Thiết kế hệ thống giám sát không dây trong công nghiệp ứng dụng công nghệ Lora

Tên đề tài :Thiết kế hệ thống giám sát không dây trong công nghiệp ứng dụng công nghệ Lora Nội dung chính trong đề tài: Hệ thống giám sát được viết bằng C trên Visual Studio. Phần thực thi sử dụng Arduino để điều khiển đối tượng là động cơ một chiều.

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT KHÔNG DÂY TRONG CÔNG NGHIỆP ỨNG

DỤNG CÔNG NGHỆ LORA

Hà Nội, 05/2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

BÁO CÁO TỔNG KẾT

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT KHÔNG DÂY TRONG CÔNG NGHIỆP ỨNG

DỤNG CÔNG NGHỆ LORA

- Trưởng nhóm nghiên cứu: Vương Cảnh Trí, Tự động hóa A-K60.

- Thành viên tham gia thực hiện:

+ Nguyễn Thành Đạt, Tự động hóa A-K60.

+ Ngô Tuệ Hải, Tự động hóa A-K60.

+ Bì Quốc Vương, Tự động hóa D-K61.

+ Nguyễn Ngọc Quảng, Tự động hóa D-K61.

Người hướng dẫn: Ths Đào Hiếu.

Hà Nội, 05/2019

M c L c ụ ụ

Lora và vai trò của hệ thống điều khiển giám sát trong công nghiệp:

• Vai trò của hệ thống điều khiển giám sát trong công nghiệp: trong tự động hóa công nghiệp, việc điều khiển hệ thống là công việc không thể thiếu được Một hệ thống chỉ có điều khiển không thôi sẽ không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật đề ra, điều khiển luôn đi đôi với việc giám sát và thu thập dữ liệu để từ đó hệ thống mới có thông tin phản hồi cho ra những tín hiệu điều chỉnh chính xác.

Hệ thống điều khiển giám sát sẽ kết nối người quản lý với toàn bộ các thông tin bằng giao diện trình duyệt trên máy tính Từ giao diện này, người quản lý có thể quan sát được và điều khiển thiết bị từ màn hình máy tính.

• LoRa: là một công nghệ không dây được phát triển để cho phép truyền tốc độ dữ liệu thấp trên một khoảng cách lớn bởi các cảm biến và bộ truyền động cho M2M và IoT cũng như các ứng dụng IoT LoRa hướng tới các kết nối M2M ở khoảng cách lớn Nó có thể hỗ trợ liên lạc ở khoảng cách lên tới 15 – 20 km, với hàng triệu nút mạng Nó có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép, với tốc độ thấp từ 0,3kbps đến khoảng 30kbps Với đặc tính này, mạng LoRa phù hợp với các thiết bị thông minh trao đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng duy trì trong một thời gian dài Thực tế các thiết bị LoRa có thể duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu trong thời gian lên đến 10 năm chỉ với năng lượng pin Một mạng LoRa có thể cung cấp vùng phù sóng tương tự như của một mạng di động Trong một số trường hợp, các ăng-ten Lora có thể được kết hợp với ăng-ten di động khi các tần số là gần nhau, do đó giúp tiết kiệm đáng

kể chi phí Công nghệ không dây LoRa được đánh giá là lý tưởng để sử dụng trong một loạt các ứng dụng, bao gồm: định lượng thông minh, theo dõi hàng tồn kho, giám sát dữ liệu của máy bán hàng tự động,

 Trong bối cảnh hiện nay, truyền thông trong công nghiệp ngày càng đòi hỏi cao hơn về tốc độ, khả năng xử lý, khoảng cách ngày một gia tăng, tốn ít năng lượng khi truyền So với cách truyền truyền thống là

sử dụng truyền thông có dây, sẽ tốn nhiều chi phí đi dây, nguy cơ bị

hư hỏng, gián đoạn cao Nhận thấy công nghệ Lora có thể đáp ứng được những yêu cầu nêu trên Vì vậy, chúng em dựa trên sự hướng dẫn của thầy giáo Ths.Đào Hiếu đã đưa ra nghiên cứu đề tài ứng dụng công nghệ Lora để thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát không dây trong công nghiệp.

 Xây dựng bài toán trong phạm vi của nghiên cứu khoa học:

1 Xác định đề tài nghiên cứu.

Đề tài là giám sát và điều khiển động cơ một chiều trong công nghiệp ứng dụng công nghệ LORA

2 Xác định câu hỏi, giả thiết và các phương pháp nghiên cứu.

- Xác định phương pháp điều khiển động cơ một chiều: sử dụng phương pháp băm xung PWM để thay đổi giá trị điện áp trung bình, qua đó thay đổi tốc độ của động cơ 1 chiều bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng.

- Cách truyền nhận dữ liệu: sử dụng chuẩn giao tiếp UART để truyền phát thông qua module LORA.

- Cách mã hóa dữ liệu truyền: truyền một chuỗi dữ liệu thông qua cổng COM của module LORA Dữ liệu được cắt ra từng chuỗi và được giải

mã bởi vi điều khiển gắn với động cơ.

- Cách thức điều khiển: Sử dụng giao diện được thiết kế trên máy tính kết nối với cổng COM.

- Các thông số cần giám sát: Tốc độ, chiều quay, điện áp phần ứng, dòng điện - Xác định lựa chọn các cảm biến, linh kiện cần sử dụng.

3 Xây dựng đề cương và lập kế hoạch nghiên cứu.

4 Thu thập dữ liệu và xử lý dữ liệu.

5 Viết báo cáo và kết quả nghiệm thu.

không xa nhóm sẽ tiếp tục nghiên cứu phát triển nó thành một hệ thống có quy mô lớn hơn, xây dựng được mạng điều khiển nhiều thiết bị có độ chính xác cao hơn, khoảng cách xa hơn, tiện lợi hơn và giảm được tối đa chi phí.

Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài:

• Với những ưu điểm vượt trội LoRa mang lại, trên thế giới đã ứng dụng chuẩn không dây LoRa mới này thay thế cho chuẩn không dây cũ vào rất nhiều ứng dụng outdoor hoặc indoor trước đó như Smart Campus, Smart Home, Smart Parking, Air Pollution Monitoring,

• Bên cạnh đó còn có các công nghệ khác:

- Truyền thông không dây qua vệ tinh: có tần số trong khoảng từ 11đến 14 GHz và vận tốc truyền từ 1 đến 10 Mbps.

- Bluetooth: có tần số từ 2.402 GHz đến 2.480 GHz Bluetooth dùng rất ít năng lượng và khoảng cách khá ngắn.

- Wi-fi: có 5 băng tần số dùng cho Wi-fi: 2.4, 3.6, 4.9, 5 và 5.9 GHz

- Truyền bằng sóng radio: sóng radio có độ dài sóng từ 1m đến 100km tức là

có tần số từ 300 MHz đến 3 KHz.

Mục đích, nhiệm vụ của đề tài:

Mục đích:

- Nhằm nâng cao kĩ năng làm việc nhóm của sinh viên

- Củng cố kiến thức đã học, tạo điều kiện cho sinh viên có cơ hội được

vận dụng ứng dụng vào làm ra sản phẩm thật

Nhiệm vụ:

Giám sát các tham số của động cơ một chiều trong phòng thí nghiệm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài báo cáo:

Đối tượng nghiên cứu:

Các phương pháp nghiên cứu:

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.

- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết.

- Phương pháp phân loại và hệ thống hóa lý thuyết.

- Phương pháp mô hình hóa.

• Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.

- Phương pháp quan sát khoa học.

- Phương pháp thực nghiệm khoa học.

- Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm.

- Phương pháp chuyên gia.

1 Phần Mở Đầu.

2 Chương I: Tìm hiểu chung về lora.

3 Chương II: Xây dựng bài toán điều khiển giám sát động cơ một chiều.

2.1 Yêu cầu bài toán.

2.2 Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều và truyền phát 2.3 Các thiết bị được sử dụng.

2.4 Sơ đồ cấu trúc và mô hình ghép nối.

4 Chương III: Kết quả nghiên cứu.

3.1 Giao diện.

3.2 Truyền thông.

3.3 Thuật toán điều khiển động cơ.

3.4 Thuật toán đo lường tốc độ.

5 Kết Luận.

6 Phụ Lục.

Khái niệm.

LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012 Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng

km mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền/nhận dữ liệu Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như sensor network trong đó các sensor node có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với battery trong thời gian dài trước khi cần thay pin.

và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi.

Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền

xa vì tín hiệu Lora có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh.

Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:

• 780MHz cho Trung Quốc

• 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu

• 915MHz cho USA

Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 chirprate)

Radio packet của LoRa như hình sau:

Các dữ liệu trong 1 radio packet của LoRa, bao gồm:

• Preamble: Là chuỗi binary để bộ nhận detect được tín hiệu của LoRa packet trong không khí.

• Header: chứa thông tin về size của Payload cũng như có PayloadCRC hay không Giá trị của Header cũng được check CRC kèm theo

• Payload: là dữ liệu ứng dụng truyền qua LoRa.

• Payload: giá trị CRC của Payload Nếu có PayloadCRC, LoRa chip sẽ tự kiểm tra dữ liệu trong Payload và báo lên nếu CRC OK hay không.

• Module HC-12 có một bộ vi điều khiển mà người dùng thực sự không cần phải lập trình Để cấu hình mô-đun, chúng ta chỉ cần sử dụng các lệnh AT, có thể được gửi từ Arduino, PC hoặc bất kỳ vi điều khiển nào khác bằng cổng nối tiếp Để vào chế độ lệnh AT, chúng ta chỉ cần đặt chân Bộ cài đặt của mô-đun ở mức logic thấp.

• HC-12 là một máy thu phát có khả năng thu phát tín hiệu với phạm

vi ấn tượng (lên tới 1km) Nó là thỏa đáng cho hầu hết các sở thích

và thậm chí một số ứng dụng công nghiệp Nó là một thay thế quan trọng cho nRF24L01 rất rẻ, năng lượng thấp nhưng tầm ngắn Mặc

dù chi phí cao hơn một chút so với nRF24L01, nhưng phạm vi và cách sử dụng đơn giản của nó khiên HC-12 trở thành một lựa chọn tuyệt vời cho các dự án liên quan đến theo dõi.

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT

ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 2.1 Yêu cầu bài toán.

• Thiết kế giao diện giám sát.

• Điều khiển được động cơ một chiều.

• Đo lường các tham số của động cơ.

2.2 Các phương pháp điều khiển động cơ một chiều và truyền phát.

Giới thiệu chung về động cơ một chiều.

Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại

sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng.

Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải mà điều quan trọng là các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều.

Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định của nó như so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn chế tạo và bảo quản cổ góp điện phức tạp hơn (dễ phát sinh tia lửa điện) nhưng do những ưu điểm của nó nên động cơ điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản suất.

Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng 10000KW, điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng của vật liệu , nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những động cơ có công suất lớn hơn Giản đồ

kết cấu chung của đông cơ điện một chiều ở hình dưới:phần ứng được biểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E,ở phần stato có vài dây quấn kích từ: dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nối tiếp CKN,dây quấn cực từ phụ CF,và dây quấn bù CB

Hình ảnh động cơ điện một chiều.

Các phương pháp điều chế xung.

1 Phương pháp điều chế độ rộng xung.

Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của các xung vuông dẫn đến sự thay đổi cuả điện áp ra Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau

về độ rộng của sườn dương hay sườn âm.

2 Phương pháp tạo ra PWM.

• Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh

- Tín hiệu răng cưa: xác định tần số của PWM.

- Tín hiệu tựa: là tín hiệu xác định mức công suất điều chế (Tín hiệu

DC)

• Tạo xung vuông bằng phần mềm7

Đây là cách tối ưu trong các cách để tạo được xung vuông Việc tạo bằng phần mền cho độ chính xác cao về tần số và PWM Và mạch đơn giản hơn rất nhiều Xung này được tạo dựa trên xung của CPU.

3 Ghép nối PWM với động cơ một chiều.

Trong động cơ

Trong các bộ biến đổi xung áp

Giao thức truyền thông UART.

2 Một số thông số.

- Baud rate (tốc độ baud): Số bit truyền được trong 1s, ở truyền

nhận không đồng bộ thì ở các bên truyền và nhận phải thống nhất baud rate Các thông số tốc độ baud rate thường hay sử dụng để giao tiếp với máy tính là 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 38400, 56000,

57600, 115200.

- Frame (khung truyền): do kiểu truyền thông nối tiếp này rất dễ

mất dữ liệu nên ngoài tốc độ, khung truyền cũng được cài đặt từ ban đầu

để tránh bớt sự mất mát dữ liệu này Khung truyền quy định số bit trong mỗi lần truyền, các bit báo như start, stop, các bit kiểm tra như parity, và

số bit trong một data Có thể thấy, khung truyền đóng một vai trò rất quan trọng trong việc truyền thành công dữ liệu.

- Idle frame: đường truyền UART ở mức “1”, để xác nhận hiện

tại đường truyền dữ liệu trống, không có frame nào đang được truyền đi.

- Break frame: đường truyền UART ở mức “0”, để xác nhận hiện

tại trên đường truyền đang truyền dữ liệu, có frame đang được truyền đi.

- Start bit: là bit bắt đầu trong khung truyền Bit này nhằm mục

đích báo cho thiết bị nhận biết quá trình truyền bắt đầu Đường truyền UART luôn ở trạng thái cao mức “1” cho đến khi chip muốn truyền dữ liệu đi thì nó gửi bit start bằng cách kéo xuống mức “0” Như vậy start bit giá trị điện áp 0v và bắt buộc phải có bit start trong khung truyền.

- Data: data hay dữ liệu là thông tin mà chúng ta nhận được trong

quá trình truyền và nhận Data trong STM32 có quy định khung truyền là 8bit hoặc 9bit Trong quá trình truyền UART, bit có trọng số thấp nhất (LSB) sẽ được truyền trước và cuối cùng là bit có ảnh hưởng cao nhất (MSB).

- Parity bit: là bit kiểm tra dữ liệu truyền có đúng hay không

Có 2 loại parity:chẵn (even parity), lẻ (old parity).

Parity chẵn là bit parity thêm vào để số số 1 trong data + parity = chẵn.

Parity lẻ là bit parity thêm vào để số số 1 trong data + parity = lẻ Bit parity là không bắt buộc nên có thể dùng hoặc không.

- Stop bits: là một bit báo cáo để cho bộ truyền/nhận biết được

gói dữ liệu đã được gửi xong Stop bits là bit bắt buộc phải có trong khung truyền Có thể là 1 bit, 1,5bit, 2bit, 0,5bit tùy thuộc vào ứng dụng UART của người sử dụng.

3 Một số thanh ghi quan trọng trong UART.

3.1 USART_SR – Status register:

- TXE: Bit báo có data đã truyền hay không, =0 tức là data rỗng, có thể

truyền, =1 data đã được truyền đi.

- RXNE: Bit báo data đã nhận hay chưa, =1 là đã nhận, =0 là chưa nhận

hoặc nhận chưa xong

- TC: cờ báo đã nhận data hoặc data vừa mới truyền xong

3.2 USART_DR-Data register:

Thanh ghi này chứa data nhận và data truyền gồm 9bit Và n phụ thuộc vào trạng thái truyền hoặc nhận sẽ quyết định đó là data truyền hoặc data nhận.

3.3 USART_BRR-Baud rate register:

Thanh ghi này chứa giá trị tốc độ baudrate được cài đặt DIVMantissa [11:0] là thành phần trước dấu”,” và DIV_Freaction [3:0] là thành phần sau dấu phẩy của tốc độ baud được quy đổi theo bảng sau:

3.4 USART_CRx-control register:

- UE: bit cho phép UART hoạt động

- M: độ dài của data là 8 hay 9bit

- WAKE: phương pháp đáng thức UART là Idle line hoặc Address Mask

- PCE: cho phép hoặc không cho phép parity

- PS: chọn loại parity chẵn hoặc lẻ

- PEIE: cho phép ngắt PE hay không ngắt

- TXEIE: cho phép ngắt truyền hay không

- TCIE: cho phép ngắt khi truyền/nhận xong hay không

- RXNEIE: cho phép ngắt nhận hay không

- TE : cho phép truyền hay không

- RE : cho phép nhận hay không

- RWU : cho phép thức tỉnh hay không khi nhận được data từ bên ngoài

3.5 USART_GTPR – Guard time and prescaler register:

Thanh ghi này chúng ta chỉ quan tâm đến PSI [7:0] là những bit cho phép bộ chia clock trong UART từ clock hệ thống để từ đó chia tốc độ baud cho hợp lý.

2.3 Các thiết bị được sử dụng.

1 Arduino Uno R3

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc Arduino Uno R3

a Cấu tạo

Arduino Uno được xây dựng với phân nhân là vi điều khiển

ATmega328P sử dụng thạch anh có chu kì dao động là 16 MHz Với vi

điều khiển này, ta có tổng cộng 14 pin (ngõ) ra/vào được đánh số từ 0 tới

13 (trong đó có 6 pin PWM, được đánh dấu ~ trước mã số của pin) Song

song đó, ta có thêm 6 pin nhận tín hiệu analog được đánh kí hiệu từ A0

-A5, 6 pin này cũng có thể sử dụng được như các pin ra / vào bình thường

(như pin 0 - 13) Ở các pin được đề cập, pin 13 là pin đặc biệt vì nối trực

tiếp với LED trạng thái trên board.

Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB

và 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ

AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn.

b Thông số kỹ thuật:

Digital I/O pin 14 (trong đó 6 pin có khả năng băm xung)

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA

0.5 KB được sử dụng bởi bootloader

3 Chức năng của Arduino uno

• Bo mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR của Atmel

với hai chip phổ biến nhất là ATmega328 và ATmega2560 Các dòng

vi xử lý này cho phép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp do

được trang bị cấu hình mạnh với các loại bộ nhớ ROM, RAM và

Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C).

Một hệ thống Arduino có thể cung cấp cho bạn rất nhiều sự tương tác với môi trường xung quanh với:

• Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vận tốc, cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiện chuyển động, phát hiện kim loại, khí độc…).

• Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED …).

• Các module chức năng (shield) hỗ trợ kêt nối có dây với các thiết bị khác hoặc các kết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433Mhz, 2.4Ghz…).

• Định vị GPS, nhắn tin SMS…và nhiều thứ thú vị khác

Khi làm việc với Arduino board, một số thuật ngữ sau cần được lưu ý:

• Flash Memory: bộ nhớ có thể ghi được, dữ liệu không bị mất ngay cả khi tắt điện Về vai trò, ta có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng để chứa dữ liệu trên board Chương trình được viết cho Arduino sẽ được lưu ở đây Kích thước của vùng nhớ này thông thường dựa vào vi điều khiển được sử dụng, ví dụ như ATmega8 có 8KB flash memory Loại bộ nhớ này có thể chịu được khoảng 10,000 lần ghi / xoá

• RAM: tương tự như RAM của máy tính, sẽ bị mất dữ liệu khi ngắt điện nhưng bù lại tốc độ đọc ghi xoá rất nhanh Kích thước nhỏ hơn Flash Memory nhiều lần

• EEPROM: một dạng bộ nhớ tương tự như Flash Memory nhưng có chu kì ghi / xoá cao hơn - khoảng 100,000 lần và có kích thước rất

nhỏ Để đọc / ghi dữ liệu ta có thể dùng thư viện EEPROM của Arduino.

Ngoài ra, board Arduino còn cung cấp cho ta các pin khác nhau như pin cấp nguồn 3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND

2 NGUỒN XUNG 24V5A

Hình ảnh về nguồn xung 24V-5A

a Khái niệm

Nguồn xung là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay

chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung

Ưu điểm nguồn xung: Với thiết kế đơn giản và nhiều công dụng hữu ích, nguồn xung có ưu điểm là gọn nhẹ Đồng thời, giá thành của nguồn xung cũng tương đối rẻ Loại nguồn này còn có thể tích hợp được với các thiết bị nhỏ gọn và cho hiệu suất cao.

Nhược điểm: Chế tạo đòi hỏi kỹ thuật cao, thiết kế phức tạp, việc sửa

chữa cũng khó –han cho những người mới học, ngoài ra tuổi thọ của nó thường không cao (do cấu tạo chủ yếu bằng các linh kiện bán dẫn) Đặc biệt, khi chạy quá tải, loại nguồn này thường bị mất ổn định dẫn tới nguy

cơ cháy nổ cao.

b Cấu tạo và chức năng Một bo nguồn xung sẽ bao gồm những linh kiện cơ bản sau:

1.Biến áp xung: Cũng cấu tạo gồm các cuộn dây quán trên một

lõi từ giống như biến áp thông thường chỉ có điều biến áp này sử dụng lõi ferit còn biến áp thường sử dụng lỗi thép kỹ thuật điện Với cùng một kích thước thì biến áp xung cho công suất lớn hơn biến áp thường rất nhiều lần Ngoài ra biến áp xung hoạt động tốt ở dải tần cao còn biến áp thường chỉ hoạt động ở dải tần thấp.

2.Cầu chì: Bảo vệ mạch nguồn bị ngắn mạch

3.Cuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp, điode chỉnh lưu: Có nhiệm

vụ biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều tích trữ trên tụ lọc sơ cấp để cung cấp năng lượng cho cuộn sơ cấp của máy biến

áp xung

4.Sò công suất: Đây là một linh kiện bán dẫn dùng như một công

tắc chuyển mạch, đó có thể là transistor, mosfet, IC tích hợp, IGBT có nhiệm vụ đóng cắt điện từ chân (+) của tụ lọc sơ cấp vào cuộn dây sơ cấp của biến áp xung rồi cho xuống mass.

5.Tụ lọc nguồn thứ cấp: Dùng để tích trữ năng lượng điện từ

cuộn thứ cấp của biến áp xung để cấp cho tải tiêu thụ Chúng ta biết rằng khi cuộn sơ cấp của biến áp được đóng cắt điện liên tục bằng sò công suất thì xuất hiện từ trường biến thiên dẫn đến cuộn thứ cấp của biến áp

cũng xuất hiện một điện áp ra Điện áp này được chỉnh lưu qua một vài diode rồi đưa ra tụ lọc (tụ điện) thứ cấp để san phẳng điện áp.

6.IC quang và IC TL431: Có nhiệm vụ tạo ra một điện áp cố

định để khống chế điện áp ra bên thứ cấp ổn định theo mong muốn Chúng sẽ làm nhiệm vụ khống chế dao dộng đóng cắt điện vào cuộn sơ cấp của biến áp xung sao cho điện áp ra bên thứ cấp đạt yêu cầu.

c Thông số kỹ thuật.

• Điện Áp Đầu Vào: AC 220V (Chân L và N)

• Điện Áp Đầu Ra: DC 24V 5A (Chân dương V+, Chân Mass-GND: V-)

• Công Suất: 120W

• Điện áp ra điều chỉnh: +/-10%

• Phạm vi điện áp đầu vào: 85 ~ 132VAC / 180 ~ 264VAC

• Dòng vào: 2.6a / 115V 1.3a / 230V

• Rò rỉ:

• Khả năng chống sốc: 10 ~ 500Hz, 2G 10min / 1 chu kỳ, thời kỳ cho

60 phút mỗi trục

• Nhiệt độ hoạt động và độ ẩm: -10 ℃ ~ + 60 ℃ , 20% ~ 90% RH

• Nhiệt độ bảo quản, nhiệt độ: -20 ℃ ~ + 85 ℃ , 10% ~ 95RH

Bộ nguồn xung 24VDC 5A: có công suất ngõ ra khoảng 120W, điện áp

ra điều chỉnh 10%

Ngoài ra, bộ nguồn xung 24VDC 5A có bảo vệ quá tải, bảo vệ quá

áp, bảo vệ nhiệt độ cao.

3 Mô đun điều khiển động cơ mạch cầu H – Arduino IBT-2 H-Bridge 43A

a Tổng quan:

Mạch cầu H – BTS7960 43A dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển với driver tích hợp sẵn trong IC với đầy đủ các tính năng current sense (kết hợp với điện trở đo dòng), tạo dead time, chống quá nhiệt, quá áp, quá dòng, sụt áp và ngắn mạch.

Nó sử dụng bộ điều khiển Arduino với chiết áp được kết nối để điều khiển động cơ thông qua mô-đun IBT-2 từ tốc độ ngược hoàn toàn đến tốc độ chuyển tiếp hoàn toàn.

b Thông số kỹ thuật:

• Điện áp hoạt động: 6-27VDC

• Dòng điện tối đa: 43A (tải trở) hoặc 15A (tải cảm)

• Mức logic đầu vào : 3,3v – 5v

• Tín hiệu điều khiển tối đa : 25KHz

• Tự động shutdown khi sụt áp : để tránh điều khiển động cơ ở mức điện áp thấp thiết bị sẽ tự shutdown Nếu điện áp < 5.5V, driver sẽ tự ngắt điện và sẽ mở lại sau khi điện áp > 5.5V.

• Bảo vệ quá nhiệt : BTS7960 bảo vệ chống quá nhiệt bằng cảm biến nhiệt tích hợp bên trong Đầu ra sẽ bị ngắt khi có hiện tượng quá nhiệt.

• Kích thước: 40 x 50 x 12mm.

c Sơ đồ chân:

• VCC: Nguồn tạo mức logic điều khiển (5V – 3V3)

• GND: Chân đất.

• R_EN = 0 Disable nửa cầu H phải R_EN = 1 : Enable nửa cầu H phải.

• L_EN = 0 Disable nửa cầu H trái L_EN = 1 : Enable nửa cầu H trái.

• RPWM và LPWM : chân điều khiển đảo chiều và tốc độ động cơ.

• RPWM = 1 và LPWM = 0 : Mô tơ quay thuận.

• RPWM = 0 và LPWM = 1 : Mô tơ quay nghịch

• RPWM = 1 và LPWM = 1 hoặc RPWM = 0 và LPWM = 0 : Dừng.

• R_IS và L_IS : kết hợp với điện trở để giới hạn dòng qua cầu H

Với ứng dụng bình thường RPWM, LPWM nối với GPIO (VD : chân digital 2,3) để điều khiển chiều quay của động cơ.

Chân R_EN, L_EN nối chung lại rồi nối với PWM (VD chân digital 5)

để điều khiển tốc độ động cơ.

4 Động cơ.

• Sử dụng động cơ một chiều với điện áp 24V

5. Cảm biến dòng điện Hall ACS712 30A.

Module cảm biến dòng điện ACS712 30A sử dụng

ic ACS712ELC-30B dựa trên hiệu ứng Hall chuyển dòng điện cần đo thành giá trị điện thế.

ACS712 là ic cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall chân ACS712 sẽ xuất ra một tín hiệu analog ở chân Vout biến đổi tuyến tính theo Ip (dòng điện cần đo) được lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC) trong phạm vi cho phép Tụ Cf (theo sơ đồ) dùng để chống nhiễu.

 Dùng modul ACS712 30A để đo dòng điện một chiều:

Khi đo DC phải mắc tải nối tiếp Ip+ và Ip- đúng chiều, dòng điện

đi từ Ip+ đến Ip để Vout ra mức điện thế 2.5 5V tương ứng dòng 0 30A, nếu mắc ngược Vout sẽ ra điện thế 2.5V đến 0V tương ứng với 0A đến -30A.

Cấp nguồn 5v cho module khi chưa có dòng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp với domino), thì Vout=2.5v Khi dòng Ip (dòng của tải) bằng 5A thì Vout=5v, Vout sẽ tuyến tính với dòng Ip, trong khoảng 2.5V đến 5V tương ứng với dòng 0 đến 30A.

Để kiểm tra ta dùng đồng hồ VOM thang đo DC đo điện thế Vout.

 Ưu điểm của ACS712:

- Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp.

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

- Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ.

 Các tính năng:

- Bộ ghép ảnh sợi thủy tinh H206.

- Điện áp hoạt động: 5V.

- Chặn: đầu ra thấp.

- Không chặn: đầu ra cao.

- Đầu ra kích hoạt Schmitt cho khả năng chống nhiễu.

• Điện áp sự cố cở sở Emitter điện áp: 5V.

• Công suất tiêu tán đầu ra: 50mW.

+ Thông số kỹ thuật đi-ốt:

• Điện áp chuyển tiếp: tối đa 1,5V.

• Dòng ngược: 10uA Max.

• Bộ phát xung dòng điện rò rỉ: 1uA Max.

• Dòng điện dẫn: 250uA Min.

• Điện áp bão hòa: tối đa 0,4V.

• Độ trễ cạnh tăng: 10us.

• Độ trễ cạnh giảm: 10us.

• Tỷ lệ chuyển đổi hiện tại của DC: 10%.

 Kích thước tối thiểu:

4”x4,7”x4,4”

7 USB TO COM CH340 3V-5VDC.

 Thông số kĩ thuật

- Giao tiếp USB với tốc độ cao nhất, theo chuẩn USC 2.0.

- Hỗ trợ Windows 98/ ME / 2000 / XP / Server 2003 / Vista/Server 2008 / Win7 / Win8 32 Bit/64.

- Truyền dữ liệu qua lại từ máy tính sang vi điều khiển.

- Theo dõi kênh truyền nhờ phần mềm trên máy tính.

8 Long Range HC-12: Module truyền thông không dây HC-12

• Độ nhạy thu được từ -117dBm (0,009pW) đến -100dBm (10pW).

Các giá trị này thực sự phụ thuộc vào Tốc độ Baud nối tiếp và trên không:

2.4 Sơ đồ cấu trúc và mô hình ghép nối.

Sơ đồ cấu trúc

Phân tích chức năng:

Phía máy tính:

1 Máy tính: điều khiển và hiển thị thông số tức thời của đối tượng điều khiển (động cơ DC), mã hóa lệnh điều khiển đưa đến module số 1.

2 USB to COM: Máy tính giao tiếp với module thu phát số

Phía đối tượng:

1 Module thu phát số 2: Nhận tín hiệu điều khiển được gửi tới từ module số 1/ gửi tín hiệu phản hồi tới module số 1.

2 Vi điều khiển: phân tích, giải mã tín hiệu điều khiển nhận được từ module số 2, từ đó đưa tín hiệu băm xung PWM đến module công suất; đọc giá trị lấy được từ bộ ADC

3 Mạch công suất: Quyết định các chế độ làm việc của đối tượng (động cơ DC): khởi động, dừng, đảo chiều, v.v …

4 Động cơ: Đối tượng được điều khiển, giảm sát.

5 Cảm biến: Gồm các các cảm biến: Encoder (đo tốc độ); Cảm biến đo dòng; cảm biến đo điện áp Các cảm biến này đưa giá trị analog đo được từ đối tượng (động cơ DC) vào bộ biến đổi ADC

6 Bộ biến đổi ADC: biến đổi đầu vào là các tín hiệu tưởng

tự thành số ở đầu ra của bộ biến đổi, đưa trở về vi điều khiển để so sánh với giá trị đặt, VĐK sẽ đưa ra các lệnh điều chỉnh so với tín hiệu đặt.

Mô hình ghép nối

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Giao diện.

- Thao tác sử dụng:

B1 Tiến hành lựa chọn cổng COM cần kết nối.

B2 Chọn thiết bị điều khiển là thiết bị 1/thiết bị 2, lúc này phần cài đặt các thông số điều khiển sẽ sáng lên.

B3 Đặt giá trị tốc độ đặt vào ô tốc độ đặt ( đơn vị ở đây là RPM) B4, Nhấn ok, sau đó các thông số cần giám sát sẽ hiển thị ở nhóm giám sát phía bên cạnh.

3.2 Truyền thông.

3.2.1 Truyền thông tại chỗ:

• Máy tính và module không dây.

USB to COM CH340 được cấu tạo bởi IC CH340 có nhiệm vụ chuyển đổi USB

từ máy tính sang UART Qua đó máy tính có thể giao tiếp được với module HC-12 theo chuẩn CH340 Module HC -12 sẽ trực tiếp nhận lệnh từ máy tính

và truyền đến module HC-12 bên mạch điều khiển.

• Module Adruino và module không dây.

Module Adruino và module Long Range HC-12 giao tiếp với nhau theo chuẩn UART Sơ đồ ghép nối tham khảo mục 2.4 Tại đây module HC-12 nhận được tín hiệu điều kiển từ phía máy tính sẽ đưa tín hiệu vào trong Vi điều khiển ATMEGA 328 trong module adruino Vi điều khiển sẽ giải mã và đưa ra lệnh điều khiển đối với động cơ Các tín hiệu đo lường đo được sẽ được mã hóa và gửi về phía module kết nối với máy tính

3.2.2 Giao tiếp giữa hai module không dây.

RF HC-12 Module hoạt động ở dải tần 433 - 473MHz, là bộ phát song song 20 dBm (100 mW) được ghép nối với bộ thu có độ nhạy -117 dBm (2 × 10 -15 W) ở mức 5000 bps Kết hợp với một ăng-ten bên ngoài, những máy thu phát có khả năng giao tiếp lên đến và có thể hơi xa hơn 1 km

3.3Thuật toán điều khiển động cơ.

3.4 Thuật toán đo lường.

3.4.1 Đo tốc độ

Để đo tốc độ của động cơ, nhóm đã sử dụng 1 đĩa encoder có

20 xung và cảm biến H206 Khi laze từ đầu phát đi qua lỗ trên đĩa encoder ta sẽ thu được 1 xung Tiến hành đếm số xung này bằng bộ đếm counter của adruino UNO R3 trong 1 s ta thu được tần số của tín hiệu xung này Số xung đếm được trong 1 phút chia cho 20 sẽ ra được tốc độ của động cơ với đơn vị vòng/phút:

Tốc độ = Số xung đếm được trong 60s/20.

3.4.2 Đo điện áp giữa 2 đầu động cơ

3.4.3 Đo dòng tiêu thụ của động cơ

Sử dụng cảm biến dòng Hall ACS712 30A có dải đo từ -30A đến 30A Module ACS712 30A có sử dụng IC ACS712ELC- 30B dựa trên hiệu ứng Hall chuyển dòng điện thành giá trị điện thế.

Tiến hành cấp nguồn 5v cho module khi chưa có dòng Ip(dòng điện cần đo), Vout lúc này là 2,5V Khi dòng của tải bằng 30A thì Vout = 5V Vout sẽ tuyến tính với dòng Ip trong khoảng từ 2,5-5V tương ứng với dòng 0 đến 30ª