Nghiên cứu chế tạo hệ thống mạng điều khiển và kiểm soát các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) từ xa. Ứng dụng trong bảo quản các trang thiết bị quốc phòng

IH ƢỜ QU GI H N I Ọ Ệ ỒNG PH M KHƠI ỀU KHIỂN VÀ KIỂM SỐT NGHIÊN CỨU CHẾ T O HỆ THỐNG M CÁC THÔNG SỐ M ƢỜNG (NHIỆ Ộ, Ộ ẨM) TỪ XA ỨNG DỤNG TRONG BẢO QUẢN CÁC TRANG THIẾT BỊ QUỐC PHÒNG Ệ Ệ Ộ – 2014 - Ễ IH QU ƢỜ GI H N I Ọ Ệ ỒNG PH M KHÔI ỀU KHIỂN VÀ KIỂM NGHIÊN CỨU CHẾ T O HỆ THỐNG M SỐT CÁC THƠNG SỐ M ƢỜNG (NHIỆ Ộ, Ộ ẨM) TỪ XA ỨNG DỤNG TRONG BẢO QUẢN CÁC TRANG THIẾT BỊ QUỐC PHỊNG Ng nh: Cơng nghệ iện tử - Viễn thông huy n ng nh: Kỹ thuật iện tử Mã số: 60 52 02 03 Ệ ƢỜ ƢỚ Ẫ Ệ Ọ Ộ – 2014 - Ễ -TS TRẦN QUANG VINH MỤC LỤC LỜI M O N Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ẦU hƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 1.2 Mục ti u đề tài 10 1.3 Nội dung nghiên cứu 10 1.3.1 Nghiên cứu lý thuyết: 10 1.3.2 Thiết kế hệ thống: 10 1.4 Giới hạn đề tài 10 1.5 Ý nghĩa thực tiễn 11 hƣơng 2: Ơ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 Chuẩn EIA RS-232-C 12 2.1.1 Những đặc điểm cần lƣu ý chuẩn RS-232 12 2.1.2 Các mức điện áp thƣờng truyền 12 2.1.3 Cổng RS-232 PC 13 2.1.4 Truyền liệu 13 2.1.5 Mạch giao tiếp RS-232 dùng IC max232 14 2.2 Chuẩn RS-422/RS-485 15 2.2.1 Cấu hình mạng 2-dây RS-485 16 2.2.2 Cấu hình mạng 4-dây RS-485 16 2.2.3 Kết thúc cáp 17 2.2.4 ịnh thiên mạng RS-485 17 2.3 Giao thức MODBUS 19 2.3.1 MODBUS gì? 19 2.3.2 Nguyên tắc hoạt động MODBUS 19 2.3.3 Sơ đồ trạng thái Modbus 21 2.4 Kỹ thuật CRC 23 2.3.1 Lý thuyết CRC 23 2.3.2 Thuật toán CRC 23 hƣơng CÁC LINH KIỆN CHÍNH SỬ DỤNG 25 3.1 ATmega128 25 3.1.1 Giới thiệu ATmega128 25 3.1.2 Cấu trúc nhớ 26 3.1.3 Các cổng vào 28 3.1.4 Các định thời ATmega128 29 3.1.6 Bộ truyền nhận liệu nối tiếp USART 31 3.2 ATmega16 32 3.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT11 33 3.3.1 Các thông số kỹ thuật 33 3.3.2 Khởi động cảm biến 34 3.3.3 Gửi lệnh 34 3.3.4 o độ ẩm nhiệt độ 35 3.3.5 Chuỗi reset kết nối 35 3.3.6 Tính tốn tổng kiểm tra CRC-8 35 3.3.7 Thanh ghi trạng thái 36 3.3.8 Chuyển đổi tín hiệu 37 3.4 MMC/SD card 39 3.4.1 Sơ lƣợc MMC/SD card 39 3.4.2 Giao tiếp AVR với MMC/SD card 40 hƣơng : THIẾT KẾ HỆ TH NG 47 4.1 Phần cứng 47 4.1.1 Sơ đồ nguyên lý master 47 4.1.2 Sơ đồ nguyên lý slave 51 4.2 Phần mềm 52 4.2.1 Giới thiệu công cụ lập trình CodeVisionAVR 52 4.2.2 Phần mềm cho master 53 4.2.3 Phần mềm cho slave 59 4.3 Lập trình phần mềm giao diện PC sử dụng VB.NET 62 KẾT LUẬN 64 Kết 64 Hạn chế 64 Hƣớng phát triển đề tài 64 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA H LIÊN QU N ẾN LUẬN VĂN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 PHỤ LỤC 66 LỜ M Tôi xin cam đoan nội dung luận văn n y l thực dƣới hƣớng dẫn trực tiếp thầy giáo PGS-TS Trần Quang Vinh Mọi tham khảo dùng luận văn đƣợc trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm công bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đ o tạo, hay gian trá, xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Tác giả luận văn (Ký ghi rõ họ tên) ồng Phạm Khôi Danh mục ký hiệu chữ viết tắt SD card Secure Digital card EIA Electronic Industries Alliance TIA Telecommunications Industry Association IC Integrated circuit MMC card Multi Media Card PC Personal computer LCD Liquid-crystal display TTL Time to live ASCII American Standard Code for Information Interchange RTU Remote terminal unit CRC Cyclic Redundancy Check UART Universal asynchronous Receiver/Transmitter USART Universal Synchronous Receiver/Transmitter SPI Serial Peripheral Interface TQFP Thin quad flat pack EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory SRAM Static random-access memory I/O Input/output SHT Digital humidity and temperature sensor MSB Most Significant Byte or Most Significant Bit LSB Least Significant Byte or Least Significant Bit RH Relative humidity RxD Receive data pin TxD Transmit data pin INT Interrupt FAT File Allocation Table RTC Real-time clock VB.NET Visual Basic.NET Danh mục bảng Bảng 3.1: bảng véc tơ ngắt ATmega128 Bảng 3.2: Danh sách lệnh SHT1x Bảng 3.3: Các hệ số chuyển đổi tối ưu cho sensor độ ẩm V4 Bảng 3.4: Các hệ số bù nhiệt độ Bảng 3.5: Các hệ số bù nhiệt độ Bảng 3.6: Các tham số để tính tốn điểm sương (Td) Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống Hình 1.2: Kho bảo quản tên lửa hàng khơng Hình 2.1 : Mức giới hạn điện áp chuẩn RS-232 Hình 2.2: Cổng RS-232 PC Hình 2.3: Mạch giao tiếp RS-232 dùng IC Max232 Hình 2.4: Liên kết RS-422 điểm-điểm Hình 2.5: Cấu hình mạng 2-dây RS-485 Hình 2.6: Đường truyền với kết thúc cáp Hình 2.7: Mạng RS-485 với hai điện trở 120Ω kết thúc cáp Hình 2.8: Khung Modbus đường truyền nối tiếp Hình 2.9: Cấu trúc khung ký tự ASCII Hình 2.10: Cấu trúc khung ký tự RTU Hình 2.11: Sơ đồ trạng thái master Hình 2.12: Sơ đồ trạng thái slave Hình 3.1: Bố trí chân ATMEGA128 Hình 3.2: Bản đồ nhớ liệu Hình 3.3: Sơ đồ khối đơn giản khối USART Hình 3.4: Hình dạng kích thước cảm biến nhiệt ẩm SHT11 Hình 3.5: Độ xác dải hoạt động loại cảm biến SHT Hình 3.6:Sơ đồ chân SHT11 Hình 3.7:Mạch ứng dụng SHT11 Hình 3.8: Chuỗi khởi tạo truyền “Transmission Start” Hình 3.9: Chuỗi khởi tạo kết nối Connetion Reset Sequence Hình 3.10: Ghi vào ghi trạng thái Hình 3.11: Đọc ghi trạng thái Hình 3.13: Ví dụ chuỗi đo RH Hình 3.12: Tổng quan chuỗi đo TS=khởi tạo truyền, MSB=Byte tín hiệu cao nhất, LSB = Byte tín hiệu sau cùng, LSb= Bít tín hiệu cuối Bảng 6: Các hệ số chuyển đổi tối ưu cho sensor độ ẩm V4 Hình 3.13: Chuyển đổi từ SORH sang độ ẩm tương đối Bảng 3.3: Các hệ số bù nhiệt độ Bảng 3.4: Các hệ số bù nhiệt độ Bảng 3.5: Các tham số để tính tốn điểm sương (Td) Hình 3.14: Bố trí chân MMC SD card Hình 3.15: IC CD4050 chuyển đổi mức tín hiệu vi điều khiển MMC/SD card Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý master Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý khối thu/phát liệu Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp master PC Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch thời gian thực DS1307 Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh thời gian Hình 4.7: Sơ đồ mạch in master Hình 4.8: Mạch in master sau lắp ráp linh kiện Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý slave Hình 4.10: Sơ đồ mạch in slave Hình 4.11: Mạch in slave sau lắp ráp linh kiện chạy thử Hình 4.12: Tạo Project CodeVisionAVR Hình 4.12: Lựa chọn dịng vi điều khiển Hình 4.13: Chọn loại vi điều khiển tần số hoạt động Hình 4.24: Chọn ngắt ngồi chế độ hoạt động ngắt Hình 4.15: Cấu hình cho timer1 Hình 4.16: Cấu hình cho UART0 Hình 4.17: Cấu hình cho UART1 Hình 4.18: Cấu hình cho I2C giao tiếp với DS1307 Hình 4.19: Cấu hình để giao tiếp với LCD2004 Hình 4.20: Tạo lưu Project Hình 4.21: Tạo Project Hình 4.22: Lựa chọn dịng vi điều khiển Hình 4.23: Chọn loại vi điều khiển tần số hoạt động Hình 4.24: Cấu hình cho UART Hình 4.25: Cấu hình giao tiếp với LCD 1602 Hình 4.26: Giao diện chương trình PC Hình 4.27: Giao diện chương trình hoạt động Hình 4.28: Chạy thử toàn hệ thống MỞ ẦU Hiện Quân đội ta bảo quản số lƣợng lớn trang bị quân sự, với khí hậu nhiệt đới, độ ẩm nhiệt độ cao v bi n độ thăng giáng lớn ảnh hƣởng lớn tới tuổi thọ khả sẵn sang chiến đấu trang bị quân Theo nghiên cứu kỹ thuật nhiệt đới khoảng độ ẩm từ 40-60% phù hợp cho hầu hết loại vật liệu Trong khoảng loại vật liệu từ kim loại đến phi kim bị ăm mịn nhất, khoảng độ ẩm n y hạn chế phát triển loại nấm mốc Với vũ khí trang bị đại đƣợc bảo quản điều kiện cần thiết Hệ thống dự kiến chế tạo gồm modul đo nhiệt độ v độ ẩm hịm bảo quản tên lửa, thơng số đo đƣợc l sở để điều khiển máy hút ẩm trì độ ẩm thùng bảo quản từ 40-60%, số liệu nhiệt độ v độ ẩm thùng bảo quản đƣợc gửi máy tính dựa giao thức Modbus qua đƣờng truyền RS-485 để hiển thị lên máy tính Phần mềm máy tính có chức hiển thị độ ẩm thời, trạng thái hoạt động máy hút ẩm v lƣu giá trị n y v o sở liệu máy tính Ngồi việc lƣu giữ số liệu máy tính hệ thống cịn lƣu số liệu vào thẻ nhớ SD card, đảm bảo tắt máy tính đƣờng truyền có cố số liệu đƣợc lƣu giữ SD card Hệ thống đƣợc thiết kế đơn giản, dễ vận hành, bảo trì sửa chữa, có độ xác cao, giá thành rẻ vật tƣ linh kiện hầu hết có sẵn thị trƣờng Việt Nam hƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 đồ tổng quan hệ thống LCD2004 MASTER MAX232 PC ATMEGA128 MAX485 DS1307 MMC/SD CARD BUS RS485 SHT11 LCD1602 SLAVE Hòm bảo quản Máy hút ẩm RELAY ATMEGA16 MAX485 SHT11 LCD1602 BUS RS485 SLAVE N Hòm bảo quản N Máy hút ẩm N RELAY ATMEGA16 MAX485 Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống Trên hình 1.1 hệ thống gồm master slave đƣợc nối với theo chuẩn truyền thông EIA/TIA-485 Master slave giao tiếp với theo giao thức MODBUS RTU Các thành phần master: Vi điều khiển ATmega128, hình LCD2004 gồm 20 cột hàng, IC MAX232 giao tiếp với máy tính PC theo chuẩn RS-232, IC thời gian thực DS1307, thẻ nhớ để lƣu trữ liệu nhiệt độ v độ ẩm theo chu kỳ đặt trƣớc, IC MAX485 nối với đƣờng truyền theo chuẩn EIA/TIA-485 Các thành phần slave: Vi điều khiển ATmega16, hình LCD1602 gồm 16 cột hàng, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT11, rơ le để điều khiển máy hút ẩm, IC truyền nhận liệu MAX485 Nhiệm vụ master: - Chịu trách nhiệm điều khiển đƣờng truyền RS-485 dựa giao thức MOSBUS RTU để giao tiếp với slave nhằm thu thập liệu nhiệt độ, độ ẩm, điểm sƣơng, trạng thái máy hút ẩm… 93 #pragma used+ void putchar(char c) { while (tx_counter == TX_BUFFER_SIZE); #asm("cli") if (tx_counter || ((UCSRA & DATA_REGISTER_EMPTY)==0)) { tx_buffer[tx_wr_index++]=c; #if TX_BUFFER_SIZE != 256 if (tx_wr_index == TX_BUFFER_SIZE) tx_wr_index=0; #endif ++tx_counter; } else UDR=c; #asm("sei") } #pragma used#endif // Standard Input/Output functions #include void main(void) { // Declare your local variables here // Input/Output Ports initialization // Port A initialization // Function: Bit7=In Bit6=In Bit5=In Bit4=In Bit3=In Bit2=In Bit1=In Bit0=In DDRA=(0