Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) đƣợc sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của vi điều khiển. LCD cĩ rất nhiều ƣu điểm so với các dạng hiển thị khác: Nĩ cĩ khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đƣa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ.
Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thơng khơng dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp‖
42
Chức năng của LCD trong hầu hết các mạch, các bộ điều khiển đảm nhận vai trị hiển thị các thơng số, các thơng tin mà chúng ta muốn nhập vào hay các thơng tin xử lý mà bộ điều khiển đang hoạt động đƣợc hiển thị ra màn hình, giúp chúng ta giao tiếp gần hơn với quá trình hoạt động của hệ thống. Loại LCD mà chúng ta sử dụng là loại LCD16x2, cĩ 16 chân nhƣ hình vẽ ở dƣới. Trong đĩ chúng ta cĩ thể thấy 2 chân 1, 2 đƣợc cấp nguồn cho LCD hoạt động, chân thứ 3 (chân VEE) đƣợc nối vào đầu ra của biến trở dùng để điều chỉnh độ tƣơng phản (phải điều chỉnh VEE hợp lý thì LCD mới hiển thị đƣợc) 2 chân 15,16 đây là 2 chân cấp nguồn dùng để bật đèn của LCD từ chân 4 đến chân 14 là các chân điều khiển đƣợc nối với vi điều khiển, các chân 4,5,6 đƣợc để điều khiển hoạt động của LCD, các chân cịn lại là 8 bit dữ liệu dùng để truyền nhận dữ liệu. Chúng ta cĩ thể giao tiếp dữ liệu 8 bit hoặc 4 bit nhƣ trong mạch của chúng ta truyền dữ liệu dƣới dạng 4 bit.
Hình 3.9. Sơ đồ chân của LCD
Bảng 3.5. Chức năng các chân của LCD
Chân Ký hiệu Mơ tả
1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển
2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển
Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thơng khơng dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp‖
43
3 VEE Điều chỉnh độ tƣơng phản của LCD.
4 RS Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic ―0‖ (GND) hoặc logic ―1‖ (VCC) để chọn thanh ghi.
+ Logic ―0‖: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ ―ghi‖ - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ ―đọc‖ - read)
+ Logic ―1‖: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD.
5 R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với logic ―0‖ để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic ―1‖ để LCD ở chế độ đọc.
6 E Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu đƣợc đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ đƣợc chấp nhận khi cĩ 1 xung cho phép của chân E.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ đƣợc LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nĩ khi phát hiện một xung (high-to- low transition) của tín hiệu chân E.
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ đƣợc LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và đƣợc LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.
7 - 14 DB0 - DB7
Tám đƣờng của bus dữ liệu dùng để trao đổi thơng tin với MPU. Cĩ 2 chế độ sử dụng 8 đƣờng bus này :
+ Chế độ 8 bit: Dữ liệu đƣợc truyền trên cả 8 đƣờng, với bit MSB là bit DB7.
+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu đƣợc truyền trên 4 đƣờng từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7
15 - Nguồn dƣơng cho đèn nền
Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thơng khơng dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp‖
44
3.3.1.4 Mơ tả các chân PL2303
PL-2303HX cung cấp một giải pháp tiện lợi cho việc kết nối một thiết bị nối tiếp khơng đồng bộ song cơng RS232 giống nhƣ với bất kỳ máy chủ cĩ khả năng kết nối bằng cổng Universal Serial Bus (USB). Bộ điều khiển tƣơng thích cao PL- 2303HX cĩ thể mơ phỏng các cổng COM truyền thống trên hầu hết các hệ điều hành cho phép các ứng dụng hiện cĩ dựa trên cổng COM để dễ dàng di chuyển và cĩ thể đƣợc làm bằng USB đã sẵn sàng.
Bằng cách nắm bắt lợi thế khối USB chuyển số lƣợng lớn, bộ đệm dữ liệu lớn, và kiểm sốt dịng chảy tự động, PL-2303HX là khả năng đạt đƣợc thơng lƣợng cao hơn so với truyền thống UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) cảng. Khi tín hiệu RS232 thực sự là khơng cần thiết, tốc độ truyền cao hơn 115.200 bps cĩ thể đƣợc sử dụng cho hiệu suất cao hơn. Việc tạo tốc độ baud linh hoạt của PL-2303HX cĩ thể đƣợc lập trình để tạo ra bất kỳ tỷ lệ giữa 75 bps và 6M bps. PL-2303HX đƣợc thiết kế dành riêng cho các giải pháp di động và nhúng, cung cấp một dấu chân nhỏ cĩ thể dễ dàng phù hợp vào bất kỳ kết nối và các thiết bị cầm tay. Với mức tiêu thụ năng lƣợng rất nhỏ trong cả hai chế độ hoạt động hoặc đình chỉ, PL-2303HX là hồn hảo cho đƣờng truyền hỗ trợ hoạt động với nhiều quyền lực lại cho các thiết bị kèm theo. Linh hoạt yêu cầu cấp tín hiệu về phía cổng nối tiếp RS232-nhƣ cũng cho phép PL-2303HX để kết nối trực tiếp đến bất kỳ thiết bị trong phạm vi 1,8V ~ 3,3V.
Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thơng khơng dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp‖
45
Hình 3.10. Ký hiệu các chân PL2303 Bảng 3.6. Chức năng các chân của PL2303
Chân Ký hiệu Kiểu Mơ tả
1 TXD O Cổng nối tiếp truyền nhận dự liệu
2 DTR_N O Cổng nối tiếp sẵn sàng đầu cuối dữ liệu
3 RTS_N O Cổng nối tiếp yêu cầu gửi
4 VDD_325 P
RS232 VDD. Chân nguồn cho tín hiệu cổng nối tiếp. Khi cổng nối tiếp là 3,3V thì chân này là 3.3V. Khi cổng nối tiếp là 2,5V thì chân này là 2,5V.
5 RXD I Cổng nối tiếp nhận dữ liệu
6 RI_N I/O Cổng nối tiếp chỉ thị vịng
7 GND P Nối đất
Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thơng khơng dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp‖
46
9 DSR_N I/O Cổng nối tiếp sẵn sàng cài đặt dữ liệu 10 DCD_N I/O Cổng nối tiếp dị sĩng mang dữ liệu 11 CTS_N I/O Cổng nối tiếp xĩa lệnh gửi
12 SHTS_N O RS232 kiểm sốt việc đĩng thu phát 13 EE_CLK I/O Bộ định thời EEPROM nối tiếp 2 dây 14 EE_DATA I/O Dữ liệu EEPROM nối tiếp 2 dây
15 DP I/O Tín hiệu D+ cổng USB
16 DM I/O Tín hiệu D- cổng USB
17 VO_33 P Đầu ra nguồn điều chỉnh 3,3V
18 GND P Nối đất
19 NC Khơng kết nối
20 VDD_5 P VBUS cổng USB, 5V
21 GND P Nối đất
22 GP0 I/O Chân 0 đa năng
23 GP1 I/O Chân 1 đa năng
24 NC Khơng kết nối
25 GND_A P Nối đất tƣơng tự cho PLL
26 PLL_TEST I Điều khiển chế độ test PLL
27 OSC1 I Đầu vào bộ dao động thạch anh
28 OSC2 I/O Đầu ra bộ dao động thạch anh
Một số các thiết bị đo, transmitter đƣợc sử dụng trong trạm xử lý nƣớc thải đƣợc học viên nghiên cứu tìm hiểu đƣợc thể hiện trong Phụ lục 2
3.3.2 Thiết kế phần mềm
Lựa chọn phần mềm lập trình vitual studio 2013: đây là phần mềm đƣợc sử dụng rất rộng rãi bởi nĩ đƣợc xây dựng trên nền ngơn ngữ lập trình C, phần mềm
Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thơng khơng dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp‖
47
đƣợc viết chuyên nghiệp hƣớng tới ngƣời sử dụng bởi sự đơn giản, sự hỗ trợ cao các thƣ viện cĩ sẵn.
Thiết lập cổng vào ra của AVR:
- Khi xem xét đến các cổng I/O của AVR thì ta phải xét tới 3 thanh ghi bit DDxn, PORTxn, PINxn.
- Các bit DDxn để truy cập cho địa chỉ xuất nhập DDRx. Bit DDxn trong thanh ghi DDRx dùng để điều khiển hƣớng dữ liệu của các chân của cổng này. Khi ghi giá trị logic ‗0‘ vào bất kì bit nào của thanh ghi này thì nĩ sẽ trở thành lối vào, cịn ghi ‗1‘ vào bit đĩ thì nĩ trở thành lối ra.
- Các bit PORTxn để truy cập tại địa chỉ xuất nhập PORTx. Khi PORTx đƣợc ghi giá trị 1 khi các chân cĩ cấu tạo nhƣ cổng ra thì điện trở kéo là chủ động (đƣợc nối với cổng). Ngắt điện trở kéo ra, PORTx đƣợc ghi giá trị 0 hoặc các chân cĩ dạng nhƣ cổng ra. Các chân của cổng là 3 trạng thái khi 1 điều kiện reset là tích cực thậm chí xung đồng hồ khơng hoạt động.
- Các bit PINxn để truy cập tại địa chỉ xuất nhập PINx, PINx là các cổng chỉ để đọc, các cổng này cĩ thể đọc trạng thái logic của PORTx. PINx khơng phải là thanh ghi, việc đọc PINx cho phép ta đọc giá trị logic trên các chân của PORTx chú ý PINx khơng phải là thanh ghi, việc đọc PINx cho phép ta đọc giá trị logic trên các chân của PORTx. Nếu PORTxn đƣợc ghi giá trị logic ‗1‘ khi các chân của cổng cĩ dạng nhƣ chân ra, các chân cĩ giá trị ‗1‘. Nếu PORTxn ghi giá trị ‗0‘ khi các chân của cổng cĩ dạng nhƣ chân ra thì các chân đĩ cĩ giá trị ‗0‘. Các cổng của AVR đều cĩ thể đọc, ghi. Để thiết lập 1 cổng là cổng vào, ra thì ta tác động tới các bit DDxn, PORTxn, PINxn ta cĩ thể thiết lập để từng bit làm cổng vào, ra chứ khơng chỉ với cổng, nhƣ vậy ta cĩ thể xử lý tới từng bit, đây chính là điểm mạnh của các dịng vi điều khiển 8 bit.
Ta cĩ thể sử dụng CodeWizard AVR để thiết lập cho các PORTx và Pinx. Ví dụ nhƣ trên hình mạch phát: các bit của PORTB làm chân ra cĩ trở kéo, cịn các bit của PORTA làm chân vào. Khi đã thiết lập xong thì các bit của PORTB sẽ cĩ thể xuất dữ liệu ra cịn các bit của PORTA cĩ thể nhận dữ liệu vào.
Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thơng khơng dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp‖
48 Ví dụ:
Ta muốn ghi dữ liệu giá trị logic ‘0‘ ra PORTA.0 để bật tắt một Led thì: PORTA.0=1
Việc thiết lập cổng vào ra là một việc quan trọng vì tùy theo mục đích sử dụng các cổng nào làm cổng vào ra, thì ta phải thiết lập đúng thì mới cĩ thể sử dụng đƣợc. Chi tiết code của chƣơng trình điều khiển tham khảo phụ lục 1.
Lƣu đồ thuật tốn của Bộ thu thập hiện trƣờng truyền thơng qua RF đƣợc thể hiện trên Hình 3.11.
Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thơng khơng dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp‖
49
Lƣu đồ thuật tốn của truyền thơng RF cho Bộ thu thập trung tâm đƣợc thể hiện trên hình 3.12.
Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thơng khơng dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp‖
50
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 4.1. Phần cứng
Với các phân tích thiết kế ở trên, kết quả bƣớc đầu là các mạch phần cứng đã hoạt động đúng theo thiết kế. Mạch thu thập hiện trƣờng đƣợc thể hiện trên hình sau:
Hình 4.1. Phần cứng mạch thu thập hiện trƣờng khơng dây
Trong mạch thu thập này, tín hiệu từ cảm biến (tín hiệu tƣơng tự theo chuẩn) cĩ thể đƣợc kết nối vào mạch sau đĩ qua bộ ADC để chuyển thành số trƣớc khi đƣợc xử lý trên vi điều khiển và truyền khơng dây. Kết quả thu thập cũng đƣợc thể hiện trên màn hình LCD.
Mạch thu thập khơng dây cĩ nhiệm vụ thu nhận số liệu từ mạch thu thập trƣờng khơng dây để truyền tín hiệu lên máy tính. Kết quả mạch phần cứng của mạch này đƣợc thể hiện trên hình sau:
Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thơng khơng dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp‖
51
Hình4.2. Phần cứng mạch thu thập trung tâm khơng dây
Học viên cũng tiến hành thử nghiệm đầu vào giả lập với tín hiệu đo là PH và COD, các kết quả thu đƣợc hiển thị trên mình hình LCD trên mạch nhƣ hình sau:
Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thơng khơng dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp‖
52
Tƣơng tự nhƣ trên, các tín hiệu thu thập từ hiện trƣờng là DO và nhiệt độ cũng đƣợc thể hiện nhƣ hình sau:
Hình 4.4. Phần cứng bộ thu phát truyền nhận thơng số DO và nhiệt độ
4.2. Phần mềm
Phần mềm hệ thống cho phép hiển thị thơng số đo trên màn hình PC: Chức năng này giúp cho việc theo dõi, giám sát các thơng số chất lƣợng nƣớc, trạng thái thiết bị, sự cố một cách thuận tiện, dễ hiểu đối với ngƣời vận hành. Việc hiển thị đƣợc thiết kế hợp lý về màu sắc, bố trí các cửa sổ, kiểu thể hiện. Màu sắc khơng quá loè loẹt, dùng các gam màu dịu khơng gây mỏi mắt khi nhìn lâu. Cảnh báo, báo động bằng đổi màu để gây sự chú ý. Kiểu thể hiện đa dạng: kiểu số riêng biệt, kiểu đồ thị trực tuyến.
Số lƣợng thơng số chất lƣợng nƣớc cần đảm bảo đạt TCVN là vài chục (TCVN 5945:2005 cĩ khoảng 30 thơng số), tuy nhiên do trình độ cơng nghệ, do bản chất thơng số, do điều kiện kinh tế nhà máy khơng cho phép đo tức thời đƣợc tất cả các thơng số cần cho hệ thống điều khiển. Chỉ một vài thơng số nhƣ pH, T,
Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thơng khơng dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp‖
53
DO, COD, Turbidity(độ đục), amoni,... đƣợc đo và điều khiển tự động, các thơng số khác phải dùng máy phân tích, cĩ thơng số địi hỏi thời gian phân tích lâu nhƣ BOD5 cần tới 5 ngày. Mặt khác chất lƣợng nƣớc đầu vào nĩi chung là khơng ổn định, phụ thuộc vào thời gian, thời tiết, vào hoạt động của nhà máy do đĩ cần hiệu chỉnh lại tham số cơng nghệ là cần thiết.
Cảnh báo sự cố: gồm hai loại cảnh báo vƣợt ngƣỡng, phát hiện bằng cách so sánh giá trị thiết bị đo với ngƣỡng đặt trƣớc trong chƣơng trình và cảnh báo theo thiết bị khống chế dạng tiếp điểm, khi giá trị thơng số vƣợt ngƣỡng cảnh báo sớm hoặc thơng số vƣợt ngƣỡng báo động thì sẽ hiển thị cảnh báo và báo động trên màn hình hiển thị máy tính.Trong phần mềm cĩ các cảnh báo thơng số pH và COD.
Việc điều khiển xử lý nƣớc thải đƣợc tập trung vào một trung tâm điều khiển, từ đây cĩ thể theo dõi giám sát, điều khiển tồn bộ dây chuyền. Trung tâm cĩ thể đặt ngay bên cạnh cơng trình cần điều khiển hoặc ở vị trí cách xa cơng trình. Ngƣời vận hành tại trung tâm phải làm các nhiệm vụ sau:
Theo dõi, kiểm tra các thơng số về mặt chất lƣợng và số lƣợng của quá trình cơng nghệ.
Theo dõi các tín hiệu về trạng thái, chế độ làm việc của thiết bị, về cảnh báo, báo động.
Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thơng khơng dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp‖
54
Sau khi chạy phần mềm học viên thu đƣợc một số đồ thị trên máy tính nhận đƣợc từ bộ thu phát nhƣ sau:
Hình 4.5. Đồ thị nhiệt độ thơng qua mạch thu phát khơng dây
Đề tài: “Nghiên cứu về truyền thơng khơng dây RF ứng dụng cho hệ thống
SCADA trong xử lý nƣớc thải cơng nghiệp‖
55
Hình 4.7. Đồ thị COD thơng qua mạch thu phát khơng dây
Hình 4.8. Đồ thị DO thơng qua mạch thu phát khơng dây