THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN HIỆU QUẢ TIẾT KIỆM

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN HIỆU QUẢ TIẾT KIỆM DESIGN OF AN EFFECTIVE POWER CONSUMPTION SYSTEM Phạm Tỷ Phú Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh TÓM TẮT Tiết kiệm điện sử dụng điện cách hiệu Nhiều nghiên cứu thực để cải tiến thiết bị điện Giảm lượng tiêu thụ thiết bị giảm mức ngân sách trả, đồng thời giảm lượng CO2 thải vào bầu quyển.Trong đề tai này, hệ thống điều khiển thiết bị điện tự động áp dụng Hệ thống điều khiển thiết bị điện phòng thực hành nhà D Hệ thống dựa vào cảm biến PIR (cảm biến hồng ngoại thụ động), cảm biến nhiệt độ chip đếm thời gian thực để thực thiết lập chế độ hoạt động Các chế động hoạt động thiết lập dựa vào lịch làm việc phòng ngày Hệ thống áp dụng phòng D501 đạt yêu cầu đề Từ khóa: tiết kiệm điện, điều khiển thiết bị ABSTRACT Save energy use, sometimes simply called energy efficiency, is the goal to reduce the amount of energy required to provide products and services Many studies have been done to improve the electrical equipment Reduces energy costs and may result in a financial cost saving to consumers and a solution to the problem of reducing carbon dioxide emissions In this study, a device control system was applied The control system was applied for the practice room of the building D The system based on the sensor PIR (passive infrared sensor), the temperature sensor and Real Time IC to install the oparation The operating mode is set up based on the schedule of each day The system has been applied in room D501 has set requirements Keywords: save energy, control device I TỔNG QUAN Các điều khiển trang bị nhà để điều khiển tất thiết thiết bị ngày phổ biến, sản phẩm thương mại Các nhà sử dụng thiết bị điều khiển gọi ngắn gọn nhà thông minh Nhà thông minh (smart home) kiểu nhà lắp đặt thiết bị điện, điện tử điều khiển tự động hoá hoàn toàn bán tự động, thay người việc thực số thao tác quản lý, điều khiển Ngày nay, xã hội đại, khoa học kỹ thuật phát triển sống người đầy đủ tiện nghi việc ứng dụng tự động hóa rộng rãi Trong nhà thông minh, đồ dùng nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet gắn điều khiển điện tử kết nối với Internet điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa lập trình cho thiết bị nhà hoạt động theo yêu cầu Thêm vào đó, đồ gia dụng hiểu ngôn ngữ có khả tương tác với Tuy nhiên, có điều nhận thấy giải pháp quản lý nhà thông minh tòa nhà thông minh tập đoàn lớn hay doanh nghiệp nhỏ cung cấp phụ thuộc nhiều vào chất lượng dịch vụ viễn thông, bao gồm mạng điện thoại mạng Internet tốc độ cao Đối với nhà thông minh ngày phát triển ứng dụng nhiều công nghệ để điều khiển nhằm mang lại hiệu tiện nghi, đại cho người, phòng học, phòng thí nghiệm, phòng thực hành, phòng làm việc cán công sở với thiết bị sử dụng không nhiều khác với thiệt bị sử dụng nhà cần có giải pháp quản lý điều khiển nhầm đem lại hiệu tiết kiệm tránh lãng phí nội dung nghiên cứu đề tài.Thiết bị điều khiển mà nhóm nghiên cứu thực gần giống thiết bị điều khiển nhà thông minh, nhiên đối tượng phục vụ khác Nhà thông minh sử dụng thiết bị điều khiển quản lý thiết bị dùng điện ứng dụng nhiều giới năm gần xuất nhiều Việt Nam Ví dụ Triển lãm thành tựu kinh tế - xã hội Việt Nam Thăng Long - Hà Nội 2010, Bkav giới thiệu Hệ thống nhà thông minh SmartHome hoàn toàn kỹ sư chuyên gia Công ty đầu tư phát triển công nghệ nhà thông minh Bkav SmartHome nghiên cứu sản xuất Trường ĐH Công nghệ thành công với đề tài nghiên cứu nhà thông minh thuộc gần hội thảo Giải pháp nhà thông minh Công ty Cổ phần Biển Bạc phối hợp với đối tác tổ chức Hà Nội thu hút đông đảo khách quan tâm tham dự Sản phẩm điều khiển cho nhà thông minh thương mại nhiên Việt Nam hạn chế, phổ biến gia đình có khả tài chánh tốt Trở lại với thiết bị nhóm nghiên cứu phục vụ cho phòng học, phòng thí nghiệm, phòng thực hành, văn phòng làm việc chưa có thiết bị điều khiển phù hợp với thiết bị sử dụng phòng làm việc nhầm mục đích sử dụng thiết bị điện hiệu tiết kiệm Giải pháp chống lãng phí hiệu mà nhóm lựa chọn thiết bị điều khiển tự động tắt thiết không sử dụng Nội dung nghiên cứu chia làm phần: phần thu thập liệu phòng thực hành, phòng làm việc nhà D, từ xây dựng yêu cầu, phần thiết kế lập trình cho điều khiển phần cuối trình bày kết nghiên cứu II THU THẬP DỮ LIỆU Mục đích đề tài thiết kế điều khiển để quản lý điều khiển đèn quạt máy lạnh phòng thực hành, phòng thí nghiệm văn phòng làm việc cán quản lý nhằm tắt thiết bị hết làm việc hay người phòng để tránh lãng phí điện kéo dài tuổi thọ hoạt động thiết bị Tuy nhiên sản phẩm sau nghiên cứu phải đáp ứng yêu cầu thực tế nên nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát phòng thực hành, phòng thí nghiệm văn phòng làm việc nhà D trường đại học Sư phạm Kỹ thuật khoa Điện – Điện tử.Toà nhà D có tầng phục vụ cho khoa Điện – Điện tử sử dụng để làm phòng thực hành điện tử bản, phòng thực hành kỹ thuật số, phòng thực hành thiết kế vi mạch, thực hành điện tử công suất, thực hành máy tính, thực hành viễn thông, … Ngoài phòng thực hành có văn phòng cho ban chủ nhiệm khoa thư ký khoa Các phòng thực hành có nhiều kích khác chia làm kích thước trang bị với thiết bị Bảng Bảng Kích thước trang thiết bị phòng thực hành Số Thiết bị Kích thước phòng (m2) Quạt Đèn 50 75 16 100 24 125 32 STT Có phòng trang bị máy lạnh, có phòng máy, lại đa số máy lạnh 1,5HP Riêng phòng điện tử công suất có trang bị máy lạnh công suất lớn Các văn phòng làm việc có phòng lớn phòng nhỏ, phòng lớn có dãy đèn 0,6m, có máy lạnh công suất 1,5 HP Phòng nhỏ dãy đèn máy lạnh công suất 1HP Thời gian làm việc phòng khác tùy vào đối tượng sử dụng Các phòng làm việc hoạt động theo hành chính, nhiên phòng làm việc ban chủ nhiệm khoa kéo dài đến 21 Các phòng thực hành chủ yếu hoạt động theo học trường sáng giờ, đến 11 30 nghỉ Chiều 12 30 đến 17 50 nghỉ Tuy nhiên dạy lớp địa phương dạy ban đêm thời gian kéo dài đến 21 30 nghỉ Đèn hành lang dãy phòng mở từ 18 hôm trước đến sáng ngày hôm sau Dựa vào số lượng lịch trình làm việc phòng mà nhóm thực lập yêu cầu mà hệ thống điều khiển phải đạt Các yêu cầu trình bày Bảng Bảng Các yêu cầu cho hệ thống điều khiển STT Tên Yêu Cầu Yêu cầu an toàn, sử  Bộ điều khiển phải an toàn cho người sử dụng dụng, lắp đặt:  Bộ điều khiển phải dễ dàng sử dụng cho tất Nội Dung Yêu Cầu đối tượng  Bộ điều khiển sử dụng không thay đổi hệ thống dây điện điều khiển contact sử dụng  Khi điều khiển hỏng thiết bị sử dụng bình thường để đảm bảo tính liên tục hoạt động giảng dạy Yêu cầu thời gian quản lý, điều khiển  Cho phép điều khiển thiết bị đèn, quạt, máy lạnh theo học: cho phép mở từ đến 11 30, từ 12 30 đến 17 50  Người sử dụng mở thiết bị quên tắt hệ thống tự động tắt hết làm việc  Cho phép chọn chế độ mở thiết bị phòng cho lớp học ban đêm đến 21 30 tự động tắt hết  Có đồng hồ thời gian thực hiển thị LCD cho phép chỉnh thời gian sai  Từ 21 trở chuyển sang chế độ báo động phát người phòng (Chọn cho phép không cho phép)  Có chức điều khiển đèn hành lang từ 18 đến sáng ngày hôm sau, điều chỉnh  Có âm báo vào lớp, giải lao (Chọn cho phép không cho phép)  Khi thiết bị điện sử dụng cảm biến phát người không phòng tự động tắt bớt thiết bị theo thời gian tắt hết Yêu cầu bảo vệ tải  Đo công suất sử dụng thiết bị phòng  Có thể ngắt tải báo động tải Đo dòng tải ngõ Yêu cầu khác  Cho phép tắt/mở thiết bị độc lập nút nhấn  Cho phép tắt/mở tất thiết bị thường dùng phòng nút nhấn III THIẾT KẾ HỆ THỐNG Từ yêu cầu điều khiển phần nhóm tiến hành thiết kế điều khiển có chức đáp ứng yêu cầu Bảng Sơ đồ khối điều khiển Hình 1.: Hình Sơ đồ khối điều khiển Khối điều khiển trung tâm phải có khả điều khiển hết tất thiết bị tất dãy phòng với số lượng thiết bị khác nhau, thay đổi thiết kế số lượng thay đổi Khối công suất phức tạp số lượng thiết bị điều khiển phòng khác nên thiết kế chi tiết khó, số lượng thiết bị điều khiển dùng port vi điều khiển ít, số lượng nhiều phải dùng nhiều port dẫn đến vi điều khiển khả đáp ứng Để tiện lợi cho khả điều khiển khả đáp ứng hệ thống thiết kế dùng riêng vi điều khiển có 32 IO để điều khiển cho 32 ngõ Để điều khiển quản lý thiết bị theo thời gian hệ thống có đồng hồ thời gian thực Khối hiển thị có chức hiển thị thông tin thời gian, nhiêt độ phòng, dòng điện tải dùng, trạng thái hoạt động thiết bị Khối bàn phím cho phép người sử dụng điều khiển tắt mở thiết bị, điều chỉnh thời gian Lựa chọn thiết bị cho khối a Khối bàn phím Khối bàn phím có chức dùng để điều khiển thiết bị với số lượng thiết bị lên đến 32 thiết bị nên phải dùng bàn phím ma trận Khi chọn bàn phím phải thoã yêu cầu: nhỏ gọn, đầy đủ, bền, nhiều phím làm rối người sử dụng, phím điều khiển trở nên phức tạp Để hài hoà tiêu chí nhóm nghiên cứu định chọn bàn phím ma trận 4x4 16 phím có sẵn thị trường Hình Hình Bàn phím ma trận 4x4 Trong bàn phím ta sử dụng phím số từ đến để điều khiển tắt mở thiết bị đèn, phím chức chuyển trạng thái sang điều khiển thiết bị quạt, với bàn phím ma trận 16 phím ta lập trình nhiều chức Các phím lại lập trình để có chức mong muốn nhấn nút mở hết tất thiết bị hay nhấn nút tắt hết tả thiết bị Bàn phím ma trận 4x4 sử dụng đường IO vi điều khiển trung tâm b Lựa chọn khối hiển thị Khối hiển thị có chức hiển thị nhiều thông tin nêu đáp ứng yêu cầu kích thước, có nhiều loại kích thước LCD khác nhau, nhóm nghiên cứu định chọn LCD 20×4 hiển thị 80 ký tự, hình ảnh LCD sơ đồ chân hình 2-2 Hình Khối hiển thị LCD Để giao tiếp với hình LCD có chuẩn giao tiếp: giao tiếp bit liệu giao tiếp bit liệu Giao tiếp bit nhanh gấp đôi giao tiếp bit Ngoài tín hiệu liệu tín hiệu điều khiển c Lựa chọn khối thời gian thực Khối hiển thời gian thực đóng vai trò quan trọng điều khiển quản lý thiết bị theo thời gian thực Trong hệ thống phải có khối thời gian thực để điều khiển cho phép mở thiết bị học hay làm việc tự động tắt thiết bị làm việc học Có nhiều IC thời gian thực phân loại theo phương thức giao tiếp: giao tiếp song song giao tiếp nối tiếp Giao tiếp song song nhanh giao tiếp nối tiếp sử dụng nhiều tín hiệu, giao tiếp nối tiếp chậm sử dụng đường tín hiệu Do yêu cầu tốc độ không cao nên nhóm nghiên cứu chọn IC thời gian thực Ds13B07 giao chuẩn nối tiếp I2C dùng tín hiệu Sơ đồ chân IC hình 2.4 sơ đồ tổ chức bên hình Hình 2.4 Sơ đồ chân DS1307 Hình Tổ chức nhớ DS1307 Hình Tổ chức ghi thời gian d Lựa chọn khối cảm biến nhiệt cảm biến quang Trong hệ thống có khối cảm biến nhiệt cảm biến quang để nhận biết nhiệt độ ánh sáng nhầm mục đích điều tiết giảm bớt ánh sáng điều khiển ánh sáng đèn cho phòng học lớp lý thuyết Các phòng thực hành chủ yếu dùng ánh sáng đèn nên không cần Cảm biến ánh sáng chọn quang trở CDS cảm biến nhiệt chọn DS18B20 Cảm biến nhiệt DS18B20 giao tiếp tín hiệu số chuẩn dây trực tiếp với vi điều khiển Cảm biến quang trở kết hợp với điện trở để chuyển đổi thay đổi ánh sáng thành thay đổi điện trở chuyển thành thay đổi điện áp đưa đến khối ADC 10 bit tích hợp vi điều khiển để nhận biết cường độ ánh sáng mốc thời gian khác nhau, kết hợp với nhiệt độ để điều chỉnh tắt mở đèn cho phù hợp ánh sáng Nếu ánh sáng nhiều nhận biết từ cảm biến nhiệt độ cao nhận biết từ cảm biết nhiệt trời nóng sáng, kết hợp với thời gian thực từ tầm sáng đến 15 điều khiển tắt bớt dãy đèn phòng học lý thuyết Ngược lại trời tối, nhiều mây, nhiệt độ giảm ta mở thêm đèn, thấp mở hết đèn Cảm biến nhiệt DS18B20 có tầm đo từ -50 đến 120 độ Cảm biến nhiệt dùng để tắt máy lạnh nhận biết nhiệt độ thấp e Lựa chọn khối cảm biến PIR(Passive InfraRed sensor) Theo yêu cầu phòng làm việc người thiết bị mở tiến hành tắt bớt tiếp tục tắt hết Cảm biến PIR cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích tia hồng ngoại Tia hồng ngoại (IR) tia nhiệt phát từ vật thể nóng Trong thể có thân nhiệt (thường 37 độ C), thể phát tia nhiệt, hay gọi tia hồng ngoại, người ta dùng tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt thành tín hiệu điện nhờ mà làm cảm biến phát vật thể nóng chuyển động Hình Cảm biến PIR f Khối công suất cảm biến dòng Bộ điều khiển có chức đóng mở thiết bị nên có vai trò contact điều khiển tự động theo yêu cầu Các contact phải có khả chịu dòng tải dùng Theo số liệu khảo sát chương contact đèn điều khiển dãy đèn gồm bóng đèn, bóng đèn 1,2 m có công suất 40W, tổng công suất cho dãy 160W Các bóng đèn dùng nguồn điện 220V nên dòng điện cho contact 0,72A Mỗi contact điều khiển quạt có công suất nhỏ 100W nên dòng nhỏ, chưa tới 0,5 A Máy lạnh có công suất 1HP dòng làm việc 3,39A Máy lạnh có công suất 1,5HP dòng làm việc 5,08 A Có nhiều thiết bị sử dụng triac, relay solid relay.Dùng relay cách ly tốt nguồn, không áp nhiên đóng ngắt tải phát sinh hồ quang gây nhiễu cho điều khiển, mạch chống dội hồ quang phức tạp Dùng triac nhỏ gọn, không phát sinh hồ quang nên không gây nhiễu nên nhóm nghiên cứu định chọn triac Có nhiều loại triac có thị trường, nhóm chọn loại triac BTA12 để điều khiển, khả chịu dòng 12A Loại triac thứ BTA24 có khả chịu dòng lên đến 24A Để biết tải có hoạt động hay không phải dùng cảm biến dòng mắc nối tiếp với tải Cảm biến dòng biến dòng cảm ứng qua mạch chỉnh lưu biến thành điện áp DC Khi tải mở dòng Khi tải mở có dòng điện áp DC tăng tương ứng tải Khi mở nhiều tải điện áp DC tăng tuyến tính theo dòng tải Khối cảm biến dòng dùng IC ACS712ELCTR – 30A có khả chịu dòng lên đến 30A g Khối truyền liệu Có chức truyền liệu trung tâm để điều khiển, nhiên vấn đề thuộc dạng mở rộng, làm sẵn để phát triển thực Chuẩn truyền liệu truyền xa nhóm chọn CAN Nhóm tác giảm dự định điều khiển tắt mở thiết bị từ xa dùng tin nhắn SMS mạng, nhiên yêu cầu chưa thật cần thiết nên không thiết kế h Khối điều khiển trung tâm Có chức liên cách thành phần điều khiển hệ thống hoạt động theo yêu cầu Vi điều khiển chọn phải đáp ứng đầy đủ số port điều khiển, chuẩn truyền liệu Nhóm định chọn vi điều khiển PIC18F4680 có khả đáp ứng yêu cầu i Khối nguồn cung cấp cho hệ thống hoạt động Hệ thống hoạt động với nguồn 5V DC công suất: Công suất LCD 6mA×5V + 1900mW(Backlight) = 1930mW = 1,9W Các vi điều khiển dòng tiêu thụ nhỏ nên nhóm chọn nguồn cung cấp 5W hay 5000mW cung cấp cho mạch hoạt động Trong hệ thống tiêu thụ nhiều công suất đèn Backlight LCD 1900mW, để giảm bớt nguồn không cần quan sát nhóm thiết kế dùng transistor để điều khiển ccho phép sáng cần tắt không cần để giảm công suất tiêu thụ không cần thiết tăng tuổi thọ sử dụng cho LCD Sau thi công hệ thống, nhóm bắt đầu lập trình để hệ thống hoạt động theo yêu cầu đặt Lưu đồ chương trình Hình Hình Lưu đồ chương trình điều khiển IV KẾT QUẢ Hệ thống thiết kế Hình Hình Sản phẩm sau thi công Trong hình có khối: khối bên trái board điều khiển, mặt gồm bàn phím ma trận, cảm biến PIR hình LCD Bên phải board công suất chồng lên kết nối với board điều khiển Một sản phẩm tương tự sử dụng để điều khiển dãy đèn, quạt phòng D501 nhằm đánh giá kết thi công Hình 10 Hình 10 Sản phẩm dùng phòng D501 Trong Hình 10 mạch điều khiển mắc song song với contact điều khiển thiết bị đèn quạt Sản phẩm hoạt động theo nhiều tháng chưa có cố xảy điều chứng tỏ nhóm nghiên cứu thiết kế yêu cầu đề V KẾT LUẬN Trong chương nhóm tác giả cho thấy kết nghiên cứu: Bộ điều khiển hoạt động ổn định – trải qua nhiều tháng sử dụng phòng thực hành D501 Mạch tự động tắt thiết bị hết dạy thực hành 17 50 Tự động tắt mở đèn hành lang Khi phát có người mà tất thiết bị tắt mở đèn cho sáng, có thiết bị đèn mở không tự động mở Tự động reng chuông vào tiết học Khả cấp dòng cho tải lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO I TÀI LIỆU TRONG NƯỚC: [1] Nguyễn Đình Phú, Vi Xử Lý 1, Đại Học SPKT HCM, 2012 [2] Nguyễn Đình Phú, Vi Xử Lý 2, Đại Học SPKT HCM, 2012 II TÀI LIỆU NƯỚC NGOÀI: [3] John Lovine, PIC Robotics: A Beginner's Guide to Robotics Projects Using the PIC Micro, McGraw Hill Professional, 2004 [4] Tim Wilmshurst, Designing Embedded Systems with PIC Microcontrollers: Principles and Applications, Newnes, 2009 Thông tin liên hệ tác giả: Họ tên: Phạm Tỷ Phú Đơn vị: Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Điện thoại: 0918450055 Email: phupt@hcmute.edu.vn ... Hà Nội 2010, Bkav giới thiệu Hệ thống nhà thông minh SmartHome hoàn toàn kỹ sư chuyên gia Công ty đầu tư phát triển công nghệ nhà thông minh Bkav SmartHome nghiên cứu sản xuất Trường ĐH Công... thành công với đề tài nghiên cứu nhà thông minh thuộc gần hội thảo Giải pháp nhà thông minh Công ty Cổ phần Biển Bạc phối hợp với đối tác tổ chức Hà Nội thu hút đông đảo khách quan tâm tham dự