Đồ án Ðiều khiển và giám sát thang máy ðôi bằng Arduino (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Ðiều khiển và giám sát thang máy ðôi bằng Arduino (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ÐIỆN – ÐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỰ ĐỘNG ÐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THANG MÁY ÐÔI BẰNG ARDUINO GVHD: THS. NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI SVTH: KIỀU TUẤN NGUYÊN MSSV: 08118042 SVTH: NGUYỄN MINH QUÂN SVTH: 08118049 SKL003122 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬTTHÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành: Công nghệ điện tự động Đề Tài: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THANG MÁY ĐÔI BẰNG ARDUINO GVHD: ThS. NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI SVTH: KIỀU TUẤN NGUYÊN MSSV: 08118042 NGUYỄN MINH QUÂN MSSV: 08118049 TP. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
3. PHẦN A GIỚI THIỆU
4. GIỚI THIỆU TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Nhiệm Vụ Đồ Án Tốt Nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Kiều Tuấn Nguyên MSSV: 08118042 Nguyễn Minh Quân MSSV: 08118049 Chuyên ngành: Công nghệ Điện tự động Hệ: Đại học chính quy Niên khóa: 2008 – 2012 1. Tên đề tài: Điều Khiển Và Giám Sát Thang Máy Đôi Bằng Arduino 2. Nhiệm vụ và nội dung: Tì m hiểu về Arduino Mega2560. Tìm hiểu phần mềm Arduino IDE. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của thang máy đôi. Điều khiểnmô hình thang máy đôi 4 tầngbằngArduino Mega2560. Điều khiển và giám sát hệ thống từ máy tính. 3. Ngày giao nhiệm vụ: 21/3/2014 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: TP.HCM, ngày .tháng .năm 2014 TP.HCM, ngày .tháng .năm 2014 Giáo viên hướng dẫn Ban chủ nhiệm khoa ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
5. GIỚI THIỆU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN . Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Giáo viên hướng dẫn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
6. GIỚI THIỆU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN . Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Giáo viên phản biện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
7. GIỚI THIỆU LỜI CẢM ƠN  Lời đầu tiên nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô giảng dạy tại Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là quý thầy cô khoa Điện - Đi ện Tử đã giảng dạy và cung cấp những kiến thức bổ ích tạo tiền đề quan trọng cho nhóm thực hiện đồ án này. Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến giáo viên hướng dẫn thầy Nguyễn Văn Đông Hảiđã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, cung cấp những kiến thức, ý tưởng,trang thiết bị quan trọng và môi trường thi công thuận lợi giúp nhóm thoải mái và phát huy hết khả năng trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Cảm ơn bạn bè cùng các anh chị đi trước đã đóng góp ý kiến, giúp đỡ và động viên nhóm hoàn thành đồ án này. Sinh viên thực hiện Kiều Tuấn Nguyên Nguyễn Minh Quân i
8. GIỚI THIỆU LỜI NÓI ĐẦU  Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy tính đã cho ra đời các thiết bị điều khiển số như: PLC, Vi điều khiển . Các thiết bị này cho phép khắc phục được rất nhiều các nhược điểm của hệ thống điều khiển trước đó, và đáp ứng được yêu cầu kinh tế kỹ thuật trong sản xuất. Với sự phát triển của khoa học công nghệ như hiện nay, thì việc ứng dụng vi điều khiển để tự động hóa trong quá trình sản xuất, nhằm mục tiêu tăng năng suất lao động, giảm sức người, nâng cao chất lượng sản phẩm đang là một vấn đề cấp thiết và có tính thời sự cao. Với những kiến thức và kinh nghiệm học được ở trường và bạn bè cùng sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn và Thầy/Cô khoa Điện – Điện Tử, nhóm đã cố gắng hoàn thành đồ án này sao cho sát với nguyên lý hoạt động của hệ thống thực tế nhất. Quá trình thực hiện đồ án cũng đã giúp nhóm rất nhiều trong việc áp dụng kiến thức học ở trường, lớp vào công việc thực tiễn; tìm tòi phương hướng khắc phục tối ưu những khó khăn vướng phải trong công việc; phát huy tinh thần làm việc nhóm; Trong quá trình làm đồ án, được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn và bản thân nhóm đã cố gắng tham khảo tài liệu và tìm hiểu thực tế, nhưng do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án không thế tránh khỏi những thiếu sót. Do đó, nhóm rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quý báu của các thầy cô để đồ án của nhóm được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! ii
9. GIỚI THIỆU MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP . NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN PHẦN A: GIỚI THIỆU LỜI CẢM ƠN i LỜI NÓI ĐẦU ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH v PHẦN B: NỘI DUNG Chƣơng 1: Mở đầu 1 I. Đặt vấn đề 2 II. Lý do chọn đề tài 2 III. Mục tiêu của đề tài 3 IV. Giới hạn đề tài 3 V. Ý nghĩa khoa học 3 VI. Nội dung đề tài 4 Chƣơng 2: Tìm hiểu Arduino Mega2560 và phần mềm Arduino IDE 5 iii
10. GIỚI THIỆU I. Giới thiệu Arduino Mega2560 6 1.Giới thiệu chung về Arduino 6 2. Sơ lược về Arduino Mega2560 7 3.Các đặc tính chi tiết của Arduino Mega260 10 II.Giới thiệu Arduino IDE 19 1.Giới thiệu chung 19 2. Hướng dẫn sơ lược về lập trình với Arduino IDE 19 3. Hệ thống ví dụ và tài liệu tham khảo 24 Chƣơng 3: Điều khiển và giám sát mô hình thang máy đôi 4 tầng 27 I. Nguyên lý hoạt động của thang máy đôi 4 tầng 28 II.Hệ thống phần cứng 30 1. Các thiết bị điện trong mô hình thang máy đôi 30 2. Các mạch điện trong mô hình thang máy đôi 34 III. Thiết kế phần mềm 38 1. Bộ điều khiển Arduino Mega2560 35 2. Giải thuật điều khiển 39 3. Giao diện điều khiển và giám sát 46 Chƣơng 4: Kết luận và hƣớng phát triển 48 I. Kết luận 49 II. Hướng phát triển của đề tài 49 Phụ lục 50 iv
11. GIỚI THIỆU DANH MỤC HÌNH ẢNH Chƣơng 2 Hình 2.1 Arduino Mega2560 8 Hình 2.2Cáp nối USB 10 Hình 2.3 Adapter với jack 2.1mm 11 Hình 2.4 Nhóm chân nguồn 12 Hình 2.5 Vi điều khiển Atmega2560 13 Hình 2.6 Nhóm chân giao tiếp 13 Hình 2.7 Nhóm chân PWM 14 Hình 2.8 LED cho sẵn 14 Hình 2.9 Nhóm chân ngõ vào Analog 15 Hình 2.10 Cửa sổ phần mềm lập trình Arduino 15 Hình 2.11 Shield GSM 16 Hình 2.12 Shield Wifi 17 Hình 2.13 Shield điều khiển động cơ 17 Hình 2.14 Chip giao tiếp Atmega16U2 và các LED báo 18 Hình 2.15 Giao diện Arduino IDE 19 Hình 2.16 Biểu tượng Arduino IDE trên màn hình máy tính 20 Hình 2.17 Ví dụ nhấp nháy LED 21 Hình 2.18Chọn loại board đang sử dụng 21 Hình 2.19 Nút Upload 22 Hình 2.20 Sơ đồ cấu trúc cơ bản một chương trình 23 v
12. GIỚI THIỆU Hình 2.21 Hệ thống ví dụ của Arduino 24 Hình 2.22 Hướng dẫn kết nối phần cứng trong một ví dụ 26 Hình 2.23Hệ thống tài liệu về ngôn ngữ dùng cho Arduino IDE 26 Chƣơng 3 Hình 3.1 Động cơ kéo buồng thang 31 Hình 3.2 Động cơ kéo cửa Cabin 31 Hình 3.3 Led 7 đoạn 32 Hình 3.4Nút nhấn đơn 33 Hình 3.5Bảng nút nhấn 33 Hình 3.6Công tắc hành trình 34 Hình 3.7Đồ thị dạng xung điều chế PWM 34 Hình 3.8 Mạch nguyên lý board cầu H 35 Hình 3.9Board cầu H hoàn chỉnh 36 Hình 3.10Board cầu H đôi L298 37 Hình 3.11Sơ đồ nguyên lý L298 37 Hình 3.12 Sơ đồ khối kết nối phần cứng 38 Hình 3.13a Lưu đồ giải thuật 41 Hình 3.13b Lưu đồ giải thuật 42 Hình 3.13c Lưu đồ giải thuật 43 Hình 3.13d Lưu đồ giải thuật 44 Hình 3.13e Lưu đồ giải thuật 45 Hình 3.14Giao diện chương trình giám sát trên máy tính 46 vi
13. PHẦN B NỘI DUNG
14. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1 MỞ ĐẦU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang1
15. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU I. ĐẶT VẤN ĐỀ Vi điều khiển là hệ thống điều khiển được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là các hệ thống dân dụng, vì chi phí thấp, linh hoạt trong lập trình và thiết kế gọn nhẹ, tính cơ động cao. Việc tìm hiểu phương thức sử dụngVi điều khiển là yêu cầu thiết yếu của sinh viên khoa Điện-Điện tử nói chung và sinh viên ngành Công nghệ điện tự động nói riêng để trang bị kiến thức cho bản thân, phục vụ cho công việc trong tương lai. Ngày nay, thang máy không còn xa lạ đối với con người, là thiết bị vận chuyển tương đối phổ biến đặc biệt là trong các tòa nhà cao tầng, vận chuyển hàng hóa Và hiện nay, nhiều gia đình cũng có nhu cầu sử dụng thang máy cho việc di chuyển lên xuống giữa các tầng. Tuy nhiên, trong môi trường sư phạm, giải thuật điều khiển thang máy vẫn là một đề tài hấp dẫn đối với sinh viên vì cấu trúc điều khiển của thang máy là tương đối phức tạp, đòi hỏi, kích thích tư duy lập trình điều khiển của sinh viên. II. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nhằm nâng cao khả năng ứng dụng kiến thức đã được họctrên ghế nhà trường vào thực tiễn, tìm cách khắc phục khó khăn trong công việc, mở rộng tư duy của bản thân trong lập trình điều khiển, thang máy là mục tiêu thích hợp đối với yêu cầu của nhóm. Đối với việc sử dụng thiết bị điều khiển dành cho thang máy, sự lựa chọn của nhóm là sử dụng Vi điều khiển, vì nhận thấy sự linh hoạt trong lập trình, sự gọn nhẹ, cơ động, mặt khác độ bền và sự ổn định ngày càng cao so với trước đây, có tiềm năng rất lớn trong tương lai. Tuy vậy, việc tìm hiểu và nắm vững cấu trúc của mỗi loại Vi điều khiển mới luôn là thách thức và mong muốn của các bạn sinh viên. Để thực hiện được việc đó, người học cần rất nhiều kiến thức về ngôn ngữ lập trình, các kiến thức liên quan đến tự động hóa và điều quan trọng là phải có phương tiện, thiết bị phục vụ cho việc học tập, thực hành ứng dụng kiến thức. Do đó, nhóm đã chọn đề tài “ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THANG MÁY ĐÔI 4 TẦNG BẰNG ARDUINO” làm đồ án tốt nghiệp của mình nhằm nâng cao tư duy lập trình của bản thân, đồng thời có cơ hội nghiên cứu và làm việc với một board điều khiển hiện đang phát triển rất mạnh hiện nay, đó là Arduino. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang2
16. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Ở đề tài này, nhóm cũng mở một hướng mới so với đề tài trước, đó là giám sát hoạt động của thang máy bằng máy tính, giúp hoàn thiện khả năng vận hành và tăng tính an toàn. Đồng thời, hệ thống thang máy cũng được hoạt động với những chế độ ưu tiên giúp giảm thời gian chờ của người sử dụng cũng như tiết kiệm được phần nào năng lượng hoạt động của hệ thống. III. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Nắm bắt được giải thuật điều khiển thang máy đôi. Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng Arduino Mega2560. Thiết kế hệ thống giám sát bằng máy tính. IV. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Vì một số giới hạn về thời gian nghiên cứu và kiến thức chuyên môn, đề tài chỉ tập trung: Tìm hiểu cơ bản về Arduino Mega2560. Tìm hiểu về phần mềm Arduino IDE. Lập giải thuật điều khiển và viết chương trình điều khiển cho mô hình thang máy đôi 4 tầng. Điều khiển và giám sát mô hình thang máy đôi 4 tầng bằng máy tính. V. Ý NGHĨA KHOA HỌC Việc nghiên cứu thành công đề tài mang lại nhiều ý nghĩa sâu sắc. Bất kỳ một ứng dụng hay thử nghiệm cụ thể nào cũng dựa trên những cơ sở lý thuyết khoa học có sẵn. Về thực tiễn, đề tài là một thành công lớn trong việc vận dụng kiến thức vào công việc thực tế. Khi nghiên cứu thành công đề tài, nhóm làm đồ án là người trực tiếp có được thành quả. Quá trình thực hiện đề tài là một lần trải nghiệm thực tếvô cùng bổ ích. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang3
17. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU VI. NỘI DUNG ĐỀ TÀI Chƣơng 1: Mở đầu. Chƣơng 2:Tìm hiểu Arduino Mega2560 và phần mềm Arduino IDE. Trong chương này sẽ giới thiệu tổng quan về Arduino Mega2560 và giới thiệu phần mềm Arduino IDE. Chƣơng 3:Điều khiển và giám sátmô hình thang máy đôi 4 tầng. Chương này trình bày về phần cứng, phần mềm của mô hình thang máy đôi 4 tầng, giải thuật điều khiển và thiết kế hệ thồng giám sát cho mô hình. Chƣơng 4: Kết luận và hướng phát triển. Kết quả thực hiện đề tài và hướng phát triển của đề tài trong tương lai. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang4
18. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU ARDUINO MEGA2560 VÀ PHẦN MỀM ARDUINO IDE CHƢƠNG 2 TÌM HIỂU ARDUINO MEGA2560 VÀ PHẦN MỀM ARDUINO IDE ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang5
19. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU ARDUINO MEGA2560 VÀ PHẦN MỀM ARDUINO IDE I. GIỚI THIỆU ARDUINO MEGA2560 1. Giới thiệu chung về Arduino. Arduino đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và ngày càng chứng tỏ được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng trong cộng đồng nguồn mở (open-source). Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, Carnegie Mellon phải sử dụng; hoặc ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit Arduino Mega ADK dùng để phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và các thiết bị khác? Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. Chỉ với khoảng $30, người dùng đã có thể sở hữu một bo Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị. Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Banzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên. Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang6
20. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU ARDUINO MEGA2560 VÀ PHẦN MỀM ARDUINO IDE 2. Sơ lƣợc về Arduino Mega 2560 a. Tổng quan: Board Arduino Mega 2560 là một board điều khiển dựa trên vi điều khiển ATmega2560. Board có 54 chân tín hiệu số (15 trong số đó được dùng như chân xuất tín hiệu PWM), 16 chân tín hiệu Analog, 4 chân truyền tín hiệu UART,1 thạch anh 16 MHz, 1 cổng kết nối USB, 1 jack nguồn, 1 cổng nạp ICSP, và 1 nút Reset. Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ cho vi điều khiển. Nó có thể nạp chương trình qua cổng USB, cấp nguồn qua USB, adapter hoặc nguồn khác. Mặt trƣớc Mặt sau ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang7
21. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU ARDUINO MEGA2560 VÀ PHẦN MỀM ARDUINO IDE b. Các thành phần phần cứng cơ bản. Hình 2.1 Arduino Mega2560 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang8
22. PHỤ LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Ti ếng Việt: [1] Trương Thị Bích Ngà (2007), Giáo trình điện tử cơ bản, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM. Ti ếng nước ngoài: [2] Gina Carol Barney, Elevator Traffic Handbook: Theory and Practic. Wedsite: [1] [2] [3] [4] [5] [6] ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang49