Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt

Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt, Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà Việt

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ MẠCH

TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ MẠCH QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG NGÔI NHÀ VIỆT

Giảng viên hướng dẫn: TS.NGUYỄN MINH SƠN

Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN THÀNH HƯNG - 10520420

VŨ VƯƠNG HIỆP - 10520369 PHAN VÕ LONG THIÊN - 10520321

Lớp: KTMT05

Khóa: 05

TP Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2014

Trang 2

GVHD: TS Nguyễn Minh Sơn SVTH: Nguyễn Thành Hưng

MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, thì việc ứng dụng của nó vào các lĩnh vực sản xuất, dân sinh… cũng phát triển theo Các thiết bị gia đình cũng từ đó

mà phát triển theo, làm cho cuộc sống càng trở nên hiện đại Nhưng để cho các thiết bị

có thể hoạt động ổn định, đảm bảo công suất cũng như bảo vệ nó tránh khỏi hư hỏng là yêu cầu được đặt lên hàng đầu Do đó mà đề tài đo cường đồ dòng điện thiết bị gia đình của nhóm chúng em ra đời Nó có chức năng đo dòng điện của các thiết bị, cũng như là điện năng mà gia đình tiêu thụ, từ đó để điều chỉnh công suất, ngắt dòng các thiết bị khi quá tải để nó được an toàn

Đồ án “Tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý năng lượng trong ngôi nhà

Việt” bao gồm tất cả 4 chương:

Chương 1: Giới thiệu – giới thiệu khái quát về đề tài và mục đích của đề tài Chương 2: Nền tảng, công nghệ và các thiết bị sử dụng – giới thiệu về vi

điều khiển PIC18F, mà cụ thể là PIC18F97J60, bao gồm kiến trúc vi điều khiển, các thành phần ngoại vi, trình biên dịch C18 trên MPLAB Giới thiệu về cảm biến đo dòng ACS712, cách sử dụng và ứng dụng của nó

Chương 3: Thực hiện đề tài – từ ý tưởng đến thực tiễn, thiết kế mạch chọn

thiết bị, linh kiện, lập trình cho vi điều khiển, để từ đó hoàn thành sản phẩm để kiểm tra

và ứng dụng

Chương 4: Đánh giá và kết luận – tồng kết những gì đã đạt được, những

kinh nghiệm trong quá trình thực tiễn cũng như hướng phát triển để áp dụng cho đồ án môn học và khóa luận tốt nghiệp sau này

Trang 3

LỜI CÁM ƠN

Trong suốt quá trình làm đồ án, nhóm chúng em đã được sự hướng dẫn, tận

tình của các thầy cô giảng viên trường ĐHCNTT TPHCM Mà đặc biệt là thầy-Người

đã truyền cảm hứng và chỉ dạy tận tình cho nhóm chúng em đề hoàn thành đồ án đúng

thời hạn

Mặc dù đã cố gắng tìm hiểu và thực hiện đồ án, nhưng cũng không thể tránh

khỏi những thiếu sót, nhóm chúng em rất mong sự đóng góp quý báu từ thầy, để chúng

em có thể hoàn thiện hơn trong các đồ án sau

Nhóm sinh viên thực hiện

Nguyễn Thành Hưng

Vũ Vương Hiệp Phan Võ Long Thiên

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2014

Trang 4

NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn)

………

Trang 5

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

LỜI CÁM ƠN 2

NHẬN XÉT 3

MỤC LỤC 4

Chương 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Giới thiệu đề tài 1

1.2 Mục tiêu đề tài 2

Chương 2 Nền tảng, công nghệ và các thiết bị sử dụng 2

2.1 Giới thiệu về PIC18F97J60 3

2.1.1 Vi điều khiển nổi bật trong việc tích hợp module Ethernet 3

2.1.2 Cấu tạo bộ dao động linh hoạt 4

2.1.3 Đường truyền dữ liệu bộ nhớ bên ngoài 4

2.1.4 Điểm nổi bật ở thiết bị ngoại vi 4

2.1.5 Những điểm đặ biệt của vi điều khiển 5

2.1.6 Mạch nạp cho PIC 6

2.2 Phần mềm MPLAB và trình biên dich C18 6

2.2.1 Phần mềm MPLAB 6

2.2.2 Trình biên dịch Mirochip C18 7

2.3 Cảm biến đo dòng ACS712 8

2.4 LCD 16x2 để hiển thị dòng điện 9

2.5 Phần mềm thiết kế mạch Altium 2013 10

Chương 3 Thực hiện đề tài 11

3.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 11

Trang 6

3.1.1 Bộ xử lý trung tâm – PIC18F97J60 12

3.1.2 Giao tiếp với thiết vị ngoại vi 14

3.1.3 Mạch cảm biến đo dòng 17

3.2 Thiết kế mạch in 17

3.3 Lập trình cho vi điều khiển 19

Chương 4 Đánh giá và kết luận 21

4.1 Thuận lợi 21

4.2 Khó khăn 21

4.3 Kết luận 22

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

Trang 7

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Mô hình đo dòng điện thiết bị 1

Hình 2.1 PIC18F97J60 3

Hình 2.2 Pickit 2 6

Hình 2.3 Giao diện của phần mềm MPLAB 7

Hình 2.4 Lựa chọn trình biên dịch 7

Hình 2.5 Hình ảnh của ACS712 8

Hình 2.6 Sơ đồ chân ACS712 8

Hình 2.7 LCD 16x2 9

Hình 2.8 Altium Designer 2013 10

Hình 3.1 Bộ xử lý trung tâm - PIC18F97J60 12

Hình 3.2 Thạch anh 25MHz 13

Hình 3.3 Thạch anh 32kHz 13

Hình 3.4 Tụ 104 để chống nhiễu 13

Hình 3.5 Nút nhấn 14

Hình 3.6 LED 14

Hình 3.7 Chân Analog 14

Hình 3.8 Các chân nhận Analog 15

Hình 3.9 RJ45 giao tiếp Ethernet 15

Hình 3.10 COM sang USB 16

Hình 3.11 Nguồn cung cấp 17

Hình 3.12 Mạch in lớp TOP 18

Hình 3.13 Mạch in lớp BOTTOM 19

Trang 8

Chương 1 GIỚI THIỆU

Chương này gồm các vần đề sau:

1.1 Giới thiệu đề tài

1.2 Mục tiêu của đề tài

1.1 Giới thiệu đề tài

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, các thiết bị gia đình ngày càng phong phú, cũng từ đó mà vấn đề tiêu thụ điện năng cũng như quá tải trong việc sử dụng điện trong gia đình đòi hỏi phải được giải quyết Do tình hình nước ta hiện nay vẫn trong tình trạng thiếu điện, nên những giờ cao điểm thường hay xảy ra mất điện

ở một số khu vực, cũng như là thiết bị hoạt động không đảm bảo được công suất dẫn đến tình trạng hư hỏng Do đó phải có một thiết bị để đo dòng điện sử dụng trên thiết

bị, nếu dòng điện không đủ cung cấp, sẽ ngắt điện ở những thiết bị khác đang hoạt động

mà có độ ưu tiên thấp hơn, những thiết bị ít sử dụng trong gia đình hoặc trường hợp xấu nhất là ngắt điện toàn cục để bảo vệ thiết bị và an toàn điện trong gia đình Bên cạnh

đó, thiết bị này còn có thể đo điện năng sử dụng, qua đó có thể thu thập những số liệu

sử dụng của một gia đình, mà từ đó có phương án sử dụng hợp lý hơn, tiết kiệm hơn

Hình 1.1 Mô hình đo dòng điện thiết bị

Trang 9

2 | T r a n g

Để thực hiện đề tài này, nhóm chúng em sử dụng vi điều khiển họ PIC18F,

cụ thể là PIC18F97J60, và cảm biến đo dòng điện ACS712 Đây là hai linh kiện khả phổ biến ở Việt Nam, dễ dàng triển khai khi đi vào thực tế

1.2 Mục tiêu đề tài

Thiết bị này khi sử dụng phải hoạt động chính xác, không cho phép sai số lớn Đặc biệt phải đảm bảo an toàn về điện, tránh các sự cố về điện, cũng như gây ra hư hỏng cho thiết bị đo dòng và các thiết bị sử dụng điện

Các thao tác của người sử dụng thiết bị đo dòng phải được đặt lên hàng đầu,

dễ thao tác và cũng như chỉnh sửa

Về nhóm chúng em, khi thực hiện xong đề tài này sẽ hiểu rõ hơn về các sử dụng vi điều khiển và cách lập trình nó, ứng dụng bộ chuyển tương tự sang số để đo dòng, tạo tiền đề phát triển cho những đồ án sau này

Chương 2 Nền tảng, công nghệ và các thiết bị sử dụng

Chương này gồm các vấn đề sau:

2.1 Giới thiệu về PIC18F97J60

2.2 Phần mềm MPLAB và trình biên dich C18

2.3 Cảm biến đo dòng ACS712

2.4 LCD 16x2 để hiển thị dòng điện

2.5 Một số linh kiện khác

2.6 Phần mềm thiết kế mạch Altium 2013

Trang 10

2.1 Giới thiệu về PIC18F97J60

Hình 2.1 PIC18F97J60

2.1.1 Vi điều khiển nổi bật trong việc tích hợp module Ethernet

- Bộ điều khiển Ethernet tương thích với chuẩn IEEE 802.3

- Được tích hợp MAC và 10Base_T PHY (Chuẩn Ethernet cho mạng cục bộ (LAN) sử dụng cáp xoắn đôi để truyền dữ liệu với tốc độ 10MBps trên kiến trúc mạng hình sao Mỗi máy tính nối tới một hub trung tâm)

- SRAM với 8 -Kbyte để truyền / nhận gói đệm

- Cung cấp 1 cổng 10Base_T với chức năng tự động phân cực phát hiện và chỉnh sửa

- Lập trình tự động truyền lại khi xung đột

- Lập trình cho việc tạo ra đệm và mã phát hiện lỗi(CRC)

- Lập trình cho việc tự động loại bỏ các gói lỗi

- Sự hoạt động của đầu ra được hiển thị bằng 2 Led

- Bộ đệm:

o Tùy chỉnh kích thước bộ đệm cho việc truyền/nhận

o Mạch quản lý phần cứng nhận dữ liệu theo kiểu FIFO

Trang 11

4 | T r a n g

o Bộ DMA (Direct Memory Access) nội cho bộ nhớ copy nhanh

o Phần cứng tính toán kiểm tra hỗ trợ cho các giao thức khác nhau

- MAC (Media Access Control):

o Hỗ trợ cho các gói giao thức Unicast, Multicast và Broadcast

o Lập trình so sánh mẫu lên đến 64 bytes trong phạm vi gói của kiến trúc người dùng tự định nghĩa

o Lập trình wake-up trên nhiều gói định dạng

- PHY:

o Bộ lọc sóng hình đầu ra

o Chế độ vòng lặp lại

2.1.2 Cấu tạo bộ dao động linh hoạt

- Lựa chọn hệ thống xung xuất phát từ nguồn đơn 25 MHz bên ngoài : 2.78 đến 41.67 MHz

- Bộ dao động nội 31 kHz

- Bộ dao động thứ hai sử dụng Timer1 32kHz

- Fail-Safe Clock Monitor (bộ điều chỉnh xung an toàn): Cho phép tắt máy an toàn nếu dao động dừng

- Two-Speed Oscillator Start-up (bộ dao động 2 tốc độ khi khởi động)

2.1.3 Đường truyền dữ liệu bộ nhớ bên ngoài

- Dung lượng địa chỉ lên đến 2Mbytes

- Giao tiếp 8-bit hoặc 16-bit

- Chế độ địa chỉ 12-bit, 16-bit hoặc 20-bit

2.1.4 Điểm nổi bật ở thiết bị ngoại vi

- Bộ góp/nguồn với dòng cao: 25 mA/25 mA ở PORTB và PORTC

- 5 bộ định thời từ Timer0 đến Timer5

Trang 12

- Có đến 2 modules Master Synchronous Serial Port (MSSP) được trang bị

SPI-Serial Peripheral Interface (bao gồm cả 4 chế độ) và I2C-Inter Intergrated Circuit Master And Slave

 Có đến 2 modules EUSART-Enhanced Universial Synchronous Asynchronous

Receiver Transmitter:

o Hỗ trợ RS-485, RS-232 và LIN 1.2

o Auto-wake-up on Start bit

o Auto-Baud Detect

- Module ADC 10-bit có đến 16 channels:

o Khả năng tự động thu thập dữ liệu

o Việc chuyển đổi có thể sử dụng trong khi Sleep

- 2 bộ so sánh tương tự với đầu vào đa hợp

- Module PSP-Parallel Serial Port

2.1.5 Những điểm đặ biệt của vi điều khiển

- Đầu vào tối đa là 5.5V (chỉ có ở chân kĩ thuật số)

- Công suất thấp, công nghệ High-Speed CMOS Flash:

o Tự lập trình lại dưới sự kiểm soát phần mềm

- Trình biên dịch C được tối ưu hóa cho việc tái lập mã

- Tính năng quản lý năng lượng:

o Run: CPU on, Peripheral on

o Idle: CPU off, Peripheral on

o Sleep: CPU off, Peripheral off

- Những chế độ ưu tiên cho ngắt

- Bộ nhân phần cứng với 8x8 chu kì đơn

- Mở rộng Watchdog Timer (WDT):

o Thời gian lập trình từ 4 ms để 134s

- Mạch nạp chương trình nối tiếp - In-Circuit Serial Programming™ (ICSP™) bằng nguồn đơn 3.3 V thông qua 2 chân

- Debug mạch thật với 3 breakpoints thông qua 2 chân

- Điện thế hoạt động trong phạm vi từ 2.35V đến 3.6V (3.14V đến 3.45V nếu sử dụng module Ethernet)

Trang 13

3 Có thể dùng các sản phẩm này để nạp cho vi điều khiển khác thông qua chương trình MPLAB Dòng sản phẩm chính thống này có ưu thế là nạp được cho tất cả các vi điều khiển PIC, tuy nhiên giá thành cao và thường gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình mua sản phẩm Nhóm chúng em sử dụng Pickit 2 vì nó hỗ trợ nhiều, phù hợp với giá tiền sinh viên

Trang 14

Hình 2.3 Giao diện của phần mềm MPLAB

2.2.2 Trình biên dịch Mirochip C18

Khi cài đặt xong MPLAB IDE, compiler mặc định cho nó là MPASM, dùng

để dịch project viết bằng ASM sang file HEX Muốn viết chương trình bằngC, ta cần phải cài đặt thêm 1 compiler khác có hỗ trợ cho chip PIC đang dùng Và trong đề tài nhóm chúng em sử dụng trình biên dịch C18, bản miễn phí dùng cho sinh viên

Hình 2.4 Lựa chọn trình biên dịch

Trang 15

Hình 2.6 Sơ đồ chân ACS712

Trang 16

- Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp

- Thời gian tăng của đầu ra để đáp ứng với đầu vào là 5µs

- Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ

- Nguồn vận hành đơn là 5V

- Độ nhạy đầu ra từ 63-190mV/A

- Điện áp ra rất ổn định

Các ứng dụng của cảm biến đo dòng ACS712:

- Điều khiển động cơ

- Kiểm tra và quản lý tải

- Chuyển đổi chế độ cung cấp điện năng

- Bảo vệ dòng khi lỗi

- Chân chọn thanh ghi RS (Register Select): Có hai thanh ghi trong LCD, chân RS(Register Select) được dùng để chọn thanh ghi, như sau:

o Nếu RS = 0 ở chế độ ghi lệnh như xóa màn hình , bật tắt con trỏ…

Trang 17

- Chân cho phép E (Enable): Chân cho phép E được sử dụng bởi LCD

để chốt dữ liệu của nó Khi dữ liệu được đến chân dữ liệu thì cần có 1 xung từ mức cao xuống mức thấp ở chân này để LCD chốt dữ liệu , xung này phải có độ rộng tối thiểu 450ns

- Chân D0 – D7: Đây là 8 chân dữ liệu 8 bít, được dùng để gửi thông tin lên LCD hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD Để hiển thị các chữ cái và các con số chúng ta gửi các mã ASCII của các chữ cái và các con số tương ứng đến các chân này khi bật

Trang 18

- Quản lý thư viện thành phần

- Chỉnh sửa sơ đồ (vị trí linh kiện, chỉnh sửa kết nối và quy tắc thiết kế định nghĩa)

- Tích hợp với một số nhà phân phối thành phần cho phép tìm kiếm các thành phần và truy cập dữ liệu của nhà sản xuất

- Spice hỗn hợp tín hiệu mô phỏng mạch

- Và mộ số chức năng khác

PCB design: Tính năng này cho phép người thiết kế có thể quan sát, kiểm

tra một phần nhỏ PCB của mình theo một hình chữ nhật được đặt kích thước sẵn Nó giống như một chiếc kính lúp, giúp các bạn quản lý tốt hơn thiết kế của mình

Chương 3 Thực hiện đề tài

Chương này gồm các phần sau:

3.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý

3.2 Thiết kế mạch in

3.3 Lập trình cho vi điều khiển

3.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý

Để tiện cho việc phát triển và thực hiện những đề tài cho đồ án 2 cũng như luận án sau này, nhóm chúng em đã thiết kế những module mà vi điều khiển hỗ trợ

Trang 19

12 | T r a n g

3.1.1 Bộ xử lý trung tâm – PIC18F97J60

Hình 3.1 Bộ xử lý trung tâm - PIC18F97J60

Để cung cấp nguồn dao động, ta sử dụng thạch anh 25MHz cho dao động 1

và thạch anh 32kHz cho nguồn xung thứ 2

Trang 20

Trang 21

14 | T r a n g

3.1.2 Giao tiếp với thiết vị ngoại vi

3.1.2.1 Nút nhấn

Ta sử dụng phương pháp kéo điện trở, để vi điều khiển chỉ nhận được

3V3(tương ứng mức 1) và 0V(tương đương mức 0)

Hình 3.5 Nút nhấn

3.1.2.2 Led

Hình 3.6 LED

Để đảm bảo cho hoạt động, dùng điện trở 100 ohm đển hạn dòng

3.1.2.3 Các chân nhận tín hiệu Analog

Hình 3.7 Chân Analog

Trang 22

Hình 3.8 Các chân nhận Analog

3.1.2.4 LCD hiển thị giá trị

Dùng để hiển thị các giá trị mà chúng ta muốn sử dụng từ vi điều khiển lên LCD

3.1.2.5 RJ45 để giao tiếp Ethernet của vi điều khiển

Hình 3.9 RJ45 giao tiếp Ethernet

Trang 23

16 | T r a n g

3.1.2.6 Giao tiếp vi điều khiển với máy tính

Ngày nay, do cổng RS232 đã không còn phổ biến trên máy tính, nên để giao tiếp qua cổng COM, ta sử dụng IC FT232Rl để giao tiếp

Hình 3.10 COM sang USB

Trang 24

Hình 3.11 Nguồn cung cấp

3.1.3 Mạch cảm biến đo dòng

Vì giá trị đầu vào tối đa chân analog của vi điều khiển chỉ là 3v3 nên ta thiết

kế thêm cầu phân ap như sơ đồ Giá trị đầu ra của cảm biến này tối đa là 5v nên qua cầu phân áp chỉ còn tối đa 3v

3.2 Thiết kế mạch in

Từ các sơ đồ nguyên lý trên, ta thiết kế mạch in 2 lớp như sau:

Trang 25

18 | T r a n g

Hình 3.12 Mạch in lớp TOP

2 1

2 1 2 1

2 1

2

1 2

1

2 1

2

1 1

1

2 1

2

2 2

1 2

1

2 1

3 4

5 6

1 2 3 8

1 2

2 1

1 2

2 1

1

3 2 1

2 1

1

0

Định dạng
Số trang	29
Dung lượng	1,78 MB