Đề tài: Giám sát và phân tích hoạt động của băng tải, HAY

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:
GIÁM SÁT VÀ PHÂN TÍCH HOẠT
ĐỘNG CỦA BĂNG TẢI
GVHD: TS.Nguyễn Mạnh Hùng
SVTH: Trần Đặng Phước Ân MSSV: 13141009
Tp. Hồ Chí Minh – 08/2018

i
LỜI CAM ĐOAN
Chúng tôi xin cam đoan đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào
một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình nghiên cứu
đã có trước đó. Nếu không đúng như đã nêu trên, chúng tôi xin hoàn toàn chịu
trách nhiệm về đề tài của mình.
Người thực hiện đề tài
Đặng Hữu Cường
Trần Đặng Phước Ân

ii
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được nhiều sự giúp
đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.Nguyễn Mạnh Hùng, giảng viên
khoa Điện – Điện Tử người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt
quá trình làm khoá luận.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật TP.HCM nói chung, các thầy cô trong Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp -Y
Sinh nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn
chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ
em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều
kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành
khoá luận tốt nghiệp.
Người thực hiện đề tài
Đặng Hữu Cường
Trần Đặng Phước Ân

iii
MỤC LỤC
Trang bìa
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp
Lịch trình làm đồ án tốt nghiệp
Lời cam đoan ........................................................................................................................i
Lời cảm ơn...........................................................................................................................ii
Mục lục...............................................................................................................................iii
Liệt kê hình..........................................................................................................................v
Liệt kê bảng .......................................................................................................................vii
Tóm tắt đề tài....................................................................................................................viii
Chương 1. TỔNG QUAN..................................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................................1
1.2. Mục tiêu ....................................................................................................................1
1.3. Nội dung nghiên cứu.................................................................................................2
1.4. Giới hạn.....................................................................................................................2
1.5. Bố cục........................................................................................................................3
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .....................................................................................4
2.1. Giới thiệu phần cứng.................................................................................................4
2.1.1. Biến dòng............................................................................................................4
2.1.2. Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC)............................................7
2.1.3. Mạch đo tốc độ (ENCODER)...........................................................................11
2.1.4. Biến tần.............................................................................................................13
2.1.5. Động cơ xoay chiều ..........................................................................................14
2.1.6. Giao diện đồ họa người dùng............................................................................15
2.1.7. Giao thức I2C ...................................................................................................16
2.2. Khái quát về các công cụ trong máy học ................................................................17
2.2.1. Giới thiệu về máy học.......................................................................................17
2.2.2. Giảm chiều dữ liệu............................................................................................18
2.2.3. Chuẩn hóa dữ liệu.............................................................................................22
2.2.4. Phát hiện điểm bất thường ................................................................................23
2.2.5. Đọc một bảng Excel vào một pandas DataFrame.............................................26

iv
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ......................................................................28
3.1. Giới thiệu.................................................................................................................28
3.2. Tính toán và thiết kế hệ thống.................................................................................28
3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ............................................................................28
3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch................................................................................29
3.2.3. Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch........................................................................54
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .............................................................................55
4.1. Giới thiệu.................................................................................................................55
4.2. Thi công hệ thống....................................................................................................55
4.2.1. Thi công bo mạch .............................................................................................55
4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra...........................................................................................56
4.3. Đóng gói và thi công mô hình.................................................................................58
4.4. Lập trình hệ thống ...................................................................................................58
4.4.1. Lưu đồ giải thuật...............................................................................................58
4.4.2. Phần mềm lập trình cho máy tính nhúng..........................................................59
4.5. Quy trình đào tạo và phân loại dữ liệu....................................................................61
4.5.1. Quá trình thu thập dữ liệu chuẩn ......................................................................62
4.5.2. Quá trình đào tạo hệ thống................................................................................62
4.5.3. Quá trình kiểm tra bộ nhận dạng ......................................................................63
4.5.4. Kết luận độ chính xác của bộ nhận dạng ..........................................................64
4.6. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác ...............................................................65
4.6.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng........................................................................65
4.6.2. Quy trình thao tác .............................................................................................66
Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ........................................................67
5.1. Kết quả ....................................................................................................................67
5.2. Nhận xét-đánh giá ...................................................................................................73
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................74
6.1. Kết luận ...................................................................................................................74
6.2. Hướng phát triển .....................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................75
PHỤ LỤC .........................................................................................................................76

v
LIỆT KÊ HÌNH
Hình 2.1: Cấu tạo máy biến dòng........................................................................................4
Hình 2.2: Biến dòng dạng dây quấn ....................................................................................5
Hình 2.3: Biến dòng dạng vòng...........................................................................................6
Hình 2.4: Biến dòng dạng khối............................................................................................6
Hình 2.5: Mạch flash ADC 2 bit. ........................................................................................8
Hình 2.6: Tín hiệu tương tự và lượng tử hóa.....................................................................10
Hình 2.7: Nguyên lý mạch đo encoder..............................................................................12
Hình 2.8: Sơ đồ khối của một biến tần..............................................................................13
Hình 2.9: Cấu tạo của động cơ điện xoay chiều................................................................15
Hình 2.10: Một GUI có dạng máy tính cầm tay................................................................16
Hình 3.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống...................................................................................28
Hình 3.2: Mạch đo điện áp ................................................................................................30
Hình 3.3: Mạch đo dòng điện............................................................................................31
Hình 3.4: Mạch khuếch đại không đảo..............................................................................32
Hình 3.5: Dạng sóng mạch khuếch đại không đảo............................................................32
Hình 3.6: Mạch khuếch đại đảo.........................................................................................33
Hình 3.7: Dạng sóng mạch khuếch đại đảo.......................................................................33
Hình 3.8: Mạch ghim điện áp............................................................................................34
Hình 3.9: Dạng sóng mạch ghim điện áp ..........................................................................34
Hình 3.10: Giản đồ hệ số công suất...................................................................................36
Hình 3.11: Dạng sóng điện áp, dòng điện trước và sau khi qua mạch so sánh.................37
Hình 3.12: Cos φ biểu diễn theo vòng tròn lượng giác .....................................................37
Hình 3.13: Mạch đo hệ số công suất .................................................................................38
Hình 3.14: Hình ảnh thực tế của ADS1115.......................................................................39
Hình 3.15: Mạch encoder 20 xung ....................................................................................45
Hình 3.16: Hình ảnh thực tế của Raspberry Pi 3...............................................................46
Hình 3.17: Các chân của Raspberry Pi 3...........................................................................47
Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý khối còi báo..........................................................................48
Hình 3.19: Còi báo.............................................................................................................49
Hình 3.20: Biến tần Omron 3G3JX...................................................................................50

vi
Hình 3.21: Động cơ giảm tốc của băng tải........................................................................52
Hình 3.22: Mô hình băng tải..............................................................................................52
Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đôi....................................................................53
Hình 3.24: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch .............................................................................54
Hình 4.1: Sơ đồ mạch in....................................................................................................56
Hình 4.2: Lưu đồ chương trình..........................................................................................58
Hình 4.3: Logo phần mềm Python ....................................................................................59
Hình 4.4: Giao diện để lập trình Python............................................................................60
Hình 4.5: Giao diện GUI ...................................................................................................61
Hình 4.6: Lưu đồ thao tác hoạt động của mạch.................................................................66
Hình 5.1: Hình ảnh thực tế của đề tài................................................................................68
Hình 5.2: Giá trị điện áp mà mạch đo được ......................................................................69
Hình 5.4: Giá trị điện áp khi đo bằng đồng hồ đo.............................................................69
Hình 5.5: Hình ảnh dữ liệu chuẩn sau khi được huấn luyện .............................................71
Hình 5.6: Hình ảnh một mẫu test bình thường..................................................................72
Hình 5.7: Hình ảnh một mẫu test bất thường ....................................................................72

vii
LIỆT KÊ BẢNG
Bảng 2.1: Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã. ........................................................................9
Bảng 2.2: Các thông số và thuộc tính của hàm giảm chiều dữ liệu ..................................18
Bảng 2.3: Các thông số và thuộc tính của hàm chuẩn hóa dữ liệu....................................22
Bảng 2.4: Các thông số và thuộc tính của hàm phát hiện Outlier .....................................24
Bảng 2.5: Các thông số của hàm đọc định dạng excel......................................................26
Bảng 3.1: Mô tả chân của ADS 1115................................................................................40
Bảng 3.2: Cấu hình 1 byte của thanh ghi (Write-Only) ....................................................40
Bảng 3.3: Thanh ghi chuyển đổi (Read-Only) ..................................................................41
Bảng 3.4: Cấu hình thanh ghi (Read/Write)......................................................................41
Bảng 3.5: Các bit cấu hình bộ ghép kênh đầu vào. ...........................................................42
Bảng 3.6: Dòng điện tiêu thụ của các linh kiện.................................................................53
Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện. ...................................................................................55
Bảng 4.2: So sánh mạch đo và thiết bị kiểm tra (TBKT)..................................................57
Bảng 4.3: Thống kê tính chính xác của bộ phân loại với băng tải ....................................64
Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật của mạch .............................................................................67
Bảng 5.2: Thống kê giá trị trung bình mẫu dữ liệu ...........................................................70

viii
TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Sự ổn định của các thiết bị trong một hệ thống giúp cho hệ thống đó hoạt động tốt hơn
và kéo dài tuổi thọ, đồng thời giảm nguy cơ cháy nổ, hỏa hoạn do các vấn đề về điện gây
ra, tạo sự an tâm và an toàn cho con người. Giám sát và phân tích hoạt động của băng tải
là một hệ thống giúp cho con người biết được trạng thái hoạt động, sự ổn định và đưa ra
các cảnh báo về những sự cố.
Hệ thống thực hiện giám sát băng tải sử dụng máy tính nhúng đo các thông số điện
áp, dòng điện, hệ số công suất, tốc độ quay của băng tải, từ những thông số đo được có thể
tính toán được trạng thái thiết bị và chạy thuật toán máy học để học hỏi. Từ đó có thể dự
đoán được độ ổn định của băng tải và trạng thái hiện tại có gì bất ổn để có những biện pháp
tốt nhằm ổn định và tiết kiệm điện, đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị điện hoạt
động tốt, khi có những bất ổn được phát hiện, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh và có những
điều khiển nhằm ổn định hệ thống.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH Trang 1
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Điện năng đang trở thành một phần năng lượng không thể thiếu trong đời
sống con người và trong công nghiệp hiện đại. Nó góp phần tạo nên sự văn minh
của nhân loại, giúp cuộc sống của con người tiện nghi và hiện đại hơn. Chính vì thế
việc duy trì sự ổn định và tiết kiệm điện năng là một vấn đề đang được chú ý và đầu
tư ngày càng nhiều.
Sự ổn định của các thiết bị đóng vai trò quan trọng trong sản xuất công
nghiệp, đồng thời giảm nguy cơ cháy nổ, hỏa hoạn do các vấn đề về thiết bị gây ra,
tạo sự an tâm và an toàn cho con người. Giám sát và phân tích trạng thái hoạt động
của thiết bị và đưa ra các cảnh báo về sự cố của thiết bị là một phần không thể
thiếu.
Hiện nay trên thị trường có nhiều thiết bị điện nhằm bảo vệ và ổn định dòng
điện như ổn áp, các loại CB chống dòng rò, chống giật…và nhiều loại khác nhau.
Nhưng chủ yếu chỉ hoạt động ngắt nguồn điện tự động mà không có khả năng tự
động đóng điện lại khi hết sự cố, cũng như không thông báo cho người dùng biết
được trạng thái hoạt động của thiết bị.
Trong sản xuất công nghiệp việc sử dụng băng tải rất phổ biến và đóng vai
trò quan trọng trong hoạt động của nhà máy. Giám sát và phân tích hoạt động của
băng tải là hệ thống có thể đáp ứng các nhu cầu, chức năng cảnh báo và phát hiện
những trạng thái bất thường của động cơ điện và băng tải. Đặc biệt với thuật toán
máy học có thể dự đoán được các sự cố của băng tải. Ngoài ra máy học còn học hỏi
theo thói quen của con người để có những dự đoán chính xác nhất nhằm bảo vệ
thiết bị và giúp con người sớm phát hiện sự cố. Sự ổn định của hệ thống băng tải
cũng đóng vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển sản phẩm từ công đoạn này
qua công đoạn khác góp phần tăng tốc độ vận hành của nhà máy giúp tiết kiệm thời
gian và chi phí.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 2
1.1. MỤC TIÊU
Đề tài thực hiện giám sát và phân tích hoạt động của băng tải. Vi điều khiển đo
các thông số điện áp, dòng điện, hệ số công suất của nguồn điện, tốc độ quay của
băng tải. Máy tính nhúng giao tiếp với Vi điều khiển để lấy các thông số của nguồn
điện và động cơ. Chạy thuật toán máy học để học hỏi, đưa ra các dự đoán, cảnh báo
nhằm ổn định hệ thống.
1.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
 NỘI DUNG 1: Các giải pháp thiết kế hệ thống, mô hình đo lường, mô hình băng
tải.
 NỘI DUNG 2: Thu thập dữ liệu các thông số của nguồn điện và băng tải như:
điện áp, dòng điện, hệ số công suất, tốc độ…
 NỘI DUNG 3: Thiết kế hệ thống điều khiển.
 NỘI DUNG 4: Lập trình thuật toán máy học cho máy tính nhúng.
 NỘI DUNG 5: Thiết kế mô hình và hoàn thiện sản phẩm.
 NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện.
1.3. GIỚI HẠN
Sử dụng bộ chuyển đổi tương tự thành số để đo các giá trị dạng tương tự của nguồn
điện như điện áp, dòng điện, hệ số công suất, encoder để đo tốc độ. Máy tính nhúng
đọc các thông số của nguồn điện và băng tải để từ đó chạy các thuật toán máy học để
nhận biết được sự ổn định của nguồn điện và băng tải. Tín hiệu xử lý ở máy tính
nhúng được gửi về để thực hiện cảnh báo hệ thống khi có sự cố, hiển thị trạng thái
và các thông số hệ thống.

1.4. BỐ CỤC
 Chương 1: Tổng Quan
Trình bày giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu, giới hạn và nội dung nghiên
cứu của đề tài.
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực
hiện thiết kế, thi công đề tài.
 Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán
Trình bày tổng quan các yêu cầu của đề tài và thiết kế, tính toán hệ thống bao
gồm sơ đồ nguyên lý toàn mạch và từng phần.
 Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Trình bày kết quả thi công phần cứng, sơ đồ mạch in PCB, lưu đồ và cách lập
trình, thao tác vận hành cũng như kiểm tra các mạch của toàn bộ hệ thống.
 Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Trình bày kết quả của quá trình nghiên cứu làm đề tài bao gồm thời gian
nghiên cứu, kết quả đạt được, nhận xét, đánh giá về đề tài và tính ứng dụng của
đề tài trong thực tiễn.
 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Trình bày kết quả đạt được so với mục tiêu đề ra từ ban đầu và đưa ra hướng
phát triển đề tài được hoàn thiện tốt hơn, đáp ứng nhu cầu của cuộc sống.

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
2.1.1. Biến dòng
Máy biến dòng (kí hiệu CT), là một loại “công cụ đo lường dòng điện” được
thiết kế nhằm mục đích tạo ra một dòng điện xoay chiều có cường độ tỷ lệ với cường
độ dòng điện ban đầu. Máy biến dòng có chức năng làm giảm tải một dòng điện ở
cường độ cao xuống cường độ thấp tiêu chuẩn hơn, đồng thời tạo ra chiều đối lưu an
toàn nhằm kiểm soát cường độ dòng điện thực tế chạy trong đường dây dẫn.
Máy biến dòng có thể làm giảm dòng điện có cường độ cao từ hàng ngàn ampe
xuống một mức độ tiêu chuẩn, thông thường, mức độ này dao động trong tỷ lệ là từ
1 đến 5 ampe, nhằm giúp hệ mạch vẫn được vận hành bình thường. Như vậy, những
thiết bị điện nhỏ, thiết bị chuyên đo lường và các vi điều khiển có thể sử dụng kèm CT
một cách bình thường, bởi vì chúng được cách ly hoàn toàn khỏi tác động của những
dòng điện cao áp. Hiện nay có hàng loạt các thiết bị ứng dụng đo lường và sử dụng
máy biến dòng, ví dụ tiêu biểu như thiết bị oát kế, máy đo hệ số công suất, đồng hồ
đo chỉ số điện, rơ-le bảo vệ hoặc ví dụ như cuộn nhả trong bộ phận ngắt mạch từ.
Hình 2.1: Cấu tạo máy biến dòng
Máy biến dòng hiện nay có 3 loại cơ bản: “ dạng dây quấn”, “dạng vòng”
và “thanh khối”.

Hình 2.2: Biến dòng dạng dây quấn
 Máy biến dòng dạng dây quấn
Cuộn sơ cấp của máy biến dòng loại này sẽ được kết nối trực tiếp với các
dây dẫn, có nhiệm vụ đo cường độ dòng điện chạy trong mạch. Cường độ dòng
điện trong cuộn thứ cấp phụ thuộc vào tỷ số vòng dây quấn của máy biến dòng.
Mối quan hệ giữa tỷ số vòng dây và tỷ số dòng điện là:
𝑁𝑠
𝑁𝑡
=
𝐼𝑡
𝐼𝑠
(2.1)
Trong đó: Ns: số vòng dây sơ cấp
Nt :số vòng dây thứ cấp
It : dòng điện thứ cấp
Is : dòng điện sơ cấp
 Máy biến dòng dạng vòng
Cường độ dòng điện chạy trong mạch sẽ được truyền và chạy thẳng qua khe
cửa hay lỗ hổng của “vòng” trong máy biến dòng. Một số máy biến dòng dạng
vòng hiện nay đã được cấu tạo thêm chi tiết “chốt chẻ”, có tác dụng

cho lỗ hổng hay khe cửa của máy biến dòng có thể mở ra, cài đặt và đóng lại,
mà không cần phải ngắt mạch cố định.
Hình 2.3: Biến dòng dạng vòng
 Máy biến dòng dạng khối
Đây là một trong các loại của máy biến dòng hiện nay được ứng dụng trong
các loại dây cáp, thanh cái của mạch điện chính, gần giống như cuộn sơ cấp,
nhưng chỉ có một vòng dây duy nhất. Chúng hoàn toàn tách biệt với nguồn điện
áp cao vận hành trong hệ mạch và luôn được kết nối với cường độ dòng điện tải
trong thiết bị điện.
Hình 2.4: Biến dòng dạng khối

2.1.2. Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC)
Trong các ứng dụng đo lường và điều khiển bằng vi điều khiển bộ chuyển đổi
tương tự-số (ADC) là một thành phần rất quan trọng. Dữ liệu trong thế giới của chúng
ta là các dữ liệu tương tự (analog). Ví dụ độ ẩm là 75% và 80%, giữa hai mức giá trị
này có vô số các giá trị liên tục mà độ ẩm có được, đại lượng nhiệt độ như thế gọi là
một đại lượng analog. Trong khi đó, rõ ràng vi điều khiển là một thiết bị số (digital),
các giá trị mà một vi điều khiển có thể thao tác là các con số rời rạc vì thực chất chúng
được tạo thành từ sự kết hợp của hai mức 0 và 1. Để vi điều khiển có thể đọc được
các đại lượng analog thì chúng ta phải “số hóa” (digitalize) một dữ liệu analog thành
một dữ liệu digital. Quá trình “số hóa” này thường được thực hiện bởi một thiết bị
gọi là “bộ chuyển đổi tương tự - số hay đơn giản là ADC (Analog to Digital
Converter).
Có rất nhiều phương pháp chuyển đổi ADC như là: phương pháp chuyển đổi
trực tiếp (direct converting) hoặc flash ADC. Các bộ chuyển đổi ADC theo phương
pháp này được cấu thành từ một dãy các bộ so sánh (như opamp), các bộ so sánh
được mắc song song và được kết nối trực tiếp với tín hiệu analog cần chuyển đổi.
Một điện áp tham chiếu (reference) và một mạch chia áp được sử dụng để tạo ra các
mức điện áp so sánh khác nhau cho mỗi bộ so sánh. Vin là tín hiệu analog cần chuyển
đổi và giá trị sau chuyển đổi là các con số tạo thành từ sự kết hợp các mức nhị phân
trên các chân Vo. Do ảnh hưởng của mạch chia áp (các điện trở mắc nối tiếp từ điện
áp +5V đến ground), điện áp trên chân âm (chân -) của các bộ so sánh sẽ khác nhau.
Trong lúc chuyển đổi, giả sử điện áp Vin lớn hơn điện áp “V-“ của bộ so sánh 1
(opamp ở phía thấp nhất trong mạch) nhưng lại nhỏ hơn điện áp V- của các bộ so
sánh khác, khi đó ngõ Vo1 ở mức 1 và các ngõ Vo khác ở mức 0, chúng ta thu được
một kết quả số. Một cách tương tự, nếu tăng điện áp Vin ta thu được các tổ hợp số
khác nhau. Với mạch điện có 4 bộ so sánh sẽ có tất cả 5 trường hợp có thể xảy ra,
hay nói theo cách khác điện áp analog Vin được chia thành 5 mức số khác nhau. Tuy
nhiên, các ngõ Vo không phải là các bit của tín hiệu số ngõ ra, chúng chỉ là đại diện
để tổ hợp thành tín hiệu số ngõ ra.

Hình 2.5: Mạch flash ADC 2 bit.

Bảng 2.1: Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã.
Giá trị nhị phân Giá trị thập phân
00 0
01 1
10 2
11 3
Độ phân giải (resolution): nếu mạch điện có 4 bộ so sánh, ngõ ra digital sẽ có
5 mức giá trị. Tương tự nếu mạch điện có 7 bộ so sánh thì sẽ có 8 mức giá trị có thể
ở ngõ ra digital, khoảng cách giữa các mức tín hiệu trong trường hợp 8 mức sẽ nhỏ
hơn trường hợp 4 mức. Nói cách khác, mạch chuyển đổi với 7 bộ so sánh có giá trị
digital ngõ ra “mịn” hơn khi chỉ có 4 bộ, độ “mịn” càng cao tức độ phân giải
(resolution) càng lớn. Khái niệm độ phân giải được dùng để chỉ số bit cần thiết để
chứa hết các mức giá trị digital ngõ ra. Trong trường hợp có 8 mức giá trị ngõ ra,
chúng ta cần 3 bit nhị phân để mã hóa hết các giá trị này, vì thế mạch chuyển đổi
ADC với 7 bộ so sánh sẽ có độ phân giải là 3 bit. Một cách tổng quát, nếu một mạch
chuyển đổi ADC có độ phân giải n bit thì sẽ có 2n
mức giá trị có thể có ở ngõ ra
digital. Để tạo ra một mạch chuyển đổi flash ADC có độ phân giải n bit, chúng ta cần
đến 2n
-1 bộ so sánh, giá trị này rất lớn khi thiết kế bộ chuyển đổi ADC có độ phân
giải cao, vì thế các bộ chuyển đổi flash ADC thường có độ phân giải ít hơn 8 bit. Độ
phân giải liên quan mật thiết đến chất lượng chuyển đổi ADC, việc lựa chọn độ phân
giải phải phù hợp với độ chính xác yêu cầu và khả năng xử lý của bộ điều khiển.
Trong 2 mô tả một ví dụ “số hóa” một hàm sin analog thành dạng digital.

Hình 2.6: Tín hiệu tương tự và lượng tử hóa
Điện áp tham chiếu (reference voltage): Cùng một bộ chuyển đổi ADC nhưng
có người muốn dùng cho các mức điện áp khác nhau, ví dụ người A muốn chuyển
đổi điện áp trong khoảng 0-1V trong khi người B muốn dùng cho điện áp từ 0V đến
5V. Rõ ràng nếu hai người này dùng 2 bộ chuyển đổi ADC đều có khả năng chuyển
đổi đến điện áp 5V thì người A đang lãng phí tính chính xác của thiết bị. Vấn đề sẽ
được giải quyết bằng một đại lượng gọi là điện áp tham chiếu - Vref (reference
voltage). Điện áp tham chiếu thường là giá trị điện áp lớn nhất mà bộ ADC có thể
chuyển đổi. Trong các bộ ADC, Vref thường là thông số được đặt bởi người dùng,
nó là điện áp lớn nhất mà thiết bị có thể chuyển đổi. Ví dụ, một bộ ADC 10 bit (độ
phân giải) có Vref=3V, nếu điện áp ở ngõ vào là 1V thì giá trị số thu được sau khi
chuyển đổi sẽ là: 1023x(1/3)=314. Trong đó 1023 là giá trị lớn nhất mà một bộ
ADC 10 bit có thể tạo ra (1023=210
-1). Vì điện áp tham chiếu ảnh hưởng đến độ
chính xác của quá trình chuyển đổi, chúng ta cần tính toán để chọn một điện áp tham
chiếu phù hợp, không được nhỏ hơn giá trị lớn nhất của input nhưng cũng đừng quá
lớn.

2.1.3. Mạch đo tốc độ (ENCODER)
Encoder hoạt động dựa vào nguyên lý của tần số chớp, các vật thể sẽ đứng yên
trong mắt người quan sát khi tần số chớp tốc độ cao đồng bộ với sự di chuyển của
vật. Phương pháp đo này có thể đo được cho những vật rất nhỏ hoặc đo được ở những
nơi ta không chạm đến được. Không cần thiết phải dán tấm phản quang lên vật cần
đo. Dải đo: 30 rpm đến 20.000 rpm.
Đo tốc độ động cơ dùng encoder, tín hiệu từ encoder tạo ra các dạng xung
vuông có tần số thay đổi phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Do đó các xung vuông này
được đưa vào bộ vi xử lý để đếm số xung trong khoảng thời gian cho phép từ đó ta
có thể tính được giá trị vận tốc của động cơ. Đây cũng là phương pháp mà người ta
sử dụng để ổn định tốc độ động cơ hay điều khiển nhanh chậm….
Nguyên lý cơ bản của encoder : đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục.
Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Có một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ
không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh) thì đèn
led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, đặt một con mắt thu. Với
các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led
có chiếu qua lỗ hay không. Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh
sáng bị cắt.
Như vậy là encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vuông và các tín hiệu xung
vuông này được cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ. Nên tần số của xung đầu ra sẽ phụ
thuộc vào tốc độ quay của tấm tròn đó.

Hình 2.7: Nguyên lý mạch đo encoder
Cách đo tốc độ động cơ : sử dụng ngắt ngoài để xác định xung cạnh lên. Sử
dụng timer để đo thời gian cố định đặt trước, dựa vào số lần xuất hiện cạnh lên đếm
số lượng xung trong thời gian cố định đặt trước. Từ đó áp dụng công thức để tính.
Vận tốc (vòng /phút) =
𝒔ố 𝒙𝒖𝒏𝒈 đế𝒎 đượ𝒄 𝑿 𝟔𝟎
𝒕𝒉ờ𝒊 𝒈𝒊𝒂𝒏 đặ𝒕 𝒕𝒓ướ𝒄 𝑿 độ 𝒑𝒉â𝒏 𝒈𝒊ả𝒊 𝒆𝒏𝒄𝒐𝒅𝒆𝒓

2.1.4. Biến tần
Biến tần là thiết bị dùng để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều ở
đầu vào từ một tần số này thành điện áp hoặc dòng điện có một tần số khác ở đầu ra.
Biến tần thường được sử dụng để điều khiển vận tốc động cơ xoay chiều theo phương
pháp điều khiển tần số, theo đó tần số của lưới nguồn sẽ thay đổi thành tần số biến
thiên.
Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần : Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều
1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Quá trình
này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất
cos(φ) của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96.
Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối
xứng. Trong quá trình này được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực
có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của
công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có
thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên
lõi sắt động cơ.
Hình 2.8: Sơ đồ khối của một biến tần
Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và
tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một
quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ
số điện áp - tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là
hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là
hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men
cũng lại là hàm bậc hai của điện áp.
Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ

linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng
lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống.
Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau
phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ
PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc
điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.
2.1.4. Động cơ xoay chiều
Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng
lượng cơ. Từ những đồ dùng trong gia đình như quạt điện, tủ lạnh, máy giặt, máy
bơm nước,…đến những máy mốc đồ sộ, hiện đại trong công nghiệp sản xuất như
máy khoan, máy tiện, máy trộn…thậm chí đến ổ cứng, ổ quang trong công nghệ
máy tính đều là động cơ điện. Động cơ điện xoay chiều là động cơ hoạt động với
dòng điện xoay chiều.
Động cơ gồm có hai phần chính là stator và rotor : Stato gồm các cuộn dây
của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường
quay. Rotor hình trụ có tác dụng như một cuộn dây quấn trên lõi thép. Khi mắc
động cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trường quay do stator gây ra làm cho rotor
quay trên trục. Chuyển động quay của rotor được trục máy truyền ra ngoài và được
sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác.
Hình 2.9: Cấu tạo của động cơ điện xoay chiều

Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác
nhau. Theo sơ đồ nối điện có thể phân ra làm hai loại: động cơ 3 pha và 1 pha, và
nếu theo tốc độ có động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ.
- Động cơ điện 1 pha : là động cơ điện bằng dòng điện xoay chiều 1 pha.
- Động cơ điện 3 pha : là động cơ điện bằng dòng điện xoay chiều 3 pha.
- Động cơ đồng bộ : là động cơ điện mà tốc độ quay của rotor bằng tốc độ
quay của từ trường.
- Động cơ không đồng bộ : là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của
rotor chậm so với tốc độ quay của từ trường stator. Ta thường gặp động cơ
không đồng bộ rotor lòng sóc vì đặc tính hoạt động của nó tốt hơn dạng dây
quấn.
2.1.5. Giao diện đồ họa người dùng
Giao diện đồ họa người dùng trong tiếng Anh gọi tắt là GUI (Graphical User
Interface) là một thuật ngữ trong ngành công nghiệp máy tính. Đó là một cách giao
tiếp với máy tính hay các thiết bị điện tử bằng hình ảnh và chữ viết thay vì chỉ là
các dòng lệnh đơn thuần. GUI được sử dụng phổ biến trong máy tính, các thiết bị
cầm tay, các thiết bị đa phương tiện, hoặc các linh kiện điện tử trong văn phòng…
Phạm vi sử dụng thuật ngữ GUI hầu như chỉ được giới hạn trong các thiết bị
có màn hình 2 chiều. Nó ít được sử dụng trong các thiết bị với giao diện có độ phân
giải thấp như một số thiết bị chơi game (HUD được sử dụng nhiều hơn).
GUI được các nhà nghiên cứu tại Xerox PARC phát triển trong thập niên
1970. Ngày nay hầu hết các hệ điều hành máy tính nhiều người dùng đều sử dụng
giao diện này. Douglas Englebar hiện được xem là cha đẻ của giao diện người dùng
đồ họa lúc còn sơ khai. Sau khi tốt nghiệp ngành kĩ thuật điện vào năm 1948,
Douglas làm việc tại Viện NACA(NACA Institute, tiền thân của NASA hiện giờ).
Một hệ thống GUI là sự kết hợp của các công nghệ, thiết bị để cung cấp cho
người dùng một nền tảng cho phép người sử dụng có thể tương tác với nó. Một
chuỗi các thành phần của GUI tuân theo một ngôn ngữ trực quan (visual language)
để biểu diễn thông tin được lưu trữ trong các máy tính. Thông dụng nhất khi kể đến
sự kết hợp các thành phần như vậy là mô hình WIMP (window, icon, menu,

pointing device) trong các máy tính cá nhân.
Hình 2.10: Một GUI có dạng máy tính cầm tay
2.1.6. Giao thức I2C
Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL). SDA
là đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ để đồng bộ
và chỉ theo một hướng. Như ta thấy trên hình vẽ trên, khi một thiết bị ngoại vi kết nối
vào đường bus I2C thì chân SDA của nó sẽ nối với dây SDA của bus, chân SCL sẽ
nối với dây SCL.
Có rất nhiều thiết bị có thể cùng được kết nối vào một bus I2C, tuy nhiên sẽ
không xảy ra chuyện nhầm lẫn giữa các thiết bị, bởi mỗi thiết bị sẽ được nhận ra bởi
một địa chỉ duy nhất với một quan hệ chủ / tớ tồn tại trong suốt thời gian kết nối. Mỗi
thiết bị có thể hoạt động như là thiết bị nhận hoặc truyền dữ liệu hay có thể vừa truyền
vừa nhận. Hoạt động truyền hay nhận còn tùy thuộc vào việc thiết bị đó là chủ
(master) hay tớ (slave). Điểm mạnh của I2C chính là hiệu suất và sự đơn giản của nó:
một khối điều khiển trung tâm có thể điều khiển cả một mạng thiết bị mà chỉ cần hai
lối ra điều khiển.
Các bus I2C có thể hoạt động ở ba chế độ, hay nói cách khác các dữ liệu trên
bus I2C có thể được truyền trong ba chế độ khác nhau:
 Chế độ tiêu chuẩn (Standard mode) :

- Đây là chế độ tiêu chuẩn ban đầu được phát hành vào đầu những năm 80
- Nó có tốc độ dữ liệu tối đa 100kbps
- Nó sử dụng 7-bit địa chỉ, và 112 địa chỉ tớ
 Tăng cường hoặc chế độ nhanh:(Fast mode):
- Tốc độ dữ liệu tối đa được tăng lên đến 400 kbps.
- Để ngăn chặn gai tiếng ồn, Ngõ vào của thiết bị Fast-mode là
Schmitt-triggered.
- Chân SCL và SDA của một thiết bị tớ I ² C ở trạng thái trở kháng cao khi
không cấp nguồn.
 Chế độ cao tốc (High-Speed (Hs) mode): Chế độ này đã được tạo ra chủ yếu
để tăng tốc độ dữ liệu lên đến 36 lần nhanh hơn so với chế độ tiêu chuẩn. Nó
cung cấp 1,7 Mbps (với Cb = 400 pF), và 3.4Mbps (với C> b = 100pF).
Một bus I2C có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau:
 Một chủ một tớ (one master - one slave)
 Một chủ nhiều tớ (one master - multi slave)
 Nhiều chủ nhiều tớ (Multi master - Multi slave)
2.2. KHÁI QUÁT VỀ CÁC CÔNG CỤ TRONG MÁY HỌC
2.2.1. Giới thiệu về máy học
Máy học là một phương pháp phân tích dữ liệu mà sẽ tự động hóa việc xây dựng
mô hình phân tích. Sử dụng các thuật toán lặp để học từ dữ liệu, máy học cho phép
máy tính tìm thấy những thông tin giá trị ẩn sâu mà không được lập trình một cách
rõ ràng để tìm. Khía cạnh lặp lại của máy học là quan trọng bởi vì khi các mô hình
này được tiếp xúc với dữ liệu mới thì chúng có thể thích ứng một cách độc lập. Chúng
học từ các tính toán trước đó để tạo ra những quyết định cũng như kết quả lặp lại và
đáng tin cậy.
Để thuật toán máy học có thể hoạt động ổn định và cho ra kết quả tốt nhất cần
có sự hỗ trợ của các thuật toán tiền xử lý. Chức năng tổng quát của nó là làm giảm đi
những sai sót, dư thừa của khối dữ liệu.

2.2.2. Giảm chiều dữ liệu
Phép phân tích thành phần chính (Principal Components Analysis - PCA) là một
thuật toán thống kê sử dụng phép biến đổi trực giao để biến đổi một tập hợp dữ liệu
từ một không gian nhiều chiều sang một không gian mới ít chiều hơn (2 hoặc 3 chiều)
nhằm tối ưu hóa việc thể hiện sự biến thiên của dữ liệu.
Phép biến đổi tạo ra những ưu điểm sau đối với dữ liệu:
 Giảm số chiều của không gian chứa dữ liệu khi nó có số chiều lớn, không thể
thể hiện trong không gian 2 hay 3 chiều.
 Xây dựng những trục tọa độ mới, thay vì giữ lại các trục của không gian cũ,
nhưng lại có khả năng biểu diễn dữ liệu tốt tương đương và đảm bảo độ biến
thiên của dữ liệu trên mỗi chiều mới.
 Tạo điều kiện để các liên kết tiềm ẩn của dữ liệu có thể được khám phá trong
không gian mới, mà nếu đặt trong không gian cũ thì khó phát hiện vì những
liên kết này không thể hiện rõ.
 Đảm bảo các trục tọa độ trong không gian mới luôn trực giao đối với nhau,
mặc dù trong không gian ban đầu các trục có thể không trực giao.
Phân tích thành phần chính (PCA): giảm kích thước tuyến tính bằng cách sử
dụng giá trị đơn lẻ. Sự sai lệch của dữ liệu để dự báo nó đến một không gian thấp
hơn. Nó sử dụng thực hiện LAPACK của SVD đầy đủ hoặc một SVD cắt ngắn ngẫu
nhiên theo phương pháp của Halko, tùy thuộc vào hình dạng của dữ liệu đầu vào và
số lượng các thành phần để trích xuất.
Trong scikit-learn có hàm giảm chiều dữ liệu:
sklearn.decomposition.PCA(n_components=None,copy=True,whiten=Fal
se, svd_solver=’auto’, tol=0.0, iterated_power=’auto’, random_state=None )
Bảng 2.2. Các thông số và thuộc tính của hàm giảm chiều dữ liệu
n_components : int, float, None hoặc chuỗi
Số lượng các thành phần giữ lại, nếu n_components không được
thiết lập tất cả các thành phần được giữ nguyên:

Thông số
n_components == min ( n_samples , n_features )
nếu n_components == 'milk' và svd_solver == 'full', MLE của Minka
được sử dụng để đoán kích thước nếu và svd_solver == 'full', chọn
số lượng các thành phần sao cho số lượng phương sai cần được giải
thích là lớn hơn hơn phần trăm được chỉ định bởi n_components
n_components không thể bằng n_features cho svd_solver ==
'arpack'. 0 < n_components < 1
copy : bool (mặc định là True)
Nếu Sai, dữ liệu được truyền cho phù hợp được ghi đè và chạy fit(X)
.transform (X) sẽ không mang lại kết quả mong đợi, thay vào đó sử
dụng fit_transform (X).
whiten : bool, tùy chọn (mặc định False)
Khi True (False theo mặc định) các components_ vector được nhân
với căn bậc hai của n_samples và sau đó chia cho các giá trị singular
để đảm bảo các kết quả không tương quan với sự biến thiên đơn vị.
whiten sẽ loại bỏ một số thông tin từ tín hiệu đã được chuyển đổi
(quy mô tương đối của các thành phần) nhưng đôi khi có thể nâng
cao tính chính xác dự đoán của các ước lượng sau đó.
svd_solver : string {'auto', 'full', 'arpack', 'randomized'}
auto: được lựa chọn bởi một chính sách mặc định, nếu dữ liệu đầu
vào lớn hơn 500x500 và số lượng các thành phần cần trích xuất thấp
hơn 80% kích thước nhỏ nhất của dữ liệu thì hiệu quả hơn "ngẫu
nhiên 'được kích hoạt. Nếu không, thì SVD chính xác đầy đủ được
tính và sau đó được cắt bớt tùy chọn.
full : chạy chính xác đầy đủ SVD gọi là bộ giải mã LAPACK chuẩn

và chọn các thành phần bằng quá trình xử lý
arpack: chạy SVD truncated để n_components gọi ARPACK solver
thông quascipy.sparse.linalg.svds . Nó yêu cầu đúng 0
<n_components <X.
randomized: chạy SVD ngẫu nhiên theo phương pháp của Halko et
al.
tol : float> = 0, tùy chọn (mặc định .0)
Dung sai cho các giá trị singular tính bởi svd_solver == 'arpack'.
iterated_power : int> = 0, hoặc 'auto', (mặc định 'auto')
Số lần lặp cho phương pháp điện tính bởi svd_solver == 'ngẫu
nhiên'.
random_state : int, RandomState instance hoặc None, tùy chọn
(mặc định không có)
Nếu int, random_state là hạt giống được sử dụng bởi máy phát số
ngẫu nhiên; Nếu RandomState dụ, random_state là máy phát số ngẫu
nhiên; Nếu Không, máy phát số ngẫu nhiên là trường hợp
RandomState được sử dụng bởi np.random . Được sử dụng
khi svd_solver == 'arpack' hoặc ‘randomized’.
Thuộc tính
components_ : mảng, hình dạng (n_components, n_features)
Các trục chính trong không gian đặc trưng, đại diện cho các hướng
thay đổi tối đa trong dữ liệu. Các thành phần được sắp xếp theo
explained_variance_.
explained_variance_ : mảng, hình dạng (n_components,)
Số phương sai được giải thích bởi mỗi thành phần được chọn.

Tương đương với n_components giá trị riêng lớn nhất của ma trận
hiệp phương sai của X.
explained_variance_ratio_ : mảng, hình dạng (n_components,)
Phần trăm của sự khác biệt được giải thích bởi mỗi thành phần được
chọn. Nếu n_components không được thiết lập thì tất cả các thành
phần được lưu trữ và tổng các biến sai được giải thích bằng 1,0.
singular_values_ : mảng, hình dạng (n_components,)
Các giá trị singular tương ứng với mỗi thành phần được chọn. Các
giá trị số ít bằng 2 chỉ tiêu của các n_components biến trong không
gian thấp hơn.
mean_ : mảng, hình dạng (n_features,)
Mỗi tính năng có ý nghĩa thực nghiệm, ước tính từ tập huấn luyện.
Tương đương với X.mean (trục = 0) .
n_components_ : int
Số lượng ước tính của các thành phần. Khi n_components được đặt
thành 'mle' hoặc một số từ 0 đến 1 (với svd_solver == 'đầy đủ') con
số này được ước lượng từ dữ liệu đầu vào. Nếu không, nó bằng với
tham số n_components, hoặc n_features nếu n_components là None.
noise_variance_ : float
Nó được yêu cầu để tính toán dữ liệu ước lượng số liệu hiệp phương
sai và mẫu điểm số.

Bằng với trung bình của (min (n_features, n_samples) -
n_components) các giá trị tự nhiên nhỏ nhất của ma trận hiệp
phương sai của X.
2.2.3. Chuẩn hóa dữ liệu
Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu là một phương pháp khoa học để phân tách (scientific
method of breaking down) một bảng có cấu trúc phức tạp (complex table structures)
thành những bảng có cấu trúc đơn giản (simple table structures) theo những quy luật
đảm bảo (certain rule) không làm mất thông tin dữ liệu. Kết quả là sẽ làm giảm bớt
sự dư thừa và loại bỏ những sự cố mâu thuẫn về dữ liệu, tiết kiệm được không gian
lưu trữ. Chuẩn hóa dữ liệu còn có ý nghĩa khác ngoài việc lưu trữ dữ liệu trên các
máy tính. Đối với các văn bản, việc chuẩn hóa dữ liệu có thể làm cho văn bản trở nên
dễ đọc hơn không vướng vào những trường hợp về hiển thị.
Quy mô mỗi tính năng bằng giá trị tuyệt đối tối đa. Trình ước lượng này sẽ vạch
ra và dịch từng tính năng riêng lẻ sao cho giá trị tuyệt đối tối đa của mỗi đối tượng
trong tập huấn luyện là 1,0. Nó không thay đổi trung tâm dữ liệu, và do đó không tiêu
diệt bất kỳ thưa thớt. Bộ bù rộng này cũng có thể được áp dụng cho các ma trận CSR
hoặc CSC thưa thớt.
Trong scikit-learn có hàm chuẩn hóa dữ liệu:
sklearn.preprocessing.MaxAbsScaler( copy = True )
Bảng 2.3: Các thông số và thuộc tính của hàm chuẩn hóa dữ liệu
Thông số
copy : boolean, optional, mặc định là True
Đặt thành False để thực hiện quy mô inplace và tránh một bản sao
(nếu đầu vào đã là một mảng numpy).
scale_ : ndarray, shape (n_features,)
Mỗi tính năng tương đối rộng của dữ liệu.

Thuộc tính
max_abs_ : ndarray, shape (n_features,)
Mỗi tính năng có giá trị tuyệt đối tối đa.
n_samples_seen_ : int
Số lượng mẫu được xử lý bởi người ước tính. Sẽ được thiết lập lại
trên các cuộc gọi mới để phù hợp, nhưng gia tăng qua partial_fit
các cuộc gọi.
2.2.4. Phát hiện điểm bất thường
Phát hiện Outlier không được giám sát sử dụng Hệ số Outlier địa phương (LOF).
Điểm dị thường của mỗi mẫu được gọi là yếu tố Outliers địa phương. Nó đo độ lệch
địa phương của mật độ của một mẫu cho trước với các dữ liệu gần kề xung quanh.
Trong đó điểm bất thường phụ thuộc vào cách cô lập các đối tượng là đối với dữ liệu
xung quanh. Cụ thể hơn, địa phương được cung cấp bởi k-dữ liệu gần nhất, có khoảng
cách được sử dụng để ước tính mật độ các mẫu. Bằng cách so sánh mật độ địa phương
của một mẫu với mật độ địa phương của các dữ liệu gần kề, người ta có thể xác định
các mẫu có mật độ thấp hơn đáng kể so với các mẫu gần đó. Đây được xem là ngoại
lệ.
Trong scikit-learn có hàm phát hiện Outlier:
sklearn.neighbors.LocalOutlierFactor( n_neighbors=20,algorithm=’auto’,
leaf_size=30,metric=’minkowski’,p=2,metric_params=None,contamination=0.1,n
_jobs=1 )

Bảng 2.4: Các thông số và thuộc tính của hàm phát hiện Outlier
Thông số
n_neighbors : int, tùy chọn (mặc định = 20)
Số lượng gần kề sử dụng mặc định cho kneighbors các truy
vấn. Nếu n_neighbors lớn hơn số lượng mẫu được cung cấp, tất cả
các mẫu sẽ được sử dụng.
algorithm: {'auto', 'ball_tree', 'kd_tree', 'brute'}, tùy chọn
Thuật toán được sử dụng để tính toán các hàng xóm gần nhất:
 'ball_tree' sẽ sử dụng BallTree
 'kd_tree' sẽ sử dụng KDTree
 'brute' sẽ sử dụng một tìm kiếm vũ lực.
 'auto' sẽ cố gắng để quyết định các thuật toán thích hợp nhất
dựa trên các giá trị truyền cho fit phương pháp.
leaf_size : int, tùy chọn (mặc định = 30)
Lá được truyền đến BallTree hoặc KDTree. Điều này có thể ảnh
hưởng đến tốc độ xây dựng và truy vấn, cũng như bộ nhớ cần thiết
để lưu trữ cây. Giá trị tối ưu phụ thuộc vào bản chất của vấn đề.
metric : string hoặc callable, mặc định 'minkowski'
metric được sử dụng để tính toán khoảng cách. Có thể sử dụng bất
kỳ số liệu nào từ scikit-learn hoặc scipy.spatial.distance.
Nếu 'precomputed', đầu vào đào tạo X sẽ là ma trận khoảng cách.
Nếu số liệu là một chức năng có thể gọi được, nó được gọi trên mỗi
cặp trường hợp (hàng) và giá trị kết quả được ghi lại. Các callable

nên lấy hai mảng như đầu vào và trả về một giá trị cho biết khoảng
cách giữa chúng. Điều này làm việc cho các chỉ số của Scipy, nhưng
ít hiệu quả hơn so với chuyển tên chỉ số như một chuỗi.
Các giá trị hợp lệ cho số liệu là:
 từ scikit-learn: ['cityblock', 'cosine', 'euclidean', 'l1', 'l2',
'manhattan']
 từ 'scipy.spatial.distance: [' braycurtis ',' canberra ','
chebyshev ',' correlation ',' dice ',' hamming ',' jaccard ','
kulsinski ',' mahalanobis ',' phù hợp ',' minkowski ','
rogerstanimoto ',' russellrao ',' seuclidean ',' sokalmichener
',' sokalsneath ',' sqeuclidean ',' yule ']
p : số nguyên, tùy chọn (mặc định = 2)
Thông số cho chỉ số Minkowski
từ sklearn.metrics.pairwise.pairwise_distances. Khi p = 1,
tương đương với việc sử dụng manhattan_distance (l1), và
euclidean_distance (l2) cho p = 2. Đối với arbitrary p,
minkowski_distance (l_p) được sử dụng.
metric_params : dict, tùy chọn (mặc định = Không có)
Đối số từ khoá bổ sung cho chức năng số liệu.
contamination: float in (0., 0.5), tùy chọn (mặc định = 0.1)
Số lượng sai lệch của bộ dữ liệu, tức là tỷ lệ phần ngoài của bộ dữ
liệu. Khi khớp nối này được sử dụng để xác định ngưỡng trên chức
năng quyết định.
n_jobs : int, tùy chọn (mặc định = 1)

Số lượng công việc song song để chạy cho tìm kiếm hàng xóm. Nếu
-1, sau đó số lượng công việc được thiết lập để số lõi CPU. Ảnh
hưởng chỉ kneighbors và kneighbors_graph phương pháp.
Thuộc tính
negative_outlier_factor_ : mảng numpy, hình dạng (n_samples,)
LOF đối diện của các mẫu huấn luyện. Các thấp hơn, càng bất
thường. Inliers có xu hướng có điểm số LOF gần với 1, trong khi
các giá trị ngoại vị thường có điểm số LOF lớn hơn.
Các yếu tố ngoại vi địa phương (LOF) của một mẫu bắt 'mức độ
bất thường' của nó. Đây là tỷ lệ trung bình của tỷ lệ đạt được tại
địa phương của một mẫu và của các quốc gia k-hàng gần nhất.
n_neighbors_ : số nguyên
Số thực của hàng xóm được sử dụng cho kneighbors truy vấn.
2.2.5. Đọc một bảng Excel vào một pandas DataFrame
pandas.read_excel( Io , SHEET_NAME = 0 , header = 0 , skiprows =
None , skip_footer = 0 )
Bảng 2.5: Các thông số của hàm đọc định dạng excel
Thông số
io : chuỗi, đối tượng đường dẫn (pathlib.Path hoặc
py._path.local.LocalPath),
Tập tin giống như đối tượng, pandas ExcelFile, hoặc xlrd sổ làm
việc. Chuỗi có thể là một URL. Các lược đồ URL hợp lệ bao gồm
http, ftp, s3 và tệp tin. Đối với URL tệp, máy chủ dự kiến.
sheetname : string, int, danh sách hỗn hợp các chuỗi / ints, hoặc
None, mặc định 0
Type : int, danh sách ints, mặc định 0
Hàng (0-lập chỉ mục) để sử dụng cho các nhãn cột của DataFrame

được phân tích cú pháp. Nếu một danh sách các số nguyên được
thông qua các vị trí hàng sẽ được kết hợp thành một MultiIndex. Sử
dụng None nếu không có tiêu đề.
Skiprows: bỏ qua các hàng ở đầu
Skip-footer: bỏ qua các hàng ở cuối
sheet_name : chuỗi, int, danh sách hỗn hợp của chuỗi / ints, hoặc
Không có, mặc định 0
Chuỗi được sử dụng cho tên bảng, Số nguyên được sử dụng ở các
vị trí bảng tính không lập chỉ mục.
Danh sách các chuỗi / số nguyên được sử dụng để yêu cầu nhiều
trang.
Chỉ định Không có để có được tất cả các tờ.
str | int -> Khung dữ liệu được trả về. list | None -> Dict của
DataFrames được trả về, với các phím đại diện cho các sheet.
Các trường hợp có sẵn
Mặc định là 0 -> 1 trang với tư cách Khung dữ liệu
1 -> trang thứ hai như là một Khung dữ liệu
"Sheet1" -> Trang tính thứ nhất như là một Khung dữ liệu
[0,1, "Sheet5"] -> Các trang 1, 2 và 5 là từ điển của DataFrames
Không có -> Tất cả các trang như là một từ điển của DataFrames

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.1. GIỚI THIỆU
Hệ thống thực hiện giám sát điện áp băng tải sử dụng máy tính nhúng đo các
thông số điện áp, dòng điện, hệ số công suất của nguồn điện và tốc độ động cơ. Sử
dụng máy tính nhúng để lấy các thông số của nguồn điện và chạy thuật toán máy học
để học hỏi, đưa ra các dự đoán nhằm ổn định băng tải và tiết kiệm năng lượng. Hệ
thống gồm các khối đo lường, chuyển đổi tín hiệu, khối xử lý…
Máy tính nhúng có nhiệm vụ thu thập dữ liệu điện áp, dòng điện, hệ số công
suất và tốc độ từ quá trình sử dụng băng tải. Sau đó chạy thuật toán máy học để phân
tích từ lịch sử sử dụng của băng tải để từ đó có thể dự đoán được độ ổn định của băng
tải và trạng thái hiện tại có gì bất ổn để có những biện pháp tốt nhằm ổn định và tiết
kiệm, đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị hoạt động tốt, khi có những bất ổn
được phát hiện, hệ thống sẽ đưa ra những cảnh báo đến với người sử dụng để khắc
phục sự cố sớm nhất.
3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống
KHỐI ĐO
LƯỜNG
KHỐI
NGUỒN
KHỐI ĐIỀU
KHIỂN
BĂNG TẢI
KHỐI
CHUYỂN
ĐỔI ADC
MÁY TÍNH
NHÚNG
RASPBERRY
KHỐI
CẢNH
BÁO
KHỐI
HIỂN THỊ
BĂNG
TẢI
ENCODER

Chức năng từng khối:
 Khối đo lường : đo các thông số của băng tải như: điện áp, dòng điện, hệ số
công suất, …
 Khối chuyển đổi ADC : chuyển đổi tín hiệu dạng tương tự thành dạng số để
máy tính nhúng xử lý.
 Khối máy tính nhúng : xử lý các thông số đưa ra hiển thị, cảnh báo, tác động
vào thiết bị ngoại vi thực hiện.
 Khối hiển thị : có chức năng hiển thị các thông số của hệ thống và đưa ra
những cảnh báo.
 Khối cảnh báo : có chức năng báo động cho con người biết tình trạng bất ổn
của thiết bị.
 Khối điều khiển băng tải : có chức năng điều khiển tốc độ động cơ bằng biến
tần và được kết nối với mô hình băng tải.
 Khối băng tải : là mô hình băng tải có chức năng nhận lệnh điều khiển từ khối
điều khiển.
 Khối encoder : chức năng đo tốc độ của băng tải.
 Khối nguồn : có chứa năng tạo ra nguồn ổn áp ổn định cung cấp cho toàn bộ
mạch.
3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch
a. Thiết kế khối đo lường
 Mạch đo điện áp
Có nhiều phương pháp để đo điện áp của nguồn điện như: dùng biến áp để
giảm áp hay dùng cầu phân áp. Nhưng nếu dùng biến áp thì cồng kềnh và giá
thành cao khi đó mạch rất phức tạp và lớn. Giải pháp dùng điện trở công suất
để phân áp phù hợp cho ADC đo được vừa đảm bảo cho tải công suất cao còn
làm mạch nhỏ gọn hơn.

Hình 3.2: Mạch đo điện áp
Vì để bộ ADC đo được điện áp thì điện áp ngõ vào của ADC phải nhỏ hơn 5V
nhưng để tránh làm hư thiết bị ADC thì điện áp là nhỏ hơn 4V để phòng điện áp
nguồn tăng cao đột ngột và nhỏ hơn điện áp tham chiếu tối đa của bộ ADC (4.096)
Uv=220√2 ×
𝑅2
𝑅1+𝑅2
Mà Uv < 4 V nên R1=100R2 (3.1)
Trong đó Uv là điện áp đầu vào của bộ ADC.
Giá trị điện áp nguồn:
Ung = (giá trị ADC × SS × 101)×
1
√2
(V) (3.2)
Trong đó: Ung là điện áp của nguồn
SS là độ phân giải ADC
Độ phân giải ADC step size (SS) được tính theo công thức sau:
SS =
đ𝑖ệ𝑛 á𝑝 𝑡ℎ𝑎𝑚 𝑐ℎ𝑖ế𝑢
giá trị max 𝑐ủ𝑎 𝐴𝐷𝐶
(3.3)
Vì bộ ADC có 15 bit, khi đó giá trị lớn nhất là 32768 với điện áp tham chiếu là
4,096 (v) khi đó step size ADC là:
SS =
4.096
32768
≈ 0.000125 (v) (3.4)
Dùng tụ 2.2µF để lọc nguồn điện ra cho phẳng, tụ 10µF để lọc nhiễu
và diode zener để ghim áp tránh trường hợp quá áp gây hư hỏng bộ ADC.
 

 Mạch đo dòng điện
Có nhiều phương pháp để đo được dòng điện như: dùng cảm biến dòng
ACS 712 và dùng biến dòng. Cảm biến dòng ACS 712 chỉ đo được dòng điện
thấp và trung bình nhỏ hơn 30A và không thể đo được hệ số công suất. Trong
khi đó dùng biến dòng và bộ khuếch đại thì có thể đo được dòng điện có giá trị
cao lớn hơn rất nhiều so với đo bằng cảm biến dòng ACS 712 và có thể đo được
hệ số công suất.
Có thể đo dòng điện bằng cách lấy mẫu nhiều lần với bộ ADC có tốc độ và
tần số lấy mẫu cao, tuy nhiên những bộ ADC như vậy có giá thành cao nên chọn
phương pháp chỉnh lưu dòng điện thành một chiều, lọc phẳng rồi lấy mẫu để có
thể đo được với những bộ ADC có tốc độ thấp.
Hình 3.3: Mạch đo dòng điện
Tín hiệu ra của biến dòng CT là tín hiệu hình sin, vì thế để đo được thông số
dòng điện ta cần đo liên tục ít nhất trong một chu kỳ để xác định được dòng điện.
Để làm được điều đó thì bộ ADC phải có tần số lấy mẫu đủ cao để có thể đo được
giá trị dòng điện chính xác. Tuy nhiên những bộ ADC có độ phân giải cao để có thể
đo được tín hiệu nhỏ của biến dòng thì thường có tần số lấy mẫu thấp, hoặc giá
thành rất cao.
Chính vì thế để có thể đo được dòng điện với bộ ADC có tốc độ thấp ta cần
chỉnh lưu và lọc phẳng tín hiệu. Tuy nhiên tín hiệu quá nhỏ để có thể chỉnh lưu bằng
diode nên mạch đo dòng điện ứng dụng khuếch đại đảo và không đảo của op-am để

chỉnh lưu và lọc tín hiệu.
Mạch đo dòng điện ứng dụng khếch đại đảo và không đảo của op-am để chỉnh
lưu từ tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu một chiều.
 Mạch khuếch đại không đảo:
Hình 3.4: Mạch khuếch đại không đảo
Dùng để khuếch đại dòng điện:
𝑉𝑜𝑢𝑡 = V𝑖𝑛(1 +
𝑅2
𝑅1
) (3.5)
Một điện trở thứ ba được thêm vào giữa nguồn tín hiệu vào và đầu vào
không đảo trong khi thực ra không cần thiết, nhưng nó sẽ làm giảm thiểu những
sai số do dòng điện định thiên đầu vào.
Hình 3.5: Dạng sóng mạch khuếch đại không đảo

 Mạch khuếch đại đảo:
Hình 3.6: Mạch khuếch đại đảo
Dùng để đổi dấu và khuếch đại một điện áp.
𝑉𝑜𝑢𝑡 = −V𝑖𝑛. (R𝑓/R𝑖𝑛) (3.6)
Một điện trở thứ ba được thêm vào giữa đầu vào không đảo và đất mặc dù
đôi khi không cần thiết lắm, nhưng nó sẽ giảm thiểu sai số do dòng định thiên
đầu vào.
Hình 3.7: Dạng sóng mạch khuếch đại đảo

 Mạch ghim điện áp.
Hình 3.8: Mạch ghim điện áp
Được sử dụng như một bộ khuếch đại đệm, để giới hạn những ảnh hưởng
của tải hay để phối hợp tổng trở (nối giữa một linh kiện có tổng trở nguồn lớn
với một linh kiện khác có tổng trở vào thấp). Do có hồi tiếp âm sâu, mạch này
có khuynh hướng không ổn định khi tải có tính dung cao. Điều này có thể ngăn
ngừa bằng cách nối với tải qua 1 điện trở.
Vout=Vin
Hình 3.9: Dạng sóng mạch ghim điện áp

Các opam U2B và U7A có hệ số khếch đại Av = 2 giúp khuếch đại gấp 2 lần
điện áp ra từ biến dòng. Điện trở R100 chuyển tín hiệu dòng điện thành điện áp.
Opam U2B lấy phần dương của tín hiệu dòng điện và U7A lấy phần âm của
tín hiệu dòng điện, các điện trở R12 và R13 là mạch cộng tín hiệu cho ra mạch
chỉnh lưu cầu. Opam U7B đóng vai trò là mạch ghim áp nhằm khếch đại tín hiệu
sau khi cộng qua điện trở. Tụ C6, C7, C8 và C10 là các tụ lọc phẳng tín hiệu và khử
nhiễu.
Av =
𝐼×1002
1035
× √2 (3.7)
Trong đó Av là tín hiệu vào bộ ADC, I là tín hiệu dòng điện ra của biến dòng,
100 là điện trở chuyển dòng điện thành điện áp, 2 là hệ số khếch đại, √2 là hệ số
chuyển dòng điện hiệu dụng thành dòng điện đỉnh.
I = giá trị ADC × SS × 70 ×
1
√2
(A) (3.8)
Trong đó I là dòng điện đi qua tải, SS là độ phân giải (đã trình bày ở phần đo
điện áp với điện áp tham chiếu tùy thuộc vào độ lớn của tín hiệu đi vào bộ ADC,
các giá trị điện áp tham chiếu có thể có: 0.256, 0.512, 1.024, 2.048, 4.096).
 Mạch đo hệ số công suất
Công suất truyền từ lưới đến tải luôn tồn tại 2 thành phần: Công suất tác
dụng (P) và công suất phản kháng (Q):
 Công suất tác dụng (P) đặc trưng cho khả năng sinh ra công hữu ích của thiết bị,
đơn vị W hoặc kW. Ví dụ như công suất cơ (sức kéo) của động cơ.
 Công suất phản kháng không sinh ra công hữu ích nhưng nó lại cần thiết cho quá
trình biến đổi năng lượng, đơn vị VAR hoặc kVAR. Có thể hiểu đơn giản đó là
thành phần từ hóa, tạo từ trường trong quá trình biến đổi năng lượng điện thành
các dạng năng lượng khác, hoặc từ năng lượng điện sang chính năng lượng điện.
 Công suất tổng hợp cho 2 loại công suất trên được gọi là công suất biểu kiến
 (S) đơn vị VA hoặc KVA.

Hình 3.10: Giản đồ hệ số công suất
P= S.cos(φ), Q=S.sin(φ), S2
=P2
+ Q2
, S=U.I (3.7)
Nếu xét trên phương diện nguồn cung cấp (máy phát điện hoặc máy biến áp).
Rõ ràng cùng một dung lượng máy biến áp hoặc công suất của máy phát điện (tính
bằng KVA). Hệ số công suất càng cao thì thành phần công suất tác dụng càng cao và
máy sẽ sinh ra được nhiều công hữu ích. Sự thật là hệ số công suất bao nhiêu phụ
thuộc vào tải (thiết bị sử dụng điện). Nhu cầu của tải về công suất tác dụng và công
suất phản kháng cần phản đáp ứng đủ thì tải mới hoạt động tốt. Giải pháp trung hòa
hơn là nguồn sẽ chỉ cung cấp cho tải 1 phần công suất phản kháng, phần thiếu còn lại
tự trang bị thêm bằng cách gắn thêm tụ bù.
Nếu U, I đều dạng sine, ta có thể đo góc lệch pha để tính ra cos của góc này,
để tính thời gian lệch của 2 cạnh lên của 2 xung này. Có thời gian lệch kết hợp với
chu kỳ sóng điện sẽ tính được cos(φ).

Hình 3.11: Dạng sóng điện áp, dòng điện trước và sau khi qua mạch so sánh
Hình 3.12: Cos φ biểu diễn theo vòng tròn lượng giác

Vì tần số lưới điện ở Việt Nam là 50Hz nên chu kì dòng điện là T=20ms mà
0≤ cos(φ) ≤ 1nên góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp nằm trong góc phần tư
thứ I. Chu kỳ dòng điện là 20 ms tương ướng với 0 đến 2π, vậy 0 đến
𝜋
2
tương
ứng với khoảng thời gian 0 đến 5 ms.
Dựa vào tính chất của một tam giác vuông ta có thể tính ra được hệ số công
suất dựa vào thời gian trễ giửa dòng điện và điện áp.
Cos (φ) =
5−𝛥𝑡
5
(3.8)
Trong đó Cos (φ) là hệ số công suất, 𝛥𝑡 là thời gian trể giửa dòng điện và
điện áp.
Hình 3.13: Mạch đo hệ số công suất
b. Khảo sát khối chuyển đổi tín hiệu
Máy tính nhúng không có bộ chuyển đổi ADC mà các thông số của nguồn điện
là dạng tín hiệu tương tự nhưng máy tính nhúng chỉ xử lý các tín hiệu số. Vì thế cần
bộ chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số (ADC) để đo được chính xác thì ADC cần
có số bit độ phân giải lớn.
ADS 1115 là bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) chính xác với độ phân giải 16 bit.
Dữ liệu được truyền thông qua chuẩn giao tiếp I2C, có thể lựa chọn 4 địa chỉ I2C,
ADS 1115 hoạt động từ một nguồn đơn từ 2.0V đến 5.5V.

Hình 3.14: Hình ảnh thực tế của ADS1115
ADS1115 có thể thực hiện chuyển đổi với tốc độ lên đến 860 mẫu / giây (SPS)
và có sẵn một PGA. ADS1115 hoạt động ở chế độ chuyển đổi liên tục hoặc chế độ
tự động tắt sau khi chuyển đổi và làm giảm đáng kể lượng tiêu thụ năng lượng.
Mỗi ADS1115 đều được trang bị một bộ so sánh có thể tùy chỉnh có thể phát
ra cảnh báo về chân ALERT / RDY. Tính năng này có thể giảm đáng kể các mạch
bên ngoài cho nhiều ứng dụng. Bộ so sánh có thể được thực hiện so sánh truyền thống
hoặc so sánh thông qua bit COMP_MODE trong đăng ký Config. Khi được thực hiện
như một bộ so sánh truyền thống, chân ALERT / RDY lên mức cao (mặc định mức
thấp ) khi dữ liệu chuyển đổi vượt quá giới hạn đặt trong thanh ghi ngưỡng cao. Bộ
so sánh sau đó sẽ báo hiệu khi tín hiệu đầu vào rơi xuống dưới giá trị thanh ghi
ngưỡng thấp. Trong chế độ so sánh cửa sổ, chân ALERT / RDY xác nhận nếu dữ liệu
chuyển đổi vượt quá thanh ghi ngưỡng cao hoặc nằm dưới thanh ghi ngưỡng thấp.
Bảng 3.1: Mô tả chân của ADS 1115

Bộ so sánh có thể được cấu hình để kích hoạt chân ALERT / RDY sau khi một
số lần đọc kế tiếp vượt quá ngưỡng. Bộ so sánh có thể được cấu hình để chờ đợi một,
hai hoặc bốn lần đọc vượt quá ngưỡng trước khi kích hoạt chân ALERT / RDY bằng
cách thay đổi các bit COMP_QUE trong đăng ký Config. Các bit COMP_QUE cũng
có thể vô hiệu hóa chức năng so sánh.
Bảng 3.2: Cấu hình 1 byte của thanh ghi (Write-Only)
PIN
DESCRIPTION
ADS1115
ANALOG/
DIGITAL INPUT/
OUTPUT
1 ADDR Digital Input I2
C slave address select
2 ALERT/RDY Digital Output Digital comparator output or conversion ready
(NC for ADS1113)
3 GND Analog Ground
4 AIN0 Analog Input Differential channel 1: Positive input or single-
ended channel 1 input
5 AIN1 Analog Input Differential channel 1: Negative input or single-
ended channel 2 input
6 AIN2 Analog Input Differential channel 2: Positive input or single-
ended channel 3 input (NC for ADS1113/4)
7 AIN3 Analog Input Differential channel 2: Negative input
or single-ended channel 4 input (NC
for ADS1113/4)
8 VDD Analog Power supply: 2.0V to 5.5V
9 SDA Digital I/O Serial data: Transmits and receives data
10 SCL Digital Input Serial clock input: Clocks data on SDA
BIT 7 BIT 6 BIT 5 BIT 4 BIT 3 BIT 2 BIT 1 BIT 0

Bảng 3.3: Thanh ghi chuyển đổi (Read-Only)
Bảng 3.4: Cấu hình thanh ghi (Read/Write)
Bit [15] : Tình trạng hoạt động / khởi động chuyển đổi một lần
Bit này xác định tình trạng hoạt động của thiết bị. Bit này chỉ có thể được viết
khi ở chế độ tắt máy.
 Đối với một trạng thái ghi:
0: Không có hiệu lực
1: Bắt đầu một chuyển đổi duy nhất (khi ở chế độ tắt máy)
 Đối với trạng thái đọc:
0: Thiết bị hiện đang thực hiện chuyển đổi
1: Thiết bị hiện không thực hiện chuyển đổi
0 0 0 0 0 0 Register address
BIT 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
NAME D1
5
D1
4
D1
3
D1
2
D1
1
D1
0
D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
BIT 15 14 13 12 11 10 9 8
NAME OS MUX2 MUX1 MUX0 PGA2 PGA1 PGA0 MODE
BIT 7 6 5 4 3 2 1 0
NAME DR2 DR1 DR0
COMP_
MODE
COMP
_POL
COMP
_LAT
COMP_
QUE1
COMP_
QUE0

Bits [14:12] MUX[2:0]: Cấu hình kênh đầu vào
Bảng 3.5: Các bit cấu hình bộ ghép kênh đầu vào.
Giá trị Thông số
000 AINP = AIN0 and AINN = AIN1 (default)
001 AINP = AIN0 and AINN = AIN3
100 AINP = AIN0 and AINN = GND
Bits [11: 9] PGA [2: 0]: Cấu hình bộ khuyếch đại có thể lập trình được. Các bit này
cấu hình bộ khuếch đại có thể lập trình được.
 000: FS = ± 6.144V (1)
 001: FS = ± 4.096V (1)
 010: FS = ± 2.048V (mặc định)
 011: FS = ± 1.024V
 100: FS = ± 0.512V
 111: FS = ± 0.256V
Bit [8] MODE: Chế độ hoạt động của thiết bị
Bit này điều khiển chế độ hoạt động hiện tại của ADS1115.
0: Chế độ chuyển đổi liên tục
1: Chế độ chuyển đổi một lần (mặc định)

Bits [7: 5] DR [2: 0]: Tốc độ dữ liệu
Các bit này kiểm soát cài đặt tốc độ dữ liệu.
 000: 8SPS 100: 128SPS (mặc định)
 001: 16SPS 101: 250SPS
 010: 32SPS 110: 475SPS
 011: 64SPS 111: 860SPS
Bit [4] COMP_MODE: Chế độ so sánh
Bit này điều khiển chế độ hoạt động so sánh. Nó lựa chọn giữa bộ so sánh truyền
thống (COMP_MODE = '0') hay bộ so sánh cửa sổ (COMP_MODE = '1').
0: so sánh truyền thống với độ trễ (mặc định)
1: so sánh cửa sổ
Bit [3] COMP_POL: phân cực
Bit này kiểm soát bit cực của chân ALERT / RDY. Khi COMP_POL = '0' chế
độ so sánh hoạt động thấp. Khi COMP_POL = '1', chân ALERT / RDY đang hoạt
động cao.
0: Hoạt động thấp (mặc định)
1: Hoạt động cao
Bit [2] COMP_LAT: Bộ ngắt
Bit này điều khiển các chốt ALERT / RDY đã được kích hoạt hay xóa khi các
chuyển đổi nằm trong lề của các giá trị ngưỡng trên và dưới. Khi COMP_LAT = '0',
chân ALERT / RDY không bị latch khi được xác lập. Khi COMP_LAT = '1', chân
ALERT / RDY được xác lập vẫn còn giữ cho đến khi dữ liệu chuyển đổi được đọc
bởi master hoặc phản ứng cảnh báo SMBus thích hợp được gửi bởi master, thiết bị
trả lời bằng địa chỉ của nó và nó là địa chỉ thấp nhất đang xác nhận tuyến xe buýt
ALERT / RDY.
0: Máy so sánh không latching (mặc định)
1: Latching comparator

Bits [1: 0] COMP_QUE: Bộ so sánh và vô hiệu
Các bit này thực hiện hai chức năng. Khi được thiết lập là '11', chúng vô hiệu
chức năng so sánh và đặt chốt ALERT / RDY vào trạng thái cao. Khi đặt sang bất kỳ
giá trị nào khác, chúng sẽ kiểm soát số lần chuyển đổi kế tiếp vượt quá ngưỡng trên
hoặc dưới yêu cầu trước khi xác nhận chân ALERT / RDY.
 00: Xác nhận sau một lần chuyển đổi
 01: Xác nhận sau hai chuyển đổi
 10: Xác nhận sau bốn chuyển đổi
 11: Tắt so sánh (mặc định)
c. Khảo sát khối encoder
Trong đề tài này cần xác định tốc độ của băng tải để biết trạng thái hoạt động
của băng tải. Mạch cảm biến tốc độ Encoder 20 xung được thiết kế để sử dụng với
đĩa Encoder đi kèm có 20 lỗ.
Nguyên tắc hoạt động của mạch : bao gồm 1 mắt phát và 1 mắt thu hồng
ngoại đặt cách nhau qua 1 ke hở, khi ánh sáng từ mắt phát đi được tới mắt thu
(xuyên qua lỗ của dĩa encoder) thì sẽ có tín hiệu mức cao (5v) phát ra khỏi chân
out, khi bị che lại thì chân out phát ra tín hiệu mức thấp (0v).
Thông số kỹ thuật:
 Điện áp sử dụng: 3.3~5VDC
 Dòng sử dụng: 15mA
 Mức tín hiệu xuất raDigital: TTL
 Ngõ ra: Ananlog và Digital.
 Khoảng cách giữa hai mắt phát và thu: 5mm
Sơ đồ chân:
 VCC: Cấp nguồn 3.3-5VDC
 GND: Cấp nguồn mass 0VDC.
 DO: Xuất Digital Low (0VDC) hoặc High (3.3-5VDC)
 A0: Xuất Analog từ 0->3.3-5VDC.

Hình 3.15. Mạch encoder 20 xung
d. Khảo sát khối máy tính nhúng
Vì cần dữ liệu để huấn luyện cũng như thực hiện việc xử lý tính toán phức tạp
nên các vi điều khiển khác như: PIC, Arduino,…không thể xử lý được. Khi đó chỉ có
máy tính là lựa chọn hợp lý mà máy tính thì giá thành cao vì thế nên chọn máy tính
nhúng Raspberry Pi 3.
Raspberry Pi là một máy tính chạy HĐH Linux. Được phát triển bởi Raspberry
Pi Foundation – là tổ chức phi lợi nhuận với tiêu chí xây dựng hệ thống mà nhiều
người có thể sử dụng được trong những công việc tùy biến khác nhau. Với sức mạnh
của CPU, GPU và đầy đủ các ngoại vi cần thiết, ngoài ra còn chạy hệ điều hành Linux
thích hợp cho việc chạy các thuật toán máy học phức tạp. Ngoài ra, với các ngoại vi
như GPIO có thể kết nối, điều khiển các thiết bị, các vi mạch khác với đầy đủ các
tính năng như một vi điều khiển bình thường. Với sự tích hợp của LAN, wifi,
bluetooth, Jack cắm audio và camera cho phép phát triển thêm nhiều chức năng khác
nhằm tận dụng tối đa sức mạnh của bộ xử lý.

Hình 3.16: Hình ảnh thực tế của Raspberry Pi 3
Raspberry Pi 3 có hai phiên bản, Model A và Model B. Model B bao gồm những
phần cứng và những cổng giao diện:
 Bộ nhớ RAM 1G
 4 cổng USB
 Cổng HDMI, hỗ trợ Full HDMI
 Cổng Ethernet (hay là cổng mạng LAN)
 Jack cắm audio 3.5mm
 Giao tiếp Camera qua CSI
 Hỗ trợ hiển thị DSI
 Khe gắn Micro SD card được hàn chết trên board theo kiểu Push-Pull (nghĩa
là bạn muốn gắn vào thì đẩy thẻ vào, lấy ra thì kéo ra), theo như hãng giải
thích sẽ tốt hơn kiểu Push-Push trước kia.
 Vi xử lý hình ảnh VideoCore IV 3D

Hình 3.17: Các chân của Raspberry Pi 3
Pi 3 Model B là thế hệ thứ 3 và mới nhất tính đến thời điểm hiện tại của gia
đình Raspberry Pi. Cấu hình Raspberry Pi 3 có khá nhiều thay đổi:
 CPU 64 bit quad-core bộ vi xử lý ARM Cortex A53, tốc độ 1.2GHz gấp 10
lần so với thế hệ đầu tiên.
 Tích hợp wireless chuẩn 802.11n.
 Tích hợp Bluetooth 4.1 ( sở hữu tính năng tiết kiệm năng lượng BLE).

Một số ưu nhược điểm của Raspberry Pi:
Ưu điểm:
 Giá rẻ.
 Nhỏ gọn.
 Siêu tiết kiệm điện.
 GPU mạnh.
 Phục vụ cho nhiều mục đích.
 Khả năng hoạt động liên tục 24/7.
Nhược điểm:
 CPU cấu hình thấp.
 Lan 100.
 Yêu cầu phải có kiến thức cơ bản về Linux, điện tử.
e. Thiết kế khối cảnh báo
Dùng còi báo động để thông báo cho người dùng biết được hệ thống điện đang
có vấn đề cần được khắc phục.
Có nhiều loại còi như buzzer hay còi báo động 12V, ở mạch này dùng còi báo là
Buzzer có tính nhỏ gọn thích hợp cho dự án nhỏ mang tính demo.
Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý khối còi báo

Khi có sự cố, máy tính nhúng xuất tín hiệu mức 1 kích dẫn transistor Q1, khi Q1
được kích tạo dòng điện đi qua còi Buzzer tạo tiếng còi báo cho thấy bất ổn cần chú
ý.
Hình 3.19: Còi báo.
f. Thiết kế khối điều khiển động cơ
Để điều khiển tốc độ động cơ có nhiều phương pháp :
- Thay đổi vòng dây của stato.
- Điều khiển đưa điện áp vào động cơ.
- Điều khiển tần số nguồn điện đưa vào động cơ (biến tần)
Trong đó phương pháp thay đổi tần số nguồn điện có nhiều ưu điểm :
- Cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ
thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều.
- Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tần có kết cấu đơn giản, làm
việc được môi trường khác nhau.
- Khả năng điều khiển động cơ dễ dàng.
- Có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau.
- Các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc (dệt, băng
tải…).
- Các thiết bị đơn lẻ yêu cầu tốc độ làm việc cao (máy li tâm, máy mài…).

Vì những ưu điểm trên và điều khiển động cơ 3 pha của băng tải. Trong đề tài
này sử dụng biến tần Omron 3G3JX.
Các thông số cơ bản của biến tần 3G3JX :
- Dải điện áp 220V và 380V, công suất 0.2 kW
- Có chức năng điều khiển PID
- Chức năng dừng khẩn cấp (tác động nhanh)
- Hỗ trợ nhiều ngõ vào/ra
- Có sẵn chiết áp chỉnh tần số chuẩn
- Chức năng truyền thông RS-485 (chuẩn MODBUS)
- Bảo vệ ngắn mạch ngõ ra
- Chức năng lọc nhiễu và lọc sóng hài nguồn đầu vào
- Tương thích với các tiêu chuẩn CE, UL/cUL
- Tương thích với tiêu chuẩn RoHS
Hình 3.20: Biến tần Omron 3G3JX

Đề tài: Giám sát và phân tích hoạt động của băng tải, HAY

Đề tài: Giám sát và phân tích hoạt động của băng tải, HAY

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Đề tài: Giám sát và phân tích hoạt động của băng tải, HAY

Similar to Đề tài: Giám sát và phân tích hoạt động của băng tải, HAY (20)

More from Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864

More from Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Đề tài: Giám sát và phân tích hoạt động của băng tải, HAY