Luận văn Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu

Nội dung tài liệu: Luận văn Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Thị Minh Phương XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG ĐA TÍN HIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, tháng 12 năm 2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Thị Minh Phương XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG ĐA TÍN HIỆU Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số: 60.44.01.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐỖ TRUNG KIÊN Hà Nội - Năm 2014
3. LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và lòng biết ơn trân thành tới TS. Đỗ Trung Kiên, thầy đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn trân thànhđến các thầy cô trong khoa Vật lý, bộ môn Vật lý vô tuyến và điện tử trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội, các thầy cô đã giúp đỡ và chỉ bảo cho em trong suốt thời gian học tập tại Trường. Em cũng xin cảm ơn sự hỗ trợ của đề tài nhóm B - Đại học Quốc gia Hà nội QG.12.02. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn trân thành tới gia đình, bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn. Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn luận văn còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn. Một lần nữa, em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên: Trần Thị Minh Phương
4. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 3 1.1. Hệ thiết bị đo lường ....................................................................................... 3 1.2. Bộ thu thập số liệu (Data logger) ................................................................... 4 1.2.1. Giới thiệu ................................................................................................ 4 1.2.2. Một số đặc điểm số liệu và hệ thu thập số liệu. ........................................ 5 1.2.3. Một số bộ thu thập số liệu hiện nay ......................................................... 6 1.3. Thu thập số liệu thông qua webserver ............................................................ 7 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................... 9 2.1. Các đại lượng đo và lựa chọn cảm biến ............................................................. 9 2.1.1. Đo độ ẩm. ................................................................................................... 9 a) Giới thiệu: ..................................................................................................... 9 b) Lựa chọn cảm biến: .................................................................................... 10 2.1.2. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 ................................................................. 14 a) Giới thiệu: ................................................................................................ 14 b) Lựa chọn cảm biến: .................................................................................. 14 2.1.3. Đo nồng độ khí CO2 .............................................................................. 15 a) Giới thiệu: ................................................................................................ 15 b) Lựa chọn cảm biến ................................................................................... 16 2.1.4. Cảm biến âm thanh ............................................................................... 18 a) Giới thiệu: ................................................................................................ 18 b) Lựa chọn cảm biến: .................................................................................. 19 2.2. Vi điều khiển: ........................................................................................... 20 a) Giới thiệu về vi điều khiển ....................................................................... 20 b) Giới thiệu về vi điều khiển PIC ................................................................ 21 c) Về vi điều khiển PIC 16F887A ................................................................. 22 2.3. Các thành phần khác trong mạch: ............................................................. 23
5. 2.3.1. Bộ nguồn ........................................................................................... 23 2.3.2. IC thời gian thực RTC DS1307 .......................................................... 23 2.4. Truyền, nhận dữ liệu đo ............................................................................ 26 2.5. Xử lý số liệu và đưa lên Lan Server: ......................................................... 27 2.6. Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu ...................................... 29 2.6.1. Mạch mô phỏng của hệ đo: ................................................................ 29 2.6.2. Xây dựng thuật toán cho hệ đo: .......................................................... 31 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ....................................................... 32 3.1 Kết quả xây dựng hệ đo ................................................................................ 32 3.2. Kết quả số liệu thu thập từ hệ đo.................................................................. 33 3.3. Kết quả đưa số liệu lên Lan Server. ............................................................. 34 3.4. Các khả năng ứng dụng trong thực tiễn ........................................................ 36 3.5. Tiềm năng, mở rộng và nâng cấp hệ thông .................................................. 36 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 40 Phụ lục .................................................................................................................. 42
6. DANH MỤC HÌNH VẼ Hình vẽ Trang Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ đo lường tự động. 3 Hình 1.2: Sơ đồ khối bộ thu thập số liệu 4 Hình 1..3: Bộ thu thập số liệu DVTH và MT100 6 Hình 2.1: Sự phụ thuộc của điện dung vào độ ẩm tương đối của DHT11 11 Hình 2.2: Hình ảnh của cảm biến DHT11 11 Hình 2.3: Hình ảnh của cảm biến DHT11 trong mạch mô phỏng 11 Hình 2.4: Hình ảnh kết nối MCU và DHT11 13 Hình 2.5: MCU gửi tín hiệu Start và tín hiệu trả lời của DHT11 13 Hình 2.6: Quá trình gửi bits “0” 13 Hình 2.7: Quá trình gửi bits “1” 14 Hình 2.8: Quá trình gửi bit STOP 14 Hình 2.9: Hình ảnh cảm biến DS18B20 trong mạch mô phỏng 15 Hình 2.10: Hình ảnh thực tế của cảm biến DS18B20 15 Hình 2.10: Hình ảnh của cảm biến khí gas MG811 16 Hình 2.11: Cấu tạo của cảm biến MG811 17 Hình 2.12: Sự phuh thuộc của cường độ dòng ra và nồng độ CO2 – trong 17 điều kiện môi trường bình thương (nhiệt độ 28oC; độ ẩm 65%) Hình 2.13: Hình ảnh cảm biến MG811 trong mạch mô phỏng 18 Hình 2.14: Hình ảnh của micro trong cảm biến đo âm thanh 19 Hình 2.15: Hình ảnh cảm biến đo âm thanh ghép nối với khuếch đại thuật 20 toán LM386 Hình 2.16: Hình ảnh của vi điều khiển PIC 16F877A 22
7. Hình vẽ Trang Hình 2.17: Hình ảnh của DS1307 trong mạch mô phỏng 23 Hình 2.18: Sơ đồ khối của DS1307 24 Hình 2.19: Giản đồ thời gian của giao tiếp UART 26 Hình 2.20: Giao diện của phần mềm Herquese. 27 Hình 2.21: Mô hình đặt quyền truy cập dữ liệu 29 Hình 2.22: Sơ đồ khối của hệ đo 30 Hình 3.1: Hình ảnh hệ thống thu thập số 32 Hình 3.2: Hình ảnh chọn chế độ hiển thị số liệu lên LCD và truyền 32 UART Hình 3.3: Hình ảnh truyền dữ liệu đo theo UART vào máy tính. 33 Hình 3.4. Hình ảnh file số liệu ghi nhận từ hệ và lưu trên máy tính 33 Hình 3.5: Số liệu hiển thị qua phần mềm Herquese 34 Hình 3.6: Giao diện của hệ thống quản lý số liệu môi trường qua Lan Server 35 Hình 3.7: Hình ảnh kết quả đo được truy cập từ máy tính trung cùng 35 mạng cục bộ
8. MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài. Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ linh kiện điện tử và công nghệ thông tin(CNTT) đã đưa tự động hóa vào từng ngõ ngách của cuộc sống, tạo ra những thay đổi to lớn trong lao động, sản xuất. Ứng dụng của vi điều khiển, vi xử lý cho phép con người có thể tạo ra những hệ thống hoạt động chính xác, tính ổn định cao, có khả năng làm việc một cách tự động và thông minh hơn, phục vụ cho từng mục đích cụ thể. Với yêu cầu trong thực tế là tại các phòng thí nghiệm, bênh viện, nhà kính trồng cây, . cần kiểm soát tự động các thông số của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, điểm sương, tiếng ồn, nồng độ khí, ) để có thể điều chỉnh cho phù hợp thì việc nghiên cứu, xây dựng hệ đo các thông số môi trường đa tín hiệu là rất quan trọng và cần thiết. Với yêu cầu hệ cần thu thập các thông số môi trường một cách tự động,từ xa với khả năng xử lý, lưu trữ dữ liệu môi trường 24/24 và có thể giám sát qua môi trường Internet thì đã được thương mại hóa, tuy nhiên giá thành của các hệ này còn khá cao. Chính vì vậy, việc nghiên cứu và làm chủ được kỹ thuật cho hệ đo các thông số môi trường đa tín hiệulà điều cần thiết, phát huy được nội lực trong nước, định hướng sản xuất ra những sản phẩm tự động hóa chất lượng cao, giá cả cạnh tranh. Với mục đích đó, nội dung luận văn tập trung trình bày việc nghiên cứu và triển khai xây dựng một hệ đo các thông số môi trường đa tín hiệu trên cơ sở sử dụng các cảm biến đầu ra số ghép nối với một vi điều khiển và kết nối với máy tính làm Server. 2. Phương pháp nghiên cứu. Để có thể xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu, em đã tiến hành khảo sát, phân tích các đặc điểm liên quan đến thông số kỹ thuật của các cảm biến 1
9. ứng với từng thông số môi trường cần khao sát, các đặc trưng của vi điều khiển, các chuẩn kết nối; ngoài ra để có thể khảo sát, đánh giá phương án thiết kế hệ đó em sử dụng các phần mềm mô phỏng, tính toán thiết kế mạch trước khi thực hiện lắp đặt. Trong luận văn này, các thông số môi trường được xác định và tập trung nghiên cứu bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn và nồng độ khí CO2. Việc khảo sát số liệu và kiểm chứng kết quả thu được được thực hiện và so sánh với các hình thức đo đạt truyền thống. 3. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Chương 3:Kết quả thực nghiệm Các kết quả chính của luận văn được chứa đựng trong chương 2 và chương 3.Kết quả luận văn đã thu được biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn và nồng độ CO2 theo thời gian. 2
10. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Hệ thiết bị đo lường Việc đo đạc, thu thập xử lý thông tin nói chung chia làm ba phần chính là đo, thu thập truyền và xử lý. Trong đó quá trình đo thực chất là việc định lượng các đại lượng vật lý thành các con số và đơn vị bằng cách thực hiện phép đo bằng dụng cụ đo. Dụng cụ đo thông qua phép đo mà chuyển các đại lượng vật lý cần đo của đối tượng cần đo thành các đại lượng khác có thông tin định lượng của đại lượng đó tức là có thể hiển thị được hoặc đọc được một cách định lượng. Thường ngày nay, để thuận lợi cho việc lưu trữ, truyền thông, xử lý thì các đại lượng cần đo đều chuyển về cái đại lượng điện mang thông tin định lượng của đại lượng cần đo như hiệu điện thế hoặc dòng điện. Đại lượng điện này thuận lợi cho việc truyền, l ưu trữ, xử lý bằng các thiết bị điện, mạch điện tích hợp, với công nghệ điện toán mà nhân loại đã đạt được rất nhiều thành tựu. Việc thu thập gồm truyền và lưu trữ ngày nay thường được thực hiện trên cơ sở điện toán. Việc xử lý thông tin được thực hiện tự động hoàn toàn hoặc tự động một phần thông qua hệ thống điện toán, thường thực hiệu bằng ít nhất một bộ vi xử lý và một chương trình hoạt động trên vi xử lý đó. Người thực hiện công việc liên quan hệ thống này là xây dựng hệ thống gồm phần cứng và phần mềm, vận hành hệ thống, sử dụng và đánh giá các kết quả đo. Một hệ thống đo đạc và điều khiển tự động có các chức năng đo đạc các đại lượng, thông số của đối tượng, truyền thông, lưu trữ, xử lý, phân tích đánh giá và còn có thể đưa ra các tín hiệu điều khiển phản hồi tự động. Sơ đồ khối của một hệ đo lường tự động như trên Hình 1.21: Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ đo lường tự động. 3