Luận văn thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển quá trình bảo quản nông sản dạng hạt

luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ----------  ---------- ðÀO VĂN SƠN THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ðIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH BẢO QUẢN NÔNG SẢN DẠNG HẠT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: ðiện khí hóa sản xuất nông nghiệp và nông thôn Mã số : 60.52.54 Người hướng dẫn khoa học: TS. LƯU HỒNG VIỆT HÀ NỘI, 2011 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật………………………………. ii LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào. Tôi xin cam ñoan rằng mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn này ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2011 Người cam ñoan ðào Văn Sơn Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật………………………………. iii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và thực hiện ñề tài luận văn tốt nghiệp, ñến nay tôi ñã hoàn thành luận văn thạc sĩ chuyên ngành ðiện khí hóa sản xuất nông nghiệp và nông thôn với ñề tài: "Thiết kế hệ thống giám sát và ñiều khiển quá trình bảo quản nông sản dạng hạt". Trước hết, Tôi xin chân thành cảm ơn Viện ñào tạo Sau ñại học, Khoa Cơ ðiện, Bộ môn ðiện kỹ thuật, Trường ðại học nông nghiệp - Hà Nội ñã tận tình giúp ñỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện ñề tài nghiên cứu khoa học. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn ñến những người thân trong gia ñình, bạn bè và ñồng nghiệp ñã ñộng viên, cổ vũ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học. Nếu không có những sự giúp ñỡ này thì chỉ với sự cố gắng của bản thân tôi sẽ không thể thu ñược những kết quả như mong ñợi. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2011 Người cảm ơn ðào Văn Sơn Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật………………………………. iv MỤC LỤC Giới thiệu ñề tài 2 Chương 1. Kỹ thuật bảo quản nông sản dạng hạt 4 1.1. Phương pháp bảo quản nông sản dạng hạt 4 1.1.1. Phương pháp bảo quản ở trạng thái thoáng 4 1.1.2. Phương pháp bảo quản ở trạng thái kín . 5 1.1.3. Phương pháp bảo quản ở trạng thái lạnh 6 1.1.4. Phương pháp bảo quản bằng hóa học . 6 1.2. Kho bảo quản 7 1.2.1. Khái niệm . 7 1.2.2. Yêu cầu kỹ thuật . 7 1.2.3. Phân loại kho 8 1.3. Kỹ thuật bảo quản thóc . 9 1.3.1. Kho bảo quản và các vật tư, thiết bị . 9 1.3.2. Quy trình bảo quản . 10 Chương 2. Cơ sở hệ thống giám sát và ñiều khiển 15 2.1. Mô hình phân cấp của hệ thống 15 2.2. Các chế ñộ truyền dẫn . 17 2.2.1. Truyền dẫn song song và truyền dẫn nối tiếp 17 2.2.2. Truyền ñồng bộ và truyền không ñồng bộ . 18 2.2.3. Truyền ñơn công, bán song công và truyền song công 22 2.3. Các phương pháp truy nhập ñường truyền 24 2.3.1. Master/Slave . 24 2.3.2. Token Passing 24 2.3.3. CSMA/ CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 26 2.3.4. CSMA/ CA (Carrier Sense Multiple with Collision Avoidance) 27 2.4. Các phương thức truyền dẫn tín hiệu 28 2.4.1. Truyền dẫn không cân bằng (Unbalanced) 28 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật………………………………. v 2.4.2. Truyền dẫn cân bằng (Balanced) 29 2.4.3. Vấn ñề trở ñầu cuối 30 2.5. Các chuẩn thông tin nối tiếp 30 2.5.1. Chuẩn truyền tin RS232 . 30 2.5.2. Chuẩn truyền tin RS422 . 34 2.5.3. Chuẩn truyền tin RS485 . 36 Chương 3. Thiết kế và thực thi hệ thống 39 3.1. Mô hình hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ, ñộ ẩm 39 3.1.1. Bộ ñiều khiển . 40 3.1.2. Thiết bị ño 42 3.2. Thiết kế và thực thi phần cứng 45 3.2.1. Khối nguồn . 46 3.2.2. Khối vi ñiều khiển trung tâm . 47 3.2.3. Khối hiển thị LCD 49 3.2.4. Khối chuyển ñổi tín hiệu UART - RS485 49 3.2.5. Mạch chuyển ñổi RS232/RS485 50 3.2.6. Mạch ñiều khiển On/Off 51 3.2.7. Hình ảnh mạch ñiện tử sau khi hoàn thành 52 3.3. Thiết kế phần mềm 52 3.3.1. Truyền thông nối tiếp không ñồng bộ với AVR (UART) . 52 3.3.2. Phần mềm nhúng cho vi ñiều khiển . 60 3.3.3. Phần mềm giao diện giám sát ñiều khiển . 63 Kết luận và hướng phát triển 70 Tài liệu tham khảo 71 Phụ lục 72 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật………………………………. vi DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1. Mô hình kiểu song song một cửa hút khí 11 Hình 1. 2. Mô hình kiểu song song 2 cửa hút khí . 12 Hình 1.3. Mô hình kiểu xương cá dùng cho các loại kho 12 Hình 2.1. Mô hình phân cấp của hệ thống thông tin công nghiệp 15 Hình 2.2. Truyền song song có bắt tay .18 Hình 2.3. Truyền số liệu nối tiếp . 18 Hình 2.4. ðịnh dạng khung truyền ở chế ñộ truyền không ñồng bộ .22 Hình 2.5. Truyền dẫn ñơn công . 23 Hình 2.6. Truyền bán song công . 23 Hình 2.7. Truyền dẫn song công . 23 Hình 2.8. Truy cập Master/Slave 24 Hình 2.9. Cấu trúc khung Token . 25 Hình 2.10. Phương pháp truy cập Token Ring (IEEE8-2.4) . 25 Hình 2.11. Phương pháp truy nhập Token bus(IEEE802.5) . 25 Hình 2.12. Nhiều trạm cùng gửi thông tin lên Bus .26 Hình 2.13. Các thông báo bị huỷ bỏ 26 Hình 2.14. Trạm n1 gửi thông báo 27 Hình 2.15. Nguyên lí của CSMA/CA . 28 Hình 2.16. Truyền tín hiệu không cân bằng 29 Hình 2.17. Truyền tín hiệu cân bằng .30 Hình 2.18. Kết nối giữa DTE và DCE 31 Hình 2.19. Biểu diễn các mức logic trong RS232 31 Hình 2.20. Kết nối ở cổng RS232 không có phần cứng bắt tay 32 Hình 2.21. Bắt tay bằng phần mềm sử dụng X-ON và X-OFF 33 Hình 2.22. Các ñường dẫn bắt tay ñược sử dụng khi truyền dữ liệu 33 Hình 2.23. Ghép nối ñể truyền thông có bắt tay qua cổng RS232 34 Hình 2.24. Biểu diễn mức logic trong RS422 .35 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật………………………………. vii Hình 2.25. Hoạt ñộng của RS422 35 Hình 2.26. Quy ñịnh về mức logic trong RS485 37 Hình 2.27. Cấu hình RS485 3 dây . 37 Hình 2.28. Cấu hình RS485 5 dây . 38 Hình 3.1. Sơ ñồ khối của hệ thống 39 Hình 3.2. Sơ ñồ khối mô hình ñiều khiển nhiệt ñộ, ñộ ẩm . 40 Hình 3.3. Sơ ñồ chi tiết chân vi ñiều khiển ATmega16 40 Hình 3.4. Chip SHT1x .42 Hình 3.5. Sơ ñồ khối cấu trúc chip SHT1x . 43 Hình 3.6. Sơ ñồ nguyên lý hoạt ñộng của chip SHT1x 43 Hình 3.7. Trình tự "Transmission Start" . 43 Hình 3.8. Trình tự khởi ñộng lại kết nối . 43 Hình 3.9. Sơ ñồ nguyên lý khối nguồn .46 Hình 3.10. IC 7805 46 Hình 3.11. Sơ ñồ nguyên lý khối vi ñiều khiển trung tâm 47 Hình 3.12. Sơ ñồ nguyên lý kết nối vi ñiều khiển với mạch nạp 47 Hình 3.13. Sơ ñồ nguyên lý mạch nạp AVR910 USB 48 Hình 3.14. Sơ ñồ nguyên lý khối truyền tín hiệu tới rơle ñiều khiển On/Off . 48 Hình 3.15. Sơ ñồ nguyên lý khối hiển thị . 49 Hình 3.16. Sơ ñồ nguyên lý khối chuyển ñổi tín hiệu UART - RS485 50 Hình 3.17. Sơ ñồ nguyên lý chuyển ñổi RS232/RS485 50 Hình 3.18. Sơ ñồ chân của IC Max232 .50 Hình 3.19. Sơ ñồ chân của IC Max485 .51 Hình 3.20. Sơ ñồ nguyên lý mạch rơle ñiều khiển On/Off . 51 Hình 3.21. Bộ ñiều khiển và ñầu ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm 52 Hình 3.22. Thanh ghi UDR . 53 Hình 3.23. Thanh ghi UCSRA 53 Hình 3.24. Thanh ghi UCSRB 54 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật………………………………. viii Hình 3.25. Thanh ghi UCSRC 55 Hình 3.26. Thanh ghi UBRRL và UBRRH 57 Hình 3.27. Lưu ñồ thuật toán cho vi ñiều khiển 62 Hình 3.28. Lưu ñồ thuật toán chương trình giao diện . 63 Hình 3.29. Cửa sổ khi chạy chương trình giao diện .64 Hình 3.30. Cửa sổ thông báo khi kết nối thành công với trạm ño 65 Hình 3.31. Cửa sổ chương trình làm việc ở chế ñộ tự ñộng 66 Hình 3.32. Cửa sổ cài ñặt các thông số . 67 Hình 3.33. Cửa sổ vẽ ñồ thị nhiệt ñộ và ñộ ẩm ño 68 Hình 3.34. Bảng cơ sở dữ liệu .69 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật………………………………. ix DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1. ðịnh nghĩa các chân tín hiệu của RS232 32 Bảng 2.2. Thông số cơ bản của RS485 . 36 Bảng 3.1. Danh sách mã lệnh của SHT1x . 44 Bảng 3.2. Hệ số chuyển ñổi ñộ ẩm 44 Bảng 3.3. Hệ số chuyển ñổi nhiệt ñộ 44 Bảng 3.4. Hệ số chuyển ñổi nhiệt ñộ của ñộ ẩm . 45 Bảng 3.5. Chọn kiểm tra parity . 56 Bảng 3.6. ðộ dài dữ liệu truyền. . 56 Bảng 3.7. Tính tốc ñộ baud. 57 Bảng 3.8. Một số tốc ñộ baud mẫu 58 Bảng 3.9. Cấu trúc khung lệnh gửi yêu cầu 60 Bảng 3.10. Cấu trúc khung lệnh trả lời . 60 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật………………………………. 2 Giới thiệu ñề tài Ngày nay khi nền nông nghiệp phát triển mạnh, sản phẩm tạo ra ngày càng phong phú thì nhu cầu lưu trữ hàng hóa trong các kho lưu hàng càng nhiều. Việc kiểm soát nhiệt ñộ, ñộ ẩm khi bảo quản, lưu trữ các sản phẩm công - nông nghiệp trong các kho chứa hàng là rất quan trọng. Thông thường với các loại hàng hóa ñược lưu trữ, nhiệt ñộ, ñộ ẩm trong phòng lưu trữ phải luôn duy trì ở 1 mức nhất ñịnh. Ở nước ta nhiều gian hàng bảo quản vẫn làm theo các phương pháp thủ công như cán bộ kỹ thuật tiến hành ño ñạc, sau ñó ñưa ra các giải pháp ñể tăng hoặc giảm nhiệt ñộ, ñộ ẩm theo yêu cầu. Cũng giống như trên, trong các phòng thí nghiệm, trong bệnh viện, trong các nhà kính trồng cây cảnh, trong các khu sản xuất rau sạch .kỹ thuật viên cũng cần giám sát nhiệt ñộ, ñộ ẩm, ánh sáng . Với các phương pháp thủ công, chúng ta sẽ mất rất nhiều thời gian và công sức mà công việc lại không hiệu quả. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, chúng ta ñã và ñang ñưa tự ñộng hóa vào từng ngõ ngách trong cuộc sống. Chính vì thế, chúng tôi quyết ñịnh chọn ñề tài: Thiết kế hệ thống giám sát và ñiều khiển quá trình bảo quản nông sản dạng hạt. Với sản phẩm chế tạo ñược chúng ta có thể ño ñược nhiệt ñộ, ñộ ẩm và có thể thu thập dữ liệu về máy tính, từ ñó ñưa ra các biện pháp xử lý thích hợp. Không giống như các thiết bị ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm thông thường, sản phẩm không chỉ ñơn thuần là thiết bị hiển thị số liệu ño ñược mà nó có thể kết nối với nhau thành mạng và truyền nhận dữ liệu từ máy tính theo chuẩn RS-485. Với một máy tính PC, một người ñiều hành có thể giám sát nhiều ñiểm ño khác nhau trên diện rộng. ðặc biệt trong các kho tàng cất giữ hàng hóa, thóc gạo, các ñiểm bảo quản máy móc, vũ khí, ñạn dược v.v . thì vấn ñề ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm của môi trường không khí là rất cần thiết. ða số các ñầu ño, thiết bị ño nhiệt ñộ và ñộ ẩm có tính thông minh hiện hành sử dụng một số chip vi xử lý và phần mềm ñể thiết bị có một số chức năng