Thiết kế chương trình mô phỏng việc điều khiển và giám sát hệ thống cấp nước tự động từ bể ngầm nên bể chứa trên cao (sử dụng 3 bơm nước ) ứng dụng phần mềm labview

Đề tài 1 Chương 1 Giới thiệu phần mềm LabVIEW, Proteus, IDE (Integrated Development Environment) 2 1.1. LabVIEW là gì? 2 1.2. Tạo một Project Explorer 3 1.3. Các thành phần của một VI 5 1.4. Phần mềm Proteus 6 1.5. Phần mềm IDE 7 1.6. Phần mềm Configure Virtual Serial Port Driver 8 Chương 2 Bo mạch Arduino Mega2560 và thuật toán điều khiển 8 2.1 Bo mạch Arduino Mega2560 8 2.2. Thuật toán điều khiển 11 Chương 3 Chương trình thực hiện 12 3.1. Chương trình thực hiện trên phân mềm LabVIEW 12 3.2. Chương trình thực hiện trên phần mềm Proteus 14 3.3. Chương trình viết trên phần mềm IDE 15 3.4. Thực hiện chạy chương trình 17 Kết luận 22 Tài liệu tham khảo 23

Đề tài: Thiết kế chương trình mô phỏng việc điều khiển và giám sát hệ thống

cấp nước tự động từ bể ngầm nên bể chứa trên cao (sử dụng 3 bơm nước ) ứng dụng phần mềm labview

Đề tài 1

Chương 1 Giới thiệu phần mềm LabVIEW, Proteus, IDE (Integrated Development Environment) 2

1.1 LabVIEW là gì? 2

1.2 Tạo một Project Explorer 3

1.3 Các thành phần của một VI 5

1.4 Phần mềm Proteus 6

1.5 Phần mềm IDE 7

1.6 Phần mềm Configure Virtual Serial Port Driver 8

Chương 2 Bo mạch Arduino Mega2560 và thuật toán điều khiển 8

2.1 Bo mạch Arduino Mega2560 8

2.2 Thuật toán điều khiển 11

Chương 3 Chương trình thực hiện 12

3.1 Chương trình thực hiện trên phân mềm LabVIEW 12

3.2 Chương trình thực hiện trên phần mềm Proteus 14

3.3 Chương trình viết trên phần mềm IDE 15

3.4 Thực hiện chạy chương trình 17

Kết luận 22

Tài liệu tham khảo 23

Chương 1 Giới thiệu phần mềm LabVIEW, Proteus, IDE (Integrated Development

Environment)

1.1 LabVIEW là gì?

- LabVIEW (viết tắt của nhóm từ Laboratory Virtual Instrumentation

Engineering Workbench) là một phần mềm máy tính được phát triển bởi công ty

National Instruments, Hoa kỳ LabVIEW còn được biết đến như là một ngônngữ lập trình với khái niệm hoàn toàn khác so với các ngôn ngữ lập trình truyềnthống như ngôn ngữ C, Pascal

- LabVIEW là một môi trường lập trình đồ họa mà bạn có thể sử dụng để

tạo các ứng dụng với giao diện người dùng chuyên nghiệp một cách nhanhchóngvà hiệu quả Hàng triệu kỹ sư và nhà khoa học sử dụng LabVIEW để pháttriển các ứng dụng đo lường, kiểm thử, và điều khiển tinh vi bằng cách sửdụngcác biểu tượng trực quan và dây nối tín hiệu Ngoài ra, LabVIEW có thểđược mở rộng cho nhiều nền tảng phẩn cứng và hệ điều hành khác nhau Trongthực tế, nền tảng LabVIEW có khả năng tích hợp với hàng nghìn thiết bị phầncứng và cung cấp hàng trăm thư viện được xây dựng sẵn để phân tích nângcao và hiển thị dữ liệu giúp bạn tạo ra các thiết bị ảo có thể tùy chỉnh theo nhucầu của mình

- Bởi vì chương trình LabVIEW mô phỏng giao diện và hoạt động củacác thiết bị thực, chẳng hạn như dao động ký và thiết bị đo đa năng, chươngtrìnhLabVIEW được gọi là thiết bị ảo (Virtual Instrument), thường gọi tắt

là VI VI có Front Panel và Block Diagram Front Panel là giao diện ngườidùng Block Diagram là chương trình phía sau giao diện người dùng Saukhi bạn xây dựng Front Panel, bạn thêm mã (code) để điều khiển các đối tượngtrên Front Panel bằng cách sử dụng các hình đồ họa đại diện cho các hàm Mãtrên Block Diagram là mã dạng đồ họa, thường được biết đến là G code (mã G)hoặc Block Diagram code

- Khác với các ngôn ngữ lập trình dạng văn bản, như C++ và Visual

Basic, LabVIEW sử dụng các biểu tượng thay vì các dòng văn bản để tạo ra cácứng dụng Trong lập trình dạng văn bản, thứ tự các dòng lệnh xác định trình tựthực hiện chương trình LabVIEW sử dụng lập trình đồ họa dạng dòng chảy dữliệu Trong lập trình đồ họa dạng dòng chảy dữ liệu, dòng chảy của dữ liệuqua các nút trên Block Diagram xác định trình tự thực hiện chương trình Lậptrình đồ họa và thực thi dạng dòng chảy dữ liệu là hai đặctính chính làm LabVIEW khác với hầu hết ngôn ngữ lập trình đa dụng khác

- LabVIEW để tạo ra các ứng dụng thu thập dữ liệu đơn giản một cách hiệu

quả với ba bước: thu thập, phân tích, và hiển thị Mặc dù giáo trình này đượcgiảng dạy trên Windows, LabVIEW hỗ trợ nhiều nền tảng Bạn có thể pháttriển các ứng dụng trên Windows, Mac OS, hoặc Linux Hơn nữa, bạn có thểtriển khai các ứng dụng LabVIEW cho một loạt các nền tảng thời gian thực

và FPGA

- Đặc điểm của LabVIEW

Chương trình LabVIEW có các đặc điểm sau:

o Đồ họa và biên dịch

o Lập trình theo dạng dòng chảy dữ liệu hướng

o Đa mục tiêu và nhiều nên tảng

o Hướng đối tượng

o Khả năng đa luồng

1.2 Tạo một Project Explorer

- VI là những chương trình LabVIEW, và bạn có thể sử dụng nhiều VI với

nhau để tạo ra một ứng dụng LabVIEW Để nhóm các VI liên quan với nhau, sửdụng LabVIEW project (dự án LabVIEW) Khi bạn lưu một dự án LabVIEW từcửa sổ Project Explorer, LabVIEW tạo ra một tập tin dự án (.lvproj), bao gồm tất cả các tập tin LabVIEW và các tập tin khác trong dự án, thông tin cấu

hình, thông tin về xây dựng (để tạo ra các file thực thi EXE, tạo ra file setup, tạo ra tập tin DLL, …), và các thông tin triển khai

- Một số ứng dụng LabVIEW, chẳng hạn các VI đơn giản, không cần

phải sử dụng một dự án LabVIEW Tuy nhiên, bạn phải sử dụng một dự án để xây dựng các ứng dụng độc lập và thư viện chia sẻ Ngoài ra, bạn phải sử

dụng một dự án để làm việc với mục tiêu phần cứng không phải là máy

tính phát triển như: thiết bị thời gian thực, FPGA Tham khảo các tài liệu về các mô-đun cụ thể để biết thêm thông tin về việc sử dụng các dự

án với LabVIEW Real-Time, FPGA

- Cửa sổ Project Explorer:

+ Các dự án trong LabVIEW bao gồm VI, các tập tin cần

thiết để những VI này chạy đúng, và các tập tin bổ sung như tài liệu hoặc các liên kết có liên quan.Sử dụng cửa sổ Project Explorer để quản lý dự

án trong LabVIEW

+ Theo mặc định, cửa sổ Project Explorer bao gồm các mục sau đây:

Explorer Nhãn trên project root là tên tập tin của dự án

 Dependencies - Bao gồm các VI và các mục mà VI trong mục tiêu yêu cầu

phối mã nguồn và các loại cấu hình khác có sẵn trong các mô-đun và toolkit củaLabVIEW Nếu bạn đã cài LabVIEW Professional Development

System hoặc Application Builder, bạn có thể sử dụng Build

Specifications để cấu hình các ứng dụng độc lập, thư viện chia sẻ, trình cài đặt, và các tập tin nén (zip)

- Hoàn thành các bước sau đây để sử dụng cửa sổ Project Explorer trong việc tạo và chỉnh sửa các dự án LabVIEW:

1 Chọn File»Create Project để hiển thị hộp thoại Create Project Hộp thoại Create Project hiển thị một danh sách các chương trình mẫu và các ví

dụ mà bạn có thể sử dụng để đảm bảo rằng dự án bạn tạo ra sử dụng thiết

kế đáng tin cậy và phương thức lập trình chính thống

2 Tìm dự án mẫu thích hợp với mục tiêu mà bạn muốn thực hiện với dự

án Sử dụng các tính năng sau đây để tìm kiếm các dự án mẫu:

 Filters – Chỉ hiển thị chỉ kết quả của một loại nhất định, chẳng

hạn như các dự án mẫu cho một mục tiêu cụ thể

kết quả đã lọc

trợ giúp để đảm bảo rằng dự án mẫu thích hợp với mục tiêu mà bạn muốn dự ánthực hiện

3 Nhấn nút Next hay Finish để cấu hình chi tiết cho dự án, bao gồm cách lưu dự án Sau khi bạn hoàn thành việc cấu hình dự án, LabVIEW lưu dự

án vàmở cửa sổ Project Explorer

4 Sử dụng cửa sổ Project Explorer để chỉnh sửa dự án Tham

khảo các ghi chú trên block diagram của VI trong dự án mẫu để biết thêm thôngtin về cách chỉnh sửa dự án Tham khảo thêm thư mục Project

Documentation trong cửa sổ Project Explorer để biết thêm thông tin về cách chỉnh sửa dự án

1.3 Các thành phần của một VI

Một VI bao gồm ba thành phần chính:

- Cửa sổ Front panel

Cửa số Front panel là giao diện người dùng cho VI

Hình 1.1 Cửa sổ front panel

Cửa số block diagram

Hình 1.2 Cửa số block diagram

1.4 Phần mềm Proteus

- Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử

bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điềukhiển như MCS-51, PIC, AVR, … Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện

tử của Lancenter Electronics, mô phỏng cho hầu hết các linh kiện điện tử thông

dụng, đặc biệt hỗ trợ cho cả các MCU như PIC, 8051, AVR, Motorola Phầnmềm bao gồm 2 chương trình: ISIS cho phép mô phỏng mạch và ARES dùng để

vẽ mạch in Proteus là công cụ mô phỏng cho các loại Vi Điều Khiển khá tốt, nó

hỗ trợ các dòng VĐK PIC, 8051, PIC, dsPIC, AVR, HC11, MSP430,ARM7/LPC2000 các giao tiếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethenet, ngòai ra còn

mô phỏng các mạch số, mạch tương tự một cách hiệu quả Proteus là bộ công cụchuyên về mô phỏng mạch điện tử

- Proteus có hai phần bao gồm:

+ ISIS cho phép mô phỏng hoạt động của các hệ vi điều khiển, cũng như hoạtđộng của các linh kiện điện tử như led, tụ điện, điện trở….Chọn đối tượng vàthiết lập thông số cho đối tượng dễ dàng ISIS tích hợp nhiều công cụ giúp choviệc quản lý mạch điện lớn, mạch điện có thể lên đến hàng ngàn linh kiện

Hình 1.3 ISIS trong phần mềm Proteus

+ ARES dùng để vẽ mạch in và sắp xếp chúng

Hình 1.4 ARES trong phần mềm Proteus

1.5 Phần mềm IDE

soạn thảo văn bản, giúp bạn viết code để nạp vào bo mạch arduino

- Một trương trình viết bởi Arduino IDE được gọi là sketch, sketch được lưu dưới định dạng ino.

+ Trước khi nạp Sketch bạn phải chọn tên bo mạch, và cổng com:

+ Từ menu chính chọn Tools > Board và Tools > Port

- Libraries:

+ Là những thư viện bổ sung thêm những chức năng để sử dụng trong sketch, ví

dụ làm việc với màn hình LCD bạn phải cần có một thư viện để điều khiển nó

Để dùng library, bạn chọn Sketch->import Library.

+ Đây là danh sách những thư viện thông dụng bạn nên biết Một số thư viện có sẵn với Arduino IDE Một số khác bạn có thể tải thêm từ internet hoặc thông

qua Library Manager Xem thêm hướng dẫn cài đặt Library.

- Serial Monitor:

+ Là hộp thoại để hiện thị dữ liệu được gửi từ bo mạch Arduino, hoặc gửi dữ liệu từ máy tính tới bo mạch của bạn

1.6 Phần mềm Configure Virtual Serial Port Driver

- Virtual Serial Port Driver là phần mềm hữu hiệu để tạo ra các cổng nối tiếp ảo và kết nối chúng theo cặp thông qua dây cáp null-modem ảo Các ứng dụng trên cả hai đầu của cặp đó sẽ có thể trao đổi dữ liệu cho nhau Khi đó, dữ liệu được ghi trên cổng đầu tiên sẽ xuất hiện ở cổng thứ hai và

ngược lại

- Tất cả các cổng nối tiếp ảo đều hoạt động chính xác như những cổng

thực, mô phỏng các thiết lập của chúng Do đó, bạn có thể tạo ra bao nhiêu cặpcổng ảo theo ý muốn mà không cần phải sử dụng phần cứng bổ sung nào

Hình 1.5 Giao diện phần mềm Virtual Serial Port Driver

Chương 2

Bo mạch Arduino Mega2560 và thuật toán điều khiển

2.1Bo mạch Arduino Mega2560

- Thành phần Arduino Mega2560

Hình 2.1 Bo mạch Arduino Mega2560

Arduino Mega2560 là một vi điều khiển bằng cách sử dụng ATmega2560

- Bao gồm:

 54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM)

 16 đầu vào analog

 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng)

 1 thạch anh 16 MHz

 1 cổng kết nối USB

 1 jack cắm điện

 1 đầu ICSP

 1 nút reset

- Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển.

- Arduino Mega2560 khác với tất cả các vi xử lý trước giờ vì không sửdụng FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý Thay vào đó, nó

sử dụng ATmega16U2 lập trình như là một công cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB

Ngoài ra, Arduino Mega2560 cơ bản vẫn giống Arduino Uno R3, chỉ khác số

lượng chân và nhiều tính năng mạnh mẽ hơn, nên các bạn vẫn có thể lập trìnhcho con vi điều khiển này bằng chương trình lập trình cho Arduino Uno R3

- Arduino Megas có sơ đồ linh kiện như các hình sau đây

Hình 2.2 Một số linh kiện trên bo mạch Arduino Mega 2560

Hình 2.3 Sơ đồ chân của bo mạch Arduino Mega 2560

2.2 Thuật toán điều khiển

60 < Mức nước < 98

B1 = 1 B2 = 0 B3 = 0

B1 = 0 B2 = 0 B3 = 0

Chương 3 Chương trình thực hiện 3.1 Chương trình thực hiện trên phân mềm LabVIEW

- Chương trình viết trên Block Diagram

Hình 3.1 Chương trình viết trên Block Diagram

VISA resource name

Chỉ định cổng com để kết nối LabVIEW với Proteus

VISA serial

Khởi tạo cổng nối tiếp được chỉ định bởi VISA resource

name để cài đặt cổng được chỉ định.

VISA read

Đọc số được chỉ định của những byte gửi từ thiết bị hoặc

giao tiếp được chỉ định bởi VISA resource name và trả lại

dữ liệu trên bộ đệm

Match Pattem

Tìm kiếm biểu thức thường trong chuỗi bắt đầu ở giá trị đốitrọng Nếu chức năng tìm thấy khớp, nó chia chuỗi thành 3 chuỗi con

Decimal String To Number

Chuyển ký tự số trong chuỗi, đang bắt đầu ở giá trị đối trọng, để một số nguyên thập phân và trả lại nó trong số thập phân

Chương trình con có nhiệm vụ chuyển bất ký một số nào trong dải 0-300 sang dài 0-128

SelectTrả về giá trị ở đầu T hoặc F , tùy thuộc vào giá trị của của S.Nếu S là true hàm này lấy giá trị T và ngược lại

Greater

Trả lại là đúng nếu giá trị x lớn hơn giá trị y Nếu không thì, trả giá trị sai (nếu đúng thì đầu ra là 1 nếu không thì đầu ra là 0)

Đóng một phiên làm việc của thiết bị hoặc đối tượng sự

kiện được chỉ định bằng VISA recource name

While Loop

Vòng lặp

In Range and Coerce Xác điịnh giá trị x có nằm trong giới hạn hay không và tùy chọn ép buộc giá trị nằm trong phạm vi

Number To Decimal String Chuyển đổi số thành chuỗi kí tự thập phân Bảng 3.1 Bảng giải thích các khối cơ trong Block Diagram

+ Nguyê lý hoạt động: Khi cổng com được chỉ định nó sẽ được thiết lập bởi

Visa serial đưa vào vòng lặp While loop đến khối VISA Read dữ liệu sẽ được

đưa vào bộ đệm, dữ liệu vào sẽ được giới hạn tùy theo byte count Sau đó đưa tới khối Match Pattem tìm kiếm kỹ tự khớp với ký tự đã đặt và chia nó làm 3

phần rồi chuyển đến khối chuyển đổi dữ liệu từ dạng chuỗi sang dạng số để hiểnthị

- Chương trình hiển thị trên Front Panel

Hình 3.2 Chương trình hiển thị trên Front Panel

3.2 Chương trình thực hiện trên phần mềm Proteus

Hình 3.3 Chương trình thiết kế trên phần mềm Proteus

Ở đây để mô phỏng 3 led để mô phỏng cho 3 bơm b1,b2,b3

Đầu tiên mức nước được cảm biến đo và chuyển thành tín hiệu điện áp và

chuyển tới đầu vào analog của bo mạch Arduino Mega2560 Được chuyển tới chân TX của bo mạch Arduino Mega2560

3.3 Chương trình viết trên phần mềm IDE

int mucnuoc = A0;

- B1: Biên dịch Code trên phần mềm IDE

Hình 3.4 Biên dịch Code trên phần mềm IDE

- B2: Ghép đôi cổng COM1 và COM2 trong phần mềm Configure Virtual Serial Port Driver

Hình 3.5 Ghép đôi cổng COM1 và COM2 trên phần mềm Virtual Serial

Port Driver

- B3: Chạy chương trình trên phần mềm Proteus

+ Nạp file HEX cho bo Arduino Mega2560

Hình 3.6 Nạp file HEX cho bo Arduino Mega2560

+ Chỉ định cổng COM cho Compim

Hình 3.7 Chọn cổng COM cho COMPIM

+ Chạy chương trình trong phần mềm Proteus

- Bước 4: Chạy chương trình trong phần mềm LabVIEW

Hình 3.8 Chạy chương trình hiện thị nhiệt độ trên phần mềm LabVIEW

Kết luận

Sau ba tháng tìm hiểu và nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn của thầy PGS.TSTrần Sinh Biên, nhóm đã hoàn thành xong bài tập lớn môn Điều khiển Sản XuấtTích Hợp Máy Tính Trong quá trình làm bài tập lớn, mặc dù nhóm đã cố gắngnhiều, song do kiến thức cũng như về tầm nhìn thực tế còn hạn chế, nên khôngtránh khỏi những khiếm khuyết Nhóm rất mong có thể nhận được các ý kiếnđóng góp, giúp đỡ của các thầy cô trong khoa để đề tài bài tập lớn được hoànthiện hơn nữa

Em xin trân thành cảm ơn!

Tài liệu tham khảo

[1] Tài liệu học tập, Điều khiển sản xuất tích hợp máy tính, NXB Hàng Hải.

[2] Nguyễn Bá Hải, Lập trình LabVIEW, NXB Đại học quốc gia T.P Hồ Chí Minh, 2010

[3] http://www.alldatasheet.com

[4] http://www.ni.com

[5] http://www.arduino.vn