LỜI MỞ ĐẦU Giới thiệu mô hình tổng quan của đề tài Ngày nay, Internet phát triển mở ra những khả năng ứng dụng mới, Internet và các ứng dụng của nó đã và đang thay đổi cách làm việc, cách giải trí và cách sống của chúng ta. Internet không chỉ cho phép tìm kiếm thông tin, mà còn cho phép truy cập đến lĩnh vực rộng lớn của số liệu và các dịch vụ đa phƣơng tiện. Nhiều ứng dụng mới đã đƣợc triển khai và ngƣời sử dụng có thể bắt đầu chạy nhiều ứng dụng âm thanh và hình ảnh từ Internet, cũng nhƣ thƣởng thức một thế giới mới của các ứng dụng tƣơng tác ba chiều. Gần đây, vấn đề đặc biệt đƣợc quan tâm là các hệ thống thời gian thực trên nền mạng Internet.
Qua hệ thống thời gian thực này mà con ngƣời có thể điều khiển chính xác những thiết bị vật lý. Hệ thống thông tin thời gian thực ngày nay đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực nhƣ: trong ngành công nghiệp sản xuất, kiểm soát tiến trình trong nhà máy, hay trong các lò phản ứng hạt nhân, trong hệ thống hàng không, thông qua các hệ thống dẫn đƣờng tích hợp trên máy bay, vệ tinh và gần gũi nhất với chính cuộc sống con ngƣời là điều khiển thiết bị trong tòa nhà thông minh. Ngƣời dùng, với một chiếc máy tính ở bất kỳ đâu đƣợc nối mạng Internet, có thể điều khiển các thiết bị ở trong nhà của mình nhƣ bật nồi cơm điện, bật điều hòa, vận hành máy giặt, kiểm tra tình trạng an ninh. Phƣơng pháp điều khiển này mạng lại những ƣu điểm nổi bật sau: - , việc triển khai các bộ điều khiển sẽ không yêu cầu phải lắp đặt mới đƣờng truyền hay phần cứng phức tạp.
- Hệ thống cho phép đi - Khối điều khiển đƣợc thiết kế dựa trên các vi điều khiển nhỏ gọn, rẻ tiển, không đòi hỏi phải có máy tính PC hay máy chủ server. - Hệ thống hoạt động 24/24 đảm bảo cho các thiết bị thông minh có thể đƣợc điều khiển “mọi lúc, mọi nơi”. Với các ƣu điểm tr. z 2 Từ những lý do kể trên, tôi chọn đề tài luận văn với mục tiêu nghiên cứu thiết kế lắp ráp một hệ thống “Điều khiển các thiết bị điện từ xa qua mạng Internet”.
Luận văn đƣợc bố cục thành 3 phần : Tìm hiểu tổng quan lý thuyết, báo cáo quá trình thiết kế, lắp đặt và kết quả thử nghiệm, cuối cùng là phần kết luận. z 3 PHẦN I: LÝ THUYẾT z 4 CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỪ XA THIẾT BỊ ĐIỆN QUA MẠNG INTERNET hoạt động, cấu trúc phần cứng và chƣơng trình phần mềm nhƣ sau. Nguyên lý hoạt động của hệ thống Dƣới đây là hình 1 trình bày sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển đóng ngắt thiết bị tòa nhà qua mạng Internet. Module điều khiển TV Ngƣời dùng Tủ lạnh Máy giặt Mạng Ethernet Căn hộ – Port 1024 Lò vi sóng HW Đèn Module điều khiển Internet Ngƣời dùng TV Router Tƣờng lửa IP: 203.218 Tủ lạnh Máy giặt Căn hộ – Port 1026 Lò vi sóng HW Đèn Ngƣời dùng Module điều khiển TV Tủ lạnh Máy giặt Căn hộ – Port 1028 Hình 1.1: Sơ đồ hoạt động của hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng Internet Trong sơ đồ này, các thiết bị trong mỗi căn hộ của tòa nhà nhƣ bóng đèn, máy giặt, tivi, tủ lạnh, lò vi sóng.
sẽ đƣợc kết nối đến các đầu vào/ra của bộ điều khiển. Bộ điều khiển này sau đó đƣợc kết nối tới bộ định tuyến (Router) của tòa nhà thông qua mạng Ethernet LAN rồi từ đó kết nối với Internet. Mỗi bộ điều khiển trong tòa nhà z 5 đƣợc xác định bởi cặp địa chỉ IP-Port của router, do đó các máy tính bất kỳ trên mạng Internet có thể kết nối chính xác tới mỗi bộ điều khiển này. Ngƣời dùng, với phần mềm đƣợc cài trên máy tính, khi kết nối với Internet có thể truy cập vào hệ thống và tƣơng tác điều khiển các thiết bị một cách dễ dàng.
Việc điều khiển ở đây là hai chiều, trong đó, ngƣời dùn. Nguyên lý làm việc của module điều khiển Mô đun điều khiển từ xa qua mạng Internet đƣợc trình bày trong hình 1. Khổi E2U Khối PaC Ethernet Vi điều khiển Tầng công suất RJ45 Vi điều khiển PIC16F887A Thiết bị cần HR911105A PIC18F67J60-I/PT điều khiển Khối phản hồi Hình 1.2: Sơ đồ chức năng bộ điều khiển qua mạng Internet Theo sơ đồ, bộ điều khiển bao gồm 2 khối: khối E2U (Ethernet to UART) giao tiếp với mạng internet và truyền dữ liệu đầu ra theo chuẩn RS232, và khối PaC (Process and Control) thực hiện việc xử lý dữ liệu rồi xuất tín hiệu điều khiển thiết bị qua tầng công suất, khối phản hồi sử dụng vi xử lý ACS712. Hệ thống đƣợc mô tả nhƣ sau: Module Ethernet làm nhiệm vụ chuyển các ký tự nhận đƣợc từ Ethenet (đúng IP và Port) ra cổng UART của module và ngƣợc lại.
PIC 16F887A sẽ nhận các ký tự từ module Ethernet, phân tích các ký tự và đƣa ra quyết định đóng mở rơ le tƣơng ứng. IC ULN2003 làm nhiệm vụ đệm dòng điều khiển rơ le Module phản hồi dùng cảm biến ACS712 làm nhiệm vụ nhận biết dòng điện đi vào thiết bị, đƣa tín hiệu về hệ thống. Phân tích tính năng phản hồi của hệ thống Hệ thống yêu cầu thiết bị phải có phản hồi trạng thái đầu ra về trung tâm bằng cách cảm nhận dòng điện tiêu thụ tại lối ra. Để thực hiện việc việc cảm nhận dòng điện có 3 loại cảm biến thông dụng: biến dòng, shunt dòng và cảm biến Hall tích hợp.3: Các cảm biến dòng thông dụng Loại cảm Độ phức tạp mạch Cách Nguyên lý Kích thƣớc Giá thành biến khuyếch đại/ xử lý ly Biến dòng Cảm ứng từ Lớn Trung bình Có Trung bình Shunt dòng ĐL ôm Nhỏ Phức tạp Không Thấp Cảm biến Hiệu ứng Hall tích Rất nhỏ Đơn giản Có Trung bình Hall hợp Bảng 1-1: So sánh tính năng 3 loại cảm biến dòng Nhận xét: Trong khuôn khổ luận văn này này cảm biến Hall tích hợp là phù hợp nhất xét theo các tiêu chí.
Cụ thể trong đề tài này là IC ACS712. z 7 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ TÌM HIỂU CẢM BIẾN ĐO DÒNG ĐIỆN SỬ DỤNG HIỆU ỨNG HALL 2. Lý thuyết về hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý đƣợc thực hiện khi áp một từ trƣờng vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó ngƣời ta nhận đƣợc hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall.
Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trƣng cho vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng này đƣợc khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879. Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall đƣợc giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn điện. Dòng điện này chính là sự chuyển động của các điện tích (ví dụ nhƣ electron trong kim loại).
Khi chạy qua từ trƣờng, các điện tích chịu lực Lorentz bị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùy theo điện tích chuyển động đó âm hay dƣơng. Sự tập trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái dấu ở 2 mặt của thanh Hall gây ra hiệu điện thế Hall. Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trƣờng là: Với VH là hiệu thế Hall, I là cƣờng độ dòng điện, B là cƣờng độ từ trƣờng, d là độ dầy của thanh Hall, e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall, và n là mật độ các hạt này trong thanh Hall. Công thức này cho thấy một tính chất quan trọng trong hiệu ứng Hall là nó cho phép phân biệt điện tích âm hay dƣơng chạy trong thanh Hall, dựa vào hiệu thế Hall âm hay dƣơng.
Hiệu ứng này lần đầu tiên chứng minh rằng, trong kim loại, electron chứ không phải là proton đƣợc chuyển động tự do để mang dòng điện. Điểm thú vị nữa là, hiệu ứng cũng cho thấy trong một số chất (đặc biệt là bán dẫn), dòng điện đƣợc mang đi bởi các lỗ trống điện tử (có điện tích tổng cộng là dƣơng) chứ không phải là electron đơn thuần. Khi từ trƣờng lớn và nhiệt độ hạ thấp, có thể quan sát thấy hiệu ứng Hall lƣợng tử, thể hiện sự lƣợng tử hóa điện trở của vật dẫn. Với các vật liệu sắt từ, điện trở Hall bị tăng lên một cách dị thƣờng, đƣợc biết đến là hiệu ứng Hall dị thƣờng, tỷ lệ với độ từ hóa của vật liệu.
Cơ chế vật lý của hiệu ứng này hiện vẫn còn gây tranh cãi.1 thể hiện trạng thái hiệu ứng Hall khi chƣa có từ trƣờng.1: Hiêu ứng Hall khi chưa có từ trường Hình 2.1 sẽ thuyết minh nguyên lý cơ bản của hiệu ứng Hall. Nó nói rằng một tấm vật liệu bán dẫn mỏng (phần tử Hall) có dòng điện chạy qua nó. Kết nối ngõ ra vuông góc với chiều của dòng điện. Khi không có từ trƣờng đặt vào (hình 2.1), sự phân bố dòng sẽ không đổi và không có sự khác biệt về điện áp ở ngõ ra.2 thể hiện hiêu ứng Hall khi có từ trƣờng đặt vào.2: Nguyên lý hiêu ứng Hall khi có từ trường đặt vào Khi đặt một từ trƣờng vuông góc vào nhƣ hình 2.2, một lực Lorent tác dụng lên dòng điện.
Lực này sẽ làm nhiễu loạn sự phân bố dòng điện, kết quả là tạo sự khác biệt về điện áp ở ngõ ra. Điện áp này đƣợc gọi là điện áp Hall. Sự tƣơng tác giữa từ trƣờng và dòng điện đƣợc chỉ ra nhƣ biểu thức dƣới đây. Giới thiệu vi mạch Hall cảm biến dòng ACS712 Vi mạch ASC172 là một cảm biến dòng tuyến tính dựa vào hiệu ứng Hall, đƣợc tích hợp đầy đủ với chất dẫn dòng điện trở thấp và độ cách điện 2.
Dạng đóng gói và sơ đồ khối ACS712 đƣợc đóng gói theo dạng SOIC-8 nhƣ hình 2.3: Vi mạch ACS712 Hình 2.4 giới thiệu sơ đồ nguyên lý mạch điện của cảm biến.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ACS172 Nhìn sơ đồ trên ta thấy bên trong cảm biến đã đƣợc tích hợp sẵn bộ bù thế offset và các bộ khuyếch đại tín hiệu. Tụ lọc CF kết hợp với các trở nội tạo thành bộ lọc RC ngay trƣớc bộ đệm đầu ra giúp giảm suy hao do sụt áp trên bộ lọc. Đồng thời tụ C F cũng xác định bandwidth của cảm biến. Đặc điểm kỹ thuật của cảm biến ACS712 Đƣờng tín hiệu analog độ nhiễu thấp.
Băng thông của thiết bị đƣợc thiết định thông qua chân FILTER mới.