Thiết kế, thi công hệ thống giám sát và cảnh báo các thông số môi trường cho phòng thí nghiệm vilas258

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN VĂN THIÊN THIẾT KẾ, THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG CHO PHỊNG THÍ NGHIỆM VILAS258 Chun ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2015 Công trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH VIỆT THẮNG Phản biện : PGS.TS NGUYỄN LÊ HÙNG Phản biện : PGS.TS PHẠM NGỌC NAM Luận văn bảo vệ Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật điện tử Đại học Đà Nẵng vào ngày 21 tháng năm 2015 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Theo chủ trương chiến lược phủ “ Phát triển khoa học công nghệ Việt Nam đến năm 2020” lĩnh vực Cơng nghệ tự động hóa điện tử nhấn mạnh: “ Thiết kế, xây dựng phần mềm, lắp đặt, trang bị hệ thống thích hợp giám sát, điều khiển, thu thập xử lí số liệu áp dụng phổ cập điều hành hoạt động chun ngành cơng nghiệp: … Phất triển hình thành ngành công nghiệp phần cứng thiết bị thông minh Phần cứng điều khiển, hệ thống điện tử, thiết bị thông minh khâu định hoàn thiện nâng cấp dây chuyền công nghệ Phát triển mạnh thiết kế, chế tạo, tích hợp phần cứng phục vụ phần mềm điều khiển Các hệ thống cơ-điện tử phát triển để dành chỗ cho phối hợp hệ thống dây chuyền sản xuất Như chế tạo hệ thống tự động điều khiển định lượng trình sản xuất liên tục, sản xuất theo dây chuyền, ứng dụng hệ thống tự động vận chuyển, công nghiệp xi măng, sản xuất vật liệu xây dựng, cân tải, bốc rót vật liệu rời Chế tạo thiết bị đo lường phân tích tự động; hệ thống đếm phan loại sản phẩm… Hiên phòng thí nghiệm Vilas 258 thuộc Trung tâm TCĐL-CL3 có chức giữ chuẩn hiệu chuẩn, thực phép đo Để đảm bảo giữ chuẩn, độ tin cậy kết đo, việc trì tham số mơi trường phạm vi giới hạn cho phép phòng thí nghiệm quan trọng Hiện việc giám sát điều khiển trì, ghi chép tham số mơi trường phòng người thực thủ cơng Do độ xác khơng cao, khơng đồng thời gian kết ghi, hệ thống khơng có khả cảnh báo kịp thời Đồng thời tốn nhân cơng lao động, kết ghi không khách quan Xuất phát từ lý việc thiết kế, thi công hệ thống tự động giám sát, điều khiển, cảnh báo thống số môi trường phòng thí nghiệm Vilas258 thay người khắc phục hạn chế người thực Mục đích nghiên cứu: Hệ thống có chức giám sát, điều khiển nhằm ổn định tham số mơi trường (ví dụ: nhiệt độ độ ẩm, độ rung) phòng thí nghiệm Vilas258 phạm vi cho phép Đồng thời phát tín hiệu cảnh báo kịp thời tham số mơi trường nằm ngồi giới hạn cho phép trích xuất liệu cần thiết Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu loại cảm biến môi trường thông dụng giao thức truyền nhận thiết bị ngoại vi cảm biến - Nghiên cứu xây dựng phần mềm nhúng vi điều khiển - Nghiên cứu kỹ thuật học mã tín hiệu Remote hồng ngoại (IR) - Nghiên cứu phương thức thu thập xử lý liệu qua mạng Internet Phương pháp nghiên cứu - Kết hợp nghiên cứu lý thuyết mô phỏng, thiết kế mạch, chế tạo, đánh giá Các bước tiến hành cụ thể sau: + Thu thập, phân tích tài liệu thông tin liên quan đến đề tài + Thiết kế thi công, lắp đạt hệ thống phần cứng + Sử dụng phần mềm thư viện cung cấp để viết chương trình thực thi thuật tốn nạp chương trình hệ thống nhúng + Nghiên cứu Web Server viết chương trình thu thập liệu mơi trường đo đạc tảng Web Server + Chạy thử nghiệm khối theo quy trình kiểm tra xây dựng + Đánh giá kết hệ thống tự động so với hệ thống có + Đề xuất, kiến nghị giải pháp thay nâng cấp cho đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn Hệ thống có khả giám sát, điều khiển để ổn định thơng số mơi trường (ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm, độ rung) nằm giới hạn cho phép, tăng tuổi thọ thiết bị mẫu, nâng cao độ xác phép đo, kết đo lưu lại đồng mặt thời gian khách quan Đồng thời tiết kiệm điện tiêu thụ, nhân công lao động giảm ảnh hưởng đến sức khoẻ người tính vật liệu Hệ thống có khả cảnh báo chổ từ xa tham số mơi trường nằm ngồi giới hạn cho phép, để kịp thời đưa phương án khắc phục nhằm giảm thiệt hại cho thiết bị phòng thí nghiệm Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục luận văn gồm có chương sau : CHƯƠNG Tổng quan CHƯƠNG Cơ sở lý thuyết CHƯƠNG Thiết kế hệ thống CHƯƠNG Chạy thử nghiệm đánh giá kết CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 HỆ THỐNG CƠNG NHẬN PHỊNG THÍ NGHIỆM VILAS Là chương trình cơng nhận Văn phòng Công nhận Chất lượng (BoA): - Tổ chức hoạt động phù hợp với ISO/IEC 17011:2004 - Chuẩn mực đánh giá: ISO/IEC 17025:2005 yêu cầu bổ sung cho lĩnh vực cụ thể - Là thành viên đầy đủ ký thỏa ước thừa nhận lẫn MRA với: + Tổ chức Hợp tác Cơng nhận phòng thí nghiệm Châu Á – Thái Bình Dương (APLAC) + Tổ chức Hợp tác Cơng nhận phòng thí nghiệm quốc tế (ILAC) 1.2 GIỚI THIỆU PHỊNG VILAS258 Phòng thí nghiệm Vilas 258 thuộc Trung tâm Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng 3/ Cục TC - ĐL - CL/ BQP công nhân vào năm 2007 (Xem phụ lục 1) có chức giữ chuẩn hiệu chuẩn, thực phép đo Để đảm bảo giữ chuẩn, độ tin cậy kết đo, việc trì tham số mơi trường phạm vi giới hạn cho phép phòng thí nghiệm quan trọng Hiện việc giám sát điều khiển trì, ghi chép tham số mơi trường phòng người thực thủ cơng 1.3 MƠ TẢ HỆ THỐNG Hình 1.1: Mơ hình hệ thống 1.4 TÍNH NĂNG KỸ THUẬT - Đo hiểm thị giá trị nhiệt độ độ ẩm hiển thị Web server + Sai số nhiệt độ: ± 0,5 oC + Sai số độ ẩm: ± 1,8 %RH - Dữ liệu lưu trữ Web server thẻ nhớ điều khiển trung tâm - Điều khiển chức hoạt động máy lạnh máy hút ẩm - Kết nối với điều khiển trung tâm, hiển thị, điều khiển thiết bị thông qua đường truyền RF - Thực chức báo động thông số mơi trường nằm ngồi giới hạn cho phép nhiệt độ, độ ẩm, rung động 1.5 TÍNH NĂNG PHẦN MỀM 1.5.1 Phần mềm nạp cho vi điều khiển - Giám sát liên tục thông số nhiệt độ, độ ẩm, điểm đo theo thời gian - Có chức học phát lại tín hiệu điều khiển remote máy lạnh - Có chức giám sát, điều khiển cảnh báo qua điện thoại di động tin nhắn SMS 1.5.2 Phần mềm điều khiển máy tính - Phần mềm chạy Web sever có chức là: + Hiển thị giá trị nhiệt độ độ ẩm + Vẽ đồ thị giá trị nhiệt độ độ ẩm theo thời gian + Lưu kết giá trị nhiệt độ độ ẩm 1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1.6.1 Các sở chung phân loại phương pháp đo nhiệt độ 1.6.2 Các phương pháp đo tiếp xúc 1.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ ẨM KHƠNG KHÍ 1.7.1 Phương pháp điểm ngưng tụ 1.7.2 Cảm biến độ ẩm có điện dung thay đỏi 1.8 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO GIA TỐC 1.8.1 Cảm biến giá tốc vi cấu trúc học silic 1.8.2 Cảm biến gai tốc áp điện với gốm hay thạch anh 1.9 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương trình bày khái quát yêu cầu hệ thống giám sát cảnh báo thông số môi trường cho phòng thí nghiệm Vilas 258 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ CPU ARM CORTEX - M3STM32F103RC 2.1.1 Giới thiệu dòng ARM Cortex 2.1.2 STM32-ARM Cortex M3 CPU STM32F103RC 2.2 GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA16APU 2.3 GiỚI THIỆU MODULE SIM908 2.3.1 Đặc điểm Module Sim908 2.3.2 Các chế độ hoạt động Module Sim908 2.4 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM SHT71 2.4.1 Gới thiệu 2.4.2 Thông số kỹ thuật 2.4.3 Cấu hình chân 2.4.4 Sơ đồ ghép nối Vi xử lý 2.5 CẢM BIẾN GIA TỐC MMA7455 2.5.1 Gới thiệu 2.5.2 Nguyên lý hoạt động 2.6 GIỚI THIỆU VỀ MODULE RF HM-TR232 2.7 GIỚI THIỆU VỀ LCD 2.8 GIỚI THIỆU VỀ THẺ NHỚ SMD 2.9 GIỚI THIỆU VỀ REMOTE VÀ MẮT THU HỒNG NGOẠI 2.9.1 Remote hồng ngoại Remote hồng ngoại thiết bị phát sóng hồng ngoại, sử dụng mục đích điều khiển từ xa (tầm 10 m) Remote nhận lệnh điều khiển từ người điều khiển thơng qua phím bấm, sau xuất khung liệu với phím bấm Có nhiều loại remote sử dụng, loại có kiểu mã hóa khác Thơng thường remote phát với tín hiệu sóng mang 38 kHz Khi phím ấn khung truyền có dạng sau: Hình 2.9: Chuỗi xung phím nhấn 2.9.2 Led thu hồng ngoại Mắt thu hồng ngoại có chức chuyển sóng hồng ngoại phát từ remote thành dạng tín hiệu số ứng với phím bấm Khi khơng có sóng tới tín hiệu chân OUT Led thu mức cao thu tốt ứng với tần số sóng mang 38 kHz 2.10 Kết luận chương Để đáp ứng chức hệ thống việc tìm hiều nghiên cứu, chọn linh kiện cần thiết Linh kiện lưa chọn phải có bán thị trường, dễ tìm kiếm, đáp ứng mặt yêu cầu kỹ thuật thiết kế, công xuất tiêu thụ nhỏ, giá thành rẽ Vì linh kiện lưa chọn để thiết kế hệ thống đáp ứng tương đối yêu cầu đạt ra, nhằm tạo điều kiện tốt trình thực thiết kế, thi cơng hệ thống theo tiến độ thời gian quy định CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG Sơ đồ khối hệ thống trình bày Hình 3.1 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 3.1.1 Bộ điều khiển trung tâm - Khối điều khiển trung tâm có chức là: + Truyền nhận liệu từ hai phòng Vilas 258(1) Vilas 258(2) qua đường truyền vô tuyến RF + Nhận truyền liệu lên máy tính qua cổng RS232 10 Hình 3.18: Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển trung tâm Hình 3.19: Lưu đồ thuật tốn xử lý ngắt nối tiếp điều khiển trung tâm 11 3.3.2 Phần mềm nhúng hiển thị Hình 3.20: Lưu đồ thuật tốn chương trình hiển thị 12 3.3.3 Phần mềm nhúng điều khiển thiết bị Hình 3.23: Lưu đồ thuật tốn xử lý ngắt nối tiếp điều khiển thiết bị 13 Hình 3.24: Lưu đồ thuật toán xử lý ngắt nối tiếp điều khiển thiết bị 14 3.3.4 Phần mềm Web server Hình 3.25: Giao diện Web Server 3.4 HÌNH ẢNH THỰC TẾ CỦA HỆ THỐNG 3.4.1 Hình ảnh điều khiển trung tâm Hình 3.26: Hình ảnh thực tế điều khiển trung tâm 15 3.4.2 Hình ảnh hiển thị Hình 3.27: Hình ảnh thực hiển thị HT0 phòng Vilas258(1) Hình 3.28: Hình ảnh thực tế hiển thị HT02 phòng Vilas258(2) 16 3.4.3 Hình ảnh điều khiển thiết bị Hình 3.29: Hình ảnh thực tế điều khiển thiết bị ĐKTB01 phòng Vilas258(1) Hình 3.30: Hình ảnh thực tế điều khiển thiết bị ĐKTB02 phòng Vilas258(2) 17 3.4.4 Hình ảnh hệ thống Hình 3.31:Hình ảnh hệ thống 3.5 TẬP LỆNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ 3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương chương sở tạo tiền đề để thiết kế chương 3.Ở chương sử dụng phần mềm vẽ mạch điện Orcad, phần mềm biên dịch CodeVisionAVR,Keil c4, phần mềm mô proteus Trong q trình thiết kế thi cơng tính tốn thử nghiệm để hệ thống có khả chống nhiễu tốt [1] Trong chương hoàn thiện mơ hình hệ thống để tiếp tục cơng việc cho chương CHƯƠNG CHẠY THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 KIỂM TRA HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 4.2 KIỂM TRA CÁC SAI SỐ VÀ CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG 4.2.1 Kiểm tra sai số nhiệt độ 4.2.2 Kiểm tra sai số độ ẩm 4.2.3 Kiểm tra mức ngưỡng báo động rung 4.2.4 Kiểm tra ngưỡng báo động nhiệt độ 4.2.5 Kiểm tra ngưỡng báo động độ ẩm 18 4.2.6 Kiểm tra chức điều khiển máy lạnh 4.2.7 Kiểm tra chức điều khiển máy hút ẩm 4.2.8 Chức báo động điện lưới 4.3 KẾT QUẢ KIỂM TRA SAI SỐ CỦA HỆ THỐNG 4.3.1 Kết sai số thị hiển thị phòng Vilas258(1) Bảng 4.1: Kết sai số thị hiển thị nhiệt độ phòng Vilas258(1) Nhiệt độ kiểm tra (oC) Nhiệt độ thị (oC) Sai số phép đo (oC) 10 10,4 0,4 20 20,2 0,2 30 30,4 0,4 40 40,4 0,4 30 30,6 0,6 20 20,4 0,4 10 10,7 0,7 Sai số cho phép (oC) ± 0,5 Bảng 4.2: Kết sai số thị hiển thị độ ẩm phòng Vilas258(1) Độ ẩm kiểm tra Độ ẩm thị Sai số phép đo Sai số cho phép (%RH) (%RH) (%RH) (%RH) 30 29,4 - 0,4 40 39,4 - 0,4 50 49,5 - 0,5 ± 1,8 60 59,5 - 0,5 70 69,6 - 0,6 80 79,6 - 0,6 4.3.2 Kết sai số thị hiển thị phòng Vilas258(2) 19 Bảng 4.3: Kết sai số thị hiển thị nhiệt độ phòng Vilas258(2) Nhiệt độ kiểm tra (oC) Nhiệt độ thị (oC) Sai số phép đo (oC) 10 10,3 0,3 20 30 40 30 20 10 20,2 30,3 40,5 30,3 20,2 10,3 0,2 0,3 0,5 0,3 0,2 0,3 Sai số cho phép (oC) ± 0,5 Bảng 4.4: Kết sai số thị hiển thị độ ẩm phòng Vilas258(2) Độ ẩm kiểm tra (%RH) Độ ẩm thị (%RH) Sai số phép đo (%RH) 30 30,4 0,4 40 50 60 70 80 40,4 50,5 60,6 70,6 80,6 0,4 0,5 0,6 0,6 0,6 Sai số cho phép (%RH) 4.3.3 Kết kiểm tra báo động rung phòng Vilas258(1) 4.3.4 Kết kiểm tra báo động rung phòng Vilas258(2) 4.3.5 Kết kiểm tra báo động Vilas258(1) 4.3.6 Kết kiểm tra báo động Vilas258(2) ± 1,8 hiển thị hiển thị hiển thị phòng hiển thị phòng 20 4.3.7 Kết kiểm tra điều khiển thiết bị phòng Vilas258(1) 4.3.8 Kết kiểm tra điều khiển thiết bị phòng Vilas258(2) 4.3.9 Kết kiểm tra báo động điện 4.4 KẾT QUẢ DUY TRÌ NHIỆT ĐỘ TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM 4.4.1 Kết trì nhiệt độ, độ ẩm phòng thí nghiệm Vilas258(1) Hình 4.10: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ độ ẩm theo thời gian phòng Vilas258(1) 4.4.2 Kết trì nhiệt độ, độ ẩm phòng thí nghiệm Vilas258(2) 21 Hình 4.11: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ độ ẩm theo thời gian phòng Vilas258(2) 4.4.3 Kết hiển thị nhiệt độ độ ẩm Webserver Hình 4.12: Đồ thị biểu diễn nhiệt độ độ ẩm theo thời gian phòng Vilas258 Web Serer 22 4.5 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CỦA HỆ THỐNG MỚI VỚI HỆ THỐNG ĐÃ CÓ STT Hệ thống củ Duy trì thơng số mơi trường phòng thí nghiệm người thực tốn nhân công lao động Ghi chép số liệu ngày người thực hiện, thiếu khách quan, không đồng thời gian, tốn nhân công lao động Khả phát cảnh thơng số mơi trường ngồi giới hạn cho phép bị hạn, khơng có khả cảnh báo kịp thời Lưu trữ giá trị nhiệt độ, độ ẩm văn bảng Hệ thống Duy trì thơng số mơi trường phòng thí nghiệm hồn tồn tự động khơng tốn nhân công lao động Ghi chép số liệu ngày cách tự động, khách quan, đồng thời gian, không tốn nhân công lao động Hệ thống tự động phát cảnh báo tức thời thông số mơi trường ngồi giới hạn cho phép cách xác, khơng tốn nhân cơng lao động Lưu giá trị nhiệt độ, độ ẩm dạng file, thuận tiện cho việc trích xuất liệu cần thiết, vẽ đồ thị giá trị nhiệt độ độ ẩm theo thời gian 4.6 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA HỆ THỐNG - Hệ thống tự động giám sát, điều khiển trì ổn định thơng số mơi trường phòng thí nghiệm Vilas258 nằm giới hạn cho phép - Hệ thống thực chức báo động qua điện thoại thông số môi trường nằm giới hạn cho phép - Giá trị nhiệt độ độ ẩm lưu trử thẻ nhớ gắn điều khiển trung tâm máy tính chạy phầm mềm Web Server - Sai số nhiệt độ độ ẩm hiển thị nằm giới hạn cho phép - Khoản cách truyền tối đa hai module RF 35 m 23 - Phần mềm Web Server có chức hiển thị giá trị nhiệt độ độ ẩm hai phòng Vilas258(1) Vilas258(2) dạng số vẽ đồ thị theo thời gian - Bộ điều khiển thiết bị học tín hiệu remote máy lạnh hãng sau: Panasonic, LG, Mitsubishi, Daikin 4.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương sử dụng quy trình kiểm định [4], xây dựng quy trình kiểm tra để kiểm tra đánh giá chất lượng hệ thống Đã hồn thành xong cơng việc kiểm tra đánh giá tất thông số chức điều khiển báo động hệ thống Căn vào tham số đo đạt kiểm tra ghi lại biên kiểm tra kết hợp liệu ghi lại thẻ nhớ hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng yều cầu kỹ thuật phòng thí nghiệm Vilas258 24 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Hệ thống giám sát cảnh báo thơng số mơi trường cho phòng thí nghiệm Vilas258 chạy thử nghiệm đánh giá kết đạt u cầu trì ổn định thơng số mơi trường nằm giới hạn cho phép nhằm tăng tuổi thọ thiết bị mẫu, nâng cao độ xác phép đo, kết đo lưu trữ đồng mặt thời gian khách quan Đồng thời giảm nhân công lao động giảm ảnh hưởng đến sức khỏe người tính vật liệu Hệ thống có khả cảnh báo từ xa tham số mơi trường nằm ngồi giới hạn cho phép, để kịp thời đưa phương án khắc phục nhằm giảm thiệt hại cho thiết bị phòng thí nghiệm Hướng phát triển đề tài Hệ thống áp dụng giám sát cảnh báo thông số mơi trường cho phòng thí nghiệm, kho bảo quản trang bị khí tài qn Có thể mở rộng phạm vị đo đạt thông số môi trường khác nâng cao độ xác phép đo Ngồi hệ thống kết nối điều khiển máy phát điện để trì liện tục hoạt động hệ thống phòng điện lưới bi đột xuất ... lý việc thi t kế, thi công hệ thống tự động giám sát, điều khiển, cảnh báo thống số mơi trường phòng thí nghiệm Vilas258 thay người khắc phục hạn chế người thực Mục đích nghiên cứu: Hệ thống có... ứng yều cầu kỹ thuật phòng thí nghiệm Vilas258 24 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Hệ thống giám sát cảnh báo thơng số mơi trường cho phòng thí nghiệm Vilas258 chạy thử nghiệm đánh giá kết... trình thực thi t kế, thi cơng hệ thống theo tiến độ thời gian quy định CHƯƠNG THI T KẾ HỆ THỐNG 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG Sơ đồ khối hệ thống trình bày Hình 3.1 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 3.1.1