Đề tài khoa học cấp trường thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thông minh

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.. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI1.1 Giới thiệu về

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU

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

2.1.1 Các yêu cầu với chip vi điều khiển 3

2.1.2 Chip vi điều khiển ATmega128 3

2.2 Thiết kế bàn phím cảm ứng 4

2.2.1 Giới thiệu panel cảm ứng điện trở 4

2.2.2 Kết nối mạch và phương pháp điều khiển 5

2.2.3 Chương trình điều khiển 7

2.3 Thiết kế màn hình hiển thị 8

2.3.1 Giới thiệu Graphic LCD 128x64 8

2.3.2 Kết nối mạch và phương pháp điều khiển 9

2.3.3 Chương trình điều khiển 10

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

2.4.1 Giới thiệu nguyên lý thu phát hồng ngoại 11

2.4.2 Linh kiện thu phát hồng ngoại 13

2.4.3 Kết nối mạch và phương pháp điều khiển 13

2.4.4 Chương trình điều khiển 14

2.5 Thiết kế khối dò pha để điều khiển dimmer 14

2.5.1 Giới thiệu nguyên lý dò pha và dimmer 14

2.5.2 Sơ đồ khối mạch dò pha 15

2.5.3 Chương trình điều khiển 15

2.6 Thiết kế khối điều khiển công suất 16

2.6.1 Giới thiệu khối công suất 16

2.6.2 Sơ đồ mạch công suất 16

3.1 Board điều khiển 19

3.1.1 Sơ đồ nguyên lý 19

3.1.2 Sơ đồ mạch in 19

3.1.3 Sơ đồ bố trí linh kiện 20

3.2 Board công suất 20

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý 20

3.2.2 Sơ đồ mạch in 21

3.2.3 Sơ đồ bố trí linh kiện 21

3.3 Hình ảnh tổng quan của thiết bị 22

3.4 Hướng dẫn sử dụng thiết bị 23

3.4.1 Cài đặt ngày, giờ 23

3.4.2 Cài đặt Password 23

3.4.3 Cài đặt thời gian giảm độ sáng màn hình 23

3.4.4 Bật tắt âm thanh BEEP 23

3.4.5 Cài đặt điều khiển bằng Remote 24

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 27

4.1 Ưu khuyết điểm của đề tài đã thực hiện 27

4.1.1 Ưu điểm 27

4.1.2 Khuyết điểm 27

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 vựcđiều khiển và tự động hóa, các thiết bị điện gia dụng không những ngày càng giúpích nhiều hơn mà chúng còn trở nên thông minh hơn Làm cho chúng ta có cuộcsống thoải mái hơn với những tiện ích mà chúng mang lại Ví dụ một chiếc tủlạnh có thể đưa ra lựa chọn một số món ăn có thể nấu với những gì đang cótrong tủ, lò vi sóng có thể tự lên chương trình nấu khi nhận được mã vạch củatúi thực phẩm, máy hút bụi có thể tự làm sạch nhà và sau đó quay về vị trí tựsạc điện mà không cần nhiều đến tác động của người sử dụng …Đó là một vàitiện ích mà thiết bị điện thông minh mang lại Ngoài ra, với sự phát triển củainternet, các thiết bị còn có thể giao tiếp được với người dùng ở mọi nơi thôngqua máy tính hoặc smartphone dẫn đến việc điều khiển các thiết bị điện thôngminh ngày càng thuận lợi và thoải mái hơn bao giờ hết Vì thế thời đại của cácthiết 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 tắcđèn, quạt, dimmer cũng được thay thế từ điều khiển bằng các công tắc cơ qua điềukhiển bằng các panel cảm ứng Điều này làm tăng tính thẩm mỹ, độ bền, độ an toàncũng như thuận lợi hơn cho người sử dụng Một số hãng sản xuất còn thiết lập cácgiao thức chung để các thiết bị của mình có thể giao tiếp với nhau giúp việc điềukhiển các thiết bị được thuận lợi và linh hoạt hơn Với một hệ thống như vậy thì chỉcần ở một vị trí trong nhà có thể giám sát và điều khiển được mọi thiết bị trong hệthống thông qua một màn hình cảm ứng Hoặc có thể điều khiển thiết bị ở mọi nơithông 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 thôngminh 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 nhaudẫn 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 thốngkhông 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 chiphí dây dẫn cũng như khó đưa hệ thống về dạng cơ bản khi có sự cốhỏng hóc

- Các panel hầu như không có điều khiển từ xa bằng remote hoặc nếu có thìphải 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 cókhả năng dimmer (dimmer dùng để điều khiển độ sáng đèn sợi đốthoặc 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 thôngqua chương trình được xây dựng để đạt các yêu cầu đặt ra Mạch điều khiển phảiđáp 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 nàyphải đáp ứng được các chức năng mà yêu cầu của đề tài đặt ra

2.1.1 Các yêu cầu với chip vi điều khiển

- 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

2.1.2 Chip vi điều khiển ATmega128

Trong đề tài này chip vi điều khiển atmega128 được chọn vì nó đáp ứng được

yêu cầu đặt ra Chip này có một số đặc điểm như sau:

- Có 128 KB bộ nhớ flash để lưu chương trình điều khiển

2.2 Thiết kế bàn phím cảm ứng

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

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

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

2.2.1 Giới thiệu panel cảm ứng điện trở

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

2.2.2 Kết nối mạch và phương pháp điều khiển

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

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 thànhmột 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

Y-, sau đó lấy ADC thông qua chân X

2.2.3 Chương trình điều khiển

Chương trình con quét và tạo mã phím:

chức năng của thiết bị.

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

2.3.1 Giới thiệu Graphic LCD 128x64

Graphic LCD được gọi tắt là GLCD là một loại màn hình tinh thể lỏng dùng đểhiển 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 vậyphải 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 khácnhau GLCD tùy loại có thể giao tiếp song song hoặc nối tiếp Trong đề tài nàyGLCD được sử dụng là loại giao tiếp song song 8 bit

Hình ảnh thực tế của GLCD 128x64:

2.3.2 Kết nối mạch và phương pháp điều khiển

Các GLCD 128x64 thường có 20 chân gồm 18 chân để giao tiếp vi xử lý và 2

chân dùng để điều khiển led nền

Sơ đồ chân của GLCD như sau:

Tương phản 3 Vo Điện áp input cho LCD

4 RS Lựa chọn dữ liệu/lệnhĐiều khiển 5 RW Lựa chọn chế độ ghi/đọc

Dữ liệu 7-14 D0–D7 8 bit dữ liệu

Chọn chíp 15 CS1 CS1=1,CS2=0: nửa tráiđiều khiển 16 CS2 CS1=0,CS2=1: nửa phảiReset 17 RST Reset tích cực mức thấpNguồn âm 9V 18 Vee Do GLCD tạo

Sơ đồ kết nối GLCD với vi điều khiển:

2.3.3 Chương trình điều khiển

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 điềukhiển 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 đượcchi 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 màngười sử dụng muốn

2.4.1 Giới thiệu nguyên lý thu phát hồng ngoại

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 phânbiệt bởi thời gian khác nhau giữa các lần phát xung Trong khi đó thời gian phátxung là cố định

+ Mã hóa theo độ rộng của mỗi lần phát xung: thời gian delay giữa các lần phát xung là như nhau Bit 0 và bit 1 được phân biệt bởi thời phát xung khác nhau

Mỗi hãng sản xuất lại có cách mã hóa tín hiệu điều khiển khác nhau nhưng thường bao gồm các thông tin sau:

- 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 bitđến 64 bit

2.4.2 Linh kiện thu phát hồng ngoại

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

2.4.3 Kết nối mạch và phương pháp điều khiển

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

2.4.4 Chương trình điều khiển

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

2.5.1 Giới thiệu nguyên lý dò pha và dimmer

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