LÝ THUYẾT
Vi điều khiển dsPIC33 là IC chủ chốt trong luận văn, đảm nhiệm vai trò điều khiển toàn bộ thiết bị Thông tin chi tiết về vi điều khiển này được cung cấp đầy đủ trên trang web chính thức của nhà sản xuất [5].
1.1 Đặc điểm cơ bản của họ vi điều khiển dsPIC33
Dòng dsPIC33 có rất nhiều chức năng mạnh, nhưng trong giới hạn của đề tài, tôi chỉ tập trung tìm hiểu về:
- 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
1.2 Đặc điểm tổng quát của vi điều khiển dsPIC33FJ128MC804
DsPIC33 là một trong 4 dòng vi điều khiển 16 bít của Microchip ra đời năm
2007 với những đặc điểm điển hình như sau [6]:
- Điện áp nuôi thấp: từ 3,0 đến 3,6 V
- Xung nhịp hỗ trợ từ 20 đến 40 MIPS
- Dải nhiệt độ hoạt động từ -40 o C đến 125 o C
Vi điều khiển hiệu suất cao:
- Tập lệnh tối ưu cho trình biên dịch ngôn ngữ C
- 16 bít dữ 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 16 bít
Truy cập bộ nhớ trực tiếp:
- Hỗ trợ đến tám kênh
- 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 16 bít, cho phép ghép hai bộ thành bộ định thời
HỌ VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC33 VÀ DSPIC33FJ128MC804
Đặc điểm cơ bản của họ vi điều khiển dsPIC33
Dòng dsPIC33 có rất nhiều chức năng mạnh, nhưng trong giới hạn của đề tài, tôi chỉ tập trung tìm hiểu về:
- 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.
Đặc điểm tổng quát của vi điều khiển dsPIC33FJ128MC804
DsPIC33 là một trong 4 dòng vi điều khiển 16 bít của Microchip ra đời năm
2007 với những đặc điểm điển hình như sau [6]:
- Điện áp nuôi thấp: từ 3,0 đến 3,6 V
- Xung nhịp hỗ trợ từ 20 đến 40 MIPS
- Dải nhiệt độ hoạt động từ -40 o C đến 125 o C
Vi điều khiển hiệu suất cao:
- Tập lệnh tối ưu cho trình biên dịch ngôn ngữ C
- 16 bít dữ 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 16 bít
Truy cập bộ nhớ trực tiếp:
- Hỗ trợ đến tám kênh
- 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 16 bít, cho phép ghép hai bộ thành bộ định thời
- Một bộ định thời chạy với thạch anh ngoài 32,768 kHz
- Bốn bộ FIFO cho mỗi bộ bắt tín hiệu
- Độ trễ năm chu kỳ máy
- Hỗ trợ 53 nguồn ngắt, ba ngắt ngoài, bẩy mức ưu tiên lập trình được
- 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 5 V
- Các chân lối ra hỗ trợ ra nguồn 5 V ở chế độ cực góp hở
- Bộ nhớ flash chia thành các phần Boot, Secure, General Security
- Có nhiều chế độ lấy xung dao động
- Bộ ổn nguồn 2,5 V được đặt ngay trên vi điều khiển
Bộ chuyển đổi tương tự sang số:
- 9 kênh ADC, có thể nhận ADC trong chế độ tiết kiệm năng lượng
Bộ chuyển đổi số sang tương tự:
- Tốc độ lấy mẫu tối đa 100 ksps
- Tiêu thụ năng lượng thấp, công nghệ Flash tốc độ nhanh
Các ngoại vi giao tiếp:
- SPI: 8 bit, 16 bít, hộ trợ tất cả các định dạng đồng hồ nối tiếp
- I 2 C: Cho phép định địa chỉ 7 bít, 10 bít Khả năng dò và phân xử xung đột đường truyền
- UART: có hai bộ với FIFO gồm bốn ký tự
- CAN: 32 bộ đệm nhận, 16 bộ lọc nhận, ba mặt nạ
- PMP: Hỗ trợ tám bộ, 16 bít dữ liệu, 16 bít đường địa chỉ
- CRC: Có 8 byte hàng đợi, 16 bit cho dữ liệu đầu vào
Hình 1-2 minh họa các chức năng và hiệu suất của dòng vi điều khiển Microchip, trong đó dsPIC33 nổi bật với khả năng 16 bit, mang lại hiệu suất cao và tích hợp nhiều chức năng đa dạng.
Hình 1-2: Biểu đồ thể hiện chức năng và hiệu suất của dòng dsPIC33 so với các dòng vi điều khiển khác của Microchip.
Sơ đồ khối, sơ đồ chân, chức năng của các chân
Các thiết bị ngoại vi được kết nối với bộ xử lý thông qua đường dữ liệu 16 bit, ngoại trừ thanh ghi chốt địa chỉ có độ rộng đường dữ liệu lên tới 24 bit.
Hình 1-3 dưới đây mô tả cấu trúc của một vi điều khiển dsPIC33 bao gồm những thành phần chính như sau:
- Bộ xử lý trung tâm
- Các bus địa chỉ và dữ liệu
Hình 1-3: Sơ đồ khối của DSPIC33FJ128MC804 1.3.2 Sơ đồ chân
DSPIC33FJ128MC804 được đóng gói kiểu TQFP, có tổng cộng 44 chân
Các chân được tô đen trong hình 1-4 là các chân có thể chịu mức điện áp 5 V
Hình 1-4: Sơ đồ chân của DSPIC33FJ128MC804 1.3.3 Bảng mô tả chức năng của chân
Mỗi chân của họ vi điều khiển dsPIC33 đều kiêm nhiệm nhiều chức năng khác nhau Bảng dưới sẽ mô tả chức năng của các nhóm chân
Bảng 1-1: Chức năng các chân của dsPIC33FJ128MC804
Nhóm Vị trí chân Loại Mô tả chân
7,17,28,40 VDD Cung cấp nguồn dương dải rộng 27 ANx Lối vào cho bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số
10,11,14,15 DACx Lối ra của bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự
Các chân CNx có khả năng tạo ngắt khi có sự thay đổi điện áp, trong khi chân PWMx là đầu ra của bộ điều chế độ rộng xung.
PMxx Các chân I/O của cổng song song
Mô tả chi tiết các đặc điểm chính của dsPIC33FJ128MC804
Phần này sẽ mô tả chi tiết hơn về cấu tạo, chức năng và nguyên tắc hoạt động của họ vi điều khiển dsPIC33
1.4.1 CPU và cầu hình dao động 1.4.1.1 Tổng quan
Cấu trúc CPU của dsPIC33 được thiết kế theo kiến trúc Harvard sửa đổi, tích hợp tập lệnh nâng cao nhằm hỗ trợ bộ xử lý số (DSP) CPU này sử dụng tập lệnh 24 bít với độ dài chương trình linh hoạt và có thanh ghi chương trình (PC) rộng 23 bít, cho phép dải địa chỉ lên tới 4Mx24 bít Cơ chế cung cấp trước các lệnh đơn giúp duy trì tốc độ và dự đoán lệnh sắp thực thi Tất cả lệnh được thực hiện trong một chu kỳ máy, ngoại trừ các lệnh thay đổi luồng chương trình hoặc các bảng lệnh.
DsPIC33 sở hữu hai tập lệnh riêng biệt cho MCU và DSP, với nhiều chế độ địa chỉ được tối ưu hóa cho hiệu suất ngôn ngữ lập trình C Hầu hết các lệnh có khả năng tương thích với việc đọc và ghi bộ nhớ dữ liệu cùng chương trình trong một chu kỳ máy.
1.4.1.2 Cách định địa chỉ dữ liệu
Khoảng không dữ liệu có thể được định địa chỉ bằng 32K từ hoặc 64 kbyte, được chia thành hai khối X và Y, mỗi khối có bộ phát địa chỉ (AGU) độc lập Các lệnh của MCU hoạt động đơn lẻ trên khối X và có khả năng truy cập toàn bộ khoảng không dữ liệu, trong khi các lệnh của DSP hoạt động trên cả hai khối và phân chia khoảng không dữ liệu thành hai phần.
Hơn 32 kbyte của khoảng không dữ liệu có thể ánh xạ cho bất kỳ 16 nghìn từ của khoảng không chương trình bằng việc định nghĩa 8 bít trong thanh ghi PSVPAG (Program Space Visibility Page) Tính năng ánh xạ khoảng không chương trình sang khoảng không dữ liệu phục vụ cho việc truy cập khoảng không chương trình nếu nó đã là dữ liệu
1.4.1.3 Tổng quan về bộ xử lý tín hiệu số
Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) có khả năng thực hiện phép nhân 17 bít và 40 bít ALU, cùng với hai bộ tích lũy và hai bộ dịch hai hướng, tất cả đều có độ rộng 40 bít Bộ dịch này cho phép dịch sang trái hoặc phải hơn 16 bít trong một chu kỳ lệnh Tập lệnh của DSP được thiết kế để hoạt động liền mạch với các lệnh khác, giúp tối ưu hóa hiệu suất trong thời gian thực.
Các tính năng của bộ DSP được cấu hình bởi các bit trong thanh ghi CORCON được liệt kê dưới đây:
- IF: Nhân DSP phân số, nguyên
- US: Nhân DSP có dấu hoặc không dấu
1.4.2 Tổ chức bộ nhớ 1.4.2.1 Khoảng không địa chỉ chương trình
Bộ nhớ được định địa chỉ 24 bít, với các địa chỉ được nạp vào thanh ghi PC (Program Counter) 23 bít trong quá trình thực thi chương trình Các ứng dụng không được phép truy cập vào vùng nhớ chương trình trong dải từ 0x000000 đến 0x7FFFFF, ngoại trừ các lệnh cho phép truy cập các bít cấu hình và nhận diện chip TBLRD/TBLWT.
Hình 1-5 mô tả cấu trúc của địa chỉ thanh ghi bộ đếm chương trình
Hình 1-5: Tổ chức bộ nhớ chương trình
1.4.2.2 Khoảng không địa chỉ dữ liệu Độ rộng bus dữ liệu là 16 bít Khoảng không dữ liệu được truy cập bởi việc sử dụng bộ AGU Để đọc các byte dữ liệu, CPU sẽ đọc cả một từ (word), sau đó sử dụng LSB của thanh ghi EA để xác định byte cần đọc Byte đó sẽ được thay thế LSB trên đường dừ liệu Việc ghi byte dữ liệu sẽ chỉ được viết vào mảng hoặc thanh ghi với địa chỉ tương ứng
Để truy cập theo word, dữ liệu cần phải được sắp xếp theo các địa chỉ chẵn Nếu không thực hiện đúng quy trình sắp xếp, sẽ xảy ra bẫy lỗi và lệnh sẽ không thể hoàn thành.
Các thanh ghi chức năng đặc biệt nằm trong khoảng địa chỉ từ 0x0000 đến 0x07FF, được sử dụng để cấu hình các thiết bị ngoại vi và nhân CPU, nhằm điều khiển các hoạt động của vi điều khiển.
Nhân của dsPIC33 được trang bị hai vùng dữ liệu X và Y, cho phép bộ AGUs truy cập đồng thời Tính năng này giúp đẩy hai từ vào RAM trong quá trình thực thi lệnh, từ đó nâng cao hiệu suất cho các thuật toán DSP như FIR và FFT.
Vùng dữ liệu X,Y nằm trong vùng DMA RAM với dung lượng 2 kbyte, cho phép CPU và bộ điều khiển DMA truy cập đồng thời.
Hình 1-6 mô tả chi tiết tổ chức bộ nhớ dữ liệu của dsPIC33
Hình 1-6: Tổ chức bộ nhớ dữ liệu của dsPIC33
Con trỏ ngăn xếp luôn trỏ vào từ đầu tiên và tăng dần từ địa chỉ thấp đến địa chỉ cao
Hình ảnh dưới đây minh họa giá trị của thanh ghi PC mỗi khi thực hiện lệnh CALL Trước mỗi lần đẩy dữ liệu vào ngăn xếp, MSB của thanh ghi PC luôn giữ giá trị bằng không.
Hình 1-7: Cơ chế lệnh gọi ngăn xếp 1.4.2.4 Cấu hình dao động của dsPIC33
Bộ dao động của dsPIC33 bao gồm những tính năng sau:
- Có hỗ trợ dao động nội hoặc lấy nguồn dao động từ bên ngoài
- Tần số dao động nội sử dụng vòng bám pha
Bộ dao động FRC nội sử dụng vòng bám pha, giúp hệ thống vận hành với tốc độ tối đa mà không cần thiết bị phát dao động bên ngoài.
- Có khả năng chuyển đổi giữa các nguồn dao động
- Chế độ tiết kiệm điện cho phép lập trình lại thang chia tỉ lệ dao động hệ thống
- Giám sát và phát hiện lỗi dao động chủ
- Thanh ghi điều khiển dao động OSCCON
- Hỗ trợ bộ dao động thạch anh phụ cho khối chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự
Hình 1-8: Hệ thống tạo dao động cho dsPIC33 dsPIC33 cung cấp bẩy lựa chọn dao động hệ thống:
- Bộ dao động RC nhanh (FRC)
- FRC với bộ bám pha
- Dao động chủ (XT, HS, EC)
- Dao động chủ với bộ bám pha
- Dao động RC công suất thấp
- Dao động FRC với thang chia tỷ lệ
Bằng cách thiết lập các bít trong thanh ghi FNOSC, FOSCSEL, và POSCMD, người dùng có thể lựa chọn chế độ đồng hồ hệ thống tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể.
Thông thường, sau khi xuất xưởng, các chip dsPIC33 được đặt ở chế độ sử dụng FRC Chế độ này, tần số là 7,37 MHz
Bộ dao động chủ có thể sử dụng một trong các nguồn dao động sau:
- XT: Bộ cộng hưởng thạch anh trong dải từ 3 MHz đến 10 MHz
- HS: Thạch anh trong dải từ 10 MHz đến 40 MHz
- EC: Sử dụng tín hiệu dao động ngoại nối vào chân OSC của vi điều khiển
Bộ dao động phụ (LP) và bộ dao động tiêu thụ công suất thấp (LPRC) đều sử dụng thạch anh 32,768 kHz
Các thanh ghi chính được sử dụng để cấu hình dao động cho dsPIC bao gồm:
COSC: Current oscillator selection bit - Các bít này chỉ đọc, các bít này thể hiện dao động hiện tại của hệ thống là loại dao động nào
+ 000: Bộ dao động RC nhanh (FRC)
+ 001: FRC với bộ bám pha
+ 010: Dao động chủ (XT, HS, EC)
+ 011: Dao động chủ với bộ bám pha
+ 101: Dao động RC công suất thấp
+ 110: Dao động FRC với thang chia tỷ lệ 16
+ 111: Dao động FRC với thang chia tỷ lệ n
NOSC: New oscillator selection bit – Người dùng thiết lập các bít này khi chọn chế độ dao động mới cho hệ thống
CLKLOCK: Clock lock enable bit - Bít này bằng một để cho phép chuyển xung đồng hồ, bằng 0 thì không cho phép
IOLOCK: Peripheral pin select lock bit - Nếu bít này bằng một thì các chân ngoại vi bị khóa và ngược lại
LOCK: PLL lock status bit – Bit này chỉ thị vòng bám pha bị khóa nếu bằng
1 và không khóa nếu bằng 0
CF: Clock Fail Detect bit – Nếu phát hiện lỗi đồng hồ hệ thống thì bít này sẽ được thiết lập là 1
LPOSCEN: Secondary Oscillator Enable bit – Cho phép sử dụng bộ dao động phụ
The Oscillator Switch Enable (OSWEN) bit allows for the activation of the oscillator This bit is set to one to switch to the oscillator configured by the NOSC bits.
DOZE: Processor clock reduction select bit - Thang chia tần số Fcy + 000 = Fcy/1
+ 001 = Fcy/2 + 010 = Fcy/4 + 011 = Fcy/8 (Chế độ mặc định) + 100 = Fcy/16
MODEM SIM900 VÀ SMS/GPRS
Giới thiệu đặc điểm của Modem GSM
Hình 2-1: Modem GSM/GPRS SIM900
2.1.1 Thông số, đặc tính kỹ thuật của SIM 900
Các thông số nguồn nuôi:
- Điện áp hỗ trợ: 3,4 V đến 4,5 V
- Chế độ tiết kiệm điện tiêu thụ 1,5 mA
Hỗ trợ 4 băng tần GSM850/EGSM 900, DCS 1800, PCS 1900 Các tần số này được thiết lập bởi tập lệnh AT
- Mặc định ở chế độ đa khe GPRS lớp 10
- Hỗ trợ chế độ đa khe GPRS lớp 8
Dải nhiệt độ hoạt động: -30 o C đến 80 o C
- Tốc độ tối đa đường dữ liệu xuống là 85,6 kbps
- Tốc độ tối đa đường dữ liệu lên là 42,8 kbps
- Khung mã hóa: CS-1, CS-2, CS-3 và CS-4
- Hỗ trợ giao thức PAP (Password Authentication Protocol)
- Tích hợp giao thức TCP/IP
- Hỗ trợ PBCCH (Packet Switched Broadcast Control Channel)
- Tốc độ truyền dữ liệu từ 2,4 kbps đến 14,4 kbps
- Hỗ trợ cả dạng text và PDU
- Tin nhắn được lưu ở thẻ SIM Âm thanh:
- Có các chế độ mã hóa giọng nói ETS 06.20, ETS 06.10
- Có khả năng chống ồn
Cổng giao tiếp nối tiếp và gỡ rối
- Tốc độ hỗ trợ từ 1,2 kbps đến 11,52 kbps
Sử dụng tập lệnh AT để giao tiếp với các ngoại vi khác
Hỗ trợ bắt tay phần cứng và điều khiển luồng
Cổng gỡ rối có cũng cho phép cập nhật firmware
Hỗ trợ đồng hồ thời gian thực
Kích thước vật lý: 24 mm x 24 mm x 3 mm
Hỗ trợ giao tiếp với SIM ở hai mức điện áp 1,8 V và 3,3 V
2.1.2 Sơ đồ chức năng của SIM900
Hình 2-2: SIM900 và sơ đồ chức năng
Hình 2-2 mô tả các khối chức năng chính của SIM 900 bao gồm:
- Bộ xử lý băng cơ sở GSM
- Bộ xử lý tần số vô tuyến
- Khối giao tiếp với anten
- Các khối khác: giao tiếp nối tiếp, giao tiếp hiển thị LCD, giao tiếp bàn phím, âm thanh
Sơ đồ chân và hình dạng vật lý của SIM900 được mô tả như hình 2-3
Hình 2-3: Bố trí chân của SIM900
Bảng dưới mô tả chi tiết chức năng các chân của SIM900
Bảng 2-1: Bảng đặc điểm, chức năng các chân của SIM900
Tên chân Vào/Ra Mô tả Đặc trưng điện một chiều Chú ý Các chân nguồn
VBAT Vào Chân này được kết nối với nguồn điện một chiều có điện áp từ 3,4V đến 4,5V, và nguồn điện này cần phải cung cấp dòng tối đa lên tới 2A để đảm bảo SIM900 có thể khởi tạo kết nối với mạng GSM một cách ổn định.
VRTC Vào/Ra Cấp nguồn cho bộ RTC khi mất nguồn nuôi hệ thống
Vmax = 3,15V Vmin = 2,0V Vnorm= 3V Iout = 300uA Iin = 2uA
Phải cho phép sử dụng chức năng RTC
VDD_EXT Ra Hỗ trợ xuất ra điện áp 2,8V Vmax = 3,15V
Không sử dụng thì để
Vnorm= 3V Iout max = 10mA ở trạng thái hở
GND Vào Chân nối đất
PWRKEY Vào Chân này được kéo xuống mức thấp khi tắt hoặc khởi động hệ thống
Để bật hoặc tắt nguồn của SIM900, chân PWRKEY_OUT cần được kết nối với chân PWRKEY Trước khi thực hiện thao tác này, chân PWRKEY_OUT phải được đặt ở mức cao.
MIC_P, MIC_N Vào Lối vào microphone SPK_P,SPK_N Ra Lối ra loa
Các chân vào ra chung
STATUS Ra Chỉ thị trạng thái hoạt động VIL= 0V
NETLIGHT Ra Chị thị trạng thái mạng DISP_DATA Vào/Ra Giao tiếp hiển thị LCD
SCL Ra Giao tiếp truyền thông nối tiếp I2C
KBR0-KBR4 Ra Giao tiếp bàn phím
RXD Vào Nhận dữ liệu VIL= 0V
TXD Ra Truyền dữ liệu
CTS Ra Xóa để truyền
RI Ra Chỉ thị chuông báo
DSR Ra Báo dữ liệu sẵn sàng
DCD Ra Phát hiện tín hiệu sóng mang
DTR Vào Dùng để ngắt kết nối
Giao diện gỡ rối qua cổng nối tiếp
DBG_TXD Ra Giúp gỡ rối và nâng cấp Tương tự cổng nối
DBG_RXD Vào Firmware cho SIM900 tiếp
Giao tiếp với SIM card
SIM_VDD Vào Cấp nguồn cho SIM card 1,8V hoặc 3,0V Chiều dài tối đa của dây nối đến chân này là
SIM_DATA Vào/Ra Chân giao tiếp dữ liệu của
VIL= 0V =>0,15*SIM_VDD VIH=0,85*SIM_V
=> SIM_VDD VOL= 0V=>0,1V VOH=SIM_VDD–
SIM_CLK Ra Chân xung nhịp
SIM_RST Ra Chân khởi động lại SIM SIM_PRESENCE Vào Chân phát hiện SIM card
Bộ chuyển đổi tương tự sang số
ADC Vào Chân nhận tín hiệu tương tự 0 =>3V
Các chân hỗ trợ khởi động lại từ bên ngoài
NRESET Vào Chân hỗ trợ khởi động
Bộ điều chế độ rộng xung
PWM1 Ra Chân cung cấp tín hiệu được điều chế độ rộng xung
2.1.3 Các chế độ hoạt động của SIM900
SIM900 có ba chế độ hoạt động chính được miêu tả bằng bảng dưới đây:
Bảng 2-2: Các chế độ hoạt động của SIM900
Chế độ thường (NORMAL MODE)
Chân DTR được đặt ở mức cao, SIM900 chuyển sang trạng thái SLEEP Lúc này, dòng tiêu thụ của nó là thấp nhất và vẫn cho phép nhận SMS
GSM IDLE SIM900 sẵn sàng nhận và gửi dữ liệu từ mạng GSM
GSM TALK SIM900 đang kết nối với các thành phần khác của mạng GSM
GPRS STANDBY SIM900 sẵn sàng truyền nhận dữ liệu
GPRS DATA SIM900 đang trong quá trình truyền nhận dữ liệu GPRS Chế độ tắt nguồn Gửi lệnh AT+CPDOWN = 1 hoặc dùng chân PWRKEY để tắt
(POWER DOWN) nguồn của hệ thống Nguồn nuôi RTC vẫn hoạt động VBAT vẫn được kết nối Chế độ chức năng tối thiểu
Gửi lệnh AT+CFUN để chuyển hệ thống sang chế độ không hoạt động, trong đó khối cao tần sẽ ngừng hoạt động và không thể truy cập vào thẻ SIM Tuy nhiên, vẫn có khả năng truyền thông với SIM900 qua cổng nối tiếp.
Quá trình khởi động và chuyển trạng thái đơn giản của SIM 900 được mô tả như sau:
Sau khi cấp nguồn cho SIM900, chân PWRKEY được đặt ở mức cao để khởi động tự động và chuyển sang chế độ thường Nếu cần tắt hệ thống để khởi động lại, phần mềm có thể gửi lệnh “AT+CPDOWN” hoặc điều khiển chân PWRKEY xuống mức thấp trong vòng hai giây, khiến SIM900 chuyển sang chế độ POWER DOWN Trong chế độ này, chỉ có thể bật tắt nguồn hoặc giữ PWRKEY ở mức thấp trong 2 giây để đưa hệ thống trở về chế độ hoạt động thường.
Hình 2-4: Sơ đồ quá trình chuyển trạng thái hoạt động của SIM900
Giới thiệu sơ lược về SMS, GPRS
Thiết bị sử dụng SMS để gửi dữ liệu về máy chủ thông qua mạng viễn thông
Phần này sẽ mô tả chi tiết các đặc điểm của dịch vụ SMS [2]
SMS là dịch vụ gửi và nhận các tin nhắn ngắn từ điện thoại di động
2.2.1.1 Lịch sử phát triển Ý tưởng về việc bổ sung thêm dịch vụ nhắn tin văn bản cho điện thoại di động đã được manh nha ở nhiều nhà cung cấp dịch vụ di động từ đầu những năm
1980 Các chuyên gia đã đóng góp ý kiến bàn luận cho các dịch vụ GSM
SMS chủ yếu được thiết kế như một phương tiện nhắc nhở cho người dùng, với ưu điểm nổi bật là tính ngắn gọn Hệ thống SMS sử dụng công nghệ GSM để truyền tải tin nhắn và tín hiệu điều khiển dữ liệu thoại trong thời gian không có tín hiệu, giúp tiết kiệm chi phí Tuy nhiên, điều này cũng yêu cầu giới hạn độ dài tin nhắn, ban đầu là 128 byte, sau đó tăng lên 140 byte hoặc 160 ký tự cho các ngôn ngữ sử dụng bảng mã 7 bit; đối với các ngôn ngữ như Ả Rập, Trung Quốc hay tiếng Việt, giới hạn chỉ còn 70 ký tự.
Vào tháng 2 năm 1985, nhóm WP3 thuộc GSM, do J Audestad dẫn đầu, đã thảo luận về việc tích hợp SMS như một dịch vụ trong hệ thống di động kỹ thuật số mới của GSM Tài liệu "Dịch vụ và các thiết bị hỗ trợ trong hệ thống GSM" đã xác nhận sự hiện diện của cả dịch vụ di động và dịch vụ nhắn tin ngắn trong danh mục dịch vụ.
Thảo luận về các dịch vụ GSM đã được kết luận trong văn bản GSM 02.03, mang tiêu đề “Các dịch vụ từ xa được hỗ trợ bởi GSM PLMN” Dưới đây là mô tả ngắn gọn về ba dịch vụ quan trọng được đề cập.
Short Message Service Mobile Terminated (SMS-MT) or Point-to-Point enables the system to deliver messages directly to a mobile phone These messages can be sent from another mobile device that supports SMS or through an application software.
Tin nhắn Mobile Originated (SMS-MO) hay Point-to-Point cho phép hệ thống gửi đi tin nhắn từ điện thoại di động Tin nhắn này có thể được gửi đến một điện thoại di động khác hoặc một ứng dụng phần mềm.
- Short message Cell Broadcast: gửi tin nhắn quảng bá từ một điện thoại đến nhiều điện thoại di động khác
Vấn đề đã được chuyển giao cho bộ phận IDEG (Nhóm các chuyên gia về triển khai Dữ liệu và dịch vụ từ xa) của GSM Vào tháng 5 năm 1985, dưới sự chỉ đạo của Friedhelm Hillebrand, bộ phận này đã phát hành các tài liệu liên quan Chuẩn công nghệ hiện nay, bao gồm GSM 03.04 (hai dịch vụ gửi tin nhắn point-to-point) và GSM 03.41 (cell broadcast), đã được phát triển bởi IDEG, sau này được gọi là WP4.
Chuẩn MAP (Mobile Application Part) cho giao thức SS7 bắt đầu với việc hỗ trợ chuyển tin nhắn qua hệ thống lõi (Core Network) Giai đoạn hai của MAP mở rộng khả năng này để hỗ trợ tin nhắn SMS, thông qua việc giới thiệu mã điều khiển riêng cho việc chuyển tin nhắn Mobile Terminated Short Message Sau giai đoạn 2, không có thay đổi nào đối với các gói điều khiển dịch vụ nhắn tin trong chuẩn MAP, mặc dù các gói điều khiển khác đã được phát triển để hỗ trợ CAMEL SMS.
Mặc dù SMS được phát triển ban đầu trong mạng GSM, nhưng hiện nay nó đã trở nên phổ biến trên tất cả các hệ thống, bao gồm cả mạng 3G Tuy nhiên, không phải tất cả các hệ thống tin nhắn đều sử dụng SMS; một số hình thức thay thế đáng chú ý như SkyMail của J-Phone và Short Mail của NTT Docomo đã xuất hiện Tin nhắn điện tử từ điện thoại cũng rất phổ biến, đặc biệt với chức năng i-mode của NTT Docomo và điện thoại BlackBerry của RIM, sử dụng giao thức SMTP qua cổng TCP/IP.
2.2.1.2 Ưu điểm của việc sử dụng SMS
So với các phương thức liên lạc khác, SMS là phương thức nhanh nhất để chuyển tải thông tin thực tế và ngay lập tức Khi một người không thể nhận cuộc gọi vì lý do như nằm ngoài vùng phủ sóng hay đang bận, tin nhắn sẽ là cách liên lạc hiệu quả nhất Mặc dù SMS có thể chậm hơn một vài giây so với cuộc gọi trực tiếp, nhưng nó vẫn nhanh hơn nhiều so với các hình thức liên lạc khác, thường mất vài giờ hoặc thậm chí vài ngày Trung bình, một tin nhắn được đọc trong vòng 30 phút, trong khi thư điện tử có thể mất đến 48 giờ.
Tin nhắn có thể được gửi đi mọi lúc, mọi nơi, và người nhận không cần phải đọc hoặc phản hồi ngay lập tức Hình thức này giúp việc giao tiếp trở nên yên tĩnh hơn so với cuộc gọi thoại.
2.2.2 Những lý do để xây dựng những ứng dụng không dây dựa trên nền SMS
Nhắn tin SMS được hỗ trợ bởi 100% các máy di động GSM, tạo điều kiện cho việc phát triển ứng dụng trên nền SMS Điều này giúp tiếp cận một lượng lớn người dùng một cách dễ dàng.
SMS không chỉ hỗ trợ truyền dữ liệu văn bản mà còn cho phép gửi dữ liệu dạng nhị phân như nhạc chuông, hình ảnh, hình ảnh động và vCard.
Thanh toán tiện lợi bằng phương pháp thanh toán ngược là một giải pháp hiện đại cho phép người dùng trải nghiệm dịch vụ một cách đơn giản và linh hoạt Với phương pháp này, người dùng chỉ cần soạn một tin nhắn để sử dụng dịch vụ, sau đó họ sẽ chỉ phải trả tiền cho những tin nhắn hồi đáp từ nhà cung cấp dịch vụ Điều này giúp người dùng có thể kiểm soát chi phí và tận hưởng dịch vụ một cách tiện lợi và hiệu quả.
2.2.3 Các khái niệm cơ bản trong nhắn tin SMS
Thời gian hiệu lực của tin nhắn là khoảng thời gian mà tin nhắn được lưu trữ tại trung tâm tin nhắn khi không thể gửi đi, do người nhận ngoài vùng phủ sóng hoặc tắt máy Nếu sau thời gian này mà người nhận vẫn không hòa mạng, tin nhắn sẽ bị xóa khỏi hệ thống Thời gian này có thể được người dùng cấu hình trong thiết bị di động của mình.
Tin nhắn thông báo trạng thái: Giúp người dùng biết tin nhắn đã được chuyển đi thành công hay thất bại
Tập lệnh AT
Tập lệnh AT, viết tắt của ATtention, là một tiêu chuẩn phần mềm điều khiển modem được phát triển bởi Hayes Microcomputer Products Tiêu chuẩn này lần đầu tiên được áp dụng cho các modem Smartmodems của công ty Các lệnh trong tập lệnh AT thường bắt đầu bằng chữ AT, giúp người dùng dễ dàng nhận diện và sử dụng.
“tương thích với Hayes” mô phỏng theo một cách rộng rãi và thực tế đã trở thành chuẩn đối với các modem của máy tính cá nhân [2]
Hình 2-7: Vị trí sử dụng tập lệnh AT trong hệ thống
Tập lệnh AT nguyên bản được chia làm 4 nhóm lệnh:
+ Lệnh cơ bản: Bắt đầu bằng chữ viết hoa, sau đó là các ký tự khác, ví dụ ATD, M1, AT+CMGR…
Lệnh mở rộng bắt đầu bằng ký tự "&", theo sau là một chữ cái viết hoa và các ký tự khác, tạo thành phần mở rộng cho nhóm lệnh cơ bản.
+ Các lệnh về đặc tính: Thường bắt đầu bằng dấu / hoặc % Các lệnh này thay đổi tùy thuộc vào nhà sản xuất modem
+ Các lệnh về thanh ghi: Lệnh này giúp thay đổi giá trị thanh ghi
Ví dụ Sr = n, thanh ghi r được gán giá trị n
Cú pháp thông thường của một lệnh AT bắt đầu bằng chữ AT và kết thúc bằng ký hiệu (phím Enter)
Mã trả về của lệnh AT
Mã trả về của các lệnh AT thường bắt đầu và kết thúc bởi Trừ các lệnh AT cơ bản như ATV, ATQ
+ Nếu cú pháp lệnh không đúng thì modem GSM sẽ trả về chuỗi ERROR
+ Nếu cú pháp đúng nhưng tham số sai thì sẽ trả về +CME ERROR: hoặc +CMS ERROR : phụ thuộc vào các lỗi khác nhau
+ Nếu lệnh thực hiện thành công thì sẽ trả về chữ OK ở cuối chuỗi kết quả trả về
Nhóm lệnh AT cơ bản bao gồm nhiều lệnh khác nhau Do thời gian hạn chế, tôi chỉ tập trung nghiên cứu một số lệnh thường dùng và những lệnh liên quan đến luận văn này Các lệnh này bao gồm cả lệnh chung và lệnh phục vụ cho chức năng SMS.
Bảng sau mô tả đáp ứng của các lệnh AT thường dùng:
Bảng 2-3: Các lệnh AT thường dùng
Cú pháp lệnh, chức năng Ví dụ đáp ứng
Xem nhà sản xuất AT+CGMI
OK Xem phiên bản phần mềm, số lần sửa
Xem số imei AT+CGSN
135790248939 OK +CME ERROR:22 Quy định dạng ký tự của việc gửi, đọc tin nhắn giữa ME và TE
OK +CSCS:(“GSM”,“PCCP437”,“CUSTOM”, “HEX”)
OK Nhận dạng IMSI(International mobile subcriber identify)
208200120320598 Note:IMSI gồm 15 số,bắt đầu bằng MCC, hoặc MNC
Lấy CCID (Chip/Smart Card
Interface Devices) AT+CCID AT+CCID ?
Một số thuật ngữ viết tắt:
4) DCE (Data Communication Equipment) or facsimile DCE(FAX modem, FAX board)
6) DTE (Data Terminal Equipment) or plainly “the application” which is running on an embedded system
2.3.3 Các lệnh liên quan đến SMS
2.3.3.1 Các tham số liên quan
: Địa chỉ đích Ví dụ: GSM 03.10 TP-DA
: Khung mã dữ liệu
: Khuôn dạng thời gian
: Vị trí lưu tin nhắn trong bộ nhớ
: Text mode (+CMGF=1) , PDU mode (+CMGF=0) ,độ dài của dữ liệu TP trong các octet
: Bộ nhớ được sử dụng để viết và gửi tin 1
: Bộ nhớ được sử dụng để viết và gửi tin 2
: Nhận dạng tin quảng bá (CBM : cell broadcast message)
: Tin nhắn tham chiếu
: Địa chỉ ban đầu (Originator Address )
: Nhận dạng giao thức
: Biểu diễn tin nhẵn dưới dạng hexa
: Địa chỉ trung tâm dịch vụ
: Định dạng thơi gian của trung tâm dịch vụ
: Số serial của CBM
: Trạng thái của tin nhắn trong bộ nhớ
: Số vị trí tin nhắn ở trong mem1
: Số vị trí tin nhắn ở trong mem2
: Tổng số tin nhắn trong mem1
: Tổng số tin nhắn trong mem2
: Thời gian chứng thực (Validity period of short message , giá trị mặc định là 167, đã được giải thích phía trên )
2.3.3.2 Các lệnh liên quan đến SMS
1 Lệnh chọn dịch vụ tin nhắn +CSMS
Cú pháp lệnh: AT+CSMS? Đáp ứng: +CSMS: ,,,
Lệnh này dùng để kiểm tra loại tin nhắn mà modem hỗ trợ Có 3 loại tin nhắn là:
+ Mobile-originated SMS messages (mo): tin nhắn gửi từ modem, đến SMSC
+ Mobile-terminated SMS messages (mt): tin nhắn gửi từ SMSC đến modem + Cell broadcast messages (bm): các loại tin nhắn quảng bá
Ví dụ: +CSMS:0,1,1,1 Với giá trị trả về là một thì có nghĩa là modem đó hỗ trợ loại tin nhắn ở vị trí tương ứng
2 Chọn vị trí lưu tin nhắn +CPMS Kiểm tra vị trí lưu tin nhắn: AT+CPMS=? Hoặc AT+CPMS? Đáp ứng:
+CPMS: , ,,,,,
Cú pháp lệnh : AT+CPMS= [ , ,]
+ Chọn vùng nhớ lưu tin nhắn cho các quá trình đọc, viết, gửi, nhận, xóa tin nhắn
+ Xác định số tin nhắn đang có trong bộ nhớ
+ Xác định số tin nhắn tối đa có thể lưu ở trong bộ nhớ
Ví dụ : AT+CPMS= “ME”, “SM”, “MT”
Trong đó : ME: Nếu tin nhắn được lưu trong bộ nhớ của modem
SM: Nếu tin nhắn được lưu trong bộ nhớ sim
MT: Hỗ trợ lưu tin nhắn cả trong sim và modem
3 Định dạng tin nhắn +CMGF
Kiểm tra định dạng tin nhắn hiện thời: AT+CMGF? Hoặc AT+CMGF=? Đáp ứng: +CMGF [mode]
Hỗ trợ cả dạng PDU và dạng TEXT
Cú pháp lệnh: AT+CMGF=[]
Cú pháp lệnh: AT+CSAS=[]
Lệnh này dùng để lưu các cấu hình của tin nhắn vào bộ nhớ, lưu các tham số của các lệnh như CMGF, CNMI, CSDH…
5 Hiện thông số tin nhắn ở chế độ Text +CSDH
Cú pháp lệnh: AT+CSDH? Đáp ứng: +CSDH: 0 Lệnh dùng để hiện tham số của tin nhắn ở chế độ text
6.Đọc tin nhắn +CMGR Đọc tin nhắn theo vị trí lưu tin trong bộ nhớ AT+CMGR=
Lệnh này làm thay đổi trạng thái của tin nhắn sau khi đọc
+CMGR:"RECREAD","+84988668514",,"07/04/20,10:08:02+32", 145,4,0,0,"+85290000000",145,49,welcome to coltech
Có bốn trạng thái tin nhắn chính: REC READ (tin đã được đọc), REC UNREAD (tin chưa được đọc), STO SENT (tin đã được gửi và lưu trong bộ nhớ), và STO UNSENT (tin chưa được gửi nhưng đã lưu trong bộ nhớ).
+ “+84988668514” là số điện thoại đã gửi tin nhắn đến
+ 145,4,0,0: Các thông số về loại địa chỉ của SMSC
+ 49: Độ dài của tin nhắn
7 Hiện danh sách tin nhắn +CMGL
Cú pháp lệnh: AT+CMGL= “status”, Đápứng: +CMGL:,,[],
Status: là 4 trạng thái của tin nhắn đã nêu ở trên, ngoài ra còn có từ khóa ALL, để hiện tất cả tin nhắn có trong sim
Ví dụ: AT+CMGL= “REC UNREAD”
Sau lệnh này sẽ hiển thị các tin nhắn chưa được đọc
Cú pháp lệnh: AT+CMGS= [, ]
Ví dụ: AT+CMGS="+84988668514",145Day la tin nhan gui tu modem GSM o che do text.
9 Viết tin nhắn vào bộ nhớ CMGW
Cú pháp lệnh: AT+CMGW= [, [, ] ] enter text
AT+CMGW="+85291234567",145,"STO UNSENT"tin nhan nay duoc luu trong bo nho.
10.Gửi tin nhắn từ bộ nhớ +CMSS
Cú pháp lệnh: AT+CMSS=[, [,] ] Lệnh này giúp gửi tin nhắn đã lưu trong bộ nhớ
Lệnh AT+CMSS=5,"+85291234567",145 sẽ gửi tin nhắn lưu trữ ở vị trí số 5 đến số điện thoại +85291234567, đồng thời cập nhật trạng thái tin nhắn từ STO UNSENT sang STO SENT.
11.Cấu hình thông số ở chế độ Text +CSMP
Cú pháp lệnh: AT+CSMP=, , ,
Ví dụ: AT+CSMP,0,2, 25 12.Xóa tin nhắn +CMGD
Cú pháp lệnh: AT+CMGD=,
Xóa tin nhắn ở vị trí index trong bộ nhớ
Flag được gán từ 0 đến 4 với ý nghĩa tương ứng là:
+ 0: chỉ xóa tin nhắn ở vị trí index, đây là giá trị được gán mặc định
+ 1: bỏ qua thông số index, chỉ xóa các tin nhắn có trạng thái là received read (đã được đọc)
+ 2: bỏ qua index, xóa các tin nhắn có trạng thái là received read và stored sent (tin nhắn lưu trữ đã được gửi đi)
+ 3: bỏ qua index,xóa tất các tin nhắn có trạng thái là received read, stored sent và stored unsent
+ 4 : xóa tất cả các tin nhắn có trong bộ nhớ sim
Ví dụ: AT+CMGD=1,4 Sau lệnh này, toàn bộ tin nhắn sẽ bị xóa
13.Địa chỉ trung tâm dịch vụ +CSCA
Cú pháp lệnh: AT+CSCA = [[,]]
+8498020030 là số điện thoại của SMSC
14 Chọn loại tin nhắn quảng bá +CSCB
Cú pháp lệnh: AT+CSCB= , [ , [ ] ]
Giá trị trong ví dụ dùng để chỉ ngôn ngữ mà tin nhắn quảng bá hỗ trợ
15 Nhận dạng tin nhắn quảng bá +WCBM
Cú pháp lệnh : AT+WCBM=
16 Thay đổi trạng thái tin nhắn +WMSC
Cú pháp lệnh : AT+WMSC= ,
Ví dụ : AT+WMSC= 1, STO SENT Status ở đây là trạng thại sau khi thay đổi
17 Ghi đè tin nhắn +WMGO
Cú pháp lệnh: AT+WMGO=
Ví dụ: AT+WMGO= 1 Tin nhắn ở vị trí số một sẽ bị ghi đè, sau khi lệnh này thực hiện.
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
Nguyên tắc đo dòng
Dòng điện xoay chiều là loại điện có chiều và cường độ thay đổi theo thời gian, thường biến thiên theo chu kỳ tuần hoàn với tần số nhất định Tại Việt Nam, tần số của dòng điện xoay chiều là 50 Hz.
Điện áp xoay chiều có biên độ thay đổi theo thời gian, tương tự như dòng điện Tại Việt Nam, điện dân dụng thường nằm trong khoảng từ 180V đến 250V.
Công suất dòng điện xoay chiều phụ thuộc vào cường độ dòng điện và điện áp và độ lệch pha của hai đại lượng trên
Công thức tính công suất đơn giản là P = UIcosf, trong đó cosf đại diện cho hệ số công suất Hệ số công suất này thể hiện chất lượng tiêu thụ điện năng của tải.
Hệ thống nguồn điện một pha được xem xét với nguồn áp dạng sin lý tưởng và tải tuyến tính Trong đó, điện áp và dòng điện được biểu diễn theo các phương trình u(t) và i(t) Việc phân tích hệ thống này giúp hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong các ứng dụng thực tiễn.
Công suất tức thời p(t) là: p(t) = u(t)i(t)
Có 3 loại công suất sau:
- Công suất hữu dụng (active power): Ký hiệu là P = UIcosf Đây là phần công suất được truyền đến tải
Công suất phản kháng, ký hiệu là Q = UIsinf, là phần công suất không được truyền đến tải Nó phát sinh do các thành phần dung kháng và cảm kháng trong tải, gây ra sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp.
- Công suất toàn phần (apparent power): Ký hiệu S = P + Q Công suất này là công suất lớn nhất có thể truyền đến tải khi dòng điện và điện áp cùng pha
Formatted: French (France) Field Code Changed Formatted: French (France) Field Code Changed Formatted: French (France)
Field Code Changed Formatted: French (France) Field Code Changed Formatted: French (France) Field Code Changed Formatted: French (France) Field Code Changed Formatted: French (France)
3.1.2 Các phương pháp đo dòng chính
Xét về mặt tiếp xúc vật lý với đối tượng đo là dòng điện thì 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 là phương pháp sử dụng điện áp kế để đo điện áp rơi trên một điện trở chuẩn trong mạch có dòng điện Qua các phép tính, chúng ta có thể xác định giá trị của dòng điện cần đo.
Phương pháp so sánh là kỹ thuật đo lường dòng điện bằng cách so sánh dòng điện cần đo với dòng điện mẫu Khi đạt trạng thái cân bằng giữa hai dòng điện, kết quả sẽ được đọc trực tiếp 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 điện trở shunt là một kỹ thuật chính xác để xác định dòng điện Điện trở shunt có độ chính xác cao, và điện áp sụt qua điện trở này tỷ lệ thuận với dòng điện cần đo.
Hình 3-1: Nguyên tắc đo dòng bằng điện trở Shunt
Dựa trên định luật cảm ứng Faraday, từ trường biến thiên sẽ tạo ra dòng điện biến thiên, được gọi là dòng điện cảm ứng Dòng điện cần đo sẽ sinh ra dòng điện cảm ứng, cho phép chúng ta đo lường và suy ra giá trị của dòng điện cần thiết Các cảm biến như biến dòng CT sử dụng nguyên lý này để thực hiện việc đo đạc hiệu quả.
Hình 3-2: Các loại CT trên thị trường
Theo định luật Hall, khi dây dẫn điện chịu tác động của từ trường vuông góc, sẽ xuất hiện hiệu điện thế Hall tại hai đầu dây dẫn Hiệu điện thế này được khuếch đại và chuyển đổi thành tín hiệu tương tự số qua vi điều khiển Một số cảm biến Hall phổ biến cho việc đo dòng điện là ACS712.
Hình 3-3: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến Hall
Giới thiệu về ADE7753
ADE7753 là một IC đo các thông số của dòng điện xoay chiều chuyên dụng
Nó được sử dụng rộng rãi trên thế giới với độ chính xác và tính ổn định cao [3]
Chip ADE7753 là một thiết bị tích hợp chính xác cao, chuyên dùng để đo lường các thông số năng lượng điện trong mạch một pha, với giao diện nối tiếp và đầu ra xung Nó bao gồm hai bộ chuyển đổi tương tự - số, mạch tích phân số, mạch tham chiếu, cảm biến nhiệt độ và các bộ xử lý tín hiệu, cho phép đo lường công suất hiệu dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến và tính toán các thông số hiệu dụng của dòng điện và điện áp.
ADE7753 là một IC lý tưởng để đo các thông số điện trong các cấu hình một pha khác nhau Nó cung cấp các chức năng kiểm tra giúp giảm thiểu sai số cho các thông số hiệu dụng và công suất.
ADE7753 được trang bị thanh ghi mẫu dạng sóng (Waveform Sample Register) cho phép truy cập đầu ra của bộ chuyển đổi tương tự - số, cùng với mạch nhận biết sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian xác định Người sử dụng có thể lập trình mức ngưỡng điện áp và khoảng thời gian quan sát Thiết bị này cũng tích hợp bộ tách tín hiệu qua điểm không, giúp đo chu kỳ và pha của điện áp đầu vào trong mạch điện.
Dữ liệu từ ADE7753 được truyền qua giao tiếp SPI, với đầu ra chân yêu cầu ngắt hoạt động ở mức tích cực thấp khi có một hoặc nhiều sự kiện ngắt xảy ra Trạng thái của các ngắt này được xác định thông qua thanh ghi trạng thái.
Cấu tạo của ADE7753 gồm các phần chính sau:
- Hai kênh lối vào dòng và áp
- Giao diện nối tiếp SPI
Hình 3-4: Kiểu đóng gói của ADE7753
ADE7753 được sử dụng trong đề tài được đóng gọi dạng SSOP, 20 chân, vị trí các chân được mô tả như hình 3-4
Hình 3-5: Sơ đồ các khối chức năng của ADE7753
Bảng 3-1 mô tả chi tiết các chức năng của từng chân của ADE7753
Bảng 3-1: Bảng mô tả chức năng các chân của ADE7753
Chân số Tên chân Chức năng
1 RESET Khi có một xung chuyển từ trạng thái xuống thấp
Chân cấp nguồn dạng số trong ADE7753 cung cấp điện áp cho mạch số, yêu cầu duy trì ở mức 5V±5% để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định Để tăng cường hiệu suất, chân này nên được cách ly khỏi chân DGND bằng một tụ gốm 100nF.
Nguồn cấp analog cho mạch trong ADE7753 cần duy trì điện áp ổn định ở mức 5V±5% để đảm bảo hoạt động hiệu quả Để giảm thiểu nhiễu và gợn sóng, việc sử dụng bộ cách ly thích hợp là rất quan trọng.
Kênh dòng điện 4,5 V1P, V1N là đầu vào tương tự được sử dụng với bộ biến dòng, được gọi là kênh đo dòng điện Các đầu vào này có điện áp khác nhau, với các mức tín hiệu đầu vào tối đa là ±0,5 V, ±0,25 V, và ±0,125 V, tùy thuộc vào hệ số khuếch đại của khối PGA bên trong.
Kênh áp sử dụng biến áp với các đầu vào tương tự có biên điện áp tối đa là ±0,5V, cần chú ý đến nhiễu điện áp Các mức đầu vào áp lớn nhất có thể chọn là ±0,5V, ±0,25V và ±0,125V, tùy thuộc vào hệ số khuếch đại PGA được lựa chọn.
8 AGND Chân nối mass của nguồn cấp dùng cho các khổi biến đổi tương tự
Chân này cung cấp điện áp tham chiếu trên chip với giá trị danh định là 2,4 V ± 200 mV Ngoài ra, người dùng có thể kết nối nguồn tham chiếu bên ngoài vào chân này để tăng tính linh hoạt trong ứng dụng.
Trong cả hai trương hợp trên, chân này phải được cách ly với AGND bởi một tụ gốm 1μF
10 DGND Chân nối mass của nguồn cấp dùng cho các khối biến đổi biến đổi số
11 CF Đầu ra logic tần số, nó đưa ra thông tin về công suất hiệu dụng
12 ZX Đầu ra phát hiện điểm không ở kênh vào 2
13 SAG Đầu ra tích cực ở mức thấp khi không có điểm không nào được phát hiện, hoặc khi điện áp vào kênh 2 ở dưới mức đặt trước
14 IRQ Đầu ra báo có ngắt, đầu ra này sẽ tích cực ở mức thấp khi có bit trong thanh ghi cho phép ngắt được chọn
Xung nhịp chính đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp tín hiệu cho các ADC và khối xử lý số (DSP) Để đảm bảo hoạt động ổn định, xung nhịp bên ngoài thường được kết nối qua chân CLKIN, trong đó tinh thể thạch anh được lựa chọn để kết nối giữa CLKIN và CLKOUT Tần số xung nhịp tiêu chuẩn được sử dụng là 3,79545MHz.
Chân CLKOUT có thể điều khiển một tải CMOS khi xung nhịp bên ngoài được cung cấp tại CLKIN hoặc thạch anh được sử dụng
17 CS Chân chọn chip, tích cực mức thấp
18 SCLK Đầu vào xung nhịp của giao diện nối tiếp
Đầu ra dữ liệu nối tiếp 19 DOUT được truyền ra tại sườn lên của xung SCLK Trong trạng thái bình thường, đầu ra này thường ở trạng thái trở kháng cao, ngoại trừ khi truyền dữ liệu qua đường truyền nối tiếp.
20 DIN Đầu vào dữ liệu nối tiếp Dữ liệu được dịch vào ở chân này bởi sườn lên của xung clock
ADE7753 có bốn đầu vào tương tự được chia làm hai kênh: kênh dòng và kênh áp
Kênh dòng bao gồm hai cặp đầu vào điện áp V1N và V1P với mức chênh lệch tín hiệu tối đa ± 0,5 V Bằng cách sử dụng hai bit 0, 1 của thanh ghi hệ số khuếch đại, điện áp đầu vào tối đa của ADC có thể được điều chỉnh thành ± 0,5 V, ± 0,25 V, hoặc ± 0,125 V Cả hai kênh đều trang bị bộ khuếch đại lập trình được (PGA) với các hệ số khuếch đại lựa chọn là 1, 2, 4, 8 hoặc 16.
Hệ số khuếch đại của bộ hai PGA được lựa chọn bởi các bít khác nhau của thanh ghi hệ số khuếch đại (gain register)
Hình 3-6: Thanh ghi hệ số khuếch đại của kênh dòng và kênh áp
Bit 5, 6, 7 của thanh ghi cho phép thiết lập hệ số khuếch đại kênh dòng và bit
0, 1, 2 của thanh ghi cho phép đặt hệ số khuếch đại của kênh áp Bên cạnh đó, bít 3,
4 quy định giá điện áp vào lớn nhất đối với hai kênh này, tùy từng ứng dụng cụ thể mà giá trị bit 3, 4 được chọn là khác nhau
3.2.3.1 Nguyên tắc hoạt động của bộ ADC đo dòng (kênh 1)
Kênh một của ADE7753 là lối vào của cảm biến đo dòng
Hình 3-7: Dạng tín hiệu vào của kênh 1
Trong chế độ lấy mẫu sóng, đầu ra của ADC được lưu trữ trong thanh ghi dữ liệu 24 bit với tốc độ tối đa 27,9 ksps Khi tín hiệu đầu vào là ± 0,5 V, đầu ra ADC sẽ nằm trong khoảng từ 0xD7AE14 (-2.642.412) đến 0x2851EC (+2.642.412), như đã thể hiện trong hình.
Các giá trị lấy mẫu ở kênh dòng có thể được chuyển tới thanh ghi dạng sóng bằng việc đặt giá trị hai bít trong thanh ghi MODE[14:13] = 1,0
Cảm biến dòng phát hiện sự thay đổi từ trường do dòng điện xoay chiều, với cường độ từ trường tỷ lệ thuận với từ thông của dòng điện Sự biến đổi này tạo ra suất điện động giữa hai đầu vòng kín, tương ứng với vi phân của dòng điện Điện áp đầu ra từ bộ vi phân dòng phụ thuộc vào độ tự cảm giữa vật mang dòng và cảm biến Bộ tích phân khôi phục tín hiệu dòng điện từ tín hiệu di/dt; mặc định, bộ tích phân số ở kênh một không cho phép khi bật nguồn Khi bộ tích phân tắt, ADE có thể sử dụng trực tiếp với cảm biến dòng CT hoặc điện trở shunt có giá trị thấp.
3.2.3.2 Nguyên tắc hoạt động của bộ ADC đo điện áp (kênh 2)
Kênh 2 của ADE7753 dùng để đo điện áp
Hình 3-8: Bộ ADC và bộ xử lý tín hiệu kênh 2
Hình ảnh minh họa đường ADC và khối xử lý tín hiệu cho đầu vào kênh áp, cho phép đo năng lượng hiệu dụng và phản kháng Đầu ra của bộ nhân được kết nối trực tiếp tới ADC mà không cần qua bộ lọc, giúp giảm số bit mà bộ nhân phải xử lý và đảm bảo độ chính xác trong phép đo Hơn nữa, độ lệch của ADC trong tính toán công suất đã được loại bỏ nhờ bộ lọc thông cao của kênh dòng.
Giới thiệu về ACS712
ACS712 được sản xuất bởi công ty Allegro IC này có những tính năng nổi trội như:
- Đường dẫn tín hiệu tương tự có độ nhiễu thấp
- Băng thông của thiết bị được đặt bởi chân FILTER
- Thời gian đáp ứng cỡ 5 us
- Tổng sai số: 1,5 % ở nhiệt độ 25 0 C
- Độ nhạy từ 66 đến 185 mV/A Lối ra điện áp tỉ lệ với dòng điện xoay chiều và một chiều
- Hình thức đóng gói kiểu SOIC8
Hình 3-23: Sơ đồ nguyên lý và hình dạng vật lý của ACS712
ACS712 là một IC sử dụng hiệu ứng Hall để đo dòng điện Khi dòng điện chạy qua các chân 1, 2 đến chân 3, 4, nó sẽ tạo ra một từ trường, từ đó sinh ra điện áp tỉ lệ với dòng điện.
Nó được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điều khiển động cơ, xác định tải, bảo vệ quá dòng, hỗ trợ chuyển chế độ năng lượng
IC ACS712 có lối ra điện áp dương và hỗ trợ dòng điện cao gấp năm lần dòng điện quy ước nhờ vào việc tăng độ dày của vật dẫn Một trong những đặc tính nổi bật của ACS712 là công nghệ ổn định đỉnh (Chopper Stabilization), giúp giảm thiểu điện áp lệch tại chân Vout Độ lệch điện áp ở chân Vout phụ thuộc vào nhiệt độ và hiệu ứng nén trong quá trình đóng gói IC.
Công nghệ ổn định đỉnh hoạt động dựa trên quá trình điều chế và giải điều chế
Trong miền tần số, quá trình điều chế giúp tách các tín hiệu bị lệch do tác động của điện áp một chiều Tiếp theo, bộ lọc thông thấp được sử dụng để phân tách những tín hiệu này một cách hiệu quả.
Bảng 3-4 dưới đây mô tả độ nhạy của từng dòng ACS712 tương ứng
Bảng 3-4: Độ nhạy lối ra tương ứng với từng mã IC
Tên IC Nhiệt độ hoạt động Dải đo (A) Độ nhạy (mV/A)
Chức năng của tất cả các chân được mô tả trong bảng 3-5
Bảng 3-5: Mô tả chức năng từng chân của IC ACS712
1 và 2 IP+ Cực đo dòng
3 và 4 IP- Cực đo dòng
6 FILTER Thiết lập băng thông
7 VOUT Tính hiệu ra tương tự
8 VCC Điện áp nguồn nuôi
Theo hình 3-24, điện áp tại chân tín hiệu ra tương tự khoảng 2,5 V trong điều kiện nhiệt độ thường và không có dòng điện chạy qua ACS712
Hình 3-24: Sự phụ thuộc của điện áp tại chân Vout vào nhiệt độ T A
Hình 3-25: Sự phụ thuộc của điện áp tại chân Vout vào dòng điện Ip chạy qua
Điện áp lối ra tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện cần đo, như được thể hiện trong hình 3-25 Hình 3-26 mô tả độ nhạy của cảm biến ACS712 loại 20A, với độ nhạy trong dải nhiệt độ thường dao động từ 185 mV/A đến 186 mV/A.
Hình 3-26: Sự phụ thuộc của độ nhạy Sens vào nhiệt độ T A
THỰC NGHIỆM
Luận văn này tập trung vào việc “Thử nghiệm thiết kế thiết bị điều khiển giám sát dòng điện thông qua mạng GSM”, với mục tiêu đạt được sự ổn định và chính xác cao nhất cho thiết bị Tôi đã phát triển phần mềm giám sát trên máy tính để hỗ trợ kiểm tra kết quả đo kiểm phần cứng Dưới sự hướng dẫn của thầy giáo và qua quá trình nghiên cứu cá nhân, tôi đã chọn vi điều khiển dSPIC33FJ128MC804 làm vi xử lý trung tâm, kết hợp với các ngoại vi để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh.
Display module and storage device
Display module and storage device
Hình 4-1: Sơ đồ khối của thiết bị
Phần cứng của thiết bị bao gồm:
Current probe: Hỗ trợ cổng lối vào tương tự có khả năng ghép nối với các đầu kẹp dòng với độ phân giải tối thiểu 10mV/A
ADE7753, ADS712: Hai IC đo dòng này được thiết kế trên hai bản mạch mở rộng, có khả năng ghép nối vào bản mạch trung tâm
LM35: Cảm biến nhiệt độ
Keyboard: bàn phím gồm 4 phím, cho phép thiết lập một số thông số cơ bản của thiết bị.
CÁC BƯỚC THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ
Sơ đồ nguyên lý, mạch in
Khối nguồn này cung cấp các mức điện áp +3,3 V, +4,2 V và 5V cho toàn bộ linh kiện trong mạch, hỗ trợ điện áp nguồn vào dải rộng lên tới 60V và chịu được dòng tải lối ra tối đa 3 Ampe Các linh kiện trong khối nguồn bao gồm nhiều thành phần quan trọng.
- J1 là loại giắc cắm chuyên dụng dành cho nguồn điện một chiều Điện áp nguồn ngoài phải lớn hơn 7 V
- D1 chống cắm ngược nguồn ngoài
- POWER LED: báo nguồn với trở hạn dòng R1
- LM2576: IC ổn áp nguồn xung, thế lối ra được xác định bằng tỷ lệ phân áp giữa R29 và R30 IC này tạo nguồn +4,2 V để nuôi module GSM/GPRS
- LM7805: IC ổn áp tuyến tính tạo nguồn 5 V cho LCD16x2
- LM1117: IC ổn áp tuyến tính tạo nguồn 3,3 V cho dsPIC33
Hình 4-3: Khối cấp nguồn chính 4.1.1.2 Khối giao tiếp
Khối giao tiếp nối tiếp sử dụng chip MAX232
JP5 là một loại connector bao gồm các chân không dùng của vi điều khiển
Cho phép ghép nối, mở rộng thêm tính năng phần cứng
Hình 4-4: Khối truyền thông nối tiếp 4.1.1.3 Khối lưu trữ và hiển thị
Khối hiển thị sử dụng LCD 16x2 với điện áp hoạt động 5 V, do đó cần sử dụng IC 74LS07 để điều chỉnh mức điện áp điều khiển 3,3 V từ dsPIC33.
Hỗ trợ thẻ nhớ SD, giúp lưu lại các thông tin cấu hình cũng như các thông số trạng thái hoạt động của thiết bị
Hình 4-5: Khối hiển thị và lưu trữ 4.1.1.4 Khối nhập dữ liệu
Thiết kế tích hợp bàn phím rời gồm bốn phím, có tụ chống rung phím và đèn báo nguồn khi nó được ghép nối với bản mạch chính
Hình 4-6: Bàn phím 4.1.1.5 Khối giao tiếp GPRS/GSM
Khối này tích hợp modem GSM/GPRS SIM900, anten và đường điều khiển PWRKEY để khởi động SIM900 Ngoài ra, hai đèn LED hiển thị trạng thái kết nối mạng GSM và tình trạng của SIM900 cũng được bao gồm.
Hình 4-7: Khối giao tiếp GSM 4.1.1.6 Khối xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm bao gồm:
- Vi điều khiển dsPIC33FJ128MC804
- Mạch reset tích cực mức thấp
- Mạch tạo dao động ngoài gồm thạch anh 10 MHz và hai tụ lọc
- Giắc nạp ICSP và giắc ghép nối bàn phím rời
Sử dụng phần mềm Protel DXP 2004 để thiết kế mạch in hai lớp, với các linh kiện SMD được chọn nhằm giảm kích thước mạch (94 mm x 81 mm).
Hình 4-9: Sơ đồ mạch in của bản mạch đo dòng
Hai lớp của mạch in được thể hiện như hình dưới đây:
Hình 4-10: Mạch in xuất ra file PDF
Hình 4-11: Bản mạch sau khi đã lắp ráp các linh kiện hoàn chỉnh
Phần mềm điều khiển và giám sát
Hình 4-12: Giao diện chính của phần mềm giám sát
Phần mềm được viết dựa trên ngôn ngữ C# với giao diện đơn giản và thân thiện với người dùng
Các thành phần của giao diện chính (giao diện giám sát)
1 Thanh công cụ Gồm các thực đơn lựa chọn Các thực đơn này cho phép người quản lý đặt các thông số của phần mềm giám sát
2 Đồ thị Biểu diễn giá trị cường độ dòng điện đo được theo thời gian
Cửa sổ bắt sự kiện hiển thị tất cả các sự kiện kết nối và truyền nhận dữ liệu từ các thiết bị đo đến máy chủ, theo một định dạng được xác định rõ ràng như hình dưới đây.
Hình 4-13: Cấu trúc bản tin hiển thị trên phần mềm giám sát
CMD->SERVER: Bản tin từ thiết bị đo đến máy chủ
SERVER->CMD: Bản tin từ máy chủ đến thiết bị đo
Hình 4-14: Nội dung bản tin hiển thị trên phần mềm giám sát
Nội dung các bản tin được trích xuất từ bản tin gốc và bổ sung từ khóa gợi nhớ, giúp người giám sát dễ dàng phân tích sự kiện và hoạt động của toàn hệ thống Tất cả thông tin hiển thị sẽ tự động được lưu vào file Datacapture.txt theo chế độ mặc định Đường dẫn cho tệp này được thiết lập trong cửa sổ cấu hình của phần mềm điều khiển.
4 Cửa sổ lệnh Cho phép người dùng gửi các lệnh kiểm tra hoạt động của thiết bị
5 Cấu hình cổng nối tiếp Cho phép đặt các thông số của công nối tiếp như:
- COM: Lựa chọn cổng nối tiếp
- Baud rate: Lựa chọn tốc độ của cổng nối tiếp
- Data bit: Số bit dữ liệu
- Parity: Cấu hình bít chẵn lẻ
- Stop bit: Số lượng bit dừng
6 Các nút chức năng chính
- Connect: Kết nối với cổng COM sau khi đã đặt cấu hình ở mục 5
- Disconnect: Ngắt kết nối với cổng COM hiện tại
- Configure: Cho phép cấu hình chi tiết các thông số khác của phần mềm giám sát và thiết bị thu thập dữ liệu từ xa
- Exit: Thoát khỏi chương trình
4.2.2 Định dạng các bản tin
Trong hệ thống truyền thông, có nhiều loại bản tin khác nhau, tất cả đều tuân theo một định dạng chung Độ dài của từng bản tin phụ thuộc vào kết nối vật lý giữa hai thiết bị truyền thông.
Các kết nối vật lý trong hệ thống là:
- Kết nối thiết bị trực tiếp với PC qua cổng COM
- Kết nối thiết bị với máy chủ qua GPRS
- Kết nối thiết bị với thiết bị qua SMS Định dạng chung của các bản tin này là:
Bảng 4-1: Cấu trúc bản tin trong hệ thống
Vị trí Đồ dài Ví dụ Mô tả
Mã số bản tin: tăng dần theo quy luật gửi nhận Giá trị mặc định là “00000”
Mã số lớp ứng dụng: cho phép nhận dạng 26 ứng dụng chạy trên giao thức này
Giá trị mặc định là “A”
Mã chứng thực: mã này để xác nhận bản tin có hợp lệ hay không
Kiểu kết nối: hỗ trợ 9 kiểu kết nối lớp vật lý 0: COM, 1: SMS, 2: GPRS, Số khác: dự trữ
The article categorizes message types into five distinct categories: D for Demand messages, which request specific actions; R for Response messages, which provide replies to requests; U for Urgent messages, indicating immediate attention is required; E for Error messages, which report issues or faults; and N for Normal messages, which convey routine data.
Tổng số các tham số có trong nội dung lệnh
Length parameter 1 Độ dài phần dữ liệu của thông số thứ nhất
18 n “v-internet” Data parameter 1 18+n m “0902286587” Length parameter 1 18+n+ m p Data parameter 1
Tổng số byte của toàn bộ bản tin không quá 160 ký tự
Bản tin này cung cấp thông số của các đầu đo, được truyền về máy chủ hoặc người quản lý thông qua kết nối GSM hoặc trực tiếp qua cổng COM.
Mô tả : Bản tin này có hai chế độ :
Chế độ tự động cho phép thiết bị đo thực hiện quá trình thu thập dữ liệu một cách tự động, với khoảng thời gian định sẵn là 10 giây cho GPRS và 5 phút cho SMS.
- Chế độ không tự động :Khi có bản tin yêu cầu của máy chủ/người quản lý, thì thiết bị đo mới gửi bản tin phản hồi (response message)
Ví dụ: 00000 A 00000 1 N 01 02 D01,10 D02,99ABC Bản tin này được truyền qua SMS chứa hai giá trị đo: 01,10 và 02,99
Trong một bản tin SMS dài 160 ký tự, có thể truyền tối đa 24 giá trị dữ liệu với độ chính xác lên tới hai chữ số.
Bản tin này chứa các thông tin cấu hình của thiết bị Nó được gửi đi trong những trường hợp sau:
- Máy chủ gửi bản tin cấu hình đến thiết bị đo
- Thiết bị đo gửi bản tin cấu hình hiện tại của nó đến máy chủ khi nhận được bản tin yêu cầu từ máy chủ
Bản tin này sẽ được phát đi khi có sự thay đổi đột biến ở các đầu đo hoặc khi có tác động bên ngoài ảnh hưởng đến các thông số đã được cài đặt và vị trí lắp đặt thiết bị đo mà không có sự cho phép của người quản lý Ngoài ra, bản tin cũng được kích hoạt khi người dùng thực hiện thao tác ấn phím khẩn cấp trên thiết bị.
Các lỗi có thể phát sinh: mất nguồn, các đầu đo trả về không đúng giá trị, không kết nối được với máy chủ.
Kết quả kiểm tra tích hợp hệ thống và sai số
Kiểm tra nguồn và các kết nối vật lý
Cắm nguồn vào 12V một chiều bằng máy tạo nguồn chuẩn Kết quả đo bằng dao động ký cho thấy:
- Điện áp ở chân 2 của IC LM2576 đạt 4,18 V Đạt chuẩn hoạt động của SIM900 Độ gợn điện áp nguồn nhỏ hơn 0,1 V ở chế độ thường và 0,5 V ở chế độ gửi tin nhắn
- Điện áp ở chân lối ra của IC LM7805 đạt 5,03 V
- Điện áp ở chân lối ra của IC LM1117 đạt 3,27 V
Kiểm tra khối hiển thị và khối SIM900
Sử dụng phần mềm MPLAB 8.8 và bộ nạp Pickit 3 nạp chương trình cho dsPIC33
Màn hình LCD khi khởi động hiển thị các bước khởi tạo hệ thống Đèn báo hiệu mạng và trạng thái của SIM900 hoạt động bình thường
Kiểm tra giá trị các đầu đo
Kết nối thiết bị với máy tính qua cổng COM cho phép kiểm tra các khối ngoại vi như GSM, LCD, ADC Giao diện chương trình kiểm tra thiết bị khi kết nối với cổng COM được mô tả trong Hình 4-13, sử dụng phần mềm Hyper Terminal trên Windows XP Để kiểm tra cảm biến, người dùng nhập số 6, và chương trình sẽ tự động gửi giá trị đo được của hai kênh ADC từ 0 đến 4096, tương ứng với điện áp từ 0 đến 3,3 V Người dùng cũng có thể kiểm tra các ngoại vi khác bằng cách nhấn phím tương ứng.
Hình 4-13: Giao diện chương trình kiểm tra trên thiết bị
Hình 4-13 mô tả giao diện chương trình kiểm tra phần cứng được lập trình nhúng sẵn trong vi điều khiển
Tại thời điểm không có cảm biến, giá trị của hai kênh đầu vào ADC đang ở trạng thái hở mạch và không bằng không Điều này có thể dẫn đến việc các đầu vào ADC bị nhiễu hoặc việc xử lý điểm không chưa đạt yêu cầu.
Hình 4-14: Giao diện kiểm tra lối vào ADC
Bản mạch mở rộng sử dụng ACS712 cho phép điện áp lối ra đạt khoảng 2,5 V với nguồn nuôi 5 V Để kết nối với vi điều khiển dsPIC33 sử dụng nguồn 3,3 V, tôi đã áp dụng mạch nguyên lý được khuyến cáo trong tài liệu của ACS712 Việc sử dụng đi ốt D1 giúp giảm điện áp lối ra của ACS712, đảm bảo phù hợp với vi điều khiển dsPIC33 Kết quả là điện áp đo tại chân ADC giảm xuống khoảng 1,9 V.
Hình 4-15: Sơ đồ nguyên lý mạch ghép nối mạch mở rộng sử dụng ACS712
dsPIC33 được trang bị ADC 12 bít, cho phép đo chính xác với độ phân giải khoảng 1mV Dải đo của nó nằm trong khoảng từ 0 đến 3300 mV, tương ứng với các giá trị ADC từ 0 đến 4096.
Trong sơ đồ kiểm tra, tôi đã sử dụng hai kênh đo dòng để nâng cao độ chính xác của phép đo Mỗi kênh được thiết kế với mạch sử dụng ACS712, cho phép đo dòng tối đa lên tới một mức nhất định.
20 A, với độ phân giải 100 mV/A Như vậy với ADC của dsPIC33, ta chỉ có thể đo được dòng xoay chiều có giá trị lớn hơn 10 mA
Các bước tiền hành thực nghiệm:
- B1 Lắp đặt hệ thống thực nghiệm như hình 4-16
- B2: Đo các giá trị thế và dòng khi chưa cắm tải
- B3: Lần lượt thay các tải có dòng tiêu thụ khác nhau
Hình 4-16: Sơ đồ kiểm tra giá trị dòng chạy qua một thiết bị
Hình 4-17 mô tả giá trị hai kênh ADC mà vi điều khiển đo được khi ghép nối với ACS712 ở chế độ không có dòng điện chạy qua
Hình 4-17: Giá trị ADC khi không có dòng qua ACS712
Lần lượt sử dụng các tải là các thiết bị trong gia đình, ta có bảng số liệu sau:
Bảng 4-2 : Số liệu đo dòng với kênh 1 sử dụng ACS712 loại 20A (100mV/A)
Giá trị ADC khởi tạo
Giá trị ADC đo được
Giá trị dòng đo bằng ADC(mA)
Giá trị đo dòng bằng thiết bị đo chuẩn(mA)
Sai số tính theo phần trăm Đèn quả nhót 2447 2451 40 45 5 12.50% Đèn 40W 2447 2465 180 186 6 3.33% Đèn 60W 2447 2474 270 276 6 2.22% Đèn 40W + 60W 2447 2490 430 438 8 1.86% Đèn 75W 2457 2488 310 316 6 1.94% Đèn 40W+
Bảng 4-3: Số liệu đo dòng với kênh 2 sử dụng ACS712 loại 20A (100 mV/A)
Giá trị ADC khởi tạo
Giá trị ADC đo được
Giá trị dòng đo bằng ADC(mA)
Giá trị đo dòng bằng thiết bị đo chuẩn(mA)
Sai số tính theo phần trăm Đèn quả nhót 2460 2464 40 43 3 7.50% Đèn 40W 2461 2479 180 188 8 4.44% Đèn 60W 2461 2489 280 284 4 1.43% Đèn 40W + 60W 2458 2505 470 471 1 0.21% Đèn 75W 2456 2489 330 332 2 0.61% Đèn 40W+
Bảng 4-4 : Số liệu đo dòng với kênh 2 sử dụng ACS712 loại 5A (66mV/A)
Giá trị ADC khởi tạo
Giá trị ADC đo được
Giá trị dòng đo bằng ADC(mA)
Giá trị đo dòng bằng thiết bị đo chuẩn(mA)
Sai số tính theo phần trăm Đèn quả nhót 1910 1914 40 42 2 5.00% Đèn 40W 1906 1924 180 183 3 1.67% Đèn 60W 1910 1937 270 274 4 1.48% Đèn 40W + 1910 1955 450 459 9 2.00%
Qua các bảng số liệu ta thấy, giá trị dòng điện xoay chiều đo được với ACS712 có sai số không quá 12%
Hình 4-18: Biểu đồ dòng tiêu thụ của bàn là được gửi qua mạng GSM
Hình4-19: Biểu đồ dòng điện tiêu thụ của bóng đèn 200W
Hình 4-20: Biểu đồ dòng điện tiêu thụ của bóng đèn 40W và 60W
Hình 4-21: Biểu đồ dòng điện tiêu thụ khi lắp lần lượt các tải
Hình 4-21 mô tả sự thay đổi cường độ dòng khi thay lần lượt các tải là bóng đèn 60W, 200W và bàn là
Tất cả các giá trị ADC trong bảng số liệu và hình vẽ được chuyển đổi sang giá trị dòng điện đo được thông qua một công thức đơn giản.
(Giá trị ADC đo được – Giá trị ADC khởi tạo) x 3300 ÷ (4096 x Độ phân giải của cảm biến đo dòng)
Với thế nguồn nuôi 3300 mV và ADC 12 bít cho độ phân giải 4096 mức.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Những vấn đề đã giải quyết và nghiên cứu được
Sau quá trình thực hiện luận văn, tôi đã tìm hiểu và giải quyết được những vấn đề là:
Tìm hiểu về cấu trúc phần cứng và lập trình điều khiển vi điều khiển tốc độ cao giúp xây dựng hệ thống đo dòng điện xoay chiều với độ chính xác dưới 12% trong thời gian dài.
Khám phá các phương pháp đo dòng điện xoay chiều hiệu quả Sử dụng các IC chuyên dụng như ADE7753 và ACS712 để đo lường các thông số dòng điện Đo được giá trị dòng điện xoay chiều trong khoảng thời gian dài, đảm bảo độ chính xác và tin cậy trong các ứng dụng thực tế.
Tìm hiểu cách lập trình giao tiếp với modem GSM/GPRS SIM900 thông qua tập lệnh AT, giúp bạn truyền và nhận dữ liệu đo lường về máy chủ bằng SMS một cách hiệu quả.
Dựa trên kiến thức đã nghiên cứu, tôi đã xây dựng một hệ thống đo dòng điện bao gồm cả phần cứng và phần mềm quản lý, với nhiều tính năng nổi bật.
+ Thiết bị cho phép nguồn nuôi có điện áp vào dải rộng, lên tới 60 V
+ Có các linh kiện bảo vệ thiết bị khi người dùng cắm ngược nguồn
+ Phần cứng có hỗ trợ đầy đủ các chức năng hiển thị và lưu trữ
+ Nhờ việc tích hợp các giao thức truyền thông công nghiệp, 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
+ Phần cứng linh hoạt, có khả năng mở rộng thêm chức năng để phù hợp với từng ứng dụng cụ thể
Hệ thống hỗ trợ hạ tầng mạng viễn thông tiên tiến, cho phép điều khiển hiệu quả quá trình truyền nhận dữ liệu qua mạng GSM Điều này giúp thiết bị dễ dàng triển khai rộng rãi trong khu vực có sóng GSM.
Phần mềm này nổi bật với giao diện đơn giản, trực quan và thân thiện với người dùng Điều này được thể hiện qua cách bố trí hợp lý các nút chức năng, hiển thị đồ thị giá trị dòng theo thời gian và cửa sổ bắt sự kiện một cách rõ ràng.
+ Phần mềm cũng hỗ trợ đặt thông số cho các thiết bị từ xa bằng việc gửi lệnh qua cửa sổ lệnh
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
Sử dụng nhiều đầu đo để lấy giá trị trung bình giúp cải thiện độ chính xác Mỗi đầu đo sẽ được tích hợp phần mềm lọc nhiễu ADC, cho phép lấy nhiều mẫu và tính trung bình Bộ lọc thông thấp bậc ba với một nghìn mẫu đầu vào sẽ được áp dụng để tối ưu hóa kết quả.
Bảo mật dữ liệu và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu
- Mạng GSM không ổn định Làm mất gói tin trong quá trình kết nối
- Dữ liệu được gửi đi dưới dạng văn bản
- 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, bù ký tự
- Chèn thêm thông tin về tính CRC, checksum v v…
Đề tài đã xây dựng nền tảng giám sát và truyền dữ liệu điện năng qua mạng di động Trong tương lai, cần tối ưu hóa phần cứng, giảm sai số đo lường và loại bỏ các chức năng không cần thiết để hạ giá thành sản phẩm Sản phẩm cũng phải tương thích với các hạ tầng mạng tiên tiến như GPRS/3G, đảm bảo tốc độ truyền nhanh và giảm thiểu mất dữ liệu với chi phí hợp lý hơn.
Giải pháp này, khi hoàn thiện, sẽ thay thế các phương pháp ghi số liệu điện năng truyền thống và tạo ra một cơ sở dữ liệu lớn, hỗ trợ phát triển các dịch vụ giá trị gia tăng khác.
Phần mềm quản lý cần được phát triển thành ứng dụng web hoặc hỗ trợ trên các nền tảng di động như Android và Windows Mobile, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng tiếp cận và sử dụng Bên cạnh đó, phần mềm sẽ được tích hợp các tính năng mới, bao gồm dự đoán công suất tiêu thụ và cung cấp giải pháp tiết kiệm điện cá nhân hóa dựa trên thói quen sử dụng của từng khách hàng Tại Việt Nam, trong bối cảnh sản lượng điện từ các nhà máy chưa đáp ứng đủ nhu cầu, hệ thống này sẽ giúp giảm thiểu chi phí nhập khẩu hàng tỷ kWh từ nước ngoài, góp phần tiết kiệm ngân sách quốc gia.