Thiết kế PANEL điều khiển thiết bị điện thông minh

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu về thiết bị điện thông minh Hiện nay, với đà phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa,



ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ PANEL ĐIỀU KHIỂN

THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG MINH

Chủ nhiệm đề tài: ThS Lưu Hoàng

Bà Rịa - Vũng Tàu 10/2014

 Thiết kế một panel điều khiển thiết bị điện tiện ích giá thành thấp

 Có thể điều khiển bằng màn hình cảm ứng hoặc điều khiển từ xa

 Hiển thị trạng thái của các thiết bị cũng như các cảm biến

 Tùy biến các nút nhấn trên màn hình cảm ứng

 Thiết bị có thể điều khiển được công suất bằng phương pháp điều khiển góc

kích

 Thiết bị có khả năng học lệnh để điều khiển thiết bị từ xa từ bất kỳ remote thông

dụng của các hãng khác nhau

 Thiết bị có thể điều khiển được 8 kênh, trong đó có 3 kênh có khả năng dimmer

(dimmer dùng để điều khiển độ sáng đèn sợi đốt hoặc điều khiển tố độ quạt)

 Thiết bị có thể nhận tín hiệu từ 6 cảm biến như báo cháy, báo xì gas, báo trộm,

báo cửa mở để cảnh báo an ninh

 Thiết bị có sẵn các cảm biến đo nhiệt độ, đo cường độ sáng và đồng hồ thời gian

thực

 Có thể lắp rắp gọn gàng và đơn giản như một panel công tắc bình thường

 Có thể kết nối với nhau thành 1 hệ thống nhà thông minh

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu về thiết bị điện thông minh 1

1.2 Tính năng của một số thiết bị điện có trên thị trường 1

1.3 Phương án thiết kế 2

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THIẾT KẾ 3

2.1 Mạch điều khiển trung tâm 3

Các yêu cầu với chip vi điều khiển 3

2.1.1 Chip vi điều khiển ATmega128 3

2.1.2 2.2 Thiết kế bàn phím cảm ứng 4

Giới thiệu panel cảm ứng điện trở 4

2.2.1 Kết nối mạch và phương pháp điều khiển 5

2.2.2 Chương trình điều khiển 7

2.2.3 2.3 Thiết kế màn hình hiển thị 8

Giới thiệu Graphic LCD 128x64 8

2.3.1 Kết nối mạch và phương pháp điều khiển 9

2.3.2 Chương trình điều khiển 10

2.3.3 2.4 Thiết kế phần học tín hiệu từ remote hồng ngoại 11

Giới thiệu nguyên lý thu phát hồng ngoại 11

2.4.1 Linh kiện thu phát hồng ngoại 13

2.4.2 Kết nối mạch và phương pháp điều khiển 13

2.4.3 Chương trình điều khiển 14

2.4.4 2.5 Thiết kế khối dò pha để điều khiển dimmer 14

Giới thiệu nguyên lý dò pha và dimmer 14

2.5.1 Sơ đồ khối mạch dò pha 15

2.5.2 Chương trình điều khiển 15

2.5.3 2.6 Thiết kế khối điều khiển công suất 16

Giới thiệu khối công suất 16

2.6.1 Sơ đồ mạch công suất 16 2.6.2

3.1 Board điều khiển 19

Sơ đồ nguyên lý 193.1.1

Sơ đồ mạch in 193.1.2

Sơ đồ bố trí linh kiện 203.1.3

3.2 Board công suất 20

Sơ đồ nguyên lý 203.2.1

Sơ đồ mạch in 213.2.2

Sơ đồ bố trí linh kiện 213.2.3

3.3 Hình ảnh tổng quan của thiết bị 223.4 Hướng dẫn sử dụng thiết bị 23

Cài đặt ngày, giờ 233.4.1

Cài đặt Password 233.4.2

Cài đặt thời gian giảm độ sáng màn hình 233.4.3

Bật tắt âm thanh BEEP 233.4.4

Cài đặt điều khiển bằng Remote 243.4.5

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 274.1 Ưu khuyết điểm của đề tài đã thực hiện 27

Ưu điểm 274.1.1

Khuyết điểm 274.1.2

4.2 Định hướng phát triển đề tài 27

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu về thiết bị điện thông minh

Hiện nay, với đà phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa, các thiết bị điện gia dụng không những ngày càng giúp ích nhiều hơn mà chúng còn trở nên thông minh hơn Làm cho chúng ta có cuộc sống thoải mái hơn với những tiện ích mà chúng mang lại Ví dụ một chiếc tủ lạnh có thể đưa ra lựa chọn một số món ăn có thể nấu với những gì đang có trong tủ, lò vi sóng

có thể tự lên chương trình nấu khi nhận được mã vạch của túi thực phẩm, máy hút bụi có thể tự làm sạch nhà và sau đó quay về vị trí tự sạc điện mà không cần nhiều đến tác động của người sử dụng …Đó là một vài tiện ích mà thiết bị điện thông minh mang lại Ngoài ra, với sự phát triển của internet, các thiết bị còn có thể giao tiếp được với người dùng ở mọi nơi thông qua máy tính hoặc smartphone dẫn đến việc điều khiển các thiết bị điện thông minh ngày càng thuận lợi và thoải mái hơn bao giờ hết Vì thế thời đại của các thiết bị điện sắp tới được gọi là “Internet Of Things” – internet của vạn vật

Trong xu thế đó, các panel điều khiển thiết bị điện trong nhà như công tắc đèn, quạt, dimmer cũng được thay thế từ điều khiển bằng các công tắc cơ qua điều khiển bằng các panel cảm ứng Điều này làm tăng tính thẩm mỹ, độ bền, độ an toàn cũng như thuận lợi hơn cho người sử dụng Một số hãng sản xuất còn thiết lập các giao thức chung để các thiết bị của mình có thể giao tiếp với nhau giúp việc điều khiển các thiết bị được thuận lợi và linh hoạt hơn Với một hệ thống như vậy thì chỉ cần ở một vị trí trong nhà có thể giám sát và điều khiển được mọi thiết bị trong hệ thống thông qua một màn hình cảm ứng Hoặc có thể điều khiển thiết bị ở mọi nơi thông qua máy tính hoặc smartphone nếu như hệ thống có kết nối internet

1.2 Tính năng của một số thiết bị điện có trên thị trường

Trên thị trường hiện có rất nhiều hãng sản xuất ra các thiết bị điều khiển thông minh Nhìn chung tất cả các thiết bị này đều có tính chất sau:

- Mỗi nhà sản xuất đều xây dựng cho mình một hệ thống riêng nên thiết bị của các hãng khác nhau ít có khả năng được dùng chung trong một hệ thống

- Các hệ thống thường sử dụng máy chủ để liên kết các thiết bị với nhau dẫn đến chi phí cho một hệ thống rất cao, đặc biệt là lãng phí cho những hệ thống nhỏ Khi máy chủ gặp sự cố có thể dẫn đến việc toàn bộ hệ thống không hoạt động được

- Các panel điều khiển thường có ít nút nhấn dẫn đến phải gắn nhiều panel ở một vị trí làm tăng chi phí cho hệ thống

- Một số hệ thống còn tập trung phần công suất về tủ trung tâm nên tăng chi phí dây dẫn cũng như khó đưa hệ thống về dạng cơ bản khi có sự cố hỏng hóc

- Các panel hầu như không có điều khiển từ xa bằng remote hoặc nếu có thì phải mua của hãng sản xuất với chi phí khá cao

- Hệ thống an ninh được tách biệt dẫn đến làm tăng chi phí cho toàn hệ thống

1.3 Phương án thiết kế

Dựa vào các ưu, nhược điểm của các sản phẩm hiện có, đề tài này sẽ thiết kế một panel điều khiển thiết bị điện thông minh với các đặc điểm sau:

- Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện thông minh với giá thành thấp

- Thiết bị phải được lắp đặt và kết nối đơn giản

- Thiết bị có khả năng làm việc độc lập khi có sự cố về kết nối

- Thiết bị có khả năng học lệnh để điều khiển thiết bị từ xa từ bất kỳ remote thông dụng của các hãng khác nhau

- Thiết bị có thể điều khiển được 8 kênh thiết bị, trong đó có 3 kênh có khả năng dimmer (dimmer dùng để điều khiển độ sáng đèn sợi đốt hoặc điều khiển tố độ quạt)

- Thiết bị có thể nhận tín hiệu từ 6 cảm biến như báo cháy, báo xì gas, báo trộm, báo cửa mở

- Thiết bị có sẵn các cảm biến đo nhiệt độ, đo cường độ sáng và đồng hồ thời gian thực

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THIẾT KẾ

2.1 Mạch điều khiển trung tâm

Mạch điều khiển đóng vai trò điều khiển toàn bộ hoạt động của thiết bị thông qua chương trình được xây dựng để đạt các yêu cầu đặt ra Mạch điều khiển phải đáp ứng được về tốc độ xử lý cũng như độ bền bỉ khi phải hoạt động liên tục

Phần quan trọng nhất trong mạch điều khiển là chip vi điều khiển Chip này phải đáp ứng được các chức năng mà yêu cầu của đề tài đặt ra

Các yêu cầu với chip vi điều khiển

2.1.1

- Có 4 kênh ADC trở lên để giao tiếp với panel cảm ứng và cảm biến ánh sáng

- Có 2 ngắt ngoài để dò pha và để đọc tín hiệu từ mắt thu hồng ngoại

- Có 3 bộ PWM điều chế độ rộng xung để thực hiện điều khiển dimmer cho 3 kênh

- Có bộ nhớ eeprom để lưu thông số cài đặt

- Có đủ số I/O để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi

- Có khả năng giao tiếp nối tiếp

- Có đủ bộ nhớ ram để cho hệ thống hoạt động

Chip vi điều khiển ATmega128

2.2 Thiết kế bàn phím cảm ứng

Bàn phím của thiết bị dùng để điều khiển cũng như cài đặt các chức năng của thiết bị Bàn phím có thể sử dụng phím cứng là nút nhấn cơ học hoặc sử dụng phím cảm ứng để tăng tính thẩm mỹ

Phím cảm ứng có thể sử dụng cảm ứng điện dung theo công nghệ Mtouch của Microchip hoặc Qtouch của Atmel Ưu điểm của 2 công nghệ này là độ hoạt động bền bỉ cũng như dễ dàng thiết kế bề mặt của phím bằng kính để tăng độ sang trọng của thiết bị

Ngoài ra còn có thể sử dụng phím bằng panel cảm ứng điện trở Ưu điểm của panel điện trở là chi phí thấp, dễ thiết kế phím, dễ kết nối và điều khiển Với tiêu chí là thiết kế một thiết bị có giá thành thấp, kết cấu đơn giản nên panel cảm ứng điện trở được lựa chọn trong đề tài này

Giới thiệu panel cảm ứng điện trở

2.2.1

Panel cảm ứng điện trở là loại nhạy cảm với áp lực tác động lên bề mặt và có thể được điều khiển bằng bút trâm, ngón tay hay bất kỳ vật nào có đầu nhọn Panel cảm ứng điện trở sử dụng kiếng hay nhựa acrylic gồm 2 lớp tương tác mỏng: lớp chất dẫn điện và lớp điện trở - 2 lớp này được cách ly bởi những điểm và khoảng trống mà mắt thường không thể nhìn thấy Trên bề mặt mỗi lớp tương tác được phủ một hợp chất gọi là ITO (oxít thiếc và Indi), trong khi đó dòng điện với mức điện thế khác nhau sẽ được truyền qua 2 lớp này Khi có một tác động lên bề mặt, 2 lớp tương tác này "chạm" nhau và mạch điện sẽ được nối, cường độ dòng điện chạy qua mỗi lớp cũng sẽ thay đổi Lớp phía trên sẽ lấy điện thế từ lớp dưới và lớp dưới

sẽ lấy điện thế từ lớp trên, qua đó cho phép bộ điều khiển xác định tọa độ X-Y của

vị trí tiếp xúc Panel điện trở thường có 2 loại kết nối 4 dây hoặc 5 dây Loại 4 dây thường được sử dụng nhiều hơn do kết nối và điều khiển đơn giản

Panel cảm ứng điện trở có cấu trúc như hình sau:

Hình ảnh thực tế của panel cảm ứng điện trở:

Kết nối mạch và phương pháp điều khiển

2.2.2

Panel cảm ứng được kết nối trực tiếp vào 4 chân ADC của vi điều khiển như sau:

4 chân của vi điều khiển sẽ tương ứng với các chân X+, Y+, X-, Y- của panel cảm ứng:

Để xác định được tọa độ của vị trí bị tác động trên panel cảm ứng, chương trình

xử lý phải xác định được tọa độ theo trục X và Y bằng phương pháp quét theo bảng sau:

Khi ở chể độ nghỉ, các chân điều khiển được đặt ở chế độ Hi-Z để tiết kiệm năng lượng

Tọa độ X, Y của panel được quét liên tục theo tần số khoảng 100Hz Ở mỗi lần quét chương trình phải xác định vị trí của tác động

Trước hết để xác định tọa độ theo trục X, điện áp được đặt lên 2 chân X+ và X- Lúc này dòng điện chạy qua trục X Nếu panel được tác động thì một điểm trên

điện trở trục X sẽ được kết nối với trục Y và điện trở trên trục X sẽ trở thành một cầu phân áp Sau đó ta chỉ cần lấy ADC tại điểm này thông qua chân Y+ thì có thể xác định được giá trị tương ứng với tọa độ của điểm tác động

Tương tự, để xác định tọa độ theo trục Y, điện áp được đặt lên 2 chân Y+ và , sau đó lấy ADC thông qua chân X

Chương trình điều khiển

Trong đề tài này, tác giả lựa chọn hiển thị bằng graphic LCD đơn sắc với số điểm ảnh 128x64 Với kích thước này thiết bị đủ để hiển thị được 8 thiết bị cũng như một số thông tin cần thiết khác

Giới thiệu Graphic LCD 128x64

2.3.1

Graphic LCD được gọi tắt là GLCD là một loại màn hình tinh thể lỏng dùng để hiển thị chữ, số hoặc hình ảnh GLCD 128x64 có 128 cột và 64 hàng tương ứng với

126x64=8192 điểm ảnh (dot) Mỗi điểm tương ứng với 1 bit dữ liệu Như vậy phải cần 8192 bit hoặc 1024 byte RAM để lưu dữ liệu hiển thị

Tùy theo loại chip điều khiển, nguyên lý hoạt động của GLCD có thể khác nhau GLCD tùy loại có thể giao tiếp song song hoặc nối tiếp Trong đề tài này GLCD được sử dụng là loại giao tiếp song song 8 bit

Sơ đồ chân của GLCD như sau:

Nguồn âm 9V 18 Vee Do GLCD tạo

Sơ đồ kết nối GLCD với vi điều khiển:

Chương trình điều khiển

2.3.3

 Chương trình ghi dữ liệu vào GLCD:

void GlcdWriteData(unsigned char data){

char GlcdReadData(char col,char row){

2.4 Thiết kế phần học tín hiệu từ remote hồng ngoại

Trên thiết bị này có chức năng học tín hiệu từ remote hồng ngoại để điều khiển thiết bị Chức năng này rất hữu ích vì có thể tận dụng bất kỳ remote nào để gán các nút cho các thiết bị cần điều khiển Người sử dụng có thể giảm được chi phí cũng như không phải cần thêm một remote riêng để điều khiển

Phần mềm trên thiết bị sẽ tự tìm đặc trưng của mỗi loại remote để phân tích và lưu lại các thông tin mã hóa, sau đó sẽ gán các nút trên remote với thiết bị mà người sử dụng muốn

Giới thiệu nguyên lý thu phát hồng ngoại

2.4.1

Tia hồng ngoại được phát ra từ các điều khiển từ xa là ánh sáng không nhìn thấy được bằng mắt thường Nó có bước sóng khoảng từ 0.86um đến 0.98um Tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng Nó được điều chế và truyền đi ở tần

số khoảng 30-60KHz Sau đó tín hiệu này được thu lại và giải điều chế sang tính hiệu số thông qua các mắt thu hồng ngoại

Có 2 phương pháp thường dùng để mã hóa tín hiệu trong remote, mã hóa theo khoảng cách giữa các lần phát xung hoặc theo độ rộng của mỗi lần phát xung

+ Mã hóa theo khoảng cách giữa các lần phát xung: bit 0 và bit 1 được phân biệt bởi thời gian khác nhau giữa các lần phát xung Trong khi đó thời gian phát xung là

- Start Bit: là tín hiệu cho biết bắt đầu một fame dữ liệu

- Zero Bit: là tín hiệu của bit 0

- Mark Bit: là tín hiệu của bit 1

- Address: là số bit địa chỉ tương ứng với mỗi thiết bị do nhà sản xuất quy định

- Command: là lệnh tương ứng với mỗi nút nhấn trên điều khiển từ xa

Số bit của fame truyền trên mỗi loại remote thường khác nhau từ khoảng 8 bit đến 64 bit

Linh kiện thu phát hồng ngoại

2.4.2

Linh kiện phát hồng ngoại thường sử dụng diode phát hồng ngoại màu trắng Diode này cũng có 2 chân anode và cathode như một bóng đèn led thông thường Linh kiện thu thường dùng mắt thu hồng ngoại tích hợp sẵn mạch giải điều chế Linh kiện này gồm 2 chân nguồn cung cấp và 1 chân tín hiệu ra dạng xung vuông Khi không nhận được tín hiệu hồng ngoại, ngõ ra này thường ở mức cao

Kết nối mạch và phương pháp điều khiển

2.4.3

Ngõ ra của mắt thu hồng ngoại được kết nối trực tiếp đến một ngõ vào ngắt của

vi điều khiển Khi có tín hiệu hồng ngoại, chân này chuyển từ mức cao xuống thấp tạo ngắt để chạy chương trình nhận dữ liệu từ remote

Chương trình điều khiển

2.4.4

 Chương trình ngắt nhận tín hiệu hồng ngoại:

interrupt [EXT_INT6] void ext_int6_isr(void){

2.5 Thiết kế khối dò pha để điều khiển dimmer

Giới thiệu nguyên lý dò pha và dimmer

2.5.1

Khối dò pha đóng vai trò tìm zero của nguồn điện lưới để từ đó đưa ra góc kích tương ứng điều khiển các thiết bị có khả năng dimmer như đèn sợi đốt hoặc quạt

Mạch dò pha có thể lấy mẫu điện áp lưới thông qua biến áp hoặc dò trực tiếp từ điện áp lưới thông qua opto cách ly

Điện áp mẫu sau đó được so sánh bằng opamp để xác định điểm zero

Sơ đồ khối mạch dò pha

2.5.2

Mạch dò pha trong đề tài này được thiết kế như sau:

Điện áp AC 220V được đưa qua diode cầu để chỉnh lưu sau đó đưa vào led của opto thông qua điện trở hạn dòng 220K

Ngõ ra của opto được đưa vào mạch so sánh để dò điểm zero Khi điện AC lớn hơn 0, opto sẽ dẫn nên ngõ ra của opamp sẽ cho ra mức 5V Khi điện áp AC về điểm zero, opto sẽ ngưng dẫn nên ngõ ra của opto sẽ chuyển từ 5V về 0V tạo cạnh xuống để kích ngắt cho vi điều khiển xử lý

Chương trình điều khiển

2.5.3

 Chương trình xử lý khi có ngắt từ mạch dò pha:

interrupt [TIM3_OVF] void timer3_ovf_isr(void){