Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 1 Mục lục Giới thiệu 2 Nghiên cứu lý thuyết 4 Nội dung chính 23 Kế hoạch thực hiện đề tài 31 Kết luận và hướng phát triển 32 Phụ lục 33 Tài liệu tham khảo 36 Chương 1: Giới thiệu Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 2 Giới thiệu 1.1 Đặt vấn đề Trong thời đại công nghệ thông tin hiện nay, những nhu cầu về gửi âm thanh, hình ảnh, tiếng nói và dữ liệu internet đưa đến từng căn nhà, văn phòng hoặc những tòa nhà khác ngày càng tăng cao. Tuy nhiên việc lắp đặt dây dẫn phục vụ cho nhu cầu này ngày càng đắt, mất thời gian và nhiều khi gây rối trong quá trình sử dụng. Trong bối cảnh như vậy, việc không dùng thêm bất cứ loại dây dẫn nào khác mà sử dụng dây điện hiện có để đưa các tín hiệu và dữ liệu tốc độ cao đến từng căn nhà là điều hữu ích . Hệ thống đường dây điện thoại và đường dây điện lực là những hệ thống tiêu biểu để có thể áp dụng công nghệ “không thêm dây dẫn”. Ích lợi của việc sử dụng đường dây điện để truyền tải tín hiệu điều khiển chính là trong mỗi hộ gia đình hoặc trong mỗi tòa nhà đều có các thiết bị điện được kết nối với mạng lưới điện. Trong hầu hết các trường hợp thì việc này sẽ được thực hiện một cách dễ dàng hơn và rẻ hơn so với việc sử dụng đường dây riêng hoặc sử dụng vô tuyến. Hiện nay trên thế giới cũng đã có nhiều các giải pháp gắn với nhiều công nghệ và giải thuật trong lĩnh vực quản lý các thiết bị điện đang được nghiên cứu và ứng dụng nhanh chóng vào lĩnh vực công nghiệp, thương mại và dân dụng. Tuy nhiên ở nước ta việc quản lý các thiết bị điện bằng các giải pháp kết hợp phần cứng, chương trình phần mềm và giao diện điều khiển thân thiện vẫn chưa được ứng dụng nhiều trong thực tế. Phương pháp nghiên cứu và thực hiện đề tài: từ kiến thức sẵn có, tham khảo tài liệu trong thư viện, trên mạng và quan trọng nhất là sự hướng dẫn của GVHD thực hiện đề tài.Với phương pháp và mục đích trên, đề tài hoàn toàn có tính ứng dụng thực tiễn cũng như tính khả thi cao. Chương 1: Giới thiệu Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 3 1.2 Tìm hiểu đề tài Nhóm đã tìm hiểu nhiều nguồn trên internet và các khóa đi trước thì thấy rằng đề tài này đã có nhiều nhóm thực hiện , qua đó nhóm đã đúc kết được một số kiến thức cũng như rút được nhiều kinh nghiệm. Trong hệ thống truyền thong tin qua đường dây điện, đường dây điện được sử dụng không chỉ để truyền tải năng lượng mà còn được dùng như một môi trường truyền dữ liệu. Mạng sử dụng đường dây điện cho phép người sử dụng đầu cuối hoặc khách hang có thể sử dụng hệ thống thống dây điện sẵn có để nối những trang thiết bị ở nhà với nhau hoặc với Internet. Mạng này có thể điều khiển tất cả các thiết bị cắm vào ngõ ra AC. Thiết bị bao gồm: đèn, quạt, tivi, điều hòa nhiệt độ và nhiều loại khác. 1.3 Mục tiêu chính của đề tài Trong đề tài này mục tiêu chính là khảo sát và nghiên cứu công nghệ truyền dẫn sử dụng mạng điện lực (Power Line Communication): • Nghiên cứu giải pháp quản lý thiết bị điện qua mạng điện hạ thế. • Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị chiếu sáng. • Thiết kế giao diện tương thích điều khiển thiết bị. • Đánh giá hiệu quả sử dụng thực tế của hệ thống. Chương 1: Giới thiệu Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 4 Nghiên cứu lý thuyết 1.4 Truyền bất đồng bộ (Asynchronous Transmission) • Đặc điểm: Phương pháp truyền này cần: một bit start (0) tại đầu bản tin, một hoặc nhiều bit stop (1) ở cuối bản tin và tồn tại khoảng trống giữa các byte . • Chú ý: Không đồng bộ ở đây được hiểu là không đồng bộ ở cấp độ byte, nhưng vẫn đồng bộ ở từng bit, do chúng có khoảng thời gian giống nhau. • Ví dụ: Hình 1: Truyền bất đồng bộ (1) • Hiệu suất truyền = số bit dữ liệu / tổng số bit truyền. Ví dụ: dữ liệu truyền 8 bit, suy ra hiệu suất truyền là: 8/10 = 0,8. • Ưu điểm: Đơn giản, chi phí truyền thấp, hiệu quả tương đối cao. • Khuyết điểm: Do Tồn tại các bit start và bit stop, khoảng trống dẫn đến thời gian truyền chậm. • Phương thức này là một chọn lựa tối ưu trường hợp truyền với tốc độ thấp. Ví dụ: quá trình truyền dữ liệu giữa bàn phím và máy tính, theo đó người dùng chỉ gởi một lần một ký tự, và thường để lại những khoảng thời gian trống đáng kể giữa hai lần truyền. 1.5 Truyền thông nối tiếp RS-232 Việc trao đổi dữ liệu qua cổng nối tiếp trong các trường hợp thông thường đều qua đường dẫn truyền nối tiếp TxD và đường dẫn nhận nối tiếp RxD. Tất cả các đường dẫn còn lại có chức năng phụ trợ khi cần thiết và khi điều khiển các đường truyền dữ liệu. Đặc trưng về điện của đường truyền đã được khẳng định trong tiêu chuẩn RS232. Trạng thái LOW tương ứng với mức điện áp từ +3V đến +12V, còn trạng thái HIGH tương ứng với mức điện áp tử -3V đến -12V. Tất cả các lối ra đều có đặc tính chống chập Chương 1: Giới thiệu Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 5 mạch và có thể cung cấp dòng điện từ 10mA đến 20mA. Giữa hai điện áp chuyển mạch (mức logic 0 và logic 1) sẽ có một khoảng thời gian trễ. Ở trạng thái tĩnh, trên đường dẫn có điện áp -12V. Một bit khởi động (bit START) sẽ mở đầu cho việc truyền dữ liệu bằng cách đặt điện áp -12V lên +12V. Tiếp đó là các bit dữ liệu riêng lẻ, trong đó có những bit thấp (bit 0) sẽ được gửi đến trước. Số bit dữ liệu có thể thay đổi từ 5 đến 8 bit. Ở cuối dòng dữ liệu là một bit dừng (bit STOP) để đặt trạng thái lối ra trở về -12V. Ngoài ra trước khi đặt bit Stop UART còn có thể đính kèm bit Parity (kiểm tra chẵn lẻ), thao tác này được thiết lập bằng lập trình. 1.6 Phương pháp điều chế tín hiệu số - tương tự FSK (điều chế tần số) • Phương pháp điều chế tần số (FSK: Frequency Shift Keying) • Nguyên lý hoạt động của phương pháp điều chế FSK: Trong phương pháp này, tần số của tín hiệu sóng mang thay đổi để biểu diễn các bit 1 và 0, trong khi biên độ và góc pha được giữ không thay đổi. Do máy thu chỉ quan tâm đến yếu tố thay đổi tần số trong một chu kỳ, nên bỏ qua được các nhiễu điện áp. Yếu tố giới hạn lên FSK là khả năng vật lý của sóng mang. • Dạng sóng của phương pháp điều chế FSK: Chương 1: Giới thiệu Hình 2: Dạng sóng FSK (1) Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 6 • Băng thông của FSK: Do FSK dịch chuyển giữa hai tần số sóng mang, nên cũng đơn giản trong phân tích chúng như hai tần số cùng tồn tại. Băng thông cần thiết để truyền dẫn FSK chính là tốc độ baud của tín hiệu cộng với độ dịch tần số (sai biệt giữa hai tần số sóng mang). BW = f C2 – f C1 + R baud f C1 , f C2 : hai tần số sóng mang trong phương pháp FSK R baud : tốc độ baud: số đơn vị tín hiệu trong mỗi giây Tuy chỉ có hai tần số sóng mang, nhưng quá trình điều chế cũng tạo ra tín hiệu hỗn hợp là tổ hợp của nhiều tín hiệu đơn giản, với các tần số khác nhau. 1.7 Tổn hao đường truyền (Transmission Impairment) Trong đề tài này nhóm chỉ thực hiện trong phạm vi truyền ngắn (trong hộ gia đình, phòng làm việc) nên yếu tố tổn hao đường truyền là không đáng kể, cùng với việc sử dụng Modem PLC (Power Line Communication) có tần số điều chế sóng mang mặc định là 60KHZ cũng tránh được tần số của mạng điện xoay chiều (50HZ – 60HZ). Sau đây nhóm cũng sẽ trình bày sơ lược qua một số dạng tổn hao đường truyền: có 3 dạng tổn hao: suy giảm, méo dạng, nhiễu: Chương 1: Giới thiệu Hình 3: Băng thông FSK (1) Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 7  Suy giảm (Attenuation): • Là thất thoát năng lượng. • Để bù suy hao, dùng bộ khuếch đại tín hiệu. Hình 4: Suy giảm tín hiệu (1)  Méo dạng (Distorsion): • Là tín hiệu bị thay đổi hình dạng. • Tín hiệu hỗn hợp, tạo nên từ nhiều tín hiệu tần số khác nhau. • Mỗi tần số có tốc độ truyền khác nhau trong môi trường, nên tín hiệu tại điểm thu khi tổng hợp lại bị méo. Hình 5: Méo dạng tín hiệu (1)  Nhiễu (Noise): • Là thành phần không mong muốn xuất hiện tại nơi thu có khả năng làm xấu tín hiệu. • Phân loại: nhiễu nhiệt, nhiễu cảm ứng (induced noise), nhiễu xuyên kênh (crosstalk) và nhiễu xung. Chương 1: Giới thiệu Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 8  Nhiễu nhiệt : Khi nhiệt độ thay đổi, chuyển động ngẫu nhiên của electron trong dây dẫn tạo ra thêm vào các tín hiệu không do máy phát chuyển đi. Khắc phục: dùng máy điều hoà.  Nhiễu cảm ứng: do động cơ hay thiết bị điện, khi đó các thiết bị này hoạt động giống như một anten và môi trường đóng vai trò bộ thu sóng. Khắc phục: không dùng các thiết bị tạo điện từ trường trong lúc truyền số liệu.  Nhiễu xuyên kênh: ảnh hưởng của một dây dẫn lên dây khác. Một dây đóng vai trò anten và dây còn lại là bộ thu sóng. Khắc phục: dùng dây chống nhiễu như cáp STP.  Nhiễu xung: Do các thiết bị công suất, tia chớp… Khắc phục: dùng chống sét, không đóng ngắt các thiết điện trong phòng truyền số liệu. Hình 6: Tín hiệu bị nhiễu (1) 1.8 Máy tính chủ Máy tính chủ (máy tính điều khiển trung tâm): là máy tính quản lý điều khiển việc đóng cắt các thiết bị trong hệ thống. Phần mềm điều khiển được cài trên máy tính. Máy tính sẽ giao tiếp với các phần khác trong hệ thống thông qua module USB to Serial để gửi thông tin điều khiển (truyền thông nối tiếp). Chương 1: Giới thiệu Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 9 1.9 Khối chuyển mức logic Module USB to Serial: Chức năng các chân: Chân Chức năng 3.3V Ngõ ra điện áp 3.3V TXD Chân truyền dữ liệu RXD Chân nhận dữ liệu GND Ground 5V Ngõ ra điện áp 5V Bảng 1: Chức năng các chân module USB to Serial Chương 1: Giới thiệu Hình 7: Module USB to Serial (2) Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 10 1.10 PLC Modem chính PLC Modem chính (bộ phát): là thiết bị nhận lệnh điều khiển từ máy tính và cung cấp thông tin đến PLC Modem phụ. Mọi dữ liệu sẽ được gửi lên dây dẫn điện trong mạng điện 220V. Trong đề tài này nhóm sử dụng 2 PLC BWP09 Demo V1.0 cho modem chính và phụ. PLC BWP09 Demo V1.0 có nhiệm vụ điều chế tín hiệu đưa lên mạng điện và giải điều chế tín hiệu từ mạng điện đưa vào vi điều khiển, tất cả đều làm việc thông qua truyền thông nối tiếp chuẩn RS232. Hình 8: Modem PLC BWP09 Demo V1.0 (3) Một số đặc điểm cơ bản của PLC BWP09 Demo V1.0: • Nguồn làm việc: 9 - 16V • Tần số sóng mang: 60KHZ (có thể điều chỉnh từ 45KHZ – 370KHZ) • Chuẩn giao tiếp: TTL Chương 1: Giới thiệu [...]... Giới thiệu Trang 28 Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện  Sơ đồ mạch in khối điều khiển công suất: Hình 28: Sơ đồ mạch in khối công suất Chương 1: Giới thiệu Trang 29 Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện 1.22 Sản phẩm Hình 29: Sản phẩm thi công Chương 1: Giới thiệu Trang 30 Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Hình 30: Modem PLC trong sản phẩm... – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện 1.20 Sơ đồ nguyên lý  Sơ đồ tổng quát: Hình 22: Sơ đồ nguyên lý tổng quát hệ thống Chương 1: Giới thiệu Trang 24 Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện  Sơ đồ bên truyền: Hình 23: Sơ đồ nguyên lý phía truyền Hình 24: Sơ đồ nguyên lý phía nhận  Sơ đồ bên nhận: Chương 1: Giới thiệu Trang 25 Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây. .. Điều khiển thiết bị qua đường dây điện 1.15 Lập trình vi điều khiển Chương 1: Giới thiệu Trang 19 Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện  Lưu đồ giải thuật bên truyền: Hình 17: Lưu đồ giải thuật VĐK bên truyền Hình 18: Lưu đồ giải thuật VĐK bên nhận  Lưu đồ giải thuật bên nhận: Chương 1: Giới thiệu Trang 20 Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện 1.16 Lập trình... PLC Modem chính thông qua mạng điện 220V để nhận lệnh, thực hiện lọc bỏ nhiễu, tín hiệu không phù hợp sau đó giải điều chế 1.12 Khối giao tiếp Sử dụng vi điều khiển AT89C51, giao tiếp trực tiếp với PLC Modem phụ để nhận lệnh và điều khiển đóng mở đèn Vi điều khiển AT89C51: Hình 9: Vi điều khiển AT89C51 (2) Chương 1: Giới thiệu Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 12 Các đặc... Chương 1: Giới thiệu Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 23 Nội dung chính • • • • • • 1.18 Các yêu cầu của hệ thống Chỉ thiết kế và thi công hệ thống để điều khiển sáng tắt thiết bị chiếu sáng sử dụng công nghệ PLC (điều khiển 2 bóng đèn) Hiển thị trạng thái làm việc của thiết bị chiếu sáng Chỉ điều khiển và quan sát các thiết bị khi máy tính hoạt động liên tục trong ngày Hoạt... không phải đầu tư mới về đường dây, giảm giá thành thực hiện Chính những đặc điểm trên đã tạo ra ưu điểm đáng kể cho công nghệ này Qua thời gian thực hiện đề tài Điều khiển thiết bị qua đường dây điện , đề tài đã đạt được một số kết quả: • Sử dụng modem PLC BWP09 Demo V1.0 để làm thiết bị thu, phát chính (điều chế và giải điều chế tín hiệu) cho hệ thống điều khiển đóng mở đèn • Thiết kế khối giao tiếp... – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 22  Giao diện: Hình 20: Giao diện điều khiển trên máy tính 1.17 Các phần mềm hỗ trợ • Proteus: là phần mềm chuyên dụng để mô phỏng, thiết kế mạch cũng như vẽ sơ đồ mạch in • Keil C: là phần mềm viết code lập trình nạp cho vi điều khiển • Visual C#: là phần mềm thiết kế giao diện windows trên máy tính Chương 1: Giới thiệu Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết. .. điều chế FSK tín hiệu vừa nhận được với tần số điều chế sóng mang là 60KHZ, sau đó ghép kênh với mạng điện lực Modem PLC nhận: nhận dữ liệu từ mạng điện lực sau đó thực hiện lọc loại bỏ nhiễu, giải điều chế và đưa đến khối giao tiếp Chương 1: Giới thiệu Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 27 Khối giao tiếp: tín hiệu nhận được từ chân RX của vi điều khiển, sau đó vi điều khiển. .. Opto MOC3020 (2) Chương 1: Giới thiệu Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 14 • Sơ đồ chân, sơ đồ cấu tạo của opto MOC3020: Hình 12: Sơ đồ chân và sơ đồ cấu tạo của Opto MOC3020 (5) • Sơ đồ kết nối opto MOC: Chương 1: Giới thiệu Hình 13: Sơ đồ kết nối Opto MOC3020 (5) Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 15 • Chức năng các chân của opto MOC3020: Các... 1: Giới thiệu Trang 31 Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 32 Kết luận và hướng phát triển 1.23 Kết Luận Công nghệ truyền dữ liệu qua đường dây điện lực PLC (Power Line Communication) là công nghệ đã được biết đến một thời gian nhưng ứng dụng thực tế thì còn khá mới mẽ Nó sử dụng nguồn tài nguyên có sẵn, đó là mạng lưới mang lưới điện lực đã có sẵn với độ bao phủ rộng khắp . dụng mạng điện lực (Power Line Communication): • Nghiên cứu giải pháp quản lý thiết bị điện qua mạng điện hạ thế. • Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị chiếu sáng. • Thiết kế giao. kế giao diện tương thích điều khiển thiết bị. • Đánh giá hiệu quả sử dụng thực tế của hệ thống. Chương 1: Giới thiệu Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 4 Nghiên cứu. USB to Serial (2) Đồ án môn học 2 – Điều khiển thiết bị qua đường dây điện Trang 10 1.10 PLC Modem chính PLC Modem chính (bộ phát): là thiết bị nhận lệnh điều khiển từ máy tính và cung cấp thông