NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ GIÓ VÀ HIỂN THỊ LÊN WEB SERVER

Từ xa xưa, con người đã biết tới nguồn năng lượng gió và ảnh hưởng của nó đến đời sống. Người ta lợi dụng sức gió để đưa thuyền buồm ra khơi, để chế tạo cối xay gió, sử dụng năng lượng của gió để làm máy phát điện, ứng dụng trong khí tượng thủy văn hay trong hoạt động vui chơi như thả diều,…Tuy nhiên, những tác động của gió cũng có thể gây ra những ảnh hưởng tiêu cực như làm lệch hướng di chuyển của tàu thuyền, ảnh hưởng tới độ vững chắc của các tòa nhà cao tầng, hay những cơn gió to gây nên các hiện tượng xói mòn, bão cát,…thiệt hại tới tài sản và tính mạng con ngưởi. Do đó việc đo được sức gió, nghĩa là nắm được những thông số như hướng gió, tốc độ gió là rất quan trọng. Từ những ý nghĩa quan trọng và cấp thiết nói trên, chúng em đã tiến hành thực hiện đề tài “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ GIÓ VÀ HIỂN THỊ LÊN WEB SERVER”.

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ………………………………………………………… Chương 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ GIÓ…………… 1.1 Tổng quan……………………………………………………… 1.1.1 Khái niệm …………………… 1.1.2 Lịch sử phát triển ……………………………………… 1.1.3 Ứng dụng hệ thống đo gió …………………………… 1.2 Các thiết bị thực tế ……………………………………… 1.2.1 Máy đo tốc độ gió có chong chóng hướng gió……… 1.2.2 Máy đo tốc độ gió khơng có chong chóng hướng gió… 1.3 Yêu cầu hệ thống đo gió……………………………… Chương 2: TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A………… 2.1 Giới thiệu chung ……………………………………………… 2.1.1 Đặc điểm vi điều khiển PIC16F877A……………… 2.1.2 Các dạng sơ đồ chân……………………………………… 2.1.3 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A ………………… 2.1.4 Chức chân vi điều khiển PIC16F877A…… 2.2 Tổ chức nhớ………………………………………………… 2.2.1 Bộ nhớ chương trình …………………………………… 2.2.2 Bộ nhớ liệu …………………………………………… 2.2.3 Stask ……………………………………………………… 2.3 Các cổng xuất nhập vi điều khiển PIC16F877A…………… 2.3.1 PORT A………………………………………………… 2.3.2 PORT B………………………………………………… 2.3.2 PORT C………………………………………………… 2.3.2 PORT D………………………………………………… 2.3.2 PORT E………………………………………………… 2.4 Các định thời TIMER……………………………………… 2.4.1 TIMER 0………………………………………………… 2.4.2 TIMER 1………………………………………………… 2.4.3 TIMER 2………………………………………………… Chương 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ GIÓ … 3.1 Phân tích yêu cầu thiết kế ……………………………………… 3.1.1 Xác định tốn thiết kế……………………………… 3.1.2 Lựa chọn cơng nghệ……………………………………… 3.1.3 Phương án thiết kế……………………………………… 3.2 Thiết kế sơ đồ khối …………………………………………… 3.2.1 Khối xử lý trung tâm……………………………………… 3.2.2 Module đo tốc độ gió…………………………………… 3.2.3 Khối hiển thị…………………………………………… 3.2.4 Module wifi……………………………………………… Trang 4 5 6 10 10 10 12 13 14 16 16 17 19 19 20 20 21 21 21 22 22 23 24 25 25 25 25 31 31 32 34 35 36 3.2.5 Internet………………………………………………… 3.2.6 Bộ nguồn………………………………………………… 3.3.Thiết kế sơ đồ nguyên lý……………………………………… 3.4.Lập trình phần mềm…………………………………………… 3.5.Chế tạo thử nghiệm……………………………………………… KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 39 39 40 41 44 LỜI MỞ ĐẦU Từ xa xưa, người biết tới nguồn lượng gió ảnh hưởng đến đời sống Người ta lợi dụng sức gió để đưa thuyền buồm khơi, để chế tạo cối xay gió, sử dụng lượng gió để làm máy phát điện, ứng dụng khí tượng thủy văn hay hoạt động vui chơi thả diều,…Tuy nhiên, tác động gió gây ảnh hưởng tiêu cực làm lệch hướng di chuyển tàu thuyền, ảnh hưởng tới độ vững tòa nhà cao tầng, hay gió to gây nên tượng xói mịn, bão cát,… thiệt hại tới tài sản tính mạng ngưởi Do việc đo sức gió, nghĩa nắm thơng số hướng gió, tốc độ gió quan trọng Từ ý nghĩa quan trọng cấp thiết nói trên, chúng em tiến hành thực đề tài “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ GIĨ VÀ HIỂN THỊ LÊN WEB SERVER” Chúng em xin gửi lời cảm ơn tới ThS Lê Văn Chương tận tình hướng dẫn chúng em suốt trình thực đề tài Do cịn việc hạn chế trình độ chuyên môn thiếu kinh nghiệm làm nên đồ án chúng em nhiều khiếm khuyết, sai sót Chúng em mong nhận ý kiến đóng góp lời khuyên hữu ích từ thầy, cô giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết tốt tạo tiền đề cho chúng em sau Chúng em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐO TỐC ĐỘ GIÓ 1.1 1.1.1 Tổng quan Khái niệm Như biết, gió tượng tự nhiên hình thành từ chuyển động khơng khí từ áp cao đến áp thấp, gió nguồn lượng vơ tận, gió mang lại lợi ích lớn cho sống người, ngược lại chúng gây khơng trở ngại, khó khăn cho Nhờ gió mà tạo điện phục vụ cho sống, dùng sức gió để đưa thuyền buồm khơi, để chế tạo cối xay gió, ứng dụng khí tượng thủy văn hay hoạt động vui chơi thả diều, bay khinh khí cầu,… Nhưng ngồi việc mang lại lợi ích, tượng thiên nhiên mà người khơng thể kiểm sốt ln kèm theo yếu tố bất lợi Đó bão, lốc với cấp độ gió giật mạnh bay làm hư hỏng thứ, làm lệch hướng tàu thuyền, gây nên thiệt hại người tài sản, ảnh hưởng đến sống người Mỗi ngành, hay lĩnh vực kinh tế có đặc điểm riêng đồng thời chịu ảnh hưởng chi phối từ thiên nhiên trực tiếp hay gián tiếp Và gió yếu tố có ảnh hưởng sâu sắc trực tiếp đến nhiều lĩnh vực kinh tế : hàng hải, dự báo thời tiết, sửa chữa điều hòa,….Hơn nữa, nguồn lượng mà người sử dụng dầu thơ, khống sản cạn kiệt gió đánh giá nguồn lượng ,vơ hạn mà cịn người hướng tới,vì có nhiều tua bin gió xây dựng Khí hậu trái đất ln thay đổi khơng ngừng kéo theo tốc gió có biến động khơng ngừng Do vây việc nắm bắt nhanh chóng đặc điểm gió giúp người có ứng phó tốt nhất, hay có ứng dụng thích hợp vào ngành, lĩnh vực như: hàng hải, xây dựng tua bin gió, sửa chữa điều hịa hay đặc biệt dự báo thời tiết Vì đời máy đo tốc độ gió điều hiển nhiên nhanh chóng xâm nhập vào thị trường hàng hóa điện tử vũ bão chiếm lĩnh phần quan trọng đời sống 1.1.2 Lịch sử phát triển Máy đo gió đời từ kỷ XV Leon Battista Alberti cho người phát minh máy đo vào khoảng năm 1450 Trong nhiều kỷ sau đó, nhiều người khác, có Robert Hooke người Maya, phát triển phiên riêng họ Năm 1846, John Thomas Romney Robinson cải tiến thiết kế cách sử dụng bốn cốc hình bán cầu bánh quay khí Năm 1926, John Patterson phát triển máy đo gió ba cốc, cải tiến Brevoort Joiner vào năm 1935 Năm 1991, Derek Weston phát triển thêm khả phát hướng gió Năm 1994, Tiến sĩ Andrews Pflitsch phát triển máy đo gió siêu âm Hiện nay, với công nghệ - kỹ thuật phát triển, máy đo gió có cải tiến nhằm phù hợp với mục đích sử dụng thích hợp với đặc điểm khí hậu quốc gia 1.1.3 Ứng dụng hệ thống đo gió Hệ thống đo gió lắp đặt trạm khí tượng thủy văn, cho phép xác định thơng số hướng gió, cường độ gió (cấp gió) áp suất gió, thơng tin quan trọng việc phân tích tình hình thời tiết đưa tin dự báo, cảnh báo thời tiết Trong hàng hải, đặc biệt với tàu thuyền lưu thông biển, việc nắm thông tin hướng cường độ gió quan trọng, giúp cho người điều khiển tàu chỉnh góc lái phù hợp tránh tượng tàu bị trôi dạt lệch khỏi hướng hành trình Hệ thống đo gió nghi khí dẫn đường hàng hải quan trọng Ngồi hệ thống đo gió ứng dụng lĩnh vực nơng nghiệp,cơng nghiệp khai khống, xây dựng, thể thao… Các thiết bị thực tế 1.2 Hiện nay, có nhiều hãng chế tạo máy đo tốc độ gió tiếng như: hãng PCE (Anh), Extech, Kimo (Pháp), TPI (Mỹ), Kanomax (Mỹ), GrayWolf, Lutron, FT Technologies Ltd.,… Máy đo tốc độ gió chế tạo theo hai dạng là: - Máy đo tốc độ gió có chong chóng hướng gió Máy đo tốc độ gió khơng có chong chóng hướng gió Đối với máy đo tốc độ gió thường kết hợp với đo vài thông số khác như: nhiệt độ, độ ẩm, … 1.2.1 Máy đo tốc độ gió có chong  Dạng máy đo gió hình chén chóng hướng gió Hình 1.1: Máy đo gió hình chén Máy có chén hình bán cầu, gắn vào đầu tay địn, có tay địn nằm ngang vng góc với Có trục đứng nằm giao điểm tay đòn tâm mà chén quay xung quanh; truyền động đếm số vòng mà trục quay được, từ số vịng quay khoảng thời gian tính vận tốc gió Điểm bật máy đo đơn giản, nhiên không phù hợp để lưu liệu lên giấy thời điểm định, ghi thiếu thơng tin gió giật mạnh thời gian ngắn Kết thu máy đo gió thường có sai số đến gần 50%  Máy đo dạng cối xay gió Hình 1.2: Máy đo dạng cối xay gió Trong dạng máy đo gió trục quay nằm thẳng đứng, với dạng trục quay nằm song song với hướng gió, nằm ngang Hơn nữa, gió đổi chiều trục quay thay đổi, chong chóng hướng gió thứ tương tự tạo có mục đích Trong trường hợp hướng gió ln khơng đổi, trường hợp hệ thống thơng gió mỏ nhà cao tầng, máy đo gió cho kết tốt  Máy đo gió cầm tay có chong chóng Hình 1.3: Máy đo gió cầm tay có chong chóng Với loại máy này, người sử dụng điều chỉnh cảm biến chong chóng cho hướng gió qua chong chóng theo chiều mũi tên đánh dấu Hệ thống cảm biến điện tử tích hợp tổ hợp chong chóng cảm biến tốc độ gió, lưu lượng gió, nhiệt độ gió, độ ẩm gió áp suất thuỷ tĩnh vị trí đo Tín hiệu từ cảm biến truyền thân máy để xử lý hiển thị lên hình gắn liền với thân máy 1.2.2 Máy đo tốc độ gió khơng có chong chóng hướng gió Hình 1.4: Máy đo tốc độ gió khơng có chong chóng hướng gió Với loại máy này, cảm biến tốc độ gió tích hợp đầu cần ăng ten (có thể thu vào kéo dài ra) Tín hiệu thu từ cảm biến truyền máy qua hệ thống cáp chuyên dụng với độ dài khác (khoảng 1-2m) Yêu cầu hệ thống đo tốc độ gió 1.3 Để phù hợp với ứng dụng mục đích khác sống, máy đo tốc độ gió có u cầu tính sau:           Máy đo gió có độ nhạy tốt, độ xác cao Dải đo tốc độ gió lớn Hoạt động tin cậy, xác mơi trường khắc nghiệt Có thể tích hợp đo hiển thị nhiệt độ, độ ẩm đồng thời Máy đo tốc độ gió điện tử hiển thị số mặt máy Đạt tiêu chuẩn an toàn theo TCVN 7079 - 2000 Dễ dàng sử dụng, hoạt động ổn định Máy chắn, độ bền cao Sửa chữa đơn giản Giá thành hợp lí CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A 2.1 Giới thiệu chung 2.1.1 Đặc điểm vi điều khiển PIC16F877A Đây vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit Mỗi lệnh thực thi chu kì xung clock Tốc độ hoạt động tối đa cho phép 20 MHz với chu kì lệnh 200ns Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, nhớ liệu 368x8 byte RAM nhớ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte Số PORT I/O với 33 pin I/O Có kênh chuyển đổi A/D  Các đặc tính ngoại vi bao gồm khối chức sau: - Timer0: đếm bit với chia tần số bit - Timer1: đếm 16 bit với chia tần số, thực chức đếm dựa vào xung clock ngoại vi vi điều khiển hoạt động chế độ -  sleep Timer2: đếm bit với chia tần số, postcaler Hai Capture/so sánh/điều chế độ rông xung Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI I2C Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với bit địa Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với chân điều khiển RD, WR, Bên cạnh vài đặc tính khác vi điều khiển như: - Bộ nhớ flash với khả ghi xóa 100.000 lần - Bộ nhớ EEPROM với khả ghi xóa 1.000.000 lần - Dữ liệu nhớ EEPROM lưu trữ 40 năm - Khả tự nạp chương trình với điều khiển phần mềm - Nạp chương trình mạch điện ICSP (In Circuit Serial - Programming) thông qua chân Watchdog Timer với dao động Chức bảo mật mã chương trình Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác 10 Hình 3.11: Hình ảnh sơ đồ nguyên lý module Wifi ESP8266 ESP-01  Tập lệnh AT giao tiếp với Module ESP8266: Lệnh AT Mô tả AT Lệnh kiểm tra kết nối AT + RST Lệnh Reset module AT+GMR Lệnh kiểm tra phiên module 36 AT+CWMODE=3 AT+CWLAP AT+CWJAP=" ","" AT+CIFSR Lệnh cài đặt module hoạt động chế độ trạm phát wifi, điểm truy cập wifi Lệnh tìm mạng wifi có Lệnh truy cập vào mạng wifi khác Lệnh lấy đỉa IP module AT+CIFSR="tên_mang","mật_khẩu", Lệnh đặt tên mật cho mạng wifi 3,0 module ESP8266 phát Có thể sử dụng module ESP8266 hai chế độ: TCP Client TCP sever  Cài đặt module hoạt động chế độ TCP Client: - Cho phép module hoạt động chế độ đa kết nối, cách gửi lệnh: AT+CIPMUX=1 - Sử dụng lệnh CIPSTART để chọn kênh kết nối (0-4), phương thức truyền(TCP/UDP), địa IP website (or domain) cổng kết nối Ví dụ: AT+CIPSTART=4,"TCP","google.com",80 - Sử dụng lệnh AT + CIPSEND để báo kênh truyền số byte địa websever cần lấy liệu Ví dụ: địa chỉ: “ GET / HTTP/1.0\r\n\r\n” có 18 byte phải gửi lệnh: AT + CIPSEND=4,18 3.2.5 Internet 37 Chúng ta sử dụng ThingSpeak làm nơi thể lưu trữ giá trị tốc độ gió đo dạng biểu đồ ThingSpeak ứng dụng đơn giản, dễ sử dụng mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng ThingSpeak ứng dụng Internet of Things(IoT) mã nguồn mở API để lưu trữ truy xuất liệu từ thứ sử dụng giao thức HTTP qua Internet thông qua Local Area Network ThingSpeak cho phép tạo ứng dụng khai thác cảm biến, ứng dụng theo dõi vị trí mạng xã hội thứ có cập nhật trạng thái ThingSpeak tích hợp hỗ trợ từ phần mềm tính toán số Matlab từ MathWorks Cho phép người dùng ThingSpeak phân tích hình dung liệu tải lên Matlab mà không yêu cầu mua giấy phép Matlab từ Mathworks Hình 3.12: Sơ đồ kiệu gửi lên ThingSpeak 3.2.6 Bộ nguồn Điện áp sử dụng cho khối xử lí trung tâm điện áp Jack DC 5V sử dụng điện áp qua cổng USB Module thu phát hồng ngoại sử dụng điện áp DC 5V module Wifi ESP8266 ESP-01 sử dụng điện áp DC 3.3V cấp thông qua module KIT PIC V2 38 3.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý module KIT PIC V2 Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý khối vi xử lý PIC16F877A 39 Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo gió đơn giản 3.4 Lập trình phần mềm Phần mềm thiết kế nhằm đảm bảo mục tiêu sau: - Chương trình hoạt động ổn định, xác thực đầy đủ chức - Phần mềm tạo khả giao tiếp với máy tính thiết bị khác Kích thước ngắn gọn Phần mềm phải có khả linh hoạt, mềm dẻo để dễ thay đổi, phát triển Phần mềm vi xử lý viết dạng ngôn ngữ C dùng phần mềm KeilC để biên dịch Phần mềm vi xử lý làm nhiệm vụ điều khiển vi xử lý hoạt động theo ý đồ người thiết kế Lưu đồ thuật tốn chương trình: Chương trình chính: bắt đầu 40 Khai báo biến Khởi tạo cho ESP Ngắt RDA Cấu hình UART Khởi động UART,ESP TIMER Tocdo=(Tanso/4)*0.05 Đ Dem=170 ESP gửi liệu lên ThingSpeak Ngắt ngồi RB0: Temp=0 Có tín hiệu chân B0 S Temp++ Ngắt Timer: count =0, dem =0 41 guidulieulent Hiển thị dem++ led hinkspeak set timer1 count = 49911 ++ Đ S S dem=2 count =40 Đ Ketnoivoi Thinkspeak tan so = temp S dem =150 count =0 Đ temp =0 S dem =320 Đ dem=0 S dem