Thử nghiệm thiết bị điều khiển và giám sát dòng điện thông qua mạng GSM Experimental design electric current measurement device

Thử nghiệm thiết bị điều khiển và giám sát dòng điện thông qua mạng GSM Experimental design electric current measurement device NXB H. : ĐHCN, 2012 Số trang 86 tr. + Đào Nam Thái Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS ngành: Kỹ thuật điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS Ngô Diên Tập

Thử nghiệm thiết bị điều khiển và giám sát dòng điện thông qua mạng GSM Experimental design electric current measurement device NXB H. : ĐHCN, 2012 Số trang 86 tr. + Đào Nam Thái Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS ngành: Kỹ thuật điện tử; Mã số: 60 52 70 Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS Ngô Diên Tập Năm bảo vệ: 2012 Abstract. Tác giả tập trung nghiên cứu thiết kế phần cứng thiết bị đo vi điều khiển dsPIC33FJ28MC804 làm IC xử lý trung tâm và một số tính năng cơ bản của phần mềm giám sát modem SIM900 của Simcom, cấu hình chạy trên máy tính, thực hiện việc truyền dữ liệu thông suốt từ các đầu đo về máy chủ qua SMS và biểu diễn những thông số này trên đồ thị của phần mềm quản lý. Keywords: Kỹ thuật điện tử; Mạng truyền thông; Thiết bị điều khiển; Dòng điện; Kỹ thuật truyền thông Content. LỜI MỞ ĐẦU Giới thiệu mô hình tổng quan của đề tài Bài toán đặt ra của luận văn này là “Thử nghiệm thiết bị điều khiển và giám sát dòng điện thông qua mạng GSM”. Tất cả các thông tin về đối tượng giám sát và điều khiển đều được truyền về một máy chủ qua hạ tầng mạng GSM bằng SMS hoặc kết nối GPRS. Người dùng có thể sử dụng trình duyệt để truy cập, quan sát các thông số này ở bất kỳ nơi nào có kết nối internet. Hình dưới đây mô tả sơ đồ hệ thống của bài toán này: Thành phần cơ bản của hệ thống bao gồm: - Thiết bị giám sát dòng điện. - Phần mềm giám sát và cấu hình chạy trên điện thoại di động hoặc ứng dụng web chạy trên máy tính. Nội dung chi tiết của bản luận văn bao gồm: Phần I: LÝ THUYẾT - Chương 1: Mô tả về họ vi điều khiển dsPIC33 và các ngoại vi liên quan. - Chương 2: Mô tả khối truyền thông qua mạng GSM: SIM900. - Chương 3: Các phương pháp đo dòng điện xoay chiều. Phần II: THỰC NGHIỆM - Chương 4: Các bước thực hiện và kết quả. Phần III: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI - Nhận xét, đánh giá các kết quả đạt được và hướng phát triển của đề tài. Hình 1-1: Hệ thống giám sát dòng điện Nguyên tắc hoạt động: Thiết bị giám sát dòng điện thu thập các thông số về cường độ dòng điện, điện áp, góc pha. Trước hết, các thông số này được lưu trên thẻ nhớ nằm trên thiết bị, sau đó, thiết bị kiểm tra kết nối với mạng di động và truyền dữ liệu về máy chủ bằng tin nhắn hoặc kết nối GPRS nếu có. Thiết bị này cũng có thể truyền dữ liệu thông qua các chuẩn công nghiệp như RS-485, RS-232, CAN. Tại máy chủ, phần mềm quản lý tổng hợp thông tin, biểu diễn các giá trị đo được trên biểu đồ năng lượng. Ngoài ra, phần mềm trên máy chủ còn cho phép tính toán chi phí tiêu thụ điện hàng tháng, đưa ra các dự đoán, các cảnh báo khi dòng điện vượt quá mức cho phép và đặc biệt phần mềm này còn cho phép đặt các thông số của thiết bị đo từ xa đồng thời thực hiện một số thao tác điều khiển đóng ngắt một số rơle được thiết kế sẵn trên thiết bị. Vì lý do thời gian, nên trong khuôn khổ luận văn này, tôi chỉ tập trung nghiên cứu thiết kế phần cứng thiết bị đo và một số tính năng cơ bản của phần mềm giám sát, cấu hình chạy trên máy tính, thực hiện việc truyền dữ liệu thông suốt từ các đầu đo về máy chủ qua SMS và biểu diễn những thông số này trên đồ thị của phần mềm quản lý. Về thiết bị đo, tôi lựa chọn vi điều khiển dsPIC33FJ128MC804 làm IC xử lý trung tâm. Đây là một vi điều khiển dòng dsPIC33 có tốc độ cao của Microchip được bán rộng rãi trên thị trường Việt Nam. Phần giao tiếp với mạng GSM sử dụng modem SIM900 của Simcom kích thước nhỏ gọn, hỗ trợ các băng tần 850/900/1800/1900 MHz. Ngoài ra, thiết bị còn hỗ trợ hai kênh đo dòng khác nhau: - Đầu cắm đo dòng dựa trên hiệu ứng Hall. - Sử dụng IC đo dòng chuyên dụng ADE7753 hoặc ACS712. PHẦN I: LÝ THUYẾT A. B. CHƢƠNG I: HỌ VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC33 VÀ DSPIC33FJ128MC804 Vi điều khiển dsPIC33 được sử dụng trong luận văn đóng vai trò là IC điều khiển toàn bộ thiết bị. Các tài liệu chi tiết về vi điều khiển này được nhà sản xuất cung cấp đầy đủ trên trang chủ của hãng [5]. 1.1 Đặc điểm cơ bản của họ vi điều khiển dsPIC33 Dòng dsPIC33 có rất nhiều chức năng mạnh, nhưng trong giới hạn của đề tài, tôi chỉ tập trung tìm hiểu về: - Đặc điểm tổng quát. - Sơ đồ khối, sơ đồ chân, chức năng của các chân. - Các đặc điểm nổi bật của các cổng vào ra. - Cách tổ chức bộ nhớ, giới thiệu các thanh ghi hay dùng trong quá trình lập trình. - Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số. - Các giao tiếp truyền thông SPI, UART. CHƢƠNG II: MODEM SIM900 VÀ SMS/GPRS Phần cứng của đề tài sử dụng MODEM SIM900 để kết nối vào mạng GSM. Vi điều khiển trung tâm giao tiếp với SIM900 thông qua cổng truyền thông nối tiếp để điều khiển toàn bộ hoạt động của khối này [7]. 2.1 Giới thiệu đặc điểm của Modem GSM 2.1.1 Thông số, đặc tính kỹ thuật của SIM 900 Các thông số nguồn nuôi: - Điện áp hỗ trợ: 3,4 V đến 4,5 V. - Chế độ tiết kiệm điện tiêu thụ 1,5 mA. Hỗ trợ 4 băng tần GSM850/EGSM 900, DCS 1800, PCS 1900. Các tần số này được thiết lập bởi tập lệnh AT. Công suất phát: - 2 W ở băng GSM850 và EGSM 900. - 1 W ở DCS 1800 và PCS 1900. Kết nối GPRS: - Mặc định ở chế độ đa khe GPRS lớp 10. - Hỗ trợ chế độ đa khe GPRS lớp 8. Dải nhiệt độ hoạt động: -30 0 C đến 80 0 C. Dữ liệu GPRS: - Tốc độ tối đa đường dữ liệu xuống là 85,6 kbps. - Tốc độ tối đa đường dữ liệu lên là 42,8 kbps. - Khung mã hóa: CS-1, CS-2, CS-3 và CS-4 - Hỗ trợ giao thức PAP (Password Authentication Protocol) - Tích hợp giao thức TCP/IP - Hỗ trợ PBCCH (Packet Switched Broadcast Control Channel) - Tốc độ truyền phát từ 2,4 kbps đến 14,4 kbps. SMS - Hỗ trợ cả dạng text và PDU. - Tin nhắn được lưu ở thẻ SIM. Âm thanh: - Có các chế độ mã hóa giọng nói ETS 06.20, ETS 06.10. - Không có tiếng vọng. - Có khả năng chống ồn. Cổng giao tiếp nối tiếp và gỡ rối. - Tốc độ hỗ trợ từ 1,2 kbps đến 11,52 kbps. Sử dụng tập lệnh AT để giao tiếp với các ngoại vi khác. Hỗ trợ bắt tay phần cứng và điều khiển luồng. Cổng gỡ rối có cũng cho phép cập nhật firmware. Hỗ trợ đồng hồ thời gian thực. Kích thước vật lý: 24mm x24mm x 3mm. Trọng lượng: 3,4 gram. Hỗ trợ giao tiếp với SIM ở hai mức điện áp, 1,8V và 3,3V. 2.2 Giới thiệu sơ lƣợc về SMS Thiết bị sử dụng SMS để gửi dữ liệu về máy chủ thông qua mạng viễn thông. Phần này sẽ mô tả chi tiết các đặc điểm của dịch vụ SMS [2]. 2.3 Tập lệnh AT 2.3.1 Giới thiệu về tập lệnh AT Một tiêu chuẩn đối với phần mềm điều khiển modem do hãng Hayes Microcomputer Products soạn thảo và được đưa ra lần đầu tiên dùng với modem Smartmodems của công ty đó. Gọi là tập lệnh AT (viết tắt) của ATtention vì nhiều lệnh trong đó được bắt đầu bằng chữ AT. Tập lệnh này được các modem loại “tương thích với Hayes” mô phỏng theo một cách rộng rãi và thực tế đã trở thành chuẩn đối với các modem của máy tính cá nhân [2]. Tập lệnh AT nguyên bản được chia làm 4 nhóm lệnh: + Lệnh cơ bản: Bắt đầu bằng chữ viết hoa, sau đó là các ký tự khác, ví dụ ATD, M1, AT+CMGR… + Lệnh mở rộng: Bắt đầu bằng ký tự &, sau đó là một chữ viết hoa và các ký tự khác, đây là phần mở rộng của nhóm lệnh cơ bản. + Các lệnh về đặc tính: Thường bắt đầu bằng dấu / hoặc %. Các lệnh này thay đổi tùy thuộc vào nhà sản xuất modem. + Các lệnh về thanh ghi: Lệnh này giúp thay đổi giá trị thanh ghi. Ví dụ Sr=n, thanh ghi r được gán giá trị n. CHƢƠNG III: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 3.1 Nguyên tắc đo dòng 3.1.2 Các phƣơng pháp đo dòng chính Xét về mặt tiếp xúc vật lý với đối tƣợng đo là dòng điện thì có 3 phƣơng pháp là: - Đo trực tiếp: dùng các dụng cụ đo dòng điện như ampe kế, để đo trực tiếp và đọc kết quả trên thang chia độ của dụng cụ đo. - Đo gián tiếp: dùng volt kế đo điện áp rơi trên một điện trở chuẩn mắc trong mạch có dòng điện chạy qua, thông qua phương pháp tính toán sẽ có được giá trị dòng điện cần đo. - Phương pháp so sánh: so sánh dòng điện cần đo với dòng điện mẫu, ở trạng thái cân bằng của dòng điện cần đo và dòng điện mẫu, sẽ đọc được kết quả trên mẫu. Dựa vào các đặc tính của dòng điện thì ta có những loại phƣơng pháp đo dòng sau: - Phương pháp đo thế sụt trên một điện trở shunt. Điện trở này thường có độ chính xác cao. Điện áp sụt qua điện trở tỷ lệ thuận với dòng điện cần đo. - Dựa vào định luật cảm ứng Faraday, từ trường biến thiên sẽ sinh ra dòng điện biến thiên. Dòng điện này gọi là dòng điện cảm ứng. Như vậy, dòng điện cần đo sẽ tạo ra một dòng điện cảm ứng, ta có thể đo dòng điện cảm ứng và suy ra được giá trị của dòng điện cần đo. Các loại cảm biến sử dụng định luật này như các biến dòng CT, - Dựa vào định luật Hall, khi có một từ trường vuông góc với dây dẫn điện, thì hai đầu dây dẫn đó sẽ sinh ra một hiệu điện thế gọi là hiệu điện thế Hall. Hiệu điện thế này được khuếch đại và đưa vào bộ chuyển đổi tương tự số của vi điều khiển. Có thể kể ra đây một số loại cảm biến Hall sử dụng cho việc đo dòng điện thông dụng như ACS712. 3.2 Giới thiệu về ADE7753 ADE7753 là một IC đo các thông số của dòng điện xoay chiều chuyên dụng. Nó được sử dụng rộng rãi trên thế giới với độ chính xác và tính ổn định cao [3]. 3.2.1 Giới thiệu chung ADE7753 là một chip tích hợp có độ chính xác cao, được sử dụng để đo các thông số năng lượng điện trong mạch một pha với một giao diện nối tiếp và một xung đầu ra. Cấu trúc bên trong bao gồm hai bộ chuyển đổi tương tự - số, một mạch tích phân số, mạch tham chiếu, cảm biến nhiệt độ và tất cả các bộ xử lý tín hiệu để đo các công suất như công suất hiệu dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến và tính toán thông số hiệu dụng của dòng điện và điện áp. 3.3. Giới thiệu về ACS712 ACS712 được sản xuất bởi công ty Allegro. IC này có những tính năng nổi trội như: - Đường dẫn tín hiệu tương tự có độ nhiễu thấp. - Băng thông của thiết bị được đặt bởi chân FILTER. - Thời gian đáp ứng cỡ 5 us. - Băng thông 80 kHz. - Tổng sai số: 1,5 % ở nhiệt độ 25 0 C. - Độ nhậy từ 66 đến 185mV/A. Lối ra điện áp tỉ lệ với dòng điện xoay chiều và một chiều. - Điện trở nội 1.2 mΩ. - Hình thức đóng gói kiểu SOIC8. ACS712 là IC hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall. Khi có dòng điện chạy qua chân 1,2 đến chân 3,4 sẽ tạo ra một từ trường. Từ trường này tạo ra điện áp tỉ lệ. Nó được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điều khiển động cơ, xác định tải, bảo vệ quá dòng, hỗ trợ chuyển chế độ năng lượng. PHẦN II: THỰC NGHIỆM CHƢƠNG IV: CÁC BƢỚC THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ Yêu cầu chính của luận văn này là “Thử nghiệm thiêt kế thiết bị điều khiển giám sát dòng điện thông qua mạng GSM” . Tôi tập trung giải quyết các vấn đề liên quan đến thiết kế, lập trình nhúng để đạt được sự ổn định và chính xác nhất có thể cho thiết bị. Ngoài ra, tôi cũng xây dựng một phần mềm giám sát trên máy tính để hỗ trợ việc kiểm tra các kết quả đo kiểm phần cứng. Qua sự hướng dẫn của thầy giáo và tìm hiểu của riêng bản thân, tôi đã quyết định sử dụng vi điểu khiển dSPIC33FJ128MC804 làm vi xử lý trung tâm, kết hợp các ngoại vi tạo thành một hệ hoàn chỉnh. Phần cứng của thiết bị bao gồm: Khối thu tín hiệu: Current probe: Hỗ trợ cổng lối vào tương tự có khả năng ghép nối với các đầu kẹp dòng với độ phân giải tối thiểu 10mV/A. ADE7753, ADS712: Hai IC đo dòng này được thiết kế trên hai bản mạch mở rộng, có khả năng ghép nối vào bản mạch trung tâm. LM35: Cảm biến nhiệt độ. Keyboard: bàn phím gồm 4 phím, cho phép thiết lập một số thông số cơ bản của thiết bị. Khối xử lý trung tâm: Gồm vi điều khiển dsPIC33FJ128MC804. Khối hiển thị và lƣu trữ: LCD: màn hình LCD hai hàng 16 ký tự, hiện thị các thông số đo, các thực đơn để cấu hình thiết bị. LED: các LED hiện thị, thể hiện nhanh các trạng thái của thiết bị. SD card: hỗ trợ giao tiếp với thẻ nhớ flash, các thông tin cấu hình, các lịch sử kết nối, hay dữ liệu thu thập được đều được lưu ở đây. Khối giao tiếp: Module SIM 900: dùng để truyền dữ liệu qua đường GSM/GPRS. USB: giao tiếp với máy tính thông qua USB. RS-232: giao tiếp với máy tính thông qua cổng COM. Mô hình hệ thống kiểm thử thực nghiệm Hệ thống thực nghiệm được xây dựng dựa trên phần mềm và phần cứng đã thiết kế theo mô hình dưới đây: Hình 4-2: Mô hình hệ thống thực nghiệm Phần cứng của thiết bị đo được thiết kế có khả năng mở rộng, nên tôi sử dụng hai thiết bị có cùng thiết kế để tạo thành hệ thống kiểm thử hoàn thiện. Thiết bị 1 đóng vai trò thu thập dữ liệu được lắp tại lối nguồn vào của một hộ gia đình. Các giá trị đo được đóng gói vào bản tin SMS và gửi về cho một thiết bị khác. Thiết bị 2 nhận các bản tin SMS từ thiết bị 1. Xử lý bản tin này và truyền những thông tin cần thiết vào máy tính để xử lý tiếp bằng phần mềm giám sát thông qua cổng RS-232. 4.1 Sơ đồ nguyên lý, mạch in 4.1.1 Mạch nguyên lý 4.1.1.1 Khối nguồn Chức năng chính của modul này là cung cấp các mức nguồn +3,3V và +4,2V, 5V chuẩn cho toàn bộ các linh kiện trong mạch.Hỗ trợ nguồn vào dải rộng lên tới 60V. Chịu được dòng tải lối ra lên tới 3 Ampe. 4.1.1.2 Khối giao tiếp Khối giao tiếp nối tiếp sử dụng chip MAX232. 4.1.1.3 Khối lưu trữ và hiển thị Khối hiển thị sử dụng LCD 16x2, do mức điện áp LCD là 5V nên phải dùng một IC 74LS07 để đệm mức điện áp điều khiển từ dsPIC33. Hỗ trợ thẻ nhớ SD, giúp lưu lại các thông tin cấu hình cũng như các thông số trạng thái hoạt động của thiết bị. 4.1.1.4 Khối nhập dữ liệu Thiết kế tích hợp bàn phím rời gồm 4 phím, có tụ chống rung phím và đèn báo nguồn khi được ghép nối với bản mạch chính. 4.1.1.5 Khối giao tiếp GPRS/GSM Khối này bao gồm modem GSM/GPRS SIM900, cùng với anten và đường điều khiển PWRKEY phục vụ cho việc khởi động SIM900. Hai đèn LED báo trạng thái mạng và trạng thái của SIM900 cũng được tích hợp trong khối này. 4.1.1.6 Khối xử lý trung tâm - Vi điều khiển dsPIC33FJ128MC804 và các mạch liên quan. 4.1.2 Mạch in Sử dụng phần mềm thiết kế mạch chuyên dụng Protel DXP 2004. Mạch in được thiết kế hai lớp. Các linh kiện được lựa chọn là loại linh kiện dán SMD để giảm kích thước mạch (Chiều dài bằng 94 mm, chiều rộng bằng 81 mm). Hình 4-9: Sơ đồ mạch in của bản mạch đo dòng Hình 4-11: Bản mạch sau khi đã lắp ráp các linh kiện hoàn chỉnh 4.2 Phần mềm điều khiển và giám sát 4.2.1 Giao diện phần mềm và các tính năng chính Hình 4-12: Giao diện chính của phần mềm giám sát Phần mềm được viết dựa trên ngôn ngữ C# với giao diện đơn giản và thân thiện với người dùng. Các thành phần của giao diện chính (giao diện giám sát) 1. Thanh công cụ Gồm các thực đơn lựa chọn. Cho phép đặt các thông số của phần mềm giám sát. 2. Đồ thị