PIC18F67J60 là một vi điều khiển mạnh đƣợc thiết kế chủ yếu cho các ứng dụng mạng và có tích hợp sẵn Ethernet controller với các tích năng:
Tƣơng thích chuẩn IEEE 802.3.
Tƣơng thích mạng 10/100/1000Base – T. Tích hợp sẵn địa chỉ vật lý.
Khả năng lập trình tự động gửi lại khi có xung đột đƣờng truyền. Khả năng lập trình Padding và tạo CRC.
Khả năng lập trình tự động loại bỏ những gói tin bị lỗi. Có 2 đèn LED hiển thị.
Có thể chọn xung clock từ nguồn ngoài từ 2.778 đến 41.667MHz. Có clock nội 31kHz.
Chế độ địa chỉ 12, 16 và 20 bit.
Chi tiết các thông số kỹ thuật đƣợc trình bày trong datasheet của nhà sản xuất. Hình 4.3 mô tả sơ đồ khối của khối E2U.
CHƢƠNG 5: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 5.0. Phân loại các phƣơng pháp đo dòng điện xoay chiều
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 nhƣ 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 sụt trên một điện trở chuẩn mắc trong mạch có dòng điện chạy qua, thông qua phƣơng pháp tính toán sẽ có đƣợc giá trị dòng điện cần đo.
- Phƣơng pháp so sánh: so sánh dòng đip sụt trên một điện trở chuẩn mắc trong mạch bằng của dòng điện cần đo và dòng điện mẫu, sẽ đọc đƣợc kết quả trên mẫu.
Từ các đặc tính của dòng điện thì ta có những kiểu đo dòng sau:
- Kiểu đo thế sụt trên một điện trở shunt. Điện trở này thƣờng có độ chính xác cao. Điện áp sụt qua điện trở tỷ lệ thuận với dòng điện cần đo. Hình 5.1 giới thiệu nguyên tắc đo dòng bằng điện trở Shunt.
Điện trở Shunt
Dòng điện cần đo
Hình 5.1: Nguyên tắc đo dòng bằng điện trở Shunt
- Dựa vào định luật cảm ứng Faraday, từ trƣờng biến thiên sẽ sinh ra dòng điện biến thiên. Dòng điện này gọi là dòng điện cảm ứng. Nhƣ vậy, dòng điện cần đo sẽ tạo ra một dòng điện cảm ứng, ta có thể đo dòng điện cảm ứng và suy ra đƣợc giá trị của
dòng điện cần đo. Các loại cảm biến sử dụng định luật này nhƣ các biến dòng CT, hình 5.2 giới thiệu 1 số loại cảm biến dòng CT.
Hình 5.2: Các loại CT trên thị trường
- Dựa vào định luật Hall, khi có một từ trƣờng 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 đƣợc khuếch đại và đƣa vào bộ chuyển đổi tƣơng 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 nhƣ vi mạch ACS712, các đặc điểm và thông số của vi mạch này đã đƣợc trình bầy ở chƣơng 2. Hình 5.3 mô tả nguyên tắc hoạt động của cảm biến Hall.
Hình 5.3: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến Hall
5.1. Thuật toán đo dòng điện xoay chiều hiệu dụng
Điện áp của cảm biến ra tuyến tính từ 0V đến +5V tƣơng ứng với dòng vào từ - 20A đến +20A (Dòng vào 0A thì thế ra là +2.5V).
I = 8*Viout – 20 (Ampe)
Đầu ra của cảm biến đƣợc nối vào ADC của vi điều khiển nên điện áp Viout đƣợc tính nhƣ sau:
Viout = 5* (Vol)
Trong đó Vref của ADC là +5V, độ phân giải ADC là 10 bit. Dòng điện hiệu dụng đƣợc tính theo công thức:
IRMS =
Trong đó I(i) là các mẫu của dòng điện xoay chiều. N là số mẫu lấy trong một chu kỳ, N càng lớn kết quả càng chính xác.
Thuật toán đo dòng hiệu dụng cho lƣới điện 50Hz:
Đúng i = 0
Delay 1ms
i = 20
I(i) = read ADC
IRMS =
i ++
CHƢƠNG 6: CÁC BƢỚC THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ 6.0. Thiết kế chế tạo phần cứng hệ thống
Mô tả hệ thống:
Trong luận văn này trên cơ sở hệ thống điều khiển thiết bị điện qua mạng của đề tài KC.03.12/06-10 ngoài tính năng điều khiển các thiết bị điện em đã phát triển tiếp phần giám sát và đo dòng điện tiêu thụ tại mỗi thiết bị, Hệ thống có cả phần giám sát và đo dòng điện đƣợc mô tả nhƣ hình 6.1.
Hình 6.1: Sơ đồ mạch của hệ thống
Các lối ra xoay chiểu đƣợc nối tiếp với 4 cảm biến ACS712. Các cảm biến này đƣợc cấp bằng nguồn +5VDC và tính hiệu lối ra tỉ lệ tuyến tính với dòng điện qua cảm biến.
Các đầu ra điện áp của cảm biến đƣợc đọc bởi bộ ADC của vi điều khiển PIC 16F887A. Từ đó vi điều khiển biết đƣợc giá trị dòng điện tải (IPEAK và IRMS) Giá trị dòng điện đo đƣợc sẽ đƣợc so sánh với ngƣỡng để quyết định nội dung của gói tin phản hồi về trung tâm.
chiều cho mạch, vừa hỗ trợ đo điện áp của lƣới điện xoay chiều thì ta có thể tính đƣợc công suất tiêu thụ của tải với độ chính xác nhất định.
6.0.1. Khối nguồn nuôi
Chức năng chính của modul này là cung cấp các mức nguồn +3,3V và +5V chuẩn cho toàn bộ các linh kiện trong mạch. Hỗ trợ nguồn vào dải rộng lên tới 60V. Chịu đƣợc dòng tải lối ra lên tới 3 Ampe. Khối nguồn gồm có các linh kiện sau:
- J1 là loại giắc cắm dành cho điện một chiều. Thế nguồn ngoài phải lớn hơn 7V. - D1 chống cắm ngƣợc nguồn ngoài.
- C1, C22, C6: Tụ lọc nguồn.
- POWER LED: báo nguồn với trở hạn dòng R1.
- LM2596: IC ổn áp nguồn xung, thế lối ra đƣợc xác định bằng tỷ lệ phân áp giữa R29 và R30. IC này tạo nguồn +5V nuôi cảm biến ACS712 .
- LM1117: IC ổn áp tuyến tính tạo nguồn 3.3V cho dsPIC33.
Nguồn nuôi ngoài cho hệ thống đƣợc lấy từ biến áp hạ thế xoay chiều 12V - 1A. Điện áp xoay chiều sau đó đƣợc chỉnh lƣu và tạo ra điện áp một chiều +17V. Điện áp một chiều ban đầu này sẽ đƣợc đƣa đến các mạch ổn áp tiếp theo và đồng thời đƣợc đƣa đến một cổng ADC của PIC 16F877A để theo dõi điện áp nguồn 220VAC.
IC ổn áp dạng xung LM2596 ra 5V một chiều nuôi cảm biến ACS712 và vi điều khiển PIC16F877A.
Nguồn +3V3 đƣợc tạo ra từ +5VDC bởi IC ổn áp tuyến tính LM1117. Hình 6.2 mô tả sơ đồ mạch điện khối nguồn nuôi.
6.0.2. Module E2U ( Ethernet to Uart )
Hình 6.3: Hình Module E2U
Module Ethernet2Uart đƣợc nuôi bằng nguồn +3V3 và truyền thông với PIC16F887A qua giao tiếp UART. Hình 6.3 mô tả khối của Module E2U đã đƣợc thiết kế.
6.0.3. Khối rơle và cảm biến
Hình 6.4: Sơ đồ mạch điện khối rơle và cảm biến
PIC16F877A điều khiển các relay thông qua IC đệm ULN2803.
Cảm biến dòng ACS712 đƣợc mắc nối tiếp với tải thông qua các tiếp điểm của relay. Khi đóng relay, ACS712 sẽ sinh ra điện áp tại chân Viout có độ lớn tƣơng ứng dòng qua tải, và nằm trong dải 0V ÷ 5V.
Tín hiệu điện áp biến thiên từ cảm biến sau đó đi đến bộ lọc thông thấp để chống chồng phổ (antialias filter), có cấu trúc kiểu Sallen-Key bậc II ( Hình 6.5):
Hình 6.5: Bộ lọc thông thấp
Tín hiệu điện sau khi qua bộ lọc đƣợc đƣa đến đầu vào ADC của PIC16F877A. Bộ ADC đƣợc xác lập thế chuẩn Vref = +5V và tốc độ lấy mẫu là 1200Hz. Từ các giá trị ADC sẽ tính đƣợc dòng xoay chiều hiệu dụng qua tải và gửi ra mạng Internet.
6.0.4. Khối xử lý dữ liệu và điều khiển công suất PaC (Processing and Control)
Khối PaC có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ khối E2U, xử lý dữ liệu rồi xuất tín hiệu tới tầng công suất để điều khiển các thiết bị. Trung tâm của khối chính là vi điều khiển PIC16F887A . Vi điều khiển PIC16F877A đƣợc nuôi bằng nguồn +5V.
Vi điều khiển này một mặt giao tiếp với khối E2U theo chuẩn RS232, mặt khác kết nối với tầng công suất để điều khiển thiết bị nó có nhiệm vụ theo dõi dữ liệu từ module U2E và ra quyết định điều khiển rơle đồng thời đọc các cổng ADC để tính ra giá trị dòng điện qua tải và gửi trở lại module U2E.
Hình 6.6: sơ đồ mạch điện của khối khối PaC
6.0.5. Mạch in PCB
Mạch in nhìn từ mặt dƣới và trên đƣợc thể hiện qua hình 6.7 và 6.8.
Hình 6.8: Mạch in nhìn từ trên xuống (top-down).
6.0.6. Đóng gói thiết bị
Hình ảnh cụ thể của các bo mạch sau khi đƣợc lắp ráp các linh kiện và hộp thiết bị đƣợc trình bày trong các hình 6.9, 6.10, 6.11, 6.12.
Hình 6.10: Mặt dưới bo mạch của thiết bị
START
Command?
Send the Irms value to sever
RL(i) ON RL(i) OFF
Read Iirms Read Iirms Turn ON RL(i) Turn OFF RL(i) TimeOut ++ Read Iirms J++ YES NO
- Mô tả giải thuật:
o Đọc lệnh từ module EHTERNET2UART.
o Nếu có lệnh thì tra bảng lệnh và đƣa ra quyết định đóng/mở rơle tƣơng ứng. Sau đó đọc dòng Irms tƣơng ứng và gửi ra mô đun EHTERNET2UART.
o Nếu không có lệnh thì tăng biến TimeOut. Nếu TimeOut đạt ngƣỡng đặt trƣớc thì đọc dòng điện từ một trong 4 cổng và truyền gửi ra mô đun EHTERNET2UART.
o Quay trở lại từ đầu.
6.2. Phần mềm giao diện điều khiển trên máy tính PC
Phần mềm giao diện đƣợc viết bằng ngôn ngữ VB6. Bao gồm một số chức năng cơ bản:
Nhập địa chỉ IP và PORT của thiết bị cần kết nối. Hiển thị giá trị dòng điện nhận đƣợc từ thiết bị. Có nút bật – tắt bốn thiết bị tƣơng ứng.
6.2.1. Giao diện chương trình
Hình 6.13: Giao diện chương trình
6.2.2. Giao diện chương trình khi hoạt động
Hình 6.14: Giao diện khi mở tải là bóng đèn 25W
Hình 6.16: Giao diện khi mở tải là 4 bóng đèn 25W 60W, 100W và 7W.
Hình 6.17: Giao diện khi mở tải là 4 bóng đèn 25W 60W, 100W và 7W. Nhưng bóng thứ 2 không sáng.
- Thiết bị đã đáp ứng lệnh điều khiển từ máy tính trong thời gian dƣới 1 giây (thử nghiệm kết nối từ xa qua mạng Internet của VDC và qua 3G của Mobifone). - Thực hiện phép đo dòng điện tiêu thụ trên thiết bị bằng phần mềm điều khiển cho
PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ
CHƢƠNG 7: NHỮNG VẤN ĐỀ ĐÃ GIẢI QUYẾT VÀ NGHIÊN CỨU ĐƢỢC QUA LUẬN VĂN
Sau quá trình thực hiện luận văn, tôi đã tìm hiểu và giải quyết đƣợc những vấn đề là: - Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển từ xa thiết bị điện qua mạng internet có tính năng phản hồi trạng thái hoạt động của thiết bị.
- Tìm hiểu các phƣơng pháp đo dòng điện xoay chiều. Sử dụng đƣợc IC đo dòng điện chuyên dụng nhƣ ACS712. Đo đƣợc giá trị dòng điện xoay chiều trong khoảng thời gian dài.
- Tìm hiểu cấu trúc phần cứng cũng nhƣ lập trình kiểm soát một vi điều khiển PIC16F877A. Từ đó xây dựng thành công hệ thống đo dòng điện xoay chiều với độ tin cậy đạt đƣợc trong thời gian dài.
- Tìm hiểu và lập trình giao tiếp với mô đun ETHERNET TO UART qua cổng giao tiếp nối tiếp không đồng bộ UART.
- Từ các kiến thức đã nghiên cứu, hệ thống đo dòng điện đã đƣợc tôi xây dựng bao gồm phần cứng và phần mềm quản lý với những tính năng sau:
7.0. Về phần cứng
+ Thiết bị cho phép nguồn nuôi có điện áp vào dải rộng, lên tới 60V. + Có các linh kiện bảo vệ thiết bị khi ngƣời dùng cắm ngƣợc nguồn.
+ Nhờ việc hộ trợ các giao thức truyền thông ethernet, thiết bị dễ dàng ghép nối vào các mạng điều khiển công nghiệp.
+ Hỗ trợ các cổng gỡ rối, thuận tiện cho các kỹ sƣ phát triển sửa chữa, nâng cấp firmware.
7.1. Về phần mềm
+ Phần mềm đơn giản, trực quan, thân thiện với ngƣời dùng. Nó thể hiện qua việc bố trí các nút bấm chức năng, đồ thị hiển thị.
7.2. Những vấn đề còn tồn tại của đề tài và hƣớng giải quyết
Giảm thiểu sai số phép đo:Nguyên nhân sai số xuất phát từ hai yêu tố chính
- Bản thân thiết bị đo đã có sai số do quá trình lấy mẫu ADC.
- Cảm biến đo dòng cũng gây ra sai số đặc biệt là với các dòng diện có giá trị nhỏ.
Cách khắc phục:
Sử dụng nhiều đầu đo và lấy giá trị trung bình của các đầu đo. Trên mỗi đầu đo, phần mềm sẽ đƣợc tích hợp thêm phần lọc nhiễu ADC bằng cách lấy nhiều mẫu và chia trung bình, sử dụng bộ lọc thông thấp bậc ba với một nghìn mẫu đầu vào.
Bảo mật dữ liệu và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu.
Nguyên nhân:
- Mạng Ethernet đôi khi không ổn định, làm mất gói tin trong quá trình kết nối. - Dữ liệu đƣợc gửi đi dƣới dạng văn bản.
Cách khắc phục:
- Tích hợp thêm cơ chế sửa lỗi và báo nhận với từng bản tin. 1 bản tin có thể đƣợc gửi nhiều lần
- Mã hóa bản tin trƣớc khi gửi bằng thuật toán đảo mã ký tự. - Chèn thêm thông tin về tính CRC, checksum v. v…
7.3. Hƣớng phát triển của bài luận văn
Đề tài đã xây dựng đƣợc những nền tảng ban đầu của việc giám sát và truyền dữ liệu về các thông số của điện năng thông qua mạng ethernet. Trong tƣơng lai, để áp dụng vào thực tế, thiết bị cần tối ƣu hóa phần cứng, giảm thiểu sai số đo lƣờng, loại bỏ các khối chức năng không cần thiết để hạ giá thành sản phẩm. Đồng thời sản phẩm cũng phải hỗ trợ các hạ tầng mạng tiên tiến nhƣ GPRS/3G, đảm bảo tốc độ nhanh và không bị mất dữ liệu, chi phí rẻ.
Giải pháp này sau khi đƣợc hoàn thiện sẽ có khả năng thay thế các giải pháp ghi số liệu điện năng truyền thống. Đồng thời nó cũng xây dựng đƣợc cơ sở dữ liệu lớn phục vụ cho việc phát triển các dịch vụ giá trị gia tăng khác.
Phần mềm quản lý phải đƣợc viết lại dƣới dạng ứng dụng web hoặc hỗ trợ chạy trên các nền tảng di động để phục vụ số đông ngƣời dùng. Ngoài ra, phần mềm cũng sẽ đƣợc tích hợp thêm các tính năng mới nhƣ dự đoán về công suất tiêu thụ, đƣa ra các giải pháp tiết kiệm điện cho từng khách hàng dựa trên cơ sở dữ liệu về thói quen sử dụng của khách hàng.
1. Tran Quang Vinh, Pham Manh Thang, Phung Manh Duong, “Controlling Communication Network in the Building Automation System,” Journal of Science,Vietnam National University, pp.129-140, Vol.26, 2010.
2. Nguyễn Kim Giao (2004), Kỹ Thuật Số, NXB ĐHQG.
3. Trần Quang Vinh, đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các cấu kiện và hệ thống tự động hóa phục vụ giám sát, điều khiển, điều hành cho các tòa nhà cao tầng (nhà công ích và dân dụng)”, mã số: KC.03.12/06-10. Website: 4. http://www.alldatasheets.com 5. http://www.microchip.com 6. http://www.picvietnam.com 7. http://www.hanrun.com/hren/product.asp?id=322
PHỤ LỤC Chƣơng trình điều khiển:
#include "main.h" #include <math.h> /*
CMD from server to device:
|Header|| Len || CMD || CRC | | 0xBE ||1 Byte||1 Byte||2 Byte|
CMD from device to server:
|Header|| Len || DATA || CRC | | 0xBF ||1 Byte||4 Byte||2 Byte| */
volatile unsigned char rxBuffer;
volatile unsigned int16 adc_raw_value[40];
volatile unsigned int16 adc_raw_max,adc_raw_min;