BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ
----

NGUYỄN VĂN THỊNH

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ
ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Nha Trang, tháng 6/2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ
----

NGUYỄN VĂN THỊNH

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ
ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. NGUYỄN VĂN ĐỊNH


.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
Khánh Hòa, Ngày……. tháng….. năm 2017
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký ghi rõ họ tên)


PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN VĂN THỊNH
Lớp: 55CDT

MSSV: 55134691

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
Đề tài: “Thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển và giám sát hệ thống”
Số trang:

87

Số chương: 04

Tài liệu tham khảo: 20

Hiện vật: 2 quyển báo cáo, 1 mô hình, 2 đĩa CD
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
Kết luận: ....................................................................................................................

trình học tập cũng như thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn Văn
Định. Cùng với các thầy cô giáo khác đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng chuyên
môn, động viên tinh thần giúp em hoàn thành tốt đồ án này.
Bên cạnh đó em cũng muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh
ủng hộ, động viên, tạo mọi điều kiện cho em học tập và rèn luyện.
Trong quá trình thực hiện còn nhiều điều thiếu sót. Rất mong sự chỉ bảo của thầy
cô để đề tài được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nha Trang, tháng 06 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Thịnh


ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 1
MỤC LỤC ...................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................................vii
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 2
1.1. Giới thiệu thiết bị điều khiển và giám sát hệ thống ............................................. 2
1.2. Nhu cầu về mức độ tự động hiện nay .................................................................. 3
1.3. Giới thiệu một số bộ điều khiển có sẵn trên thị trường........................................ 6
1.3.1. Bộ điều khiển lập trình PLC ....................................................................... 6
1.3.2. Bộ điều khiển giám sát sử dụng vi điều khiển ........................................... 7
1.4. Mục tiêu đề tài ...................................................................................................... 7

2.3. Phương án thiết kế.............................................................................................. 23
2.3.1. Phương án 1 .............................................................................................. 23
2.3.1.1. Nội dung .............................................................................................23
2.3.1.2. Ưu điểm ..............................................................................................23
2.3.1.3. Nhược điểm ........................................................................................23
2.3.2. Phương án 2 .............................................................................................. 24
2.3.2.1. Nội dung .............................................................................................24
2.3.2.2. Ưu điểm ..............................................................................................24
2.3.2.3. Nhược điểm ........................................................................................25
2.3.3. Kết luận .................................................................................................... 25


iv

2.4. Thiết kế, chế tạo phần cơ khí ............................................................................. 25
2.4.1. Cơ sở lý thuyết ......................................................................................... 25
2.4.2. Thiết kế ..................................................................................................... 26
2.5. Thiết kế, chế tạo phần điều khiển ...................................................................... 28
2.5.1. Cơ sở lý thuyết ......................................................................................... 28
2.5.1.1. MCU ...................................................................................................28
2.5.1.2. Nguồn .................................................................................................29
2.5.1.4. Graphic LCD .....................................................................................30
2.5.1.5. Opto PC817 .......................................................................................32
2.5.1.6. Diode ..................................................................................................32
2.5.1.7. Điện trở ..............................................................................................33
2.5.1.8. Transistor ...........................................................................................33
2.5.2. Thiết kế ..................................................................................................... 34
2.5.2.1. Mạch điều khiển .................................................................................34
2.5.2.2. Chương trình điều khiển Android ......................................................39
2.5.2.3. Chương trình điều khiển NodeMCU ..................................................41

4.2.2. Đề xuất phần mềm .................................................................................... 64
4.2.3. Đề xuất cả hệ thống .................................................................................. 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 65
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 66


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Chức năng các chân I/O của GLCD ......................................................... 31
Bảng 3.1: Thao tác kiểm tra main board ................................................................... 53
Bảng 3.2: Thao tác kiểm tra khối Input .................................................................... 55
Bảng 3.3: Thao tác kiểm tra khối Output .................................................................. 56
Bảng 3.4: Thao tác kiểm tra cơ khí ........................................................................... 57


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Tự động hóa trong sản xuất......................................................................... 2
Hình 1.2: Tự động hóa trong nông nghiệp .................................................................. 3
Hình 1.3: Nhà thông minh ........................................................................................... 3
Hình 1.4: Robot ........................................................................................................... 4
Hình 1.5: Tự động hóa trong công nghiệp .................................................................. 5
Hình 1.6: PLC ............................................................................................................. 6
Hình 1.7: Bộ giám sát từ xa ........................................................................................ 7
Hình 2.1: Sơ đồ tổng thể ............................................................................................. 8
Hình 2.2: Firebase ..................................................................................................... 12
Hình 2.3: ESP8266 .................................................................................................... 13
Hình 2.4: NodeMCU ................................................................................................. 14

Hình 2.31: Main board .............................................................................................. 35
Hình 2.32: Mô hình 3D mặt trước và sau main board .............................................. 36
Hình 2.33: Nguyên lý khối INPUT ........................................................................... 37
Hình 2.34: Nguyên lý khối OUTPUT ....................................................................... 37
Hình 2.35: Layout board cách ly ............................................................................... 38
Hình 2.36: Mô hình 3D mặt trước và sau board cách ly ........................................... 38
Hình 2.37: Giao diện trên Android ........................................................................... 40
Hình 2.38: Giải thuật trên Android ........................................................................... 40
Hình 2.39: Giải thuật trên NodeMCU ....................................................................... 41
Hình 2.40: Giải thuật trên MCU1 ............................................................................. 42
Hình 2.41: Giải thuật trên MCU2 ............................................................................. 43
Hình 2.42: Giải thuật trên MCU3 ............................................................................. 44
Hình 3.1: Mạch layout board cách ly ........................................................................ 45
Hình 3.2: Mạch layout main board ........................................................................... 46
Hình 3.3: Hàn linh kiện ............................................................................................. 47
Hình 3.4: Kiểm tra mạch ........................................................................................... 47
Hình 3.5: Lắp khối nguồn và board cách ly .............................................................. 48
Hình 3.6: Lắp khối main board và GLCD ................................................................ 49
Hình 3.7: Mặt trước (a) và sau (b) thiết bị sau khi lắp xong ..................................... 50
Hình 3.8: Hình ảnh mạch thực tế .............................................................................. 51
Hình 3.9: Hình ảnh cơ khí thực tế ............................................................................. 52
Hình 3.10: Hệ thống mô hình .................................................................................... 52
Hình 3.11: Kiểm tra main board ............................................................................... 53


ix

Hình 3.12: Kiểm tra khối Input ................................................................................. 55
Hình 3.13: Kiểm tra khối Output .............................................................................. 56
Hình 3.14: Vị trí các bộ phận mặt sau bộ điều khiển ................................................ 57

Đề tài này em nghiên cứu dựa trên các vấn đề xảy ra trong môi trường công nghiệp
hiện nay, cũng như nhu cầu điều khiển, giám sát các máy móc và hệ thống. Từ đó
đưa ra ý tưởng thiết kế một bộ điều khiển phù hợp dễ dàng sử dụng và độ ổn định
cao.
Với mong muốn tạo ra một bộ điều khiển đúc kết từ các kinh nghiệm có được. Để
làm ra một bộ điều khiển với giá thành rẻ, đáp ứng các nhu cầu vừa và nhỏ trong môi
trường công nghiệp, tăng cao hiệu quả kinh tế. Đồng thời tạo ra một xu hướng nghiên
cứu về các bộ điều khiển trong công nghiệp nhằm tự động hóa trong quá trình sản
xuất cho các em khóa sau.


2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu thiết bị điều khiển và giám sát hệ thống

Hình 1.1: Tự động hóa trong sản xuất
- Các thiết bị điều khiển và giám sát có mặt ở khắp mọi nơi và trên mọi lĩnh vực trong
cuộc sống chúng ta để tự động hóa các vấn đề, làm mọi thứ trở nên đơn giản và hiệu
quả hơn, để cuộc sống trở nên hiện đại và chất lượng hơn về mọi mặt.
- Khi nhu cầu và sự hiểu biết con người ngày càng cao, yêu cầu về số lượng và chất
lượng của các sản phẩm cũng không ngừng tăng, điều đó đòi hỏi các dây chuyền sản
xuất trong công nghiệp ngày càng hiện đại, có mức độ tự động hóa ngày càng cao với
việc sử dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại có trợ giúp của máy tính.
- Hệ thống điều khiển và tự động hóa có mặt trong mọi dây chuyền sản xuất của các
ngành kinh tế khác nhau như: công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải...
- Nhưng để tự động hóa được quá trình sản xuất như thế cần một bộ điều khiển đóng
vai trò là khu xử lý trung tâm, nhằm điều khiển các thiết bị ra vào theo lập trình sẵn
của người lập trình cho bộ điều khiển.


+ Điều khiển nhiệt độ từ xa.
- Chủ động điều khiển bình nóng lạnh
+ Nước ấm luôn sẵn.
+ Tiện nghi và tiết kiệm hơn.
- Tận hưởng hệ thống âm thanh đa vùng
+ Hệ thống amply không dây.
- An toàn tuyệt đối với hệ thống an ninh 24/7
+ An ninh giám sát.
+ Chống đột nhập.
- Automatic kiểm soát môi trường
+ Bảo vệ sức khỏe.
- Robot

Hình 1.4: Robot


5

Có khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại, việc nặng nhọc,
gây nguy hiểm cho con người, như nóng, độc, phóng xạ, dưới nước sâu, trong lòng
đất, ngoài vũ trụ,…
+ Tính chính xác rất cao, có khả năng tự động hóa cao, có tính lặp lại.
+ Tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm: do robot có thể làm việc nhiều ca mà
không mệt mỏi, không cần ăn trưa, không đòi hỏi lương...
- Công nghiệp:

Hình 1.5: Tự động hóa trong công nghiệp
+ Giảm chi phí vận hành: Tự động hóa công nghiệp giúp giảm thiểu số nhân công
cần thiết để vận hành máy móc dẫn đến việc giảm được các chi phí liên quan đến con
người như tiền lương, tiền bảo hiểm y tế, tiền lương nghỉ lễ, nghỉ ốm, tiền làm thêm

- Các module được bán riêng lẻ giá thành rất cao.


7

1.3.2. Bộ điều khiển giám sát sử dụng vi điều khiển

Hình 1.7: Bộ giám sát từ xa
Chức năng điều khiển và giám sát trong các hệ thống smarthome, các kho lạnh,
kho lưu trữ nguyên liệu.
Ưu điểm:
- Giá thành tương đối rẻ .
- Thiết kế đẹp, gọn gàng.
Nhược điểm:
- Sản phẩm có chức năng cụ thể, do nhà sản xuất làm ra nên khả năng tùy biến ít.
- Không làm chủ được công nghệ.
- Không sử dụng được trong môi trường có tạp nhiễu.

1.4. Mục tiêu đề tài
Thiết kế chế tạo bộ điều khiển và giám sát hệ thống, đáp ứng cho các nhu cầu điều
khiển tự động hiện nay. Có khả năng tùy biến cao, hoạt động ổn định trong môi trường
công nghiệp cùng với giá thành rẻ.


8

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG
NGHIÊN CỨU
2.1. Phương pháp nghiên cứu
2.1.1. Sơ đồ tổng thể

RTC: Khối thời gian thực.
Internet: Khối kết nối mạng Internet.
Sensor: Khối kết nối cảm biến.
Display: Khối hiển thị.
MCU: Khối xử lý số học các bài toán điều khiển.

Display


9

2.1.2. Phân tích môi trường khắc nghiệt của công nghiệp, các yếu tố làm cho
bộ điều khiển mất ổn định, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu nhất
2.1.2.1. Nhiễu điện từ (nhiễu dẫn và nhiễu bức xạ)
- Nguyên nhân: Nhiễu điện từ sinh ra khi thiết bị điện – điện tử bất kỳ hoạt động.
Nhiễu điện từ có hai biểu hiện:
+ Thứ nhất là nhiễu dẫn qua con đường dây dẫn, các thiết bị dùng điện đều có thể
bị ảnh hưởng.
+ Thứ hai là nhiễu đường bức xạ qua không gian, tùy mức độ, nguyên lý của thiết
bị thì cường độ nhiễu ảnh hưởng đến thiết bị điện – điện tử hoạt động xung quanh đó
nhiều hay ít.
- Giải pháp:
+ Thiết kế hộp vỏ kim loại để tránh nhiễu điện từ gây ra.
+ Các dây tín hiệu giao tiếp có dây bọc nhiễu tốt.
+ Các dây nguồn có thể được qua cuộn lọc trước khi vào board.
2.1.2.2. Nhiễu nguồn
- Nguyên nhân:
+ Khi sử dụng điện trong công nghiệp điện áp thường không ổn định, do nhiều đối
tượng hoạt động công suất lớn, trong lúc vận hành và khởi động sẽ gây ra sụt áp, hoặc
điện áp sẽ giao động lên xuống.

dụ biến tần điều khiển bằng PWM có loại yêu cầu áp 10V.
+ Khi điều khiển tải lớn thì sẽ phát ra xung nhiễu, ví dụ như tia lửa điện từ relay,
là một linh kiện quen thuộc trong điều khiển.
+ Điều khiển các đối tượng công suất lớn, như các loại driver điều khiển động cơ.
Tuy driver thiết kế rất tốt, nhưng các chân tín hiệu vẫn thấy rò điện, và nhiều xung
nhiễu ở tần số cao.
- Giải pháp:
+ Tạo ra một board cách ly quang giữa tín hiệu OUTPUT từ MCU, và khối công
suất.
+ Từ đó MCU không còn trực tiếp điều khiển các thiết bị, và sẽ không bị ảnh
hưởng các xung nhiễu trả về.
+ Khối công suất của board hoạt động ở tần số cao cho phép đóng cắt ở tần số cao,
có thể điều chế PWM, và hoạt động ở dải điện áp cao, dòng cao.
+ Sử dụng các linh kiện chống các xung ngược trả về để bảo vệ linh kiện.
2.1.2.5. Nhiễu do linh kiện
- Nguyên nhân:


11

Đây là do chất lượng của nhà sản xuất linh kiện, trong điều kiện khắc nghiệt thì
giữa linh kiện chính hãng và linh kiện trôi nổi hàng giả:
+ Linh kiện chính hãng có sức chịu đựng và ổn định tốt hơn rất nhiều so với hàng
trôi nổi.
+ Công suất và hiệu năng làm việc của linh kiện không chính hãng thậm chí không
được một nữa so với thông số của sản phẩm.
+ Linh kiện không chính hãng hoạt động không chính xác, chập chờn.
- Giải pháp: Mua hàng có chọn lọc, lựa nơi uy tín nhất để mua, mua linh kiện có
xuất xứ nguồn gốc rõ ràng.
2.1.2.6. Nhiễu do thiết kế board

lưới kết nối thiết bị Internet. Là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con
người được cung cấp một định danh riêng của nó và khả năng truyền tải, trao đổi
thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp
giữa người với người, hay người với máy tính [18].
2.1.3.1. Ứng dụng Internet Of Things trong bộ điều khiển
Internet Of Things giúp bộ điều khiển có thể giám sát và vận hành từ xa các đối
tượng một cách linh hoạt hơn. Để tiết kiệm về mặt thời gian, tiến trình cũng như chi
phí.
2.1.3.2. Lựa chọn máy chủ IOT
Internet Of Things hiện nay rất phát triển có nhiều máy chủ lưu trữ và hỗ trợ lập
trình rất tối ưu như MQTT, Thingspeak, Firebase...v...v...
Em lựa chọn sử dụng Firebase của Google vì:
+ Độ tin cậy cao. Nói về độ tin cậy, Google là một ông chủ lớn của công nghệ thì
độ tin cậy vô cùng cao, chúng ta có thể hoàn toàn tin cậy.
+ Tốc độ cao
+ Hỗ trợ tốt
+ Nhiều tính năng

Hình 2.2: Firebase