Thiết kế hệ thống đo lường và giám sát mực chất lỏng từ xa thông qua hệ thống truyền thông với giao thức TCP

Khóa luận, đề tài, luận văn, báo cáo, chuyên đề

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ GIÁM SÁT MỰC CHẤT LỎNG TỪ XA THÔNG QUA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG VỚI GIAO THỨC TCP/IP Sinh viên thực hiện: LẠI DUY DÂN Lớp: 49K - ĐTVT Giảng viên hướng dẫn: ThS LÊ VĂN CHƯƠNG Cán phản biện: NGHỆ AN - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Số hiệu sinh viên: Ngành: Khoá: Giảng viên hướng dẫn:…………………………………………………………… Cán phản biện: Nội dung thiết kế tốt nghiệp: Nhận xét cán phản biện: Ngày tháng năm Cán phản biện ( Ký, ghi rõ họ tên ) LỜI NÓI ĐẦU Xu phát triển khoa học kỹ thuật nói chung ngành Điện tử, Tự động hóa nói riêng nghiên cứu, ứng dụng thành tựu công nghệ vi điện tử, vi xử lí nhằm tiến tới tự động hóa q trình công nghệ, nâng cao hiệu sản xuất chất lượng sản phẩm Các vi xử lí, vi điều khiển thơng minh với nhiều tính vượt trội, đáp ứng nhu cầu sản xuất công nghiệp hãng sản xuất đời ngày nhiều đem lại lựa chọn đa dạng cho người sử dụng Một ứng dụng vi xử lý, vi điều khiển thực việc tính tốn, xử lý số liệu tốn đo lường cơng nghiệp Xuất phát từ nhu cầu thực tế việc đo lường giám sát mực chất lỏng (mức nước, mức dòng chảy, mức nước thải, hóa dầu, hóa chất cơng nghiệp thực phẩm v.v.), tác giả định lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống đo lường giám sát mực chất lỏng từ xa thông qua hệ thống truyền thông với giao thức TCP/IP” Trong trình thực đề tài, tác giả cố gắng trình bày nội dung cách có hệ thống Song thời gian thực có hạn, điều kiện làm việc cịn nhiều hạn chế kinh nghiệm thân cịn nên chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận góp ý từ thầy giáo, cô giáo bạn để đề tài ngày hồn thiện Xin chân thành cảm ơn thầy, giáo khoa Điện tử Viễn thơng tận tình giảng dạy, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trình học tập nghiên cứu Xin cảm ơn phịng thí nghiệm thuộc dự án “Tăng cường lực nghiên cứu cho phịng thí nghiệm Điện - Điện tử” tạo điều kiện cho tác giả sử dụng thiết bị trình thực đề tài Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo ThS Lê Văn Chương - người tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tác giả hoàn thành đề tài NGƯỜI THỰC HIỆN Lại Duy Dân MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .7 DANH MỤC CÁC BẢNG .8 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT PHẦN I: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC TCP/IP 10 1.1 Mạng giao thức .10 1.1.1 Mạng (Mạng máy tính) 10 2.2.2 Giao thức TCP/IP .12 1.1.3 Cấu trúc gói tin TCP/IP q trình thiếp lập kết nối giao thức TCP/IP 20 1.2 Mạng cục LAN công nghệ Ethernet 28 1.2.1 Mạng cục LAN 28 1.2.2 Công nghệ Ethernet 29 1.3 Giới thiệu vi mạch Ethernet ENC28J60 37 1.3.1 ENC28J60 37 1.3.2 Giao tiếp thiết bị ngoại vi 39 1.3.3 Giới thiệu thư viện TCP/IP stack Microchip 43 1.4 Giao diện web 44 CHƯƠNG 2: VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F4620 47 2.1 Giới thiệu vi điều khiển .47 2.2 Vi điều khiển PIC 18F4620 48 2.2.1 Sơ đồ khối 49 2.2.2 Nguồn dao động 50 2.2.3 Cấu trúc nhớ PIC18F4620 51 2.2.3 Sử dụng giao tiếp SPI 52 2.3 Phần mềm lập trình biên dịch CSS 55 2.3.1 Tổng quan CCS .55 2.3.2 Giới thiệu CCS 55 2.3.3 Tạo PROJECT CCS 56 CHƯƠNG 3: ĐO KHOẢNG CÁCH BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM .60 3.1 Cảm biến siêu âm nguyên tắc TOF 60 3.2 Cảm biến siêu âm SFR05 64 3.2.1 Các chế độ hoạt động: 65 PHẦN II: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ GIÁM SÁTMỰC CHẤT LỎNG TỪ XA THÔNG QUA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG VỚI GIAO THỨC TCP/IP 68 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG 68 4.1 Sơ đồ khối hệ thống 68 4.2 Phân tích thiết kế hệ thống 69 4.2.1 Khối giao tiếp mạng 69 4.2.2 Khối vi điều khiển 71 4.2.3 Khối nguồn 72 4.2.4 Khối cảm biến 72 4.2.5 Khối hiển thị 73 4.2.6 Khối giao tiếp máy tính 74 4.2.7 Khối ngoại vi 75 CHƯƠNG 5: LẬP TRÌNH PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 77 5.1 Mô hình hệ thống điều khiển giám sát từ xa .77 5.2 Lưu đồ thuật tốn chương trình 78 KẾT LUẬN 81 6.1 Các vấn đề thực được: 81 6.2 Tự đánh giá: 81 6.3 Kiến nghị hướng phát triển đề tài: 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC 84 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Nội dung đồ án bao gồm hai phần: Phần 1: Trong phần tác giả thực nghiên cứu về: - Bộ giao thức TCP/IP cấu trúc, nguyên tắc hoạt động; mạng LAN công nghệ Ethernet; kỹ thuật phương pháp truyền dẫn - Cấu trúc vi điều khiển PIC18F4620 trình biên dịch CCS - Vi mạch ENC28J60 với ứng dụng truyền thông Ethernet - Nguyên tắc đo khoảng cách sóng siêu âm cảm biến siêu âm SFR05 Phần 2: Trong phần tác giả phân tích thiết kế cấu trúc hệ thống, chức năng, nhiệm vụ thành phần hệ thống Thiết kế phần cứng phần mềm cho hệ thống đo lường giám sát mực chất lỏng từ xa thông qua giao thức TCP/IP Tiến hành thử nghiệm đánh giá hệ thống thiết kế ABSTRACT This thesis consists of two the part: Part 1: In this part the author conducted research on: - The protocols TCP/IP as the structure and principles of operation; LAN network and Ethernet technologies; transmission techniques and transmission methods - The structure microcontroller PIC18F4620 and program compile CCS - Microchip ENC28J60 with applications in transmission Ethernet - Principle of measuring distance by ultrasonic wave and ultrasonic sensors SFR05 Part 2: In this part the author analyzes and designs the system structure, functions and tasks of the components in the system Design hardware and software for system measurement and monitoring of liquid level remotely via protocols TCP/ IP Conduct test and evaluation system was designed DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Truyền thơng qua mạng máy tính Hình 1.2: Mơ hình tổng qt mạng Internet .3 Hình 1.3: Kết nối mạng LAN Hình 1.4: Kiến trúc giao thức TCP/IP Hình 1.5: Cấu trúc gói liệu TCP/IP 11 Hình 1.6: Tổ chức địa IP 11 Hình 1.7: Mạng mặt nạ mạng 12 Hình 1.8: Cấu trúc gói tin IP 13 Hình 1.9: Cấu trúc gói tin TCP 15 Hình 1.10: Thiết lập kết nối TCP 17 Hình 1.11: Kết thúc kết nối TCP 19 Hình 1.12: Cấu trúc mạng hình 20 Hình 1.13: Cấu trúc mạng dạng BUS 20 Hình 1.14: Cấu trúc mạng dạng vòng 20 Hình 1.15: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet 24 Hình 1.16: Minh họa phương pháp CSMA/CD 26 Hình 1.17: Sơ đồ chân chip ENC28J60 28 Hình 1.18: Sơ đồ khối chíp ENC28J60 29 Hình 1.19: Bộ tạo dao động ENC28J60 29 Hình 1.20: Giao diện kết nối SPI với ENC28J60 31 Hình 1.21: Quá trình đọc ghi điều khiển Ethernet 32 Hình 1.22: Quá trình đọc ghi điều khiển MAC 33 Hình 1.23: Quá trình ghi vào ghi lệnh 33 Hình 1.24: Quá trình ghi vào đệm lệnh 33 Hình 1.25: Quá trình ghi vào lệnh hệ thống 33 Hình 2.1: Sơ đồ chân PIC 18F4620 .39 Hình 2.2: Sơ đồ khối PIC 18F4620 41 Hình 2.3: Bộ nhớ chương trình PIC 18F4620 42 Hình 2.4: Giao diện kết nối giao tiếp SPI .44 Hình 2.5: Các chế độ hoạt động SPI 45 Hình 2.6: Project CCS 47 Hình 3.1: Nguyên lý Time Of Flight 51 Hình 3.2: Tầm quét cảm biến siêu âm 52 Hình 3.3: Các vùng ghi nhận từ cảm biến Siêu âm 54 Hình 3.4: Ví dụ tính tốn thơng số cảm biến 54 Hình 3.5: Kết nối SFR05 chế độ 56 Hình 3.6: Giản đồ xung SFR05 chế độ 56 Hình 3.7: Kết nối SFR05 chế độ 57 Hình 3.8: Giản đồ xung SFR05 chế độ 57 Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống .60 Hình 4.2: Lưu thuật toán nhận liệu từ ENC28J60 61 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp mạng 61 Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển 62 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 63 Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 64 Hình 4.7: So sánh UART RS232 .65 Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp máy tính 65 Hình 5.1: Mơ hình hệ thống điều khiển giám sát từ xa .68 Hình 5.2: Lưu đồ thuật tốn chương trình 69 Hình 5.3: Lưu đồ thuật tốn chương trình đo khoảng cách 71 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Một số loại cáp truyền Ethernet thông dụng 22 Bảng 1.2: Tập lệnh điều khiển ENC28J60 32 Bảng 1.3: Các module thư viện TCP/IP Stack 35 Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật PIC 18F4620 .40 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ARP ARPA CSMA/CD DHCP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa Advanced Reseach Projecs Agency Cơ quan nghiên dự án nâng cao Carrier Sense Multiple Access with Truy cập nhận biết sóng mang Collision Avoidance Dynamic Host Configuration DNS Protocol Domain Name System ICMP Internet Control Message Protocol IP LAN Internet Protocol Local Area Network MAC Medium Access Control NIC Network Information Centre Reverse Address Resolution RARP SCTP SNMP Protocol Stream Control Transmission Protocol Simple Network Management Protocol SPI Serial Peripheral Interface STMP Simple Mail Transfer Protocol TCP Transmission Control Protocol TOF Time Of Flight UDP User Datagram Protocol WAN Phát xung đột Giao thức cấu hình động máy chủ Hệ thống tên miền Giao thức điều khiển truyền tin mạng Giao thức liên mạng Mạng cục Điều khiển truy nhập môi trường mạng Card mạng Giao thức phân giải ngược địa Giao thức điều khiển dòng truyền dẫn Giao thức quản trị mạng Giao diện nối tiếp với thiết bị ngoại vi Giao thức truyền tải thư từ Giao thức điều khiển truyền thơng Thời gian truyền sóng Giao thức truyền nhận liệu Wide Area Networks PHẦN I: dạng gói tin Mạng diện rộng LÝ THUYẾT TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC TCP/IP Chương sâu tìm hiểu mạng cơng nghệ Ethernet, giao thức TCP/IP Tìm hiểu vi mạch Ethernet ENC28J26 hoạt động với chuẩn giao tiếp SPI 10 ... PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG VÀ GIÁM SÁTMỰC CHẤT LỎNG TỪ XA THÔNG QUA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG VỚI GIAO THỨC TCP/ IP 68 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG 68 4.1... tài ? ?Thiết kế hệ thống đo lường giám sát mực chất lỏng từ xa thông qua hệ thống truyền thông với giao thức TCP/ IP” Trong trình thực đề tài, tác giả cố gắng trình bày nội dung cách có hệ thống. .. thành phần hệ thống Thiết kế phần cứng phần mềm cho hệ thống đo lường giám sát mực chất lỏng từ xa thông qua giao thức TCP/ IP Tiến hành thử nghiệm đánh giá hệ thống thiết kế ABSTRACT This thesis