Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển tự động tiết kiệm điện cho các thiết bị dùng trong văn phòng tại Trường Đại học Lâm Nghiệp

Trong nghiên cứu này, một hệ thống điều khiển thiết bị điện tự động được áp dụng. Hệ thống điều khiển các thiết bị điện trong các phòng thực hành của toà nhà A1. Hệ thống dựa vào vị điều khiển ATMEGA328B, các cảm biến PIR (cảm biến hồng ngoại thụ động), cảm biến nhiệt độ và chip đếm thời gian thực để thực hiện thiết lập các chế độ hoạt động. Các chế độ hoạt động được thiết lập dựa vào lịch làm việc của từng phòng trong ngày...

Công nghiệp rừng THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TIẾT KIỆM ĐIỆN CHO CÁC THIẾT BỊ DÙNG TRONG VĂN PHÒNG TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP Lê Minh Đức1, Nguyễn Thành Trung2 1,2 Trường Đại học Lâm nghiệp 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 khí Trong nghiên cứu này, hệ thống điều khiển thiết bị điện tự động áp dụng Hệ thống điều khiển thiết bị điện phòng thực hành tồ nhà A1 Hệ thống dựa vào vi điều khiển ATMEGA328B, 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 độ hoạt động thiết lập dựa vào lịch làm việc phòng ngày Hệ thống có chức tự động ngắt hoạt động đèn, quạt sau khơng có người phòng làm việc; chuyển thiết bị điện điều khiển từ xa điều hòa, máy chiếu… chế độ tắt chờ sau khoảng thời gian khơng có người phòng lập trình trước (thông thường sau khoảng phút) tự động bật thiết bị điện sau phát có người phòng làm việc ngắt hoạt động tồn thiết bị điện phòng làm việc thời gian ngày nghỉ làm việc Hệ thống áp dụng phòng 201 nhà A1 đạt yêu cầu đề Từ khóa: Điều khiển thiết bị, thiết bị văn phòng, tiết kiệm điện ĐẶT VẤN ĐỀ Như biết, gần thiết bị sử dụng điện văn phòng làm việc ngày hoạt động độc lập với nhau, thiết bị có quy trình sử dụng khác tuỳ thuộc vào thiết lập, cài đặt người sử dụng Chúng chưa có liên kết với mặt liệu Nhưng hệ thống điều khiển tự động thiết bị thơng qua sóng hồng ngoại lại khác Ở đây, thiết bị điều khiển tự động kết nối với thành hệ thống hoàn chỉnh qua một thiết bị trung tâm giao tiếp với mặt liệu Điển hình hệ thống điều khiển tự động thiết bị sử dụng điện văn phòng gồm có thiết bị đơn giản bóng đèn, quạt… đến thiết bị tinh vi, phức tạp máy vi tính, điều hòa nhiệt độ… Nghĩa tất thiết bị giao tiếp với mặt liệu thông qua đầu não trung tâm Đầu não trung tâm máy vi tính hồn chỉnh xử lí lập trình sẵn tất chương trình điều khiển Việc thiết kế, chế tạo điều khiển tự động tiết kiệm điện cho thiết bị dùng văn phòng Trường Đại học Lâm nghiệp với mục 126 đích bước đầu nghiên cứu thiết kế, lắp đặt thiết bị điều khiển tự động việc bật/tắt thiết bị điện (đèn, quạt, điều hòa…) văn phòng làm việc cụ thể khơng có người phòng giải pháp quản lý điều khiển nhằm đem lại hiệu tiết kiệm tránh lãng phí điện kéo dài tuổi thọ hoạt động thiết bị PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu bao gồm thu thập liệu văn phòng làm việc thuộc khoa Cơ điện Cơng trình (nhà A1); xây dựng yêu cầu; thiết kế, lập trình cho điều khiển phần cuối tiến hành chạy thử nghiệm điều khiển 2.2 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết kết hợp với phương pháp thực nghiệm khoa học Trên sở khảo sát thực trạng hệ thống, đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu phân tích tổng hợp lý thuyết để đề xuất lựa chọn phương án thiết kế điều khiển Kết thiết kế tảng để lựa chọn thiết bị phương án thi công Áp dụng kết thực nghiệm vào hệ thống thực tế đồng thời sử dụng để hoàn thiện kết nghiên cứu lý thuyết TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2018 Công nghiệp rừng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thu thập liệu Mục đích việc thiết kế điều khiển để quản lý điều khiển đèn, quạt, điều hòa văn phòng làm việc cán quản lý nhằm tắt thiết bị hết làm việc hay khơng có người phòng để tránh lãng phí điện kéo dài tuổi thọ hoạt động thiết bị Thực tế khảo sát văn phòng làm việc nhà A1 Trường Đại học Lâm nghiệp cho thấy khoa Cơ điện Cơng trình sử dụng 02 tầng (tầng tầng 3) làm văn phòng làm việc cho Ban chủ nhiệm khoa môn STT chun mơn Các văn phòng làm việc thiết kế, xây dựng với kích thước giống Trang bị thiết bị cho phòng làm việc bao gồm: 01 quạt trần, 04 đèn 01 máy điều hòa Thời gian làm việc phòng khác tùy vào đối tượng sử dụng Các phòng làm việc hoạt động theo hành Đèn hành lang dãy phòng mở từ 18 ngày hơm 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 hệ thống Tên yêu cầu Nội dung yêu cầu - Bộ điều khiển phải an toàn cho người sử dụng - Bộ điều khiển phải dễ dàng sử dụng cho tất đối tượng - Bộ điều khiển sử dụng không thay đổi hệ thống An toàn sử dụng, lắp đặt 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 phòng - Khi thiết bị điện sử dụng cảm biến phát người khơng phòng tự động tắt bớt thiết bị theo thời gian tắt hết - Có đồng hồ thời gian thực hiển thị LCD cho phép Thời gian quản lý, điều khiển chỉnh thời gian sai - Từ 21 trở chuyển sang chế độ báo động phát người phòng (chọn cho phép không cho phép) 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 3.2 Lựa chọn phương án điều khiển Các thiết bị điện văn phòng thường có bao gồm: thiết bị chiếu sáng, quạt, điều hòa… với phương thức điều khiển sử dụng công tắc bật/tắt điều khiển từ xa (remote) hồng ngoại Vậy để thực mục tiêu đưa ra, thiết bị thiết kiệm điện phải giải vấn đề sau: - Bật/tắt thiết bị thông qua remote hồng ngoại - Tự động tắt thiết bị khơng có người phòng sau khoảng thời gian ấn định trước Từ kết khảo sát, đánh giá trạng hệ thống thiết bị điện văn phòng Trường Đại học Lâm nghiệp, tác giả lựa chọn phương án sử dụng rơ le LED phát tín hiệu hồng ngoại để điều khiển thiết bị Với đa dạng chủng loại kết cấu thiết bị điện sử dụng phương án đạt tính tối ưu kinh tế kỹ thuật Sơ đồ khối điều khiển tự động tiết kiệm điện mơ tả hình 1: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2018 127 Cơng nghiệp rừng Hình Sơ đồ khối điều khiển tự động tiết kiệm điện Nguồn cung cấp lấy từ điện áp lưới 220V xoay chiều cấp cho khối biến đổi nguồn, relay cảm biến Dựa vào tín hiệu từ đầu cảm biến chương trình lập trình, khối điều khiển đưa tín hiệu điều khiển đóng/ngắt tới relay phát tín hiệu hồng ngoại, sau tín hiệu đưa tới thiết bị điện để bật/tắt Việc điều khiển tự động lập trình khối điều khiển thực hệ thống khởi động 3.3 Thiết lập cấu trúc hệ thống Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tự động tiết kiệm điện trình bày hình Hệ thống chia thành phân khu làm việc: Hình Sơ đồ cấu trúc tự động điều khiển tiết kiệm điện 128 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2018 Công nghiệp rừng a) Phân khu Nguồn Điều khiển nguồn: làm việc với điện áp cao (220VAC ÷ 250 VAC) Bao gồm khối Biến đổi điện áp Rơ le đóng/ngắt b) Phân khu Xử lý liệu: làm việc với điện áp thấp (5VDC) Bao gồm khối Nhập liệu, Xuất liệu Vi điều khiển  Khối nhập liệu: bao gồm cảm biến thu tín hiệu hồng ngoại, cảm biến PIR;  Khối xuất liệu: bao gồm LED phát tín hiệu hồng ngoại, LED báo, loa báo động Servo;  Khối Vi điều khiển: Sử dụng song song chip ATMEG328P tích hợp vào 02 board Arduino Pro mini lập trình trước, điều khiển liệu vào/ra c) Phân khu Các thiết bị điện điều khiển remote:  Các thiết bị điện văn phòng: đèn chiếu sáng, quạt, điều hòa… Remote: điều khiển từ xa hệ thống điều khiển 3.4 Lập trình mơ hệ thống máy tính 3.4.1 Lưu đồ thuật tốn Hình Lưu đồ thuật tốn điều khiển * Board Arduino Promini 01: Lưu đồ thuật tốn chương trình trình bày hình Sau khởi động chương trình, hệ thống kiểm tra xem phòng có người khơng? Bằng sử dụng cảm biến PIR + Nếu khơng có người tắt tồn thiết bị điện (đóng tất rơ le phát tín hiệu hồng ngoại tắt đến LED phát hồng ngoại); + Nếu có người tiếp tục chờ lệnh điều khiển từ remote: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2018 129 Cơng nghiệp rừng Hình Lưu đồ thuật toán điều khiển Arduino Promini 02 * Board Arduino Promini 02: Lưu đồ thuật tốn chương trình trình bày hình Sau khởi động chương trình, hệ thống chờ tín hiệu điều khiển từ Board Arduino 01 từ chân A2 A3 + Nếu A2 có mức điện áp thấp (bằng 0) Vi điều khiển gửi tín hiệu tắt tới LED phát hồng ngoại; + Nếu A3 có mức điện áp thấp (bằng 0) Vi điều khiển gửi tín hiệu bật tới LED phát hồng ngoại Sau tiếp tục thực chương trình điều khiển động Servo 3.4.2 Kết mơ hệ thống * Thu tín hiệu từ điều khiển remote điều hòa: Hình Tín hiệu đo từ remote điều hòa * Tín hiệu phát từ tự động điều khiển tiết kiệm điện: Hình Tín hiệu phát từ tự động điều khiển tiết kiệm điện Nhận xét: Bộ điều khiển phát tín hiệu hồng ngoại trùng với tín hiệu điều khiển remote điều hòa 130 3.5 Thiết kế, lắp đặt vận hành thử nghiệm điều khiển 3.5.1 Thiết kế mạch in TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2018 Công nghiệp rừng Thực việc thiết kế mạch phần mềm Altium ta kết sau: Hình Sơ đồ mạch in dạng 3D điều khiển Sau hoàn thành thiết kế mạch in, tiến hành chế tạo, lắp ráp đóng gói ta thu sản phẩm hồn chỉnh có giao diện mơ tả hình Hình Giao diện điều khiển hồn chỉnh 3.5.2 Lắp đặt điều khiển Hình Kết lắp đặt điều khiển TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2018 131 Cơng nghiệp rừng Sau hồn thành thiết kế, chế tạo điều khiển, giai đoạn ta tiến hành lắp đặt điều khiển với hệ thống điện Văn phòng Khoa Cơ điện Cơng trình Việc lắp đặt thực theo trình tự sau đây: Bước 1: Ngắt nguồn điện lưới 220VAC (ngắt cầu dao) Bước 2: Gắn cố định điều khiển vị trí xác định trước Bước 3: Kết nối nguồn điện lưới 220VAC công tắc điện với điều khiển Bước 4: Cấp trở lại nguồn điện lưới 220VAC (đóng cầu dao) Bước 5: Khởi động điều khiển (nhấn công tắc nguồn) 3.5.3 Vận hành thử nghiệm điều khiển Sau lắp đặt điều khiển kết nối với hệ thống điện Văn phòng Khoa Cơ điện Cơng trình, tiến hành vận hành thử nghiệm thời gian từ 27/11/2017 đến 04/12/2017 Dưới kết hoạt động điều khiển sau vận hành thử nghiệm a) Khi văn phòng có người: Hình 10 Giao diện điều khiển có người văn phòng b) Khi khơng có người văn phòng: Hình 11 Giao diện điều khiển khơng có người văn phòng 132 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2018 Công nghiệp rừng KẾT LUẬN Bộ điều khiển cho phép tắt thiết bị điện văn phòng dựa vào việc điều khiển rơ le tín hiệu hồng ngoại phòng làm việc khơng có người khoảng thời gian định trước Đối với thiết bị đèn, quạt tự động tắt/bật khơng/có người phòng; thiết bị điều hòa chuyển chế độ tắt chờ (Stanby) khơng có người phòng với khoảng thời gian phút tự động hoạt động có người phòng Tất thiết bị điện tắt khoảng thời gian nghỉ trưa (từ 11h30 đến 13h00), hết làm việc (từ 17h30 ngày hôm trước đến 7h00 ngày hôm sau) ngày nghỉ làm việc Trong khoảng thời gian 03 tháng, từ tháng 9/2017 đến tháng 11/2018, điều khiển hoạt động ổn định, chế độ lập trình từ trước Tuổi thọ hoạt động thiết bị điện kéo dài so với điều khiển thủ công tắt/bật Điều minh chứng cho hiệu tiết kiệm lượng điện tính đắn việc thiết kế điều khiển tự động tiết kiệm điện TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Đình Phú (2012) Vi xử lý Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh Nguyễn Đình Phú (2012) Vi xử lý Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh Sỹ Hậu Nguyên (2012) Giáo Trình Hướng Dẫn Sử Dụng Altium Designer 10, truy cập địa http//www.PCB.vn Đỗ Tiến Đạt (2010) Hướng dẫn Altium Designer Đại học Công nghiệp Hà Nội D.D Hatley, R.J Meador, S Katipamula, M.R Brambley (2010) Energy Management and Control System: Desired Capabilities and Functionality Pacific Northwest National Laboratory DESIGN OF AN EFFECTIVE POWER CONSUMPTION CONTROLLER AT THE VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY OF FORESTRY Le Minh Duc1, Nguyen Thanh Trung2 1,2 Vietnam National University of Forestry SUMMARY 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 A1 The system based on the micro proccessor ATMEGA328P, the sensor PIR (Passive Infrared Sensor) and Real Time IC to install the oparation The operating mode is set up based on the schedule of each day These are: the system has the function of automatically disconnecting the operation of the lamp, fan immediately when no person is in the office; Transfer of remote controlled electrical equipment such as air conditioners, projectors to the standby mode after an unplanned period of time (normally after about minutes) and automatic switching of the equipment electricity immediately on after detecting someone in the work room or disconnect the operation of all electrical equipment in the work room during the day off work The system has been applied in room 201 - block A1 has set requirements Keywords: Control device, office equipment, save energy Ngày nhận Ngày phản biện Ngày định đăng : 05/6/2018 : 02/11/2018 : 09/11/2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2018 133 ... tắt/mở tất thiết bị thường dùng phòng nút nhấn 3.2 Lựa chọn phương án điều khiển Các thiết bị điện văn phòng thường có bao gồm: thiết bị chiếu sáng, quạt, điều hòa… với phương thức điều khiển sử... phát từ tự động điều khiển tiết kiệm điện Nhận xét: Bộ điều khiển phát tín hiệu hồng ngoại trùng với tín hiệu điều khiển remote điều hòa 130 3.5 Thiết kế, lắp đặt vận hành thử nghiệm điều khiển. .. khơng có người văn phòng 132 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ - 2018 Cơng nghiệp rừng KẾT LUẬN Bộ điều khiển cho phép tắt thiết bị điện văn phòng dựa vào việc điều khiển rơ le tín