Luận văn thiết kế chế tạo bộ điều khiển số quá trình trên nền vi điều khiển AVR

Luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ---------  --------- NGUYỄN ðỨC PHÚ THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ðIỀU KHIỂN SỐ QUÁ TRÌNH TRÊN NỀN VI ðIỀU KHIỂN AVR LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: ðiện khí hóa SXNN 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 ……………………… i 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 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 01 tháng 11 năm 2011 Người cam ñoan Nguyễn ðức Phú Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………… ii 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 SXNN và nông thôn với ñề tài: “Thiết kế chế tạo bộ ñiều khiển số quá trình trên nền vi ñiều khiển AVR” Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn Viện ñào tạo Sau ðại học, Khoa Cơ ðiện, Bộ môn ðiện kỹ thuật, Trường ñại 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 sâu sắc tới TS. Lưu Hồng Việt – người ñã ñịnh hướng, chỉ bảo và hết lòng tận tụy, dìu dắt tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu ñề tài. 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 01 tháng 11 năm 2011 Người cảm ơn Nguyễn ðức Phú Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………… iii MỤC LỤC LỜI CAM ðOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC . iii DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG vi DANH MỤC HÌNH .vi DANH MỤC BẢNG ix MỞ ðẦU .1 1. Tính cấp thiết của ñề tài 1 2. Phạm vi ñề tài 2 3. Mục ñích nghiên cứu .2 4. Phương pháp nghiên cứu .2 5. Nôi dung của ñề tài .2 CHƯƠNG I .4 TỔNG QUAN VỀ BỘ ðIỀU KHIỂN SỐ QUÁ TRÌNH .4 1.1. Sự phát triển của kỹ thuật ñiều khiển quá trình .4 1.2. Tính cấp thiết của ñiều khiển quá trình 4 1.3. Giới thiệu chung về ñiều khiển quá trình .5 1.3.1. Khái quát chung 5 1.3.2. Phân loại quá trình 8 1.3.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống .9 1.3.4. Thời gian chết của quá trình 10 1.4. Vai trò của bộ ñiều khiển số trong hệ thống .12 1.4.1. Vị trí trong hệ thống ñiều khiển .12 1.4.2. Các ứng dụng chính của bộ ñiều khiển số quá trình 13 1.4.3. Ưu nhược ñiểm của bộ ñiều khiển số quá trình .13 1.5. Giới thiệu một số bộ ñiều khiển số công nghiệp .14 1.5.1. ðặc ñiểm 15 1.5.2. Các thông số khác .17 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………… iv CHƯƠNG II 18 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ VI ðIỀU KHIỂN 18 2.1. Giới thiệu chung .18 2.2. Giới thiệu tổng quan về vi ñiều khiển ATMEGA 16 .18 2.2.1. ðặc tính của ATmega16 18 2.2.2. Cấu trúc bên trong ATmega16 20 2.2.3. Các cổng vào/ra (các PORT xuất nhập ña dụng) 21 2.2.4. Bộ biến ñổi ADC .23 2.2.5. Bộ truyền nhận dữ liệu USART 27 2.2.6. Bộ ñịnh thời Timer/Counter 31 CHƯƠNG III 37 MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 37 3.1. Cơ sở mạng truyền thông công nghiệp 37 3.1.1. Kiểu truyền 37 3.1.2. Lập chương trình cho mạng truyền .39 3.2. Giới thiệu một số chuẩn truyền thông 44 3.2.1. Chuẩn truyền thông RS-232 44 3.2.2. Chuẩn truyền thông RS-485 .47 CHƯƠNG IV 55 THIẾT KẾ BỘ ðIỀU KHIỂN SỐ 55 4.1. Thuật toán ñiều khiển .55 4.1.1. ðiều khiển ON/OFF 55 4.1.2. Bộ ñiều khiển PID .55 4.2. Thiết kế phần cứng .62 4.2.1. Khối xử lý trung tâm .62 4.2.2. Bàn phím 63 4.2.3. Khối vào .64 4.2.4. Khối ra .68 4.2.5. Khối hiển thị .75 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………… v 4.2.6. Khối truyền thông 77 4.2.7. Khối nguồn .78 4.3. Thiết kế phần mềm ñiều khiển .81 4.3.1. Chương trình phần mềm .81 4.3.2. Xây dựng lưu ñồ thuật toán ñiều khiển .82 4.4. Kết nối chạy thí nghiệm .88 4.4.1. Kết quả thực hiện 88 4.4.2. Chạy thí nghiệm 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94 Tài liệu tham khảo: 96 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………… vi DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Quá trình và phân loại biến quá trình 6 Hình 1.2: Sơ ñồ công nghệ và sơ ñồ khối của quá trình ñiều khiển mực nước 8 Hình 1.3: Các thành phần cơ bản của một hệ thống ñiều khiển quá trình 9 Hình 1.4: Bộ ñiều khiển trong hệ thống lớn .12 Hình 2.1: Sơ ñồ cấu trúc bên trong Atnega16 21 Hình 2.2: Sơ ñồ chân của ATmega16 .21 Hình 2.3: Sơ ñồ bộ biến ñổi ADC 24 Hình 2.4: Thanh ghi ADMUX 25 Hình 2.5: Thanh ghi ñiều khiển và trạng thái ADC 26 Hình 2.6: Thanh ghi dữ liệu ADC .26 Hình 2.7: Sơ ñồ khối bộ USART 28 Hình 3.8: ðơn vị tạo xung clock .29 Hình 2.9: ðịnh dạng khung truyền 29 Hình 2.10: Sơ ñồ khối của Timer/Counter0 32 Hình 2.11: Giản ñồ thời gian của chế ñộ PWM 33 Hình 2.12: Sơ ñồ khối của timer/counter1 34 Hình 2.13: Sơ ñồ khối của timer/counter2 .35 Hình 2.14: Giản ñồ thời gian của chế ñộ CTC .36 Hình 3.1: ðồng bộ khung trong truyền tập tin ASCII 38 Hình 3.2: ðồng bộ khung trong truyền tập tin nhị phân .38 Hình 3.3: Truyền ñồng bộ hướng ký tự 38 Hình 3.4: Truyền ñồng bộ hướng bit 39 Hình 3.5: Hoạt ñộng của giao thức Master/Slave .40 Hình 3.6: Hoạt ñộng của mạng Token ring .41 Hình 3.7: Hoạt ñộng của giao thức Data Collision .42 Hình 3.8: Mô tả cổng nối tiếp RS-232 45 Hình 3.9: Kiểu truyền cân bằng 2 dây. .49 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………… vii Hình 3.10: Cặp dây xoắn trong RS485. 49 Hình 3.11: Cách xác ñịnh áp kiểu chung. .50 Hình 3.12: Truyền RS485 khi tham chiếu với ñất. .51 Hình 3.13 : Cách ñặt ñiện trở ñầu cuối R T trong RS485 .51 Hình 3.14: Tín hiệu RS485 thu ñược tương ứng với 2 giá trị ñiện trở RT. 52 Hình 3.15: Phân cực cho ñường truyền RS485 .52 Hình 3.16: Sơ ñồ một phát, một nhận trong RS485 52 Hình 3.17: Sơ ñồ một phát, một nhận trong RS485 53 Hình 3.18 : Sơ ñồ một phát, nhiều nhận trong RS485. .53 Hình 3.19: Sơ ñồ sử dụng 2 bộ truyền nhận trong RS485 53 Hình 3.20: Sơ ñồ sử dụng nhiều bộ truyền nhận trong RS485. 53 Hình 3.21: ðoạn dây rẽ nhánh trong RS485 .54 Hình 3.22: Một dạng kết nối ñường truyền RS485 hợp lí. .54 Hình 4.1: ðáp ứng quá trình ñiều khiển ON/OFF nhiệt ñộ lò nhiệt .55 Hình 4.2: Mô hình bộ ñiều khiển PID số 58 Hình 4.3: Chống bão hào tích phân .59 Hình 4.4: Sơ ñồ khối của một hệ hở .60 Hình 4.5: ðáp ứng của hệ hở 60 Hình 4.6: Sơ ñồ khối của một hệ kín có bộ PID .60 Hình 4.7: Sơ ñồ khối của hệ kín có bộ tỉ lệ P 61 Hình 4.8: ðáp ứng của hệ kín 61 Hình 4.9: Sơ ñồ khối bộ ñiều khiển .62 Hình 4.10: Sơ ñồ nguyên lý mạch ñiều khiển trung tâm 63 Hình 4.11: Sơ ñồ nguyên lý mạch nút bấm .64 Hình 4.12: Hình ảnh và sơ ñồ chức năng của cảm biến SHT71 .65 Hình 4.13: ðồ thị sai số của cảm biến SHT71 65 Hình 4.14: Sơ ñồ nguyên lý mạch kết nối giữa vi ñiều khiển với cảm biến SHT71 66 Hình 4.15: Optical encoder quang tương ñối 66 Hình 4.16: Sơ ñồ dạng xung ngõ ra A và B 67 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ……………………… viii Hình 4.17: Sơ ñồ nguyên lý mạch logic 68 Hình 4.18: Sơ ñồ nguyên lý mạch cầu H công suất 69 Hình 4.19: Sơ ñồ chân và mạch kết nối của IC IR2184 69 Hình 4.20: Giản ñồ thời gian của IC IR2184 71 Hình 4.21: Ký hiệu và sơ ñồ chân của MOSFET IRF3205N/TO .71 Hình 4.22: Dạng sóng V DS và V GS khi FET chuyển mạch .72 Hình 4.23: Hình ảnh sản phẩm module cầu H. .73 Hình 4.24: Sơ ñồ nguyên lý mạch ñiều khiển ON/OFF 74 Hình 4.25: Sơ ñồ nguyên lý mạch cách ly sử dụng opto PC817 74 Hình 4.26: Sơ ñồ chân và giản ñồ thời gian ñóng cắt của opto PC817 75 Hình 4.27: Hình ảnh thực tế của màn hình LCD TC1602A 75 Hình 4.28: Sơ ñồ nguyên lý mạch kết nối LCD với vi ñiều khiển .77 Hình 4.29: Sơ ñồ chân và cấu tạo trong của IC MAX485 77 Hình 4.30: Mạch nguyên lý khối RS485 78 Hình 4.31: Sơ ñồ nguyên lý mạch nguồn cấp .79 Hình 4.32: Sơ ñồ nguyên lý tổng thể 80 Hình 4.33: Sơ ñồ khối chương trình 81 Hình 4.34:Lưu ñồ thuật toán truyền thông trên Slave .82 Hình 4.35:Lưu ñồ thuật toán truyền thông trên Master 83 Hình 4.36:Lưu ñồ thuật toánPID .84 Hình 4.37:Lưu ñồ thuật toán ON/OFF 1 .85 Hình 4.38:Lưu ñồ thuật toán ON/OFF 2 .86 Hình 4.39:Lưu ñồ thuật toán ñiều khiển phím bấm 87 Hình 4.40: Sơ ñồ bố trí linh kiện của board mạch ñiều khiển 88 Hình 4.41: Sơ ñồ mạch in của board mạch ñiều khiển .89 Hình 4.42: Sơ ñồ mạch in hai lớp thực tế của board mạch ñiều khiển .89 Hình 4.43: Hình ảnh board mạch ñiều khiển ñã chế tạo .90 Hình 4.44: Hình ảnh các mạch ñiều khiển ñã chế tạo .90 Hình 4.45: Sơ ñồ kết nốihệ thống chạy thí nghiệm .92 . thành luận văn thạc sĩ chuyên ngành ðiện khí hóa SXNN và nông thôn với ñề tài: Thiết kế chế tạo bộ ñiều khiển số quá trình trên nền vi ñiều khiển AVR . Thiết kế chế tạo bộ ñiều khiển số quá trình trên nền vi ñiều khiển AVR với mong muốn ñạt ñược phần nào ñiều ñó. Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận