Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống quản lý điện ứng dụng trong các trường học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BÙI VĂN LƯỢNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG QUẢN LÝ ĐIỆN ỨNG DỤNG TRONG CÁC TRƯỜNG HỌC LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BÙI VĂN LƯỢNG Nghiên Cứu - Thiết Kế - Chế Tạo Hệ Thống Quản Lý Điện Ứng Dụng Trong Các Trường Học Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN PHAN KIÊN HÀ NỘI - 2015 Lời cam đoan LỜI C ĐO N T i l Bùi Văn Lượng h c vi n cao h c chuy n ng nh k thuật điện tử i h c B ch Khoa H Nội xin cam đoan luận văn n y thực c ch nghi m t c trung thực tu n th đ ng c c quy định c a Nh nư c v c c quy t c chung c a quốc tế v nghi n c u khoa h c k thuật Nếu c ất k vi ph m n o t i xin ho n to n chịu tr ch nhiệm Hà Nội ng y th ng 03 năm 2015 H c viên thực BÙI VĂN LƯỢNG i Mục lục MỤC LỤC L I M O N i MỤC LỤC ii MỞ ẦU hương TÌM HIỂU YÊU CẦU THỰC TẾ 1.1.Lựa Ch n Giải Pháp 1.1.1.V Mặt Công Nghệ 1.1.2.V Mặt Thiết Kế 1.1.3.Các Yêu Cầu 1.1.4 M i Trường Làm Việc C a Hệ Thống 1.2.Lựa Ch n Phần C ng 1.2.1.Vi i u Khiển PIC16F877A 1.2.4 Khối Kết Nối Máy Tính – Sử Dụng Cổng OM u khiển thông qua RS232 19 1.2.5.Khối ộng Lực – ULN2803 26 hương THIẾT KẾ HỆ THỐNG 27 2.1.Mô Hình Hệ Thống 27 2 M Hình hương Trình 28 Sơ Khối M ch i u Khiển 29 2.4.Thuật To n hương Trình Tr nM y h Và Máy Tr m 30 2.5.Thuật To n hương Trình Tr n M ch i u Khiển 32 hương THIẾT KẾ CHI TIẾT 34 3.1.Khối Nguồn 34 3.2.Khối i u Khiển Trung Tâm 35 3.3.Khối Thiết Bị Ngo i Vi (Cảm Biến, Nút Bấm, Hiển Thị) 37 3.3.1 Khối Nút Bấm 37 3.3.2 Khối Hiển Thị 38 3.3.3 Khối Cảm Biến 38 3.4.Khối M ch ộng Lực 41 ii Mục lục 3.5.Khối Kết Nối Máy Tính 42 hương Trình h y Trên Máy Tr m (ClientApp) 43 3.6.1 Kết Nối ClientApp V i M ch i u Khiển 43 3.6.2 Kết Nối ClientApp V i ServerApp 45 hương Trình h y Trên Máy Ch (ServerApp) 47 hương CHẠY THỬ ÁNH GIÁ NÂNG ẤP 50 4.1.Ch y Thử 50 42 421 nh Gi 51 t ược 51 4.2.2 Cần Cải Thiện 51 4.3 Nâng Cấp, Cải Tiến Hệ Thống 51 Hư ng cải thiện chất lượng c a hệ thống 51 Hư ng cải thiện ch c c a hệ thống 57 hương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 PHỤ LỤC 61 iii Danh mục ký hiệu, chữ viết t t DANH MỤC C C PIC HI U C C CH Programmable Integrated Circuit VIẾT TẮT Vi m ch có khả lập (http://www.technologystudent.com) trình LED Light Emitting Diode Diode phát quang COM Communication Nối tiếp IC Integrated circuit Vi m ch INT Interrupt Ng t ClientApp Client Application hương trình tr n m y tr m hương trình tr n m y ServerApp Server Application ch ịa m ng IP Internet Protocol TCP Transmission Control Protocol Giao th c u khiển truy n vận PIR Passive InfraRed Senser Bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích tia hồng ngo i PCB Printed Circuit Board Bảng m ch in GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống thông tin di động Senser iv toàn cầu Danh mục hình vẽ đồ thị DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 1: Sơ Chân PIC 16F877A 2: Sơ Khối Ch c Năng a PIC16F877A 3: Sơ Khối Vi i u Khiển PIC16F877A 10 4: Bộ Nh RAM C a PIC16F877A 13 5: M ch T o Parity Chẵn, Khi Tín Hiệu ng 24 6: M ch T o Parity Chẵn, Khi Tín Hiệu Sai 24 7: IC ULN 2803 26 8: Mô Hình Hệ Thống 27 9: Mô Hình Chương Trình 28 10: Sơ Khối M ch i u Khiển 29 11: Thuật Toán Chương Trình Trên Máy Ch Và Máy Tr m 31 12: Thuật Toán Chương Trình Trên M ch i u Khiển 32 13: Khối Nguồn 34 14: Khối i u Khiển Trung Tâm 36 15: Khối Nút Bấm 37 16: Khối Hiển Thị 38 17: Khối Thu 40 18: Khối M ch ộng Lực 41 19: Khối Kết Nối Máy Tính 42 20: ClientApp Khi Khởi T o 43 21: ClientApp Khi Kết Nối COM 44 22: ClientApp Khi Kết Nối ServerApp 45 23: ServerApp Yêu Cầu "ONLIGHT" 46 24: ServerApp Yêu Cầu "OFF LIGHT" 46 25: ServerApp Khi Khởi T o 47 26: ServerApp Khi Kết Nối ClientApp 48 27: Nhi u ClentApp Yêu cầu ServerApp 49 28: Module PIR Trên Thị Trường 53 29: Thông Tin Lens C a PIR module 54 30: Module GSM Trên Thị Trường 56 31: Xuất Cải Thiện Hệ Thống 57 32: Mục Tiêu Sau Khi Cải Thiện Hệ Thống 58 v Mở đầu MỞ ĐẦU Hiện nay, sản lượng điện dùng chiếu sáng nư c ta chiếm khoảng 35% tổng điện ti u thụ (trên gi i tỷ lệ chiếm 1617%) Nguyên nhân việc thiết kế, l p đặt thiết bị chiếu sáng tiêu tốn lượng, bên c nh đ việc sử dụng điện chiếu sáng lãng phí Việc sử dụng điện thông minh nói chung, chiếu s ng n i ri ng l vấn đ cấp thiết Ngày nay, việc ng dụng hệ thống nhúng vào hệ thống u khiển ngày trở nên phổ biến: từ ng dụng đơn giản, quy mô nhỏ u khiển chốt đèn giao th ng u khiển hệ thống u khiển ô tô, u khiển độ sáng tối c a hệ thống chiếu sáng đến ng dụng ph c t p hệ thống u khiển robot, kiểm soát nhà máy, hay quan tr ng hệ thống kiểm so t c c m y lượng h t nhân.Các hệ thống tự động trư c đ y sử dụng nhi u công nghệ kh c hệ thống tự động ho t động nguyên lý khí nén, th y lực rơ le điện, m ch điện tử số phần nhi u nghiêng v khí x c c c hệ thống c ưu điểm v độ b n bỉ, x c l i gặp nhi u kh khăn v tính linh ho t, khả n ng cấp hay tích hợp Ngày nay, hầu hết hệ thống u khiển, tự động đ i đ u xây dựng n n tảng c a hệ thống nhúng, hệ thống có ưu điểm rõ rệt: xác, b n bỉ, tính linh ho t cao, khả n ng cấp, tích hợp cao ặt vấn đ v giải thực tr ng sử dụng điện t i c c trường h c, công sở văn phòng c tính lãng phí cao g y thất thu lãng phí hàng trăm tỉ đồng năm Em thực luận văn:“Nghiên cứu – Thiết Kế - Chế Tạo hệ thống quản lý điện ứng dụng trường học“ Hệ thống tập trung tự động hóa hệ thống chiếu sáng, thiết lập m i trường u khiển hệ thống điện từ xa, thực u khiển tập trung, qua đ giảm thiểu tối đa lãng Mở đầu phí phụ thuộc vào ý th c người sử dụng Hệ thống mang tính ng dụng cao, không tập trung vào yếu tố cập nhật công nghệ Mục đích ho n thiện hệ thống đơn giản cho người sử dụng (không yêu cầu cao trình độ người dụng), giá thành thấp (sản xuất đ i tr ) độ ổn định cao (sử dụng tốt nhà trường, bệnh viện) hương 1: Tìm hiểu yêu cầu thực tế Chương TÌM HIỂU YÊU CẦU THỰC TẾ Hiện hầu hết việc gi m s t v u khiển chiếu sáng phòng công cộng u khiển tay th ng qua đ ng mở công t c, aptomat, cầu dao i u thuận lợi v đơn giản ta bật t t đèn theo nhu cầu sử dụng Tuy nhiên, phòng công cộng nên việc bật t t đèn người trực khu nh đ l m Việc làm phụ thuộc nhi u vào ý th c c a người sử dụng, nhi u bị bỏ qua, g y lãng phí điện l n đặc biệt hoàn cảnh nư c ta thiếu điện cách trầm tr ng Từ hoàn cảnh thực tế đ xuất nhu cầu tự động h a v u khiển từ xa việc đ ng ng t hệ thống điện Trên thị trường c sản phẩm bật t t đèn th ng minh hư ng t i mục đích tiết kiệm điện chiếu s ng như:  SmartLight Hàn Quốc sản xuất: ược tích hợp sensor cảm ng hồng ngo i thân nhiệt đèn tự động bật c người v o vùng cảm ng t t kh ng c người Thiết bị tích hợp u khiển v i đèn sản phẩm Do đ gi th nh cao v không thích hợp cho phòng cần lượng chiếu sáng l n, không thay đổi lo i ng đèn theo y u cầu  Hệ thống bật t t đèn tự động sử dụng IC số m ch Logic cho phép ta dựa v o lượng người v o để đ ng ng t công t c cách tự động Hệ thống có cấu t o đơn giản, rẻ, lập trình mà dựa vào m ch Logic… tính linh động không cao, khó chỉnh định u kiện làm việc thay đổi, có khả nâng cấp mở rộng hệ thống Trong c c trường h c phòng u trị c a bệnh viện, m lưu lượng người không l n kiểm so t việc đếm người qua cửa ta hoàn toàn áp dụng hệ thống đèn th ng minh sử dụng Vi u khiển lập hương 5: Kết luận kiến nghị Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Hệ thống đảm bảo ch c “ Quản Lý iện ” V i u kiện nghiên c u, áp dụng cho hệ thống điện t i c c trường h c (tải công suất nhỏch yếu l c c ng đèn qu t v i số lượng chịu tải c a m ch khoảng 20 bóng), m ch ho t động đ p ng yêu cầu hương trình tr n m y tr m máy ch ho t động ổn định đơn giản thuận lợi cho người sử dụng Thực y u u khiển tập trung thông qua việc nhận lệnh gửi lệnh từ máy tr m máy ch Tuy nhiên hệ thống tồn t i định Công việc nâng cấp cải thiện hệ thống tiếp tục thực thời gian t i Trong trình thực luận văn em thực tìm hiểu thực quy trình để thực tr n vẹn hệ thống u khiển hệ thống điện Tất c c kh u đ u ch y qua, từ kh u l n ý tưởng, thực thiết kế m ch, thực mô phỏng, thực làm m ch in, ch y thử, sửa m ch Trong trình thực luận văn em c sử dụng ngôn ngữ lập trình C, C#, WF Các phần m m dùng để thiết kế m ch v chương trình u khiển CSS, VisualStudio, Proteus, OrCad Việc thực sản phẩm hoàn chỉnh giúp cho em h c nhi u kiến th c từ lý thuyết t i thực h nh qua đ gi p ích nhi u công việc t i Em biết ơn t i TS Nguyễn Phan Ki n người định hư ng, giúp đỡ tận tình em suốt trình thực hoàn thiện luận văn n y 59 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO Alessandro Rubini & Jonathan Corbet (2001), Linux device driver, O’Reilly & ssociates Inc, 101 Morris Street, Sebastopol, CA 95472, United States Milan Verle (2009), PIC Microcontrollers - Programming in C, mikroElektronika Inc, Batajnički drum 2311186 Zemun Belgrade Tammy Noergaard (2005), Embedded Systems Architecture, Elsevier Inc, Oxford, United Kingdom Timothy D Green (2008), Embedded Systems Programming With The PIC16F877, A.R.F Products, Inc, Ohio, United States Dương Minh Trí (2005) Sơ đồ chân linh kiện, Nhà xuất KH-KT Electronic Components Datasheet Search: http://www.alldatasheet.com Electronic Forum: http://www.microchip.com/forums/, http://www.dientuvietnam.net/forums/, http://www.picvietnam.com/forum/ PIC16F87XA Data Sheet, Microchip Technology Inc, 2355 West Chandler Blvd, Chandler, Arizona, USA Wikipedia Webpage (English and Vietnamese): http://en.wikipedia.org, http://vi.wikipedia.org 60 Phụ lục PHỤ LỤC Hình ảnh m ch ch y thực tế 61 Phụ lục hương trình u khiển PIC16F877A 62 Phụ lục #include "D:\Note\ Master_Backup\20140801\CodePic\main.h" #include "D:\Note\ Master_Backup\20140801\CodePic\timer.c" unsigned char LED7[10] = {0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; // Use for count number on room long ledOne, //Value display of LED left (pin D0) ledTwo, //Value display of LED right (pin D1) signalIn, //Signal control personIn(pin B4) signalOut, checkIn, else:0) checkOut, else: 0) //Signal control personOut(pin B5) //Variable control person incase incoming (pass sensor1: 1, //Variable control person incase outcoming (pass sensor2: 1, countPerson, //Number of person in room countNumberButton; //==========================Begin:ValidateIn()==============// //Function use for check person in //Input: checkIn, checkOut, countPerson //Output: checkIn, checkOut, countPerson void ValidateIn() { //Incase the first person incoming if((checkIn==0) && (checkOut==0) ) { 63 Phụ lục checkIn=1; //Checking person pass sensor1 //if number of person not equal 99, count value if(countPerson != 100) { countPerson++; } } //Incase the lastest person outcoming if((checkIn==0) && (checkOut==1)) { checkIn=1; } } //==========================End: ValidateIn()===============// //==========================Begin:ValidateOut()=============// //Function use for check person out //Input: checkIn, checkOut, countPerson //Output: checkIn, checkOut, countPerson void ValidateOut() { 64 Phụ lục //Incase the first person outcoming if((checkOut ==0) && (checkIn == 0)) { checkOut =1; //Checking person pass sensor2 //If number of person not equal 0, count value if(countPerson !=0) { countPerson ; } } if((checkOut == 0) && (checkIn ==1)) { checkOut =1; } } #INT_EXT void PressHardButton() { if(RB6==0) { countNumberButton++; } 65 Phụ lục } //=====End:ValidateOut()=================================// //=====Begin: countPersonInRoom()===========================// //Function interrupt, use for receive signal input from B4, B5 (match two sensor) //input:no value //output: countPerson Number of person in room #INT_RB void countPersonInRoom() { signalIn = RB5; // receive signal input from sensor - sensor checkIn signalOut = RB4; //receive signal input from sensor - sensor checkOut //Incase receive signal from sensor1 if(signalIn==1) { ValidateIn(); // assign value for checkIn } //Incase receive signal from sensor2 if(signalOut==1) { 66 Phụ lục ValidateOut(); //assign value for checkOut } //Incase person pass from serser1 to sensor2, reset all value if((checkIn == 1) && (checkOut==1) && (signalIn==0) && (signalOut == 0)) { checkIn = 0; checkOut = 0; } } //===========End: countPersonInRoom()=====================// //==============Start: Interrupt for test RS232================// #INT_RDA void RDA_interrupt() { int8 value=0; value = getc(); if(value == '1') { RA1 = 1; RA2 = 1; } 67 Phụ lục if(value=='0') { RA1 = 0; RA2 = 1; } } //=========End======================================// //========Start: OnoffLight()================================// //Function: On or off light on room, base on number person //Input: numberPerson //Output:signal to RA0 (Vout) void OnOffLight(countPerson) { //Incase press hard button if(((countNumberButton % 2) ==0) && (countNumberButton >0) ) { RA0=0; return; } if((countNumberButton % 2) !=0) { RA0=1; return; 68 Phụ lục } //Incase exits pers && RA1==0on in room and not signal from COM On light if(countPerson != && RA2==0) { RA0=1; return; } //Incase hasn't exits && RA1==0ts in room and not signal from COM Off light if(countPerson == && RA2==0) { RA0=0; return; } //Incase exits signal from COM if(RA1 == 1) { RA0=1; return; } if(RA1 == 0) 69 Phụ lục { RA0=0; return; } } //=====End: OnOffLight()===================================// //======Start: CountLed====================================// //Use for assign value of "number" to portD(use for display LED segment) void CountLed(char number ) { output_d(number); } //========End: CountLed===================================// //========Start: DisplayLed()==============================// //Function: Display value of person in room to LED segment //Input: countPerson //Output: signal control led segment void DisplayLed(countPerson) { int8 i = 0; ledOne= countPerson/ 10; 70 Phụ lục ledTwo= countPerson% 10; for(i=0;iA7 is Output PORTA = 0x00; TRISB = 0xff; //Port B4 is input of sensor 1, Port B5 is input of sensor 71 Phụ lục TRISD =0x00; //Port D0->D7 use for control LED segment (count 0->99) TRISE = 0x00; //Port E1:Control Led1, Port E2:Control Led2 //Init interrupt enable_interrupts(INT_EXT); enable_interrupts(INT_RB); enable_interrupts(INT_RDA); enable_interrupts(GLOBAL); ext_int_edge(H_to_L); //setup_timer_2(T2_DIV_BY_1,49,1); //setup_ccp1(CCP_PWM); //set_pwm1_duty(15); while(TRUE) { OnOffLight(countPerson); DisplayLed(countPerson); if(countPerson == 100) 72 Phụ lục { countPerson = 0; } } } //===========End: Main()============================// 73 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BÙI VĂN LƯỢNG Nghiên Cứu - Thiết Kế - Chế Tạo Hệ Thống Quản Lý Điện Ứng Dụng Trong Các Trường Học Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử LUẬN... dụng điện t i c c trường h c, công sở văn phòng c tính lãng phí cao g y thất thu lãng phí hàng trăm tỉ đồng năm Em thực luận văn: Nghiên cứu – Thiết Kế - Chế Tạo hệ thống quản lý điện ứng dụng trường. .. đến ng dụng ph c t p hệ thống u khiển robot, kiểm soát nhà máy, hay quan tr ng hệ thống kiểm so t c c m y lượng h t nhân .Các hệ thống tự động trư c đ y sử dụng nhi u công nghệ kh c hệ thống tự