(Luận văn thạc sĩ) đề tài khoa học cấp trường thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 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: Bà Rịa - Vũng Tàu 10/2014 Luan van ThS Lưu Hoàng NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI  Thiết kế panel điều khiển thiết bị điện tiện ích giá thành thấp  Có thể điều khiển hình cảm ứng điều khiển từ xa  Hiển thị trạng thái thiết bị cảm biến  Tùy biến nút nhấn hình cảm ứng  Thiết bị điều khiển cơng suất phương pháp điều khiển góc kích  Thiết bị có khả học lệnh để điều khiển thiết bị từ xa từ remote thông dụng hãng khác  Thiết bị điều khiển kênh, có kênh có khả dimmer (dimmer dùng để điều khiển độ sáng đèn sợi đốt điều khiển tố độ quạt)  Thiết bị nhận tín hiệu từ cảm biến báo cháy, báo xì gas, báo trộm, báo cửa mở để cảnh báo an ninh  Thiết bị có sẵn cảm biến đo nhiệt độ, đo cường độ sáng đồng hồ thời gian thực  Có thể lắp rắp gọn gàng đơn giản panel cơng tắc bình thường  Có thể kết nối với thành hệ thống nhà thông minh Luan van MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu thiết bị điện thông minh 1.2 Tính số thiết bị điện có thị trường 1.3 Phương án thiết kế CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THIẾT KẾ 2.1 Mạch điều khiển trung tâm 2.1.1 Các yêu cầu với chip vi điều khiển 2.1.2 Chip vi điều khiển ATmega128 2.2 Thiết kế bàn phím cảm ứng 2.2.1 Giới thiệu panel cảm ứng điện trở 2.2.2 Kết nối mạch phương pháp điều khiển 2.2.3 Chương trình điều khiển 2.3 Thiết kế hình hiển thị 2.3.1 Giới thiệu Graphic LCD 128x64 2.3.2 Kết nối mạch phương pháp điều khiển 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 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 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 Luan van 2.6.3 Chương trình điều khiển 17 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH THỰC TẾ 19 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 thiết bị 22 3.4 Hướng dẫn sử dụng thiết bị 23 3.4.1 Cài đặt ngày, 23 3.4.2 Cài đặt Password 23 3.4.3 Cài đặt thời gian giảm độ sáng hình 23 3.4.4 Bật tắt âm BEEP 23 3.4.5 Cài đặt điều khiển Remote 24 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 27 4.1 Ưu khuyết điểm đề tài thực 27 4.1.1 Ưu điểm 27 4.1.2 Khuyết điểm 27 4.2 Định hướng phát triển đề tài 27 Luan van Thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thông minh CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu thiết bị điện thông minh Hiện nay, với đà phát triển khoa học kỹ thuật, đặc biệt lĩnh vực điều khiển tự động hóa, thiết bị điện gia dụng khơng ngày giúp ích nhiều mà chúng cịn trở nên thơng minh Làm cho có sống thoải mái với tiện ích mà chúng mang lại Ví dụ tủ lạnh đưa lựa chọn số ăn nấu với có tủ, lị vi sóng tự lên chương trình nấu nhận mã vạch túi thực phẩm, máy hút bụi tự làm nhà sau quay vị trí tự sạc điện mà không cần nhiều đến tác động người sử dụng …Đó vài tiện ích mà thiết bị điện thơng minh mang lại Ngồi ra, với phát triển internet, thiết bị cịn giao tiếp với người dùng nơi thông qua máy tính smartphone dẫn đến việc điều khiển thiết bị điện thông minh ngày thuận lợi thoải mái hết Vì thời đại thiết bị điện tới gọi “Internet Of Things” – internet vạn vật Trong xu đó, panel điều khiển thiết bị điện nhà công tắc đèn, quạt, dimmer thay từ điều khiển công tắc qua điều khiển panel cảm ứng Điều làm tăng tính thẩm mỹ, độ bền, độ an tồn thuận lợi cho người sử dụng Một số hãng sản xuất thiết lập giao thức chung để thiết bị giao tiếp với giúp việc điều khiển thiết bị thuận lợi linh hoạt Với hệ thống cần vị trí nhà giám sát điều khiển thiết bị hệ thống thơng qua hình cảm ứng Hoặc điều khiển thiết bị nơi thơng qua máy tính smartphone hệ thống có kết nối internet 1.2 Tính số thiết bị điện có thị trường Trên thị trường có nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển thơng minh Nhìn chung tất thiết bị có tính chất sau: - Mỗi nhà sản xuất xây dựng cho hệ thống riêng nên thiết bị hãng khác có khả dùng chung hệ thống ThS Lưu Hoàng Luan van Khoa Điện – Điện tử Thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thông minh - Các hệ thống thường sử dụng máy chủ để liên kết thiết bị với dẫn đến chi phí cho hệ thống cao, đặc biệt lãng phí cho hệ thống nhỏ Khi máy chủ gặp cố dẫn đến việc tồn hệ thống khơng hoạt động - Các panel điều khiển thường có nút nhấn dẫn đến phải gắn nhiều panel vị trí làm tăng chi phí cho hệ thống - Một số hệ thống cịn tập trung phần cơng suất tủ trung tâm nên tăng chi phí dây dẫn khó đưa hệ thống dạng có cố hỏng hóc - Các panel khơng có điều khiển từ xa remote có phải mua hãng sản xuất với chi phí cao - Hệ thống an ninh tách biệt dẫn đến làm tăng chi phí cho tồn hệ thống 1.3 Phương án thiết kế Dựa vào ưu, nhược điểm sản phẩm có, đề tài thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thông minh với đặc điểm sau: - Thiết kế điều khiển thiết bị điện thông minh với giá thành thấp - Thiết bị phải lắp đặt kết nối đơn giản - Thiết bị có khả làm việc độc lập có cố kết nối - Thiết bị có khả học lệnh để điều khiển thiết bị từ xa từ remote thông dụng hãng khác - Thiết bị điều khiển kênh thiết bị, có kênh có khả dimmer (dimmer dùng để điều khiển độ sáng đèn sợi đốt điều khiển tố độ quạt) - Thiết bị nhận tín hiệu từ cảm biến báo cháy, báo xì gas, báo trộm, báo cửa mở - Thiết bị có sẵn cảm biến đo nhiệt độ, đo cường độ sáng đồng hồ thời gian thực ThS Lưu Hoàng Luan van Khoa Điện – Điện tử Thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thông minh CHƯƠNG 2: NỘI DUNG THIẾT KẾ 2.1 Mạch điều khiển trung tâm Mạch điều khiển đóng vai trị điều khiển tồn hoạt động thiết bị thơng qua chương trình xây dựng để đạt yêu cầu đặt Mạch điều khiển phải đáp ứng tốc độ xử lý độ bền bỉ phải hoạt động liên tục Phần quan trọng mạch điều khiển chip vi điều khiển Chip phải đáp ứng chức mà yêu cầu đề tài đặt 2.1.1 Các yêu cầu với chip vi điều khiển - Có kênh ADC trở lên để giao tiếp với panel cảm ứng cảm biến ánh sáng - Có ngắt ngồi để dị pha để đọc tín hiệu từ mắt thu hồng ngoại - Có PWM điều chế độ rộng xung để thực điều khiển dimmer cho kênh - Có nhớ eeprom để lưu thông số cài đặt - Có đủ số I/O để giao tiếp với thiết bị ngoại vi - Có khả giao tiếp nối tiếp - Có đủ nhớ ram hệ thống hoạt động 2.1.2 Chip vi điều khiển ATmega128 Trong đề tài chip vi điều khiển atmega128 chọn đáp ứng u cầu đặt Chip có số đặc điểm sau: - Có 128 KB nhớ flash để lưu chương trình điều khiển - Có KB nhớ Ram - KB Eeprom - timer - kênh ADC 10 bit - kênh PWM - USART - 53 I/O ThS Lưu Hoàng Luan van Khoa Điện – Điện tử Thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thơng minh 2.2 Thiết kế bàn phím cảm ứng Bàn phím thiết bị dùng để điều khiển cài đặt chức thiết bị Bàn phím sử dụng phím cứng nút nhấn học sử dụng phím cảm ứng để tăng tính thẩm mỹ Phím cảm ứng sử dụng cảm ứng điện dung theo công nghệ Mtouch Microchip Qtouch Atmel Ưu điểm công nghệ độ hoạt động bền bỉ dễ dàng thiết kế bề mặt phím kính để tăng độ sang trọng thiết bị Ngồi cịn sử dụng phím panel cảm ứng điện trở Ưu điểm panel điện trở chi phí thấp, dễ thiết kế phím, dễ kết nối điều khiển Với tiêu chí thiết kế thiết bị có giá thành thấp, kết cấu đơn giản nên panel cảm ứng điện trở lựa chọn đề tài 2.2.1 Giới thiệu panel cảm ứng điện trở Panel cảm ứng điện trở loại nhạy cảm với áp lực tác động lên bề mặt điều khiển bút trâm, ngón tay hay vật có đầu nhọn Panel cảm ứng điện trở sử dụng kiếng hay nhựa acrylic gồm lớp tương tác mỏng: lớp chất dẫn điện lớp điện trở - lớp cách ly điểm khoảng trống mà mắt thường khơng thể nhìn thấy Trên bề mặt lớp tương tác phủ hợp chất gọi ITO (oxít thiếc Indi), dịng điện với mức điện khác truyền qua lớp Khi có tác động lên bề mặt, lớp tương tác "chạm" mạch điện nối, cường độ dòng điện chạy qua lớp thay đổi Lớp phía lấy điện từ lớp lớp lấy điện từ lớp trên, qua cho phép điều khiển xác định tọa độ X-Y vị trí tiếp xúc Panel điện trở thường có loại kết nối dây dây Loại dây thường sử dụng nhiều kết nối điều khiển đơn giản Panel cảm ứng điện trở có cấu trúc hình sau: ThS Lưu Hoàng Luan van Khoa Điện – Điện tử Thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thơng minh Hình ảnh thực tế panel cảm ứng điện trở: 2.2.2 Kết nối mạch phương pháp điều khiển Panel cảm ứng kết nối trực tiếp vào chân ADC vi điều khiển sau: ThS Lưu Hoàng Luan van Khoa Điện – Điện tử Thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thông minh chân vi điều khiển tương ứng với chân X+, Y+, X-, Y- panel cảm ứng: Để xác định tọa độ vị trí bị tác động panel cảm ứng, chương trình xử lý phải xác định tọa độ theo trục X Y phương pháp quét theo bảng sau: Mode X+ X- Y+ Y- Standby Hi-Z Hi-Z Hi-Z Hi-Z X-Coordinate Vcc GND ADC Hi-Z Y- Coordinate ADC Hi-Z Vcc GND Khi chể độ nghỉ, chân điều khiển đặt chế độ Hi-Z để tiết kiệm lượng Tọa độ X, Y panel quét liên tục theo tần số khoảng 100Hz Ở lần quét chương trình phải xác định vị trí tác động Trước hết để xác định tọa độ theo trục X, điện áp đặt lên chân X+ X- Lúc dòng điện chạy qua trục X Nếu panel tác động điểm ThS Lưu Hoàng Luan van Khoa Điện – Điện tử Thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thơng minh - Start Bit: tín hiệu cho biết bắt đầu fame liệu - Zero Bit: tín hiệu bit - Mark Bit: tín hiệu bit - Address: số bit địa tương ứng với thiết bị nhà sản xuất quy định - Command: lệnh tương ứng với nút nhấn điều khiển từ xa Số bit fame truyền loại remote thường khác từ khoảng bit đến 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 có chân anode cathode bóng đèn led thơng thường Linh kiện thu thường dùng mắt thu hồng ngoại tích hợp sẵn mạch giải điều chế Linh kiện gồm chân nguồn cung cấp chân tín hiệu dạng xung vng Khi khơng nhận tín hiệu hồng ngoại, ngõ thường mức cao 2.4.3 Kết nối mạch phương pháp điều khiển Ngõ mắt thu hồng ngoại kết nối trực tiếp đến ngõ vào ngắt vi điều khiển Khi có tín hiệu hồng ngoại, chân chuyển từ mức cao xuống thấp tạo ngắt để chạy chương trình nhận liệu từ remote ThS Lưu Hoàng 13 Luan van Khoa Điện – Điện tử Thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thông minh 2.4.4 Chương trình điều khiển  Chương trình ngắt nhận tín hiệu hồng ngoại: interrupt [EXT_INT6] void ext_int6_isr(void){ unsigned char i; #asm("sei") IrBuffer[IrCount]=TCNT0;IrTimeout=20; TCCR0=0x00;TCNT0=0x00; if(IrSet){ if(IrCount==IrBitMax-1){IrAddKey=1;EIMSK&=0b10111111;} else{TCCR0=0x06;IrCount++;} } else if(IrSpeed==0){ if(IrCount==IrBitMax-1){IrKeyPress=1;IrSpeed=50;} else {TCCR0=0x06;IrCount++;} if(IrCount==2){ for(i=0;iDimmerLevel[0])OCR3AL ;else OCR3AL++;} if(OCR3BL!=DimmerLevel[1]){ if(OCR3BL>DimmerLevel[1])OCR3BL ;else OCR3BL++;} ThS Lưu Hoàng 15 Luan van Khoa Điện – Điện tử Thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thông minh if(OCR3CL!=DimmerLevel[2]){ if(OCR3CL>DimmerLevel[2])OCR3CL ;else OCR3CL++;} } } 2.6 Thiết kế khối điều khiển công suất 2.6.1 Giới thiệu khối cơng suất Khối cơng suất dùng để đóng cắt tải công suất đèn, quạt …và điều khiển từ vi điều khiển Mạch cơng suất sử dụng relay triac để đóng cắt relay có hạn chế khơng thể điều khiển góc kích nên đề tài sử dụng triac kết hợp với opto để cách ly Trên mạch công suất có chứa mạch dị pha để kết hợp điều khiển góc kích cho triac 2.6.2 Sơ đồ mạch cơng suất Mạch cơng suất kết nối theo hình sau: Hình kênh cơng suất tổng cộng kênh thiết bị Mỗi kênh sử dụng triac 6A gánh tải tối đa khoảng 1KW ThS Lưu Hoàng 16 Luan van Khoa Điện – Điện tử Thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thông minh Các kênh công suất điều khiển qua opto cách ly với mạch điều khiển để an toàn cho người sử dụng 2.6.3 Chương trình điều khiển  Chương trình cập nhật kênh ngõ ra: void OutputUpdate(char channel){ bit on; unsigned char i,level; channel&=DeviceMask; on=Output[channel].data&OnMask; if(Output[channel].device==Fan){ level=DimmerFan[Output[channel].data&LevelMask]; if(on==0){ for(i=0;i