Thiết kế hệ thống tưới cây tự động bằng 8051 và phần mềm visual basic

Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội MỤC LỤC MỤC LỤC .1 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN LỜ I NÓ I ĐẦU .3 CHƯƠNG 1: GIỚ I THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 VÀ PHẦN MỀM VISUAL BASIC .4 1.1 Giới thiệu vi điều khiển 8051 1.2 Giới thiệu phần mềm Visual Basic 12 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNGTƯỚI HOA LAN TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG 8051 .18 2.1 Sơ đồ khối hệ thống .18 2.2 Xác định yêu cầu công nghệ .18 2.2.1 Đặc tính yếu tố sinh trưởng hoa lan (hoa lan Oncidium) 18 2.2.2 Yêu cầu công nghệ hệ thống 19 2.3 Tính chọn thiết bị vẽ sơ đồ đấu dây 20 2.3.1 Tìm hiểu cảm biến nhiệt độ LM35 20 2.3.2 Tìm hiểu cảm biến độ ẩm HS1101 24 2.3 Mạch nguyên lý mô phỏng: 29 2.4 Thiết lập lưu đồ thuật tốn viết chương trình .30 2.4.1 Thiết lập lưu đồ thuật toán: 30 2.4.2 Viết chương trình 31 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 38 GVHD: Phạm Văn Hùng Trang1 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN GVHD: Phạm Văn Hùng Trang2 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm trở la ̣i đây, nghề trồ ng cây, hoa cảnh rấ t phát triể n mang la ̣i nguồ n lơ ̣i kinh tế cao mà không đòi hỏi nhiề u công lao đô ̣ng, chăm sóc Nhưng la ̣i cầ n sự tỉ mỉ là chính xác cao quá trình chăm sóc Hoa lan là loa ̣i cảnh có giá tri ̣về thẩ m mỹ và kinh tế rấ t cao không chỉ nước mà còn có thể xuấ t khẩ u thi ̣ trường nước ngoài Hiê ̣n nay, nghề trồ ng hoa lan rấ t phổ biế n, đa số mo ̣i vùng đề u có thể trồ ng đươ ̣c Trồ ng hoa lan không đòi hỏi diê ̣n tích quá rô ̣ng đòi hỏi cao vầ kỹ thuâ ̣t trồ ng và chăm sóc Người trồ ng phải tuân thủ những quy tắ c khắ t khắ t khe trồ ng Tuy khó khăn là vâ ̣y không ít người đã lên làm giàu từ hai bàn tay trắ ng nhờ những cành lan Trong thể kỳ XX và XXI chúng ta đã chứng kiế n sự phát triể n vươ ̣t bâ ̣c của công nghê ̣trong nhiề u liñ h vực Các ngành tự đô ̣ng hóa cũng nằ m số đó, xu thế của hiê ̣n ta ̣i là giảm tố i đa sức lao đô ̣ng của người vào quá triǹ h sản xuấ t Thay vào đó là những ̣ thố ng, cấ u đươ ̣c điề u khiể n tự đô ̣ng người lâ ̣p triǹ h, thay người làm viê ̣c Góp phầ n giải phóng sức lao đô ̣ng Tự đô ̣ng hóa đã góp phầ n không nhỏ thúc đẩ y sự phát triể n của nông nghiê ̣p, hướng đế n mô ̣t ngành nông nghiê ̣p không còn sự tham gia trực tiế p của người vào quá trình sản xuấ t Ứng du ̣ng các loa ̣i cảm biế n và ̣thố ng tự đô ̣ng hóa vào quá trình chăm sóc trồ ng không còn gì xa la ̣ mà ngày càng đươ ̣c ưa chuô ̣ng để hướng đế n mô ̣t ngành nông nghiêp̣ hoàn toàn tự đô ̣ng Tuy nhiên, viê ̣c ứng du ̣ng mô ̣t ̣ thố ng tự đô ̣ng vào viê ̣c chăm sóc và nuôi trồ ng hoa chưa phổ biế n ở Viêṭ Nam Chính vì những lý đó, chúng em đã quyế t đinh ̣ lựa cho ̣n đề tài: “Nghiên cứu hệ thống tưới hoa lan tự động sử dụng PLC S7 – 300” để làm đề tài cho học phần: Đồ án tự động hóa Cơng Nghiệp Vì kiến thức thời gian hồn thành báo cáo hạn hẹp nên kính mong thầy thông cảm bổ sung thêm kiến thức em thiếu Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Hùng giúp đỡ chúng em hoàn thành tiến độ báo cáo này! THAY MẶT NHÓM THỰC HIỆN Em xin chân thành cảm ơn! GVHD: Phạm Văn Hùng Trang3 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 VÀ PHẦN MỀM VISUAL BASIC 1.1 Giới thiệu vi điều khiển 8051 1.1.1 Tổng quan họ 8051 Vi điều khiển 8051 Đặc tính ROM chíp RAM Bộ định thời Các chân vào - Cổng nối tiếp Nguồn ngắt Số lượng 4K byte 128 byte 32 Bảng : Các đặc tính 8051 1.1.2 Bộ Vi điều khiển 8051 Bộ vi điều khiển 8051 thành viên họ 8051 Hãng Intel ký hiệu MCS51 Bảng trình bày đặc tính 8051 1.1.3 Các thành viên khác họ 8051 Có hai vi điều khiển thành viên khác họ 8051 8052 8031 a- Bộ vi điều khiển 8052 GVHD: Phạm Văn Hùng Trang4 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội Bộ vi điều khiển 8052 thành viên khác họ 8051, 8052 có tất đặc tính chuẩn 8051 ngồi có thêm 128 byte RAM định thời Hay nói cách khác 8052 có 256 byte RAM định thời Nó có 8K byte ROM Trên chíp thay 4K byte 8051 Đặc tính 8051 8052 8031 ROM chíp 4K byte 8K byte OK RAM 128 byte 256 byte 128 byte Bộ định thời Chân vào 32 32 32 Cổng nối tiếp 1 Bảng 2: so sánh đặc tính thành viên họ 8051 Như nhìn thấy từ bảng 8051 tập 8052 Do tất chương trình viết cho 8051 chạy 8052 điều ngược lại không b- Bộ vi điều khiển 8031 Một thành viên khác 8051 chíp 8031 Chíp thường coi 8051 khơng có ROM chíp có OK byte ROM chíp Để sử dụng chíp ta phải bổ xung ROM ngồi cho ROM ngồi phải chứa chương trình mà 8031 nạp thực So với 8051 mà chương trình chứa ROM chíp bị giới hạn 4K byte, ROM ngồi chứa chương trinh gắn vào 8031 lớn đến 64K byte Khi bổ xung cổng, lại cổng để thao tác Để giải vấn đề ta bổ xung cổng vào - cho 8031 Phối phép 8031 với nhớ cổng vào - chẳng hạn với chíp 8255 trình bày chương 14 Ngồi có phiên khác tốc độ 8031 từ hãng sản xuất khác 1.2 Giới thiệu Kiến trúc Vi điều khiển 8051 1.2.1 Tổ chức nhớ Các vi điều khiển thuộc họ 8051 tổ chức thành khơng gian chương trình liệu, hình hình mơ tả điều Kiến trúc vi xử lý bit 8051 cho phép truy nhập tính tốn nhanh khơng gian liệu nhờ GVHD: Phạm Văn Hùng Trang5 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội việc phân chia không gian nhớ chương trình liệu Tuy nhiên nhớ truy nhập hệ thống 16 bit địa thực nhờ ghi trỏ Bộ nhớ chương trình (ROM, EPROM) nhớ đọc, mở rộng tối đa 64Kbyte Với họ vi điều khiển 89xx, nhớ chương trình tích hợp sẵn chip có kích thước nhỏ 4kByte Với vi điều khiển khơng tích hợp sẵn nhớ chương trình chip, buộc phải thiết kế nhớ chương trình bên ngồi Ví dụ sử dụng EPROM: 2764 (64Kbyte), chân PSEN phải mức tích cực (5V) Hình 1: Cấu trúc vi điều khiển 89C51 Bộ nhớ liệu (RAM) tồn độc lập so với nhớ chương trình Họ vi điều khiển 8051 có nhớ liệu tích hợp chip nhỏ 128byte mở rộng với nhớ liệu lên tới 64kByte Với vi điều khiển khơng tích hợp ROM chip có RAM chip 128byte Khi sử dụng RAM ngoài, CPU đọc ghi liệu nhờ tín hiệu chân RD WR Khi sử dụng nhớ chương trình nhớ liệu bên ngồi buộc phải kết hợp chân RD PSEN cổng logic AND để phân biệt tín hiệu truy xuất liệu ROM hay RAM ngồi Bộ nhớ chương trình: GVHD: Phạm Văn Hùng Trang6 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Cơng nghiệp Hà Nội Hình 2: Cấu trúc nhớ chương trình ctrình Hình 3: Địa ngắt nhớ Hình mơ tả cấu trúc nhớ chương trình Sau khởi động, CPU bắt đầu thực chương trình vị trí 0000H Hình mơ tả địa ngắt mặc định nhớ chương trình Mối xảy ngắt, trỏ CPU nhảy đến địa ngắt tương ứng thực thi chương trình Ví dụ ngắt ngồi có địa 0003H, xảy ngắt ngồi trỏ chương trình nhảy đến địa 0003H để thực thi chương trình Nếu chương trình ứng dụng khơng xử dụng đến ngắt ngồi địa 0003H dùng cho mục đích khác (sử dụng cho nhớ chương trình) Bộ nhớ liệu: Hình 4: Cấu trúc nhớ liệu GVHD: Phạm Văn Hùng Hình 5: Cấu trúc nhớ Trang7 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội Hình mơ tả cấu trúc nhớ liệu nhớ liệu họ vi điều khiển 8051 CPU dùng đến chân RD WR truy cập đến nhớ liệu ngồi Hình mơ tả cấu trúc nhớ liệu chip, chia thành khối 128 byte thấp, 128 byte cao 128 byte đặc biệt Hình 6: Cấu trúc 128 byte thấp nhớ liệu Hình mơ tả cấu trúc 128 byte thấp nhớ liệu họ vi điều khiển 8051 32 byte (00H-1FH) sử dụng cho ghi R0-R7 Hai bit ghi đặc biệt PSW lựa chọn ghi mà vi điều khiển dùng thực thi chương trình 8051 chứa 210 vị trí bit định địa 128 bit chứa byte địa từ 20H đến 2FH (16 byte x bit = 128 bit) phần lại chứa ghi đặc biệt Ngồi 8051 có port xuất/nhập định địa bit, điều làm đơn giản việc giao tiếp phần mềm với thiết bị xuất/nhập đơn bit Vùng RAM đa mục đích có 80 byte đặt địa từ 30H đến 7FH, bên vùng từ địa 00H đến 2FH vùng nhớ sử dụng tương tự Bất kỳ vị trí nhớ vùng RAM đa mục đích truy xuất tự cách sử dụng kiểu định địa trực tiếp gián tiếp Bất kỳ vị trí nhớ vùng RAM đa mục đích truy xuất tự cách sử dụng kiểu định địa trực tiếp gián tiếp Cũng ghi từ R0 đến R7, ta có 21 ghi chức đặc biệt SFR chiếm phần Ram nội từ địa 80H đến FFH Cần lưu ý tất 128 địa từ 80H đến FFH định nghĩa mà có 21 địa định nghĩa 1.2.2 Các ghi đặc biệt GVHD: Phạm Văn Hùng Trang8 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Cơng nghiệp Hà Nội 8051 có 21 ghi chức đặc biệt SFR chiếm phần Ram nội từ địa 80H đến FFH Cần lưu ý tất 128 địa từ 80H đến FFH định nghĩa mà có 21 địa định nghĩa Thanh ghi chính: Thanh ghi tính tốn vi điều khiển 8051 ACC (Accumulator) Là ghi đặc biệt 8051 dùng để thực phép tốn CPU, thường kí hiệu A Thanh ghi phụ: Thanh ghi tính tốn phụ vi điều khiển 8051 B Thanh ghi B địa F0H dùng chung với chứa A phép toán nhân, chia Lệnh MUL AB nhân số bit không dấu chứa A B chứa kết 16 bit vào cặp ghi B, A (thanh chứa A cất byte thấp ghi B cất byte cao) Lệnh chia DIV AB chia A B, thương số cất chứa A dư số cất ghi B Thanh ghi B xử lý ghi nháp Các bit định địa ghi B có địa từ F0H đến F7H Thanh ghi trạng thái chương trình (PSW): Thanh ghi trạng thái chương trình PSW (địa chỉ: D0H) ghi mơ tả tồn trạng thái chương trình hoạt động hệ thống Bảng Bảng mô tả ghi CY AC F0 RS1 RS0 OV - P Bảng 7: Thanh ghi trạng thái chương trình PSW Bit Ký Hiệu Địa Chỉ Mô tả Bit PSW.7 CY D7H Cờ nhớ (Carry Flag): Set có Bit nhớ từ Bit phép cộng có Bit mượn cho Bit phép trừ PSW.6 AC D6H Cờ nhớ phụ: Set phép cộng có Bit nhớ từ Bit sang Bit kết Bit thấp nằm khoảng 0AH->0FH GVHD: Phạm Văn Hùng Trang9 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội PSW.5 FO D5H Cờ O: dành cho người sử dụng PSW.4 RS1 D4H Chọn dãy ghi (Bit 1) PSW.3 RS0 D3H Chọn dãy ghi (Bit 0) 00=Bank 0: Địa 00H->07H 01=Bank 1: Địa 08H->0FH 10=Bank 2: Địa 10H->17H 11=Bank 3: Địa 18H->1FH PSW.2 OV D2H Cờ tràn (Overflow Flag): Set phép tốn có dấu có kết > +127 < -128 PSW.1 - D1H Chưa dùng PSW.0 P D0H Cờ kiểm tra chẵn lẻ: Set Clear phần cứng sau chu kỳ lệnh, để có số chẵn số lẻ Bit chứa Bảng 8: Chi tiết bit ghi PSW Thanh ghi ngăn xếp (Stack Pointer): Con trỏ stack SP (stack pointer) ghi bit địa 81H SP chứa địa liệu đỉnh stack Các lệnh liên quan đến satck bao gồm lệnh cất liệu vào stack lệnh lấy liệu khỏi stack Việc cất vào stack làm tăng SP trước ghi liệu việc lấy liệu khỏi stack giảm SP Vùng stack 8051 giữ RAM nội giới hạn đến địa truy xuất kiểu định địa gián tiếp Các lệnh PUSH POP cất liệu vào stack lấy liệu từ stack, lệnh gọi chương trình (ACALL, LCALL) lệnh trở (RET, RETI) cất phục hồi nội dung đếm chương trình PC (Program counter) Con trỏ liệu DPTR: Con trỏ liệu DPTR (data pointer) dùng để truy xuất nhớ chương trình ngồi nhớ liệu ngồi DPTR ghi 16 bit có địa 82H (DPL, byte thấp) 83H (DPH, byte cao) GVHD: Phạm Văn Hùng Trang10 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Cơng nghiệp Hà Nội Để tính điện áp đầu ta tính theo cơng thức sau: Dout = Vin / Kích thước bước 2.3.2 Tìm hiểu cảm biến độ ẩm HS1101 Trong các ứng du ̣ng hàng ngày, nhu cầ u theo dõi nhiêṭ đô ̣ và đô ̣ ẩ m ngày càng trở nên phổ biế n và thiế t thực, chúng sử du ̣ng trong:  Sản xuấ t và chế biế n nông nghiêp̣  Hiể n thi ̣và thực thi điề u khiể n (qua ̣t gió, máy sấ y, điề u hòa… hay báo đô ̣ng)  Datalog dữ liêụ về môi trường ta ̣i mô ̣t khu vực…  Theo dõi môi trường, chế đô ̣ làm viê ̣c của mô ̣t số dây truyề n, thiế t bi co ̣ ́ yêu cầ u cao Trên thi trươ ̣ ̀ ng có rấ t nhiề u loa ̣i cảm biế n đô ̣, nhiêṭ đô ̣: SHT75, SHT11, HS1101… với đô ̣ chin ́ h xác và giá thành khác Tuy nhiên, để đa ̣t tiêu chí kinh tế và đô ̣ chính xác yêu cầ u với ̣ thố ng thì cảm biế n đô ̣ ẩ m HS1101 là tố i ưu nhấ t, với đô ̣ chiń h xác về đô ̣ ẩ m 2%RH Cảm biế n độ ẩm HS1101 GVHD: Phạm Văn Hùng Trang24 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội + Kích thước cảm biế n + Cấ u tạo bản và nguyên lý hoạt động Cảm biến HS1101 tụ biến dung theo độ ẩm Khi độ ẩm thay đổi, điện dung HS1101 thay đổi Do vậy, để đo độ ẩm người ta thiết kế mạch đo điện dung HS1101 Trong thực tế, người ta thường ghép nối HS1101 IC NE555 Khi giá trị điện dung HS1101 thay đổi làm thay đổi tần số đầu IC555 Như cần đo tần số đầu đo điện dung HS1101 Giá trị điện dung HS1101 thay đổi làm thay đổi tần số đầu IC55 tốn đo tần số đầu 555 từ tham chiếu đến datasheet HS1101 để tìm độ ẩm Nguyên lý mạch tạo dao động tần số thay đổi tương ứng theo giá trị điện dung độ ẩm mơi trường GVHD: Phạm Văn Hùng Trang25 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội Sơ đồ ghép nối HS1101 với NE555 + Thông số kỹ thuật về cảm biế n độ ẩm HS1101 Đánh giá Ký hiệu Giá trị Đơn vị Nhiệt độ hoạt động Ta -40 – 100 o Nhiệt độ bảo quản Tstg -165 o Vs 10 VAC t 10 s Nguồn Hàn với T=260oC GVHD: Phạm Văn Hùng C C Trang26 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội Ký hiệu GTNN Dải đo RH Nguồn Vs Điện dung 55% TH* C Hệ số nhiệt độ 177 Loại GTLN Đơn vị 99 % 10 V 180 183 pF Tcc 0.04 pF/oC ∆C/%RH 0.34 pF/%RH Dòng dò (vcc = 5V) Ix nA Thời gian phục hội sau 150h ngưng tụ tr 10 s +/-1.5 % 0.5 %RH/yr s =/-2 %RH Độ nhạy trung bình 33 – 75% RH Độ ẩm trễ Ổn định lâu dài Thời gian phản hồi (33 to 76 % RH, still air @ 63%) Độ lệch tới đường phản hồi (10% to 90% RH) GVHD: Phạm Văn Hùng ta Trang27 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội + Cách thức đo độ ẩm Ta có công thức tính tầ n số : F = (𝑇 ℎ𝑖𝑔ℎ+𝑇 𝑙𝑜𝑤) = (𝐶@%𝑅𝐻.(𝑅4+2+𝑅2).𝑙𝑛2) Trong đó: + F tần số + C@%RH: độ ẩm + R2 = 576K, R4 = 49.9k Ta có cơng thức liên hệ độ ẩm điện dung: C (pf) = C@55% (1.2510-7RH3- 1.3610-5RH2 + 2.1910-3RH +9.010-1) Trong đó: + C@55% = 180pF ( tài liệu hãng ) + C(pf) điện dung đo Từ (1) (2) ta có liên hệ tần số độ ẩm Giải pháp tính tốn: Ta thấy hàm độ ẩm hàm mũ 3, nên khó tính tốn mối liên hệ F RH Ta thấy hàm C(pf) hàm đồng biến với RH Do ta F nghịch biến với RH Từ ta có phương pháp tính độ ẩm phương pháp tra bảng ( bảng 1) Ta dùng bảng Excel bảng 1, tạo mối quan hệ RH F, ta thu bảng F[100] = {7410;7392;….;6019} Mảng có 100 phần tử tương đương với độ ẩm từ 0-100% Như vậy, ta đo tần số F, ta chọn F>=F sát với F Khi Độ ẩm RH = i% GVHD: Phạm Văn Hùng Trang28 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội Bảng 1: Bảng tính giá trị độ ẩm qua tần số: 2.3 Mạch nguyên lý mô phỏng: GVHD: Phạm Văn Hùng Trang29 Đo lường Điều khiển MT Trường Đại Học Công nghiệp Hà Nội 2.4 Thiết lập lưu đồ thuật tốn viết chương trình 2.4.1 Thiết lập lưu đồ thuật toán: Start Đọc giá trị độ ẩm nhiệt độ Chuyển đổi ADC T>30oC H>80% S Đ Bậtquạt Tắtquạt S T