Ứng dụng thiết bị ni-Myrio 1900 và cảm biến DHT11 khảo sát nhiệt độ và độ ẩm môi trường

ỨNG DỤNG THIẾT BỊ NI-myRIO 1900 VÀ CẢM BIẾN DHT11 KHẢO SÁT NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG Nguyễn Thanh Tùng(1) (1)Trường Đại học Thủ Dầu Một Ngày nhận bài 3/7/2017; Ngày gửi phản biện 20/8/2017; Chấp nhận đăng 30/12/2017 Email: tungnt@tdmu.edu.vn Tóm tắt Việc kết hợp sử dụng thiết bị NI-myRIO và lập trình FPGA trên nền tảng phần mềm LabVIEW là một giải pháp hữu hiệu để xây dựng các module sử dụng cho việc đo đạc, khảo sát các thông số vật lý, hóa học dựa trên tín hiệu đầu vào là các loại cảm biến có thể cho tín hiệu đầu ra dạng analog hoặc digital. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu ứng dụng thiết bị NI-myRIO 1900 và cảm biến DHT11, viết code trên phần mềm LabVIEW 2015 dùng để đo và khảo sát nhiệt độ và độ ẩm của môi trường không khí. Với phần mềm lập trình LabVIEW 2015, chúng ta có thể dễ dàng thu thập số liệu nhiệt độ và độ ẩm môi trường với tín hiệu dạng analog và vẽ đồ thị các thông số trên theo thời gian thực một cách trực quan trên màn hình laptop thông qua các hình ảnh giống thật bằng những cú click để viết code từ các thư viện lập trình đồ họa, các biểu tượng thay cho các hàm trong lập trình truyền thống. Từ khóa: NI-myRIO, đo nhiệt độ và độ ẩm Abstract APPLICATIONS NI NIRO-myRIO 1900 AND DHT11 SENSOR SURVEY TEMPERATURE AND HUMIDITY OF ENVIRONMENTAL The NI-myRIO is a microprocessor device manufactured by National Instruments (NI) that comes with this device as LabVIEW programming software. This LabVIEW software and device has been marketed by NI in a variety of versions since 1976, after more than 40 years of development. NI-myRIO and LabVIEW are of particular interest to researchers, students in the field of automation, robot design and intelligent devices worldwide. The combination of FPGA programming on the LabVIEW software platform is generally an effective solution for building modules for measuring and examining physical and chemical parameters based on input signals as sensors. Within this subject topic, the author presents NI-myRIO 1900 application research results and the DHT11 sensor, coding on LabVIEW 2015 software for measuring and examining ambient temperature and humidity of air. With LabVIEW we can realistically capture and graph data in real time on the laptop screen through simple code. 1. Giới thiệu chung 1.1. Thiết bị NI-myRIO 1900 Thiết bị NI-myRIO là một công cụ vi xử lý do Công ty National Instruments (NI) sản xuất đi kèm với thiết bị này là phần mềm lập trình LabVIEW. Phần mềm LabVIEW và thiết bị này đã được NI giới thiệu ra thị trường với nhiều phiên bản khác nhau kể từ năm 1976, sau hơn 40 năm hình thành và phát triển, NI-myRIO và LabVIEW đang được các nhà nghiên cứu, các sinh viên trong lĩnh vực tự động hóa, thiết kế robot và các thiết bị thông minh trên toàn thế giới đặc biệt quan tâm. Thiết bị NI-myRIO nói chung là một nền tảng nhúng chạy độc lập mang tính cách mạng, tích hợp phần cứng/phần mềm cho phép người dùng thiết kế và chế tạo hệ thống thực nhanh hơn bao giờ hết. MyRIO tích hợp chứa một bộ xử lý ARM lõi thép và chip nhúng FPGA của Xilinx trên một hệ thống chip (System on a Chip). Được thiết kế từ ban đầu dành cho việc giảng dạy và nghiên cứu kỹ thuật, myRIO cũng bao gồm sẵn những đầu ra (I/Os), tích hợp từ WiFi và một lớp vỏ rắn chắc. Để giao tiếp giữa phần mềm LabVIEW 2015 với các phần tử trong hệ thống ta sử dụng bộ điều khiển NI myRIO 1900 của hãng National Instruments như hình 1. Hình 1. Bộ điều khiển NI myRIO 1900 1: NI-myRIO 1900; 2: Cổng mở rộng; 3: Cáp điện cấp nguồn; 4: Cáp USB kết nối máy tính; 5: Cáp USB kết nối máy chủ (không đi kèm sản phẩm); 6: Đèn led; 7: Cổng hệ thống có chân đấu vặn vít; 8: Cáp vào/ra âm thanh; 9: Nút ấn. Các khối chức năng được sắp xếp và có mối quan hệ với nhau được thể hiện trong hình 2. Sơ đồ bố trí chân trên cổng A, B trên bộ điều khiển NI-myRIO 1900 như hình 3. Sơ đồ bố trí chân trên cổng C của bộ điều khiển NI-myRIO 1900 hình 4. Bảng 1. Chức năng của các chân trên cổng A, B của bộ điều khiển NI-myRIO 1900 Chân Tham chiếu Loại đầu vào/ra Miêu tả chức năng +5V DGND Đầu ra Điện áp ra +5V AI AGND Đầu vào 0-5V so với chân tham chiếu, đơn kênh đầu vào tương tự AO AGND Đầu ra 0-5V so với chân tham chiếu, đơn kênh đầu ra tương tự AGND NA NA Chân tham chiếu cho chân tín hiệu vào/ra tương tự +3,3V DGND Đầu ra Điện áp ra +3,3V DIO DGND Đầu vào/ra Kênh số tương thích với tín hiệu đầu ra là 3,3 V; tín hiệu đầu vào 3,3-5V. UART.RX DGND Đầu vào UART nhận tín hiệu vào, giống như đường DIO UART.TX DGND Đầu ra UART truyền tín hiệu ra, giống như đường DIO DGND NA NA Chân tham chiếu cho chân tín hiệu số, +3,3V và +5V Hình 2. Các khối chức năng trong bộ điều khiển NI-myRIO 1900 Hình 4. Cổng C của bộ điều khiển NI-myRIO 1900 Hình 3. Cổng A, B của bộ điều khiển NI-myRIO 1900 Bảng 2. Chức năng của các chân trên cổng C của bộ điều khiển NI-myRIO 1900 Chân Tham chiếu Loại đầu vào/ra Miêu tả chức năng +15V/-15V DGND Đầu ra Điện áp ra +15V/-15V AI0+/AI0- AI1+/AI1- AGND Đầu vào ±10V, các kênh đầu vào tương tự AO AGND Đầu ra ±10V so với chân tham chiếu, đơn kênh đầu ra tương tự AGND NA NA Chân tham chiếu cho chân tín hiệu vào/ra tương tự và chân điện áp ra +15V/-15V +5V DGND Đầu ra Điện áp ra +5V DIO DGND Đầu vào/ra Kênh số tương thích với tín hiệu đầu ra là 3,3 V; tín hiệu đầu vào 3,3-5V. DGND NA NA Chân tham chiếu cho chân tín hiệu số và chân điện áp ra +5V 1.2. Phần mềm LabVIEW2015 LabVIEW (viết tắt của Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là môi trường ngôn ngữ đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp đa kênh giữa con người, thuật toán và các thiết bị. LabVIEW hỗ trợ các kỹ sư, nhà khoa học và sinh viên xây dựng (thực thi) các thuật toán một cách nhanh, gọn, sáng tạo, và dễ hiểu nhờ các khối hình ảnh có tính gợi nhớ và cách thức hoạt động theo kiểu dòng dữ liệu (data flow) lần lượt từ trái qua phải. Các thuật toán này sau đó được áp dụng lên các mạch điện và cơ cấu chấp hành thực nhờ vào việc kết nối hệ thống thật với LabVIEW thông qua nhiều chuẩn giao tiếp như chuẩn giao tiếp RS232 (giao tiếp qua cổng COM), chuẩn USB, chuẩn giao tiếp mạng TCP/IP, UDP, chuẩn GPIBVì vậy LabVIEW là một ngôn ngữ giao tiếp đa kênh. LabVIEW hỗ trợ hầu hết các hệ điều hành (Windows (2000, XP, Vista, Windows7), Linux, MacOS, Window Mobile, Window Embedded. LabVIEW được biết đến như là một ngôn ngữ lập trình với khái niệm hoàn toàn khác so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như ngôn ngữ C, Pascal. Bằng cách diễn đạt cú pháp thông qua các hình ảnh trực quan trong môi trường soạn thảo, LabVIEW đã được gọi với tên khác là lập trình G (viết tắt của Graphical). Hình 5. Giao diện của LabVIEW 2015 LabVIEW được sử dụng trong các lĩnh vực đo lường, tự động hóa, cơ điện tử, robotics, vật lý, toán học, sinh học, vật liệu, ôtô LabVIEW giúp người dùng kết nối bất kỳ cảm biến và bất kỳ cơ cấu chấp hành nào với máy tính; LabVIEW có thể được sử dụng để xử lý các kiểu dữ liệu như tín hiệu tương tự (analog), tín hiệu số (digital) hình ảnh (vision), âm thanh (audio); LabVIEW hỗ trợ các giao thức giao tiếp khác nhau như RS232, RS485, TCP/IP, PCI, PXI. Cũng có thể tạo ra các thực thi độc lập và các thư viện chia sẻ (ví dụ thư viện liên kết động DLL), bởi vì LabVIEW là một trình biên dịch 32-bit. 1.3. Cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm DHT11 Thông số kỹ thuật: điện áp hoạt động: 3 - 5V; dải nhiệt độ đo: 0 - 50°C với độ chính xác là ±2°C; dải độ ẩm đo: 20 - 80% với độ chính xác là 5%; kích thước: 15.5mm x 12mm x 5.5mm; tần số lấy mẫu: 1Hz , nghĩa là 1 giây DHT11 lấy mẫu một lần; cảm biến có 4 chân: VCC ( cực (+) nguồn ), DATA (chân tín hiệu), NC, GND (cực (-) nguồn) Cách điều khiển cảm biến: DHT11 gửi và nhận dữ liệu với một dây tín hiệu DATA, với chuẩn dữ liệu truyền 1 dây này, chúng ta phải đảm bảo sao cho ở chế độ chờ (delay) dây DATA có giá trị ở mức cao, nên trong mạch sử dụng DHT11, dây DATA phải được mắc với một trở kéo bên ngoài (thông thường giá trị là 5,1 kΩ). Dữ liệu truyền về của DHT11 gồm 40bit dữ liệu theo thứ tự: 8 bit biểu thị phần nguyên của độ ẩm + 8 bit biểu thị phần thập phân của độ ẩm + 8 bit biểu thị phần nguyên của nhiệt độ + 8 bit biểu thị phần thập phân của nhiệt độ + 8 bit checksum. Ví dụ, ta nhận được 40 bit dữ liệu: 0011 0101 0000 0000 0001 1000 0000 0000 0100 1101 Tính toán:  - 8 bit checksum: 0011 0101 + 0000 0000 + 0001 1000 + 0000 0000 = 0100 1101 - Độ ẩm: 0011 0101 = 35H = 53% (ở đây do phần thập phân có giá trị 0000 0000, nên ta bỏ qua không tính phần thập phân) - Nhiệt độ: 0001 1000 = 18H = 24°C (ở đây do phần thập phân có giá trị 0000 0000, nên ta bỏ qua không tính phần thập phân) 2. Thực hành 2.1. Sơ đồ nối dây Sau khi khởi động phần mềm LabVIEW 2015, nối kết thiết bị NI-myRIO 1900 với máy tính thông qua cổng wifi (hoặc có thể dùng cab ngỏ USB) với chỉ số IP phù hợp. Khi thấy đèn chỉ thị trên phần mềm tại thư mục NI-myRIO có màu xanh sáng lên nghĩa là thiết bị đã kết nối với máy tính. Kích hoạt phần mềm và mở file nguồn DHT11 Sensor.lvproj sau đó xem lại kết nối giữa cảm biến và thiết bị vi xử lý. Để nối kết thiết bị NI-myRIO 1900 và cảm biến DHT11chúng tôi dùng sơ đồ hình 6. Hình 6. Sơ đồ nối chân giữa thiết bị NI-myRIO 1900 và cảm biến DHT11 2.2. Viết code trên LabVIEW 2015 Hình 7. Hình ảnh code, với file chạy Main (RT).vi Code viết cho cảm biến DHT11 được dựa trên thông số kỹ thuật của cảm biến theo Datasheet. Khi lập trình FPGA trên phần mềm LabVIEW 2015 cho file Main (VT).vi, chúng ta nên quan tâm đến sự chuyển đồi giữa nhiệt độ bách phân Celsius (0C) và Fahrenheit (0F) với công thức quan hệ là: 2.3. Tạo file biên dịch FPGA trên LabVIEW 2015 Để cảm biến chạy được trên nền LabVIEW 2015, code có tên DHT11 Sensor.lvproj được viết dạng FPGA và cần phải biên dịch file chạy Examp-DHT11 (FPGA).vi và file Main (RT).vi thông qua lệnh Buils Specifications và tùy chọn Real Time, khi đó màn hình hiển thị như Hình 8. Hình 7. Cây thư mục chứa tập tin biên dịch Example – DHT11 (FPGA) và Main (RT).vi Hình 8. Hình ảnh LabVIEW 2015 đang biên dịch file Example-DHT11 (FPGA) Hình 9. Hình ảnh thiết bị NI-myRIO đang hoạt động 3. Kết quả thực nghiệm Sau khi biên dịch file chạy Main (RT).vi trong thời gian khoảng 5 phút, tiến hành cho thiết bị chạy (Run). Khi đó cảm biến đo và ghi nhận số liệu nhiệt độ và độ ẩm, kết quả được hiển thị trên màn hình bằng đồ thị như hình 10. Hình 10. Hình ảnh đồ thị đo nhiệt độ và độ ẩm của file chạy Main (RT). Kết quả đo nhiệt độ (Temperature, 0C) và độ ẩm (Humidity, %) được xuất ra dưới dạng excel trong thời gian khảo sát là 72giây với tần suất ghi nhận là 2 giây, chúng tôi thu thập số liệu như bảng 3. Bảng 3. Kết quả đo đạc số liệu nhiệt độ t (0C) và độ ẩm không khí H(%) Times 1 2 3 4 5 6 7 8 9 H (%) 47.4 47.6 47.5 47.3 47.4 47.5 47.4 47.5 47.4 t (0C) 28.0 28.1 28.0 28.2 28.1 28.0 28.1 28.2 28.1 Times 10 11 12 13 14 15 16 17 18 H (%) 47.5 47.4 47.5 47.4 47.3 47.5 47.4 47.4 47.5 t (0C) 28.0 28.2 28.1 28.2 28.0 28.0 28.1 28.2 28.1 Times 19 20 21 22 23 24 25 26 27 H (%) 47.4 47.6 47.5 47.3 47.3 47.4 47.4 47.5 47.4 t (0C) 28.0 28.1 28.0 28.2 28.1 28.1 28.1 28.1 28.1 Times 28 29 20 31 32 33 34 35 36 H (%) 47.3 47.6 47.5 47.3 47.4 47.5 47.5 47.5 47.4 t (0C) 28.1 28.1 28.0 28.1 28.1 28.1 28.1 28.2 28.2 Dựa vào Bảng chúng tôi tính được giá trị trung bình, sai số và kết quả của độ ẩm và nhiệt độ được biểu diễn: và nhiệt độ là , sai số của cả hai thông số đều là 0,1 cho thấy cảm biến DHT11 có độ chính xác khá cao, đáng tin cậy trong phép đo này. Hình 11. Kết quả đo của file chạy Example-DHT11 (FPGA).vi 4. Kết luận Sau thời gian ngắn tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu sử dụng thiết bị NI-myRIO 1900 kết hợp phần mềm lập trình LabVIEW 2015 chúng tôi nhận thấy với cảm biến nhỏ gọn DHT11 kết hợp với thiết bị NI-myRIO 1900 có thể đo và khảo sát được nhiệt độ, độ ẩm của môi trường một cách trực quan thông qua đồ thị thời gian thực trực quan, dễ nhìn. Nếu xét mặt lập trình, viết code với các phần mềm tương tự như C++, Arduino thì LabVIEW cho kết quả nhanh hình ảnh nhiệt kế chỉ bằng những cú click kéo thả các biểu tượng (icon) thay vì người dùng phải viết các đoạn code dài và cần có một khả năng hiểu biết rất sâu về một ngôn ngữ lập trình cụ thể nào đó. Do thư viện LabVIEW đã được thiết kế nhằm hỗ trợ người dùng một cách tối đa với các hàm, các thiết bị ảo rất đa dạng có thể đáp ứng các yêu cầu khó tính đặt ra trong kỹ thuật. Mặt khác phần mềm LabVIEW còn có thể cho phép người dùng biên dịch file chạy dưới dạng (.exe), nghĩa là chạy độc lập trên nền Windows chứ không cần khởi động LabVIEW, hay có thể đưa thông tin lên website khi số liệu ghi nhận có thể công khai cho mọi người dễ dàng theo dõi. Đây là thiết bị rất tốt cho những ai có mối quan tâm với nghiên cứu ứng dụng vi xử lý. TÀI LIỆU THAM KHẢO Hoàng Minh Công (2004), Giáo trình cảm biến công nghiệp, Trường Đại học Đà Nẵng. Nguyễn Bá Hải (2013), Giáo trình lập trình LabVIEW, NXB Đại học Quốc gia TPHCM. National Instruments Corporation (2000), LabVIEW Basics I Course Manual https://lib.lhu.edu.vn/ViewFile/10668