Điều khiển thiết bị qua đường dây điện (mạng điện 220VAC)

Trong bối cảnh như vậy, việc không dùng thêm bất cứ loại dây dẫn nào khác mà sử dụng dây điện hiện có để đưa các tín hiệu và dữ liệu tốc độ cao đến từng căn nhà làđiều hữu ích.. Ích lợi

Mục lục

Giới thiệu 2

Nghiên cứu lý thuyết 4

Nội dung chính 23

Kế hoạch thực hiện đề tài 31

Kết luận và hướng phát triển 32

Phụ lục 33

Tài liệu tham khảo 36

Giới thiệu

1.1 Đặt vấn đề

Trong thời đại công nghệ thông tin hiện nay, những nhu cầu về gửi âm thanh, hìnhảnh, tiếng nói và dữ liệu internet đưa đến từng căn nhà, văn phòng hoặc những tòa nhàkhác ngày càng tăng cao Tuy nhiên việc lắp đặt dây dẫn phục vụ cho nhu cầu này ngàycàng đắt, mất thời gian và nhiều khi gây rối trong quá trình sử dụng

Trong bối cảnh như vậy, việc không dùng thêm bất cứ loại dây dẫn nào khác mà

sử dụng dây điện hiện có để đưa các tín hiệu và dữ liệu tốc độ cao đến từng căn nhà làđiều hữu ích Hệ thống đường dây điện thoại và đường dây điện lực là những hệ thốngtiêu biểu để có thể áp dụng công nghệ “không thêm dây dẫn”

Ích lợi của việc sử dụng đường dây điện để truyền tải tín hiệu điều khiển chính làtrong mỗi hộ gia đình hoặc trong mỗi tòa nhà đều có các thiết bị điện được kết nối vớimạng lưới điện

Trong hầu hết các trường hợp thì việc này sẽ được thực hiện một cách dễ dàng hơn

và rẻ hơn so với việc sử dụng đường dây riêng hoặc sử dụng vô tuyến Hiện nay trên thế giới cũng đã có nhiều các giải pháp gắn với nhiều công nghệ và giải thuật trong lĩnh vực quản lý các thiết bị điện đang được nghiên cứu và ứng dụng nhanh chóng vào lĩnh vực công nghiệp, thương mại và dân dụng Tuy nhiên ở nước ta việc quản lý các thiết bị điện bằng các giải pháp kết hợp phần cứng, chương trình phần mềm và giao diện điều khiển thân thiện vẫn chưa được ứng dụng nhiều trong thực tế

Phương pháp nghiên cứu và thực hiện đề tài: từ kiến thức sẵn có, tham khảo tài liệu trongthư viện, trên mạng và quan trọng nhất là sự hướng dẫn của GVHD thực hiện đề tài.Với phương pháp và mục đích trên, đề tài hoàn toàn có tính ứng dụng thực tiễn cũng như tính khả thi cao

Chương 1: Giới thiệu

1.2 Tìm hiểu đề tài

Nhóm đã tìm hiểu nhiều nguồn trên internet và các khóa đi trước thì thấy rằng đề tài này đã có nhiều nhóm thực hiện , qua đó nhóm đã đúc kết được một số kiến thức cũngnhư rút được nhiều kinh nghiệm

Trong hệ thống truyền thong tin qua đường dây điện, đường dây điện được sử dụng không chỉ để truyền tải năng lượng mà còn được dùng như một môi trường truyền

dữ liệu Mạng sử dụng đường dây điện cho phép người sử dụng đầu cuối hoặc khách hang có thể sử dụng hệ thống thống dây điện sẵn có để nối những trang thiết bị ở nhà với nhau hoặc với Internet Mạng này có thể điều khiển tất cả các thiết bị cắm vào ngõ ra AC.Thiết bị bao gồm: đèn, quạt, tivi, điều hòa nhiệt độ và nhiều loại khác

1.3 Mục tiêu chính của đề tài

Trong đề tài này mục tiêu chính là khảo sát và nghiên cứu công nghệ truyền dẫn

sử dụng mạng điện lực (Power Line Communication):

• Nghiên cứu giải pháp quản lý thiết bị điện qua mạng điện hạ thế

• Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị chiếu sáng

• Thiết kế giao diện tương thích điều khiển thiết bị

• Đánh giá hiệu quả sử dụng thực tế của hệ thống.

Nghiên cứu lý thuyết

1.4 Truyền bất đồng bộ (Asynchronous Transmission)

• Đặc điểm: Phương pháp truyền này cần: một bit start (0) tại đầu bản tin, một hoặc nhiều bit stop (1) ở cuối bản tin và tồn tại khoảng trống giữa các byte

• Chú ý: Không đồng bộ ở đây được hiểu là không đồng bộ ở cấp độ byte, nhưng vẫn đồng bộ ở từng bit, do chúng có khoảng thời gian giống nhau

• Ví dụ:

Hình 1: Truyền bất đồng bộ (1)

• Hiệu suất truyền = số bit dữ liệu / tổng số bit truyền Ví dụ: dữ liệu truyền 8 bit, suy ra hiệu suất truyền là: 8/10 = 0,8

• Ưu điểm: Đơn giản, chi phí truyền thấp, hiệu quả tương đối cao

• Khuyết điểm: Do Tồn tại các bit start và bit stop, khoảng trống dẫn đến thời

gian truyền chậm

• Phương thức này là một chọn lựa tối ưu trường hợp truyền với tốc độ thấp Ví dụ: quá trình truyền dữ liệu giữa bàn phím và máy tính, theo đó người dùng chỉ gởi một lần một ký tự, và thường để lại những khoảng thời gian trống đáng kể giữa hailần truyền

1.5 Truyền thông nối tiếp RS-232

Việc trao đổi dữ liệu qua cổng nối tiếp trong các trường hợp thông thường đều qua đường dẫn truyền nối tiếp TxD và đường dẫn nhận nối tiếp RxD Tất cả các đường dẫn còn lại có chức năng phụ trợ khi cần thiết và khi điều khiển các đường truyền dữ liệu.Đặc trưng về điện của đường truyền đã được khẳng định trong tiêu chuẩn RS232 Trạng thái LOW tương ứng với mức điện áp từ +3V đến +12V, còn trạng thái HIGH tương ứng với mức điện áp tử -3V đến -12V Tất cả các lối ra đều có đặc tính chống chậpChương 1: Giới thiệu

mạch và có thể cung cấp dòng điện từ 10mA đến 20mA Giữa hai điện áp chuyển mạch (mức logic 0 và logic 1) sẽ có một khoảng thời gian trễ.

Ở trạng thái tĩnh, trên đường dẫn có điện áp -12V Một bit khởi động (bit START)

sẽ mở đầu cho việc truyền dữ liệu bằng cách đặt điện áp -12V lên +12V Tiếp đó là các bit dữ liệu riêng lẻ, trong đó có những bit thấp (bit 0) sẽ được gửi đến trước Số bit dữ liệu có thể thay đổi từ 5 đến 8 bit Ở cuối dòng dữ liệu là một bit dừng (bit STOP) để đặt trạng thái lối ra trở về -12V Ngoài ra trước khi đặt bit Stop UART còn có thể đính kèm bit Parity (kiểm tra chẵn lẻ), thao tác này được thiết lập bằng lập trình

1.6 Phương pháp điều chế tín hiệu số - tương tự FSK (điều chế tần số)

• Phương pháp điều chế tần số (FSK: Frequency Shift Keying)

• Nguyên lý hoạt động của phương pháp điều chế FSK:

Trong phương pháp này, tần số của tín hiệu sóng mang thay đổi để biểu diễn các bit 1 và 0, trong khi biên độ và góc pha được giữ không thay đổi Do máy thu chỉ quan tâm đến yếu tố thay đổi tần số trong một chu kỳ, nên bỏ qua được các nhiễu điện

áp Yếu tố giới hạn lên FSK là khả năng vật lý của sóng mang

• Dạng sóng của phương pháp điều chế FSK:

Hình 2: Dạng sóng FSK (1)

• Băng thông của FSK:

Do FSK dịch chuyển giữa hai tần số sóng mang, nên cũng đơn giản trong phân tích chúng như hai tần số cùng tồn tại Băng thông cần thiết để truyền dẫn FSK chính

là tốc độ baud của tín hiệu cộng với độ dịch tần số (sai biệt giữa hai tần số sóng mang)

BW = f C2 – f C1 + R baud

fC1, fC2: hai tần số sóng mang trong phương pháp FSK

Rbaud: tốc độ baud: số đơn vị tín hiệu trong mỗi giâyTuy chỉ có hai tần số sóng mang, nhưng quá trình điều chế cũng tạo ra tín hiệu hỗnhợp là tổ hợp của nhiều tín hiệu đơn giản, với các tần số khác nhau

1.7 Tổn hao đường truyền (Transmission Impairment)

Trong đề tài này nhóm chỉ thực hiện trong phạm vi truyền ngắn (trong hộ gia đình,phòng làm việc) nên yếu tố tổn hao đường truyền là không đáng kể, cùng với việc sử dụng Modem PLC (Power Line Communication) có tần số điều chế sóng mang mặc định

là 60KHZ cũng tránh được tần số của mạng điện xoay chiều (50HZ – 60HZ) Sau đây nhóm cũng sẽ trình bày sơ lược qua một số dạng tổn hao đường truyền: có 3 dạng tổn hao: suy giảm, méo dạng, nhiễu:

Chương 1: Giới thiệu

Hình 3: Băng thông FSK (1)

 Suy giảm (Attenuation):

• Là thất thoát năng lượng

• Để bù suy hao, dùng bộ khuếch đại tín hiệu

Hình 4: Suy giảm tín hiệu (1)

 Méo dạng (Distorsion):

• Là tín hiệu bị thay đổi hình dạng

• Tín hiệu hỗn hợp, tạo nên từ nhiều tín hiệu tần số khác nhau

• Mỗi tần số có tốc độ truyền khác nhau trong môi trường, nên tín hiệu tại điểm thu khi tổng hợp lại bị méo

phát chuyển đi Khắc phục: dùng máy điều hoà

 Nhiễu cảm ứng: do động cơ hay thiết bị điện, khi đó các thiết bị này hoạt động giống như một anten và môi trường đóng vai trò bộ thu sóng Khắc phục: không dùng các thiết bị tạo điện từ trường trong lúc truyền số liệu

 Nhiễu xuyên kênh: ảnh hưởng của một dây dẫn lên dây khác Một dây đóng vai trò anten và dây còn lại là bộ thu sóng Khắc phục: dùng dây chống nhiễu như cáp STP

 Nhiễu xung: Do các thiết bị công suất, tia chớp… Khắc phục: dùng chống sét, không đóng ngắt các thiết điện trong phòng truyền số liệu

Hình 6: Tín hiệu bị nhiễu (1)

Máy tính chủ (máy tính điều khiển trung tâm): là máy tính quản lý điều khiển việc đóng cắt các thiết bị trong hệ thống Phần mềm điều khiển được cài trên máy tính Máy tính sẽ giao tiếp với các phần khác trong hệ thống thông qua module USB to Serial để gửithông tin điều khiển (truyền thông nối tiếp)

Chương 1: Giới thiệu

1.9 Khối chuyển mức logic

Module USB to Serial:

Chức năng các chân:

3.3V Ngõ ra điện áp 3.3VTXD Chân truyền dữ liệuRXD Chân nhận dữ liệu

Bảng 1: Chức năng các chân module USB to Serial Hình 7: Module USB to Serial (2)

1.10 PLC Modem chính

PLC Modem chính (bộ phát): là thiết bị nhận lệnh điều khiển từ máy tính và cung cấp thông tin đến PLC Modem phụ Mọi dữ liệu sẽ được gửi lên dây dẫn điện trong mạngđiện 220V Trong đề tài này nhóm sử dụng 2 PLC BWP09 Demo V1.0 cho modem chính

và phụ

PLC BWP09 Demo V1.0 có nhiệm vụ điều chế tín hiệu đưa lên mạng điện và giải điều chế tín hiệu từ mạng điện đưa vào vi điều khiển, tất cả đều làm việc thông qua truyền thông nối tiếp chuẩn RS232

Hình 8: Modem PLC BWP09 Demo V1.0 (3)

Một số đặc điểm cơ bản của PLC BWP09 Demo V1.0:

• Nguồn làm việc: 9 - 16V

• Tần số sóng mang: 60KHZ (có thể điều chỉnh từ 45KHZ – 370KHZ)

• Chuẩn giao tiếp: TTL

Chương 1: Giới thiệu

Sử dụng vi điều khiển AT89C51, giao tiếp trực tiếp với PLC Modem phụ để nhận lệnh và điều khiển đóng mở đèn.

Vi điều khiển AT89C51:

Hình 9: Vi điều khiển AT89C51 (2)

Các đặc điểm chính:

• 4 KB PEROM

• 8 KB Flash RAM

• bộ Timer/Counter 16 bit

• 128 Byte RAM nội

• 4 port xuất/nhập (I/O) 8 bit

• Giao tiếp nối tiếp

• 64 Kb vùng nhớ mã ngoài

• 64 Kb vùng nhớ dữ liệu ngoại giao tiếp với bộ nhớ mở rộng

• Xử lý Boolean (hoạt động trên bit đơn)

• 210 vị trí nhớ có thể định vị bit

Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51:

Hình 10: Sơ đồ chân VĐK AT89C51 (3)

Chương 1: Giới thiệu

Chức năng các chân vi điều khiển AT89C51:

Chân 18, 19 (XTAL1 và XTAL2) cấp xung đồng hồ ngoài để chạy

Access)

Cổng P0 (chân 32 – chân 39) Các chân dữ liệu/địa chỉ

Cổng P1 (chân 1 – chân 8) Các chân dữ liệu

Cổng P2 (chân 21 – chân 28) Các chân dữ liệu

Cổng P3 (chân 10– chân 17) Các chân dữ liệu/và chưc năng khác

Bảng 3: Chức năng các chân VĐK AT89C51

1.13 Khối điều khiển công suất

Nhận tín hiệu điều khiển từ khối giao tiếp và điều khiển công suất phát trên thiết

bị Sử dụng opto MOC3020, triac BT134

 Opto MOC3020: Opto hay còn gọi là cách ly quang là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm 1 led và 1 photo diot hay 1 photo transistor Được sử dụng để cách

ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện hay công suất như khối có công suất nhỏ với khối điện áp lớn

Hình 11: Opto MOC3020 (2)

• Sơ đồ chân, sơ đồ cấu tạo của opto MOC3020:

• Sơ đồ kết nối opto MOC:

Chương 1: Giới thiệu

Hình 12: Sơ đồ chân và sơ đồ cấu tạo của Opto MOC3020 (5)

Hình 13: Sơ đồ kết nối Opto MOC3020 (5)

• Chức năng các chân của opto MOC3020:

Chân số 1 Ngõ nối với cực A của diode bên trong opto MOC, đây là chân đầu vào của opto

opto MOC, đây là chân đầu vào của optoChân số 3 Không có kết nối bên trong, chân này không sử dụngChân số 4

Ngõ nối với một đầu của phototransistor bên trong opto MOC, đây là chân đầu cuối của opto

• Các thông tin cần biết về triac khi sử dụng:

-Điện áp phân cực thuận và nghịch

• Đầu T2 dương hơn T1, để triac dẫn điện ta kích dòng cổng dương và khi đầu T2 âm hơn T1 ta có thể kích dòng cổng âm.

• Sơ đồ chân, sơ đồ cấu tạo, chức năng các chân của triac:

1 T1 Chân đầu cuối 1

2 T2 Chân đầu cuối 2

3 G Chân cổng, nhận xung để hoạt động

Bảng 5: Chức năng các chân Triac

Chương 1: Giới thiệu

Hình 14: Triac BT134 (3)

1.14 Khối hiển thị dữ liệu gửi nhận

LCD 16x2:

• Sơ đồ chân LCD 16x2:

• Bảng chức năng LCD:

1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển

2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với

Hình 15: LCD 16x2 (2)

Hình 16: Sơ đồ chân LCD 16x2 (2)

3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD.

Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi

+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế

độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)

+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD

5 R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ

đọc

Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E.+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E

DB0-+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp

1.15 Lập trình vi điều khiển

 Lưu đồ giải thuật bên nhận:

Chương 1: Giới thiệu

Hình 17: Lưu đồ giải thuật VĐK bên truyền

Hình 18: Lưu đồ giải thuật VĐK bên nhận

1.16 Lập trình giao diện giao tiếp trên máy tính

 Lưu đồ giải thuật:

Hình 19: Lưu đồ giải thuật giao diện máy tính

 Giao diện:

1.17 Các phần mềm hỗ trợ

• Proteus: là phần mềm chuyên dụng để mô phỏng, thiết kế mạch cũng như vẽ sơ

đồ mạch in

• Keil C: là phần mềm viết code lập trình nạp cho vi điều khiển

• Visual C#: là phần mềm thiết kế giao diện windows trên máy tính

Chương 1: Giới thiệu

Hình 20: Giao diện điều khiển trên máy tính

Nội dung chính

1.18 Các yêu cầu của hệ thống

• Chỉ thiết kế và thi công hệ thống để điều khiển sáng tắt thiết bị chiếu sáng sử dụngcông nghệ PLC (điều khiển 2 bóng đèn)

• Hiển thị trạng thái làm việc của thiết bị chiếu sáng

• Chỉ điều khiển và quan sát các thiết bị khi máy tính hoạt động liên tục trong ngày

1.20 Sơ đồ nguyên lý

 Sơ đồ tổng quát:

Chương 1: Giới thiệu

Hình 22: Sơ đồ nguyên lý tổng quát hệ thống

 Sơ đồ bên truyền:

 Sơ đồ bên nhận:

Hình 23: Sơ đồ nguyên lý phía truyền Hình 24: Sơ đồ nguyên lý phía nhận

 Nguyên lý hoạt động:

Khi thao tác điều khiển trên giao diện máy tính Dữ liệu từ máy tính sẽ được gửi đến khối chuyển mức logic (module USB to Serial) để chuyển sang chuẩn điện áp TTL Tín hiệu ra từ chân TX của module USB to Serial sẽ truyền đến chân RX của modem PLC truyền

Modem PLC truyền: dữ liệu từ khối chuyển mức logic được nhận tại chân RX và modem PLC làm nhiệm vụ điều chế FSK tín hiệu vừa nhận được với tần số điều chế sóngmang là 60KHZ, sau đó ghép kênh với mạng điện lực

Modem PLC nhận: nhận dữ liệu từ mạng điện lực sau đó thực hiện lọc loại bỏ nhiễu, giải điều chế và đưa đến khối giao tiếp

Chương 1: Giới thiệu

Hình 25: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển công suất

Khối giao tiếp: tín hiệu nhận được từ chân RX của vi điều khiển, sau đó vi điều khiển xử lý và xuất tín hiệu truyền đến điều khiển khối công suất.

Khối công suất: tín hiệu từ vi điều khiển sẽ làm cho transistor ngắt hoặc dẫn do đó kích triac đóng mở đèn sáng hoặc tắt

1.21 Sơ đồ thi công

 Sơ đồ mạch in bên truyền:

Hình 26: Sơ đồ mạch in phía truyền

 Sơ đồ mạch in bên nhận:

Chương 1: Giới thiệu

Hình 27: Sơ đồ mạch in phía nhận

 Sơ đồ mạch in khối điều khiển công suất:

Hình 28: Sơ đồ mạch in khối công suất

1.22 Sản phẩm

Hình 29: Sản phẩm thi công

Chương 1: Giới thiệu

Hình 30: Modem PLC trong sản phẩm

Kế hoạch thực hiện đề tài

1/7 Nhận đề tài

2-3/7 Soạn đề cương

4-9/7 Nghiên cứu lý thuyết

10-16/7 Nghiên cứu lý thuyết, vẽ Schematic

17-23/7 Vẽ layout, mua linh kiện, thi công mạch

24-30/7 Thi công, chỉnh sửa mạch

1-7/8 Thi công, chỉnh sửa mạch

8 – 14/8 Viết báo cáo

Bảng 7: Kế hoạch thực hiện đề tài