Điều khiển tốc độ động cơ qua internet

Hiện nay, trên thế giới nói chung và lĩnh vực công nghệ nói riêng đang phát triển một các vô cùng mạnh mẻ. Có thể nói rằng chúng ta đang ở trong một kỷ nguyên mới, kỷ nguyên của Internet. Con người ngày nay thật sự mà nói thì Internet là thứ không thể thiếu đối với cuộc sống của mỗi người. Nó đã đi sâu vào cuộc sống, làm việc, học tập, vui chơi, giải trí của mỗi con người chúng ta. Cũng nhờ vậy, khái niệm về Internet Of Thing đã ra đời và đang đi sâu vào các dây chuyền sản xuất cũng như các ứng dụng dân dụng. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Các nhà thiết kế có thể đơn giản hóa các mô hình bằng IoT. Kết hợp với nhu cầu của đơn vị thực tập nên em quyết định chọn đề tài “THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ QUA MẠNG INTERNET” làm đề tài báo cáo thực tập tốt nghiệp.Đây là đề tài tương đối mới ở Việt Nam nên không thể tránh khỏi thiếu xót và hạn chế, em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy giáo, cô giáo và các bạn.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ II

_

BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

HỆ: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÀI HẠN

TP.HCM, tháng 08 năm 2017

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ II

_

BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

HỆ: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY DÀI HẠN

TP.HCM, tháng 08 năm 2017

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TÌM HIỂU NGUYÊN LÝ VÀ CÁCH THỨC HOẠT ĐỘNG.2 1.1 Cách thức hoạt động 2

1.2 Nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ 2

1.3 Kết nối với internet 4

Chương 2 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 14

2.1 Linh kiện sử dụng 14

2.1.1 Vi điều khiển atmega328PU 14

2.1.2 Module wifi ESP8266 Wemos Mini 15

2.2.3 Mosfet IRF 3205 17

2.1.4 IC so sánh LM339 19

2.1.5 IC nguồn LM7805 21

2.1.6 IC nguồn ASM111 -3.3V 22

2.2 Sơ đồ nguyên lý 23

2.2.1 Khối nguồn 24

2.2.2 Khối vi điều khiển 25

2.2.3 Khối IC so sánh LM339 26

2.2.4 Module wifi ESP8266 Wemos Mini 27

2.2.5 Khối PWM 27

2.3 Thiêt kế mạch bằng phần mềm Altium 28

Chương 3 KẾT LUẬN 30

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 32

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, trên thế giới nói chung và lĩnh vực công nghệ nóiriêng đang phát triển một các vô cùng mạnh mẻ Có thể nói rằngchúng ta đang ở trong một kỷ nguyên mới, kỷ nguyên của Internet.Con người ngày nay thật sự mà nói thì Internet là thứ không thểthiếu đối với cuộc sống của mỗi người Nó đã đi sâu vào cuộc sống,làm việc, học tập, vui chơi, giải trí của mỗi con người chúng ta Cũngnhờ vậy, khái niệm về Internet Of Thing đã ra đời và đang đi sâu vàocác dây chuyền sản xuất cũng như các ứng dụng dân dụng IoT đãphát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơđiện tử và Internet Các nhà thiết kế có thể đơn giản hóa các mô hìnhbằng IoT Kết hợp với nhu cầu của đơn vị thực tập nên em quyết địnhchọn đề tài “THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ QUA MẠNGINTERNET” làm đề tài báo cáo thực tập tốt nghiệp

Đây là đề tài tương đối mới ở Việt Nam nên không thể tránhkhỏi thiếu xót và hạn chế, em rất mong nhận được sự góp ý, chỉbảo của các thầy giáo, cô giáo và các bạn

Em xin trân thành cảm ơn Thầy Th.S Trần Quang Thuận đã

tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành tốt đề tài thực tập tốtnghiệp này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 07 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Lê Thế Hùng

Chương 1: TÌM HIỂU NGUYÊN LÝ VÀ CÁCH THỨC HOẠT

ĐỘNG.

1.1 Cách thức hoạt động.

Người vận hành sẽ sử dụng mạng internet truy cập vào WebServer để truy cập vào hệ thống Thông qua đó sẽ trực tiếp điềukhiển khởi động động cơ cũng như set tốc độ

1.2 Nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ.

Do yêu cầu của bên sử dụng là điều khiển động cơ DC nênphương án được lựa chọn để điều khiển tốc độ động cơ là dùngphương pháp điều xung PWM (Pulse-width modulation ) để thay đổiđiện áp trung bình cấp cho động cơ DC từ đó thay đổi được tốc độhoạt động

Phương pháp điều xung PWM

Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) làphương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, làphương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xungvuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra

PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất màchúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp,điều áp Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ haycao hơn nữa, nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độđộng cơ

Hình 1.1 Giảng đồ xung PWM

Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thờigian của cả sườn âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấpcho tải Ta có:

Ud = Umax.( t1/T) (V) hay Ud = Umax.D

(Với D = t1/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức làPWM)

1.3 Kết nối với internet.

Hình 1.2 Mô hình kết nối internet

Mạch điều khiển sẽ được kết nối internet thông qua module wifchuyên dụng Thông qua một web server, người sử dụng sẽ điềukhiển board mạch hoạt động

Web server

Web server là máy chủ được dùng để xử lý các truy cập đượcgửi từ máy khách thông qua giao thức HTTP Các truy cập HTTP nàythường được gửi từ các chương trình duyệt web trên máy tính cánhân Thuật ngữ web server có thể được sử dụng để để cập tới 2khía cạnh là phần cứng hoặc phần mềm Với khía cạnh phần cứngthì web server về bản chất cũng là 1 loại máy chủ giống như cácmáy chủ khác, tuy nhiên máy chủ này cần phải được cài đặt ít nhất

một phần mềm giúp xử lý các truy cập gửi tới thông qua giao thứcHTTP.

Hình 1.3 Hệ thống máy chủ

Ở phần lõi của máy chủ web là một dịch vụ web phục vụ nộidung tĩnh cho một trình duyệt bằng cách tải một tập tin từ đĩa vàchuyển nó lên mạng, tới một người sử dụng trình duyệt web Sựtrao đổi hoàn toàn này được thực hiện gián tiếp thông qua mộttrình duyệt và một máy chủ kết nối tới một thiết bị khác sử dụngHTTP Bất kỳ máy tính nào cũng có thể vào trong một dịch vụ webbằng cách cài đặt phần mềm dịch vụ và kết nối internet Trên mạng

có rất nhiều các phần mềm ứng dụng dịch vụ web, bao gồm cácphầm mềm cung cấp tên miền từ NCSA và Apache, và các phầnmềm thương mại của Microsoft, Netscape và của nhiều hãng khác

Máy Web Server là máy chủ có dung lượng lớn, tốc độ cao,được dùng để lưu trữ thông tin như một ngân hàng dữ liệu, chứanhững website đã được thiết kế cùng với những thông tin liên quankhác (các mã Script, các chương trình, và các fle Multimedia)

Web Server có khả năng gửi đến máy khách những trang Webthông qua môi trường Internet (hoặc Intranet) qua giao thức HTTP –giao thức được thiết kế để gửi các fle đến trình duyệt Web (WebBrowser), và các giao thức khác

Tất cả các Web Server đều có một địa chỉ IP (IP Address) hoặccũng có thể có một Domain Name Giả sử khi bạn đánh vào thanhAddress trên trình duyệt của bạn một dòng http://www.abc.com sau

đó gõ phím Enter bạn sẽ gửi một yêu cầu đến một Server cóDomain Name là www.abc.com Server này sẽ tìm trang Web có tên

là index.htm rồi gửi nó đến trình duyệt của bạn

Bất kỳ một máy tính nào cũng có thể trở thành một WebServer bởi việc cài đặt lên nó một chương trình phần mềm ServerSoftware và sau đó kết nối vào Internet

Khi máy tính của bạn kết nối đến một Web Server và gửi đếnyêu cầu truy cập các thông tin từ một trang Web nào đó, WebServer Software sẽ nhận yêu cầu và gửi lại cho bạn những thông tin

mà bạn mong muốn

Giống như những phần mềm khác mà bạn đã từng cài đặt trênmáy tính của mình, Web Server Software cũng chỉ là một ứng dụngphần mềm Nó được cài đặt, và chạy trên máy tính dùng làm WebServer, nhờ có chương trình này mà người sử dụng có thể truy cậpđến các thông tin của trang Web từ một máy tính khác ở trên mạng(Internet, Intranet)

Web Server Software còn có thể được tích hợp với CSDL(Database), hay điều khiển việc kết nối vào CSDL để có thể truycập và kết xuất thông tin từ CSDL lên các trang Web và truyền tảichúng đến người dùng

Server phải hoạt động liên tục 24/24 giờ, 7 ngày một tuần và

365 ngày một năm, để phục vụ cho việc cung cấp thông tin trựctuyến Vị trí đặt server đóng vai trò quan trọng trong chất lượng vàtốc độ lưu chuyển thông tin từ server và máy tính truy cập

kí Khi một client gửi một bản tin đến một kênh vào đó, gọi làpublish.

Ví dụ : Một mạng đơn giản gồm 3 Client và một broker trung

tâm

Cả 3 khách hàng mở kết nối TCP với Broker Client B và C đăng

kí tới kênh nhiệt độ topic temperature

Tại một thời điểm nào đó, Client A gửi một giá trị 22.5 đếnkênh nhiệt độ topic temperature Broker sẽ chuyển bản tin đến tất cảcác Client đã đăng kí

Như vậy, cả Client B và C đều nhận được bản tin gửi từ A

Các mô hình publish/subscribe cho phép các Client MQTT cóthể giao tiếp 1-1, 1-N và N-1

Các kí hiệu

Trong MQTT, các kênh được phân cấp, giống như một hệ thống tập tin (ví dụ kitchen/oven/temperature) Giả sử ta có một topic phân cấpnhư sau: a/b/c/d

Các kí hiệu “+” và “#” được dùng khi đăng kí cho phép Client thấy được toàn bộ hệ thống phân cấp

Các kí tự “+” đại diện cho tên của bất kì phân cấp nào ngang hàng với nó

Ví dụ : topic a/+/b/c, khi client subscribe vào topic này, client có thể

nhận bản tin của các topic như a/x/b/c, a/y/b/c

Các kí tự “#” đại diện cho tất cả các cấp dưới nó, điều này có nghĩa

nó phải đứng cuối cùng trong địa chỉ đăng kí

Tầng ứng dụng qos (qualities of server)

Có 3 tùy chọn khi đăng kí kênh và gửi bản tin:

“Delivered at least once”: Gửi ít nhất một lần: Cần ít nhất 1 lần xác nhận từ đầu cuối tức là có thể có nhiều hơn một lần xác nhận đã nhận bản tin.

“Delivered exactly once”: Chỉ gửi một lần: Đảm bào khi gửi bản tin, phía nhận chỉ nhận được đúng 1 lần, quá trình này cần qua nhiều bước bắt tay

“Fire and forget”: Gửi và quên: Broker/Client sẽ gửi dữ liệu đúng 1 lần, quá trình gửi được xác nhận bởi giao thức TCP/IP

Lwt (last will and testament)

Các client MQTT có thể đăng ký một bản tin tùy chỉnh được gửi bởi broker nếu các client ngắt kết nối Những bản tin này có thể được dùng để báo cho các Clients đã đăng ký Subscriber khi một thiết bị ngắt kết nối

Ví dụ:

Giả sử có 1 cảm biến, nó gửi những dữ liệu quan trọng và rất không thường xuyên Nó có đăng ký trước với Broker một bản tin ở topic /node/gone-offline Và Client A đăng ký theo dõi topic /node/gone-offline, Broker sẽ gửi SMS tới mỗi khi nhận được tin nhắn nào ở kênh

mà Client theo dõi

Trong quá trình hoạt động, cảm biến luôn giữ kết nối với Broker bởi việc luôn gửi các bản tin cập nhật Nhưng nếu vì lý do gì đó, cảm biến này chuyển sang ngoại tuyến, kết nối tới Broker timeout

Lúc này, do cảm biến đã đăng ký LWT, do vậy Broker sẽ đóng kết nối của Cảm biến, đồng thời sẽ publish một bản tin cần thiết vào kênh /node/gone-offline, dĩ nhiên là Client cũng sẽ nhận được tin nhắn báoCảm đã ngoại tuyến

Khả năng duy trì bản tin

MQTT hỗ trợ lưu trữ các bản tin trong Broker để duy trì bản tin Khi publish các bản tin, các Client có thể yêu cầu broker duy trì các bản tin Chỉ có các bản tin mới nhất được lưu lại Khi một Client đăng kí đến một kênh, bất kì bản tin nào đã được đăng kí lưu trữ sẽ được gửi

Cả hai thiết sót được giải quyết bằng giao thức MQTT-SN, trong đó xác định một ánh xạ UDP của MQTT và thêm khả năng lập chỉ mục (indexing) tên các kênh cho broker.

Đám mây [5]

Có nhiều cách triển khai MQTT broker như:

 Dùng các ứng dụng opensource chạy broker trên máy tính củabạn

 Dùng các dịch vụ được xây dựng sẵn

CloudMQTT https://www.cloudmqtt.com/ để triển khai cho một thiết

bị đơn giản

Để chạy một kịch bản đơn giản giao tiếp giữa Broker với Client bạncần chú ý một số điểm sau:

 Tất nhiên cần có tối thiểu một Client và một Broker

 Thiết đặt Host, Port, Topic, có thể car user và password

Client Chúng ta sẽ xây dựng bằng esp8266

Broker Chúng ta sẽ cài đặt một Broker miễn phí trên dịch vụ

CloudMQTT Vào https://www.cloudmqtt.com/plans.html, Click Try

now for Free

Ở phần Sign up, bạn điền địa chỉ E-mail và Click Sign up

Hình 1.6 : Giao diện của Website MQTT

Hình 1.7 : Tạo một tài khoản

Tiếp theo, nhấn Creat để tạo MQTT broker

Hình 1.8 : Cửa sổ tạo tài khoản MQTT

Điền vào ô Name, nhấn Creat.

Click Details

Hình 1.9 : Quản lý tài khoản

Tại mục Manage Users điền tên user, mật khẩu password quản lí Client, nhấn Save.

Tại mục New Rule, User bạn chọn tên vừa tạo ở trên, đặt tên cho Topic, tick chọn Read Accsess và Write Accsess, click Save.

Hình 1.10 : Đặt các mục cần thiết

Chúng ta quan tâm đến một số thông số sau:

Hình 1.11 : Các thông số của MQTT Cloud

Hoàn thành cài đặt xong Broker

Chương 2 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

2.1 Linh kiện sử dụng

2.1.1 Vi điều khiển atmega328PU.

Hình 2.1 Vi điều khiển atmega328PUAtmega328 là một chíp vi điều khiển được sản xuất bời hãngAtmel thuộc họ MegaAVR có sức mạnh hơn hẳn Atmega8 Atmega

328 là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớchương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 1KBEEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi xử lý 8 bít(2KB SRAM), xung nhịp tối đa 20MHZ

Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra i/O, 32 thanh ghi, 3 bộ timer/counter có thể lập trình, có các gắt nội và

ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdogtimer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ bootloader

Hình 2.2 Sơ đồ chân atmega328PU

2.1.2 Module wifi ESP8266 Wemos D1 Mini.

Hình 2.3 Module ESP8266 Wemos D1 MiniESP8266 là một chip tích hợp cao - System on Chip (SoC), cókhả năng xử lý và lưu trữ tốt, cung cấp khả năng vượt trội để trang bịthêm tính năng wif cho các hệ thống khác hoặc đóng vai trò nhưmột giải pháp độc lập

Module wif ESP8266 v1 cung cấp khả năng kết nối mạng wifđầy đủ và khép kín, bạn có thể sử dụng nó để tạo một web serverđơn giản hoặc sử dụng như một access point.

Hình 2.4 Sơ đồ ra chân module ESP8066 Wemos D1 Mini

Thông số kỹ thuật

- CPU ESP8266 32 bit

- Có thể lập trình bằng C/C++, Arduino IDE, Micropython,NodeMCU - Lua

- Wif 802.11 b/g/n

- Wif 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2

- Chuẩn điện áp hoạt động 3.3V

- Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200

- Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client andAccess Point

- Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK,WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK

- Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP

- Tích hợp công suất thấp 32-bit CPU có thể được sử dụng như là

bộ vi xử lý ứng dụng

- SDIO 1.1 / 2.0, SPI, UART, I2C

- 11 IO, 1 analog in

Công suất: 200W

Mosfet IRF3205 là mosfet kênh N hay mosfet ngược.

Mosfet IRF3205 là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide

Semiconductor Field Effect Transistor) là một Transistor đặc biệt cócấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường Mosfet

thường có công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT, Mosfet

IRF3205 có công suất là 220W Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi

như là 1 khóa đóng mở

Hình 2.6 Sơ đồ chân IRF3205

Sơ đồ chân Mosfet IRF3205

G: Gate gọi là cực cổng

D: Drain gọi là cực máng

S: Source gọi là cực nguồn

2.1.4 IC so sánh LM339.

Hình 2.7 IC LM339

Thông số kỹ thuật:

Model: 14 chân, xuyên lỗ

Điện áp: 3V - 36V (Nguồn đơn)

Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70oC

IC so sánh LM339N gồm bốn bộ so sánh độc lập, với điện áp offset thấp cỡ 2mV cho cả 4 bộ so sánh LM339N được thiết kế để làm việc với một nguồn đơn trong dải điện áp rộng nhưng cũng có thể hoạt động từ nguồn kép Dòng điện cung cấp cho cực máng LM339N độc lập với nguồn cung cấp LM339 có đặc điểm nổi bật là vùng điện áp mode chung đầu vào bao gồm cả đất, ngay cả khi hoạt động từ nguồn đơn

Hình 2.8 Sơ đồ chân LM339

2.2 Sơ đồ nguyên lý.

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý