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


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

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.

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.

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: http://www.elcom.com.vn/tabid/1334/Default.aspx.

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

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.


▪

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.

▪


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.



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.

▪


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

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.

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:


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

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


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

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