Điều khiển các thiết bị điện từ xa qua mạng Internet

Điều khiển các thiết bị điện từ xa qua mạng Internet Phạm Duy Hƣng Trƣờng Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật điện tử; Mã số: 60 52 70 Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS Trần Quang Vinh Năm bảo vệ: 2012

Điều khiển các thiết bị điện từ xa qua mạng

Internet Phạm Duy Hưng

Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật điện tử; Mã số: 60 52 70

Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Quang Vinh

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển từ xa thiết bị điện qua mạng

internet Tìm hiểu cảm biến đo dòng điện sử dụng hiệu ứng Hall Mô tả vi điều khiển PIC16F877A Nghiên cứu khối giao tiếp và truyền dữ liệu E2U (Ethernet to UART) Các phương pháp đo dòng điện xoay chiều Tiến hành thực nghiệm: các bước thực

hiện và kết quả

Keywords: Kỹ thuật điện tử; Thiết bị điện; Cảm biến điện; Mạng INTERNET

Content

PHẦN 1: LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA THIẾT BỊ ĐIỆN QUA MẠNG INTERNET

Dưới đây là hình 1 trình bày sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển đóng ngắt thiết bị tòa nhà qua mạng Internet

Router

Người dùng

Người dùng

Người dùng

Tường lửa

Mạng Ethernet Căn hộ – Port 1024

HW

Căn hộ – Port 1028

TV

Đèn

Lò vi sóng

Máy giặt

Tủ lạnh

Module điều khiển IP: 203.113.130.218

TV

Máy giặt

Tủ lạnh

Module điều khiển

HW

Căn hộ – Port 1026

TV

Đèn

Lò vi sóng

Máy giặt

Tủ lạnh

Module điều khiển

Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động của hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng Internet

Trong sơ đồ này, các thiết bị trong mỗi căn hộ của tòa nhà như bóng đèn, máy giặt, tivi, tủ lạnh, lò vi sóng sẽ được kết nối đến các đầu vào/ra của bộ điều khiển Bộ điều khiển này sau

đó được kết nối tới bộ định tuyến (Router) của tòa nhà thông qua mạng Ethernet LAN rồi từ

đó kết nối với Internet Mỗi bộ điều khiển trong tòa nhà được xác định bởi cặp địa chỉ IP-Port của router , do đó các máy tính bất kỳ trên mạng Internet có thể kết nối chính xác tới mỗi bộ điều khiển này Người dùng, với phần mềm được cài trên máy tính, khi kết nối với Internet có thể truy cập vào hệ thống và tương tác điều khiển các thiết bị một cách dễ dàng Việc điều khiển ở đây là hai chiều, trong đó, người dùng không chỉ đơn thuần gửi lệnh điều khiển đóng ngắt mà còn có thể giám sát được thiết bị nhờ thông tin phản hồi từ các thiết bị về trạng thái làm việc hiện tại Chi tiết cấu trúc phần cứng và phần mềm của hệ thống sẽ trình bầy sau đây

1.2 Nguyên lý làm việc của module điều khiển

Mô đun điều khiển từ xa qua mạng Internet được trình bày trong hình 1.2 dướ i đây:

RJ45 HR911105A

Vi điều khiển PIC18F67J60-I/PT

Vi điều khiển PIC16F887A Tầng công suất

Thiết bị cần điều khiển Ethernet

Khối phản hồi

Hì

nh 1.2: Sơ đồ chức năng bộ điều khiển qua mạng Internet

Theo sơ đồ, bộ điều khiển bao gồm 2 khối: khối E2U (Ethernet to UART) giao tiếp với mạng internet và truyền dữ liệu đầu ra theo chuẩn RS232, và khối PaC ( Process and Control) thực hiện việc xử lý dữ liệu rồi xuất tín hiệu điều khiển thiết bị qua tầng công suất, khối phản hồi sử dụng vi xử lý ACS712

Hệ thống được mô tả như sau:

 Module Ethernet làm nhiệm vụ chuyển các ký tự nhận được từ Ethenet (đúng IP

và Port) ra cổng UART của module và ngược lại

 PIC 16F887 sẽ nhận các ký tự từ module Ethernet, phân tích các ký tự và đưa ra quyết định đóng mở rơ le tương ứng

 IC ULN2003 làm nhiệm vụ đệm dòng điều khiển rơ le

 Module phản hồi dùng cảm biến ACS712 làm nhiệm vụ nhận biết dòng điện đi vào thiết bị, đưa tín hiệu về hệ thống

1.3 Phân tích tính năng phản hồi của hệ thống

Hệ thống yêu cầu thiết bị phải có phản hồi trạng thái đầu ra về trung tâm bằng cách cảm nhận dòng điện tiêu thụ tại lối ra

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ TÌM HIỂU CẢM BIẾN ĐO DÒNG ĐIỆN SỬ

DỤNG HIỆU ỨNG HALL 2.1 Lý thuyết về hiệu ứng Hall:

Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua Lúc đó người ta nhận được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh

ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall Tỷ số giữa hiệu thế Hall va dòng điện chạy qua

thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall Hiệu ứng này được khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879

2.2 Giới thiệu vi mạch Hall cảm biến dòng ACS712

IC cảm biến dòng tuyến tính dựa vào hiệu ứng Hall, được tích hợp đầy đủ với chất dẫn dòng điện trở thấp và độ cách điện 2.1kV RMS

Dạng đóng gói và sơ đồ khối

ACS712 được đóng gói theo dạng SOIC-8

Hình 2.3: Vi mạch ACS712

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ACS172

Nhìn sơ đồ trên ta thấy bên trong cảm biến đã được tích hợp sẵn bộ bù thế offset và các bộ khuyếch đại tín hiệu Tụ lọc CF kết hợp với các trở nội tạo thành bộ lọc RC ngay trước bộ đệm đầu ra giúp giảm suy hao do sụt áp trên bộ lọc Đồng thời tụ CF cũng xác định bandwidth của cảm biến

Đặc điểm:

 Đường tín hiệu analog độ nhiễu thấp

 Băng thông của thiết bị được thiết định thông qua chân FILTER mới

 Thời gian tăng của ngõ ra để đáp ứng với dòng ngõ vào là 5µs

 Băng thông 80kHz

 Tổng lỗi ngỏ ra tại TA = 25°C là 1.5%

 Dạng đóng gói SOIC8 với các chân nhỏ

 Điện trở dây dẫn trong 1.2mΩ

 Điện áp cách điện tối thiểu 2.1kV RMS từ chân 1-4 đến chân 5-8

 Nguồn vận hành đơn 5V

 Độ nhạy ngõ ra từ 66 đến 185mV/A

 Điện áp ngõ ra tương ứng với dòng DC hoặc AC

 Điện áp offset (lệch) ngõ ra cực kỳ ổn định

 Sự trễ từ gần bằng zero

 Ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với ngõ vào từ nguồn cung cấp

Mô tả về IC:

ACS712 Allegro cung cấp giải pháp kinh tế và chính xác cho việc cảm ứng dòng AC hoặc DC trong các hệ thống công nghiệp, thương mại và liên lạc Dạng đóng gói của thiết bị cho phép người sử dụng dễ dàng lắp đặt Ứng dụng tiêu biểu bao gồm điều khiển động cơ, quản lý và phát hiện tải, nguồn cung cấp chế độ switch, và bảo vệ lổi quá dòng Thiết bị này không sử dụng cho các ứng dụng trong ô tô

Thiết bị bao gồm mạch điện Hall tuyến tính, độ lệch thấp và chính xác với đường dây dẫn đồng được đặt gần bề mặt của lớp vỏ Dòng điện được cung cấp đi qua phần dây đồng sẽ tạo

ra một trường điện từ mà IC sẽ chuyển đổi thành điện áp tương ứng Thiết bị được tối ưu hóa một cách chính xác thông qua các tín hiệu từ rất gần đến bộ biến đổi Hall

Một điện áp tương ứng (proportional), chính xác được cung cấp bởi IC Hall BiCMOS độ lệch thấp, bộ tạo xung được ổn định mà đã được lập trình chính xác sau khi đóng gói

Ngõ ra của thiết bị có 1 cạnh (sườn) dương (> VIOUT(Q)) khi tăng dòng điện đi qua phần dây đồng thứ cấp (từ chân 1 và 2, đến chân 3 và 4), là phần được dùng để lấy mẫu dòng điện Điện trở trong của phần dẫn điện này là 1.2mΩ, tiêu thụ nguồn thấp Bề dày của dây đồng cho phép thiết bị có thể chịu được đến 5 lần điều kiện quá dòng Các đầu của phần dẫn điện được cách điện với các đầu tín hiệu (chân 5 đến chân 8) Điều này cho phép ACS712 được dùng trong các ứng dụng được yêu cầu cách điện mà không dung opto cách điện hoặc các kỹ thuật cách điện đắt tiền khác

ACS712 được cung cấp trong dạng đóng gói SOIC8 dáng bề mặt nhỏ Các khung chân của thiết bị được mạ với 100% thiếc mà nó phù hợp với tiêu chuẩn RoSH Thiếc bị này được hiệu chuẩn đầy đủ tại nhà máy trước khi xuất xưởng

CHƯƠNG 3: VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A

Vi điều khiển PIC16F877A được sử dụng trong luận văn đóng vai trò là IC điều khiển toàn bộ thiết bị Các tài liệu chi tiết về vi điều khiển này được nhà sản xuất cung cấp đầy đủ trên trang chủ của hãng [5]

Đặc điểm cơ bản của họ vi điều khiển PIC16F877A

Dòng PIC16F877A có rất nhiều chức năng mạnh, nhưng trong giới hạn của đề tài, tôi chỉ tập trung tìm hiểu về:

- Đặc điểm tổng quát

- Sơ đồ khối, sơ đồ chân, chức năng của các chân

- Các đặc điểm nổi bật của các cổng vào ra

- Cách tổ chức bộ nhớ, giới thiệu các thanh ghi hay dùng trong quá trình lập trình

- Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số

- Các giao tiếp truyền thông SPI, UART

3.1 Đặc điểm tổng quát của vi điều khiển PIC16F877A

PIC16F877A là một trong 4 dòng vi điều khiển 8 bít của Microchip ra đời năm 2007 với những đặc điểm điển hình như sau:

Vùng hoạt động:

- Điện áp nuôi thấp: từ 3,0 đến 5 V

- Xung nhịp hỗ trợ từ 1 đến 5 MIPS

- Dải nhiệt độ hoạt động từ -40oC đến 125o

C

Vi điều khiển hiệu suất cao:

- Có kiến trúc Harvard

- Tập lệnh tối ưu cho trình biên dịch ngôn ngữ C

- 8 bítdữ liệu, 24 bít cho lệnh

- Bộ nhớ chương trình có thể định địa chỉ lên tới bốn triệu từ lệnh

- Bộ nhớ dữ liệu: 64 kbyte

- 83 tập lệnh cơ sở, hầu hết xử lý trong một chu kỳ

- Hai bộ tích lũy 40 bít

- Hỗ trợ phép nhân chia 8 bít

Truy cập bộ nhớ trực tiếp:

- Hỗ trợ đến tám kênh

- 2 Kbyte bộ nhớ đệm

- Hầu hết các ngoại vi đều hỗ trợ truy nhập bộ nhớ trực tiếp

Bộ định thời / Bộ so sánh/ Bộ điều chế độ rộng xung

- Có đến năm bộ định thời 8 bít, cho phép ghép hai bộ thành bộ định thời 32 bít

- Một bộ định thời chạy với thạnh anh ngoài 32,768 kHz

- Bốn bộ FIFO cho mỗi bộ bắt tín hiệu

- Bộ so sánh 8 bít

Bộ điều khiển ngắt:

- Độ trễ năm chu kỳ máy

- Hỗ trợ 53 nguồn ngắt, ba ngắt ngoài, bẩy mức ưu tiên lập trình được

Cổng vào ra số:

- Cho phép chọn chức năng ngoại vi của từng chân

- 31 chân cho phép đánh thức vi điều khiển khi phát hiện thay đổi điện áp

- Các chân lối vào đều hỗ trợ đến 5V

- Các chân lối ra hỗ trợ ra nguồn 5V ở chế độ cực góp hở

Flash và SRAM:

- Flash 8 kbyte

- SRAM: 256 byte

- Bộ nhớ flash chia thành các phần Boot, Secure, General Security

Quản lý hệ thống:

- Có nhiều chế độ lấy xung dao động

- Bộ ổn nguồn 2,5V được đặt ngay trên vi điều khiển

Bộ chuyển đổi tương tự sang số:

- 10 bít: Tốc độ 1,1 Msps

- 12 bít: Tốc độ 500 ksps

- 9 kênh ADC, có thể nhận ADC trong chế độ ngủ

Bộ chuyển đổi số sang tương tự:

- 8 bít, hai kênh

- Tốc độ lấy mẫu tối đã 100 ksps

Công nghệ CMOS:

- Tiêu thụ năng lượng thấp, công nghệ Flash tốc độ nhanh

Các ngoại vi giao tiếp:

- SPI: 8 bit, 8 bít, hộ trợ tất cả các định dạng đồng hồ nối tiếp

- I2C: Cho phép định địa chỉ 7 bít, 10 bít Khả năng dò và phân xử xung đột đường truyền

- UART: có hai bộ, độ rộng FIFO bốn ký tự

- CAN: 32 bộ đệm nhận, 16 bộ lọc nhận, ba mặt nạ

- PMP: Hỗ trợ tám bộ, 8 bítdữ liệu, 8 bítđường địa chỉ

- CRC: Có 8 byte hàng đợi, 16 bit cho dữ liệu đầu vào

3.2 Sơ đồ khối, sơ đồ chân, chức năng của các chân

3.3 Các cổng vào ra

3.4 Các module giao tiếp

3.5 Tổ chức bộ nhớ

3.6 Cấu hình dao động của PIC16F877A

CHƯƠNG 4: KHỐI GIAO TIẾP INTERNET VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU E2U

Khối E2U được thiết kế chủ yếu bao gồm đầu nối RJ45 HR911105A [1] của hãng Hanrun và vi điều khiển PIC16F67J60-I/PT [2] của hãng Microchip

Hình 4.1: Sơ đồ mạch nguyên lý của khối E2U

CHƯƠNG 5: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

5.1 Phân loại các phương pháp đo dòng điện xoay chiều

có 3 phương pháp là:

- Đo trực tiếp: dùng các dụng cụ đo dòng điện như ampe kế, để đo trực tiếp và đọc kết quả trên thang chia độ của dụng cụ đo

- Đo gián tiếp: dùng volt kế đo điện áp rơi trên một điện trở chuẩn mắc trong mạch có dòng điện chạy qua, thông qua phương pháp tính toán sẽ có được giá trị dòng điện cần đo

- Phương pháp so sánh: so sánh dòng điện cần đo với dòng điện mẫu, ở trạng thái cân bằng của dòng điện cần đo và dòng điện mẫu, sẽ đọc được kết quả trên mẫu

Dựa vào các đặc tính của dòng điện thì ta có những loại phương pháp đo dòng sau:

- Phương pháp đo thế sụt trên một điện trở shunt Điện trở này thường có độ chính xác cao Điện áp sụt qua điện trở tỷ lệ thuận với dòng điện cần đo

Điện trở Shunt

Dòng điện cần đo

Hình 5.1: Nguyên tắc đo dòng bằng điện trở Shunt

Điện áp của cảm biến ra tuyến tính từ 0V đến +5V tương ứng với dòng vào từ -20A đến +20A (Dòng vào 0A thì thế ra là +2.5V)

Viout = + 2.5 (Vol)

 I = 8*Viout – 20 (Ampe) Đầu ra của cảm biến được nối vào ADC của vi điều khiển nên điện áp Viout được tính như sau:

Trong đó Vref của ADC là +5V, độ phân giải ADC là 10 bit

Dòng điện hiệu dụng được tính theo công thức:

IRMS = Trong đó I(i) là các mẫu của dòng điện xoay chiều N là số mẫu lấy trong một chu kỳ, N càng lớn kết quả càng chính xác

Thuật toán đo dòng hiệu dụng cho lưới điện 50Hz:

Đúng

i = 0

Delay 1ms

i = 20 I(i) = read ADC

IRMS = 1

N Ni=0 I²(i)

i ++

Sai

PHẦN II: THỰC NGHIỆM CHƯƠNG 6: CÁC BƯỚC THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ 6.1 Thiết kế chế tạo phần cứng hệ thống

Hình 6.1: Sơ đồ mạch của hệ thống

Mô tả hệ thống:

 Các lối ra xoay chiểu sẽ được nối tiếp với cảm biến ACS712 Các cảm biến này được cấp bằn nguồn +5VDC và tính hiệu lối ra tỉ lệ tuyến tính với dòng điện qua cảm biến

 Các đầu ra điện áp của cảm biến được đọc bởi bộ ADC của vi điều khiển PIC 16F887 Từ đó vi điều khiển biết được giá trị dòng điện tải (IPEAK và IRMS)

 Giá trị dòng điện đo được sẽ được so sánh với ngưỡng để quyết định nội dung của gói tin phản hồi về trung tâm

 Nếu sử dụng thêm một biến áp hạ thế nối vào 220VAC để vừa cấp nguồn 1 chiều cho mạch, vừa hỗ trợ đo điện áp của lưới điện xoay chiều thì ta có thể tính được công suất tiêu thụ của tải với độ chính xác nhất định

Đóng gói thiết bị

Hình ảnh cụ thể của các bo mạch sau khi được lắp ráp các linh kiện và hộp thiết bị được trình bày trong các hình 6.9, 6.10, 6.11, 6.12

Hình 6.9: Mặt trên bo mạch của thiết bị

Hình 6.10: Mặt dưới bo mạch của thiết bị

Hình 6.11: Hình chi tiết vị trí 4 cảm biến ACS712

6.2 Thuật toán cho phần mềm điều khiển

6.3 Phần mềm giao diện điều khiển trên máy tính PC

Phần mềm giao diện được viết bằng ngôn ngữ VB6 Bao gồm một số chức năng cơ bản:

- Nhập địa chỉ IP và PORT của thiết bị cần kết nối

- Hiển thị giá trị dòng điện nhận được từ thiết bị

- Có nút bật – tắt bốn thiết bị tương ứng

6.3.1 Giao diện chương trình

Hình 6.13: Giao diện chương trình

6.3.2 Giao diện chương trình khi hoạt động

Hình 6.14: Giao diện khi mở tải là bóng đèn 25W

Kết quả thực nghiệm điều khiển thiết bị điện từ xa qua mạng Internet như sau:

- Thiết bị đã đáp ứng lệnh điều khiển từ máy tính trong thời gian dưới 1 giây (thử nghiệm

kết nối từ xa qua mạng Internet của VDC và qua 3G của Mobifone)

- Thực hiện phép đo dòng điện tiêu thụ trên thiết bị bằng phần mềm điều khiển cho giá trị sai số dưới 4% so với giá trị đo được trên đồng hồ Multimeter

PHẦN 3:

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

CHƯƠNG 7: NHỮNG VẤN ĐỀ ĐÃ GIẢI QUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU ĐƯỢC QUA

LUẬN VĂN

Sau quá trình thực hiện luận văn, tôi đã tìm hiểu và giải quyết được những vấn đề là:

- Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển từ xa thiết bị điện qua mạng internet có tính năng phản hồi trạng thái hoạt động của thiết bị

- Tìm hiểu các phương pháp đo dòng điện xoay chiều Sử dụng được IC đo dòng điện chuyên dụng như ACS712 Đo được giá trị dòng điện xoay chiều trong khoảng thời gian dài

- Tìm hiểu cấu trúc phần cứng cũng như lập trình kiểm soát một vi điều khiển PIC16F877A

Từ đó xây dựng thành công hệ thống đo dòng điện xoay chiều với độ tin cậy đạt được trong thời gian dài

- Tìm hiểu và lập trình giao tiếp với mô đun ETHERNET TO UART qua cổng giao tiếp nối tiếp không đồng bộ UART

- Từ các kiến thức đã nghiên cứu, hệ thống đo dòng điện đã được tôi xây dựng bao gồm phần cứng và phần mềm quản lý với những tính năng sau:

1.1 Về phần cứng:

+ Thiết bị cho phép nguồn nuôi có điện áp vào dải rộng, lên tới 60V

+ Có các linh kiện bảo vệ thiết bị khi người dùng cắm ngược nguồn

+ Nhờ việc hộ trợ các giao thức truyền thông ethernet, thiết bị dễ dàng ghép nối vào các mạng điều khiển công nghiệp

+ Hỗ trợ các cổng gỡ rối, thuận tiện cho các kỹ sư phát triển sửa chữa, nâng cấp firmware

1.2 Về phần mềm:

+ Phần mềm đơn giản, trực quan, thân thiện với người dùng Nó thể hiện qua việc bố trí các nút bấm chức năng, đồ thị hiển thị

1.3 Những vấn đề còn tồn tại của đề tài và hướng giải quyết

Giảm thiểu sai số phép đo:Nguyên nhân sai số xuất phát từ hai yêu tố chính

- Bản thân thiết bị đo đã có sai số do quá trình lấy mẫu ADC

- Cảm biến đo dòng cũng gây ra sai số đặc biệt là với các dòng diện có giá trị nhỏ

Cách khắc phục:

Sử dụng nhiều đầu đo và lấy giá trị trung bình của các đầu đo Trên mỗi đầu đo, phần mềm sẽ được tích hợp thêm phần lọc nhiễu ADC bằng cách lấy nhiều mẫu và chia trung bình, sử dụng

bộ lọc thông thấp bậc ba với một nghìn mẫu đầu vào

Bảo mật dữ liệu và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu

Nguyên nhân:

- Mạng Ethernet đôi khi không ổn định, làm mất gói tin trong quá trình kết nối

- Dữ liệu được gửi đi dưới dạng văn bản

Cách khắc phục:

- Tích hợp thêm cơ chế sửa lỗi và báo nhận với từng bản tin 1 bản tin có thể được gửi nhiều lần

- Mã hóa bản tin trước khi gửi bằng thuật toán đảo mã ký tự