Phân tích dữ liệu cảm biến rung giúp đề phòng được các sự cố đáng tiếc xảy ra, giúp bảo trì máy kịp thời, tránh gây tổn hao về tài chính.................................................................................................................................................
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ MODULE ĐO VÀ PHÂN TÍCH RUNG Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Duyệt Lớp CN - Điện tử K59 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Mạnh Thắng Hà Nội, 9-2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ MODULE ĐO VÀ PHÂN TÍCH RUNG Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Duyệt Lớp CN - Điện tử K59 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Mạnh Thắng Cán phản biện: Hà Nội, 9-2018 Đánh giá đồ án tốt nghiệp (Dùng cho giảng viên hướng dẫn) Giảng viên đánh giá: Họ tên Sinh viên: Nguyễn Văn Duyệt MSSV: 20146133 Tên đồ án: Thiết kế module sensor rung Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong nước/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải vấn đề Có kết mơ phỏng/thưc nghiệm trình bày rõ ràng kết đạt Có khả phân tích đánh giá kết (15) Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu phương pháp thực dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết phân tích đánh giá thỏa đáng Trong phần kết luận, tác giả rõ khác biệt (nếu có) kết đạt mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải thực tương lai Kỹ viết (10) Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chương logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đánh số thứ tự giải thích hay đề cập đến đồ án, có lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Kỹ viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn trường hợp) Có báo khoa học đăng chấp nhận đăng/đạt giải SVNC khoa học giải cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học 10a (quốc tế/trong nước) từ giải trở lên/ Có đăng ký phát minh sáng chế Được báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học không đạt giải từ giải trở lên/Đạt 10b giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chuyên ngành TI contest 10c Không có thành tích nghiên cứu khoa học Điểm tổng 3 4 5 5 5 5 /50 Điểm tổng quy đổi thang 10 Nhận xét thêm Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét thái độ tinh thần làm việc sinh viên) Ngày: / /2018 Người nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) Đánh giá đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán phản biện) Giảng viên đánh giá: Họ tên Sinh viên: Nguyễn Văn Duyệt MSSV: 20146133 Tên đồ án: Thiết kế module sensor rung Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong nước/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải vấn đề Có kết mơ phỏng/thưc nghiệm trình bày rõ ràng kết đạt Có khả phân tích đánh giá kết (15) Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu phương pháp thực dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết phân tích đánh giá thỏa đáng Trong phần kết luận, tác giả rõ khác biệt (nếu có) kết đạt mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải thực tương lai Kỹ viết (10) Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chương logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đánh số thứ tự giải thích hay đề cập đến đồ án, có lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Kỹ viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn trường hợp) Có báo khoa học đăng chấp nhận đăng/đạt giải SVNC khoa học giải cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa học 10a (quốc tế/trong nước) từ giải trở lên/ Có đăng ký phát minh sáng chế Được báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị sinh viên nghiên cứu khoa học không đạt giải từ giải trở lên/Đạt 10b giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chuyên ngành TI contest 10c Khơng có thành tích nghiên cứu khoa học Điểm tổng 3 4 5 5 5 5 /50 Điểm tổng quy đổi thang 10 3 Nhận xét thêm Thầy/Cô Ngày: / /2018 Người nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) LỜI NÓI ĐẦU Người ta ước tính chi phí để bảo hành sửa chữa thiết bị thường cao gấp nhiều lần chi phí bỏ để mua thiết bị Nhưng vấn đề bảo dưỡng ý mười lăm năm trở lại bùng nổ gia tăng khổng lồ số lượng, chủng loại loại thiết bị, máy móc… Giám sát rung phương pháp đo lường dung để tính tốn xác định, chuẩn đốn, dự báo ngăn ngừa hư hại máy móc có động hay thiết bị xoay Thực giám sát rung máy cảnh báo cải thiện độ tin cậy máy móc, hiệu máy móc cao tránh rủi ro đáng tiếc xảy Nhận thức vấn đề nên em tiến hành nghiên cứu, thiết kế module “Giám sát độ rung” để áp dụng nâng cao chất lượng hoạt động độ ổn định máy móc Với nỗ lực cố gắng thời gian qua, em có số kết định, xong nhiều hạn chế thiếu sót thời gian nghiên cứu làm đồ án khơng dài Vì vậy, em mong nhận ý kiến phản hồi thầy cô giáo Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo PGS.TS.Hoàng Mạnh Thắng (Bộ mơn Điện tử kỹ thuật máy tính – Viện Điện tử Viễn thông – Đại học Bách Khoa Hà Nội) tận tình dạy bảo em mặt, từ lúc nhận triển khai đề tài Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn đến viện Điện Tử Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo môi trường học tập, nghiên cứu cho em suốt năm học vừa qua Sinh viên thực Nguyễn Văn Duyệt TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án sử dụng cảm biến rung để lấy tín hiệu đưa vào vi điều khiển để phân tích, đánh giá đưa thơng số đặc trưng để xác định trạng thái rung Hệ thống bao gồm sensor cảm biến rung 801S-MD để phát lấy liệu, vi điều khiển STM8S để xử lý liệu rung, có Xbee để truyền thơng Hệ thống thực thu thập liệu môi trường từ module cảm biến, sau gửi vi điều khiển xử lý gửi thông số sau xử lý để hiển thị cảnh báo thông qua giao thức truyền không dây Nội dung đồ án gồm chương Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài Chương 2: Phương pháp phân tích liệu thiết kế hệ thống Chương 3: Thiết kế chi tiết thành phần hệ thống Chương 4: Triển khai kết ABSTRACT This thesis uses a vibration sensor to pick up the signal and insert it into the microcontroller Next step, the signals are examined, analyzed and extracted specific features These features contain the information of the machine’s vibrative state The system consists of an 801S-MD vibration sensor for data acquisition and retrieval, a STM8S microcontroller for processing vibration data, and two Xbee for communication The system performs environmental data collection from the sensor module, then sends it back to the microcontroller processor and sends the processing parameters to display the alarm via wireless transmission protocol There are chapter in this thesis, they are listed as follow: Chapter 1: Overview of topic Chapter 2: Methods of data analysis and system design Chapter 3: Detailed Design Chapter 4: Results and further work MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN ABSTRACT MỤC LỤC .8 DANH MỤC HÌNH ẢNH 11 DANH MỤC BẢNG BIỂU 12 CÁC TỪ VIẾT TẮT 13 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG 14 1.1 Đặt vấn đề .14 1.2 Ý tưởng thực đề tài .14 1.3 Mục tiêu đồ án 15 1.4 Phương pháp thực đề tài .15 1.5 Module cảm biến rung 801S 15 Cảm biến gì? .15 Công nghệ truyền liệu không dây .16 Công nghệ digimesh .17 Các tham số trog mạng 19 Truyền tin sử dụng Xbee Digimesh .20 1.6 Kế hoạch thực .26 1.7 Kết luận chương 26 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH DỮ LIỆU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .27 2.1 Yêu cầu hệ thống 27 Yêu cầu chức 27 Yêu cầu phi chức 27 có rung vi điều khiển lấy mẫu 5s lần sau tính tốn giá trị trung bình, phương sai sau đóng gói tin chứa data giá trị trung bình, phương sai truyền UART cho Xbee Transmit, Xbee Transmit gửi tin đến Xbee Receiver quay trạng thái Start Kết luận Phần bên trình bày chi tiết trình thiết kế module xử lý hệ thống, bao gồm từ việc đặt tiêu kĩ thuật cho module, thiết kế phần cứng thiết kế phần mềm module 3.2 Module Gateway Module Gate way chứa Xbee Receiver để nhận tin truyền UART lên hình máy tính để hiển thị 38 3.3 Kết luận chương Chương trình bày tồn q trình thiết kế chi tiết hệ thống, trình bày chi tiết thiết kế module, từ thiết kế phần cứng, lựa chọn loại cảm biến thiết kế phần mềm, thiết kế tin cho việc trao đổi liệu module mạng 39 CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI VÀ KẾT QUẢ Chương cuối trình bày trình triển khai thực kết đạt thực đề tài, vấn đề tồn hướng phát triển đề tài 4.1 Lựa chọn công cụ thực Để thực thiết kế đặt ra, cần phải sử dụng công cụ hỗ trợ việc phát triển phần mềm thiết kế mạch module Công cụ phần mềm 4.1.1.1 Trình biên dịch IAR Sử dụng trình biên dịch IAR để biên dịch phần mềm cho module mạng Digimesh sử dụng vi điều khiển IAR trình biên dịch thơng minh đến từ Thụy Điển, hỗ trợ nhiều dòng vi điều khiển hãng khác bao gồm STM, ARM,…bao gồm việc gỡ lỗi ứng dụng nhúng 4.1.1.2 Phần mềm Visual Studio 2015 Sử dụng phần mềm Visual Studio 2015 để thiết kế dao diện nhận tin về, phân tích gói tin sau hiển thị thông số trạng thái quạt dựa ngôn ngữ C# 4.1.1.3 Phần mềm Matlab Sử dụng phần mềm Matlab để mơ lại dạng tính hiệu qua thông số đặc trưng sau xử lý kiểm nhiệm qua nhiều chu kỳ (360 chu kỳ), số xung xung vòng giây, độ rộng trung bình xung xung 0, độ lệch chuẩn trung bình xung xung Công cụ thiết kế mạch Phần mềm thiết kế mạch Altium Designer môi trường thiết kế điện tử đồng nhất, tích hợp thiết kế nguyên lý, thiết kế mạch in PCB Phần mềm Proteuss để mô mạch Giao diện thiết kế, quản lý chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên cho tài liệu thiết kế Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, dây tự động theo thuật toán tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ việc 40 tìm giải pháp thiết kế chỉnh sửa mạch, linh kiện, netlist có sẵn từ trước theo tham số Hệ thống linh kiện phong phú chi tiết hoàn chỉnh bao gồm tất linh kiện nhúng, số, tương tự Đặt sửa đối tượng lớp khí, định nghĩa luật thiết kế, tùy chỉnh lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện PCB 4.2 Kết đạt Module xử lý Hình 4.1 Module xử lý Hình 4.1 kết mạch phần cứng Module xử lý Mạch chạy với thiết kế, độ ổn định cao, khoảng cách truyền ổn định khơng bị gói 10m điều kiện indoor Em phát triển module với số bạn khác nên module có sensor khác 41 Module Gateway Hình 4.2 Module Gateway Giao diện hiển thị Visual Studio Hình 4.3 Trạng thái quạt khơng hoạt động 42 Hình 4.4 Trạng thái quạt chạy ổn định Hình 4.5 Trạng thái quạt chạy khơng ổn định Hình 4.6 Trạng thái khơng xác định quạt Các hình ảnh bên trạng thái đo quạt Có trạng thái: ▪ Quạt khơng hoạt động ▪ Quạt chạy ổn định ▪ Quạt chạy không ổn định 43 ▪ Trạng thái không xác định, trạng thái chuyển số hay quạt bị va chạm nhẹ Kết mô MatLab Tần số xuất trung bình xung vòng chu kỳ lấy mẫu trạng thái ổn định khơng ổn định quạt Hình 4.7 Tần xuất xuất xung trạng thái quạt Độ rộng trung bình xung vòng chu kỳ lấy mẫu trạng thái ổn định khơng ổn định quạt Hình 4.8 Độ rộng trung bình xung trạng thái quạt 44 Độ rộng trung bình xung vòng chu kỳ lấy mẫu trạng thái ổn định khơng ổn định quạt Hình 4.9 Độ rộng trung bình xung trạng thái quạt Độ lệch chuẩn trung bình xung vòng chu kỳ lấy mẫu trạng thái ổn định khơng ổn định quạt Hình 4.10 Độ lệch chuẩn trung bình xung trạng thái quạt Độ lệch chuẩn trung bình xung vòng chu kỳ lấy mẫu trạng thái ổn định khơng ổn định quạt Hình 4.11 Độ lệch chuẩn trung bình xung trạng thái quạt 45 4.3 Vấn đề tồn phương hướng phát triển đề tài Vấn đề tồn Do thời gian thực tương đối ngắn nên hệ thống tránh khỏi hết vấn đề phát sinh: ▪ Module xử lý sử dụng nguồn 5VDC cấp từ adapter bên nên khó khăn cho việc lắp đặt khu vực khơng có ổ điện ▪ Độ xác cảm biến rung chưa cao ▪ Vi xử lý không thích hợp để triển khai thực tế Phương hướng phát triển đề tài Phương hướng phát triển đề tài nhằm khắc phục tồn vừa trình bày ▪ Triển khai Sensor sử dụng pin với thiết kế tiết kiệm lượng để không bị phụ thuộc vào nguồn điện cố định, thuật tiện cho việc lắp đặt ▪ Thay đổi dòng vi xử lý có tốc độ xử lý nhanh hơn, nhớ lớn hơn, tiết kiệm điện ▪ Thay đổi sensor có độ xác cao 4.4 Kết luận chương Chương trình bày cụ thể công cụ cần thiết để thực đề tài, kết thực đề tài, vấn đề tồn phương hướng phát triển đề tài tương lai 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Digi International® Xbee/Xbee-PRO Digimesh 2.4 Used guide, 2011 [2] Digi International Xbee Digimesh datasheet, 2011 [3] Robert Faludi, Building Wiless Sensor Network, 2011 [4] www.digi.com, truy cập cuối ngày 12/9/2018 [5] http://en.wikipedia.org, truy cập cuối ngày 12/9/2018 47 PHỤ LỤC #include "main.h" #define VB_LEVEL_1 PD_IDR_IDR3 unsigned char address[8] = {0x00, 0x13, 0xA2, 0x00, 0x40, 0x8C, 0x06, 0x34}; //#define true //#define false unsigned int count_timer = 0, t_up_1 = 0, t_down_1 = 0; unsigned char VB_LEVEL_OLD_1 = 0; unsigned char data_1[300]; unsigned int data_2[150]; unsigned char f_on[3]; unsigned int t_on[3]; unsigned int t_off[3]; unsigned int dlc_on[3]; unsigned int dlc_off[3]; unsigned char a1 = 0, b1 = 0, c1= 0, d1 = 0; unsigned char t_a1 = 0, t_b1 = 0, t_c1 = 0, t_d1 = 0; unsigned int count = 0, flag = 0; unsigned int Sum_1 = 0, Sum_0 = 0; unsigned int t_Sum_1 = 0, t_Sum_0 = 0; unsigned char payload[9]; unsigned char frame[30]; void Configuration() { Clock_Init(); GPIO_Init(); TIM2_Init(); UART_Init(); enable_interrupt(); } #pragma vector = TIM2_OVR_UIF_vector interrupt void TIM2_Handler(void){ if(TIM2_SR1_UIF = 1) { if(VB_LEVEL_1 > VB_LEVEL_OLD_1) { t_up_1 = count_timer; int t_off_1 = (count_timer >= t_down_1)? count_timer - t_down_1 : (count_timer + 50000) - t_down_1; 48 if(t_off_1 < 256){ data_1[299 - b1] = t_off_1; b1++; } else{ data_2[149 - d1] = t_off_1; d1++; } Sum_0 += t_off_1; } if(VB_LEVEL_1 < VB_LEVEL_OLD_1) { t_down_1 = count_timer; int t_on_1 = (count_timer >= t_up_1)? count_timer - t_up_1 : (count_timer + 50000) - t_up_1; if(t_on_1 < 256) { data_1[a1] = t_on_1; a1++; } else { data_2[c1] = t_on_1; c1++; } Sum_1 += t_on_1; } VB_LEVEL_OLD_1 = VB_LEVEL_1; count_timer++; } if(count_timer == 50000) { t_a1 = a1; t_b1 = b1; t_c1 = c1; t_d1 = d1; t_Sum_1 = Sum_1; t_Sum_0 = Sum_0; a1=b1=c1=d1=0; Sum_1 = 0, Sum_0 =0; 49 count_timer = 0; if(t_a1||t_b1||t_c1||t_d1 != 0)flag = 1; else { for (int i =0; i> 8); payload[6] = (unsigned char) (dlc_on_final); payload[7] = (unsigned char) (dlc_off_final >> 8); payload[8] = (unsigned char) (dlc_off_final); unsigned char packet_len = make_transmit_packet(payload, address, frame); UART_SendFrame(frame, packet_len); if(count == 3) count = 0; t_a1 = t_b1 = t_c1 = t_d1 = 0; i = 0, j = 0, k = 0, g = 0; flag = 0; } } } 52 ... thất bại Bảng 1-10 bảng Data Frame Transmit Status Frame Receive Packet frame – 0x90: RF data packet Xbee gửi giao tiếp UART Bảng 1-6 Frame Data Receive Packet frame Frame Data Fields Offset Description... AP = sau Bảng 1-3 Cấu trúc truyền liệu module xbee Frame Data Start Delimiter Length Checksum 0x7E MSB LSB Frame Type Data 56789…n n+1 Data Sigle byte API frame type Bảng 1-3 bảng cấu trúc truyền... vibration sensor for data acquisition and retrieval, a STM8S microcontroller for processing vibration data, and two Xbee for communication The system performs environmental data collection from