Báo cáo Nghiên cứu chế tạo mạch giao tiếp quản lý giảng dạy thực hành động cơ phun xăng từ xa (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu chế tạo mạch giao tiếp quản lý giảng dạy thực hành động cơ phun xăng từ xa (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MẠCH GIAO TIẾP QUẢN LÝ GIẢNG DẠY THỰC HÀNH ĐỘNG CƠ PHUN XĂNGS K C 0 0 0 TỪ2 8 1 XA MÃ SỐ: T2011 - 13TĐ S K C 0 0 3 6 2 4 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MẠCH GIAO TIẾP QUẢN LÝ GIẢNG DẠY THỰC HÀNH ĐỘNG CƠ PHUN XĂNG TỪ XA MÃ SỐ: T2011 – 13TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG TP. HỒ CHÍ MINH 2011
3. ĐỀ TÀI NCKH C ẤP TR ƯỜNG TR ỌNG ĐIỂM PGS.TS ĐỖ VĂN D ŨNG MỤC L ỤC Trang Thông tin k ết qu ả nghiên c ứu 3 PH ẦN I: MỞ ĐẦU I. Tình hình nghiên c ứu trong và ngoài n ướ c 5 II. Tính c ấp thi ết c ủa đề tài 5 III. Mục tiêu nghiên c ứu 5 IV. Cách ti ếp c ận 6 V. Ph ươ ng pháp nghiên c ứu 6 VI. Đối t ượng và ph ạm vi nghiên c ứu 6 PH ẦN II: NỘI DUNG 1. Cơ s ở lý thuy ết 7 1.1. Cơ s ở lý thuy ết v ề mạng và thi ết b ị mạng 7 1.2. Cơ s ở lý thuy ết v ề Atmega32 12 1.3. IC gi ải mã Enc28j60 14 1.4. Cơ s ở lý thuy ết v ề Webserver 19 2. Thi ết k ế, ch ế tạo m ạch giao ti ếp, truy ền d ữ li ệu 26 2.1. Sơ đồ t ổng quát 26 2.2. Sơ đồ và nguyên lý t ừng b ộ ph ận 27 2.3. Các tín hi ệu thu th ập t ừ động c ơ 38 2.4. Ph ươ ng pháp START/STOP động c ơ 43 3. L ập trình cho h ệ th ống ki ểm soát t ừ xa 45 3.1. Ch ươ ng trình cho vi điều khi ển 45 3.2. Ph ần m ềm v ề Webserver 48 4. Th ực nghi ệm h ệ th ống ki ểm soát t ừ xa 54 4.1. Th ực nghi ệm IP LAN trên Internet c ấu hình 54 4.2. Th ực nghi ệm đáp ứng Ethernet board v ề máy tính (Ping) 58 4.3. Th ực nghi ệm v ới ph ần m ềm Iris v4.0 59 MẠCH GIAO TI ẾP QU ẢN LÝ GI ẢNG D ẠY TH ỰC HÀNH ĐỘNG C Ơ T Ừ XA 1
4. ĐỀ TÀI NCKH C ẤP TR ƯỜNG TR ỌNG ĐIỂM PGS.TS ĐỖ VĂN D ŨNG 4.4. Th ực nghi ệm v ới Webserver 59 5.5. Th ực nghi ệm trên mô hình 61 5.6. Nh ận xét 71 5.7. Sản ph ẩm hoàn ch ỉnh 72 PH ẦN III: K ẾT LU ẬN VÀ ĐỀ NGH Ị I. Nh ững v ấn đề gi ải quy ết trong đề tài 73 II. Ph ươ ng h ướng phát tri ển đề tài 74 Tài li ệu tham kh ảo MẠCH GIAO TI ẾP QU ẢN LÝ GI ẢNG D ẠY TH ỰC HÀNH ĐỘNG C Ơ T Ừ XA 2
5. ĐỀ TÀI NCKH C ẤP TR ƯỜNG TR ỌNG ĐIỂM PGS.TS ĐỖ VĂN D ŨNG Tr ường Đại h ọc S ư ph ạm K ỹ thu ật CỘNG HOÀ XÃ H ỘI CH Ủ NGH ĨA VI ỆT NAM Độc l ập - Tự do - Hạnh phúc Tp. H ồ chí minh Khoa C ơ khí Động l ực ___ Tp. HCM, Ngày tháng n ăm THÔNG TIN K ẾT QU Ả NGHIÊN C ỨU 1. Thông tin chung - Tên đề tài: “Nghiên c ứu ch ế tạo m ạch giao ti ếp qu ản lý gi ảng d ạy th ực hành động c ơ phun x ăng t ừ xa” - Mã s ố: T2011-13T Đ - Ch ủ nhi ệm: PGS.TS ĐỖ VĂN D ŨNG - Cơ quan ch ủ trì: Tr ường ĐH S ư ph ạm K ỹ thu ật Tp. HCM - Th ời gian th ực hi ện: Từ tháng 03 n ăm 2011 đến tháng 11 n ăm 2011 2. M ục tiêu Ch ế tạo h ệ th ống qu ản lý d ạy x ưởng th ực hành t ừ xa thông qua m ạng internet và các thi ết b ị thu phát sóng không dây. 3. Tính m ới và sáng t ạo: Hi ện nay t ại x ưởng th ực hành động c ơ phun x ăng c ủa các tr ường Đại H ọc và các tr ường d ạy ngh ề ch ưa có m ột h ệ th ống qu ản lý quá trình d ạy và h ọc th ực hành một cách hi ệu qu ả. Bên c ạnh đó vi ệc áp d ụng công ngh ệ thông tin và truy ền thông vào qu ản lý thi ết b ị xưởng m ột cách chi ti ết và d ầy đủ thông tin là m ột l ĩnh v ực hoàn toàn m ới và có h ướng phát tri ển t ốt trong t ươ ng lai. 4. K ết qu ả nghiên c ứu Sau m ột kho ảng th ời gian th ực hi ện, đề tài đã đạt được k ết qu ả kh ả quan. Mạch k ết n ối ho ạt động hi ệu qu ả, ổn định và hoàn toàn làm ch ủ được quá trình ho ạt động c ủa động c ơ. M ạch k ết n ối k ết h ợp v ới máy tính và thi ết b ị cầm tay t ạo thành một h ệ th ống qu ản lý h ữu hi ệu và ti ện l ợi cho quá trình d ạy và h ọc th ực hành động cơ phun x ăng t ừ xa. 5. S ản ph ẩm Sản ph ẩm c ủa đề tài là m ạch k ết n ối gi ữa động c ơ v ới máy tính và các thi ết bị cầm tay có ch ức n ăng k ết n ối Wifi và trình duy ết Web. 6. Hi ệu qu ả, ph ươ ng th ức chuy ển giao k ết qu ả nghiên c ứu và kh ả năng áp dụng Mạch k ết n ối giúp các giáo viên ki ểm soát r ất t ốt quá trình d ạy th ực hành t ừ xa. Và đã áp d ụng thành công t ại x ưởng th ực t ập khoa c ơ khí động l ực, ĐH S ư ph ạm K ỹ thu ật Tp HCM Tr ưởng Đơ n v ị Ch ủ nhi ệm đề tài (ký, h ọ và tên) (ký, h ọ và tên) MẠCH GIAO TI ẾP QU ẢN LÝ GI ẢNG D ẠY TH ỰC HÀNH ĐỘNG C Ơ T Ừ XA 3
6. ĐỀ TÀI NCKH C ẤP TR ƯỜNG TR ỌNG ĐIỂM PGS.TS ĐỖ VĂN D ŨNG INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: “Research on manufacture a communicating circuit for management the remote practical teaching in the fuel-injected engines” Code number: T2011-13T Đ Coordinator: Prof. DO VAN DUNG Implementing institution: University of Technical Education HCMC Duration: from 03/2011 to 11/2011 2. Objective The purpose of this research is to produce a system which can manage the remote teaching in practical workshops over the Internet and wireless broadcast devices 3. Creativeness and innovativeness Today, in practical fuel-injected engines workshops of universities and technical schools do not have good devices to manage the process of teaching and practicing effectively. Therefore the complete and detailed application of information technology and communication for equipment management in the practical workshops will be a new field and good vision in the future. 4. Research results After a long time to carry out, the project has achieved positive results. The integrated conecting circuit has run effectively, stablely and it has completely mastered the engine operation. The circuit is conected to the computer and the handheld devices, which has formed a convenient and effective management system for the remote teaching and practicing process in fuel-injected engines. 5. Products The product of the project is the circuit connecting among the engine, the computer and the handheld devices to form a system which has WiFi connectivity and Web browser. 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability The integrated conecting circuit helps teachers to control the remote practical teaching very well. In addition, it has successfully applied in automotive engineering workshops at University of Technical Education Ho Chi Minh City. MẠCH GIAO TI ẾP QU ẢN LÝ GI ẢNG D ẠY TH ỰC HÀNH ĐỘNG C Ơ T Ừ XA 4
7. ĐỀ TÀI NCKH C ẤP TR ƯỜNG TR ỌNG ĐIỂM PGS.TS ĐỖ VĂN D ŨNG PH ẦN I MỞ ĐẦ U I. Tình hình nghiên c ứu trong và ngoài n ướ c Bộ điều khi ển thi ết b ị qua m ạng đượ c các hãng l ớn nghiên c ứu và thi ết k ế đóng gói ra các s ản ph ẩm chuyên dùng cho công nghi ệp, khi l ắp đặ t vào h ệ th ống ch ỉ thi ết lập khai báo s ử d ụng và m ột trình điều khi ển riêng. Một s ố các s ản ph ẩm khác ch ỉ h ỗ tr ợ đơ n thu ần v ề liên k ết m ạng trong các chip điều khi ển, mu ốn s ử d ụng đượ c ph ải l ập trình lại khai thác để s ử d ụng (Chip ARM, các b ộ điều khi ển PLC c ủa Siemen S7-400, PCL Allen Branley ), m ột s ố các thi ết b ị của công ty NI (National Instrument) c ũng h ỗ tr ợ truy ền d ữ li ệu qua Wifi nh ưng giá thành quá cao và ch ức năng thu th ập d ữ li ệu còn h ạn ch ế (ch ỉ có ADC). Trong n ướ c, các đề tài nghiên c ứu về m ạng ch ưa hoàn ch ỉnh và ổn đị nh. Ví d ụ nh ư mô hình điều khi ển quang báo qua mạng LAN, robot điều khi ển t ừ xa dùng wifi. Các s ản ph ẩm đượ c l ập trình v ời nhi ều ngôn ng ữ và chip điều khi ển khác nhau. Và đặc bi ệt là ch ưa có s ản ph ẩm hay đề tài nào có ch ức n ăng thiên v ề ứng d ụng internet vào gi ảng d ạy động c ơ phun xăng t ừ xa. II. Tính c ấp thi ết c ủa đề tài Vi ệc gi ảng d ạy động c ơ phun x ăng hi ện nay di ễn ra th ường ngày trong các tr ường đại h ọc và cao đẳng ở Vi ệt Nam. Tuy nhiên vi ệc qu ản lý quá trình gi ảng d ạy rất khó kh ăn, đặc bi ệt là khi s ố lượng thi ết b ị ngày càng nhi ều và l ượng ng ười h ọc ngày càng t ăng. Vì th ế mà vi ệc s ử dụng m ột m ạch k ết n ối qu ản lý quá trình này t ừ xa là r ất c ần thi ết. Ở trên th ị tr ường, các b ộ điều khi ển qua m ạng c ủa các hãng l ớn th ườ ng mang tính kinh t ế cao, ch ỉ ứng d ụng ph ổ bi ến trong công nghi ệp nên không hợp lý cho l ựa ch ọn ứng d ụng d ạy h ọc. Bên c ạnh đó, việc k ết n ối gi ữa m ạng internet và thi ết b ị điều khi ển th ườ ng ph ải trung gian qua m ột máy tính khác, tức là ph ải theo chu ỗi Thi ết B ị – PC – Internet – PC gây ra lãng phí cho s ố lượng máy tính kèm theo. Vì v ậy, nghiên c ứu, tính toán và thi ết k ế bộ điều khi ển thi ết b ị qua m ạng internet dùng vi điều khi ển d ạng module hóa ch ức n ăng, đơ n gi ản, kinh t ế th ấp, vẫn là h ướng đi mang tính gi ải pháp cho vi ệc qu ản lý quá trình gi ảng d ạy qua internet. III. Mục tiêu nghiên c ứu Khi th ực hi ện đề tài này, nhóm th ực hi ện đề tài mong mu ốn s ẽ nắm được các ph ươ ng pháp cơ b ản để xây d ựng m ột mô hình giám sát động c ơ đơ n gi ản, có th ể kết n ối, truy ền d ữ li ệu, điều khi ển ON/OFF động c ơ và thu th ập các tín hi ệu c ảm bi ến c ủa động c ơ từ xa qua sóng WiFi để báo v ề bộ ph ận trung tâm nh ằm giám sát ho ạt động d ạy và h ọc th ực t ập động c ơ phun x ăng. Ng ười qu ản lý có th ể sử dụng bất k ỳ một thi ết b ị nào có kh ả năng k ết n ối Wifi và có trình duy ệt Web để kết n ối với động c ơ. MẠCH GIAO TI ẾP QU ẢN LÝ GI ẢNG D ẠY TH ỰC HÀNH ĐỘNG C Ơ T Ừ XA 5
8. ĐỀ TÀI NCKH C ẤP TR ƯỜNG TR ỌNG ĐIỂM PGS.TS ĐỖ VĂN D ŨNG IV. Cách ti ếp c ận 1. Tham kh ảo tài li ệu Dựa vào yêu c ầu c ủa đề tài đư a ra mà nhóm nghiên c ứu đã ti ến hành thu th ập và tìm ki ếm các tài li ệu có liên quan để giúp đỡ cho vi ệc nghiên c ứu. Các tài li ệu v ề mạng inetrnet, các giao th ức truy ền d ữ li ệu, l ập trình vi điều khi ển, thi ết k ế giao di ện web b ằng HTML đơ n gi ản là m ục tiêu ti ếp c ận c ủa nhóm th ực hi ện đề tài 2. Ti ến hành nghiên c ứu Nhóm nghiên c ứu đã th ực hi ện tìm hi ểu và nghiên c ứu vi điều khi ển AVR, chip giao th ức Internet ENC28J60, cách truy ền nh ận d ữ li ệu c ủa chíp ENC28J60 và Internet, chu ẩn giao ti ếp c ủa chíp ENC28J60 và vi điều khi ển. Các ho ạt động nghiên c ứu bao g ồm l ập trình vi điều khi ển AVR giao ti ếp v ới chíp ENC28J60, xây dựng giao di ện webserver đơ n gi ản trên vi điều khi ển b ằng ngôn ng ữ HTML để điều khi ển thi ết b ị, vi ết ch ươ ng trình cho vi điều khi ển AVR b ằng WinAVR. 3. Vi ết công trình nghiên c ứu Sau quá trình sàng l ọc, tìm hi ểu các tài li ệu, nhóm đã nghiên c ứu, t ổng h ợp và trình bày nh ững gì nghiên c ứu được để hình thành đề tài. V. Ph ươ ng pháp nghiên c ứu Trong quá trình nghiên c ứu, nhóm th ực hi ện đề tài đã s ử dụng các ph ươ ng pháp nghiên c ứu sau: - Ph ươ ng pháp thu th ập và tham kh ảo tài li ệu - Ph ươ ng pháp mô ph ỏng gi ả lập - Ph ươ ng pháp l ập trình vi điều khi ển - Ph ươ ng pháp th ực nghi ệm VI. Đối t ượ ng và ph ạm vi nghiên c ứu Đối tượng nghiên c ứu c ủa đề tài là các thi ết b ị k ết n ối qua m ạng internet, các giao th ức truy ền nh ận d ữ li ệu và ph ươ ng pháp k ết n ối gi ữa các modul. Các tín hi ệu quan tr ọng trong quá trình ho ạt độ ng c ủa độ ng c ơ được Modul thu th ập, chuy ển đổ i, mã hóa và truy ền vào m ạng internet. Ngôn ng ữ l ập trình web và ph ươ ng pháp điều khi ển độ ng c ơ. Tuy nhiên, do h ạn ch ế v ề th ời gian và m ức độ c ủa đề tài nên nhóm th ực hi ện đề tài ch ỉ gi ải quy ết các n ội dung sau: - Ch ỉ nghiên c ứu vi ệc giao ti ếp, truy ền và nh ận d ữ li ệu b ằng WiFi trên c ơ s ờ của giao th ức TCP/IP. - Không th ực hi ện vi ệc truy ền nh ận d ữ li ệu b ằng sóng RF ho ặc 3G. - Ch ưa ứng d ụng camera vào quá trình giám sát ho ạt động c ủa động c ơ MẠCH GIAO TI ẾP QU ẢN LÝ GI ẢNG D ẠY TH ỰC HÀNH ĐỘNG C Ơ T Ừ XA 6
9. ĐỀ TÀI NCKH C ẤP TR ƯỜNG TR ỌNG ĐIỂM PGS.TS ĐỖ VĂN D ŨNG PH ẦN II NỘI DUNG 1. Cơ s ở lý thuy ết 1.1. Cở sở lý thuy ết v ề mạng Ethernet 1.1.1 Gi ới thi ệu chung về Ethernet Ngày nay, Ethernet đã trở thành công nghệ mạng cục bộ được sử dụng rộng rãi. Sau 30 năm ra đời, công ngh ệ Ethernet vẫn đang được ti ếp tục phát tri ển nh ững kh ả năng mới đáp ứng những nhu cầu mới và tr ở thành công nghệ mạng phổ biến và ti ện dụng. Ngày 22 tháng 5 năm 1973, Robert Metcalfe thu ộc Trung tâm Nghiên cứu Palto Alto của hãng Xerox - PARC, bang California, đã đư a ra ý tưởng hệ thống kết nối mạng máy tính cho phép các máy tính có th ể truy ền dữ li ệu với nhau và với máy in lazer. Lúc này, các hệ thống tính toán lớn đều được thi ết kế dựa trên các máy tính trung tâm đắt ti ền (mainframe). Điểm khác biệt lớn mà Ethernet mang lại là các máy tính có th ể trao đổi thông tin tr ực ti ếp với nhau mà không cần qua máy tính trung tâm. Mô hình mới này làm thay đổi th ế gi ới công ngh ệ truyền thông. Chuẩn Ethernet 10Mbps đầu tiên được xuất bản năm 1980 bởi sự phối hợp phát tri ển của 3 hãng: DEC, Intel và Xerox. Chuẩn này có tên DIX Ethernet (lấy tên theo 3 chữ cái đầu c ủa tên các hãng). Uỷ ban 802.3 của IEEE đã lấy DIX Ethernet làm nền tảng để phát triển. Năm 1985, chuẩn 802.3 đầu tiên đã ra đời với tên IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method vesus Physical Layer Specification . Mặc dù không sử dụng tên Ethernet nhưng hầu hết mọi người đều hiểu đó là chu ẩn của công nghệ Ethernet. Ngày nay chuẩn IEEE 802.3 là chuẩn chính thức c ủa Ethernet. IEEE đã phát tri ển chu ẩn Ethernet trên nhiều công nghệ truy ền dẫn khác nhau vì thế có nhi ều loại mạng Ethernet. 1.1.2 Các đặc tính chung của Ethernet a) Cấu trúc khung tin Ethernet Các chuẩn Ethernet đều hoạt động ở tầng Data Link trong mô hình 7 lớp OSI vì thế đơ n vị dữ li ệu mà các trạm trao đổi với nhau là các khung (frame). Cấu trúc khung Ethernet như sau: Hình 1 Cấu trúc khung tin Ethernet Các tr ường quan tr ọng trong phần mào đầu s ẽ được mô tả dưới đây: MẠCH GIAO TI ẾP QU ẢN LÝ GI ẢNG D ẠY TH ỰC HÀNH ĐỘNG C Ơ T Ừ XA 7