4.1.1 Mạch nguyên lý
4.1.1.1 Khối nguồn
Chức năng chính của khối này là cung cấp các mức nguồn +3,3 V và +4,2 V, 5V chuẩn cho toàn bộ các linh kiện trong mạch. Hỗ trợ điện áp nguồn vào dải rộng lên tới 60V. Chịu được dòng tải lối ra lên tới 3 Ampe. Khối nguồn gồm có các linh kiện sau:
- J1 là loại giắc cắm chuyên dụng dành cho nguồn điện một chiều. Điện áp nguồn ngoài phải lớn hơn 7 V.
- D1 chống cắm ngược nguồn ngoài. - C1, C22, C6: Tụ lọc nguồn.
- POWER LED: báo nguồn với trở hạn dòng R1.
- LM2576: IC ổn áp nguồn xung, thế lối ra được xác định bằng tỷ lệ phân áp giữa R29 và R30. IC này tạo nguồn +4,2 V để nuôi module GSM/GPRS.
- LM7805: IC ổn áp tuyến tính tạo nguồn 5 V cho LCD16x2. - LM1117: IC ổn áp tuyến tính tạo nguồn 3,3 V cho dsPIC33.
Hình 4-3: Khối cấp nguồn chính
4.1.1.2 Khối giao tiếp
Khối giao tiếp nối tiếp sử dụng chip MAX232.
JP5 là một loại connector bao gồm các chân không dùng của vi điều khiển. Cho phép ghép nối, mở rộng thêm tính năng phần cứng.
Hình 4-4: Khối truyền thông nối tiếp
4.1.1.3 Khối lưu trữ và hiển thị
Khối hiển thị sử dụng LCD 16x2, do mức điện áp hoạt động của LCD là 5 V nên phải dùng một IC 74LS07 để đệm mức điện áp điều khiển 3,3 V 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.
Hình 4-5: Khối hiển thị và lưu trữ
4.1.1.4 Khối nhập dữ liệu
Thiết kế tích hợp bàn phím rời gồm bốn phím, có tụ chống rung phím và đèn báo nguồn khi nó được ghép nối với bản mạch chính.
Hình 4-6: Bàn phím
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 kết nối với mạng GSM và trạng thái của SIM900 cũng được tích hợp trong khối này.
Hình 4-7: Khối giao tiếp GSM
4.1.1.6 Khối xử lý trung tâm
Hình 4-8: Khối trung tâm
Khối xử lý trung tâm bao gồm: - Vi điều khiển dsPIC33FJ128MC804. - Mạch reset tích cực mức thấp.
- Mạch tạo dao động ngoài gồm thạch anh 10 MHz và hai tụ lọc. - Thạch anh 32,768 kHz.
- Giắc nạp ICSP và giắc ghép nối bàn phím rời.
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 là 94 mm, chiều rộng là 81 mm).
Hình 4-9: Sơ đồ mạch in của bản mạch đo dòng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hai lớp của mạch in được thể hiện như hình dưới đây:
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. Các thực đơn này cho phép người quản lý đặt các thông số của phần mềm giám sát.
2. Đồ thị
Biểu diễn giá trị cường độ dòng điện đo được theo thời gian. 3.Cửa sổ bắt sự kiện
Hiển thị toàn bộ các sự kiện kết nối, truyền nhận dữ liệu từ các thiết bị đo đến máy chủ theo một định dạng được định nghĩa như hình dưới:
Hình 4-13: Cấu trúc bản tin hiển thị trên phần mềm giám sát
CMD->SERVER: Bản tin từ thiết bị đo đến máy chủ. SERVER->CMD: Bản tin từ máy chủ đến thiết bị đo. Ví dụ:
31/03/12, 20:30:31 PM
CMD>SERVER:+:+1072,43,3651,3825,3562,991,3131,1188,2566,828,3 600,2887,3556,202,2867,2567,158,3740,215,157
Hình 4-14: Nội dung bản tin hiển thị trên phần mềm giám sát
Nội dung của các bản tin này được lấy ra từ bản tin gốc và được chèn thêm một số từ khóa mang tính gợi nhớ để người giám sát có thể thuận tiện hơn trong việc phân tích các sự kiện, các hoạt động của toàn bộ hệ thống. Tất cả phần hiển thị này ở chế độ mặc định sẽ được tự động lưu vào file Datacapture.txt . Tệp này có đường dẫn được thiết lập trong cửa sổ cấu hình cho phần mềm điều khiển.
4. Cửa sổ lệnh
Cho phép người dùng gửi các lệnh kiểm tra hoạt động của thiết bị. 5. Cấu hình cổng nối tiếp
Cho phép đặt các thông số của công nối tiếp như: - COM: Lựa chọn cổng nối tiếp.
- Baud rate: Lựa chọn tốc độ của cổng nối tiếp. - Data bit: Số bit dữ liệu.
- Parity: Cấu hình bít chẵn lẻ. - Stop bit: Số lượng bit dừng. 6. Các nút chức năng chính
- Connect: Kết nối với cổng COM sau khi đã đặt cấu hình ở mục 5. - Disconnect: Ngắt kết nối với cổng COM hiện tại.
- Configure: Cho phép cấu hình chi tiết các thông số khác của phần mềm giám sát và thiết bị thu thập dữ liệu từ xa.
- Exit: Thoát khỏi chương trình.
4.2.2 Định dạng các bản tin
Có nhiều loại bản tin khác nhau được trao đổi trong hệ thống. Tất cả các bản tin này đều tuân theo một định dạng chung. Độ dài ngắn của bản tin dựa vào kết nối vật lý giữa hai thiết bị truyền thông.
Các kết nối vật lý trong hệ thống là:
- Kết nối thiết bị trực tiếp với PC qua cổng COM - Kết nối thiết bị với máy chủ qua GPRS
- Kết nối thiết bị với thiết bị qua SMS Định dạng chung của các bản tin này là: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 4-1: Cấu trúc bản tin trong hệ thống
Vị trí Đồ dài Ví dụ Mô tả
0 5 0->9 12345
Message ID
Mã số bản tin: tăng dần theo quy luật gửi nhận Giá trị mặc định là “00000”
5 1 A->Z Application Layer ID
Mã số lớp ứng dụng: cho phép nhận dạng 26 ứng dụng chạy trên giao thức này.
Giá trị mặc định là “A” 6 5 A01BC Certificate Key
Mã chứng thực: mã này để xác nhận bản tin có hợp lệ hay không
Giá trị mặc định : “00000” 11 1 0->9 Connection Type :
Kiểu kết nối: hỗ trợ 9 kiểu kết nối lớp vật lý 0: COM, 1: SMS, 2: GPRS, Số khác: dự trữ 12 1 D Command Type : Demand
Loại bản tin
D: bản tin yêu cầu (Demand message) R: bản tin đáp ứng (Response message) U: bản tin khẩn cấp (Urgent message) E: bản tin báo lỗi (Error message)
N: bản tin dữ liệu thường (normal message) …
13 2 AA Command number : Chỉ số lệnh
15 2 00->FF Total field:
Tổng số các tham số có trong nội dung lệnh
17 1 A = “0” B = “1”
.. Z = “26”
Length parameter 1
Độ dài phần dữ liệu của thông số thứ nhất.
18 n “v-internet” Data parameter 1 18+n m “0902286587” Length parameter 1 18+n+ m p Data parameter 1 … … …. … 3 Check sum
Tổng số byte của toàn bộ bản tin không quá 160 ký tự
4.2.2.1 Bản tin dữ liệu
Bản tin này chứa các thông số của các đầu đo, được gửi về máy chủ/người quản lý qua đường GSM hoặc kết nối trực tiếp qua cổng COM.
Mô tả :
Bản tin này có hai chế độ :
- Chế độ tự động : Qúa trình này là tự động từ phía thiết bị đo, cứ sau một khoảng thời gian được định sẵn (khoảng 10 giây với GPRS, 5 phút với SMS)
- Chế độ không tự động :Khi có bản tin yêu cầu của máy chủ/người quản lý, thì thiết bị đo mới gửi bản tin phản hồi (response message).
Ví dụ: 00000 A 00000 1 N 01 02 D01,10 D02,99ABC (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bản tin này được truyền qua SMS chứa hai giá trị đo: 01,10 và 02,99
- Như vậy trong một bản tin SMS gồm 160 ký tự sẽ có tối đa là 24 giá trị dữ liệu được truyền đi với độ chính xác lên tới hai con số.
4.2.2.2 Bản tin cấu hình
Bản tin này chứa các thông tin cấu hình của thiết bị. Nó được gửi đi trong những trường hợp sau:
- Máy chủ gửi bản tin cấu hình đến thiết bị đo.
- Thiết bị đo gửi bản tin cấu hình hiện tại của nó đến máy chủ khi nhận được bản tin yêu cầu từ máy chủ.
4.2.2.3 Bản tin đặc biệt
Bản tin này được gửi đi khi có những thay đổi đột biến ở các đầu đo, hoặc những tác động bên ngoài ảnh hướng đến các thông số đã được cài đặt cũng như vị trí lắp đặt của thiết bị đo mà không có sự cho phép của người quản lý. Hoặc khi có thao tác ấn phím khẩn cấp của người dùng lên thiết bị.
Các lỗi có thể phát sinh: mất nguồn, các đầu đo trả về không đúng giá trị, không kết nối được với máy chủ.
4.3 Kết quả kiểm tra tích hợp hệ thống và sai số
Kiểm tra nguồn và các kết nối vật lý
Cắm nguồn vào 12V một chiều bằng máy tạo nguồn chuẩn. Kết quả đo bằng dao động ký cho thấy:
- Điện áp ở chân 2 của IC LM2576 đạt 4,18 V. Đạt chuẩn hoạt động của SIM900. Độ gợn điện áp nguồn nhỏ hơn 0,1 V ở chế độ thường và 0,5 V ở chế độ gửi tin nhắn.
- Điện áp ở chân lối ra của IC LM7805 đạt 5,03 V. - Điện áp ở chân lối ra của IC LM1117 đạt 3,27 V.
Kiểm tra khối hiển thị và khối SIM900
Sử dụng phần mềm MPLAB 8.8 và bộ nạp Pickit 3 nạp chương trình cho dsPIC33.
Màn hình LCD khi khởi động hiển thị các bước khởi tạo hệ thống. Đèn báo hiệu mạng và trạng thái của SIM900 hoạt động bình thường.
Kiểm tra giá trị các đầu đo
Kết nối trực tiếp thiết bị vào máy tính thông qua cổng COM. Thiết bị được lập trình cho phép người điều khiển có thể kiểm tra từng khối ngoại vi của thiết bị như khối GSM, LCD, ADC v. v...Hình 4-13 mô tả giao diện chương trình kiểm tra thiết bị khi ghép nối với cổng COM và sử dụng phần mềm Hyper Terminal được tích hợp sẵn trong Windows XP.
Để kiểm tra các cảm biến người dùng nhập số 6. Chương trình sẽ tự động gửi liên tiếp các giá trị đo được của hai kênh ADC từ 0 đến 4096 tương ứng với giải điện áp lối vào từ 0 đến 3,3 V. Tương tự như vậy, người dùng có thể kiểm tra các ngoại vi khác bằng việc nhấn phím tương ứng.
Hình 4-13 mô tả giao diện chương trình kiểm tra phần cứng được lập trình nhúng sẵn trong vi điều khiển.
Giá trị hai kênh đầu vào tại thời điểm không có cảm biến. Các đầu vào ADC để hở mạch. Lúc này, các giá trị đo được đang khác không. Các đầu vào ADC có thể đang bị nhiễu hoặc xử lý điểm không chưa tốt.
Hình 4-14: Giao diện kiểm tra lối vào ADC
Với bản mạch mở rộng sử dụng ACS712. Điện áp lối ra của IC này theo lý thuyết đạt khoảng 2,5 V với nguồn nuôi 5 V. Để ghép nối với vi điều khiển dsPIC33sử dụng nguồn 3,3 V, tôi sử dụng mạch nguyên lý được khuyến cáo trong tài liệu mô tả về ACS712 như hình 4-15. Khi đó, đi ốt D1 giúp giảm điện áp lối ra của ACS712, phù hợp để ghép nối với vi điều khiển dsPIC33. Điện áp đo tại chân ADC lúc này khoảng 1,9 V.
Như đã giới thiệu ở phần lý thuyết, dsPIC33 với ADC 12 bít, có khả năng đo chính xác cỡ 1mV. Dải đo từ 0 đến 3300 mV tương ứng với các giá trị ADC từ 0 đến 4096.
Trong sơ đồ kiểm tra, tôi sử dụng hai kênh đo dòng để tăng độ chính xác của phép đo. Mỗi kênh là một bản mạch sử dụng ACS712 có khả năng đo dòng lên tới 20 A, với độ phân giải 100 mV/A. Như vậy với ADC của dsPIC33, ta chỉ có thể đo được dòng xoay chiều có giá trị lớn hơn 10 mA.
Các bước tiền hành thực nghiệm:
- B1. Lắp đặt hệ thống thực nghiệm như hình 4-16. - B2: Đo các giá trị thế và dòng khi chưa cắm tải. - B3: Lần lượt thay các tải có dòng tiêu thụ khác nhau.
Hình 4-16: Sơ đồ kiểm tra giá trị dòng chạy qua một thiết bị
Hình 4-17 mô tả giá trị hai kênh ADC mà vi điều khiển đo được khi ghép nối với ACS712 ở chế độ không có dòng điện chạy qua. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 4-17: Giá trị ADC khi không có dòng qua ACS712
Bảng 4-2 : Số liệu đo dòng với kênh 1 sử dụng ACS712 loại 20A (100mV/A) Tên tải Giá trị ADC khởi tạo Giá trị ADC đo được Giá trị dòng đo bằng ADC(mA) Giá trị đo dòng bằng thiết bị đo chuẩn(mA) Sai số (mA) Sai số tính theo phần trăm Đèn quả nhót 2447 2451 40 45 5 12.50% Đèn 40W 2447 2465 180 186 6 3.33% Đèn 60W 2447 2474 270 276 6 2.22% Đèn 40W + 60W 2447 2490 430 438 8 1.86% Đèn 75W 2457 2488 310 316 6 1.94% Đèn 40W+ 60W+75W 2460 2534 740 755 15 2.03% Đèn 200W 2455 2536 810 743 67 8.27% Quạt 2457 2475 180 185 5 2.78% Bàn là 2451 2880 4290 4360 70 1.63% Mỏ hàn xung 2447 2482 350 320 30 8.57%
Bảng 4-3: Số liệu đo dòng với kênh 2 sử dụng ACS712 loại 20A (100 mV/A)
Tên tải Giá trị ADC khởi tạo Giá trị ADC đo được Giá trị dòng đo bằng ADC(mA) Giá trị đo dòng bằng thiết bị đo chuẩn(mA) Sai số (mA) Sai số tính theo phần trăm Đèn quả nhót 2460 2464 40 43 3 7.50% Đèn 40W 2461 2479 180 188 8 4.44% Đèn 60W 2461 2489 280 284 4 1.43% Đèn 40W + 60W 2458 2505 470 471 1 0.21% Đèn 75W 2456 2489 330 332 2 0.61% Đèn 40W+ 60W+75W 2457 2532 750 787 37 4.93% Đèn 200W 2457 2533 760 774 14 1.84% Quạt 2463 2481 180 187 7 3.89% Bàn là 2461 2954 4930 4900 30 0.61% Mỏ hàn xung 2461 2490 290 310 20 6.90%
Bảng 4-4 : Số liệu đo dòng với kênh 2 sử dụng ACS712 loại 5A (66mV/A)
Tên tải Giá trị ADC khởi tạo Giá trị ADC đo được Giá trị dòng đo bằng ADC(mA) Giá trị đo dòng bằng thiết bị đo chuẩn(mA) Sai số (mA) Sai số tính theo phần trăm Đèn quả nhót 1910 1914 40 42 2 5.00% Đèn 40W 1906 1924 180 183 3 1.67% Đèn 60W 1910 1937 270 274 4 1.48% Đèn 40W + 1910 1955 450 459 9 2.00%
60W Đèn 75W 1911 1943 320 322 2 0.63% Đèn 40W+ 60W+75W 1910 1991 810 794 16 1.98% Đèn 200W 1911 1933 220 202 18 8.18% Quạt 1911 1929 180 186 6 3.33% Bàn là 1911 2395 4840 4770 70 1.45% Mỏ hàn xung 1911 1968 570 548 22 3.86% Qua các bảng số liệu ta thấy, giá trị dòng điện xoay chiều đo được với ACS712 có sai số không quá 12%.
Hình 4-18: Biểu đồ dòng tiêu thụ của bàn là được gửi qua mạng GSM
Hình 4-20: Biểu đồ dòng điện tiêu thụ của bóng đèn 40W và 60W
Hình 4-21: Biểu đồ dòng điện tiêu thụ khi lắp lần lượt các tải.
Hình 4-21 mô tả sự thay đổi cường độ dòng khi thay lần lượt các tải là bóng đèn 60W, 200W và bàn là.
Tất cả các giá trị ADC trong các bảng số liệu cũng như hình vẽ được chuyển sang giá trị dòng điện đo được bằng công thức đơn giản sau:
(Giá trị ADC đo được – Giá trị ADC khởi tạo) x 3300 ÷ (4096 x Độ phân giải của cảm biến đo dòng).
III. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Những vấn đề đã giải quyết và nghiên cứu được
Sau quá trình thực hiện luận văn, tôi đã tìm hiểu và giải quyết được những vấn đề là:
- Tìm hiểu cấu trúc phần cứng cũng như lập trình kiểm soát một vi điều