảo cho tàu không bị nghiêng khỏi vị trí cân ban đầu, hệ thống giám sát đo đạc thông số độ nghiêng gửi tín hiệu đến buồng điều khiển để thông báo cho ngƣời điều khiển Trên tàu thiếu hệ thống này, hệ thống chế độ hoạt động tàu bị nghiêng lật tác động sóng, gió việc xếp hàng hóa không cân tàu Hệ thống giám sát điều khiển cân tàu hệ thống quan trọng tàu, có nhiệm vụ giám sát kiểm tra sai lệch độ nghiêng thực tế tàu so với độ nghiêng đƣợc thiết kế Hệ thống thực việc giám sát cảm biến mức nƣớc két ballast qua gửi tín hiệu đến trung tâm tính toán Hệ thống tự động cân tàu có nhiệm vụ nâng cao tính ổn định cho tàu, đảm bảo cho tàu cân Nâng cao hiệu suất lực đẩy Trong hai thập kỷ qua nhiều hãng giới đã, tiến hành nghiên cứu giải hai vấn đề nêu Đồng thời thiết kế, chế tạo đƣa vào sử dụng hệ thống đo góc nghiêng Trong nƣớc chƣa đƣa sản phẩm hệ thống đo góc nghiêng tàu thủy, mà dừng lại công trình nghiên cứu lắp đặt vận hành khai thác chúng Việc nghiên cứu nhằm chế tạo hệ thống đo góc nghiêng tàu thủy chế tạo hệ thống tự động cân tàu đƣợc đặt giai đoạn phát triển mạnh công nghiệp đóng tàu Việt nam cần thiết Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cảm biến MEMS mô hình hệ thống tự động cân tàu” đƣợc đƣa nhằm giải tính cấp thiết Mục đích chung nhiệm vụ đề tài Nghiên cứu chế tạo hệ thống đo góc nghiêng, ứng dụng xây dựng hệ thống tự động cân tàu tàu thủy Đối tƣợng nghiên cứu đề tài Đối tƣợng nghiên cứu cảm biến MEMS, loại van, bơm … Phạm vi nghiên cứu đề tài tập trung nghiên cứu cảm biến MEMS, chức tự động cân tàu Phƣơng pháp nghiên cứu Trên sở tìm hiểu hoạt động cảm biến đo góc nghiêng, hoạt động hệ thống tự động cân tàu Tác giả kế thừa phát triển kinh nghiệm cho việc nghiên cứu mang tính ứng dụng cho thiết bị cụ thể Ý nghĩa khoa học đề tài Đề tài đƣợc ứng dụng dùng hệ thống đo góc nghiêng, hệ thống tự động cân tàu Thuật toán mô hình đề xuất cho phép áp dụng hệ thống tự động cân tàu Nó tài liệu tham khảo cho quan tâm đến cảm biến đo góc nghiêng, hệ thống tự động cân tàu thủy Hiệu ứng Coriolis hiệu ứng xảy hệ qui chiếu quay so với hệ quy chiếu quán tính Nó đƣợc thể qua tƣợng lệch quỹ đạo vật chuyển động hệ qui chiếu Hình 3.12 mô tả hiệu ứng Coriolis Nếu vật chuyển động dọc theo đƣờng bán kính theo chiều rời xa trục quay hệ qui chiếu chịu tác động lực theo phƣơng vuông góc với bán kính theo chiều ngƣợc với chiều quay hệ Còn vật chuyển động phía trục quay lực tác động vào vật theo chiều quay hệ qui chiếu Hình 3.12 Mô tả hiệu ứng Coriolis Điều nghĩa là vật đƣợc thả lăn tự theo phƣơng bán kính, chuyển động phía có quỹ đạo chuyển động đƣờng cong theo hƣớng ngƣợc chiều quay hệ qui chiếu Còn nhƣ vật đƣợc thả lăn tự phía trục ngƣợc lại Hình 3.13 Hoạt động MEMS Gyroscope 52 Do phƣơng lực quán tính ly tâm phƣơng với bán kính r nên lực quán tính ly tâm không làm cho vật bị lệch quỹ đạo, lực Coriolis có phƣơng vuông góc với mặt phẳng tạo w v' nên làm cho vật bị lệch hƣớng quỹ đạo Dựa sở này, cảm biến gyroscope sử dụng khối proof mass dao động theo phƣơng đƣợc gọi phƣơng sơ cấp Khối đồng thời bị quay quanh trục, làm xuất lực Coriolis khiến có thêm dao động theo phƣơng khác, gọi phƣơng thứ cấp Hình 3.14 Cấu tạo MEMS Gyroscope Hình 3.15 Nguyên lý mạch biến đổi MEMS Gyroscope Trên phƣơng chuyển động thứ cấp có gắn cực tụ điện để nhận biết thay đổi điện dung gây chuyển động này, từ vận tốc xoay 53 Giá trị thay đổi tụ điện đƣợc đƣa tới khâu mạch khuếch đại, loại bỏ nhiễu cho giá trị đầu giá trị vận tốc góc Khối nguồn +5V +5V +3.3V U6 + C22 C6 GND LM1117-3.3V IN OUT D1 LED POWER C17 100uF C20 104 O + C18 470uF C19 104 R7 1K Hình 3.16 Khối nguồn module Một hệ thống muốn hoạt động tốt phải đƣợc cung cấp lƣợng từ nguồn có chất lƣợng tốt Chất lƣợng đƣợc thể hai mặt: chất lƣợng điện công suất nguồn Bộ nguồn đƣợc tác giả thiết kế có tính kỹ thuật nhƣ sau: - Dải điện áp vào: AC ÷ 50V - Điện áp ra: U = 5VDC/1A Khối hiển thị LCD Trong module để hiển thị thông tin lƣới điện pha tác giả sử dụng hình LCD chuẩn HD44780U U2 LCD R20 10 D4 D5 D6 D7 C15 100uF RS RW E 10 11 12 13 14 15 16 GND VCC V0 RS R/W E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A K LCD + +5V +5V +5V R2 10K Hình 3.17 Khối hiển thị LCD 54 Text LCD loại hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị dòng chữ số bảng mã ASCII Không giống loại LCD lớn, Text LCD đƣợc chia sẵn thành ô ứng với ô hiển thị ký tự ASCII Cũng lý hiển thị đƣợc ký tự ASCII nên loại LCD đƣợc gọi Text LCD (để phân biệt với Graphic LCD hiển thị hình ảnh) Mỗi ô Text LCD bao gồm “chấm” tinh thể lỏng, việc kết hợp “ẩn” “hiện” chấm tạo thành ký tự cần hiển thị Trong Text LCD, mẫu ký tự đƣợc định nghĩa sẵn Kích thƣớc Text LCD đƣợc định nghĩa số ký tự hiển thị dòng tổng số dòng mà LCD có Ví dụ LCD 16x2 loại có dòng dòng hiển thị tối đa 16 ký tự Một số kích thƣớc Text LCD thông thƣờng gồm 16x1, 16x2, 16x4, 20x2, 20x4…Màn hình Text LCD 16x2 đƣợc thể nhƣ hình 3.18 Hình 3.18 Màn hìnhText LCD 16x2 3.1.3 Thiết kế hoàn chỉnh mô hình Dựa sơ đồ nguyên lý xây dựng, tác giả thực thiết kế mạch in phần mềm Orcad gia công mạch in với sản phẩm thu đƣợc nhƣ hình 3.19 Mạch in đƣợc thiết kế lớp, bề mặt phủ LAG chống ăn mòn cách điện đảm bảo hoạt động với môi trƣờng tàu thủy Các linh kiện đƣợc hàn dán mặt đảm bảo kết cấu chắn Kích thƣớc nhỏ gọn sử dụng linh kiện điện tử có kích thƣớc nhỏ Các khối đƣợc đặt vị trí thuận tiện cho việc thao tác thực Các góc module có lỗ bắt chặt thiết bị lên vỏ hộp chống rung lắc Toàn mạch đƣợc cấp nguồn khối nguồn riêng với mạch lọc bảo vệ giúp hệ thống hoạt động liên tục an toàn trƣờng hợp có cố với hệ thống 55 Hình 3.19.Hình ảnh mạch in mô hình mô Sau thực xây dựng xong mạch in mô hình tác giả tiến hành xây dựng mô hình vật lý thực mô số chức hệ thống tự động cân tàu Mô hình vật lý đƣợc thể nhƣ hình 3.20 56 Hình 3.20 Mô hình vật lý mô số chức hệ thống tự động cân tàu Giới thiệu mô hình vật lý mô số chức hệ thống tự động cân tàu: Mô hình xây dựng gồm có khối Module điều khiển, Module điều khiển thực chức tính toán góc nghiêng mô hình, lƣu trữ chƣơng trình điều khiển, điều khiển hoạt động bơm mô hình bị nghiêng phải nghiêng trái Trong mô hình sử dụng hai bơm đƣợc bố trí hai bên két mạn phải két mạn trái Giả sử tàu bị nghiêng sang phải 1,50 module điều khiển phát lện khởi động bơm bên mạn phải để thực bơm nƣớc từ mạn phải sang mạn trái để đƣa mô hình vị trí cân 57 3.2 Xây dựng chƣơng trình điều khiển mô số chức hệ thống tự động cân tàu 3.2.1 Giới thiệu phần mềm CodeVisionAVR Nội dung trình xây dựng phần cứng đƣợc đề cập nội dung trƣớc đề tài Trên sở phần cứng có, sau tìm hiểu ngôn ngữ lập trình công cụ để phát triển cho phần cứng mà tác giả xây dựng Mục đích công cụ phát triển phần cứng giúp cho lập trình viên đƣợc “thoải mái” qua trình lập trình, rút ngắn thời gian phát triển ứng dụng, gỡ lỗi trợ giúp mặt thuật toán Nhƣ đề cập đến nội dung trƣớc sử dụng vi điều khiển để thực công việc tính toán xử lý thông tin nhận đƣợc Vi điều khiển muốn hoạt động đƣợc phải đƣợc cài đặt chƣơng trình theo cấu trúc loại vi điều khiển phải có công cụ phát triển riêng cho loại Trong nội dung giới thiệu chủ yếu vào công cụ CodevisionAVR để lập trình cho mô hình mô thực số chức hệ thống tự động cân tàu Khởi tạo dự án với AVR CodeVisionAVR cho phép tạo dự án để quản lý file có dự án cách khoa học Để tạo dự án ta sử dụng lệnh New Project Khi tạo ta dự án ta sử dụng tuỳ chọn sử dụng đoạn mã đƣợc sinh chƣơng trình giúp cho qua trình lập trình đƣợc nhanh 58 Hình 3.21 Khai báo cấu hình cho vi điều khiển dùng phần mềm CodeVisionAVR Hình 3.22 Khai báo cấu hình cho vi điều khiển Trong Tab nhƣ hình 3.21, 3.22 ngƣời lập trình khai báo cấu hình chức cho vi điều khiển 59 Khai báo Port Hình 3.23 Khai báo cổng vào/ra cho vi điều khiển Các cổng vào/ra AVR cổng vào/ra hai hƣớng In: Bít tƣơng ứng đầu vào Out: Bít tƣơng ứng đầu T: Đầu vào trở kháng cao P: Đầu vào trở sử dụng điện trở treo Khai báo ngắt Ngắt đƣợc sử dụng tín hiệu vào cần đáp ứng nhanh Trong AVR số lƣợng ngắt phụ thuộc vào dòng vi điều khiển Trong hình vẽ 3.24 mô tả cách khai báo ngắt điển hình 60 Hình 3.24 Khai báo ngắt Khai báo Timer Hình 3.25 Khai báo ngắt cho Timer Sau cấu hình xong cho vi điều khiển ta phải đƣợc lƣu lại bắt đầu công đoạn viết lệnh cho vi điều khiển 61 Hình 3.26 Giao diện viết chương trình cho vi điều khiển CodevisionAVR 3.2.2 Lưu đồ thuật toán Lƣu đồ thuật toán mô hình đƣợc thể nhƣ hình 3.27 62 Bắt đầu Bắt đầu Đọc ADC Khởi tạo đầu vào/ra Tính giá trị góc Acclerometer Khởi tạo truyền thông Tính giá trị góc Gyroscope Khởi tạo Timer Tính giá trị góc thực Acc Gyroscope Cho phép ngắt Timer Kết thúc Góc nghiêng = -1,5 độ Góc nghiêng = +1,5 độ Bật bơm mạn trái Bật bơm mạn phải Góc nghiêng = độ Góc nghiêng = độ Tắt bơm mạn trái Tắt bơm mạn trái Kết thúc Hình 3.27 Lưu đồ thuật toán mô số chức hệ thống tự động cân tàu Để tiến hành xây dựng chƣơng trình điều khiển cho hệ thống, ta tiến hành cấu hình cho vi điều khiển 63 Tín hiệu góc nghiêng đƣợc đƣa chuyển đổi ADC, tín hiệu góc nghiêng đƣợc đƣa vào chƣơng trình tiến hành tính giá trị góc Giá trị góc tính toán đƣợc đƣợc so sánh với giá trị đặt Khi giá trị góc đo đƣợc lớn +1,50 hệ thống hiểu lúc lệch trái, tiến hành khởi động bơm mạn phải để thực bơm chất lỏng từ mạn phải sang, bơm ngừng làm việc góc nghiêng gần Khi giá trị góc đo đƣợc lớn -1,50 hệ thống hiểu lúc lệch phải, tiến hành khởi động bơm mạn trái để thực bơm chất lỏng từ mạn trái sang, bơm ngừng làm việc góc nghiêng gần 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau thời gian nỗ lực tìm hiểu, nghiên cứu với bảo tận tình hỗ trợ nhiều mặt thầy giáo TS TRẦN SINH BIÊN luận văn với đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng cảm biến Mems mô hình hệ thống tự động cân tàu” hoàn thành tiến độ với yêu cầu đặt giải đƣợc vấn đề: Tìm hiểu khái quát cảm biến MEMS ứng dụng cảm biến mems đời sống Nghiên cứu cấu tạo thành phần tàu, phƣơng án cân tàu phƣơng pháp điều khiển cân tàu Tiến hành xây dựng mô hình vật lý mô số chức hệ thống tự động cân tàu Kiến nghị Đề tài thành công việc thiết kế mô hình mô số chức hệ thống tự động cân tàu Tuy nhiên mặt hạn chế: Trong số điều kiện xuất sai số từ cảm biến Mô hình mô đơn giản, chƣa thể đo đạc tính toán xác góc nghiêng điều khiển nhiều trƣờng hợp nghiêng khác 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Doanh, Phạm Thƣợng Hàn (2009) Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển NXB KHKT Vũ Quý Điềm, Phạm Văn Tuân (2009) Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử NXB KHKT Nguyễn Tấn Phƣớc (2007) Cảm biến đo lường điều khiển NXB KHKT Ngô Diên Tập (2003) Kỹ thuật vi điều khiển với AVR NXB KHKT Ngô Diên Tập (2007) Vi xử lý đo lường điều khiển NXB KHKT Ngô Diên Tập (2003) Kỹ thuật ghép nối máy tính NXB KHKT Tài liệu tàu ô tô 4900 (2012) Nhà máy đóng tàu Hạ Long Quảng Ninh J.Boer (2003) Microprocessors in process control Alsevier Applied Science S Senturia (2004) Microsystem Design 10 William Trimmer (2005) Micromechanics and MEMS Website: 11 http//www.Analog.com/datasheet/ADXL335 12 http//www.invensense.com/datasheet/IDG500 13 http://www.starlino.com/imu_guide.html 14 http://www.atmel.com/products/avr 15 http://www.datasheetcatalog.com 16 http://www.dientuvietnam.net 16 http://www.tailieu.vn 66 ... dụng hệ thống tự động cân tàu Nó tài liệu tham khảo cho quan tâm đến cảm biến đo góc nghiêng, hệ thống tự động cân tàu thủy CHƢƠNG KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CÂN... vi nghiên cứu đề tài tập trung nghiên cứu cảm biến MEMS, chức tự động cân tàu Phƣơng pháp nghiên cứu Trên sở tìm hiểu hoạt động cảm biến đo góc nghiêng, hoạt động hệ thống tự động cân tàu Tác giả... nghiêng tàu thủy chế tạo hệ thống tự động cân tàu đƣợc đặt giai đoạn phát triển mạnh công nghiệp đóng tàu Việt nam cần thiết Đề tài Nghiên cứu ứng dụng cảm biến MEMS mô hình hệ thống tự động cân tàu