Đo lường và điều khiển bằng máy tính ThS.Huỳnh Minh Ngọc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Giảng viên, ThS Huỳnh Minh Ngọc BÀI GIẢNG THÍ NGHIỆM ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH Trình độ: Đại học Cao đẳng Ngành: Điện tử tự động hóa Mơn: Thí nghiệm Đo lường điều khiển máy tính Thời lượng giảng dạy: 60 tiết TP HỒ CHÍ MINH – 2017 LƯU HÀNH NỘI BỘ Lời nói đầu Mơn học Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính cung cấp phần thực hành ứng dụng máy tính kit vi điều khiển đo lường điều khiển Mơn học gồm có thí nghiệm sau: Bài 1: Mở đầu Bài 2: Điều khiển led, LCD cổng nối tiếp Bài 3: Hệ thống điều khiển nhiệt độ Bài 4: Điều khiển tốc độ động chiều dùng máy tính Bài 5: Điều khiển vị trí động chiều dung máy tính Bài 6: Điều khiển dùng card USB 6008 Bài 7: Điều khiển dùng card thu thập liệu điều khiển PCI 6221/PCI 1711 Bài 8: Điều khiển cổng song song Đối tượng giảng dạy sinh viên đại học cao đẳng chuyên ngành Điện tử tự động hóa Bài giảng biên soạn lần đầu nên khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong Thầy giáo, đồng nghiệp bạn đọc góp ý để giảng ngày hồn thiện Thư góp ý xin gửi địa : Bộ môn Điện tử tự động, khoa Công nghệ điện tử , trường Đại học Công nghiệp Tp HCM, số 12 Nguyễn Văn Bảo, P.4, Q Gò vấp, Tp HCM ĐT: (28)38940390,email: huynhminhngoc@iuh.edu.vn Tp Hồ Chí Minh , ngày 21-7-2017 Tác gỉa ThS Huỳnh Minh Ngọc Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc Mục lục Lời nói đầu Muïc luïc Bài 1: Mở đầu Bài 2: Điều khiển led, LCD cổng nối tiếp 93 Bài 3: Hệ thống điều khiển nhiệt độ 158 Bài 4: Điều khiển tốc độ động chiều dùng máy tính 228 Bài 5: Điều khiển vị trí động chiều dung máy tính 274 Bài 6: Điều khiển dung card USB 6008 293 Bài 7: Điều khiển dung card thu thập liệu điều khiển PCI 6221/PCI 1711 405 Bài 8: Điều khiển cổng song song 419 Tài liệu tham khảo 485 Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc Bài 1: Mở đầu I.Mục tiêu Giới thiệu thiết bị có phòng thí nghiệm Giới thiệu loại cảm biến 3.Nắm lệnh Visual Basic.Net 2010 hay Visual Basic 6.0: giới thiệu, kiểu liệu, phép toán, cấu trúc điều khiển (điều kiện, vòng lặp) chương trình thủ tục Thực tập Visual Basic II Thiết bị học tập Máy tính Pentium Core i3 , tốc độ 3,2 Ghz, RAM 2GByte, ổ đĩa cứng 320 GB Phần mềm Visual Basic.NET (2010), Visual Basic 6.0, C++, C# Đồng hồ đo vạn VOM III Kiến thức chuẩn bị 3.1.Giới thiệu thiết bị, mơ hình : Giới thiệu mô hình thực tập : Khảo sát mô hình thực tập (board vi điều khiển PIC 16F877A/16F887) 1/8 led đơn: portD 2/ nút nhấn SW0 đến SW1 3/IC MAX 232 giao tiếp PIC 16F877A/16F887 với máy tính qua cổng nối tiếp (COM): dùng để chuyển mức logic tín hiệu 4/Nguồn +12VDC,+5V DC Lập trình cho PIC 16F877A/16F887: dùng CCS C Nạp tập tin hex: dùng PICkit phần mềm nạpPickit V2.51 hay 2.61 Mô đun thu thập liệu: N: nguồn Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc L: điều khiển led analog (nối với L P0.2 6008) CB: cảm viến phát vật (cảm biến gần) DT: biến trở CT: công tắc chân (nối với GS P0.0 6008) NN: nút nhấn P: ổn định điện áp analog xuất điều khiển on/off (nối AO.0 6008) Mô đun điều khiển ổn định nhiệt độ: N: nguồn D1: ngõ vào tín hiệu điều khiển từ PIC 16F887 D2: ngõ vào tín hiệu điều khiển từ card 6008 LM: ngõ tín hiệu điều khiển LM35 Mơ đun điều khiển động cơ: N: nguồn D1: ngõ vào tín hiệu điều khiển từ PIC 16F887 D2: ngõ vào tín hiệu điều khiển từ card 6008 EN: ngõ tín hiệu encoder Card 6008: LB AI.0: ngõ vào analog,LM35 D2 AO.0: ngõ tín hiệu điều khiển từ card 6008 GS P0.0: giám sát trạng thái cảm biến, công tắc, nút nhấn EN PIFO: ngõ vào PIFO CB P0.1: giám sát trạng thái cảm biến, công tắc, nút nhấn L P0.2: điều khiển led Q AO.1: ngõ điều khiển quạt L P0.2 : điều khiển led 3.2.Visual Basic 2010 Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 3.2.1.Giới thiệu Microsoft.net 3.2.1.1.Tổng quan Microsoft.net phát triển từ đầu năm 1998, lúc đầu có tên Next Generation Windows Services (NGWS-Dịch vụ Windows hệ sau) Cuối năm 1998, dự án mang tên Visual Studio bổ sung vào NQWS Từ phiên tiếp nối đời Visual Studio 2003, 2005, 2008, 2010, 2012 2014 Microsoft.net thiết kế để dùng cho Internet tảng cho việc xây dựng thực thi ứng dụng phân tán 3.2.1.2.Kiến trúc NET Framework NET Framework khung môi trường lập trình NET, nằm bên hệ điều hành, giúp cho việc phát triển ứng dụng môi trường phân tán Internet trở nên đơn giản Hiện nay, NET Framework gồm có thành phần sau: -Các ngơn ngữ thức: C#.NET, Visual Basic.NET, Managed C++ Jscript.NET -Common Language Runtime (CLR): thông qua CLR NET Framework, ngơn ngữ khác NET chia xẻ tài nguyên với CLR có nhiệm vụ cung cấp mơi trường để chương trình ứng dụng thực thi.Nó xem máy ảo tương tự máy ảo Java Ở mức cao, LCR kích hoạt đối tượng , kiểm tra bảo mật, bố trí chúng nhớ thi hành chúng -Framework Class Library (FCL): chứa số thư viện lớp có quan hệ với Thông qua thư viện này, xây dựng ứng dụng NET cách dễ dàng tiện lợi FCL đượcchia thành nhóm sau: + Lớp thấp FCL Framework Base Classes, hỗ trợ trình vào đơn giản, xử lí đối tượng kiểu chuỗi, quản lí việc bảo mật, truyền thơng mạng, quản lí tiến trình (thread), thao tác liệu kiểu text,… +Trên lớp Framework Base Classes dãy lớp mở rộng, nhằm hỗ trợ quản lí liệu XML(ngơn ngữ đánh dấu mở rộng) Data and XML Classes Lớp chứa hai lớp Lớp thứ lớp liệu (Data Classes) hỗ trợ việc quản lí liệu, chứa lớp Structured Query Language (SQL-Ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc )để quản lí liệu thơng qua giao diện chuẩn SQL Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc tập hợp lớp gọi ADO.NET cho phép thao tác với liệu Lớp thứ hai lớp XML (XML Classes-Lớp ngôn ngữ đánh dấu mở rộng) hỗ trợ thao tác với liệu XML, thực thi tìmkiếm giao dịch XML + Ngoài Framework Classes Data and XML Classes có lớp cơng cụ để xây dựng ứng dụng, sử dụng ba công nghệ khác nhau: Web Services, Web Forms Windows Forms 3.2.1.3.Môi trường phát triển Môi trường phát triển Visual Studio 2005: Hình 1.1 Đây mơi trường phát triển Visual Studio 2010 (cụ thể Visual Basic 2010) Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc Hình 1.2 3.2.1.4 Quá trình biên dịch thực thi chương trình: Trong NET Framework, chương trình khơng đượcbiên dịch vào tập tin thựcthi mà thay vào chúng biên dịch vào tập tin trung gian MSIL (Microsoft Intermediate Language-Ngôn ngữ Microsoft trung gian) Khi chạy chương trình, MSIL biên dịch lần việc sử dụng trình biên dịch Just-In-Time (JIT) Kết chương trình thực thi thơng qua xử lí củamáy tính Khi phương thức chương trình đượcgọi, trình biên dịch JIT phân tích MSIL kiểm tra MSIL dịch chưa, dịch JIT bỏ qua Vì thế, ứng dụng chạy việc biên dịch xảy cần thiết, tức biên dịch mã MSIL chưa biên dịch mã máy điều làm cho chương trình chạt nhanh Do tất ngôn ngữ NET Framework (C#, C++, Visual Basic, Java) tạo sản phẩm MSIL giống nhau, nên đối tượng tạo từ ngơn ngữ NET truy cập hay dẫn xuất từ Microsoft NET từ đối tượng ngơn ngữ khác trong.NET Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 3.2.2.Giới thiệu Visual Basic.NET (Visual Basic 2010) 3.2.2.1.Đặc điểm VB.NET làngôn ngữ lập trình mới, khơng lập trình tảng vững theo kiểu hướng đối tượng ngơn ngữ C++ hay Java, mà cón dễ học, dễ phát triển, dễ dàng giúp giải đáp vấn đề khúc mắc lập trình VB.NET chuyển sang hướng hồn tồn tập trung vào phát triển ứng dụng cho môi trường đa tầng, ứng dụng phân tán, lập trình ứng dụng mạng VB.NET hỗ trợ đầy đủ bốn tính chất ngơn ngữ lập trình hướng đối tượng: tính kế thừa (inheritance), trừu tượng hóa liệu (abstraction), tính đa hình (polymorphism), tính đóng gói (encapsulation) Ngồi VB.NET bổ sung thêm tính hướng đối tượng : giao tiếp (interface), nạp chồng (ocerloading), hàm tạo hàm hủy, xử lí ngoại lệ có cấu trúc, xừ lí đa luồng Khi lập trình với VB.NET làm việc với mơi trường lập trình trực quan gồm thựcđơn (menu), công cụ (tool bar), cửa sổ (windows) giúp tạo giao diện dễ dàng Khi sử dụng VB.Net xây dựng hầu hết ứng dụng, tạo trò chơi Winndows, tốn quản lí, tốn kỹ thuật, lập trình ứng dụng ngành điện-điện tử-tự động hóa,… 3.2.2.2.Làm việc với dự án VB.NET (Project): Trước tiên ta phải cài đặt Microsoft Visual Studio 2010 Express.Tải Visual Basic 2010 Express miễn phí từ địa sau Microsoft: http://www.microsoft.com/visualstudio/eng/downloads#d-2010-express Sau khởi động Visual Basic 2010 Express: Chọn Start, Program, Microsoft Visual Studio 2010 Express, Microsoft Visual Basic 2010 Express Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 10 Hình 1.3 Khởi động Visual Basic 2010 Express, sau: Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 471 Đọc them: Hệ thống thu thập liệu nhiều kênh • • • • • • • • Đề tài nghiên cứu, khảo sát thực với mục đích áp dụng kiến thức học để thiết kế, tạo hệ thống Điều khiển tự động từ xa sóng RF hồn chỉnh Hệ thống gồm có : Module RF APC240 Module RS232 Mạch điều khiển ARM Cortex-m3 (STM32F103RCT6) Mạch kích dùng MOC3020 Ý TƯỞNG THIẾT KẾ Dùng sóng RF 433 MHz module APC240 truyền nhận liệu nhiệt độ ánh sáng.Dùng phần mêmf C# để thể thong tin thu nhận được.Dùng phương pháp PID để xử lý tín hiệu nhiệt Sơ đồ nguyên lý khối kích ACdùng MOC 3020: Hình Khối nguồn: Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 472 Hình Khối LM358: Hình Khối vi điều khiển (MCU): Hình Hình ảnh moat số kết thực nghiệm: Kp=10, Kd=0,5, Ki=6 Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 473 Hình Và Hình • Nhận xét: với hệ số Kp,Kd,Ki ta thấy độ vọt lố 4,7 0C, vọt lố cao thời gian đáp ứng chưa nhanh Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 474 Một số hình ảnh thực tế mạch: Hình Hình Tham khảo: Vũ Gia Kiên,MSSV: 09076531, Đồ án chuyên ngành, Hệ thống thu thập liệu từ xa , lớp: ĐHĐT5A, tháng 12-2013 Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 475 Đọc them: Điều khiển qua Bluetooth 1.Yêu cầu: thiêt kế đề tài ổn định nhiệt độ với khoảng nhiệt dộ ổn định điều khiển đến 60 độ C dùng cảm biến DS18b20, sử dụng vi điều khiển ARDUINO MEGA 2560 , hiển thị LCD Vi điều khiển Arduino Mega 2560 giao tiếp với điện thoại thong minh (smartphone) qua Bluetooth Giao diện smartphone viết phần mềm Eclip Ưu điểm: Cảm biến DS18B20 loại cảm biến nhiệt có giá tương đối rẻ bán nhiều thị trường, có khoảng đo nhiệt dộ phù hợp với yeu cà u đề tài ARDUINO MEGA 2560 loại chip vi điều khiển khả trình dùng mã nguồn mở, có ưu điểm giá tương đối rẻ, điều khiển ổn định xác phổ biến thị trường Nhiệm Vụ : Mạch điều khiển nhiệt độ thông qua máy tính có yeu cà u sau: - Điều khiển nhiệt độ smartphone , có tuyến tính Giá trị đặt nhiệt độ smartphone phải cân với nhiệt độ có - Khi mạch kết nối với smartphone phải đảm bảo mạch hoạt động bình thường - Yeu cà u mạch ngồi phải đảm bảo kết nối chân tránh tình trạng bị chạm gây cố cho máy tính lẫn mạch ngồi - Khoảng cách truyền tính hiệu phải phù hợp với chuẩn thiết kế để đảm bảo tín hiệu truyền xác khơng bị suy giảm đường truyền - Cảm biến nhiệt độ ben ngoai cà n phải xác thể nhiệt độ cà n điều khiển Sơ Đồ Khối Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 476 Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 477 Đặc Tính Của Vi Điều Khiển Arduino Mega 2560 Arduino thật bo mạch vi xử lý dùng để lập trình tương tá c với thiết bị phà n cứng cảm biến, động cơ, đèn thiết bị khá c Đặc điểm bật Arduino môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với ngơn ngữ lập trình học cách nhanh chóng với người am hiểu điện tử lập trình Và điều làm nên tượng Arduino mức giá thấp tính chất nguồn mở từ phà n cứng tới phà n mềm Thông số kỹ thuật:              Vi điều khiển: ATmega2560 Điện áp hoạt động: 5V Nguồn : 7-9V Số chân Digital: 54 (15 chân PWM) Số chân Analog: 16 Giao tiếp UART : UART Giao tiếp SPI : ( chân 50 -> 53 ) dùng với thư viện SPI Arduino Giao tiếp I2C : Ngắt : chân Bộ nhớ Flash: 256 KB, 8KB sử dụng cho Bootloader SRAM: KB EEPROM: KB Xung clock: 16 MHz 4.Cảm biến nhiệt DS18b20  MƠ TẢ TÍNH NĂNG SỦA DS18B20: - DS1820 nhiệt kế số có độ phân giải 9-12bit giao tiếp với vi điều khiển trung tâm thông qua dây ( wire communication) DS1820 hoạt động với điện áp từ 3V-5.5V cấp nguồn qua chân DQ- chân trao đổi liệu Nó đo nhiệt độ tầm -55-125oC với độ xác +-0.5 oC Mỗi DS1820 có Serial code 64bits nhất, điều cho phép kết nối nhiều IC đường bus  ĐẶC ĐIỂM CỦA CHUẨN WIRE: - có master hệ thống - Giá thành thấp - Tốc độ đạt dược tối đa 16kbps - Khoảng cách truyền xa 300m - Lượng thơng tin trao đổi nhỏ Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 478 Sơ đồ khối IC DS18B20 Module Bluetooth Hc-05 Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 479 Module bluetooth HC05 master / slave dùng để thiết lập kết nối Serial thiết bị sóng bluetooth Điểm đặc biệt module bluetooth HC-05 module hoạt động chế độ: MASTER SLAVE Trong đó, bluetooth module HC-06 hoạt động chế độ SLAVE.Ở chê độ SLAVE: bạn cà n thiết lập kết nối từ smartphone, laptop, usb bluetooth để dò tìm module sau pair với mã PIN 1234 Sau pair thành cơng, bạn có cổng serial từ xa hoạt động baud rate 9600.Ở chế độ MASTER: module tự động dò tìm thiết bị bluetooth khá c (1 module bluetooth HC-06, usb bluetooth, bluetooth laptop ) tiến hành pair chủ động ma khong cà n thiết lập từ má y tì́nh smartphone Mơ hình phần Cứng Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 480 Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 481 Chương Trình Thực Hiện 7.1 Giao Diện Android a Giao Diện Start: nhấn button start giao diện điều khiển sẻ chuyển sang giao diện kết nối với module Bluetooth b Giao Diện Kết Nối Với Module Bluetooth: Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 482 Trên giao diện kết nối module Bluetooth Danh sách thiết bị tự động cập nhật Nếu muốn kết nối vào thiết bị cà n chạm vào tên thiết bị giao diện chuyển sang giao diện điều khiển Nút REFRESH có chức làm danh sách thiết bị Nút EXIT để thoát ứng dụng c Giao Diện Điều Khiển : Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 483 Trên giao diện điều khiển nhiệt độ cá c button tương ứng nhiệt độ , nhiệt độ cài đặt sẻ nhận thông tin ô nhập truyền xuống phà n cứng theo frame dử liệu Button cài đặt có chức cài đặt nhiệt độ maxtemp từ smartphone truyền xuống boar arduino Button BacktoMain có chức trở chương trình trước Button ReConnect có chức kết nối lại Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 484 Phụ lục: 1.Chuong trinh Eclip: a.Code điều khiển start b.Code điều khiển connect: c.Code điều khiển control 2.Code C cho Arduino: Tham khảo: Hoàng Hữu Nghị, lớp DHDT7A, Đồ án 2: Điều khiển nhiệt độ dung vi điều khiển Arduino Mega 2560 giao tiếp điện thoại thong minh qua Bluetooth dung phương pháp on/off, Học kì 1, 2015-2016 Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 485 TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Nguyễn Đức Thành, Đo lường điều khiển máy tính, NXB ĐHQG Tp HCM, 2002 (lần 1) 2005 (lần 2) [2] Ngô Diên Tập, Đo lường điều khiển máy tính, NXB KHKT, Hà nội, 1999 [3] Nguyễn Ngọc Sơn, Thực hành Đo lường điều khiển máy tính, ĐH Cơng nghiệp TP.HCM, lưu hành nội bộ, 2011 [4].K.J.Astrom,B.J Wittenmark, Prentice Hall, 3rd ed., 1997 Computer-Controlled Systems - Theory and Design, [5].Gustaf Olsson and Gianguido Piani, Computer systems for automation and control, Prentice Hall ,1992 [6].George C Barney, Intelligent Instrumentation, Prentice Hall 1988 [7] Hans B Kief, T Frederick Waters, Computer numerical control, Glencoe, McGrawHill, International Editions 1992 [8] Willis J Tompkins, John G Webster, Interfacing sensors to the PC, Prentice Hall, 1990 [9] S.K Singh, Industrial Instrumentation and Control , Tata McGraw Hill, January 15, 2010 , ISBN-10: 0070678200, ISBN-13: 978-0070678200 (made in USA , 2015) [10].Bộ môn Điều khiển tự động, ĐHBK Tp HCM, Thí nghiện điều khiển tự động 2, 2008 [11].Các đồ án tốt nghiệp đại học đồ án môn hoïc sinh viên đại học điện tử tự động, khoa Cơng nghệ Điện tử, ĐHCN Tp HCM [12] Bùi Thư Cao, Lập trình Visual Basic 6.0, ĐHCN Tp HCM , lưu hành nội bộ, 2004 [13] Trònh Thò Ngọc Linh, Lập trình Visual Basic.Net với sở liệu, NXB Thông tin truyền thông, 2010 [14] Nguyễn Thò Lan Hương, Phạm Thò Ngọc Yến, Nguyễn Việt Tùng, LabView: Thiết bò đo giao diện người máy, NXB KHKT, Hà nội, 2008 [15] Martin P Bates,Programming bit PIC Microcontrollers in C, Newnes, 2006 [16] Ramakant Gayakwad, Leonard Sokoloff, Analog and digital control systems, Prentice Hall NJ, 1990 Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc ... khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 13 Hình 1.6 Nhấp chuột vào Toolbox, ta thấy cơng cụ: Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 14 Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh. .. Express Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 10 Hình 1.3 Khởi động Visual Basic 2010 Express, sau: Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính ©Huỳnh Minh Ngọc 11 Hình 1.4 Chọn... học Thí nghiệm đo lường điều khiển máy tính cung cấp phần thực hành ứng dụng máy tính kit vi điều khiển đo lường điều khiển Mơn học gồm có thí nghiệm sau: Bài 1: Mở đầu Bài 2: Điều khiển led, LCD