Bảng 4. Bảng các chân tín hiệu của PIC16F886
¾ Bộ chuyển đổi UART 232/USB /RS-485 dùng chip SN 75176:
Giao diện chuyển đổi thông tin giữa các chuẩn ghép nối trong hệ thống đóng một vai trò rất quan trọng. Luận văn đã quyết định sử dụng kênh thông tin chủ yếu là RS- 485 với giao thức truyền thông Modbus/RTU. Trong khi đó, hầu hết các vi điều khiển
và máy vi tính hiện nay chủ yếu chỉ có sẵn các đầu nối ra ghép nối theo chuẩn RS-232 hoặc USB. Vì vậy, một nhiệm vụ quan trọng là phải tự thiết kế, chế tạo các bộ chuyển đổi tín hiệu từ RS-232, USB sang RS-485 và ngược lại.
Qua nghiên cứu, Luận văn đã sử dụng chip ghép nối SN 75176 để phát triển bản mạch chuyển đổi này. Vi mạch SN 75176 có chức năng như một bộ thu-phát (tranceiver) có bus vi sai dùng cho thông tin song công (2 hướng). Nó được thiết kế cho các đường truyền cân bằng và đáp ứng các chuẩn ANSI TIA/EIA-422-B và 485- A. Vi mạch kết hợp các bộ điều khiển đường dây vi sai 3 trạng thái và 1 lối vào vi sai.
Bộ điều khiển đệm trong vi mạch cho phép cấp một nguồn dòng tới 60 mA. Phần thu có trở kháng vào cực tiểu 12 kΩ và độ nhậy lối vào ±200 mV với độ trễ lối vào 50 mV. Chip có thể hoạt động trong dải nhiệt độ từ 0°C đến 70°C. Ký hiệu và sơ đồ lôgic của chip được cho trên hình 31. Hình 32 là sơ đồ các cổng vào và ra của vi mạch. Mạch ứng dụng điển hình của SN 75176 được chỉ ra trên hình 33.
Hình 31. Ký hiệu và sơ đồ lôgic của SN 75176
Hình 33. Mạch ứng dụng điển hình của SN 75176
¾ Mạch nguồn nuôi ổn áp kiểu đóng/cắt dùng chip LM 2576:
Mạch ổn áp cho thiết bị sử dụng linh kiện LM 2576 là bộ ổn áp trên một chip được thiết kế theo kiểu đóng/cắt (switching regulator). Nó cho dòng tải cực đại lên tới 3A. Với tần số dao động nội 52 kHz, chip có các loại cho điện áp ra cố định 3,3 V, 5V, 12 V, 15 V và loại có thể điều chỉnh điện áp ra được.
Hình dạng và các chân tín hiệu của LM 2576 như hình 34.
Hình 34. Chân vi mạch LM2576
Sơ đồ khối của mạch được chỉ ra trên hình 35.
Hình 35. Sơ đồ khối LM2576
Hình 36. Ứng dụng ổn áp LM2576 3.1.4.3 Thiết kế chế tạo bộđóng ngắt thiết bị từ xa 3.1.4.3 Thiết kế chế tạo bộđóng ngắt thiết bị từ xa
Sau khi xử lý dữ liệu, các bộ điều khiển tầng hoặc điều khiển trung tâm sẽ xuất ra các lệnh điều khiển tới các bộ chấp hànhđóng/ngắt thiết bị. Thực chất ở đây là việc điều khiển từ xa các thiết bị được định địa chỉ qua các bộ điều khiển công suất tại hiện trường. Một bộ chấp hành như vậy cần được thiết kế theo các yêu cầu sau:
• Có khả năng giao tiếp thông tin từ xa với trung tâm theo chuẩn 485/ Modbus.
• Mỗi bộ chấp hành phải được gán một địa chỉ Slave nhất định, tiếp theo là mỗi cổng lối ra điều khiển thiết bị của nó cũng phải được gán một địa chỉ phụ. Nói cách khác, mỗi thiết bị sẽ có một địa chỉ phân biệt.
• Đề tài thiết kế mỗi cổng lối ra này đảm bảo điều khiển đóng /ngắt một
rơ-le có dòng cực đại 10A, hoạt động ở thế xoay chiều 1 pha 220 V. Thời gian đáp ứng nhỏ hơn 1 giây.
• Mỗi bộ cđhấp hành 8 cổng ra, và có 8 cổng vào được dự trữ cho phép kiểm tra trạng thái của thiết bị.
• Bộ chấp hành phải có mạch tự động ngắt quá dòng/áp (atomat).
Với các tiêu chí như vậy, một mô-đun điều khiển công nghiệp ADAM-4055 với vi điều khiển 8 bit - 8051 đã được thử sử dụng kết hợp với thiết kế lắp ráp bản mạch công suất. Bộ điều khiển cho phép đóng/cắt từ xa 8 cụm thiết bị, mỗi cụm có dòng cực đại 10A.
Hình 37 là hình ảnh của bộ chấp hành sau khi lắp ráp.
Hình 37. Hình ảnh bộ chấp hành đóng/ngắt thiết bị từ xa
Thông số Giá trị Ghi chú
Dải điện áp hoạt động 180 ÷ 240V~
Dòng điện cực đại 10A max
Thời gian đáp ứng < 0,5 sec
Số cổng ra 8 2 chiều
Số cổng vào 8 1 chiều
Nguồn nuôi thông tin 485 5 ÷ 30V DC Nguồn nuôi ngoài
Nguồn nuôi rơ-le 12 VDC Có sẵn trong bộ
Dải địa chỉ slave 1 - 32 Có thể cấu hình
Khả năng địa chỉ thiết bị / slave 8
3.1.4.4 Các trạm điều khiển tầng
Các trạm điều khiển tầng được thiết kế trên bộ vi xử lý dsPIC-30F6010. Một trạm được phát triển cho phép giám sát và điều khiển được tới 48 thiết bị vào ra.
Tùy vào cách đặt cấu hình hệ thống của người sử dụng mà trạm có những chức năng khác nhau trên cơ sở thu thập dữ liệu từ các bộ đo hiện trường. Các trạm có thể tự xử lý thông tin hoặc chuyển tải thông tin về trung tâm điều khiển tòa nhà. Mỗi trạm cần điều khiển được các thiết bị trong 1 tầng. Luận văn thiết kế một trạm như vậy cho phép điều khiển lên tới 64 thiết bị. Phần cứng được thiết kế theo kiểu ngăn xếp, cho phép mở rộng số trạm (tỷ lệ với số tầng nhà) nếu có yêu cầu.
3.1.4.5 Bộđiều khiển trung tâm
Bộ điều khiển trung tâm dùng cho giám sát và điều khiển các thông số HVAC (và cả các nhiệm vụ khác nữa) gồm máy tính PC giao tiếp với các mô-đun điều khiển từ xa qua kênh thông tin tín hiệu vi sai theo chuẩn RS-485 gồm cặp dây xoắn. Do mọi máy PC đều chỉ có các thiết bị ngoại vi chuẩn cho ghép nối nối tiếp là RS-232 hoặc USB, nên Luận văn đã thiết kế và lắp đặt một giao diện thông tin chuyển đổi chuẩn ghép nối nối tiếp USB ra RS-485 và ngược lại để phục vụ cho mục đích thông tin nói trên. Thực chất thông tin USB ở đây cũng được chuyển về các cổng thông tin theo chuẩn nối tiếp không đồng bộ với bộ thu phát vạn năng không đồng bộ UART cùng các cổng COM ảo.
Sơ đồ phần cứng bộ chuyển đổi USB/485 được chỉ ra trên hình 38.
Hình 38. Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi USB/485
Hình 39. Bản mạch PCB của bộ chuyển đổi USB/485 3.1.4.6 Kết quảđo và kết luận 3.1.4.6 Kết quảđo và kết luận
Hệ thống giám sát điều khiển tự động các thông số HVAC trong tòa nhà đã được thiết kế, lắp dặt và chạy thử. Các cấu kiện phần cứng và chương trình điều khiển phần mềm gồm có:
1. Các bộđo và đặt các thông số môi trường. Mỗi bộ có các tính năng kỹ thuật
như sau:
- Đo được các dữ liệu:
+ Nhiệt độ phòng, trong dải từ 0 đến 50°C với độ chính xác ± 0,1°C.
+ Độ ẩm tương đối trong dải từ 5 đến 95 %RH, với độ chính xác
±3% có bù trừ nhiệt.
+ Lưu lượng khí trong phòng trong dải từ 0,1 m/s đến 15 m/s, với độ chính xác ± 0,01 m/s.
- Tốc độ thu thập dữ liệu tối đa 5 dữ liệu/s.
- Đặt được số liệu điểm đặt của 2 thông số: nhiệt độ và độ ẩm và truyền các
dữ liệu này cùng số liệu đo về trung tâm theo chuẩn RS-485/Modbus RTU với công nghệ kiểm tra lỗi CRC, khoảng cách tối đa 1.200 m.
- Nguồn nuôi 220 VAC ± 10%, từ 5 đến 30 VDC. - Dòng tiêu thụ: 60 mA.
- Kích thước: 20 ×10 × 5 cm. - Trọng lượng 200 gam.
- Dải nhiệt độ hoạt động: 10 - 60°C, độ ẩm lên tới 80 %RH.
2. Các bộ chấp hành điện tử công suất, có các tính năng kỹ thuật như sau:
- Có khả năng tiếp nhận thông tin (lệnh) từ xa theo chuẩn RS-485/Modbus RTU với khoảng cách lên tới 1.200 m.
- Điều khiển đóng/cắt mạch điện 220 VAC bằng rơ-le với dòng tối đa
10A.
- Điều khiển đồng thời 8 thiết bị ra.
- Có khả năng mở rộng kiểm tra 8 thiết bị số đầu vào. - Tốc độ đáp ứng <0,5 s.
- Dòng tiêu thụ tĩnh (của phần điều khiển): 100 mA. - Nguồn nuôi: 10 đến 24 VDC, 220 VAC ± 10%.
- Dải điện áp công suất làm việc: tùy ý trong khoảng 220 VAC. - Dải nhiệt độ làm việc: 10 - 60°C, độ ẩm lên tới 80%RH. - Kích thước: 20 ×10 × 5 cm
- Trọng lượng: 300 gam
- Độ cách điện: 3 kV/
3. Các bộ chuyển đổi thông tin USB/RS-485, có các đặc tính kỹ thuật sau:
- Đáp ứng các yêu cầu của chuẩn ghép nôi ANSI TIA/EIA 485 và ITU
V.11 và X.27.
- Có khả năng truyền nhiều điểm trên đường dây bus dài và môi trường can nhiễu lớn.
- Có các bộ đệm lối ra 3 trạng thái.
- Dung lượng tải lối ra lên tới ± 60 mA cực đại. - Trở kháng vào đầu thu cực tiểu là 12 kΩ. - Độ nhạy lối vào đầu thu là ± 200 mV.
- Có thể hoạt động với nguồn 5V phù hợp với đầu cắm USB.
4. Các chương trình điều khiển nhúng trong các vi xử lý, có các chức năng và
đặc điểm kỹ thuật sau:
- Dễ dàng tái cấu hình qua cài đặt với chuẩn JTAG.
- Đảm bảo chính xác với công nghệ kiểm tra lỗi CRC.
- Gỡ rối thuận lợi.
- Tuân thủ chính xác chuẩn truyền thông Modbus RTU.
- Đảm bảo tốc độ truyền thông cho các ứng dụng điều khiển.
Qua một thời gian chạy thử nghiệm, hầu hết các thiết bị và chương trình đều có được tính chính xác, độ ổn định và tin cậy theo như yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên, còn có thể có những tình huống khó lường, nhất là xảy ra với các chương trình phần mềm
điều khiển. Vì vậy một nhiệm vụ đặt ra cho Luận văn là tiếp tục theo dõi, chỉnh sửa và phát triển hệ thống để ngày càng hoàn thiện hơn.
3.2 Hệ thống điều khiển điều hành chiếu sáng
Chiếu sáng có thể chiếm tới 40% năng lượng tiêu thụ tại các công sở và trung tâm thương mại khiến chúng trở thành mục tiêu đáng chú ý của những sáng kiến quản lý tiết kiệm năng lượng. Những nghiên cứu gần đây của Hội đồng Châu Âu chứng minh rằng có thể tiết kiệm từ 30 đến 50% năng lượng điện dùng trong chiếu sáng bằng cách đầu tư vào các hệ thống chiếu sáng tiết kiệm năng lượng.
Ngoài việc nghiên cứu tìm kiếm các nguồn chiếu sáng mới và cải tiến các nguồn sẵn có sao cho đạt được hiệu quả chiếu sáng cao thì việc nghiên cứu điều khiển điều hành các hệ thống chiếu sáng một cách hợp lý cũng đem lại hiệu quả kinh tế rất lớn. Có loại hệ thống chiếu sáng được chú ý: đó là hệ thống chiếu sáng ngoài trời (là các hệ thống chiếu sáng đường ban đêm, quảng cáo, cảnh báo trong các khu vực công cộng, v.v...) và hệ thống chiếu sáng trong nhà (dùng cho khu vực công cộng và cá nhân). Đề tài này có nhiệm vụ nghiên cứu thiết kế chế tạo các thiết bị nhằm đạt được việc điều khiển điều hành chiếu sáng trong một tòa nhà một cách hiệu quả thông qua quá trình điều khiển tự động hóa.
3.2.1 Khái niệm cơ bản về chiếu sáng
Đại lượng thông lượng ánh sáng dùng trong kỹ nghệ chiếu sáng được đo trong đơn vị lumens (lm). Một lumen của ánh sáng, không phụ thuộc vào bước sóng của nó (màu), tương ứng với độ sáng mà mắt người cảm nhận được. Mắt người cảm nhận khác nhau đối với các ánh sáng có bước sóng khác nhau, cảm nhận mạnh nhất đối với bước sóng 555 nm. Khi mắt thu nhận ánh sáng ta nói chúng làm việc trong trường sáng, ngược lại ta nói chúng làm việc trong trường tối. Giữa chúng là trường tranh tối tranh sáng. Bước sóng tương ứng với cảm nhận cực đại của mắt người dịch từ 555 nm về 510 nm khi trường chiếu sáng thay đổi từ trường sáng về trường tối. Tiêu chuẩn một lumen bằng 1/683 của một watt năng lượng bức xạ tại 555 nm. Để cảm nhận định lượng ta để ý rằng mắt người có thể thu nhận được một thông lượng 10 photon trong một giây của tia sáng bước sóng 555 nm tương ứng với bức xạ công suất 3.58×10-18 W. Tương tự, mắt người thu nhận được tối thiểu thông lượng gồm 214 và 126 photon trong một giây tại bước sóng 450 và 650 nm.
Tổng thông lượng là đại lượng đo công suất của một nguồn sáng. Như trên đã nói,
thông lượng trường sáng, đo trong đơn vị lumen, tương ứng với cảm nhận của mắt người có độ cảm nhận cực đại đối với màu xanh lá cây. Thông lượng trường tối tương ứng với độ nhậy của mắt người trong trạng thái trường tối. Đơn vị của thông lượng là:
1 lm = 1.464 x 10-3 W tại bước sóng 555 nm
Cường độ sáng I, đo trong đơn vị candela (cd). Đó là thông lượng ánh sáng của một nguồn sáng phát ra trong một đơn vị góc không gian (góc đặc). Steradian là đơn vị của góc đặc có độ mở rẻ quạt kể từ tâm của một hình cầu và cắt mặt cầu một diện tích
có độ lớn bằng đúng bán kính của hình cầu. Góc steradians của một chùm sáng bằng đúng diện tích mặt cắt của nó chia cho bình phương của khoảng cách kể từ nguồn sáng. Candela là một đơn vị cơ bản dùng trong việc đo thông số nguồn sáng và được xác định như sau: 1 candela là cường độ mà một nguồn sáng phát 1 lumen đẳng hướng trong một góc đặc. Do 1steradian có diện tích mặt cắt bằng một mét vuông tại khoảng cách 1 mét nên một nguồn sáng một andela tương ứng sẽ phát 1 lumen trên một diện tích một mét vuông tại một khoảng cách một mét kể từ tâm nguồn sáng. Để ý rằng cường độ của nguồn sáng giảm theo khoảng cách kể từ nguồn sáng. Đơn vị của cường độ chiếu sáng là:
1 cd = 1 lm/ 1steradian
Độ rọi E là mật độ của thông lượng ánh sáng, nói cách khác, là số lumen trên một
đơn vị diện tích. Một lumen trên một mét vuông là một lux. Một mét vuông diện tích trên bề mặt của mặt cầu bán kính một mét có một nguồn sáng cường độ một candela đặt ở tâm sẽ được rọi một lux. Độ rọi của một nguồn điểm giảm theo bình phương của khoảng cách. Đơn vị của độ rọi:
1 lux = 1 lm/m2
Độ chói L là cường độ của một nguồn sáng phát ánh sáng khuyếch tán mở rộng hoặc của một vật phản xạ ánh sáng. Nếu là ánh sáng khuyết tán hoàn toàn thì bề mặt phản xạ khi nhận độ rọi một lux sẽ tạo ra độ chói bằng 1/p candela trên một mét vuông. Độ chói là đại lượng đo mật độ của cường độ sáng. Độ chói không phụ thuộc vào khoảng cách vì diện tích bề mặt lấy mẫu tăng tỷ lệ với khoảng cách bù trừ lại giảm cường độ theo khoảng cách. Đơn vị của độ chói là:
candela/m2 (cd/m2)
Hiệu suất của đèn: Hiệu suất đèn là tham số đo hiệu suất của nguồn sáng trong
đơn vị lumen trên watt (LPW) xác định lượng ánh sáng phát ra khi tiêu thụ một watt năng lượng điện. LPW càng cao thì hiệu suất càng lớn. Quan trọng ở đây là LPW ảnh hưởng nhiều lên chi phí của cả hệ thống chiếu sáng. Sử dụng đèn hiệu suất cao có thể rất kinh tế mặc dù giá của đèn rất đắt.
3.2.2 Điều khiển chiếu sáng tòa nhà
Việc sử dụng hệ thống điều khiển chiếu sáng trong tòa nhà giúp tiết kiệm chi phí sẽ giúp làm giảm lượng khí thải của các nhà máy điện. Mỗi một kilowatt giờ tiết kiệm