TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH BỒN NƢỚC ĐÔI Giảng viên hƣớng dẫn : Th.S TRẦN QUANG VINH Sinh viên thực hiện: HÙNG TẤN NGỌC MINH Lớp :09040003 Mssv:40900082 Khoá : 13 TP. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 07 năm 2015 LỜ Đầu tiên em xin gửi lời chào và lời cảm ơn chân thành nhất đến thầ đã tận tình giúp đỡ em liên tục để có thể ủa bồn nƣớc đôi, linh kiện điều khiển, cách đóng mở van tay để điều chỉnh mực nƣớc. đầu em làm về bồn nƣớ tránh khỏi những sai sót trong kiến thức cũng nhƣ trình bày chƣa đầy đủ về mức độ khả dụng to lớn của nó trong công nghiệp cũng nhƣ đời sống. Kính mong thầy cô có thể giúp em bổ sung thêm các kiến thức còn thiếu hoặc sai sót trong đây.
Em xin chân thành cảm ơn. CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và đƣợc sự hƣớng dẫn khoa học của Quang Vinh;. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chƣa công bố dƣới bất kỳ hình thức nào trƣớc đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá đƣợc chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng nhƣ số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình. Trƣờng đại học Tôn Đức Thắng không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có). Hồ Chí Minh, ngày tháng năm Tác giả (ký tên và ghi rõ họ tên) ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ------------------- ---------------------- Tp.HCM, ngày tháng năm 201 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Bản nhiệm vụ này được đóng vào trang thứ nhất của đồ án tốt nghiệp) Họ.
Ngày giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp:. Ngày bảo vệ 50% đồ án tốt nghiệp:. Ngày hoàn thành và nộp về khoa:. Giáo viên hƣớng dẫn: Phần hƣớng dẫn: 1.
Nội dung và yêu cầu ĐATN đã được thông qua Khoa và Bộ môn Ngày tháng năm 201 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN TRƢỞNG KHOA ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH BỒN NƢỚC ĐÔI MỤC LỤC ẢNH. 3 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .1 Giới thiệu bồn nƣớc đôi.2 Cấu hình bồn nƣớc đôi .1 Mô hình toán học .2 Phƣơng trình toán học .6 CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARM, BOARD STM32F4 VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH .1 Giới thiệu chung về ARM Cortex M4 .3 Các tính năng chính .2 Board STM32F4 Discovery .2 Một vài đặc điểm nổi bật của STM32 .3 Giới thiệu một số tính năng của Board STM32F4 Discovery.3 Phần mềm Keil Arm và STM32 Cube .2 Tạo dự án mới.15 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG .1 Giới thiệu mô hình chi tiết.3 Khối cảm biến .4 Khối nguồn, động cơ DC và vi điều khiển .26 SVTH: Hùng Tấn Ngọc Minh Trang 1 GVHD: Th.s Trần Quang Vinh ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH BỒN NƢỚC ĐÔI 3.2 Giải thuật điều khiển mờ (fuzzy) .1 Tổng quan về logic mờ .2 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ .3 Luật hợp thành mờ .4 Áp dụng vào mô hình thực tế .3 Giao tiếp máy tính dùng GUI Matlab .32 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN. 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 42 SVTH: Hùng Tấn Ngọc Minh Trang 2 GVHD: Th.s Trần Quang Vinh ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH BỒN NƢỚC ĐÔI ẢNH Hình 1.1: Cấu hình bồn nƣớc đôi liên kết hệ SISO .1: Board STM32F4 Discovery .3: Mở STM32 CubeMX .a: Cấu hình ngoại vi.b: Cấu hình ngoại vi .c: Cấu hình ngoại vi.d: Cấu hình ngoại vi .5: Khởi tạo dự án .7: Chƣơng trình Keil Arm .1: Mô hình bồn nƣớc đôi .4: Mạch thực tế .5: Cảm biến mức .6: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ .7: Các bộ điều khiển mờ .8: Mô tả hàm liên thuộc của luật hợp thành .9: Độ cao mực nƣớc sau khi mờ hóa .10: Luật hợp thành mờ .11: GUIDE Quick Start.
32 SVTH: Hùng Tấn Ngọc Minh Trang 3 GVHD: Th.s Trần Quang Vinh ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH BỒN NƢỚC ĐÔI Hình 3.12: Cửa sổ GUI .13: Tạo giao diện ngƣời dùng .16: Cửa sổ lập trình .17: Đoạn code giao tiếp máy tính .18: Code cho nút Stop và Exit. 39 SVTH: Hùng Tấn Ngọc Minh Trang 4 GVHD: Th.s Trần Quang Vinh ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH BỒN NƢỚC ĐÔI CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu bồn nƣớc đôi Hiện nay, với sự phát triển vƣợt bậc trong công nghiệp hóa và hiện đại hóa, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật, việc sử dụng các phần tử cảm biến, các ic tích hợp đã giúp cho chúng ta dễ dàng hơn trong việc điều khiển và giám sát quá trình tự động hay bán tự động, qua đó hiệu suấ ện rõ rệt. Trong công nghiệp hóa dầu, lọc dầu, xử lý nƣớc thải,… việ ển lƣu lƣợng và mực nƣớc để ổn định mức chất lỏng với độ chính xác cao giúp cho việc sản xuất đạt hiệu quả tốt hơn. Với yêu cầu ứng dụng thực tế nhƣ vậy, đề tài nghiên cứu đối tƣợng chính ở đây là hệ bồn nƣớc đôi.
Hệ bồn nƣớc đôi đƣợc hình thành với hệ thống bơm và xả chất lỏng nhƣng luôn giữ ổn định theo giá trị mức đặt trƣớc, cột chất lỏng của hai bồn đƣợc duy trì ổn định. Để làm đƣợc điều này thì đòi hỏi phải điều khiển đóng mở các van để điều tiết lƣu lƣợng dòng chảy cũng nhƣ điều khiển lƣu lƣợng chất lỏng từ máy bơm bơm vào hệ thống bồn nƣớc đôi, làm mức nƣớc trong hai bồn luôn luôn giữ một giá trị đặt trƣớc là không đổi. Việc điều khiển hệ thống này để giữ đƣợc mức chất lỏng trong hai bồn ổn định là tƣơng đối khó, cần phải có sự điều khiển phối hợp giữa các van và máy bơm. Từ mô hình có s n trong thực tế, ứng dụng lợi ích từ sự năng động đƣợc tích hợp trong vi điều khiển.
Ta sẽ dùng board STM32F4 , kết hợp với van xả tay, phao dùng biến trở để điều khiển mực nƣớc trong bồn.2 Cấu hình bồn nƣớc đôi 1.1 Mô hình toán học Mô hình của bồn nƣớc: 2 bồn nƣớc có cùng diện tích. SVTH: Hùng Tấn Ngọc Minh Trang 5 GVHD: Th.s Trần Quang Vinh ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH BỒN NƢỚC ĐÔI Hình 1.1: Cấu hình bồn nƣớc đôi liên kết hệ SISO 1.2 Phƣơng trình toán học Lƣu lƣợng nƣớc chảy vào bồn 1 từ máy bơm: Qi = KpU(t) (1.1) Vận tốc nƣớc chảy ra từ van xả A VA CdA 2gH1 (t ) (1.2) Vận tốc nƣớc chảy ra từ van xả B VB CdB 2g ( H1 (t ) H 2 (t )) (1.3) Diện tích mặt cắt trong của bồn 1: 1 A1 * D12 (1.4) 4 Diện tích mặt cắt của van xả A bồn 1: 1 aA * DB2 (1.5) 4 SVTH: Hùng Tấn Ngọc Minh Trang 6 GVHD: Th.s Trần Quang Vinh ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH BỒN NƢỚC ĐÔI Diện tích mặt cắt của van xả B bồn 1: 1 aB * DB2 (1.6) ta tính đƣợc lƣu lƣợng nƣớc chảy ra khỏi bồn 1 nhƣ sau: Q01 a A VA aB *VB CdA a A 2gH1 (t ) CdB aB 2g (H1 (t ) H 2 (t )) (1.7) Phƣơng trình vi phân mô tả động học của bồn 1 : H 1 (t ) A1 Qi Qo1 K pU (t ) C dA a A 2 gH1 (t ) C dB a B 2 g ( H 1 (t ) H 2 (t )) t (1.8) Từ đây ta suy ra đƣợc phƣơng trình vi phân mô tả sự biến thiên cả mực nƣớc trong bồn 1 là: H 1 (t ) C dA a A 2 gH 1 (t ) C dB a B 2 g ( H 1 (t ) H 2 (t )) Kp U (t ) t A1 A1 (1.9) Lƣu lƣợng nƣớc chảy vào bồn 2: Qi 2 CdB aB 2g (H1 (t ) H 2 (t )) (1.10) Vận tốc nƣớc chảy ra khỏi bồn 2: VC CdC 2gH2 (t ) (1.11) Diện tích mặt cắt van xả của bồn 2: 1 A2 * D22 (1.12) 4 SVTH: Hùng Tấn Ngọc Minh Trang 7 GVHD: Th.s Trần Quang Vinh ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH BỒN NƢỚC ĐÔI Lƣu lƣợng nƣớc chảy ra khỏi bồn 2: Q02 aC *VC CdC aC 2gH2 (t ) (1.13) Từ đây ta có phƣơng trình vi phân mô tả động học cho bồn 2 là: H 2 (t ) A2 Qi 2 Qo 2 CdB aB 2 g ( H1 (t ) H 2 (t )) CdC aC 2 gH 2 (t ) t (1.14) Suy ra phƣơng trình vi phân mô tả sự biến thiên mực nƣớc trong bồn 2 là: H 2 (t ) CdB aB 2 g CdC aC 2 g H1 (t ) H 2 (t ) H 2 (t ) (1.15) ta có hệ phƣơng trình : H 1 (t ) C dA a A 2 gH 1 (t ) C dB a B 2 g ( H 1 (t ) H 2 (t )) Kp U (t ) t A1 A1 H 2 (t ) C dB a B 2 g C dC a C 2 g H 1 (t ) H 2 (t ) H 2 (t ) t A2 A2 SVTH: Hùng Tấn Ngọc Minh Trang 8 GVHD: Th.s Trần Quang Vinh ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH BỒN NƢỚC ĐÔI CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARM, BOARD STM32F4 VÀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH 2.1 Giới thiệu chung về ARM Cortex M4 2.1 Giới thiệu ARM là viết tắt từ tên gốc là Advanced RISC Machine là một cấu trúc vi xử lý 32 bit và 64 bit kiểu RISC đƣợc sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Dòng vi xử lý ARM Cortex dựa trên một kiến trúc chuẩn đủ để đáp ứng hầu hết các yêu cầu về hiệu năng làm việc trong tất cả các lĩnh vực trên. Dòng ARM Cortex bao gồm ba cấu hình khác nhau của kiến trúc ARMv7: cấu hình A cho các ứng dụng tinh vi, yêu cầu cao chạy trên các hệ điều hành mở và phức tạp nhƣ Linux, Android…; cấu hình R dành cho các hệ thống thời gian thực và cấu hình M đƣợc tối ƣu cho các ứng dụng vi điều khiển, cần tiết kiệm chi phí.2 Kiến trúc Khái niệm Cortex-M4 là một Cortex-M3 cộng với DSP dẫn, và tùy chọn đơn vị nổi-điểm (FPU).