đây là chuẩn ựược dùng phổ biến nhất trong hệ thống thông tin công nghiệp, ựặc ựiểm cơ bản của RS485 là:
- Hoạt ựông dựa trên phương thức truyền ựối xứng. - Cho phép kết nối nhiều ựiểm trên cùng ựường Bus. - Khoảng cách truyền cực ựại là 1200m.
- Tốc ựộ dữ liệu cực ựại là 10Mb/s.
- Cho phép tới 32 trạm thu phát trên cùng ựường truyền
Bảng 2.2. Thông số cơ bản của RS485
Thông số điều kiện Tối thiểu Tối ựa
điện áp ựầu ra hở mạch ổ1,5V ổ6V
điện áp ựầu ra khi có tải RLOAD = 54Ω ổ1,5V ổ5V
Dòng ra ngắn mạch ổ250mA
Thời gian quá ựộ ựầu ra RLOAD = 54Ω CLOAD = 54pF
30% Tb*
điện áp chế ựộ chung ựầu ra Voc RLOAD = 54Ω -1V 3V
độ nhậy cảm ựầu vào -7V≤VCM≥12V ổ200mV
điện áp chế ựộ chung VCM -7V 12V
Trở kháng ựầu vào 12kΩ
Tb thời gian bit
VOC (Output Common Mode Voltage) ựược xác ựịnh bằng chênh lệch từ ựiểm giữa của tải ựầu ra so sánh với ựất của bộ kắch thắch.
VCM (Common Mode Voltage), ựược tắnh bằng giá trị trung bình của ựiện áp hai dâỵ
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 37
Hình 2.26. Quy ựịnh về mức logic trong RS485
Mức ựiện áp từ -1.5V ọ +1.5V không ựược ựịnh nghĩa nó là khoảng ựể chuyển trạng thái các mức logic. Khoảng ựiện áp cho phép từ -6V ọ +6V. Khi tăng số lượng các trạm truyền thông thì tốc ựộ truyền vì các trạm có trở kháng lớn sẽ hoạt ựộng chậm hơn.
RS485 là chuẩn duy nhất do EIA ựưa ra có khả năng kết nối nhiều ựiểm trên một dây duy nhất gọi là Bus. Vì vậy nó ựược dùng làm chuẩn cho lớp vật lắ của ựa số các hệ thống Bus hiện thờị
Cấu hình phổ biến cho truyền tắn hiệu là sử dụng hai dây dẫn, minh hoạ trên hình saụ Trong cấu hình này hệ thống làm việc ở chế ựộ bán song công (Half - duplex) các trạm có quyền truy nhập bình ựẳng trên Bus
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 38
Hình 2.28. Cấu hình RS485 5 dây
RS485 không phải là chuẩn hoàn chỉnh, nó chỉ là một chuẩn về ựặc tắnh ựiện học nên nó không ựưa ra các quy ựịnh cho cáp nối cũng như các bộ nối, có thể dùng cáp trơn, cáp ựôi dây xoắn hoặc các loại cáp khác. Tuy nhiên cáp ựôi dây xoắn ựược sử dụng nhiều nhờ khả năng chống nhiễu xuyên âm, và tạp nhiễụ Ngoài ra ựể tăng hiệu suất khi truyền người ta có thể sử dụng chuẩn RS485 5 dây
để tăng số lượng các trạm trong cấu hình mạng và truyền số liệu ựi xa cần thiết phải xử dụng các bộ lặp. Các bộ chuyển ựổi giao diện nối tiếp: Hiện nay rất nhiều các thiết bị công nghiệp xử dụng chuẩn RS232, ựể chúng có thể giao tiếp với các thiết bị có cổng truyền thông RS422 hay RS485 thì cần thiết phải có các bộ chuyển ựổi giao diện nối tiếp.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 39
Chương 3. Thiết kế và thực thi hệ thống 3.1. Mô hình hệ thống ựiều khiển nhiệt ựộ, ựộ ẩm
Sơ ựồ khối hệ thống kết nối mạng RS485 theo phương pháp truy cập ựường truyền Master/Slave như hình 3.1
Hình 3.1. Sơ ựồ khối của hệ thống
Hệ thống gồm máy tắnh với giao diện giám sát ựóng vai trò là Master và các trạm ựo ựóng vai trò là Slavẹ Các Slave kết nối với Master theo chuẩn RS485. Trong giới hạn của ựề tài chúng tôi tắch hợp hai trạm ựo trong hệ thống.
Sơ ựồ khối mô hình ựiều khiển nhiệt ựộ, ựộ ẩm của một Slave như hình 3.2.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 40
Hình 3.2. Sơ ựồ khối mô hình ựiều khiển nhiệt ựộ, ựộ ẩm
Mạch ựo gồm sensor nhận tắn hiệu vào là nhiệt ựộ, ựộ ẩm. Sau ựó qua khâu chuyển ựổi tương tự sang số và ựưa vào bộ ựiều khiển. Bộ ựiều khiển sẽ tắnh toán và ựưa tắn hiệu ựiều khiển ra cơ cấu chấp hành (CH) là một rơle ựiều khiển On/Off. Bộ ựiều khiển còn có thể hiển thị giá trị ựo ra LCD và có thể kết nối với máy tắnh theo chuẩn RS485. Bộ ựiều khiển có thể nhận giá trị ựặt truyền từ máy tắnh. đối tượng ựiều khiển là quạt hút gió ựể ựiều khiển nhiệt ựộ, ựộ ẩm trong khọ
3.1.1. Bộ ựiều khiển
Bộ ựiều khiển chúng tôi sử dụng vi ựiều khiển AVR ATmega16, là sản phẩm do công ty Atmel (Na Uy) sản xuất. ATmega16 là một vi ựiều khiển CMOS 8 bit công suất thấp dựa trên kiến trúc RISC. Bằng việc thực hiện ựa số các lệnh trong một chu ký xung nhịp ựơn, ATmega16 ựạt ựược tốc ựộ một triệu phép tắnh trong một giây với tần số 1 MHz. Vi ựiều khiển này cho phép người thiết kế có thể tối ưu hóa mức ựộ tiêu thụ năng lượng mà vẫn ựảm bảo tốc ựộ xử lý.
Hình 3.3. Sơ ựồ chi tiết chân vi ựiều khiển ATmega16
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 41
- Vi ựiều khiển AVR 8-bit, tiêu thụ ựiện năng thấp, tốc ựộ thực hiện nhanh.
- Sử dụng kiến trúc RISC :
+ 130 lệnh, ựa số ựược thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp + 32 thanh ghi 8-bit làm việc ựa năng
+ Tốc ựộ xử lý lên tới 16 triệu lệnh trên giây với tần số 16 MHz - Bộ nhớ chương trình và dữ liệu sử dụng công nghệ "nonvolatile"
+ Bộ nhớ Flash 8 Kbyte In-System Programmable (lập trình ngay trên hệ thống) với khả năng Read-While-Write, và cho phép 10.000 chu kỳ viết/xóa
+ 512 Byte EEPROM, cho phép 100.000 chu kỳ viết/xóa + 512 Byte SRAM trong
+ Có các bit "Programming Lock" cho phép bảo mật chương trình phần mềm
+ Bộ nhớ ngoài có thể lên tới 64 Kbyte - Các ựặc ựiểm ngoại vi :
+ Có hai Timer/Counter 8-bit có bộ chia tần (prescaler) và chế ựộ so sánh (compare mode)
+ Có một Timer/Counter 16-bit có bộ chia tần (prescaler), chế ựộ so sánh (compare mode) và chế ựộ "capture mode"
+ Real Time Counter với bộ tạo dao ựộng riêng + Bốn kênh ựiều chế ựộ rộng xung PWM
+ ADC 10-bit, 8 kênh :
+ Chuẩn giao tiếp nối tiếp TWI (Two-wire Serial Interface)
+ Bộ truyền nhận nối tiếp ựồng bộ-không ựồng bộ ựa hợp (USART) có khả năng lập trình ựược
+ Chuẩn giao tiếp nối tiếp SPI
+ Bộ ựịnh thời Watchdog Timer lập trình ựược với bộ tạo xung on-chip riêng
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 42
+ Bộ so sánh analog tắch hợp trên chip - Có các nguồn ngắt ngoài và trong - Có mạch phát hiện sự sụt áp
- Có bộ dao ựộng RC tắch hợp trên chip
- Có 6 chế ựộ Sleep: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power- down, Standby và Extended Standby
- điện áp hoạt ựộng: 2,7 - 5,5V - Tần số hoạt ựộng: 0 - 16Mhz
3.1.2. Thiết bị ựo
Thiết bị ựo chúng tôi sử dụng cảm biến nhiệt ựộ ựộ ẩm SHT1x
SHT1x là một chip có sensor ựo nhiệt ựộ, ựộ ẩm tương ựối, ựiểm sương và có cả phần chuyển ựổi ra giá trị số ựã ựược chuẩn ựịnh. Nhiệt ựộ có ựộ phân giải 14 bits, ựộ ẩm 12 bits. Kết quả module cho tắn hiệu chất lượng cao, thời gian trả lời nhanh, không bị ảnh hưởng nhiễu và có giá cả cạnh tranh. Từng chip SHTxx ựã ựược chuẩn ựịnh trong buồng có ựộ ẩm xác ựịnh với việc làm lạnh ựo bằng máy ựo ựộ ẩm làm chuẩn. Các hệ số ựược lập trình vào bộ nhớ. Các hệ số này ựã ựược sử dụng trong quá trình ựo ựể chuẩn ựịnh tắn hiệu từ sensor. Mạch phối ghép nối tiếp 2 dây và việc hiệu chỉnh thế hiệu bên trong cho phép tắch hợp hệ thống dễ dàng và nhanh chóng. Kắch thước nhỏ và công suất nuôi thấp, giá cả cạnh tranh, nên nó thường ựược lựa chọn cho phần lớn các ứng dụng.
Hình 3.4. Chip SHT1x
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 43
Hình 3.5. Sơ ựồ khối cấu trúc chip SHT1x
Hoạt ựộng của chip SHT1x
Hình 3.6. Sơ ựồ nguyên lý hoạt ựộng của chip SHT1x
Chip SHT1x gửi số liệu khi uC phát lệnh và tắn hiệu ựồng hồ nối tiếp SCK. Quá trình truyền này ựược khởi ựộng bằng một trình tự gọi là "Transmission Start" theo sơ ựồ hình 3.7:
Hình 3.7. Trình tự "Transmission Start"
Nếu quá trình truyền bị ựứt thì phải khởi ựộng lại, quá trình như hình 3.8:
Hình 3.8. Trình tự khởi ựộng lại kết nối
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 44
Bảng 3.1. Danh sách mã lệnh của SHT1x
Sau khi phát lệnh, SHT1x gửi số liệu về cho uC trên ựường Datạ Số liệu vẫn ựược ựồng bộ bằng tắn hiệu SCK do uC phát. Nhiệt ựộ 14 bits, ựộ ẩm 12 bits.
Chuyển ựổi giá trị ựo ra giá trị vật lý: - độ ẩm tương ựối: Áp dụng công thức: 2 3 2 1 . RH . RH linear c c SO c SO RH = + + (3.1)
với các chỉ số c1,c2,c3 tra trong bảng 3.2:
Bảng 3.2. Hệ số chuyển ựổi ựộ ẩm SORH c1 c2 c3 12 bit -4 0.0405 -2.8*10-6 8 bit -4 0.648 -7.2*10-4 Công thức tắnh ựộ ẩm có bù nhiệt ựộ: linear RH C true T t t SO RH RH = ( o −25).( 1+ 2. )+ (3.2)
với các hệ số tra trong bảng 3.3:
Bảng 3.3. Hệ số chuyển ựổi nhiệt ựộ
SORH t1 t2
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 45
8 bit 0.01 0.00128 - Nhiệt ựộ:
Áp dụng công thức chuyển ựổi từ giá trị ựo ra nhiệt ựộ:
T SO d d e Temperatur = 1 + 2. (3.3) các hệ số tra trong bảng 3.4:
Bảng 3.4. Hệ số chuyển ựổi nhiệt ựộ của ựộ ẩm
VĐ d1[0C] d1[0F] 5V -40.00 -40.00 4V -39.75 -39.5 3.5V -39.66 -39.35 3V -39.6 -39.28 2.5V -39.55 -39.23 SOT d2[0C] d2[0F] 14 bit 0.01 0.018 12 bit 0.04 0.072 3.2. Thiết kế và thực thi phần cứng
Trong luận văn này chúng tôi sử dụng phần mềm Altium Designer ựể thiết kế mạch nguyên lý và mạch in của bộ ựiều khiển. Altium Designer, phiên bản trước kia có tên gọi quen thuộc là Protel DXF, là một trong những công cụ vẽ mạch điện tử mạnh nhất hiện naỵ được phát triển bởi hãng Altium Limited, Altium Designer mang lại cho người dùng một môi trường làm việc hết sức chuyên nghiệp. Phần cứng của hệ thống gồm có các khối sau:
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 46
3.2.1. Khối nguồn
Hình 3.9. Sơ ựồ nguyên lý khối nguồn
Trong khối nguồn này chúng tôi sử dụng IC tạo nguồn ổn áp chuẩn dương 7805. đây là IC tự chỉnh ựịnh ựể tạo ra nguồn áp chuẩn dương +5V cung cấp cho mạch vi ựiều khiển.
Hình 3.10 là sơ ựồ IC 7805. Chân 1 nối mass, chân 2 là ngõ vào của áp nguồn, chân 3 là ngõ ra +5V ựể cấp ựiện cho vi ựiều khiển và các linh kiện ựiện tử khác.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 47
3.2.2. Khối vi ựiều khiển trung tâm
Hình 3.11. Sơ ựồ nguyên lý khối vi ựiều khiển trung tâm
Khối vi ựiều khiển trung tâm có nhiệm vụ ựiều khiển toàn bộ hoạt ựộng của hệ thống, nhận thông tin từ cảm biến và giao tiếp với máy tắnh.
- Khối kết nối vi ựiều khiển với mạch nạp:
Hình 3.12. Sơ ựồ nguyên lý kết nối vi ựiều khiển với mạch nạp
để nạp chương trình cho vi ựiều khiển trong ựề tài chúng tôi dùng mạch nạp AVR910 USB có sơ ựồ nguyên lý như hình 3.13
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 48
Hình 3.13. Sơ ựồ nguyên lý mạch nạp AVR910 USB
- Khối truyền tắn hiệu ựiều khiển quạt
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 49
3.2.3. Khối hiển thị LCD
Hình 3.15. Sơ ựồ nguyên lý khối hiển thị
LCD làm việc chế ựộ 8 bits ghép nối Port C của vi ựiều khiển trung tâm
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 50
Hình 3.16. Sơ ựồ nguyên lý khối chuyển ựổi tắn hiệu UART - RS485
3.2.5. Mạch chuyển ựổi RS232/RS485
Hình 3.17. Sơ ựồ nguyên lý chuyển ựổi RS232/RS485
- IC Max 232:
Max 232 dùng ựể chuyển tắn hiệu logic +5V của vi ựiều khiển sang tắn hiệu của chuẩn truyền thông RS232 và truyền ựi trên ựường dây RS232.
Hình 3.18. Sơ ựồ chân của IC Max232
Max 232 gồm có 2 bộ phát chuyển ựổi tắn hiệu TTL ngõ vào thành tắn hiệu RS 232 ngõ ra và có 2 bộ thu nhận tắn hiệu RS232 ngõ vào và chuyển ựổi thành tắn hiệu CMOS tương ứng ngõ rạ
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 51
Thật ra ựây ựơn thuần chỉ là 1 bộ chuyển ựổi từ tắn hiệu của chuẩn giao tiếp RS232 sang tắn hiệu của chuẩn giao tiếp RS485 ựể có thể truyền tắn hiệu ựi trên ựường dây RS485 và từ ựó có thể truyền tắn hiệu ựi xa và nhanh ựược.
Hình 3.19. Sơ ựồ chân của IC Max485
Max 485 gồm bộ lái và bộ thu, tắn hiệu vào bộ lái D logic TTL ựổi thành 2 tắn hiệu A và B , khi tắn hiệu ựiều khiển DE mức thấp thì 2 chân AB cách ly với vi mạch. Tắn hiệu vào bộ thu là A và B , tắn hiệu ra R logic TTL tùy thuộc hiệu ựiện áp giữa A và B , khi RE logic 1 thì R cách ly với vi mạch.
Mạng RS485 làm việc theo chế ựộ Master-Slave, Master cho DE mức 1 ựể truyền dữ liệu, còn các Slave có DE=0, RE=0 chờ nhận dữ liệụ Khi Master muốn nhận dữ liệu thì DE=0, RE=0 còn Slave phát sẽ có DE=1, RE=1. Ta ựiều khiển các ựường DE, RE bằng tắn hiệu RTS hay mạch ựịnh thì.
3.2.6. Mạch ựiều khiển On/Off
Hình 3.20. Sơ ựồ nguyên lý mạch rơle ựiều khiển On/Off
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 52
3.2.7. Hình ảnh mạch ựiện tử sau khi hoàn thành
Hình 3.21. Bộ ựiều khiển và ựầu ựo nhiệt ựộ, ựộ ẩm
3.3. Thiết kế phần mềm
3.3.1. Truyền thông nối tiếp không ựồng bộ với AVR (UART)
Thuật ngữ USART trong tiếng anh là viết tắt của cụm từ: Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and Transmitter, nghĩa là bộ truyền nhận nối tiếp ựồng bộ và không ựồng bộ
Vi ựiều khiển Atmega16 có 1 module truyền thông nối tiếp USART. Có 3 chân chắnh liên quan ựến module này ựó là chân xung nhịp - XCK (chân số 1), chân truyền dữ liệu - TxD (Transmitted Data) và chân nhận dữ liệu - RxD (Reveived Data). Trong ựó chân XCK chỉ ựược sử dụng như là chân phát hoặc nhận xung giữ nhịp trong chế ựộ truyền ựộng bộ. Tuy nhiên trong luận văn này
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 53
chúng tôi không khảo sát chế ựộ truyền thông ựồng bộ, vì thế chỉ cần quan tâm ựến 2 chân TxD và RxD. Vì các chân truyền/nhận dữ liệu chỉ ựảm nhiệm 1 chức năng ựộc lập (hoặc là truyền, hoặc là nhận), ựể kết nối các chip AVR với nhau (hoặc kết nối AVR với thiết bị hỗ trợ UART khác) chúng ta phải ựấu ỘchéoỢ 2 chân nàỵ TxD của thiết bị thứ nhất kết nối với RxD của thiết bị 2 và ngược lạị