Ứng dụng thiết bị NI myRIO 1900 và cảm biến DHT11 khảo sát nhiệt độ và độ ẩm môi trườngnguyễn thanh tùng, tạp chí khoa học đại học thủ dầu một, số 1(36) 2018, tr 89 98

Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(36)-2018 ỨNG DỤNG THIẾT BỊ NI-myRIO 1900 VÀ CẢM BIẾN DHT11 KHẢO SÁT NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG Nguyễn Thanh Tùng(1) Trường Đại học Thủ Dầu Một Ngày nhận 3/7/2017; Ngày gửi phản biện 20/8/2017; Chấp nhận đăng 30/12/2017 Email: tungnt@tdmu.edu.vn (1) Tóm tắt Việc kết hợp sử dụng thiết bị NI-myRIO lập trình FPGA tảng phần mềm LabVIEW giải pháp hữu hiệu để xây dựng module sử dụng cho việc đo đạc, khảo sát thơng số vật lý, hóa học dựa tín hiệu đầu vào loại cảm biến cho tín hiệu đầu dạng analog digital Trong báo này, chúng tơi trình bày kết nghiên cứu ứng dụng thiết bị NI-myRIO 1900 cảm biến DHT11, viết code phần mềm LabVIEW 2015 dùng để đo khảo sát nhiệt độ độ ẩm mơi trường khơng khí Với phần mềm lập trình LabVIEW 2015, dễ dàng thu thập số liệu nhiệt độ độ ẩm mơi trường với tín hiệu dạng analog vẽ đồ thị thông số theo thời gian thực cách trực quan hình laptop thơng qua hình ảnh giống thật cú click để viết code từ thư viện lập trình đồ họa, biểu tượng thay cho hàm lập trình truyền thống Từ khóa: NI-myRIO, đo nhiệt độ độ ẩm Abstract APPLICATIONS NI NIRO-myRIO 1900 AND DHT11 SENSOR SURVEY TEMPERATURE AND HUMIDITY OF ENVIRONMENTAL The NI-myRIO is a microprocessor device manufactured by National Instruments (NI) that comes with this device as LabVIEW programming software This LabVIEW software and device has been marketed by NI in a variety of versions since 1976, after more than 40 years of development NI-myRIO and LabVIEW are of particular interest to researchers, students in the field of automation, robot design and intelligent devices worldwide The combination of FPGA programming on the LabVIEW software platform is generally an effective solution for building modules for measuring and examining physical and chemical parameters based on input signals as sensors Within this subject topic, the author presents NI-myRIO 1900 application research results and the DHT11 sensor, coding on LabVIEW 2015 software for measuring and examining ambient temperature and humidity of air With LabVIEW we can realistically capture and graph data in real time on the laptop screen through simple code Giới thiệu chung 1.1 Thiết bị NI-myRIO 1900 Thiết bị NI-myRIO công cụ vi xử lý Công ty National Instruments (NI) sản xuất kèm với thiết bị phần mềm lập trình LabVIEW Phần mềm LabVIEW thiết bị NI giới thiệu thị trường với nhiều phiên khác kể từ năm 1976, sau 89 Nguyễn Thanh Tùng Ứng dụng thiết bị NI-myRIO cảm biến DHT11 40 năm hình thành phát triển, NI-myRIO LabVIEW nhà nghiên cứu, sinh viên lĩnh vực tự động hóa, thiết kế robot thiết bị thơng minh tồn giới đặc biệt quan tâm Thiết bị NI-myRIO nói chung tảng nhúng chạy độc lập mang tính cách mạng, tích hợp phần cứng/phần mềm cho phép người dùng thiết kế chế tạo hệ thống thực nhanh hết MyRIO tích hợp chứa xử lý ARM lõi thép chip nhúng FPGA Xilinx hệ thống chip (System on a Chip) Được thiết kế từ ban đầu dành cho việc giảng dạy nghiên cứu kỹ thuật, myRIO bao gồm sẵn đầu (I/Os), tích hợp từ WiFi lớp vỏ rắn Để giao tiếp phần mềm LabVIEW 2015 với phần tử hệ thống ta sử dụng điều khiển NI myRIO 1900 hãng National Instruments hình Hình Bộ điều khiển NI myRIO 1900 1: NI-myRIO 1900; 2: Cổng mở rộng; 3: Cáp điện cấp nguồn; 4: Cáp USB kết nối máy tính; 5: Cáp USB kết nối máy chủ (khơng kèm sản phẩm); 6: Đèn led; 7: Cổng hệ thống có chân đấu vặn vít; 8: Cáp vào/ra âm thanh; 9: Nút ấn Các khối chức xếp có mối quan hệ với thể hình Sơ đồ bố trí chân cổng A, B điều khiển NI-myRIO 1900 hình Sơ đồ bố trí chân cổng C điều khiển NI-myRIO 1900 hình Bảng Chức chân cổng A, B điều khiển NI-myRIO 1900 Chân Tham chiếu Loại đầu vào/ra +5V DGND Đầu AI AGND Đầu vào AO AGND Đầu AGND NA NA +3,3V DGND Đầu DIO DGND Đầu vào/ra UART.RX UART.TX DGND DGND DGND NA Đầu vào Đầu NA Miêu tả chức Điện áp +5V 0-5V so với chân tham chiếu, đơn kênh đầu vào tương tự 0-5V so với chân tham chiếu, đơn kênh đầu tương tự Chân tham chiếu cho chân tín hiệu vào/ra tương tự Điện áp +3,3V Kênh số tương thích với tín hiệu đầu 3,3 V; tín hiệu đầu vào 3,3-5V UART nhận tín hiệu vào, giống đường DIO UART truyền tín hiệu ra, giống đường DIO Chân tham chiếu cho chân tín hiệu số, +3,3V +5V 90 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(36)-2018 Hình Các khối chức điều khiển NI-myRIO 1900 Hình Cổng C điều khiển NI-myRIO 1900 Hình Cổng A, B điều khiển NImyRIO 1900 91 Nguyễn Thanh Tùng Ứng dụng thiết bị NI-myRIO cảm biến DHT11 Bảng Chức chân cổng C điều khiển NI-myRIO 1900 Chân Tham chiếu +15V/-15V AI0+/AI0AI1+/AI1AO AGND DGND AGND Loại đầu vào/ra Đầu Đầu vào AGND NA Đầu NA +5V DIO DGND DGND Đầu Đầu vào/ra DGND NA NA Miêu tả chức Điện áp +15V/-15V ±10V, kênh đầu vào tương tự ±10V so với chân tham chiếu, đơn kênh đầu tương tự Chân tham chiếu cho chân tín hiệu vào/ra tương tự chân điện áp +15V/-15V Điện áp +5V Kênh số tương thích với tín hiệu đầu 3,3 V; tín hiệu đầu vào 3,3-5V Chân tham chiếu cho chân tín hiệu số chân điện áp +5V 1.2 Phần mềm LabVIEW2015 LabVIEW (viết tắt Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) môi trường ngôn ngữ đồ họa hiệu việc giao tiếp đa kênh người, thuật toán thiết bị LabVIEW hỗ trợ kỹ sư, nhà khoa học sinh viên… xây dựng (thực thi) thuật toán cách nhanh, gọn, sáng tạo, dễ hiểu nhờ khối hình ảnh có tính gợi nhớ cách thức hoạt động theo kiểu dòng liệu (data flow) từ trái qua phải Các thuật toán sau áp dụng lên mạch điện cấu chấp hành thực nhờ vào việc kết nối hệ thống thật với LabVIEW thông qua nhiều chuẩn giao tiếp chuẩn giao tiếp RS232 (giao tiếp qua cổng COM), chuẩn USB, chuẩn giao tiếp mạng TCP/IP, UDP, chuẩn GPIB…Vì LabVIEW ngơn ngữ giao tiếp đa kênh LabVIEW hỗ trợ hầu hết hệ điều hành (Windows (2000, XP, Vista, Windows7), Linux, MacOS, Window Mobile, Window Embedded LabVIEW biết đến ngôn ngữ lập trình với khái niệm hồn tồn khác so với ngơn ngữ lập trình truyền thống ngơn ngữ C, Pascal Bằng cách diễn đạt cú pháp thông qua hình ảnh trực quan mơi trường soạn thảo, LabVIEW gọi với tên khác lập trình G (viết tắt Graphical) Hình Giao diện LabVIEW 2015 LabVIEW sử dụng lĩnh vực đo lường, tự động hóa, điện tử, robotics, vật lý, tốn học, sinh học, vật liệu, ơtơ… LabVIEW giúp người dùng kết nối cảm biến cấu chấp hành với máy tính; LabVIEW sử dụng để xử lý kiểu liệu tín hiệu tương tự (analog), tín hiệu số (digital) hình ảnh (vision), âm (audio)…; LabVIEW hỗ trợ giao thức giao tiếp khác RS232, RS485, TCP/IP, PCI, PXI Cũng tạo thực thi độc lập thư viện chia sẻ (ví dụ thư viện liên kết động DLL), LabVIEW trình biên dịch 32-bit 92 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(36)-2018 1.3 Cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm DHT11 Thông số kỹ thuật: điện áp hoạt động: - 5V; dải nhiệt độ đo: - 50°C với độ xác ±2°C; dải độ ẩm đo: 20 - 80% với độ xác 5%; kích thước: 15.5mm x 12mm x 5.5mm; tần số lấy mẫu: 1Hz , nghĩa giây DHT11 lấy mẫu lần; cảm biến có chân: VCC ( cực (+) nguồn ), DATA (chân tín hiệu), NC, GND (cực (-) nguồn) Cách điều khiển cảm biến: DHT11 gửi nhận liệu với dây tín hiệu DATA, với chuẩn liệu truyền dây này, phải đảm bảo cho chế độ chờ (delay) dây DATA có giá trị mức cao, nên mạch sử dụng DHT11, dây DATA phải mắc với trở kéo bên ngồi (thơng thường giá trị 5,1 kΩ) Dữ liệu truyền DHT11 gồm 40bit liệu theo thứ tự: bit biểu thị phần nguyên độ ẩm + bit biểu thị phần thập phân độ ẩm + bit biểu thị phần nguyên nhiệt độ + bit biểu thị phần thập phân nhiệt độ + bit checksum Ví dụ, ta nhận 40 bit liệu: 0011 0101 0000 0000 0001 1000 0000 0000 0100 1101 Tính tốn: - bit checksum: 0011 0101 + 0000 0000 + 0001 1000 + 0000 0000 = 0100 1101 - Độ ẩm: 0011 0101 = 35H = 53% (ở phần thập phân có giá trị 0000 0000, nên ta bỏ qua khơng tính phần thập phân) - Nhiệt độ: 0001 1000 = 18H = 24°C (ở phần thập phân có giá trị 0000 0000, nên ta bỏ qua khơng tính phần thập phân) Thực hành 2.1 Sơ đồ nối dây Sau khởi động phần mềm LabVIEW 2015, nối kết thiết bị NI-myRIO 1900 với máy tính thơng qua cổng wifi (hoặc dùng cab ngỏ USB) với số IP phù hợp Khi thấy đèn thị phần mềm thư mục NI-myRIO có màu xanh sáng lên nghĩa thiết bị kết nối với máy tính Kích hoạt phần mềm mở file nguồn DHT11 Sensor.lvproj sau xem lại kết nối cảm biến thiết bị vi xử lý Để nối kết thiết bị NI-myRIO 1900 cảm biến DHT11chúng dùng sơ đồ hình Hình Sơ đồ nối chân thiết bị NI-myRIO 1900 cảm biến DHT11 93 Nguyễn Thanh Tùng Ứng dụng thiết bị NI-myRIO cảm biến DHT11 2.2 Viết code LabVIEW 2015 Code viết cho cảm biến DHT11 dựa thông số kỹ thuật cảm biến theo Datasheet Khi lập trình FPGA phần mềm LabVIEW 2015 cho file Main (VT).vi, nên quan tâm đến chuyển đồi nhiệt độ bách phân Celsius (0C) Fahrenheit Hình Hình ảnh code, với file chạy Main (RT).vi (0F) với công thức quan hệ là: F  32 1,8t 2.3 Tạo file biên dịch FPGA LabVIEW 2015 Để cảm biến chạy LabVIEW 2015, code có tên DHT11 Sensor.lvproj viết dạng FPGA cần phải biên dịch file chạy Examp-DHT11 (FPGA).vi file Main (RT).vi thông qua lệnh Buils Specifications tùy chọn Real Time, hình hiển thị Hình Hình Cây thư mục chứa tập tin biên dịch Example – DHT11 (FPGA) Main (RT).vi 94 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(36)-2018 Hình Hình ảnh LabVIEW 2015 biên dịch file Example-DHT11 (FPGA) Hình Hình ảnh thiết bị NI-myRIO hoạt động 95 Nguyễn Thanh Tùng Ứng dụng thiết bị NI-myRIO cảm biến DHT11 Kết thực nghiệm Sau biên dịch file chạy Main (RT).vi thời gian khoảng phút, tiến hành cho thiết bị chạy (Run) Khi cảm biến đo ghi nhận số liệu nhiệt độ độ ẩm, kết hiển thị hình đồ thị hình 10 Hình 10 Hình ảnh đồ thị đo nhiệt độ độ ẩm file chạy Main (RT) Kết đo nhiệt độ (Temperature, 0C) độ ẩm (Humidity, %) xuất dạng excel thời gian khảo sát 72giây với tần suất ghi nhận giây, thu thập số liệu bảng Bảng Kết đo đạc số liệu nhiệt độ t (0C) độ ẩm khơng khí H(%) Times H (%) t (0C) Times H (%) t (0C) Times H (%) 47.4 28.0 10 47.5 28.0 19 47.4 47.6 28.1 11 47.4 28.2 20 47.6 47.5 28.0 12 47.5 28.1 21 47.5 47.3 28.2 13 47.4 28.2 22 47.3 47.4 28.1 14 47.3 28.0 23 47.3 96 47.5 28.0 15 47.5 28.0 24 47.4 47.4 28.1 16 47.4 28.1 25 47.4 47.5 28.2 17 47.4 28.2 26 47.5 47.4 28.1 18 47.5 28.1 27 47.4 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một t (0C) Times H (%) t (0C) 28.0 28 47.3 28.1 28.1 29 47.6 28.1 28.0 20 47.5 28.0 Số 1(36)-2018 28.2 31 47.3 28.1 28.1 32 47.4 28.1 28.1 33 47.5 28.1 28.1 34 47.5 28.1 28.1 35 47.5 28.2 28.1 36 47.4 28.2 Dựa vào Bảng tính giá trị trung bình, sai số kết độ ẩm nhiệt độ biểu diễn: H  H  H  47,  0,1(%) nhiệt độ t  t  t  28,1  0,1(o C ) , sai số hai thông số 0,1 cho thấy cảm biến DHT11 có độ xác cao, đáng tin cậy phép đo Hình 11 Kết đo file chạy Example-DHT11 (FPGA).vi Kết luận Sau thời gian ngắn tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu sử dụng thiết bị NI-myRIO 1900 kết hợp phần mềm lập trình LabVIEW 2015 nhận thấy với cảm biến nhỏ gọn DHT11 kết hợp với thiết bị NI-myRIO 1900 đo khảo sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường cách trực quan thông qua đồ thị thời gian thực trực quan, dễ nhìn Nếu xét mặt lập trình, viết code với phần mềm tương tự C++, Arduino… LabVIEW cho kết nhanh hình ảnh nhiệt kế cú click kéo thả biểu tượng (icon) thay người dùng phải viết đoạn code dài cần có khả hiểu biết sâu ngơn ngữ lập trình cụ thể Do thư viện LabVIEW thiết kế nhằm hỗ trợ người dùng cách tối đa với hàm, thiết bị ảo đa dạng đáp ứng u cầu khó tính đặt kỹ thuật Mặt khác phần mềm LabVIEW cho phép người dùng biên dịch file chạy dạng (.exe), nghĩa chạy độc lập Windows khơng cần khởi động LabVIEW, hay đưa thông tin lên website số liệu ghi nhận cơng khai cho người dễ dàng theo dõi Đây thiết bị tốt cho có mối quan tâm với nghiên cứu ứng dụng vi xử lý 97 Nguyễn Thanh Tùng [1] [2] [3] [4] [5] [6] Ứng dụng thiết bị NI-myRIO cảm biến DHT11 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hồng Minh Cơng (2004), Giáo trình cảm biến cơng nghiệp, Trường Đại học Đà Nẵng Nguyễn Bá Hải (2013), Giáo trình lập trình LabVIEW, NXB Đại học Quốc gia TPHCM National Instruments Corporation (2000), LabVIEW Basics I Course Manual http://forums.ni.com/t5/NI-myRIO/DHT11-RHT11-Temperature-Humidity-Sensor/tap/3529480 http://www.dientuvietnam.net/forums/forum/fpga https://lib.lhu.edu.vn/ViewFile/10668 98 ... 32-bit 92 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(36)-2018 1.3 Cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm DHT11 Thông số kỹ thuật: điện áp hoạt động: - 5V; dải nhiệt độ đo: - 50°C với độ xác ±2°C; dải độ ẩm đo:... chân thiết bị NI-myRIO 1900 cảm biến DHT11 93 Nguyễn Thanh Tùng Ứng dụng thiết bị NI-myRIO cảm biến DHT11 2.2 Viết code LabVIEW 2015 Code viết cho cảm biến DHT11 dựa thông số kỹ thuật cảm biến. .. hiệu số, +3,3V +5V 90 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(36)-2018 Hình Các khối chức điều khiển NI-myRIO 1900 Hình Cổng C điều khiển NI-myRIO 1900 Hình Cổng A, B điều khiển NImyRIO 1900