Thiết kế và thi công mạch điều khiển và giám sát thiết bị 220VAC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THIẾT BỊ 220VAC Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN- ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN- ĐIỆN TỬ Giảng viên hướng dẫn : Th.S Phạm Quốc Phương Sinh viên thực : Trần Hồng Phúc MSSV : 1311020025 Lớp : 13DDC01 TP Hồ Chí Minh, 2017 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, khơng chép Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu, thông tin đăng tác phẩm, tạp chí trang web theo danh mục tài liệu luận văn T.P Hồ Chí Minh, ngày 25, tháng 12, năm 2017 Trần Hồng Phúc Commented [pt1]: LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô hướng dẫn bảo tận tình thời gian em làm Đồ Án Tốt Nghiệp vừa qua, đặc biệt Viện Kỹ Thuật Hutech tạo điều kiện thuận lợi cho em hồn thành đồ án Em vơ biết ơn Thầy Phạm Quốc Phương người trực tiếp hướng dẫn bảo tận tình cho em hồn thành đồ án Thiết Kế Thi Cơng mạch điều khiển giám sát thiết bị 220vac Vì lần thiết kế thi công mạch với kiến thức thời gian có hạn nên khơng tránh khỏi nhiều sai sót Với ước mong học hỏi, em mong nhận bảo đóng góp thầy cô hướng đẫn rút kinh nghiệm để lần sau làm tốt MỤC LỤC CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Giới thiệu khái quát đề tài: 1.2 Khái quát công nghệ PLC ( power-line communication): 1.2.1 Định nghĩa: 1.2.2 Lịch sử phát triển PLC: 1.2.3 Các Chuẩn PLC 10 1.2.4 Ứng Dụng: 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1 Một số vấn đề cần lưu ý PLC: .13 2.1.1 Nhiễu điện: 13 2.1.2 Suy hao: 13 2.1.3 Phối hợp trở kháng: 13 2.1.4 Mạng PLC tốc độ thấp (Lowspeed Powerline) 13 2.2 Cấu trúc hệ thống PLC: 15 2.3 phần tử mạng PLC: 16 2.3.1 phần tử bản: 16 2.3.2 trạm lặp: .17 2.2.3 Cổng kết nối PLC: .18 2.3 Kết nối đến mạng lỗi truy cập PLC: 19 2.3.1 Các mơ hình kết nối: 19 2.3.2 Quản lí mạng truy cập PLC: 22 2.4 Các yếu tố ảnh hưởng truyền thông PLC: 23 2.4.1 Đặc tính kênh truyền đường cáp điện: .23 2.4.2 Sự giới hạn băng thông: .24 2.4.3 Nhiễu đượng cáp điện: 26 2.4.4 Nhiếu tần số 50Hz: 26 2.4.5 Nhiễu xung đột biến: 26 2.4.6 Nhiễu xung tuần hoàn: .27 2.4.7 Nhiễu xung kéo dài: 28 2.4.8 Nhiễu chu kì khơng đồng bộ: .28 2.4.9 Nhiễu sóng radio: .29 2.4.10 Nhiễu nền: 29 2.5 Trở kháng đường truyền phối hợp trở kháng: 29 2.6 Suy hao lưới điện: .30 2.7 Hiện tượng sóng dừng 30 2.8 Sự phát xạ sóng điện từ khả gây nhiễu .31 2.9 Tổng trở suy giảm 32 2.10 Mạch power-line communication KQ-130F: 33 2.10.1 Giới thiệu mạch power-line communication: .34 2.10.2 sơ đồ nguyên lí mạch power-line communication: 35 2.11 Giới thiệu Arduino trình biên dịch: 37 2.11.1 Giới thiệu chung Arduino 37 2.11.2 Giới thiệu ngơn ngữ lập trình trình biên dịch Arduino 38 2.12 vi điều khiển ATmega328p-AU: 39 2.13 Mạch biến đổi điện áp 220VAC-5VDC: 42 2.14 Cảm ứng chạm điện dung TTP223B: 44 2.15 Module relay bán dẫn 5VDC: .45 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 47 3.1 Thiết kế: 47 3.1.1: sơ đồ tương tác module: .47 3.1.2: Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển: 48 3.1.3 sơ đồ nguyên lí mạch nhận: 49 3.1.4 Nguyên lí hoạt động mạch 50 3.1.5 Thiết kế mạch PCB phần mềm Proteus: .50 3.2 Mạch thi công: 51 3.2.1: Mạch PCB thực tế: 51 3.2.2: Hoạt động thực tế mạch: 52 3.3 Kết thực nghiệm: .53 3.3.1: Thực nghiệm với khoảng cách truyền 1m không qua thiết bị khác: 53 3.3.2: Thực nghiệm với khoảng cách truyền khoảng 11m không qua thiết bị khác: 54 3.3.3: Thực nghiệm với đường truyền 25m kết nối mạng điện gia đình: 55 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN- ĐÁNH GIÁ .58 4.1 Kết luận: 58 4.1.1: Ưu điểm: 58 4.1.2: Khuyết điểm: 58 4.2 Đánh giá hướng phát triển: 59 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần giới với phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp chế tạo linh kiện bán dẫn vi mạch tổng hợp, hướng phát triển vi xử lý hình thành vi điều khiển Với nhiều ưu điểm, vi điều khiển sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Bằng cách áp dụng vi khiển trình sản xuất xử lý, vi điều khiển thực thể ưu so với thiết bị điều khiển thơng thường.Vì lý trên, nhiều trường Đại Học, Cao Đẳng, vi xử lý thực trở thành môn học quan trọng Mơn học có nhiều ứng dụng vào thực tiễn điều khiển hoạt động thiết bị điện- điện tử mà xử lí hồn tồn tự động mà có can thiệp từ phía người Việc làm cho can thiệp người giảm thiểu, giúp an toàn lao động, vận hành điều khiển Vi điều khiển ứng dụng rộng rãi đời sống ngày, ngày nhiều cơng trình nghiên cứu ứng dụng vào thực tế như: nhà thông minh, giúp cho việc điều khiển thiết bị hộ hoàn toàn tự động tùy vào mục đích sử dụng cá nhân Điều khiển hộ từ xa thông qua wifi, internet,… giám sát hoạt động thiết bị hộ Vi điều khiển ứng dụng nghành sản xuất cơng nghiệp máy móc điều khiển hoàn toàn tự động điều khiển PLC cơng nghiệp, nơng nghiệp có dự án phát triển hệ thống nhà vườn thông minh mà chăm sóc, ni trồng thực cách tự động thơng qua xử lí vi điều khiển lập trình sẵn cảm biển cung cấp thông tin cho vi điều khiển hoạt động Vì lí nên việc ứng dụng điều khiển thiết bị điện thông qua phương pháp PLC (power-line communication) quan trọng ứng dụng tự động hóa Và đề tài thiết kế thi cơng điều khiển thiết bị điện 220VAC thông qua phương pháp PLC thực Đề tài giúp hồn thiện hiểu biết truyền thông qua đường dây điện PLC, ứng dụng vi điều khiển để điều khiển hoạt động thiết bị điện 220VAC nhằm hồn thiện thiết kế nhà thơng minh, cơng trình điều khiển thiết bị mà cần đường dây truyền tải điện mà không cần thêm đường dây khác Về đề tài nghiên cứu điều khiển thiết bị điện 220VAC thông qua phương pháp PLC qua phát triển rộng ứng dụng vào sống ngày Việc nghiên cứu thực đề tài sử dụng phần mềm chuyên dụng cho việc thiết kế lập trình mơ hoạt động mạch như: Proteus phần mềm mô hoạt động mạch nguyên lí , Arduino IDE phần mềm viết code cho vi điều khiển thuộc họ ATmega có mã nguồn mở Thơng qua q trình thực đề tài giúp ta nằm rõ việc thi công mạch PCB, lập trình cho vi điều khiển có họ ATmega phương pháp hoạt động phương pháp PLC Đề tài gồm có chương : Chương 1: Giới thiệu khái quát công nghệ PLC Chương 2: Cơ sở lý thuyết module sử dụng Chương 3: Thiết kế, thi công, thực nghiệm kết đạt Chương 4: Kết luận, đánh giá hướng phát triển đề tài CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Giới thiệu khái quát đề tài: - Hiện với phát triển không ngừng nghỉ khoa học kĩ thuật cơng nghệ, việc sử dụng lượng q trình sản xuất, sử dụng hộ gia đình, chiếu sáng,… ngày không ngừng phát triển - Đáp ứng phát triển cơng nghệ truyền thơng qua đường dây điện nghiên cứu ứng dụng rộng rãi lĩnh vực công nghiệp đời sống Công nghệ truyền thông qua đường dâu điện gọi tắt PLC ( power-line communication ) ứng dụng nhiều đời sống ứng dụng điều khiển nhà thơng minh, sử dụng tịa nhà, văn phịng mà khơng sử dụng sóng truyền cần bảo mật Xuất phát từ ý tưởng với đề tài ứng dụng cơng nghệ PLC thiết kế thi công mạch điều khiển thiết bị 220VAC đời 1.2 Khái quát công nghệ PLC ( power-line communication): 1.2.1 Định nghĩa: - công nghệ truyền thông PLC (power-line communication) công nghệ sử dụng mạng lưới đường dây điện cho mục đích truyền tải thơng tin nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư Để truyền thồng tin qua phương tiện truyền dẫn dây điện cần phải có thiết bị đầu cuối PLC modem, modem có chức biến đổi tín hiệu từ thiết bị viễn thơng truyền thống máy tính, điện thoại sang định dạng phù hợp để truyền qua đường dây dẫn điện Hiện nay, công nghệ PLC sử dụng cho ứng dụng thương mại nhà hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hóa… Các ứng dụng truyền tin dựa PLC nhiều tiềm cần tiếp tục khái phá Commented [P2]: Định dạng lại Commented [P3]: Chỉnh lại khoảng cách Ghi tiêu đề theo Chương 1: 1.1 1.1.1 1.1.2 1.2 Làm cho tất chương 1.2.2 Lịch sử phát triển PLC: -Truyền thông đường dây điện hẹp bắt đầu sau nguồn cung cấp điện trở nên phổ biến Khoảng năm 1922, hệ thống tần số sóng mang bắt đầu hoạt động đường dây cao áp với tần số từ 15 đến 500 kHz cho mục đích đo từ xa điều tiếp diễn Các sản phẩm tiêu dùng báo thức cho trẻ sơ sinh có sẵn từ năm 1940 Vào năm 1930, tín hiệu sóng mang gợn sóng đưa vào hệ thống phân phối trung bình (10-20 kV) điện áp thấp (240/415 V) -Électricité de France (EDF) phát triển hệ thống gọi "phím thay đổi tần số lan truyền" S-FSK Xem IEC 61334 Đây hệ thống chi phí thấp đơn giản với lịch sử lâu dài; nhiên có tốc độ truyền chậm, từ 200 đến 800 bit / giây Vào năm 1970, Công ty Điện lực Tokyo tiến hành thí nghiệm báo cáo hoạt động hai chiều thành công với hàng trăm đơn vị.GridComm quảng cáo "GridNet tốc độ cao, khơng có lỗi", mà mô tả cách sử dụng "mạng lưới điện bạn phương tiện truyền liệu hiệu cao" vào năm 1980 -Kể từ đó, có gia tăng quan tâm việc sử dụng tiềm kỹ thuật truyền thông kỹ thuật số xử lý tín hiệu số Các ổ đĩa để sản xuất hệ thống đáng tin cậy mà giá rẻ đủ để cài đặt rộng rãi cạnh tranh chi phí có hiệu với giải pháp khơng dây Tuy nhiên, kênh truyền thông đường dây hẹp cho thấy nhiều thách thức kỹ thuật; mơ hình kênh tốn học khảo sát cơng việc có sẵn -Đường dây mạng (PLN) sử dụng hệ thống dây điện tại, dù tòa nhà hay mạng lưới điện, cáp mạng, có nghĩa chúng mang tín hiệu - Module thiết kế rõ phần điều khiển hoạt động relay điều khiển nguồn điện tải, có led báo trạng thái hoạt động Hình 2.27: mudule relay bán dẫn 5VDC Thông số kỹ thuật: -SSR: OMRON G3MB202P - Điện áp kích: 5VDC - Dịng tiêu thụ: 20mA - Điện áp đóng ngắt : từ 75 đến 250VAC (50/60 Hz) - Dịng điện đóng ngắt: 0.1-2A - Cách ly chóng chạm: photo triac 46 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 3.1 Thiết kế: 3.1.1: sơ đồ tương tác module: Hình 3.1: sơ đồ tương tác module - Nguồn 220VAC cung cấp cho module biến đổi điện áp thành 5VDC cung cấp nguồn cho Arduino nano hoạt động module SSR hoạt động đồng thời đường dây để module KQ-130F truyền nhận liệu - Nút nhấn điều khiển việc truyền tín hiệu thơng qua việc lập trình cho Arduino nano Arduino nano mạch điều khiển gửi liệu nhấn nút truyền liệu 47 qua KQ-130F, KQ-130F gửi liệu qua đường dây điện Khi Arduino nano mạch nhận nhận liệu liệu trả đường gửi, thông qua KQ-130F gửi Arduino nano hồn tất q trình truyền - Arduino nano mạch nhận nhận liệu lọc so sánh liệu có trùng khớp với liệu thiếp lập sẵn khơng, trùng vi điều khiển điều khiển việc hoạt động module SSR, SSR điều khiển hoạt động tải 3.1.2: Sơ đồ ngun lí mạch điều khiển: Hình 3.2: sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển - Kết nối chân tương ứng mạch KQ-130F từ xuốn chân kết nối với nguồn xoay chiều 220VAC, chân số số kết nối với nguồn 5VDC, chân số kết nối với GND, chân số kết nối với TXD vi điều khiển, chân số kết nối với chân RXD vi điều khiển 48 - Sử dụng nút nhấn để điều khiển việc truyền nhận liệu kết nối với chân data số vi điều khiển sử dụng led phát sáng thông báo nhấn nút nhấn gửi liệu 3.1.3 sơ đồ ngun lí mạch nhận: Hình 3.3: sơ đồ nguyên lí mạch nhận - Kết nối chân tương ứng mạch KQ-130F từ xuốn chân kết nối với nguồn xoay chiều 220VAC, chân số số kết nối với nguồn 5VDC, chân số kết nối với GND, chân số kết nối với TXD vi điều khiển, chân số kết nối với chân RXD vi điều khiển - Sử dụng nút nhấn để điều khiển việc truyền nhận liệu kết nối với chân data số vi điều khiển sử dụng led phát sáng thông báo hoạt động SSR - Mạch SSR kết nối với tải đèn điều khiển vi điều khiển ATmega qua chân số 13 49 3.1.4 Nguyên lí hoạt động mạch Mạch hoạt động dựa truyền tải lượng điện Khi ta nhấn nút nhấn mạch điều khiển, lúc vi điều khiển gửi số chuỗi kí tự lập trình sẵn gửi qua mạch KQ-130F, chuỗi kí tự mạch xử lí hịa vào lưới điện 220VAC truyền theo đường dây điện dạng lượng điện Mạch KQ-130F mạch nhận lọc chuỗi kí tự từ mạng lưới điện truyền vi điều khiển để vi điều khiển so sánh chuỗi kí tự vừa nhận Nếu chuỗi kí tự nhận trùng với chuỗi mà vi điều khiển lập trình sẵn điều khiển chân D13 hoạt động mức cao đèn led sáng Do mạch SSR nối với chân D13 nên đèn sáng SSR hoạt động mức thấp ngược lại đèn led tắt mạch SSR hoạt động mức cao Khi mạch SSR hoạt động mức thấp đèn 220VAC tắt ngược lại mạch SSR hoạt động mức cao đèn sáng 3.1.5 Thiết kế mạch PCB phần mềm Proteus: Do việc kết nối mạch điều khiển mạch nhận gần giống nên việc thiết kế mạch PCB giống Và mạch điều khiển dung làm mạch nhận ngược lại mạch nhận sử dụng để làm mạch điều khiển 50 Hình 3.4: mạch PCB thiết kế 3.2 Mạch thi công: 3.2.1: Mạch PCB thực tế: Commented [P7]: Chỉnh kích thước hình ảnh nhỏ lại Hình 3.5: mạch PCB thực tế 51 Hình 3.6: mặt trước mạch PCB 3.2.2: Hoạt động thực tế mạch: Hình 3.7: Mạch nhận chưa liệu từ mạch điều khiển 52 Hình 3.8: Mạch hoạt động nhấn cảm biến mạch điều khiển 3.3 Kết thực nghiệm: 3.3.1: Thực nghiệm với khoảng cách truyền 1m không qua thiết bị khác: Hình 3.9: Chưa chạm cảm biến mạch điều khiển 53 Hình 3.10: Chạm cảm biến sau 0.5s đèn sáng 3.3.2: Thực nghiệm với khoảng cách truyền khoảng 11m khơng qua thiết bị khác: Hình 3.11: Đường dây truyền 11m kết nối mạch 54 Hình 3.12: Mạch hoạt động sau khoảng 1s chạm vài cảm biến 3.3.3: Thực nghiệm với đường truyền 25m kết nối mạng điện gia đình: Hình3.13: Vị trí mạch điều khiển 55 Hình 3.14: Vị trí đặt mạch nhận chưa chạm cảm biến mạch điều khiển Hình 3.15: Sau khoảng 2s chạm cảm biến mạch điều khiển 56 - Thực tế truyền liệu mạch phụ thuộc vào chiều dài truyền dẫn, sóng nhiễu sinh hoạt động thiết bị khác gia đình nên tốc độ điều khiển chậm 57 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN- ĐÁNH GIÁ 4.1 Kết luận: 4.1.1: Ưu điểm: - Chi phí thiết kế thi công tương đối thấp, phù hợp sử dụng hộ gia đình, phịng có thiết kế khơng truyền sóng khơng khí Mạch hoạt động ổn định nhiệt độ thống mát bình thường nơi kín, nóng - Dễ lập trình cho vi điều khiển sử dụng Arduino nano có mã nguồn mở Chi cần kiến thức điện- điện tử thiết kế thi cơng mạch Các module dễ dàng tìm kiếm shop điện- điện tử thuận tiện cho việc thi cơng mạch - Có tính an tồn cao module có phần cách li, chóng chạm tích hợp sẵn Có nhiều ứng dụng điều khiển thiết bị sử dụng nguồn 220VAC, xây dựng thành hệ thống thông minh nhà thơng minh, phịng nghiên cứu thơng minh, hệ thống bật tắt đèn thơng minh chung cư tịa nhà… - Tiết kiệm chi phí lắp đặt thêm đường dây điện để điều khiển, kết nối mạng để cần điều khiển 4.1.2: Khuyết điểm: - Mạch thơ lớn sử dụng module sẵn có - Tốc độ điều khiển hạn chế suy hao trình truyền nhiễu hoạt động thiết bị khác - Chỉ truyền mạng lưới điện 220VAC kết nối với 58 - Khoảng cách truyền hạn chế truyền xa mạch nhận lâu nhận liệu làm mạch chậm hoạt động 4.2 Đánh giá hướng phát triển: - Do thiết kế mạch cịn thơ lớn nên thiết kế mạch nhỏ gọn cách thiết kế lại phần mạch PCB mà module như: biến đổi điện áp xung, relay bán dẫn xếp mạch - Do truyền mạng điện 220VAC kết nối với nên nghiên cứu thêm truyền đường dây khác 220VAC để phục vụ nhiều mục đích khác như: truyền qua đường dây trung thế, cao thế,… - Tăng khoảng cách truyền, mạch truyền ổn định thời gian 2s khoảng 50m nên việc cần thiết để điều khiển hệ thống lớn - Phát triển hệ thống điều khiển lớn xưởng sản xuất khu cơng nghiệp, đóng ngắt điều khiển dòng điện trung thế, cao thê 59 Tài liệu tham khảo: Commented [P8]: Bỏ trang wikipedia Thêm vào trang web nhà sản xuất … Bỏ gạch chân http://hshop.vn/products/mach-nguon-xung-220vac-sang-5vdc-700ma http://hshop.vn/products/cam-ung-1-cham-dien-dung-ttp223b http://hshop.vn/products/mach-power-line-communication-kq-130f https://www.arduino.cc/ http://arduino.vn/ http://www.kq100.com/?/XiaZaiZhongXin/104/1.html 60 ... hóa Và đề tài thi? ??t kế thi công điều khiển thi? ??t bị điện 220VAC thông qua phương pháp PLC thực Đề tài giúp hồn thi? ??n hiểu biết truyền thông qua đường dây điện PLC, ứng dụng vi điều khiển để điều. .. cá nhân Điều khiển hộ từ xa thông qua wifi, internet,… giám sát hoạt động thi? ??t bị hộ Vi điều khiển ứng dụng nghành sản xuất công nghiệp máy móc điều khiển hồn tồn tự động điều khiển PLC công nghiệp,... tưởng với đề tài ứng dụng công nghệ PLC thi? ??t kế thi công mạch điều khiển thi? ??t bị 220VAC đời 1.2 Khái quát công nghệ PLC ( power-line communication): 1.2.1 Định nghĩa: - công nghệ truyền thông