2.5.1. Chuẩn truyền tin RS232
- Ra ựời vào năm 1969 bởi hiệp hội EIA và Bell Laboratory
- được dùng chủ yếu trong các giao tiếp ựiểm - ựiểm giữa các DTE/DCE (Data Terminal Equipment/Data Communication Equipment) (Các thiết bị ựầu cuối DTE có thể là máy tắnh, PLC, máy in... Thiết bị truyền số liệu DCE có thể là Modem)
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 31
Hình 2.18. Kết nối giữa DTE và DCE
- RS232 sử dụng phương thức truyền số liệu không ựối xứng. điện áp dao ựộng trong khoảng -25V ựến +25V. Với thiết bị nhận quy ựịnh mức logic 1 ứng với khoảng ựiện áp -25V ựến -3V và mức logic "0" ứng với khoảng ựiện áp từ +3V ựến +25V. Khoảng ựiện áp từ -3V ựến +3V không ựược ựịnh nghĩa, ựây là khoảng chuyển tiếp giữa các mức logic. Biểu diễn các mức ựiện áp tương ứng với các mức logic ựược trình bày trên hình 2.19
Hình 2.19. Biểu diễn các mức logic trong RS232
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 32
- Khoảng cách truyền cho phép 15m.
- RS232 làm việc ở chế ựộ truyền song công(full-duplex) - Tốc ựộ dữ liệu cực ựại khoảng 20 Kb/s
- Chế ựộ truyền không ựồng bộ
Hầu hết dữ liệu truyền trong RS232 là mã ASCII mặc dù ựây không phải là loại mã chuẩn.
Bảng 2.1. định nghĩa các chân tắn hiệu của RS232
TT định nghĩa chuẩn Ký hiệu Vào/ ra Chân
1 Carrier Detect CD 1
2 Transmit Data TxD Ra 2
3 Receiver Data RxD Vào 3
4 Data Terminal Ready DTR Ra 4
5 Signal Ground SG 5
6 Data Set Ready DSR Vào 6
7 Request to Send RTS Ra 7
8 Clear to Send CTR Vào 8
9 Ring Indicator RI 9
Kết nối RS232 không có bắt tay ựược trình bày trên hình 2.20
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 33
Ngoài ra có thể thực hiện bắt tay dùng phần mềm và chúng ựược chỉ ra trên hình 2.21
Hình 2.21. Bắt tay bằng phần mềm sử dụng X-ON và X-OFF
để bắt tay ựầy ựủ bằng dữ liệu giữa hai nút, các ựường dẫn RTS và CTS ựược bắt tay (tương tự như các ựường dẫn DTR và DSR). Cách ựấu nối này bao gồm cả các trường hợp các nút ở rất xa nhaụ
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 34
Hình 2.23. Ghép nối ựể truyền thông có bắt tay qua cổng RS232
Các yêu cầu của chuẩn RS232 ựối với phần tạo dạng phát: - đầu ra phải chịu ựược trạng thái ngắn mạch hoặc không tảị - điện trở khi ngắn mạch nguồn lớn hơn 300 Ω. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- điện áp ra cực ựại khi không tải là -25V. - Dòng ra cực ựại khi ngắn mạch là 500mẠ
- Thời gian chuyển tắn hiệu giữa hai mức tắn hiệu phải nhỏ hơn 1ms. - Tốc ựộ tăng hay giảm tắn hiệu không nhỏ hơn 30V/ms.
- Tải của bộ kắch thắch lớn hơn 3KΩ
Các yêu cầu ựối với phần thu: - điện trở vào từ 3000Ω - 7000Ω. - Tụ kắ sinh nhỏ hơn 2500 ộF.
2.5.2. Chuẩn truyền tin RS422
đây là loại chuẩn truyền tin ựược dùng nhiều trong công nghiệp, nó thường ựược lựa chọn ựể thay thế RS232 dùng trong các ứng dụng ựòi hỏi chống nhiễu tốt, khoảng cách truyền xa và tốc ựộ truyền caọ
đặc ựiểm của RS422:
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 35
- Khoảng cách truyền 200m không cần bộ lặp - Tốc ựộ truyền tối ựa là 10Mb/s.
- Chỉ cho phép 1 trạm truy nhập ựiều khiển ựường truyền (Master) - Cho phép 10 trạm tớ tham gia trong cấu hình mạng
- Tải của bộ kắch thắch 100Ω
- điện trở vào lớn hơn 4KΩ
- độ nhạy ựầu vào: ổ200mV
Quy ựịnh về mức logic trong RS422 ựược trình bày trên hình 2.24:
Hình 2.24. Biểu diễn mức logic trong RS422
Giao tiếp trong RS422 là giao tiếp ựiểm nhiều ựiểm
Nguyên lắ hoạt ựộng của RS422 ựược trình bày trên hình 2.25:
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuậtẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 36
2.5.3. Chuẩn truyền tin RS485
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* (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- 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" (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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