xây dựng mô hình hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN

XÂY DỰNG MÔ HÌNH
HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: SV06-2009

S KC 0 0 2 5 1 1

Tp. Hồ Chí Minh, 2010

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG THU THẬP
DỮ LIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN
MÃ SỐ: SV2009-06

THUỘC NHÓM NGÀNH: KHOA HỌC KỸ THUẬT
NGƯỜI CHỦ TRÌ:
LÊ TRỌNG NGHĨA
NGƯỜI THAM GIA:
TRẦN TẤN NGUYỆN
ĐƠN VỊ:
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TP. HỒ CHÍ MINH 02 – 2010


LỜI CẢM ƠN
Chúng em kính gửi lời cám ơn các thầy cô trong Khoa Điện – Điện tử đã giúp
đỡ chúng em hoàn thành đề tài này, đặc biệt là thầy Ngô Văn Thuyên đã giúp đỡ
chúng em khi chúng em khi thực hiện đề tài này.

Chúng em xin chân thành cám ơn phòng Quản lý Khoa Học cùng các thầy cô
trong ban giám hiệu nhà trường đã tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành đề tài
này.

Cám ơn các bạn đã giúp đỡ nhóm để hoàn thành đề tài này.

Mặc dù đề tài đã hoàn thành nhưng còn một số sai sót, kính mong quý thầy cô
và các bạn đóng góp ý kiến để những đề tài sau được hoàn thiện tốt hơn .

Chúng em xin chân thành cám ơn.

Nhóm sinh viên thực hiện:
Lê Trọng Nghĩa
Trần Tấn Nguyện


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

MỤC LỤC
Trang

TÓM TẮT ĐỀ TÀI .......................................................................................... 1
PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................. 2
I. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ..................................................................... 2
II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ................... 2
1. Trên thế giới ................................................................................................ 2
2. Trong nước .................................................................................................. 2
III. NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI ......................................................... 3
1. Việc thu thập và lưu trữ dữ liệu thu thập được ........................................... 3
2. Giá thành của một bộ thí nghiệm cao ......................................................... 3
PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ .................................................................. 3

I. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI .................................................................................... 3
II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................. 3
III. NỘI DUNG ................................................................................................ 3
1. Tổng quan về hệ thu thập dữ liệu và điều khiển Data Acquisition
and Control...................................................................................................... 3
1.1. Giới thiệu về hệ DAQ ........................................................................... 3
1.2. Cấu hình cơ bản của hệ DAQ .......................................................... 5
1.2.1. Vào/ ra tập trung ............................................................................. 5
1.2.2. Vào/phân tán .................................................................................. 5
1.2.3. Các bộ thu thập dữ liệu và điều khiền độc lập hoặc phân tán ........ 7
1.2.4. Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488 .................................................. 8
2. Giao tiếp giữa hệ DAQ & máy tính ........................................................... 8
Cổng truyền thông máy tính (cổng COM) ................................................... 8
2.2. Chuẩn giao tiếp RS-232 ........................................................................ 9
2.3. Chuẩn giao tiếp RS-485 ........................................................................ 9
3. Cảm biến ..................................................................................................... 10
3.1. Khái niệm và các loại cảm biến ............................................................ 10
3.2. Các loại cảm biến sử dụng trong đề tài ................................................. 10
3.2.1. Cảm biến nhiệt độ LM35 ................................................................. 10
3.2.2. Cảm biến lực Loadcell ..................................................................... 11
4. PIC .............................................................................................................. 11
4.1 Tổng quan về PIC ................................................................................... 11
4.2. Một số thông số về PIC 18F452 ............................................................ 11
4.3. Sơ đồ khối của PIC 18F452 .................................................................. 12
5. Mô hình hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển ....................................... 13
5.1. Phần cứng .............................................................................................. 13
5.1.1. Nguồn cung cấp ............................................................................... 13
5.1.2. Phần xử lý tín hiệu .......................................................................... 13
5.1.3. Giao tiếp với máy tính ..................................................................... 15
5.2. Phần mềm .............................................................................................. 16

5.2.1. Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý tín hiệu trên PIC ................... 16
5.2.2. Lưu đồ giải thuật chương trình hiển thị, lưu kết quả, và vẽ đồ
thị trên giao diện Visual Basic .................................................................. 17


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

V. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .......................................................................... 18
1. Tính khoa học .......................................................................................... 18
2. Khả năng triển khai ứng dụng vào thực tế ............................................... 19
3. Hiệu quả kinh tế - xã hội .......................................................................... 19
PHẦN 3: KẾT LUẬN ................................................................................... 19
I. KẾT LUẬN ................................................................................................ 11
II. ĐỀ NGHỊ .................................................................................................. 20
PHẦN PHỤ LỤC .......................................................................................... 21
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 24


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Mục tiêu đề tài là thiết kế chế tạo mô hình thu thập dữ liệu và điều khiển có khả
năng thu thập và lưu trữ dữ liệu từ các cảm biến. Đề tài này thi công mô hình vào/ra
phân tán của hệ DAQ mà tiêu biểu là bộ phát số.
Mô hình thu thập dữ liệu gồm:
▪ Module mạch nguồn cung cấp điện cho tất cả các thiết bị.

▪ Module đo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt độ LM 35.
▪ Module đo lực sử dụng Loadcell.
▪ Module chuyển đổi ADC và tính toán kết quả thu thập từ cảm biến sử dụng
chip vi xử lý PIC.
▪ Module giao tiếp với máy tính, sử dụng mạch chuyển đổi RS 232 sang RS
485 và ngược lại.
Tín hiệu sau khi được chuyển đổi từ các cảm biến sẽ được khuyếch đại rồi truyền
tới chip vi xử lý PIC để thực hiện chuyển đổi ADC. Tín hiệu sau khi xử lý xong sẽ
truyền đi sử dụng chuẩn RS-485. Sau đó, sử dụng mạch chuyển đổi giữa RS 232 và
RS-485 để giao tiếp với máy tính. Phần giao tiếp với máy tính sử dụng chương trình
Visual Basic để thiết kế giao diện hiển thị kết quả, vẽ đồ thị và lưu trữ dữ liệu ở dạng
bảng Excel từ kết quả đo được.
Sơ đồ nguyên lý:
Module xử lý tín hiệu 1



Khuyếch đại
Vi xử lý
ADC

LM35

Khuyếch đại
Vi xử lý
ADC

Loadcell

RS 232 RS 485

RS 485

Computer

Hiển thị kết quả.
Vẽ đồ thị
Lưu trữ dữ liệu dạng
bàng Excel

Module xử lý tín hiệu 2

1


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ
Để giải quyết các vấn đề trong cuộc sống thường ngày cũng như trong khoa học
kỹ thuật và công nghiệp, việc đo lường, thu thập dữ liệu các đại lượng vật lý là cần
thiết. Ví dụ như trong đời sống hằng ngày: khi nướng bánh, chế biến thức ăn cần phải
đo nhiệt độ của lò nhiệt,...Trong khoa học, kỹ thuật: dự báo thời tiết cần biết được
nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí, hướng gió và tốc độ gió,…
Trong công nghiệp: việc thu thập dữ liệu điện ở các phụ tải phục vụ cho việc
điều khiển và giám sát hệ thống điện, khi cần điều khiển động cơ quay ở một tốc độ
định sẵn cần đo tốc quay hiện thời của động cơ; khi đóng gói các sản phẩm cần đo
trọng lượng của sản phẩm trong bao bì;...
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện nay, hầu hết các đại lượng vật lý đều
có thể đo lường được thông qua những thiết bị được gọi là cảm biến.

Cảm biến là một thiết bị đo lường một đại lượng vật lý và chuyển đổi thành tín
hiệu mà tín hiệu có thể đọc được bởi một thiết bị khác. Ví dụ: một nhiệt kế thủy ngân
chuyển đổi nhiệt độ cần đo thành sự giãn nở của thủy ngân, sự giãn nở này có thể được
đọc trên một ống thủy tinh đã được cân chỉnh; một thermocouple (cặp nhiệt ngẫu)
chuyển đổi nhiệt độ cần đo thành điện áp mà điện áp này có thể đọc được bằng một
Vôn kế.
Tín hiệu ra từ cảm biến có thể là: tín hiệu cơ, tín hiệu điện. Nhưng phổ biến vẫn là
tín hiệu điện vì tín hiệu điện có thể dễ dàng hiển thị, lưu trữ.
Với sự đa dạng của cảm biến như vậy, trong các phòng thực tập hiện nay vẫn
thiếu một thiết bị vừa có thể đọc được tín hiệu từ cảm biến truyền về, vừa có thể lưu
trữ, xử lý dữ liệu đọc được trên máy tính. Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo ra một thiết
bị có thể đọc tín hiệu từ cảm biến, vừa có thể lưu trữ dữ liệu đọc được, có kích thước
nhỏ gọn và giá cả hợp lý là cần thiết.
I. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
▪ Cảm biến nhiệt độ LM35 và LOADCELL.
▪ Chip PIC 18F452.
▪ Giao tiếp với máy tính.
II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC
Có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến việc thu thập dữ liệu và điều khiển,
tuy không thể liệt kê được hết nhưng dưới đây là một số công trình, sản phẩm tiêu
biểu:
1. Trên thế giới
▪ PSI-PHO2-U Series of Portable Sensor Interfaces giá £225.00, sản phẩm của
EAInstruments Ltd, là thiết bị rất gọn nhẹ dùng để kết nối các loại cảm biến điện hóa
với máy tính, sử dụng kèm với phần mềm chuyên dụng. Thông tin thêm:
/>▪ Các thiết bị thu thập dữ liệu của các hãng: National Instruments,… Thông tin
thêm tại: />2. Trong nƣớc
▪ “Thiết kế và phát triển thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương”, Kỹ sư
Phan Minh Tân, Viện công nghệ thông tin.
▪ “Hệ thống giám sát và điều khiển từ xa”, sản phẩm của công ty Elcom. Thông

tin thêm: />
2


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

III. NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI
1. Việc thu thập và lƣu trữ dữ liệu thu thập đƣợc
Dữ liệu thu thập được từ cảm biến chỉ được xử lý tức thời mà không lưu trữ thành
file hoặc lưu trữ trên các thiết bị lưu trữ cho việc xử lý dữ liệu sau này
2. Giá thành của một bộ thí nghiệm cao
Vì là thiết bị đo lường, thu thập và xử lý dữ liệu nên đòi hỏi phải có phần mềm
chuyên nghiệp để điều khiển và quản lý, vì vậy giá thành thường rất cao. Mô hình này
được chế tạo chủ yếu là để cung cấp những kiến thức cơ bản về thu thập dữ liệu và
điều khiển cho sinh viên trong quá trình học tập.
PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
I. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
▪ Tìm hiểu đặc tính, nguyên lý hoạt động của hệ thu thập dữ liệu và điều khiển,
các cảm biến.
▪ Nghiên cứu sử dụng PIC vào thu thập và xử lý dữ liệu.
▪ Chế tạo thiết bị thu thập dữ liệu và giao tiếp với máy tính bằng phần mềm
Visual Basic.
II. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Thực nghiệm, chế tạo thiết bị mẫu.
III. NỘI DUNG
1. Tổng quan về hệ thu thập dữ liệu và điều khiển Data Acquisition and Control
1.1. Giới thiệu về hệ DAQ
Thu thập dữ liệu (Data Acquisition) là quá trình mà tín hiệu vật lý từ thế giới

thực được chuyển thành tín hiệu điện để đo lường và chuyển sang tín hiệu số cho quá
trình xử lý, phân tích và lưu trữ bằng máy tính.
Trong hầu hết các ứng dụng, hệ thống thu thập dữ liệu (Data Acquisition
System) được thiết kế không những chỉ để thu thập dữ liệu mà còn có cả chức năng
điều khiển. Vì vậy, khi nói hệ DAQ thường hàm ý có cả chức năng điều khiển (Data
Acquisition and Control).
Các thành phần cơ bản của hệ DAQ Hình 1.1.

3


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của hệ DAQ
a. Khối chuyển đổi và cảm biến (Transducers): gồm các thiết bị (cảm biến áp suất,
cảm biến nhiệt độ, loadcell…) dùng để chuyển đổi tín hiệu vật lý sang tín hiệu
điện.
b. Dây nối và cáp truyền thông (Field wiring).
Dây nối: liên kết ngõ ra của chuyển đổi/cảm biến đến phần cứng khối xử lý tín
hiệu hoặc từ khối xử lý tín hiệu đến PC nếu khối xử lý tín hiệu ở xa PC. Nếu
phần cứng khối xử lý tín hệu cách xa PC và chuẩn truyền tín hiệu là RS-232
hoặc RS- 485 thì sử dụng cáp truyền thông. Đây là thành phần dễ chịu ảnh
hưởng của nhiễu bên ngoài, vì vậy cần quan tâm đến vấn đề chống nhiễu.
c. Khối xử lý tín hiệu (Signal conditioning): chuyển tín hiệu từ đầu ra của cảm
biến sang dạng thích hợp, được chấp nhận bởi phần cứng khối thu thập dữ liệu,
đặc biệt là bộ chuyển đổi A/D. Nhiệm vụ của khối này là: lọc, khuyếch đại,
tuyến tính hoá, cách ly, kích thích.
d. Phần cứng thu thập dữ liệu (Data acquition hardware): Phần cứng thu thập dữ

liệu tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau từ nhiều nhà sản xuất, có thể là:

4


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

card giao tiếp mở rộng (plug-in expansion bus board), intelligent stand-alone
loggers and controllers có thể được định cấu hình, quan sát và điều khiển từ
máy tính qua RS-232 hoặc có thể hoạt động độc lập, hoặc các thiết bị độc lập từ
xa có thể điều khiển và định cấu hình từ máy tính qua chuẩn IEEE-4888. Chức
năng cơ bản của khối này gồm:
▪

Chuyển tín hiệu tương tự sang dạng số để hiển thị, lưu trữ và phân tích.

▪

Đọc vào tín hiệu số chứa thông tin về quá trình của một hệ thống.

▪

Chuyển tín hiệu số từ PC sang tín hiệu điều khiển để điều khiển một hệ
thống hay một quá trình.

▪

Xuất ra tín hiệu điều khiển dạng số.

e. Phần mềm thu thập dữ liệu (Data acquition software) thường có 3 lựa chọn:
▪

Đọc và xuất dữ liệu trực tiếp dùng: assembly, hoặc các ngôn ngữ như:
pascal, C, visual basic,…

▪

Dùng driver đi kèm với phần cứng cung cấp bởi nhà sản xuất.

▪

Dùng gói phần mền ứng dụng cung cấp kèm với phần cứng thu thập dữ liệu
để thực hiện tất cả các nhiệm vụ yêu cầu cho một ứng dụng cụ thể.

f. Host computer (PC): ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ thu thập và xử lý dữ liệu.
1.2. Cấu hình cơ bản của hệ DAQ
Các cấu hình thông dụng của hệ DAQ:
▪

Vào/ra tập trung với PC.

▪

Vào/ra phân tán.

▪

Các bộ thu thập dữ liệu và điều khiển độc lập hoặc phân tán.

▪

Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488.

1.2.1. Vào/ ra tập trung (Hình 1.2)

5


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

Hình 1.2. Cấu hình vào/ra tập trung
▪

Các mạch vào/ra tập trung được cắm trực tiếp vào máy tính qua các bus mở
rộng.

▪

Đặc điểm: nhỏ, gọn, tốc độ thu thập dữ liệu và điều khiển nhanh nhất, chi
phí thấp.

▪

Thường được sử dụng trong các ứng dụng mà PC ở gần cảm biến và cơ cấu
chấp hành.

1.2.2. Vào/phân tán (Hình 1.3)

Hình 1.3. Cấu hình vào/ra phân tán
Vào/ra phân tán nghĩa là module xử lý tín hiệu được đặt gần mỗi sensor tương
ứng. Mỗi sensor cần có một module xử lý tín hiệu riêng. Dạng thường gặp của
vào/ra phân tán là bộ phát số. Bộ phát số này thực hiện tất cả các chức năng cần

6


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

thiết, có vi xử lý và ADC để chuyển tín hiệu cần đo sang dạng số. Tín hiệu số này
được truyền về PC bằng chuẩn RS-232 hoặc RS-485.
1.2.3. Các bộ thu thập dữ liệu và điều khiền độc lập hoặc phân tán
(Intelligent stand-alone loggers and controllers)
Tương tự như vào/ra phân tán với các bộ xử lý tín hiệu thông minh, có thể điều
khiển và định cấu hình từ máy tính, đồng thời có thể hoạt động độc lập mà không
cần PC. Điều này rất có lợi khi phải đặt các bộ thu thập dữ liệu ở xa hoặc các ứng
dụng không cho phép kết nối liên tục với máy tính.

Hình 1.4. Sử dụng PCMCIA để nhập dữ liệu từ bộ thu thập dữ liệu độc lập

Hình 1.5. Sơ đồ bộ thu thập dữ liệu độc giao tiếp nối tiếp RS-232

7

Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

Hình 1.6. Sơ đồ hệ thu thập dữ liệu phân tán
1.2.4. Các thiết bị theo chuẩn IEEE-488

Hình 1.7. Cấu trúc hệ GPIB thông dụng
GPIB (General Purpose Interface Bus) là chuẩn giao tiếp truyền thông song song
tốc độ cao, cho phép kết nối đồng thời 15 thiết bị trên bus truyền dữ liệu song
song, được thành lập năm 1965 bởi Hewlett-Packard để kết nối và điều khiển các
thiết bị đo thử lập trình được của hãng. Chuẩn này phù hợp cho các Lab nghiên
cứu hoặc đo thử trong công nghiệp.
2. Giao tiếp giữa hệ DAQ & máy tính
Cổng truyền thông máy tính (cổng COM)
8


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

Thông thường một máy tính có 4 cổng truyền thông:
▪

Com1 có địa chỉ 3F8H.

▪

Com2 có địa chỉ 2F8H.

▪

Com3 có địa chỉ 3E8H.

▪

Com4 có địa chỉ 2E8H.

Mỗi cổng Com có 11 thanh ghi phục vụ liên kết và điều khiển.
▪

TR: thanh ghi phát dữ liệu (ADDR Com).

▪

RR: thanh ghi thu dữ liệu (ADDR Com).

▪

IE: Interupt Enable cho phép ngắt (ADDR Com +1).

▪

IT: nhận dạng ngắt (ADDR Com + 2).

▪

LCR: điều khiển đường truyền (ADDR Com +3).

▪

MCR: điều khiển Modem (ADDR Com +4).

▪

LSR: thanh ghi trang thái đường truyền (ADDR Com +5).

▪

MSR: thanh ghi trang thái modem (ADDR Com + 6).

▪

DLSR: thanh ghi byte cao của giá trị chia xác định tốc độ truyền (ADDR
Com +1).

2.2. Chuẩn giao tiếp RS-232
Là chuẩn giao tiếp được sử dụng rộng rãi. Được sử dụng trong máy tính PC thông
qua các cổng COM1, COM2. Đặc điểm của chuẩn này là:
▪

Giao tiếp điểm - điểm (point to point). Điều này sẽ trở nên khó khăn khi
giao tiếp với nhiều thiết bị.

▪

Truyền dữ liệu bất đồng bộ.

▪

Truyền song công full – duplex.

▪

Tín hiệu truyền: logic 1: -3V đến -15V, logic 0: +3V đến +15V. Mức tín
hiệu này không tương thích trực tiếp với các nguồn cấp trong máy tính
( ± 5V và ± 12V).

▪

Đường truyền không cân bằng nên dễ bị ảnh hưởng của nhiễu.

▪

Khoảng cách truyền tối đa là 15m. Khoảng cách này trở nên quá nhỏ khi có
nhiều hệ thống điều khiển.

2.3. Chuẩn giao tiếp RS-485

9


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

Là mở rộng của chuẩn RS-422, đường truyền 2 dây, bán song công, cân bằng
và giao tiếp nhiều điểm (multi drop). RS-485 có thể truyền tin cậy đến khoảng
cách 1200m, với tốc độ lên đến 10Mbps và cho phép đến 32 bộ thu phát ghép

trên cùng đường truyền.
Mức tín hiệu logic 1: -1.5V đến -6V, logic 0: +1.5V đến +6V. Bộ phát có 3
trang thái 0, 1 và high Z. Trạng thái high Z cho phép 32 bộ phát có thể nối cùng
trên một dây, mặc dù tại mỗi thời điểm chỉ có một bộ phát được tích cực.
Vì trong máy tính thường không có chuẩn RS-485 nên muốn sử dụng cho việc
giao tiếp với khoảng cách truyền xa, hoặc giao tiếp điểm – đa điểm thì cần phải
có bộ chuyển đổi RS-232 sang RS-485 và ngược lại.

Hình 2.1. Sơ đồ khối chuyển đổi giữa RS-232 và RS-485
3. Cảm biến
3.1. Khái niệm và các loại cảm biến
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận, biến đổi các đại lượng vật lý và các đại
lượng không có tính chất điện có thể đo và xử lý được.
Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp
suất…) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (như
điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác
định vị trí của đại lượng đo.
3.2. Các loại cảm biến sử dụng trong đề tài
3.2.1. Cảm biến nhiệt độ LM35
Đặc tính:
- LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ: 10mV/10C.
- Đảm bảo độ chính xác 0.50C tại +250C.
- Tầm đo nhiệt độ từ -550C đến +1500C.
10


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

- Phù hợp với ứng dụng trong nhà.
- Giá thành thấp.
- Hoạt động ở điện áp 4V đến 30V.
- Sai số tuyến tính là ±0.250C.
- Trở kháng ngõ ra thấp, 0.1Ω cho 1mA tải.
Sơ đồ đo:

Hình 3.1. Sơ đồ đo của LM35
Công thức chuyển đổi:
Vout = 0.01t 0C (V)

Hình 3.2. Cảm biến nhiệt độ LM35
3.2.2. Cảm biến lực Loadcell
Đặc tính:
 Loadcell loại KAM của hãng Dyna-Mess
 Khối lượng tối đa: 20 Kg
 Độ nhạy 1mV/V.
4. PIC
4.1 Tổng quan về PIC
PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể dịch là “máy tính
thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên
của họ: PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển
CP1600. Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hình
thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay.
Các kí hiệu của vi điều khiển PIC: PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit, PIC16xxxx: độ dài
lệnh 14 bit, PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit.
Có thể sử dụng các mạch nạp được cung cấp bởi nhà sản xuất là hãng Microchip như:
PICSTART plus, MPLAB ICD 2, MPLAB PM 3, PRO MATE II. Có thể dùng các sản
phẩm này để nạp cho vi điều khiển khác thông qua chương trình MPLAB.
4.2. Một số thông số về PIC 18F452

Các đặc tính PIC bao gồm:
▪ CPU 16 bit, xây dựng theo cấu trức Harvard có sửa đổi
▪ Bộ nhớ flash và ROM có thể tuỳ chọn từ 25 byte đến 256 Kbyte.
11


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪
▪

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

Timer 8/16 bit.
Chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ/không đồng bộ USART.
Các bộ chuyển đổi ADC 10 bit.
Các bộ so sánh điện áp.
Các khối Capture/Compare/PWM.
Hỗ trợ giao tiếp LCD.
MSSP Peripheral dùng cho các giao tiếp PC, SPI và I2S.

Bộ nhớ nội EEPROM có thể xoá/ghi lên tới 1 triệu lần.
Khối điều khiển động cơ, đọc encoder.
Hỗ trợ giao tiếp USB.
Hỗ trợ điều khiển Ethernet.
Hỗ trợ giao tiếp CAN.

4.3. Sơ đồ khối của PIC 18F452

Hình 4.1. Sơ đồ khối của PIC18F452
12


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

5. Mô hình hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển
5.1. Phần cứng
Mô hình hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển gồm các phần chính sau:
▪ Nguồn cung cấp.
▪ Phần xử lý tín hiệu.
▪ Phần giao tiếp với máy tính.
5.1.1. Nguồn cung cấp
Thiết bị có thể sử dụng nguồn từ mạch ổn áp dùng IC.
Vì chip PIC 18F452 hoạt động với điện áp nguồn là 5V nên cần phải có một mạch ổn
áp 5V. Mạch ổn áp được sử dụng trong đề tài này là mạch ổn áp dùng IC LM7805, với
điện áp ngõ ra 5V, dòng ra tối đa là 1A.
Để chống nhiễu, nguồn cấp cho các IC đều gắn tụ bypass.
Sơ đồ khối:
Nguồn

220VAC

Biến áp

Mạch ổn áp

Cung cấp điện
cho thiết bị

Hình 5.1. Sơ đồ khối của mạch nguồn
Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn:

Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn
5.1.2. Phần xử lý tín hiệu
Đối với đề tài này, có 2 loại tín hiệu khác nhau từ 2 loại cảm biến LM35 và Loadcell.
Tín hiệu của LM35 là tín hiệu điện áp so với GND.
13


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

Tín hiệu của Loadcell là tín hiệu điện áp vi sai.
Chip PIC 18F452 có 1 ADC 10 bit, nên cần phải thiết kế phần cứng sao cho linh hoạt
và có thể xử lý được 2 tín hiệu này.
Sơ đồ nguyên lý:

Module xử lý tín hiệu 1



Khuyếch đại
Vi xử lý
ADC

LM35

Khuyếch đại
Vi xử lý
ADC

Loadcell

RS 232 RS 485
RS 485

Computer

Module xử lý tín hiệu 2
Hình 5.3. Sơ đồ nguyên lý phần xử lý tín hiệu và giao tiếp với PC

Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại cho LM35
Tín hiệu ngõ ra của cảm biến LM35 được kết nối với thiết bị qua Jack J1. Chân 2
(IN+) của J1 dùng để tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, chân 2 (Ground), chân 3 cấp
nguồn cho cảm biến. Tín hiệu sau khi khuyếch đại được truyền ra Jack J. Jack J3 có
nhiệm vụ kết nối với PIC để chuyển đổi ADC. Jack J4 cung cấp nguồn cho Opamp.

Hình 5.4. Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại cho LM35

14


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại cho Loadcell.
Tín hiệu của Loadcell là tín hiệu điện áp vi sai. Sử dụng mạch khuyếch đại vi sai để khuyếch
đại tín hiệu ngõ ra của Loadcell. Chân X1-2 và X1-3 cấp nguồn 5V cho Loadcell. Chân X1-1
và X1-4 dùng để kết nối với ngõ ra vi sai của Loadcell.Tín hiệu sau khi khuyếch đại được đưa
ra ở Jack J1 kết nối với PIC để chuyển đổi ADC.

Hình 5.5. Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại cho Loadcell

5.1.3. Giao tiếp với máy tính
Vì trong máy tính thường không có chuẩn RS-485 nên muốn sử dụng cho việc giao
tiếp thì cần phải có bộ chuyển đổi RS-232 sang RS-485 và ngược lại.

Hình 5.6. Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi RS-232 và RS-485

15


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

5.2. Phần mềm
5.2.1. Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình xử lý tín hiệu trên PIC

Begin

Nhận tín hiệu
từ Sensor

Kiểm tra
“a” or “b”

b

a
Chọn
kênh 1

Chọn
kênh 2

Chuyển
đổi ADC

Chuyển
đổi ADC

Tính toán
nhiệt độ

END

Tính toán

khối lượng

END

Hình 5.7. Lưu đồ giải thuật chương trình xử lý tín hiệu trên PIC

16


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

5.2.5. Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình hiển thị, lƣu kết quả, và vẽ đồ thị trên
giao diện Visual Basic
Begin

Nhận tín hiệu
từ cổng COM

Chọn kênh đo

Kênh 2

Kênh 1
Đo
khối lượng

Đo
nhiệt độ

Hiển thị
kết quả

Hiển thị
kết quả

Vẽ đồ thị

Vẽ đồ thị

Lưu dữ liệu

Lưu dữ liệu

END

END

Hình 5.8. Lưu đồ giải thuật chương trình Visual Basic

17


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

IV. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC
1. Tính khoa học

Sau hơn gần một năm tìm hiểu nghiên cứu, nhóm đã hoàn thành được công trình và
đạt được kết quả sau:
▪ Nguyên lý hoạt động và cách đo của các loại cảm biến thông dụng.
▪ Thi công được mạch nạp cho chip.
▪ Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PIC18F452.
▪ Thiết kế được mạch thu thập dữ liệu cho 2 loại cảm biến.
▪ Hoàn thành chương trình giao tiếp bằng máy tính với thiết bị.
▪ Đóng gói sản phẩm dưới dạng module.

Hình 5.9. Hiển thị kết quả và vẽ đồ thị trên giao diện Visual Basic

18


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

Hình 5.10. Lưu trữ dữ liệu thu thập được trên Excel

2. Khả năng triển khai ứng dụng vào thực tế
Sản phẩm của công trình nghiên cứu này là thiết bị có tính năng:
▪ Có thể đọc được tín hiệu từ các cảm biến LM35 và Loadcell.
▪ Có thể giao tiếp và lưu trữ tín hiệu thu về bằng máy tính.
▪ Kích thước: nhỏ, gọn.
▪ Ứng dụng: Khi sử dụng thiết bị này cùng với một cảm biến thích hợp, có thể đo,
thu thập và hiển thị dữ liệu mong muốn. Sản phẩm có thể được sử dụng trong
thực tập sinh viên chuyên ngành.
3. Hiệu quả kinh tế - xã hội
▪ Giá thành sản phẩm thấp.

▪ Dễ sử dụng.
▪ Có thể dùng làm phương tiện thực tập cho sinh viên.

PHẦN 3: KẾT LUẬN
I. KẾT LUẬN
Qua gần một năm nghiên cứu đề tài, dù thời gian cũng khá dài và còn phải học
những môn học trên lớp nhưng chúng em đã cố gắng hoàn thành đề tài đúng thời gian
quy định và đã đạt được những kết quả sau:
▪ Ôn lại và thực hành những kiến thức đã học mà có liên quan tới đề tài.
19


Xây dựng mô hình hệ thống TTDL và điều khiển

▪
▪
▪
▪
▪

GVHD: TS. Ngô Văn Thuyên

Hiểu được và biết cách sử dụng các loại cảm biến sử dụng trong đề tài.
Chế tạo được thiết bị thu thập và lưu trữ dữ liệu từ cảm biến.
Phát triển kỹ năng làm việc theo nhóm.
Ngoài những kết quả đạt được chúng em còn gặp một số khó khăn:
Vì loại IC sử dụng trong đề tài chúng em không được học trên lớp, nên việc tìm
hiểu về IC và sử dụng ngôn ngữ lập trình C còn hạn chế.
Thời gian làm đề tài trùng với thời gian học trên lớp, thực tập tốt nghiệp, thực
tập sư phạm, và luận văn tốt nghiệp nên việc sắp xếp thời gian rất khó.

II. ĐỀ NGHỊ
Nghiên cứu này còn một số điểm chưa hoàn thành, sau đây là một số đề nghị để phát
triển nghiên cứu sau này:
▪ Thiết kế thiết bị sao cho người sử dụng có thể đo được một cảm biến bất kỳ và
lưu trữ dữ liệu độc lập trên thẻ nhớ SD, không cần thiết phải thường xuyên giao
tiếp với máy tính.
▪ Thiết kế thiết bị có thể giao tiếp được với máy tính từ xa thông qua các thiết bị
như modem, sóng radio để: thu thập, xử lý, hiển thị và lưu trữ dữ liệu đo được
từ các cảm biến.

20