CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.1. Thiết kế sơ đồ khối
3.1.1. Sơ đồ khối nguồn
Hình 3. 1: Sơ đồ khối khối nguồn
Nhiệm vụ và chức năng các khối:
Nguồn 12V: Sử dụng nguồn 12V cung cấp điện cho toàn hệ thống, nguồn 12V cấp trực tiếp cho đèn Led 12V
Khối hạ áp 5V: Hạ áp từ 12V xuống 5V cung cấp điện cho module relay tắt bật đèn
Khối chuyển đổi điện áp: Chuyển đổi điện áp thành dòng điện cung cấp cho hệ thống, giúp tín hiệu đi xa hơn trong nhà thông minh
3.1.2. Tính toán điều phối điện áp của khối chuyển đổi điện áp
a. Lý do sử dụng khối chuyển đổi điện áp
Với hệ thống nhà thông minh, cần sử dụng bộ chuyển đổi điện áp với các lý
do đặc thù sau:
Các cảm biến sẽ đặt xa bộ điều khiển trung tâm, do đó, để tín hiệu được truyền đúng và chính xác, cần có bộ chuyển đổi điện áp.
Tín hiệu 4->20mA không bị suy giảm khi chuyền xa: Khoảng cách từ cảm biến đến bộ điều khiển có thể lên đến vài trăm mét, mà dòng điện I trên một đường dây không đổi tức là không bị suy giảm, do đó không gây sai số
Khả năng chống nhiễu: Tín hiệu 4->20 mA có trở kháng đầu vào rất lớn nên các nhiễu trong công nghiệp gần như không ảnh đến nó. Theo định luật ôm dòng điện của nhiễu sẽ là I=U/Z. Vì tổng trở Z rất lớn dẫn đến I rất nhỏ nên dòng điện của nhiễu gần như không làm tăng hay giảm dòng điện đầu ra của cảm biến đến bộ điều khiển
b. Nguyên lý
Hình 3.3.1 Sơ đồ các chân pin của mạch chuyển áp
Trong hệ thống , nguồn điện áp ra được tính bởi công thức tính điện áp hiệu dụng :
UR2
+(UL2
−UC2
)=U2
Với UL , UC, UR, là các điện áp hiệu dụng và tứ thời của hệ thống.
Từ công thức trên ta thấy điện áp đầu ra U sẽ bị hao hụt khi nội trở trong
Hình 3.3.2 . sơ đồ hệ thống mạch chuyển áp
XTR105 là bộ phát dòng 2 dây 4mA đến 20mA kết hợp các nguồn dòng,
bộ khuếch đại thiết bị đầu cuối tương tự (cung cấp độ lợi) và mạch tuyến tính hóa nhằm giao tiếp trực tiếp với cảm biến nhiệt độ RTD (không có bộ vi điều khiển), nơi không thể kết nối điện thế IRET đến tiềm năng GND cung cấp vòng lặp. Bộ truyền dòng điện hai dây nói chung được cấp nguồn trực tiếp từ nguồn cung cấp vòng lặp và mức tiêu thụ dòng điện chung của bộ truyền dòng điện 2 dây + mạch cảm biến tổng thể không được vượt quá 4mA.
Trên ứng dụng này, vấn đề là bạn đang kết nối XTR105 IRET của thiết bị với GND cung cấp vòng lặp ở phía máy thu, gây ra sự cố; IRET phải được phép thả nổi đối với nguồn cung cấp vòng lặp và không được kết nối với GND của vòng lặp. Vì XTR105 là bộ truyền dòng điện 2 dây nên XTR105 chỉ có thể cấp nguồn cho cảm biến và mạch thông qua bộ điều chỉnh miễn là mức tiêu thụ dòng điện của toàn bộ bộ truyền và mạch cảm biến nhỏ hơn 4mA. Mức tiêu thụ của XTR105 là 2,2mA điển hình (1,8mA đến 2,6mA), do đó, dòng điện mà bộ vi điều khiển và cảm biến tiêu thụ cần phải nhỏ hơn 1,8mA.
Có khả năng đạt tới dòng 4mA do đó hệ thống có thể thử sử dụng bộ cách
ly tương tự hoặc bộ khuếch đại cách ly để điều khiển XTR105 và cấp nguồn cho
bộ vi điều khiển/cảm biến bằng nguồn cung cấp bên ngoài.
Nếu chuyển đổi đầu ra của vi điều khiển và truyền qua bộ phát dòng điện 2 dây, một giải pháp rất phổ biến là sử dụng XTR115 hoặc XTR116 (bộ phát dòng điện hai dây). Nếu mức tiêu thụ dòng điện tổng thể của bộ điều khiển Arduino + cảm biến + dòng điện XTR115 dự kiến vượt quá 4mA, thì một giải pháp phổ biến là tạo tín hiệu PWM và cấp nguồn qua bộ lọc RC thông qua bộ cách ly kỹ thuật số và cấp nguồn cho bộ vi điều khiển + cảm biến bằng một nguồn bên ngoài như vậy chúng ta có thể chuyền tín hiệu đi xa hơn và chất lượng tín hiệu
sẽ ổn định.
Quy trình thực hiện
Kết nối điện áp nguồn 24V. Đầu cực dương 24V được kết nối với đầu trên của ba cực bên phải và cực âm được kết nối với đầu dưới của ba cực bên phải.
Điều chỉnh zero: Hai đầu cực bên trái được ngắn mạch. Điều chỉnh núm điều chỉnh zero để kết thúc đầu ra (giữa ba đầu nối bên phải) 4mA.
Điều chỉnh phạm vi: kết nối đầu trên bên trái với 10V sẽ được chuyển đổi
và đầu dưới bên trái với điện áp âm sẽ được chuyển đổi. Điều chỉnh núm điều chỉnh phạm vi sao cho đầu ra dòng (chân giữa bên phải) là 20mA.
Điện áp được thay đổi trong khoảng 0-10V và dòng điện đầu ra thay đổi tuyến tính trong vòng 4-20mA.
3.1.3. Sơ đồ khối toàn hệ thống
Hình 3. 2: Sơ đồ khối hệ thống
Nhiệm vụ và chức năng các khối:
Khối nguồn: Là khối cơ bản nhất nó cung cấp dòng nuôi cho toàn bộ linh kiện trong mạch. Nó tạo ra điện áp ổn định thoả mãn các chỉ số về điện áp
và dòng.
Khối xử lý trung tâm: Đây là khối xử lý trung tâm, có nhiệm vụ
o Đọc dữ liệu từ khối cảm biến
o Giao tiếp trao đổi dữ liệu với khối wifi
o Xuất tín hiệu điều khiển khối hiển thị để hiển thị thông tin
o Xuất tín hiệu điều khiển khối còi báo động để cảnh báo kịp thời
Khối wifi: Kết nối wifi và thực hiện các nhiệm vụ sau
o Nhận tín hiệu điều khiển từ app blynk trên điện thoại và điều khiển trực tiếp các thiết bị ngoại vi.
o Nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm để gửi dữ liệu lên App
Khối cảm biến: Bao gồm
o Cảm biến nhiệt độ độ ẩm để thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm và gửi
về khối xử lý trung tâm
o Cảm biến gas để phát hiện rò rỉ khí gas báo cháy
o Cảm biến lửa để phát hiện đốm lửa báo cháy
Khối hiển thị: Hiển thị thông tin dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm trong phòng
Khối còi báo: Nhận lệnh điều khiển từ khối xử lý trung tâm để kêu còi cảnh báo
Khối relay: Nhận lệnh từ khối wifi để bật tắt thiết bị tương ứng
3.1.4. Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống
Hoạt động của mô hình chia ra làm các phần riêng biệt như sau:
Hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm phỏng: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu về khối xử lý trung tâm. Khối xử
lý trung tâm nhận dữ liệu, xuất tín hiệu hiển thị lên LCD và gửi dữ liệu thông qua giao tiếp UART tới khối wifi. Sau đó, khối wifi gửi dữ liệu lên App Blynk để hiển thị cho chủ nhà.
Hệ thống giám sát cháy nổ: Hệ thống dựa vào khối cảm biến lửa và cảm biến khí gas. Hai cảm biến này thu thập dữ liệu và gửi dữ liệu về khối xử
lý trung tâm. Nếu phát hiện cháy, khối xử lý trung tâm sẽ điều khiển còi kêu cảnh báo. Đồng thời, khối xử lý trung tâm gửi tín hiệu cảnh báo cho khối wifi và thực hiện cảnh báo trên App cho chủ nhà
Hệ thống điều khiển thiết bị: Việc điều khiển thiết bị thông qua internet. App Blynk gửi dữ liệu điều khiển đến khối wifi, nhận được dữ liệu, khối wifi sẽ điều khiển bật tắt các thiết bị tương ứng.