Thiết kế mạch giám sát đồng hồ điện công nghiệp

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CƠNG NGHIỆP LỜI CẢM ƠN Trước tiên, chúng tơi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Ths Đỗ Bình Ngun tận tình hướng dẫn, góp ý động viên tơi q trình thực đồ án nghiên cứu khoa học Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Điện-Điện tử trường đại học Lạc Hồng bạn lớp 08DV112 giúp đỡ thời gian khóa học vừa qua Đặc biệt bạn Nguyễn Bá Cường giúp đỡ tơi hồn thành việc thực đề tài Kế chúng tơi xin chân thành cảm ơn đến ban giám đốc công ty TNHH Điện Điện tử Nguyên Thịnh giúp đỡ tơi q trình thực tập thực đề tài Những lời cảm ơn sau xin gởi đến ba mẹ quan tâm, tạo điều kiện để tơi hồn thành tốt đồ án nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn ! i Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP i Mục Lục LỜI CẢM ƠN i Mục Lục ii LIỆT KÊ HÌNH VẼ iv LIỆT KÊ BẢNG vi LỜI NÓI ĐẦU vii CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Giới hạn đề tài 1.5 Ý nghĩa thực tiễn CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giao thức MODBUS – RTU 2.1.1 , MODBUS gì? 2.1.2 ., Nguyên tắc hoạt động MODBUS RTU 2.1.3 , Bản đồ nhớ MODBUS 2.1.4 , Đọc viết liệu 2.1.5 , MODBUS chế độ RTU 2.2 Chuẩn RS232 2.2.2 , Những đặc điểm cần lưu ý chuẩn RS232 2.2.3 , Các mức điện áp thường truyền 10 2.2.4 , Cổng RS232 PC 11 ii 2.2.5 , Truyền liệu 12 2.2.6 , Mạch chuẩn giao tiếp RS232 dùng IC max232 13 2.3 Chuẩn RS485 13 2.3.1 ., Một số vấn đề liên quan đến chuẩn RS485 14 2.3.2 , Các kiểu mẫu truyền nhận RS485 19 2.4 Kỹ thuật CRC 22 ii 2.4.1 , Lý thuyết CRC 23 2.4.2 , Thuật toán CRC 23 2.5 Chuẩn truyền I2C 24 2.5.1 , Các hàm thiết lập I2C 25 2.5.2 , Định dạng liệu truyền 26 2.5.3 , Định dạng địa thiết bị 27 2.5.4 , Phương thức truyền liệu tới Slave 27 2.6 Đồng hồ Selec MFM – 383 28 2.6.1 , Giới thiệu đồng hồ tủ điện đa Selec MFM 383 28 2.6.2 ., Thông số kỹ thuật 29 CHƢƠNG CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 31 3.1 PIC 24FJ128GB206 31 3.2 Reatime DS1302 32 3.3 MAX485 33 3.4 EEPROM 24LC256 34 3.5 74LVC1T45 35 3.6 Graphic LCD 128x64 36 3.7 74ALVC164245/SO 38 CHƢƠNG : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 40 4.1.1 , Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 40 4.1.2 , Sơ đồ nguyên lý khối lưu trữ đồng hồ thời gian thực 41 4.1.3 , Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp RS485 42 4.1.4 ., Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 43 4.2 Sơ đồ nguyên lý 43 4.3 Lưu đồ giải thuật 45 Chƣơng 5: KẾT LUẬN 46 5.1 Các điểm đạt chưa đạt 46 5.1.1 , Các điểm đạt 46 5.1.2 ., Các điểm chưa đạt 46 5.2 Hướng phát triển đề tài 46 Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 1.1: Mạch phần mềm kèm đồng hồ MFM-383 hãng SELEC Hình 1.2: Phần mềm EN-VIEW .1 Hình 1.3: Các số liệu hiển thị máy tính Hình 2.1: Khung tryền MODBUS Hình 2.2: Định dạng khung truyền Hình 2.3: Mức giới hạn điện áp chuẩn RS232 10 Hình 2.4: Cổng RS232 PC .11 Hình 2.5: Mạch chuẩn giao tiếp RS232 dùng IC Max232 13 Hình 2.6: Kiểu truyền cân dây 15 Hình 2.7: Tín hiệu dây hệ thống cân 15 Hình 2.8: Cặp dây xoắn RS485 16 Hình 2.9: Cách xác định áp kiểu chung 16 Hình 2.10: Truyền RS485 tham chiếu với đất 17 Hình 2.11: Cách đặt điện trở đầu cuối RT RS485 .18 Hình 2.12: Tín hiệu RS485 thu tương ứng với giá trị điện trở RT 18 Hình 2.13: Phân cực cho đường truyền RS485 .19 Hình 2.14: Sơ đồ phát, nhận RS485 19 Hình 2.15: Sơ đồ phát, nhiều nhận RS485 20 Hình 2.16: Sơ đồ sử dụng truyền nhận RS485 20 Hình 2.17: Sơ đồ sử dụng nhiều truyền nhận RS485 21 Hình 2.18: Đoạn dây rẽ nhánh RS485 21 Hình 2.19: Một dạng kết nối đường truyền RS485 hợp lí .22 Hình 2.20: Biểu đồ truyền mã ASCII theo chuẩn RS485 22 Hình 2.21: START STOP 26 Hình 2.22: Gửi bit định địa Slave 27 Hình 2.23: Khung truyền I2C .28 Hình 2.24: Đồng hồ tủ điện đo đa SELEC MFM-383 28 Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Hình 2.25: Sơ đồ kết nối đồng hồ với điện áp pha .30 Hình 2.26: Sơ đồ kết nối đồng hồ với điện áp pha .30 Hình 3.1: PIC24FJ28GB206 31 Hình 3.2: Reatime DS1302 32 Hình 3.3: Max485 33 Hình 3.4: EEPROM 24LC256 34 Hình 3.5: 74LV1T45 .35 Hình 3.6: Graphic LCD 128x64 36 Hình 3.7: 74LVC164245/SO 37 Hình 4.1: Sơ đồ khối mạch thiết kế 39 Hình 4.2: Khối hiển thị 39 Hình 4.3: Khối lưu liệu Reatime 40 Hình 4.4: Khối RS485 41 Hình 4.5: Khối nguồn 42 Hình 4.2: khối hiển thị Với mục đích thay máy tính, ta dùng Graphic LCD 128x64 để thị số liệu đồng hồ Graphic LCD hiển thị chữ, số, hình ảnh Graphic LCD giao tiếp với vi xử lý qua IC đệm 74LVC16245/SO điện áp vi xử lý 3,3V điện áp Graphic LCD 5V IC đệm 74LVC16245/SO IC cho phép giao tiếp linh kiện có điện áp từ 1.5V đến 3.6V linh kiện có điện áp từ 1.5V đến 5.5V • Chân chân 18 chân nguồn B cấp điện áp 5V • Chân 31 chân 42 chân nguồn A cấp điện áp 3.3V • Chân chân 24 chân điều khiển hướng ngõ vào Khi chân n OE = nDIR=1 chân cổng A chân input, lúc data từ vi xử lý truyền chân cổng A qua chân cổng B đến Graphic LCD, chân nDIR=0 chân cổng B chân input, data Graphic LCD truyền đến chân cổng B qua chân cổng A vào vi điều khiển 4.1.2 , Sơ đồ nguyên lý khối lƣu trữ đồng hồ 3.3V thời gian thực 3.3V R14 4.7K3.3V R15 4.7K U7 SDA SCL I/O SCLK VCC1 5DS1302_RST RST X2 V C C BT1 BATTERY G N D DS1302 Y 32.768Hz X1 C9 15p 3.3V SDA U10 24LC 256 SCL WP C8 15p A2 A1 A0 8G N D 4V C C Hình 4.3: Khối lưu liệu Reatime Để thực việc lưu số liệu thiết kế mạch thêm EEPROM 24LC256 EEPROM EEPROM chuẩn I2C giúp tiết kiệm chân vi điều khiển điện áp hoạt động 3.3V điện áp vi điều khiển mà ta sử dụng nên không cần dùng IC đệm Thời gian thực lấy từ Reatime DS1302 Mục đích tơi sử dụng Reatime DS1302 có điện áp hoạt động với vi điều khiển ta dùng tiết kiệm chi phí diện tích mạch khơng phải gắn thêm IC đệm Dữ liệu sau lấy từ đồng hồ PIC24FJ128GB206 lưu vào nhớ EEPROM 24LC256 thời gian lưu Thời gian lấy từ reatime DS1302 4.1.3 , Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp RS485 D4 5V RTS2 TxD2 3.3V 5V U11 RxD2 12V R17 1K DIR GND 74LVC1T45 VCC VCC 4001 A2 U9 MAX485 A1 B1 B2 A G N DED RE V D C R B 120 RJ45 12V D9 R19 1K GND GN D R18 VCCA VCCB A B U8 4001 U21 VCC VCC A1 B1 A2 B2 GND GND RJ45 Hình 4.4: Khối RS485 RS485 kết nối với chân Uart vi điều khiển, sử dụng ngắt nhận Uart để nhận số liệu xác liên tục mà khơng ảnh hưởng tới công việc khác vi điều khiển IC 74LVC1T45 IC đệm giao tiếp điện áp khác Tác dụng giống IC74ALVC14245 Do Max485 có điệ áp input 2V max485 hiểu mức vi điều khiển truyền 3.3V nên dây TxD không cần IC đệm, điện áp output max485 3.5V nên dây RxD phải có IC đệm trước vào vi điều khiển 4.1.4 , Sơ đồ nguyên lý khối nguồn • Điều kiện điện áp: ta dùng mạch linh kiện có điện áp nguồn 3.3V 5V thiết kế Khối nguồn đưa điện áp 5V 3.3V để cung cấp cho tồn mạch • Điều kiện dòng: o LT1117-3.3/SO dòng điện hoạt động 800mA ∑I ∑I = I24FJ128GB206 + I24LC 256 + IDS1302 + 2xI74LVC1T 45 =0.8mA + 3mA +1.28mA + 2x100mA = 205.08mA < 800mA o LM2576/TO chịu dòng 3A ∑I = IGraphicLCD + ILT1117 + I74 ALVC16245 + 2xIMAX485 ∑I = 0.1mA + 800mA +100mA + 2x1mA = 902.1mA < 3A Như với việc chọn linh kiện LM2576/TO LT1117-3.3/SO đáp ứng điện áp, dòng điện, cơng suất cung cấp cho toàn mạch SW1 12V 5V U20 LM2576/TO G N D VIN D3 1N4007 J4 SW KEY -DPDT 3.3V U13 LT1117-3.3/SO C10 680uF/16V A D VOUT J VIN D8 SS34 L2 220uH + O N/ O FB F OUT + + C12 680uF/16V C11 680uF/16V DC JACK 5V C19 104 C20 104 4.2 Sơ đồ nguyên lý C21 104 C23 104 C14 104 C15 104 C16 104 C17 104 C18 104 C13 104 Hình 4.5: khối nguồn D1 3.3V 5V 3.3V 10 26 18 31 42 5V J1 R1 17 4.7K R2 4148 U1 MCLR EEPROM_SCK VDD VDD VDD AVDD MCLR 16 EEPROM_MOSI EEPROM_MISO EEPROM_CS 15 PGED1/AN0/VREF +/PMA6/RP0/CN2/RB0 14 PGEC1/AN1/VREF-/ RP1/CN3/RB1 13 AN2/C2INB/VMIO/RP13/CN4/RB2 PGD PGC INT RxD1 TxD1 RTS1 BTN0 BTN1 12 AN3/C2INA/VPIO/CN5/RB3 11 PGED3/AN4/C1INB/USBOEN/ RP28/CN6/RB4 17 PGEC3/AN5/C1INA/VBUSON/RP18/CN7/RB5 18 PGEC2/AN6/RP6/CN24/RB6 21 PGED2/AN7/RP7/RCV/CN25/RB7 22 AN8/RP8/CN26/RB8 23 AN9/RP9/PMA7/CN27/RB9 24 TMS/CV BTN2 27 TDO/AN11/PMA12/CN29/RB11 BTN3 BTN4 28 29 TCK/AN12/CTEDG2/PMA11/CN30/RB12 TDI/AN13CTEDG1/PMA10/CN31/RB13 BTN5 30 AN14/CTPLS/RP14/PMA1/CN32/RB14 AN15/ RP29/REFO/PMA0/CN12/RB15 LCD_DIR DS1302_RST SCL SDA 46 DMH/RP11/INT0/CN49/RD0 49 VCPCON/RP24/V BUSCHG/CN50/RD1 50 D0 D1 D2 D0 D1 D2 DPH/RP23/PMACK1/CN51/RD2 51 RP22/PMBE0/CN52/RD3 52 RP25/PMWR/CN13/RD4 53 D3 D4 D5 D3 D4 D5 D6 D7 DI RW EN LCD_BRIGHT D6 D7 DI RW EN CS1 CS2 RP20/PMRD/CN14/RD5 54 C3INB/CN15/RD6 55 C3INA/SESSEND/CN16/RD7 42 RTCC/DMLN/RP2 /CN53/RD8 43 DPLN/SDA1/RP4 /PMA14/PMCS1/CN54/RD9 44 SCL1/ RP3 /PMA15/PMCS2/CN55/RD10 45 RP12/PMACK2/CN56/RD11 38 37 36 35 33 32 30 1B6 1B7 1B8 2B1 2B2 2B3 2B4 LCD_D6 LCD_D7 LCD_DI LCD_RW LCD_EN LCD_CS1 LCD_CS2 13 14 15 16 27 2A6 2B5 20 2B6 22 VCMPST2/SESSVLD/CN69/RF1 33 RP16/USBID/CN71/RF3 31 RXD2 TxD2 LCD_DIR 26 2A7 2A8 2B7 23 2B8 SDA2/ RP10/PMA9/CN17/RF4 32 SCL2/ RP17/PMA8/CN18/RF5 34 VBUS/RF7 O 37 S RTS2 V S S 11 12 13 14 16 17 19 R20 ENC_CS ENC_SCK ENC_MOSI ENC_MISO GND GND GND GND GND1OE GND2OE 48 25 4.7K ENC_MISO ENC_MOSI ENC_SCK ENC_CS 5V R9 1K VCC1 X2 DS1302_RST G N D BATTERY 15p X1 3.3V B PGD PGC RxD1 120 VCCA VCCB B A DIR GND RJ45 R16 74LVC1T45 1K ICSP 5V D4 U9 MAX48 10K U10 24LC256 G A0 4001 1K R21 WP BTN0 TxD2 BTN1 BTN2 BTN3 3.3V BTN4 BTN5 A G DEN RED D V R C RTS2 J5 A1 B1 A2 B2 GND GND RJ45 R18 B U8 VCC VCC 120 C Y1 25MH z C2 C3 C4 22p C5 22p 51 103 103 RxD2 5V U11 12V VCCA VCCB A B U23 25LV512 EEPROM_MOSI EEPROM_MISO EEPROM_SCK SDI SDO SCLK CS J6 GND VCC P CON1 J7 D9 CON1 GND GND 3.3V 11 A1 B1 A2 B2 R17 51 1K 12V N D SDA V A2 SCL C A1 C R7 3.3V 3.3V VCC U6 5V MCLR C9 15p DS13024 EEPROM_CS R13 C J3 32.768Hz BT1 17 16 O S C 11 R10 U4 VCC G DE N RED V D C R TxD1 C8 Y3 J2 13 TPIN+ 12 Q1 MMBT2222A 1K RTS1 U7 O S C 1K L1 Ferrite Bead TPIN- Q2 U5 MAX48 A R6 51 MMBT2222A 3.3V LEDA LEDB R15 4.7K RST 27 R J4 H R 91 RBIAS R12 V C SCLK C TPOUT+ TPOUT- 14 BUZZER 3.3V I/O LEDA LEDB VSSRX VSSTX VSSPLL VSSOSC 10 C7 22p 1K R5 RESET VSS 3.3V 3.3V CLKOUT INT WOL SO SI SC K CS R11 4.7K SDA SCL 10 INT R4 5V PIC24FJxxxGB206 R14 4.7K VCAP R22 C6 22p LEDA LEDB VDD VDDOSC VDDPLL VDDRX VDDTX GRAPHIC LCD VUSB 1 Y2 4MHz 25 ENC28J60 103 18 20 VCAP 35 SOSCO/SCLKI/T1CK/C3INC/RPI37/CN0/RC14 C1 10k 5V 3.3V 28 25 U3 R8 1DIR 24 2DIR 36 C2IND/RP19/PMA3/CN10/RG8 C2INC/RP27/PMA2/CN11/RG9 57 48 SOSCI/C3IND/CN1/RC13 10 11 12 BUZZER V S S LCD_D2 LCD_D3 LCD_D4 LCD_D5 CS2 C O /C L K O /C N D+/CN83/RG2 2/ D-/CN84/RG3 R C1IND/RP21/PMA5/CN8/RG6 C C1INC/RP26/PMA4/CN9/RG7 1B4 1B5 CS1 R3 51 LCD_D0 LCD_D1 C2 1B3 58 3.3V 19 43 1A3 41 1A4 40 1A5 VBUSST/V CMPST1/VBUSVLD /CN68/RF0 59 REF/AN10/PMA13/CN28/RB10 PMD1/CN59/RE1 PMD2/CN60/RE2 PMD3/CN61/RE3 PMD4/CN62/RE4 PMD5/CN63/RE5 SCL3/PMD6/CN64/RE6 SDA3/PMD7/CN65/RE7 VC 47 C1 46 1A1 VC C1 44 1A2 1A6 1A7 1A8 2A1 2A2 2A3 2A4 LCD_BRIGHT 29 2A5 60 61 PMD0/CN58/RE0 62 63 64 U2 74ALVC16245/SO VC 1B1 C2 1B2 VC 4.7K U21 10 12 V C C V C C DIR GND 74LVC1T45 CON7 R19 1K 4001 A1 B1 A2 B2 GND GND RJ45 4.3 Lƣu đồ giải thuật Start Khởi tạo module phần cứng Button nhấn ? Y ID = ID + ID = 32 ? N Y ID = N Y Button nhấn ? Y ID = ? ID = ID – ID = 32 N N Button nhấn ? Y Đang hiển thị dòng thứ N ? Cuộn hình lên Y N Button nhấn ? Y Đang hiển thị dòng 50 ? N Cuộn hình xuống Y Gửi yêu cầu truyền liệu đến slave có địa ID N Có liệu từ slave N ? Y N Timeout ? Y Hiển thị thông báo kết nối CRC ? Y Hiển thị liệu END Trang 103 Trang 104 Chƣơng 5: KẾT 5.1 Các điểm đạt chƣa đạt đƣợc LUẬN 5.1.1, Các điểm đạt đƣợc Hiện đề tài hoàn thành phần cứng, giao tiếp với LCD GRAPHIC, giao tiếp với đồng hồ MFM-383, lập trình giao diện hiển thị hình Graphic LCD 128x64, kết hợp nút nhấn để chọn đồng hồ thị LCD kéo hình để tiện quan sát Lấy thời gian thực từ DS1302 hiển thị LCD 5.1.2, Các điểm chƣa đạt Do thời gian thực đề tài ngắn nên tơi chưa hồn thành đề tài theo dự tính ban đầu Tơi chưa thực bước truyền liệu từ vi điều khiển máy tính chủ qua cổng mạng lưu liệu vào EEPROM 5.2 Hƣớng phát triển đề tài Tôi tiến hành thiết kế phần mềm để truyền liệu máy tính qua giao thức Ethernet lưu số liệu từ đồng hồ gửi vào EEPROM TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt : [1] Hồng Minh Sơn, “Mạng truyền thơng cơng nghiệp”, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội-2004 [2] http://www.tailieu.vn [3] http://www.picvietnam.com [4] http://www.dientuvietnam.net Tiếng Anh : [5] http://www.microchip.com [6] http://www.engscope.com/pic24-tutorial/ [7] http://www.youtube.com/watch?v=Jdp6owxHVl0&feature=player_embedded [8] http://www.alldatasheet.com [9] http://selectautomation.blogspot.com [10] http://www.modbus.org/ ... 2.24: Đồng hồ tủ điện đo đa SELEC MFM-383 28 Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CƠNG NGHIỆP Hình 2.25: Sơ đồ kết nối đồng hồ với điện áp pha .30 Hình 2.26: Sơ đồ kết nối đồng hồ. .. Ngày đồng hồ đo điện thay đồng hồ đo điện số Đồng hồ MFM-383 đồng hồ đo điện số hãng Selec sản xuất Hình 1.1: Mạch phần mềm kèm đồng hồ MFM-383 hãng SELEC Đi kèm đồng hồ mạch giao tiếp đồng hồ. .. cơng ty, xí nghiệp lớn trung bình dù sản xuất mặt hàng sử dụng đồng hồ điện cơng nghiệp để kiểm sốt lượng điện sử dụng Các đồng hồ điện đặt phân xưởng giá trị điện đồng hồ đưa phòng giám sát để dễ