BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI        ðAN HỒNG THUỶ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG CÓ TÍCH HỢP BẢN ðỒ SỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: ðiện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn Mã số: 60.52.54 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH Hà Nội – 2012 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong công trình khoa học nào trước ñó. Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả ðan Hồng Thủy Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… ii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội. Tôi ñã hoàn thành luận văn thạc sĩ với ñề tài: “Thiết kế hệ thống ño thông số môi trường có tích hợp bản ñồ số” Tôi xin chân thành cám ơn PGS. TSKH Trần Hoài Linh – Trường ðại học Bách khoa Hà Nội ñã tận tình hướng dẫn và tạo mọi ñiều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn Tự ñộng hóa – Khoa Cơ ñiện, Viện ñào tạo sau ðại học Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã ñọc và ñóng góp nhiều ý kiến quý báu ñể luận văn của tôi ñược hoàn chỉnh hơn. Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến Ban Giám hiệu và lãnh ñạo Trường Cao ñẳng nghề Cơ ñiện Tây Bắc nơi tôi công tác ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi nhất ñể tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu. Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến bạn bè, ñồng nghiệp và gia ñình ñã ñộng viên, khích lệ ñể tôi hoàn thành luận văn này. Hoà Bình , ngày tháng 8 năm 2012 Tác giả ðan Hồng Thủy Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iii MỤC LỤC MỞ ðẦU 1 1. ðặt vấn ñề 1 2. Nội dung nghiên cứu 1 3. Phương pháp nghiên cứu 2 4. Phạm vi ứng dụng 3 5. Giới thiệu về các chương mục của luận văn 3 CHƯƠNG I: CÁC GIẢI PHÁP ðO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG 5 1.1 Bài toán ño và kiểm soát nhiệt ñộ, ñộ ẩm trên diện rộng của môi trường 5 1.2. Cảm biến ño nhiệt ñộ nói chung và lựa chọn của ñề tài 5 1.2.1 Nguyên lý ño nhiệt ñộ 5 1.2.2 Nguyên lý chung 6 1.2.3. Cảm biến nhiệt ñộ PT100 (RTD) 7 1.2.4. Cảm biến nhiệt ñộ họ LM34 và LM35 (bán dẫn) 8 1.3. Cảm biến ño ñộ ẩm nói chung và lựa chọn ñề tài 9 1.3.1 Khái niệm chung 9 1.3.2 Ẩm kế ngưng tụ 12 1.3.3 Ẩm kế hấp thụ 14 1.3.4 Ẩm kế biến thiên trở kháng 16 1.4 Lựa chọn cảm biến ño nhiệt ñộ và ñộ ẩm 20 CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ GPS VÀ KHẢ NĂNG TÍCH HỢP BẢN ðỐ SỐ TRONG THIẾT BỊ ðO 22 2.1. Công nghệ GPS 22 2.1.1 Tổng quan về GPS 22 2.1.2 GPS là gì? 24 2.1.3 Các thành phần GPS 25 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iv 2.1.4 GPS có thể ño những gì? 29 2.1.5 Các kiểu ñịnh vị GPS 32 2.2 Lựa chọn module GPS tích hợp vào trong thiết bị ño 36 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ðO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG CÓ TÍCH HỢP BẢN ðỒ SỐ 38 3.1. Sơ ñồ khối và chức năng các khối 38 3.1.1 Sơ ñồ khối chính 38 3.1.2 Chức năng các khối chính 38 3.2 Lựa chọn và thiết kế vi xử lý 39 3.3 Lựa chọn thiết kế khối LCD 40 3.4 Lựa chọn thiết kế khối phím 41 3.5 Lựa chọn và thiết kế khối mạch truyền thông USB 42 3.6 Lựa chọn và thiết khối nguồn 48 3.7 Lựa chọn thiết kế phần cứng module GPS 50 3.8. Phân tích và thiết kế phần mềm vi xử lý 52 3.8.1 Vai trò của firmware trong hoạt ñộng chung của thiết bị 52 3.8.2 Lựa chọn công cụ ñể lập trình firmware 52 3.8.3 Nguyên lý và lưu ñồ thuật toán thực hiện chức năng chính của thiết bị 52 3.8.4 Module USB 57 3.9 Thiết kế khối cảm biến ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm 57 3.10. Thiết kế tổng thể mạch thiết bị 58 3.10.1 Mạch nguyên lý: 58 3.10.2 Mạch gồm các khối: 59 Chương IV: CÁC KẾT QUẢ TRIỂN KHAI 60 4.1. Mạch phần cứng 60 4.1.1 Mạch in 60 4.1.2 Mạch thực tế cho vào vỏ 62 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… v 4.2. Phần mềm vi xử lý - Tóm tắt kết quả lập trình Firmware cho vi ñiều khiển 63 4.2.1 Giao tiếp với màn hình 16x2. 63 4.2.2 Giao tiếp với cảm biến nhiệt ñộ - ñộ ẩm SHT10 64 4.2.3 Giao tiếp với module GPS 64 4.2.4 Lưu ñồ thuật toán hàm main 65 4.3. Các kết quả thử nghiệm 66 4.3.1 Công cụ Goole Earth 66 4.3.2 Ứng dụng cập nhật dữ liệu bản ñồ môi trường trực tuyến 67 4.3.3 Thiết kế phần vỏ của thiết bị 70 4.3.4 Thiết bị hoàn thiện 72 KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 73 1. Kết luận 73 2. ðề nghị 73 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của họ LM34 8 Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của họ LM35 9 Bảng 1.3:Các áp suất hơi bão hòa 15 Bảng 2.1: ðộ chính xác ñịnh vị GPS 35 Bảng 3.1 Danh sách tập lệnh của cảm biến SHT10 55 Bảng 3.2 Công thức qui ñổi ra ñộ ẩm và các hệ số ứng với các chế ñộ 8 hoặc 12 bít. 56 Bảng 3.3 Công thức qui ñổi nhiệt ñộ và các hệ số qui ñổi ứng với các chế ñộ 14 hoặc 8 bít. 56 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Nguyên lý kết cấu ẩm kế ngưng tụ 12 Hình 1.2: ðầu ño ẩm kế ngưng tụ 13 Hình 1.3: Nguyên lý cấu tạo của một ẩm kế hấp thụ 14 Hình 1.4: Các ñường cong áp suất hơi theo nhiệt ñộ của một số dung dịch muối bão hòa 15 Hình 1.5: Ẩm kế tụ ñiện polymer 17 Hình 1.6: Ẩm kế tụ ñiện oxyt Al 2 O 3 18 Hình 1.7: Nguyên lý cấu tạo của ẩm kế ñiện phân 19 Hình 1.8: Cảm biến nhiệt ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm SHT10 21 Hình 2.1: Hình ảnh trái ñất nhìn từ vệ tinh 22 Hình 2.2: Vệ tinh GPS bay xung quanh trái ñất 23 Hình 2.3: Các thành phần cơ bản của hệ thống GPS 25 Hình 2.4: Vệ tinh GPS 26 Hình 2.5: Cấu trúc tín hiệu GPS 27 Hình 2.6: Các trạm ñiều khiển GPS 28 Hình 2.7: Máy thu GPS Topcon GB-1000 trong kỹ thuật ño ñịa hình 29 Hình 2.8: Kỹ thuật so trùng ñể giải mã tín hiệu từ vệ tinh 30 Hình 2.9: Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu 31 Hình 2.10: Một số nguồn sai số ảnh hưởng ñến ñộ chính xác GPS 31 Hình 2.11: Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối 32 Hình 2.12: Tọa ñộ vệ tinh 32 Hình 2.13: Toạ ñộ của máy thu 33 Hình 2.14: Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối 34 Hình 2.15: ðịnh vị ñộng 35 Hình 2.16: Module GPS GR-89 của hãng Holux 36 Hình 3.1: Sơ ñồ khối 38 Hình 3.2: Vi ñiều khiển PIC18F4550 39 Hình 3.3: LCD loại 16x2 character 40 Hình 3.4: Sơ ñồ khối LCD 41 Hình 3.5: Sơ ñồ khối Keypad 42 Hình 3.6: Sơ ñồ chân cắm USB 42 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… viii Hình 3.7: Sơ ñồ nguyên lý khối nguồn 48 Hình 3.8: Hình ảnh pin 9V 48 Hình 3.9: Sơ ñồ chân của IC 7805 49 Hình 3.10: Sơ ñồ chân của IC AP1117 49 Hình 3.11: Sơ ñồ mạch GPS 50 Hình 3.12: Inactive GPS antenna 51 Hình 3.13: Active GPS antenna 51 Hình 3.14: Lưu ñồ thuật toán nhận và bóc tách dữ liệu nhận về từ GPS. 54 Hình 3.15: Sơ ñồ kết nối khối cảm biến nhiệt ñộ, ñộ ẩm . 57 Hình 3.16: Sơ ñồ nguyên lý tổng thể mạch thiết bị 58 Hình 4.1: Mạch in phía trên 60 Hình 4.2: Mạch in phía dưới 60 Hình 4.3: Mạch in hai mặt 61 Hình 4.4: Mạch in 3D mặt trên 61 Hình 4.5: Mạch in 3D mặt dưới 62 Hình 4.6: Mạch cho vào vỏ (a) 62 Hình 4.7: Mạch cho vào vỏ ( b) 63 Hình 4.8: Mạch cho vào vỏ hoàn thiện (c) 63 Hình 4.9: Lưu ñồ thuật toán hàm main 65 Hình 4.10: Bản ñồ dữ liệu với Google Earth 66 Hình 4.11: Sơ ñồ tổng quát quá trình ño, lưu dữ liệu và hiển thị trên Google Earth 67 Hình 4.12: Giao diện phần mềm Google Earth 67 Hình 4.13: Chọn Add / Placemark 68 Hình 4.14: Nhập vào các thông số tên, ñịa ñiểm, vĩ ñộ, kinh ñộ 68 Hình 4.15: Kết quả hiển thị ở ngã tư ðại Cồ Việt 69 Hình 4.16: Kết quả hiển thị ở Bến xe Mỹ ðình 69 Hình 4.17: Kết quả hiển thị ở Cầu Giấy 70 Hình 4.18: Kết quả hiển thị ở Bến xe Nước Ngầm 70 Hình 4.19: Thiết kế phần vỏ 71 Hình 4.20: Ảnh sản phẩm mặt trước 72 Hinh 4.21: Ảnh sản phẩm thể hiện cổng kết nối USB và công tắc nguồn 72 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 1 MỞ ðẦU 1. ðặt vấn ñề Vấn ñề ô nhiễm môi trường là một vấn ñề mang tính toàn cầu và rất cấp bách hiện nay, ñặc biệt là ñối với nước ta, một nước ñang phát triển, ñang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện ñại hóa. Việc ño và kiểm các thông số trong môi trường là một việc làm cần thiết ñể bảo vệ môi trường sống của chúng ta. Chính vì thế trong luận văn này ñã ñề xuất việc thiết kế chế tạo một thiết bị ño một số thông số của môi trường với kích thước nhỏ gọn (có thể cầm tay) và có tích hợp GPS dùng ñể ño, kiểm tra môi trường với hy vọng nó sẽ ñáp ứng ñược nhu cầu thực tế. 2. Nội dung nghiên cứu Xuất phát từ nhu cầu cần giám sát một thông số môi trường trên diện rộng (ví dụ như muốn khảo sát phân bố nhiệt ñộ trong thành phố ñể phát hiện các khu vực có nhiệt ñộ cao hoặc giám sát lượng bụi hoặc khí thải trong khu vực xung quanh các khu công nghiệp, ta cần một thiết bị ño vừa ño ñược các thông số môi trường vừa hỗ trợ xác ñịnh tọa ñộ (vị trí) của các ñiểm ño ñể phục vụ các công tác giám sát và thống kê. Trước ñây việc xác ñịnh vị trí ño và ghi chép kết quả ñược thực hiện thủ công nên dễ gây nhầm lẫn, ý tưởng của ñề tài là xây dựng một thiết bị ño có tích hợp GPS ñể các kết quả ño ñược lưu cùng với tọa ñộ GPS nhằm xác ñịnh vị trí của ñiểm ño trên bản ñồ một cách dễ dàng. Theo khảo sát thực tế trên thị trường nước ta và trên thế giới hiện nay ñang có nhu cầu rất lớn về thiết bị ño kiểm tra môi trường, kiểm tra nhiệt ñộ và ñộ ẩm có tích hợp bản ñồ số mà ñặc biệt là thiết bị ño nhỏ gọn có thể cầm tay ñể tiện cho việc cơ ñộng, di chuyển trong quá trình tác nghiệp. Mặc dù vậy các giải pháp công nghệ ñưa ra ñể áp dụng vào thiết bị ño ở thời ñiểm hiện tại còn có một số hạn chế nhất ñịnh như: [...]... ………………………… 2 - Xây d ng mô hình h th ng ño nhi t ñ , ñ m có tích h p GPS ñ kh ng ñ nh k t qu nghiên c u 4 Ph m vi ng d ng Góp ph n t ng h p và b sung phương pháp ño nhi t ñ và ñ m có tích h p h th ng GPS ñ xác ñ nh v trí ño cho bi t các thông tin v môi trư ng như: - Phát hi n các khu v c có nhi t ñ cao (xung quanh các nhà cao t ng, khu công nghi p n ng có n ng ñ khí th i cao) - Trong các khu ch bi n, s... văn g m có các chương: Chương I: (Các gi i pháp ño thông s môi trư ng) chương này nêu lên bài toán ño và ki m soát nhi t ñ , ñ m trên di n r ng c a môi trư ng t ñó ñưa ra nguyên lý chung, c u t o cơ b n, ch c năng ho t ñ ng, các ưu ñi m, như c ñi m và các thông s c a các lo i c m bi n nhi t ñ và ñ c u c a bài toán ño nhi t ñ , ñ m T yêu m có tích h p GPS trong lu n văn ñã l a ch n ñư c c m bi n tích h... phí s n xu t th p – Thi t b ño nh g n có th c m tay N i dung nghiên c u thi t k và ch t o m ch ph n c ng thi t b ño môi trư ng nhi t ñ , ñ m v i các yêu c u sau: ðo ki m soát nhi t ñ , ñ • m trên di n r ng c a môi trư ng (hi n th tr c ti p lên LCD, c nh báo b ng ñèn LED…) Thi t b ño có kích thư c nh g n (có kích thư c không l n hơn 100 x • 60 x 25mm có th c m tay) Tích h p h th ng GPS ñ xác ñ nh v trí... Th c t hi n nay các thông s môi trư ng r t nhi u thông s c n ño và ki m soát như: nhi t ñ , ñ m, và n ng ñ các khí CO, CH4, NH3, H2S… n i dung chính trong lu n văn là tri n khai th c hi n bài toán ño hai thông s c a môi trư ng là nhi t ñ và ñ m Thi t b ño tr c ti p các thông s này là c m bi n ño nhi t ñ và ñ các tín hi u nhi t ñ và ñ m, m này là các tín hi u không ñi n Qua c m bi n có nhi m v bi n ñ... u khi n l p trình (có th PLC, vi ñi u khi n) Tín hi u ra t b ñi u khi n cũng là tín hi u Analog ñưa t i khu ch ñ i và b chuy n ñ i hi n th ñ u ra các thông s trên màn hình LCD Ngoài ra k t h p tr c ti p v i thi t b ñ nh v các v trí ño b ng module GPS có th hi n th các ñi m ño xây d ng lên b n ñ s cho bi t các thông tin v môi trư ng c n ño và ki m soát V y bài toán ño hai thông s môi trư ng là nhi t... GPS Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c sĩ khoa h c k thu t ………………………… 3 – L a ch n module GPS tích h p vào trong thi t b ño Chương III: (Thi t k thi t b ño thông s môi trư ng có tích h p b n ñ s ) trình bày sơ ñ kh i, ch c năng t ng th c a các thi t b , d a vào sơ ñ kh i phân tích l a ch n và thi t k chi ti t t ng kh i trong sơ ñ Thi t k t ng th m ch c a thi t b Trong chương III g...– Thi t b ño có ít ch c năng, tính m không cao – Giá thành còn khá cao nên chưa th m r ng ph m vi s d ng – Chưa làm ch ñư c công ngh thi t k và ch t o Th c t trên ñã ñ t ra nhi m v thi t k , ch t o thi t b ño nhi t ñ , ñ m có tích h p GPS c m tay ñ gi i quy t ñư c nh ng v n ñ trên và ñáp ng ñư c nhu c u c a th c ti n như sau: – Thi t b có th ño ñư c c nhi t ñ , ñ m và có tích h p GPS – Giá thành... cho bi t các thông tin v môi trư ng • Thi t b ho t ñ ng s d ng ngu n Pin • ð m b o ñ chính xác cao (sai s ≤ 4,5%), kh năng thích ng ñ i v i môi trư ng làm vi c Lưu tr s li u, truy n và trao ñ i s li u v i b nh trong c a thi t b và • v i máy tính Có các phím ch c năng ñ cài ñ t các ch ñ ho t ñ ng • 3 Phương pháp nghiên c u - Nghiên c u lý thuy t ñ tìm các phương pháp ño nhi t ñ , ñ m có tích h p GPS... n th hai thông s trên màn hình LCD, ñ ng th i cũng hi n th v trí các ñi m ño trên màn hình LCD T i m i ñi m ño có v trí t a ñ là bao nhiêu, thông s nhi t ñ và ñ m t i các v trí là bao nhiêu T các k t qu ño ta có th xây d ng ñư c m i quan h gi a nhi t ñ và t a ñ , ñ m và t a ñ c a môi trư ng Nhìn trên v trí c a m t khu v c c n ño trên di n r ng t i các th i ñi m cũng như v trí khác nhau ta có th ki... trư ng Nhìn trên v trí c a m t khu v c c n ño trên di n r ng t i các th i ñi m cũng như v trí khác nhau ta có th ki m soát ñư c hai thông s môi trư ng nói trên theo th i gian Cũng như hư ng phát tri n c a lu n văn có th tích h p ñ ño và ki m soát thêm các thông s khác c a môi trư ng 1.2 C m bi n ño nhi t ñ nói chung và l a ch n c a ñ tài 1.2.1 Nguyên lý ño nhi t ñ Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – . kiểu ñịnh vị GPS 32 2.2 Lựa chọn module GPS tích hợp vào trong thiết bị ño 36 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ðO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG CÓ TÍCH HỢP BẢN ðỒ SỐ 38 3.1. Sơ ñồ khối và chức năng các khối. thành luận văn thạc sĩ với ñề tài: Thiết kế hệ thống ño thông số môi trường có tích hợp bản ñồ số Tôi xin chân thành cám ơn PGS. TSKH Trần Hoài Linh – Trường ðại học Bách khoa Hà Nội ñã. BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI        ðAN HỒNG THUỶ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG CÓ TÍCH HỢP BẢN ðỒ SỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ