(Luận văn) 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  lu an n va to p ie gh tn ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG d oa nl w TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ PANEL ĐIỀU KHIỂN oi lm ul nf va an lu THIẾT BỊ ĐIỆN THÔNG MINH z at nh Chủ nhiệm đề tài: ThS Lưu Hoàng z m co l gm @ an Lu Bà Rịa - Vũng Tàu 10/2014 n va ac th si 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 lu an  Thiết bị điều khiển cơng suất phương pháp điều khiển góc va kích n gh tn to  Thiết bị có khả học lệnh để điều khiển thiết bị từ xa từ remote thông dụng hãng khác p ie w  Thiết bị điều khiển kênh, có kênh có khả dimmer oa nl (dimmer dùng để điều khiển độ sáng đèn sợi đốt điều khiển tố độ quạt) d  Thiết bị nhận tín hiệu từ cảm biến báo cháy, báo xì gas, báo trộm, lu va an báo cửa mở để cảnh báo an ninh thực oi lm ul nf  Thiết bị có sẵn cảm biến đo nhiệt độ, đo cường độ sáng đồng hồ thời gian z at nh  Có thể lắp rắp gọn gàng đơn giản panel cơng tắc bình thường  Có thể kết nối với thành hệ thống nhà thông minh z m co l gm @ an Lu n va ac th si 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 Mạch điều khiển trung tâm 2.1 lu an va 2.1.1 Các yêu cầu với chip vi điều khiển 2.1.2 Chip vi điều khiển ATmega128 Thiết kế bàn phím cảm ứng n 2.2 p ie gh tn to 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 w an Thiết kế phần học tín hiệu từ remote hồng ngoại 11 nf va 2.4 Chương trình điều khiển 10 lu 2.3.3 Kết nối mạch phương pháp điều khiển d 2.3.2 Giới thiệu Graphic LCD 128x64 oa nl 2.3.1 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 oi lm z at nh 2.5 ul 2.4.1 z Thiết kế khối dò pha để điều khiển dimmer 14 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 m co l gm 2.6 @ 2.5.1 Thiết kế khối điều khiển công suất 16 Giới thiệu khối công suất 16 2.6.2 Sơ đồ mạch công suất 16 an Lu 2.6.1 n va ac th si Chương trình điều khiển 17 2.6.3 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH THỰC TẾ 19 Board điều khiển 19 3.1 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 lu an 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 Hình ảnh tổng quan thiết bị 22 3.4 Hướng dẫn sử dụng thiết bị 23 n va 3.3 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 Cài đặt ngày, 23 w p ie gh tn to 3.4.1 d oa nl Ưu khuyết điểm đề tài thực 27 va 4.1 an lu CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 27 Ưu điểm 27 4.1.2 Khuyết điểm 27 oi lm ul 4.2 nf 4.1.1 Định hướng phát triển đề tài 27 z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th si 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 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 lu tự lên chương trình nấu nhận mã vạch túi thực phẩm, máy hút an bụi tự làm nhà sau quay vị trí tự sạc điện mà khơng cần nhiều n va đến tác động người sử dụng …Đó vài tiện ích mà thiết bị điện thơng tiếp với người dùng nơi thông qua máy tính smartphone dẫn đến gh tn to minh mang lại Ngoài ra, với phát triển internet, thiết bị cịn giao p ie việc điều khiển thiết bị điện thông minh ngày thuận lợi thoải mái w hết Vì thời đại thiết bị điện tới gọi “Internet Of nl Things” – internet vạn vật d oa Trong xu đó, panel điều khiển thiết bị điện nhà công tắc đèn, an lu quạt, dimmer thay từ điều khiển công tắc qua điều khiển va panel cảm ứng Điều làm tăng tính thẩm mỹ, độ bền, độ an tồn nf thuận lợi cho người sử dụng Một số hãng sản xuất thiết lập giao oi lm ul thức chung để thiết bị giao tiếp với giúp việc điều khiển thiết bị thuận lợi linh hoạt Với hệ thống cần z at nh vị trí nhà giám sát điều khiển thiết bị hệ thống thơng qua hình cảm ứng Hoặc điều khiển thiết bị nơi thơng z qua máy tính smartphone hệ thống có kết nối internet @ gm 1.2 Tính số thiết bị điện có thị trường m co l Trên thị trường có nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển thông minh Nhìn chung tất thiết bị có tính chất sau: Mỗi nhà sản xuất xây dựng cho hệ thống riêng nên thiết bị an Lu - hãng khác có khả dùng chung hệ thống n va Khoa Điện – Điện tử ac th ThS Lưu Hoàng si 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 lu an hóc n va - Các panel khơng có điều khiển từ xa remote có tn to 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 gh p ie 1.3 Phương án thiết kế Dựa vào ưu, nhược điểm sản phẩm có, đề tài thiết kế nl w 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 d oa - ul nf va an lu - oi lm thông dụng hãng khác Thiết bị điều khiển kênh thiết bị, có kênh có khả khiển tố độ quạt) Thiết bị nhận tín hiệu từ cảm biến báo cháy, báo xì gas, báo z @ - z at nh dimmer (dimmer dùng để điều khiển độ sáng đèn sợi đốt điều Thiết bị có sẵn cảm biến đo nhiệt độ, đo cường độ sáng đồng hồ thời m co l - gm trộm, báo cửa mở gian thực an Lu n va Khoa Điện – Điện tử ac th ThS Lưu Hoàng si 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 lu 2.1.1 Các yêu cầu với chip vi điều khiển an - Có kênh ADC trở lên để giao tiếp với panel cảm ứng cảm biến ánh va sáng n 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 p ie gh tn to - Có nhớ eeprom để lưu thơng số cài đặt - Có đủ số I/O để giao tiếp với thiết bị ngoại vi nl w - Có khả giao tiếp nối tiếp - Có đủ nhớ ram hệ thống hoạt động d oa - an lu va 2.1.2 Chip vi điều khiển ATmega128 ul nf Trong đề tài chip vi điều khiển atmega128 chọn đáp ứng oi lm yêu 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 z at nh - z m co l gm @ an Lu n va Khoa Điện – Điện tử ac th ThS Lưu Hoàng si 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 lu an Ngồi cịn sử dụng phím panel cảm ứng điện trở Ưu điểm n va panel điện trở chi phí thấp, dễ thiết kế phím, dễ kết nối điều khiển Với tiêu 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 có p ie gh tn to chí thiết kế thiết bị có giá thành thấp, kết cấu đơn giản nên panel cảm ứng nl w thể điều khiển bút trâm, ngón tay hay vật có đầu nhọn Panel oa cảm ứng điện trở sử dụng kiếng hay nhựa acrylic gồm lớp tương tác mỏng: lớp d chất dẫn điện lớp điện trở - lớp cách ly điểm khoảng lu an trống mà mắt thường khơng thể nhìn thấy Trên bề mặt lớp tương tác phủ nf va hợp chất gọi ITO (oxít thiếc Indi), dịng điện với mức điện oi lm ul khác truyền qua lớp Khi có tác động lên bề mặt, lớp tương tác "chạm" mạch điện nối, cường độ dòng điện chạy z at nh 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 z vị trí tiếp xúc Panel điện trở thường có loại kết nối dây dây Loại dây @ Panel cảm ứng điện trở có cấu trúc hình sau: m co l gm thường sử dụng nhiều kết nối điều khiển đơn giản an Lu n va Khoa Điện – Điện tử ac th ThS Lưu Hoàng si Thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thông minh lu an va n Hình ảnh thực tế panel cảm ứng điện trở: p ie gh tn to d oa nl w oi lm ul nf va an lu z at nh z @ gm 2.2.2 Kết nối mạch phương pháp điều khiển m co l Panel cảm ứng kết nối trực tiếp vào chân ADC vi điều khiển sau: an Lu n va Khoa Điện – Điện tử ac th ThS Lưu Hoàng si 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: lu an n va p ie gh tn to w oa nl Để xác định tọa độ vị trí bị tác động panel cảm ứng, chương trình d xử lý phải xác định tọa độ theo trục X Y phương pháp quét theo bảng X+ nf Hi-Z oi lm ul Standby va Mode an lu sau: X- Y+ Y- Hi-Z Hi-Z Hi-Z Vcc GND ADC Hi-Z Y- Coordinate ADC Hi-Z Vcc GND z at nh X-Coordinate z Khi chể độ nghỉ, chân điều khiển đặt chế độ Hi-Z để tiết kiệm gm @ lượng m co quét chương trình phải xác định vị trí tác động l Tọa độ X, Y panel quét liên tục theo tần số khoảng 100Hz Ở lần Trước hết để xác định tọa độ theo trục X, điện áp đặt lên chân X+ X- an Lu Lúc dòng điện chạy qua trục X Nếu panel tác động điểm n va Khoa Điện – Điện tử ac th ThS Lưu Hoàng si Thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thơng minh lu - 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 an va định n - Command: lệnh tương ứng với nút nhấn điều khiển từ xa đến 64 bit ie gh tn to Số bit fame truyền loại remote thường khác từ khoảng bit p 2.4.2 Linh kiện thu phát hồng ngoại d oa nl w oi lm ul nf va an lu Linh kiện phát hồng ngoại thường sử dụng diode phát hồng ngoại màu trắng z at nh 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 z @ Linh kiện gồm chân nguồn cung cấp chân tín hiệu dạng xung vuông 2.4.3 Kết nối mạch phương pháp điều khiển l gm Khi không nhận tín hiệu hồng ngoại, ngõ thường mức cao m co Ngõ mắt thu hồng ngoại kết nối trực tiếp đến ngõ vào ngắt ThS Lưu Hoàng Khoa Điện – Điện tử n va tạo ngắt để chạy chương trình nhận liệu từ remote an Lu vi điều khiển Khi có tín hiệu hồng ngoại, chân chuyển từ mức cao xuống thấp ac th 13 si Thiết kế panel điều khiển thiết bị điện thơng minh 2.4.4 Chương trình điều khiển  Chương trình ngắt nhận tín hiệu hồng ngoại: interrupt [EXT_INT6] void ext_int6_isr(void){ lu unsigned char i; an #asm("sei") va n IrBuffer[IrCount]=TCNT0;IrTimeout=20; tn to TCCR0=0x00;TCNT0=0x00; gh if(IrSet){ p ie if(IrCount==IrBitMax-1){IrAddKey=1;EIMSK&=0b10111111;} w else{TCCR0=0x06;IrCount++;} oa nl } else if(IrSpeed==0){ d an lu if(IrCount==IrBitMax-1){IrKeyPress=1;IrSpeed=50;} va else {TCCR0=0x06;IrCount++;} ul nf if(IrCount==2){ oi lm for(i=0;iDimmerLevel[0])OCR3AL ;else OCR3AL++;} an Lu if(OCR3BL!=DimmerLevel[1]){ if(OCR3BL>DimmerLevel[1])OCR3BL ;else OCR3BL++;} n va 15 Khoa Điện – Điện tử ac th ThS Lưu Hoàng si 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 lu khiển từ vi điều khiển an Mạch cơng suất sử dụng relay triac để đóng cắt relay có hạn n va chế khơng thể điều khiển góc kích nên đề tài sử dụng triac kết tn to hợp với opto để cách ly gh Trên mạch cơng suất có chứa mạch dị pha để kết hợp điều khiển góc kích cho p ie triac 2.6.2 Sơ đồ mạch công suất d oa nl w Mạch công suất kết nối theo hình sau: oi lm ul nf va an lu z at nh z m co l gm @ Hình kênh công suất tổng cộng kênh thiết bị Mỗi kênh sử an Lu ThS Lưu Hoàng Khoa Điện – Điện tử n va dụng triac 6A gánh tải tối đa khoảng 1KW ac th 16 si 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 tồn 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; lu an on=Output[channel].data&OnMask; n va if(Output[channel].device==Fan){ tn to level=DimmerFan[Output[channel].data&LevelMask]; if(on==0){ gh p ie for(i=0;i