GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, ẨM ĐỘ TRONG NHÀ KÍNH ỨNG DỤNG MATLAB VÀ WINCC

Kết quả đạt được là điều khiển được nhiệt độ và ẩm độ như yêu cầu. Giám sát được nhiệt độ ẩm độ và các đối tượng điều khiển. Mô phỏng và đánh giá được hệ thống bằng matlab Giao diện trên WinCC có hai chế độ lựa chọn là tự động và điều khiển bằng tay, việc điều khiển bằng tay được thực hiện bằng cách nhấn vào các nút trên giao diện, khi nhấn nút thì đối tượng điều khiển sẽ hoạt động còn khi thả chuột ra thì sẽ ngưng hoạt động việc này được lập trình trên WinCC. Khi chọn chế độ tự động thì sẽ cho phép PLC thực thi chương trình đã được cài đặt cho PLC. Trên giao diện ta có thể giám sát động cơ và cảm biến. Giao diện giám sát với matlab dùng để hiển thị các giá trị nhiệt độ, ẩm độ trong nhà kính và mô phỏng các giá trị đo được từ cảm biến bằng đồ thị trong lập trình GUI của matlab. Việc mô phỏng đồ thị này đóng một vai trò khá quan trọng trong việc đánh giá một hệ thống điều khiển trong nhà kính có đạt yêu cầu hay không. Giao diện được thiết kế thân thiện và dễ sử dụng đối với mọi người.

GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, ẨM ĐỘ TRONG NHÀ KÍNH

ỨNG DỤNG MATLAB VÀ WINCC

Tác giả

Nguyễn Nhật MinhNguyễn Minh Tuấn

Khóa luận được đệ trình đề để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư ngành

Cơ điện tử

Giáo viên hướng dẫn:

Ths.Trần Thị Kim Ngà Ts.Nguyễn Văn Hùng

Cảm tạ

Trước hết, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS.Nguyễn VănHùng và cô Ths.Trần Thị Kim Ngà, người đã giúp đỡ rất nhiều về định hướng nghiêncứu, thiết bị thí nghiệm phục vụ cho đề tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo đã giảng dạy chúng em, đặcbiệt là các thầy cô giáo trong Bộ môn Cơ điện tử

Chúng em xin chân thành cảm ơn anh kỹ sư Thanh Thương ở công ty TNHH

Âu Việt đã cho em mượn thiết bị làm đề tài

Xin chân thành cảm ơn các bạn ở diễn đàn siemens đã tận tình giải đáp thắc củachúng em ,đặc biệt là Romulus và Umencho

Và cuối cùng, chúng em xin dành tất cả lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc nhấttới bố mẹ chúng em, những người đã sinh thành, nuôi dưỡng chúng em nên người, đã

lo lắng, chỉ bảo từ những việc nhỏ nhất, đã tạo mọi điều kiện cho chúng em được sống

và học tập một cách tốt nhất để vươn tới những ước mơ và hoài bão của mình

Mặc dù đã rất nỗ lực và cố gắng để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, song chắc chắn không thể tránh khỏi sai sót Vì vậy, chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô giáo để đề tài hoàn thiện hơn

Đề tài nghiên cứu “giám sát và điều khiển nhiệt độ, ẩm độ trong nhà kính ứng

dụng matlab và WinCC” được tiến hành tại trường Đại Học Nông Lâm Tp Hồ ChíMinh, thời gian từ 1 tháng 4 năm 2010 đến 30 tháng 6 năm 2010

Kết quả đạt được là điều khiển được nhiệt độ và ẩm độ như yêu cầu Giám sátđược nhiệt độ ẩm độ và các đối tượng điều khiển Mô phỏng và đánh giá được hệthống bằng matlab

Giao diện trên WinCC có hai chế độ lựa chọn là tự động và điều khiển bằng tay,việc điều khiển bằng tay được thực hiện bằng cách nhấn vào các nút trên giao diện, khinhấn nút thì đối tượng điều khiển sẽ hoạt động còn khi thả chuột ra thì sẽ ngưng hoạtđộng việc này được lập trình trên WinCC Khi chọn chế độ tự động thì sẽ cho phépPLC thực thi chương trình đã được cài đặt cho PLC Trên giao diện ta có thể giám sátđộng cơ và cảm biến

Giao diện giám sát với matlab dùng để hiển thị các giá trị nhiệt độ, ẩm độ trongnhà kính và mô phỏng các giá trị đo được từ cảm biến bằng đồ thị trong lập trình GUIcủa matlab Việc mô phỏng đồ thị này đóng một vai trò khá quan trọng trong việc đánhgiá một hệ thống điều khiển trong nhà kính có đạt yêu cầu hay không Giao diện đượcthiết kế thân thiện và dễ sử dụng đối với mọi người

MỤC LỤC

Trang tựa i

Cảm tạ ii

Tóm tắt iii

Mục lục iv

Danh sách các chữ viết tắt vi

Danh sách các hình vii

Danh sách các bảng ix

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích 1

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2

2.1 Cấu trúc nhà kính 2

2.2 Yêu cầu các tiểu khí hậu trong nhà lưới nhà kính 2

2.3 Giải pháp tối ưa hóa tiểu khí hậu trong nhà kính 3

2.4 Tổng quan về PLC S7-200 6

2.5 Tổng quan về modun analog EM 235 9

2.6 Cảm biến 11

2.7 Tổng quan về phầm mềm giám sát điều khiển WinCC 12

2.8 Truyền dữ liệu nối tiếp giữa vi điều khiển và máy tính 13

2.9 Tìm hiểu về ADC 18

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

3.1 Nội dung nghiên cứu 21

3.2 Phương pháp nghiên cứu 21

3.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 23

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25

4.1 Kết quả chế tạo bộ phận giám sát với matlab 25

4.2 Kết quả thiết kế bộ phận điều khiển PLC 34

4.3 Kết quả thiết kế giao diện điều khiển và giám sát trên WinCC 37

4.4 Nhận xét chung 41

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

PHỤ LỤC 44

Danh sách các chữ viết tắt

PLC :Programmable logic controller

WinCC:Windows Control Center

VDK: Vi điều khiển

Danh sách các hình

Hình 2.1: Các yếu tố tiểu khí hậu tronh nhà kính Error: Reference source not found

Hình 2.6: Phân bố gió cưỡng bức nhờ bố trí quạt trong nhà kính Error: Reference

source not found

Hình 2.7: Sơ đồ chân cổng truyền thông Error: Reference source not found Hình 2.8: Sơ đồ kết nối PLC S7-200 và máy tính Error: Reference source not found

Reference source not found

Hình 2.12 Cổng COM máy tính loại 9 chân và loại 25 chânError: Reference source

not found

Hình 2.14: Sơ đồ chân ADC0809 19

Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch giám sát 21

Hình 3.2 cáp kết nối giữa WinCC và PLC 23

Hình 3.3 Vị trí đặt các lớp cảm biến đo trên mô hình 23

Hình 3.4: Vị trí đặt cảm biến đo trên mô hình 24

Hình 4.1 : Sơ đồ khối mạch thu thập và hiển thị dữ liệu 25

Hình 4.2: Sơ đồ mạch nguồn 26

Hình 4.3: Sơ đồ mạch chuyển đổi ADC 26

Hình 4.4: Sơ đồ mạch hiển thị giá trị cảm biến ra bên ngoài 27

Hình 4.5: Sơ đồ mạch điều khiển 28

Hình 4.6: sơ đồ mạch giao tiếp máy tính 29

Hình 4.7: mô phỏng cảm biến nhiệt độ LM35 thông qua ADC0809 31

Hình 4.8: Mô phỏng nhiệt độ trong nhà kính bằng đồ thị theo màu 32

Hình 4.9: Mô phỏng nhiệt độ trong nhà kính bằng nội suy hàm spline bậc 3 32Hình 4.10: Mô phỏng ẩm độ trong nhà kính bằng nội suy hàm spline bậc 3 33

Hình 4.11: Mô phỏng ẩm độ của nhà kính ở vị trí 3 tầng bằng nội suy hàm spline

bậc 3 34Hình 4.12 : Sơ đồ khối của bộ điều khiển bằng PLC và giám sát trên WinCC 35Hình 4.13: Mạch điều khiển các yếu tố trong nhà kính 36

Danh sách các bảng

Bảng 2.1: Chọn giới hạn đầu vào và độ phân giải bằng cách chỉnh switch (Nguồn từ

manual của EM 235) 10

Bảng 2.2: Các chế độ của cổng nối tiếp 14

Bảng 2.3: Thanh ghi điều khiển cổng nối tiếp 14

Bảng 2.4: Sự bố trí chân của phích cắm RS232 16

Bảng 4.1: mã ASCII của các số tự nhiên từ 0 đến 9 30

Do vậy góp phần nâng cao công nghệ và với mong muốn được áp dụng nhữngkiến thức đã học vào thực tiễn chúng em đã đề xuất thực hiện đề tài “giám sát và điềukhiển nhiệt độ và ẩm độ trong nhà kính ứng dụng Matlab và WinCC”.

Chương 2

TỔNG QUAN

2.1 Cấu trúc nhà kính

Khi thiết kế nhà lưới nhà kính, cần quan tâm đến các khía cạnh quan trọng sau:

 Thông gió tự nhiên

 Thích nghi với dải rộng các loại cây trồng

 Kích thước: Chiều cao, Chiều rộng, Chiều dài & Số nhịp nhà kính, hành lang

 Kiểu thông gió

 Kiểu che phủ

 Thải nhiệt dư

 Hệ thống điều khiển khí hậu và tưới có phân bón

2.2 Yêu cầu các tiểu khí hậu trong nhà lưới nhà kính

Điều kiện môi trường trong nhà lưới, nhà kính bao gồm các yếu tố chính nhưnhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và độ thông thoáng Nhà lưới, nhà kính có thể tạo môitrường tiểu khí hậu tối ưu cho cây trồng qua việc khống chế các yếu tố chính như nhiệt

độ, ẩm độ, ánh sáng và CO2 Các yếu tố tiểu khí hậu thể hiện như (hình 2.1)

2.2.1 Nhiệt độ

Mỗi loại rau, hoa đều yêu cầu một giới hạn nhiệt độ để sinh trưởng và pháttriển Hiệu suất quang hợp của hầu hết các loại rau đều dừng lại ở nhiệt độ là 300C

Một số loài rau thực hiện quang hợp có hiệu quả ở 12 - 240C, trong khi một số loạikhác lại quang hợp tốt ở nhiệt độ từ 18 - 240C Ở nhiệt độ thích hợp đồng thời đượccung cấp đầy đủ nước và dinh dưỡng thì cây có thể phát triển nhanh nhất Nhiệt độ quácao và quá thấp đều làm cho cây dừng sinh trưởng và có thể bị chết ở nhiệt độ thấp(00C) và nhiệt độ cao (400C)

Hình 2.1: Các yếu tố tiểu khí hậu tronh nhà kính

2.2.3 Thông Thoáng

Làm loãng không khí có chứa hơi nước và các chất độc hại do phân,cây trồngthải vào không khí Tạo ra sự trao đổi không khí bên trong và bên ngoài nhà kính, giúpcây trồng hô hấp, quang hợp và sinh trưởng trong điều kiện tối ưu nhất

2.3 Giải pháp tối ưa hóa tiểu khí hậu trong nhà kính

2.3.1 Giải pháp làm mát nhà kính

Nhà lưới nhà kính thường được làm mát bằng các giải pháp như chắn sáng bằnglưới cắt nắng phủ nhôm, phun sương, làm mát bằng hệ thống tạo ẩm cooling pad, tăng

thông thoáng Tùy theo điều kiện cụ thể mà một hay tất cả các phương án có thể đượcbao gồm trong cấu trúc nhà kính.

 Màng phủ giảm sáng và lưới cắt nắng aluminet được thể hiện như (Hình 2.2)

Hình 2.2: Lưới cắt nắng Aluminet

Màng cắt nắng aluminet ta dùng có hai mặt, một mặt màu bạc, mặt này đượchướng ra nhà kính để phản xạ ánh nắng mặt trời, mặt còn lại màu xanh được hướngvào nhà kính (hình2.3)

Hình 2.3: Lưới cắt nắng aluminet

 Vòi phun làm mát Coolnet (hình 2.4)

Hình 2.4: Vòi phun sương làm mát nhà kính

2.3.2 Giải pháp thông thông thoáng cho nhà lưới nhà kính

Có hai phương pháp chính thông thoáng cho nhà kính là thông thoáng tự nhiên(natural ventilation) (hình 2.5a) và thông thoáng cưỡng bức (force ventilation) (hình2.5b)

Hình 2.5: a Thông thoáng tự nhiên

b Thông thoáng cưỡng bức dùng quạt

Thông thoáng hợp lý không những giảm nhiệt độ trong nhà mà còn làm phân bốnhiệt trong nhà Theo mô hình của Netafim, quạt thông gió là loại quạt hướng trục cólưu lượng 40m3/phút, công suất 1 - 1,5 kWh Số lượng quạt được tính theo công thứcsau:

N=(I*V)/Q

Trong đó: N: số quạt cần thiết

I : Lượng gió cần thiết trong khuôn viên nhà (m3)

V: Yếu tố thông thoáng (lần/giờ hoạt động quạt)Q: Lưu lượng quạt (m3/giờ)

Quạt được bố trí như (hình 2.6) tạo đối lưu cưỡng bức làm giảm nhiệt độ, ẩm độ trongnhà

Hình 2.6: Phân bố gió cưỡng bức nhờ bố trí quạt trong nhà kính.

2.4.1Cấu hình của PLC S7-200 CPU 214

 2048 từ đơn (4 K byte), để lưu chương trình thuộc miền bộ nhớ đọc/ghi

 2048 từ đơn (4K byte), kiểu đọc/ghi để lưu giữ dữ liệu, trong đó 512 từ đầuthuộc miền non-volatile

 14 cổng vào và 10 cổng ra logic

 Có 7 modul để mở rộng thêm cổng vào/ra bao gồm cả modul analog

 Tổng số cổng vào/ra cực đại là 64 cổng vào và 64 cổng ra

 128 bộ tạo thời gian trễ (Timer), chia làm 3 loại theo độ phân giải khác nhau:trong đó 4 Timer có độ phân giải 1ms, 16 Timer có độ phân giải 10ms, 108Timer có độ phân giải 100ms

 128 bộ đếm (Counter), được chia làm hai loại: loại bộ đếm chỉ đếm tiến và loạivừa đếm tiến vừa đếm lùi.

 688 bit nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc

 Các chế độ ngắt và xử lý ngắt bao gồm: ngắt truyền thông, ngắt theo sườn lênhoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung

Hình 2.7: Sơ đồ chân cổng truyền thông

Hình 2.8: Sơ đồ kết nối PLC S7-200 và máy tính

Ghép nối S7-200 với máy tính PC qua cổng RS-232 (cổng COM) cần có cáp nối PC/PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485 (hình 2.8)

S7-200 Máy tính

Bộ nhớ của S7-200 được chia thành 4 vùng với một tụ có nhiệm vụ duy trì dữliệu trong một khoảng thời gian nhất định khi mất nguồn Bộ nhớ của S7-200 có tínhnăng động cao, đọc và ghi được trong toàn vùng, loại trừ các bit nhớ đặc biệt được kýhiệu bởi SM (Special Memory) chỉ có thể truy nhập được để đọc

Sơ đồ cấu trúc của bộ nhớ trong và ngoài của S7-200 (hình 2.9)

EEPROMMiền nhớ ngoài

Hình 2.9 Bộ nhớ trong và ngoài của S7-200

 Vùng chương trình: được sử dụng để lưu giữ các chương trình

 Vùng tham số: là miền lưu giữ các tham số như : từ khoá, địa chỉ trạm đọcghi được

 Vùng dữ liệu: được sử dụng để cất giữ các dữ liệu của chương trình baogồm các kết quả các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình,

bộ đếm truyền thông Vùng dữ liệu là vùng nhớ động Nó có thể được truycập theo từng bit, từng bye, từng từ đơn hoặc từng từ kép và được sử dụnglàm miền lưu trữ dữ liệu cho các thuật toán truyền thông, lập bảng các hàmdịch chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ

Vùng dữ liệu lại được chia ra thành những miền nhớ nhỏ với các công dụngkhác nhau Chúng được ký hiệu bằng các chữ cái đầu của tên tiếng Anh, đặc trưng chocông dụng riêng của chúng như sau:

V- Variable memory

I - Input image register

O - Output image register

M - Internal Memory bits

 Vùng đối tượng: Bao gồm các Timer, bộ đếm tốc độ cao và các cổngvào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng

Vùng đối tượng được sử dụng để lưu giữ dữ liệu cho các đối tượng lập trìnhnhư các giá trị tức thời, giá trị đặt trước của bộ đếm, hay Timer Dữ liệu kiểu đốitượng bao gồm dữ liệu của thanh ghi, Timer, bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào/ra tương

tự và các thanh ghi Accumulator (AC)

2.4.4 Thực hiện chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòngquét (scan) Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vàovùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét,chương trình được thực hiện bằng lệnh đầu tiên và kết thúc bằng lệnh kết thúc(MEND) Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của

bộ đệm ảo tới các cổng ra

2.5 Tổng quan về modun analog EM 235

EM 235 có 4 ngõ vào analog (AI), và một ngõ ra Analog output (AO)

Chọn dãy điện áp đầu vào trong giới hạn 0V÷10V cho EM235, bật các switch trênmodule theo các vị trí đã được ấn định tương ứng với từng dãy điện áp đầu vào và độphân dải của tín hiệu vào bảng 2.1

Bảng 2.1: Chọn giới hạn đầu vào và độ phân giải bằng cách chỉnh switch (Nguồn từ

1 Giai đoạn nhập dữ liệu từ ngoại vi và bộ đệm ảo

Vòng quét của PLC

Unipolar

SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 Full Scale Input Resolution

ON OFF OFF ON OFF ON 0 to 50 mV 12.5 µV

OFF ON OFF ON OFF ON 0 to 100 mV 25 µV

ON OFF OFF OFF ON ON 0 to 500 mV 125 µV

OFF ON OFF OFF ON ON 0 to 1 V 250 µV

ON OFF OFF OFF OFF ON 0 to 5 V 1.25 mV

ON OFF OFF OFF OFF ON 0 to 20 mA 5 µA

OFF ON OFF OFF OFF ON 0 to 10 V 2.5 mV

Bipolar

SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 Full Scale Input Resolution

ON OFF OFF ON OFF OFF +-25 mV 12.5 µV

OFF ON OFF ON OFF OFF +-50 mV 25 µV

OFF ON OFF ON OFF OFF +-100 mV 50 µV

ON OFF OFF OFF ON OFF +-250m V 125 µV

OFF ON OFF OFF ON OFF +-500mV 250 µV

OFF OFF ON OFF ON OFF +-1V 500µV

ON OFF OFF OFF OFF OFF +-2.5V 1.25 mV

OFF ON OFF OFF OFF OFF +-5V 2.5 mV

OFF OFF ON OFF OFF OFF +-10V 5mV

Tuỳ thuộc vào số kênh sử dụng trên module analog EM235 tương ứng với địachỉ đầu vào (từ đơn) được sử dụng trong quá trình lập trình: AWI0 cho channel 1, AWI2cho channel 2, AWI4 cho channel 3

Ngõ ra analog output có giá trị +10V hoặc 0 đến 20 mA tương ứng với giá trị

-32000 đến -32000 cho điện áp và 0 đến -32000 cho giá trị dòng

2.6 Cảm biến

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại

lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được.

2.6.1 Cảm biến nhiệt độ Pt 100

Pt 1000 là nhiệt điện trở kim loại, thường gọi là RTD (Resistance TemperatureDetector) cấu tạo bằng dây kim loại bạch kim (Platinum), có điện trở suất cao0.105uΩm, chống oxy hóa, có thể đo trong khoảng -220 đến 850m, chống oxy hóa, có thể đo trong khoảng -220 đến 8500 C, độ phi tuyếnkhoảng 0.4% trên 1000C

WinCC là một hệ thống giao diện người máy HMI mạnh mẽ, dùng cho hệ điềuhành Windows Xp ,Windows Vista và Microsoft Windows Server 2003 WinCC chophép hoạt động và giám sát các tiến trình hoạt động của thiết bị

Thành phần cơ bản của WinCC là Configuration Software (CS) and RuntimeSoftware (RT)( xem hình 2.11)

Hình 2.11Thành phần của WinCC (Nguồn :WinCC information system)

* Chức năng của WinCC

Chúng ta sẽ sử dụng cửa sổ soạn thảo editor để tạo dự án của chúng ta Tất cảcác soạn thảo WinCC lưu trữ thông tin dự án của chúng ta trong Configurationdatabase (cấu hình cơ sở dữ liệu CS) Trong khi chạy thời gian thực (Runtime), thôngtin của dự án được đọc từ cấu hình cơ sở dữ liệu bởi Runtime software và dự án đượcthực thi Dữ liệu xử lý hiện tại được lưu trữ tạm thời trong Runtime database (RTdatabase)(Cơ sở dữ liệu của Runtime)

 The Graphics System (hệ thống đồ họa) hiển thị những giao diện trên màn hìnhmáy tính Ngược lại, nó cũng cho phép người dùng tác động vào nó, như nhập

số liệu, nhấn nút điều khiển…

 Truyền thông giữa WinCC và hệ thống điều khiển tự động chịu sự tác động bởidriver truyền thông hay những phương tiện truyền thông khác nhau Phươngtiện truyền thông có nhiệm vụ thu thập những yêu cầu giá trị xử lý của tất cả

thiết bị đang thực thi, đọc những giá trị của biến ngoại của hệ thống tự động(PLC)và nếu cần thiết chúng sẽ viết giá trị mới vào hệ thống tự động

 Việc trao đổi dữ liệu giữa WinCC và những ứng dụng khác có thể được thựchiện bởi OPC (OLE for Process Control) và OLE (Object Linking andEmbedding )

 Hệ thống lưu trữ dữ liệu lưu những giá trị quá trình trong Process value archive(Lưu trữ dữ liệu quá trình ) Ví dụ những giá trị quá trình được lưu trữ cần đượchiển thị theo thời gian trong biểu đồ trend hoặc bảng

 Những giá trị quá trình riêng lẽ được giám sát bởi Alarm logging Nếu một giátrị tới hạn bị vượt quá, Alarm Logging sẽ tạo ra một thông báo mà được cung cấptrong Alarm Control Hệ thống thông báo cũng tiếp nhận những phản hồi do bộđiều khiển gửi đến và quản lý trạng thái thông báo Alarm Logging lưu tất cả thôngbáo trong lưu trữ thông báo ( message archive)

 Quá trình sẽ được xuất bởi hệ thống báo cáo ( Report System) khi có yêu cầu hoặc tại những thời điểm đánh giá hệ thống

2.8 Truyền dữ liệu nối tiếp giữa vi điều khiển và máy tính

2.8.1 Cổng nối tiếp của vi điều khiển 8952

8952 có một port nối tiếp trong chip có thể hoạt động ở nhiều chế độ trên mộtdãy tần số rộng chức năng chủ yếu là thực hiện chuyển đổi song song sang nối tiếpvới dữ liệu xuất và chuyển đổi nối tiếp sang song song với dữ liệu nhập

Port nối tiếp cho hoạt động song công (full duplex: thu và phát đồng thời) vàđệm thu (receiver buffering) cho phép một ký tự sẽ được thu và được giữ trong khi ký

tự thứ hai được nhận Nếu CPU đọc ký tự thứ nhất trước khi ký tự thứ hai được thuđầy đủ thì dữ liệu sẽ không bị mất

Hai thanh ghi chức năng đặc biệt cho phép phần mềm truy xuất đến port nốitiếp là: SBUF và SCON Bộ đệm port nối tiếp (SBUF) ở điạ chỉ 99h nhận dữ liệu đểthu hoặc phát Thanh ghi điều khiển port nối tiếp (SCON) ở điạ chỉ 98h là thanh ghi cóđiạ chỉ bit chứa các bit trạng thái và các bit điều khiển Các bit điều khiển đặt chế độhoạt động cho port nối tiếp, và các bit trạng thái báo cáo kết thúc việc phát hoặc thu ký

tự Các bit trạng thái có thể được kiểm tra bằng phần mềm hoặc có thể lập trình để tạongắt.

Chế độ hoạt động của port nối tiếp được đặt bằng cách ghi vào thanh ghi chế

độ port nối tiếp (SCON) ở địa chỉ 98h Sau đây các bản tóm tắt thanh ghi SCON vàcác chế độ của port nối tiếp:

Bảng 2.2: Các chế độ của cổng nối tiếp:

Thanh ghi dịchUART 8 bitUART 9 bitUART 9 bit

Cố định (Fosc /12 )Thay đổi ( đặt bằng timer )

Cố định (Fosc /12 hoặc Fosc/64 )Thay đổi ( đặt bằng timer )

Bảng 2.3: Thanh ghi điều khiển cổng nối tiếp:

9CH9BH

9AH99H

98H

Bit 0 của chế độ port nối tiếpBit 1 của chế độ port nối tiếpBit 2 của chế độ port nối tiếp Cho phép truyền thông

xử lý trong các chế độ 2 và 3, RI sẽ không bị tác độngnếu bit thứ 9 thu được là 0

Cho phép bộ thu phải được đặt lên 1 để thu các ký tựBit 8 phát, bit thứ 9 được phát trong chế độ 2 và 3, đượcđặt và xóa bằng phần mềm

B it 8 thu, bit thứ 9 thu được

Cờ ngắt phát Đặt lên 1 khi kết thúc phát ký tự, đượcxóa bằng phần mềm

Cờ ngắt thu Đặt lên 1 khi kết thúc thu ký tự, được xóabằng phần mềm

Trước khi sử dụng port nối tiếp, phải khởi động SCON cho đúng chế độ Ví dụ, lệnhsau:

MOV SCON, #01010010B

Khởi động port nối tiếp cho chế độ 1 (SM0/SM1=0/1), cho phép bộ thu(REN=1) và cờ ngắt phát (TP=1) để bộ phát sẳn sàng hoạt động

Giống như cổng máy in, cổng nối tiếp RS232 cũng được sử dụng rất thuận tiệntrong việc ghép nối máy tính với các thiết bị ngoại vi việc truyền dữ liệu qua cổngRS232 được tiến hành theo cách nối tiếp, nghĩa là các bit dữ liệu được gởi đi nối tiếpvới nhau trên một đường dẫn

Trước hết loại truyền này có khả năng dùng cho những khoảng cách lớn hơn,bởi vì khả năng gây nhiễu là nhỏ đáng kể hơn là khi dùng một cổng song song việcdùng cổng song song có một nhược điểm đáng kể là cáp truyền nhiều sợi và vì vậy rấtđắt tiền, hơn nữa mức tín hiệu nằm trong khoảng 0 5v đã tỏ ra không thích ứng vớikhoảng cách lớn

Hình 2.12 Cổng COM máy tính loại 9 chân và loại 25 chân Bảng 2.4: Sự bố trí chân của phích cắm RS232:

(loại 9 chân )

CHÂN( loại 25 chân )

DCDRxDTxRDTRGNDDSRRTSCTSRI

Data carrier detectNhận dữ liệuPhát dữ liệu

Dữ liệu đầu cuối sẵn sàngNối đất

Thiết bị thông tin saơn sàngYêu cầu gửi

Thiết bị thông tin sẵn sàng truyềnRing in dicator

Việc truyền dữ liệu xảy ra trên 2 đường dẫn qua chân cắm ra TxD, gửi dữ liệucủa nó đến thiết bị khác trong khi đó dữ liệu mà máy tính nhận được dẫn đến chânRxD các tín hiệu khác đóng vai trò như tín hiệu hỗ trợ khi trao đổi thông tin và vì thếkhông phải trong mọi ứng dụng đều dùng đến

Mức tín hiệu trên chân ra RxD tùy thuộc vào đường dẫn TxD và thông tinthường nằm trong khoảng – 12V + 12V các bit dữ liệu được đảo ngược lại Mức điện

áp ở mức cao nằm trong khoảng – 3V và – 12V và mức thấp nằm trong khoảng từ +3Vvà +12V Trạng thái tĩnh trên đường dẫn có mức điện áp – 12V

Bằng tốc độ baud ta thiết lập tốc độ truyền dữ liệu các giá trị thông thường là

300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, và 19200 baud, Ký hiệu baud là số lượng bit truyềntrong 1s

Còn một vấn đề nữa là khuôn mẫu (Format) truyền dữ laệu cần phải được thiếtlập như nhau cả bên gửi cũng như bên nhận các thông số truyền có thể được thiết lậptrên máy tính PC bằng các câu lệnh trên DOS Ngày nay Windows cũng có cácchương trình riêng để sử dụng, khi đó các thông số truyền dữ liệu như: tốc độ baud, sốbit dữ liệu, số bit dừng, bit chẵn lẻ (parity) có thể được thiết lập một cách rất đơn giản

2.8.3 Sử dụng MAX232 trong việc truyền dữ liệu

Bộ vi mạch 8952 có khả năng giao tiếp với thế giới bên ngoài qua cổng nối tiếp.

Vấn đề trở ngại duy nhất khi giao tiếp với máy tính là mức logic ở bộ vi điều khiển và

ở cổng COM của máy tính khác nhau Khắc phục vấn đề này, người ta sử dụng vi

mạch MAX232 để chuyển đổi mức điện áp giữa hai chuẩn Vi mạch này có thể chứahai bộ chuyển đổi mức logic từ TTL sang RS232 và ngược lại.

Vi mạch MAX 232 chuyển đổi mức TTL ở ngõ vào thành mức +10V hoặc –10V

ở phía truyền và các mức +3V… +15V hoặc –3V … -15V thành mức TTL ở phíanhận Trên bên dưới mô tả cách sắp xếp chân và sơ đồ cấu trúc của vi mạch MAX 232

Hình 2.13 Sơ đồ chân MAX232

Đường dẫn TxD dẫn trực tiếp đến chân 11 của vi mạch MAX 232 còn bộ đệm nối

ra ở chân 14 được nối trực tiếp tới chân số 2 của cổng nối tiếp

Việc sắp xếp chân ở ổ cắm nối tiếp được lựa chọn sao cho có thể dùng một cápnối trực tiếp cổng nối tiếp của hệ phát triển, với cổng nối tiếp của máy tính thươðng làCOM 2

Với đường dẫn RxD mọi việc cũng diễn ra tương tự chân 13 của vi mạch đượcnối đến chân 3 của cổng nối tiếp

2.9 Tìm hiểu về ADC

2.9.1 Các thiết bị ADC

Các bộ chuyển đổi ADC thuộc một trong những thiết bị được sử dụng rộng rãinhất để thu dữ liệu Các máy tính số sử dụng các số nhị phân nhưng trong thế giới vật

lý thì mọi đại lượng ở dạng tương tự (liên tục) Nhiệt độ, áp suất (khí hoặc chất lỏng),

độ ẩm và vận tốc và một số ít trong những đại lượng vật lý của thế giới thực tại mà tagặp hàng ngày Một đại lượng vật lý được chuyển đổi về dòng điện hoặc điện áp qua

một thiết được gọi là các bộ biến đổi Các bộ biến đổi cũng có thể được coi như các bộcảm biến.

Mặc dù chỉ có bộ cảm biến nhiệt, áp suất, ánh sáng và nhiều đại lượng tự nhiênkhác nhưng chúng đều cho ra các tín hiệu dòng điện hoặc điện áp ở dạng liên tục Dovậy, ta cần một bộ chuyển đổi tương tự số sao cho bộ vi điều khiển có thể đọc đượcchúng Một chip ADC được sử dụng rộng rãi là ADC0804

A, B, C : giải mã chọn một trong 8 ngõ vào

Z-1 đến Z-8 : ngõ ra song song 8 bit

ALE : cho phép chốt địa chỉ

ADC0809

28 15

1 14

IN2 IN1 IN0 A B C ALE 2 -1 2 -2 2 -3 2 -4 2 -8 REF 2 -6

START

START : xung bắt đầu chuyển đổi

CLK : xung đồng hồ

REF (+): điện thế tham chiếu (+)

REF (-) : điện thế tham chiếu (-)

Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý hoặc dùng riêng

Không cần điều chỉnh zero hoặc đầy thang

0001111

00110011

01010101

IN0IN1 IN2IN3IN4IN5IN6IN7

Sau khi kích xung start thì bộ chuyển đổi bắt đầu hoạt động ở cạnh xuống củaxung start, ngõ ra EOC sẽ xuống mức thấp sau khoảng 8 xung clock (tính từ cạnhxuống của xung start) Lúc này bit cơ trọng số lớn nhất (MSB) được đặt lên mức 1, tất

cả các bit còn lại ở mức 0, đồng thời tạo ra điện thế có giá trị Vref/2, điện thế này được

so sánh với điện thế vào in

+ Nếu Vin > Vref/2 thì bit MSB vẫn ở mức 1

+ Nếu Vin < Vref/2 thì bit MSB vẫn ở mức 0

Tương tự như vậy bit kế tiếp MSB được đặt lên 1 và tạo ra điện thế có giá trị Vref/

4 và cũng so sánh với điện áp ngõ vào Vin Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khixác định được bit cuối cùng Khi đó chân EOC lên mức 1 báo cho biết đã kết thúcchuyển đổi

Trong suốt quá trình chuyển đổi chân OE được đặt ở mức 1, muốn đọc dữ liệu rachân OE xuống mức 0

Trong suốt quá trình chuyển đổi nếu có 1 xung start tác động thì ADC sẽ ngưngchuyển đổi

Chương 3

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế điều khiển tự động đáp ứng các yếu tố tiểu khí hậu bêntrong nhà kính như nhiệt độ, ẩm độ Nhiệt độ, gió thông thoáng được điều khiển bằngcách nâng hạ (đóng, mở) mái thông thoáng và quạt hút Ẩm độ được điều khiển bằng

hệ thống phun sương kết hợp với các bộ phận trên Ứng dụng điều khiển tự động bằngPLC S7-200

Nghiên cứu thiết kế chế tạo phần cứng giao tiếp giữa vi điều khiển và máy tính.Mục đích là đưa các giá trị đo được từ các cảm biến trong nhà kính lên máy tính, để từ

đó ta sử dụng GUI trong matlab để lấy các giá trị đó và vẽ đồ thị và dựa vào đồ thị vẽđược để nhận xét và đánh giá về mô hình nhà kính

Nghiên cứu thiết kế giao diện điều khiển và giám sát nhiệt độ và ẩm độ trongnhà kính trên WinCC

3.2 Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Phương pháp thiết kế mạch thu thập dữ liệu và mô phỏng Matlab

3.2.1.1 Mạch

Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch giám sát

Việc thiết kế mạch giám sát được thực hiện dựa trên việc xử lý tín hiệu tương tự

từ cảm biến thông qua bộ biến đổi ADC ADC đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi từ tín hiệu điện áp thu thập từ cảm biến thành tín hiệu số, việc chuyển đổi độ chính xác cao hay thấp tùy thuộc vào việc chọn ADC, có loại có độ phân giải 8 bit, có loại 12 bit Số bit càng cao thì độ chính xác của việc chuyển đổi càngcao Trong mạch vi điều khiển đóng vai trò nhận tín hiệu từ ADC và tính toán , sau

đó tiến hành gửi dữ liệu ra led để hiển thị và gửi lên máy tính để cho Matlab nhận

về và vẽ đồ thị

3.2.1.2 Phương pháp xây dựng chương trình giám sát ứng dụng Matlab

Giao diện được thiết kế gồm nhiều textbox Mỗi một textbox dùng để hiển thịmột giá trị từ một cảm biến, việc thiết kế giao diện phải đáp ứng được đầy đủ các cảmbiến được sử dụng trong nhà kính tránh hiện tượng thiết kế thiếu textbox để hiển thịgiá trị từ cảm biến Đi kèm theo mỗi texbox là một pushtton, mỗi pushtton có tác dụngxuất dữ liệu từ cổng COM lên 1 textbox tương ứng thông qua sự kiện Callback Các ô

textbox cũng như các pushtton phải được bố trí trên cùng một panel, mỗi một paneltương ứng với một tầng trong nhà kính Tiếp theo là thiết kế các radiobutton để chọnlựa kiểu đồ thị để biểu diễn các giá trị cảm biến, thiết kế một popumenu để chọn tầngcần vẽ đồ thị hoặc chọn vẽ tất cả các tầng Việc cuối cùng là thiết kế một pushtton đểthực hiện việc vẽ đồ thị, đây là nút nhấn quan trọng nhất vì mọi câu lệch trong chươngtrình đều tập trung vào nút nhấn này.

3.2.2 Phương pháp thiết kế mạch điều khiển PLC và giám sát trên WinCC

Cảm biến nhận tín hiệu nhiệt độ đưa về Module analog EM235 xử lý tín hiệutương tự sang giá trị PLC để xử lý, và được đưa lên WinCC để giám sát

Thiết kế giao diện HMI (Human Machine Interface) trên WinCC để điều khiển, giám

sát và thu thập dữ liệu tiểu khí hậu, các đối tượng điều khiển trong nhà kính Giao diện

được thiết kế trên nền Graphics Designer của WinCC bằng cách lấy từ thư viện củaWinCC hay được vẽ nhờ công cụ hỗ trợ như Object pallette WinCC và PLC đươc kếtnối qua cáp 9 chân như hình 3.2

Hình 3.2 cáp kết nối giữa WinCC và PLC

Để PLC và WinCC có thể “bắt tay với nhau” ta dùng OPC channel có sẵn trongTag management của WinCC, và dùng PC access để thực hiện việc truy suất dữ liệu từWinCC đến PLC và ngược lại

Các đối tượng trên WinCC được lập trình trong phần VBS-Action, tùy thuộcvào yêu cầu của từng đối tượng mà có cách lập trình khác nhau

Các đối tượng được giám sát bằng cách giám sát các giá trị trong các biến Tag

mà chúng được gán

3.3 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Một mô hình hệ thống nhà kính 2m x 2mx2,5m được điểu khiển tự động các yếu

tố tiểu khí hậu như nhiệt độ, ẩm độ, thực hiện tại trường Đại học Nông Lâm Tp HCM

3.3.1 Phương pháp đo

Hình 3.3 Vị trí đặt các lớp cảm biến đo trên mô hình

1, 2, 3 vị trí đặt các lớp cảm biến

Vị trí cảm biến đo các thông số được đặt tại 5 vị trí bên trong mô hình nhà kính

như hình (3.4) ở chiều cao 2m chia làm 3 lớp để đo đạt các thông số: nhiệt độ, ẩm độ,

ánh sáng

Hình 3.4: Vị trí đặt cảm biến đo trên mô hình

1, 2, 3, 4, 5 là 5 vị trí đặt cảm biến

Cảm biến

ẩm độ,

bên ngoài(Led)

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN4.1 Kết quả chế tạo bộ phận giám sát với matlab

4.1.1 Sơ đồ khối

Hình 4.1 : Sơ đồ khối mạch thu thập và hiển thị dữ liệu 4.1.2 Mạch giám sát

Matlab(Máy tính)