Nghiên cứu thiết kế và xây dựng chương trình phần mềm cho hệ đo và giám sát các thông số mạch nguồn đèn led trước khi cho xuất xưởng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐỖ QUỐC UY

Đỗ Quốc Uy

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH
PHẦN MỀM CHO HỆ ĐO VÀ GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ
MẠCH NGUỒN ĐÈN LED TRƯỚC KHI XUẤT XƯỞNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

CLC2016A
Hà Nội – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Đỗ Quốc Uy

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHẦN
MỀM CHO HỆ ĐO VÀ GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ MẠCH NGUỒN
ĐÈN LED TRƯỚC KHI XUẤT XƯỞNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. BÙI ĐĂNG THẢNH

Hà Nội – 2017


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................................. ii
DANH MỤC KÍ TỰ VIẾT TẮT ............................................................................................... iv
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG ĐO VÀ GIÁM SÁT MẠCH NGUỒN ĐÈN LED ......................... 3
1.1.

LED và mạch nguồn đèn LED ............................................................................. 3

1.2.
Thực trạng kiểm tra thông số mạch nguồn đèn LED tại công ty cổ phần bóng
đèn phích nước Rạng Đơng .................................................................................................... 7
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ MẠCH
NGUỒN ĐÈN LED. ................................................................................................................... 9
2.1. Mơ hình tổng quan hệ thống. ..................................................................................... 9
2.2. Yêu cầu kỹ thuật với hệ thống đo ............................................................................ 10
2.3.

Thiết kế hệ thống phần cứng .............................................................................. 11

2.4.

Thiết kế hệ thống phần mềm đo và giám sát thông số mạch nguồn ................... 17

2.4.1. Thiết kế tổng quan về hệ thống phần mềm ....................................................... 17
2.4.2. Truyền tín hiệu giữa mạch đo và hệ thống phần mềm trung tâm ..................... 18
2.4.3. Thiết kế chức năng đăng nhập (và phân quyền người dùng) ............................ 23
2.4.4. Thiết kế chức năng cài đặt thông số cho các loại sản phẩm ............................. 26
2.4.5. Thiết kế chức năng thu thập và hiển thị dữ liệu ................................................ 30
2.4.6. Thiết kế hệ cơ sở dữ liệu và chức năng lưu trữ dữ liệu, trích xuất dữ liệu, báo
cáo cho hệ thống.............................................................................................................. 34
2.4.7. Thiết kế chức năng hiển thị dữ liệu theo đồ thị ................................................ 41
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................................. 43
3.1. Chức năng đăng nhập (và phân quyền người dùng) ................................................ 43
3.2. Chức năng thu thập và hiển thị dữ liệu .................................................................... 45
3.3. Chức năng cài đặt thông số ...................................................................................... 46
3.4. Chức năng lưu trữ dữ liệu và trích xuất báo cáo ...................................................... 49
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ........................................................ 51
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 52
PHỤ LỤC ................................................................................................................................. 53

i


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1: Các loại LED theo cơng suất................................................................................ 4
Hình 2: Mạch nguồn đèn LED .......................................................................................... 5
Hình 3: Nguyên lý hoạt động của đèn LED ...................................................................... 6
Hình 4: Thử nghiệm thực tế hiện nay trên dây chuyền ..................................................... 7
Hình 5: Mơ hình tổng quan của hệ thống đo mạch nguồn đèn LED ................................ 9
Hình 6: Sơ đồ khối mạch vi điều khiển........................................................................... 11
Hình 7: Mạch truyền thơng RS485 ................................................................................. 11

Hình 8: Mạch đo điện áp xoay chiều .............................................................................. 12
Hình 9: Mạch đo dịng điện xoay chiều .......................................................................... 12
Hình 10: Mạch đo điện áp một chiều .............................................................................. 13
Hình 11: Mạch đo dịng điện một chiều .......................................................................... 14
Hình 12: Mạch hiển thị ................................................................................................... 14
Hình 13: Mạch nguồn 5V cho IC HCPL 7800 ................................................................ 15
Hình 14: Mạch tạo nguồn xung....................................................................................... 16
Hình 15: Lưu đồ thuật tốn phần mềm trên máy tính trung tâm..................................... 18
Hình 16: Sơ đồ cấu trúc mạng truyền thơng. .................................................................. 19
Hình 17: lưu đồ hoạt động của hệ thống truyền thơng .................................................... 20
Hình 18: Khung bản tin config........................................................................................ 21
Hình 19: Khung bản tin setup dải đo .............................................................................. 21
Hình 20: Lưu đồ thuật toán cho chức năng đăng nhập hệ thống .................................... 23
Hình 21: Biểu đồ tuần tự của chức năng đăng nhập và phân quyền người dùng............ 26
Hình 22: Lưu đồ thuật toán cho chức năng thu cài đặt thơng số cho các sản phẩm ....... 27
Hình 23: Biểu đồ tuần tự của chức năng cài đặt thông số cho các sản phẩm ................. 30
Hình 24: Lưu đồ thuật toán thu thập và hiển thị dữ liệu ................................................. 31
Hình 25: Biểu đồ tuần tự của chức năng thu thập và hiển thị các thơng số mạch nguồn 34
Hình 26: Lưu đồ hệ CSDL .............................................................................................. 38
Hình 27: Mơ hình CSDL cho người dùng....................................................................... 39
Hình 28: Mơ hình CSDL cho các thơng số mạch nguồn ................................................ 39
Hình 29: Lưu đồ chức năng hiển thị dữ liệu theo đồ thị ................................................. 42
Hình 30: Giao diện đăng nhập ........................................................................................ 43
Hình 31: Đăng nhập thành cơng...................................................................................... 44
Hình 32: Đăng nhập khơng thành cơng .......................................................................... 44
Hình 33: Chức năng thu thập và hiển thị dữ liệu_Sản phẩm đạt .................................... 45
Hình 34: Chức năng thu thập và hiển thị dữ liệu_sản phẩm không đạt .......................... 45
Hình 35: Cảnh báo khi khơng có kết nối với mạch đo.................................................... 46
Hình 36: Cài đặt người dùng ........................................................................................... 46
Hình 37: Cài đặt và quản lý thiết bị ................................................................................ 47

Hình 38: Cài đặt và quản lý sản phẩm ............................................................................ 48
Hình 39: Quản lý dây chuyền.......................................................................................... 49
ii


Hình 40: Chức năng thống kê dữ liệu và báo cáo ........................................................... 50

iii


DANH MỤC KÍ TỰ VIẾT TẮT

SXKD

Sản xuất kinh doanh

KCN

Khu cơng nghiệp

SP

Sản phẩm

VĐK

Vi điều khiển

TP

Thành phố

CP

Cổ phần

EEPROM Electrically
Programmable
Memory

Read

Erasable Bộ nhớ chỉ đọc tái lập trình
– Only bằng tín hiệu điện

ADC

Analog to Digital Converter

Bộ chuyển đồi tương tự - số

I2C

Inter – Integrated Circuit

Giao tiếp truyền thông 2 dây

SPI

Serial Peripheral Interface

Giao tiếp ngoại vi nối tiếp

UART

Universal Serial Bus

Giao thức truyền nhận nối tiếp
không đồng bộ

IC

Integrated Circuit

Mạch tích hợp

MCU

Micro – Controller Unit

Vi điều khiển

CSDL

Cơ sở dữ liệu

iv


PHẦN MỞ ĐẦU

Ngày nay, với nhiều ưu điểm như: sáng rõ, điện năng tiêu thụ ít, độ bền cao, cơng
nghệ chiếu sáng LED đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: quảng
cáo, bảng điện tử, hệ thống đèn giao thông…Để đạt được hiệu quả cao nhất, cần
nghiên cứu, áp dụng công nghệ để ngày càng nâng cao các ưu điểm, tính năng của sản
phẩm. Một trong số đó là nâng cao độ bền của đèn LED. Độ bền của đèn LED phụ
thuộc vào một số yếu tố như: Chất lượng vật liệu cấu tạo của đèn, mạch in, bộ phận
tản nhiệt và mạch nguồn của đèn LED. Như vậy có thể nói ngồi các yếu tố liên quan
tới chất lượng vật liệu thì mạch nguồn đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng tới độ bền
của LED. Để LED có thể hoạt động tốt, ổn định, độ bền cao thì mạch nguồn của LED
phải đảm bảo cung cấp dòng điện và điện áp ổn định, phù hợp với loại LED đang sản
xuất. Do đó, nhà sản xuất ln có yêu cầu kiểm tra chất lượng của bộ nguồn đền LED
trước khi xuất xưởng. Từ đây phát sinh một hệ quả: Làm sao để việc kiểm tra này đơn
giản, chính xác và mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất? Đáp án của câu hỏi này là cần
xây dựng một hệ thống có thể thiết lập, đo và giám sát các thông số của mạch nguồn
đèn LED. Để người sử dụng có thể thao tác một các dễ dàng, thuận tiện cũng như có
thể đưa ra kết luận một các chính xác nhất.
Với những yêu cầu cấp thiết như trên cũng như u cầu thực tiễn tại cơng ty
bóng đèn Rạng Đông, Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa (ICEA)- Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội đã tập trung nghiên cứu chế tạo hệ thống mạch đo và giám sát
các thông số mạch nguồn đèn LED trước khi xuất xưởng. Được sự đồng ý của giảng
viên hướng dẫn-Tiến sĩ Bùi Đăng Thảnh, em đã được cùng tham gia thiết kế hệ thống
này trong khoảng thời gian từ tháng 12/2015 tới tháng 12/2016. Nhận thấy đây là một
dự án hay, có ý nghĩa thực tiễn em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và xây
dựng chương trình phần mềm cho hệ đo và giám sát các thông số mạch nguồn đèn
LED trước khi xuất xưởng” để làm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ.
Luận văn này với mục đích là đưa ra phương án thiết kế phần cứng và phần mềm
cho hệ thống đo và giám sát mạch nguồn đèn LED, trong đó đối tượng và phạm vi
nghiên cứu chủ đạo là xây dựng được chương trình phần mềm cho hệ thống với các
yêu cầu cơ bản như sau:

1


-

Hiển thị được các thông số cần thiết của mạch nguồn bao gồm: Điện áp, dòng
điện đầu vào, điện áp dịng điện đầu ra, cơng suất của mạch.

-

Cài đặt được các ngưỡng thông số cho từng loại sản phẩm.

-

Cho phép kết nối với các thiết bị ở xa.

-

Cho phép lưu trữ dữ liệu theo cơ sở dữ liệu chuẩn và có thể trích xuất dữ liệu
để báo cáo dễ dàng.

Luận văn được hoàn thành sau khoảng thời gian 1 năm tác giả cùng tham gia
nghiên cứu, xây dựng, thực nghiệm kiểm thử và triển khai thực tế với các thầy cô, các
học viên của Viện Điện,Viện kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa - Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội.
Luận văn bao gồm 4 chương:
-

Chương 1: Hệ thống Đo và giám sát mạch nguồn đèn LED.

-

Chương 2: Thiết kế hệ thống đo và giám sát mạch nguồn đèn LED.

-

Chương 3: Các kết quả đạt được.

-

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.

Sau 12 tháng thực hiện, được sự hướng dẫn tận tình của TS.Bùi Đăng Thảnh và
các thầy cô trong Viện Điện, Viện kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, cũng như sự
giúp đỡ của các sinh viên Viện Điện đang thực tập tại Viện kỹ thuật Điều khiển và Tự
động hóa, cùng sự nỗ lực của bản thân, luận văn của em đã hoàn thành, tuy nhiên vẫn
cịn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp từ phía thầy cơ và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng 1 năm 2017
Học viên thực hiện

Đỗ Quốc Uy

2


CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG ĐO VÀ GIÁM SÁT MẠCH NGUỒN ĐÈN LED
1.1.

LED và mạch nguồn đèn LED

LED, viết tắt của Light – Emitting - Diode có nghĩa là “đi-ốt phát sáng”, là một
nguồn sáng phát sáng khi có dịng điện tác động lên nó. Được biết tới từ những năm
đầu của thế kỷ 20, công nghệ LED ngày càng phát triển, từ những diode phát sáng đầu
tiên với ánh sáng yếu và đơn sắc đến những nguồn phát sáng đa sắc, công suất lớn và
cho hiệu quả chiếu sáng cao.
Ưu điểm của đèn LED
Đầu tiên phải kể đến khả năng tiết kiệm điện với công suất tiết kiệm lên tới 90%
so với bóng đèn sợi đốt và 50% so với bóng đèn compact; có thể phát ra mầu sắc như
ý muốn mà không cần bộ lọc mầu theo phương pháp truyền thống; giảm nguy cơ cháy
nổ và rất khó bị phá hủy bởi sự va đập.
Về chất lượng ánh sáng của đèn LED nó có nhiệt độ màu 3200k và 6500k rất phù
hợp khi sử dụng đèn LED cho mọi không gian nhất là tại các trung tâm thương mại
hay cơ quan, văn phịng.
Xét về lợi ích lâu dài thì đèn LED có tuổi thọ lên tới 50.000 giờ cao gấp 5 lần so
với bóng đèn sợi đốt. Đèn LED chiếu sáng cũng tỏa nhiệt ít hơn so với các loại đèn có
cấu trúc tương tự nhờ đó có thể giảm được lượng phát khí thải CO2 [1].
Đèn LED chiếu sáng cũng khơng bị nhấp nháy khi bật tắt vì vậy rất an tồn cho
mắt; tối thiểu hóa tia cực tím và bức xạ hồng ngoại khơng gây nhức mỏi mắt nhằm hạn
chế khả năng bị cận cho người sử dụng. Nhờ những ưu điểm này mà sử dụng đèn LED
vừa là một biện pháp có lợi cho sức khỏe vừa thân thiện với mơi trường.
Nếu như bóng sợi đốt đến nay vẫn có hiệu suất thấp, từ 10 đến 16 lumen/watt
(lm/W), tức là khoảng dưới 4% điện năng được chuyển thành ánh sáng. Đèn huỳnh
quang hiện mới đạt tối đa 70 lm/W và đang được sử dụng phổ biến trên thị
trường.Trong khi đó, đèn LED đã và đang có những ưu việt vượt trội khi đạt hiệu suất
300 lm/W, hay 150 lm/W với các sản phẩm thương mại, chuyển đổi 50% điện năng
thành ánh sáng [3].
3

Tại Việt Nam, tổng lượng điện sử dụng cho chiếu sáng chiếm 25%, tương đương
với 50 tỷ kW giờ. Do đó, nếu đèn LED được sử dụng, vấn đề chiếu sáng và tiết kiệm
điện sẽ có bước tiến nhảy vọt (giúp giảm tải áp lực điện năng cho ngành điện lực) [2].
Ngồi ra, cơng nghệ LED cịn cho phép tạo ra các loại đèn đặc chủng, sử dụng để
điều khiển thời điểm ra hoa của cây hoa cúc, cây thanh long,…đem lại giá trị kinh tế
cao và tiết kiệm năng lượng.
Nếu tính cụ thể về lợi ích kinh tế mà đèn LED chiếu sáng mang lại thì có một
biện pháp so sánh cụ thể như sau, nếu cùng sử dụng loại bóng đèn sợi đốt, đèn LED
chiếu sáng, đèn compact với cùng một thời gian như nhau, thì bạn sẽ phải chi trả
khoảng 1.905.000 đồng cho bóng đèn sợi đốt, 697.000 đồng cho bóng đèn compact và
chỉ 471.000 đồng cho bóng đèn LED chiếu sáng. Một mức tiết kiệm tương đối lớn
trong khi đó chi phí bỏ ra ban đầu cho bóng đèn LED chiếu sáng cũng khơng q cao.
Các thành phần của đèn LED
Đèn LED được tạo thành từ 5 thành phần chính, bao gồm: Phần tử phát sáng
LED, mạch in của đèn, bộ mạch nguồn, bộ phận tản nhiệt và vỏ đèn.
- Phần tử phát sáng LED (Light-emitting diode – Đi-ốt bức xạ ánh sáng): Bản
chất của LED là một đi-ốt, nó chứa một chíp bán dẫn có pha các tạp chất để tạo ra một
tiếp giáp P-N, kênh P chứa lỗ trống, kênh N chứa điện tử, dòng điện truyền từ A-nốt(
kênh P) đến K-tốt (kênh N), khi điện tử lấp đầy chỗ trống nó sinh ra bức xạ ánh sáng,
các bước sóng phát ra có màu khác nhau tùy thuộc vào tạp chất trong chíp bán dẫn.
LED phân thành ba loại chính theo dải cơng suất: cỡ nhỏ, cỡ trung bình, cỡ lớn.

Hình 1: Các loại LED theo công suất

- Mạch in của đèn LED: Chất lượng mạch in, chất lượng mối hàn giữa LED với
mạch in ảnh hưởng đến lớn đến độ bền của đèn, trong điều kiện khí hậu nhiệt đới như
4


Việt nam, nếu chất lượng của mạch in và mối hàn khơng tốt dễ gây oxi-hóa đứt mạch

in, khơng tiếp xúc làm cho đèn không thể phát sáng sau một thời gian sử dụng.Trong
thực tế người ta có thể sử dụng mạch in thường, hoặc bằng nhôm, gốm cho phép tản
nhiệt nhanh cho loại LED cơng suất trung bình và lớn.
- Bộ Nguồn đèn LED:Bộ nguồn cấp điện cho đèn LED phải đảm bảo cung cấp
dòng điện và điện áp ổn định phù hợp lới loại LED đang sử dụng các linh kiện chế tạo
bộ nguồn phải có tuổi thọ sử dụng tương đương với tuổi thọ của LED. Với loại đèn
công suất nhỏ bộ nguồn đơn giản chỉ là một nguồn áp kết với một điện trở hạn dòng
cho LED nhưng đối với LED cơng suất trung bình và lớn cần tạo một nguồn dịng cho
LED.

Hình 2: Mạch nguồn đèn LED

- Thấu kính (Lens): Bộ phận này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả phát tán và
lượng quang thông phát ra từ chip LED ra ngồi mơi trường. Chất lượng của loại lens
được sử dụng ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ phát sáng và màu sắc ánh sáng của
đèn LED ở cùng công suất.
- Bộ phận tản nhiệt: Phần tản nhiệt cho đèn LED được thiết kế nhằm đưa phần
tinh thể phát sáng xuống nhiệt độ thấp nhanh nhất, bộ phận này đặc biệt quan trọng khi
thiết kế đèn LED công suất lớn, nếu bộ phận tản nhiệt này có kết cấu khơng phù hợp
thì phần tử LED sẽ nhanh bị già, hiệu suất phát sáng giảm đi đáng kể.
5


- Vỏ: Để đảm bảo cho đèn hoạt động ổn định và bền, vỏ đèn được chế tạo để có
độ chống thấm nước cao, đồng thời đảm bảo khả năng tỏa nhiệt nhanh chóng.
Nguyên lý hoạt động của đèn LED
LED hoạt động theo nguyên lý của các điốt bán dẫn. Khối bán dẫn loại p chứa
nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa
các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối
n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết

quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích
điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống).
Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng
tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các ngun tử trung
hịa. Q trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ
điện từ có bước sóng gần đó) [4].
Hầu hết các vật liệu làm LED có chiết suất rất cao, tức là hầu hết ánh sáng phát
ra sẽ quay ngược vào bên trong thay vì phát ra ngồi khơng khí. Do đó cơng nghệ trích
xuất ánh sáng từ LED cũng rất quan trọng, cần rất nhiều sự nghiên cứu và phát triển.

Hình 3: Nguyên lý hoạt động của đèn LED

Mạch nguồn đèn LED và tầm quan trọng của mạch nguồn đèn LED

6


Mạch nguồn đèn LED phải đảm bảo cung cấp dòng điện và điện áp ổn định phù
hợp với loại LED đang sử dụng. Mạch nguồn ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng phát
sáng, độ sáng cũng như độ bền của đèn LED, do đó nó đóng vai trị hết sức quan trọng
trong chế tạo LED. Bộ nguồn đèn LED có 2 dạng chính: Nguồn dịng khơng đổi và
nguồn áp khơng đổi [5].
- Nguồn dịng khơng đổi (constant current): Là nguồn cung cấp dịng điện đầu
ra khơng đổi. Thường được chọn khi cấp điện cho các đèn LED công suất cao.
- Nguồn áp không đổi (constant voltage): Là nguồn cung cấp điện áp đầu ra
không đổi.
1.2.

Thực trạng kiểm tra thông số mạch nguồn đèn LED tại cơng ty cổ

phần bóng đèn phích nước Rạng Đơng
Hiện nay các mạch LED Driver cho đèn được công nhân kiểm tra thủ công, công
nhân đặt lên bàn thử và quan sát các thông số thử nghiệm trên một thiết bị đo trước
mặt. Việc kiểm tra trên thiết bị đo tại chỗ không cho phép lưu số liệu, mặt khác do
hiển thị nhiều thông số trên thiết bị dễ dẫn đến nhầm lẫn giữa các thông số không đạt
chuẩn nếu người công nhân mất tập trung (dù chỉ là trong thời gian rất ngắn). Mô tả về
thiết bị thử nghiệm thể hiện trên hình 4

Hình 4: Thử nghiệm thực tế hiện nay trên dây chuyền

Nhược điểm của phương pháp kiểm tra như hiện nay:
7


- Cơng đoạn kiểm tra sản phẩm hồn tồn bằng tay nên khơng kiểm sốt được
cơng nhân có thực hiện đúng quy trình và đọc đúng kết quả hay khơng. Kết quả
của khâu phụ thuộc vào kinh nghiệm và ý thức của cơng nhân, trong đó có thể
tồn tại các sơ suất chủ quan.
- Khơng có báo cáo về số lượng sản phẩm đã kiểm tra được, số sản phẩm đạt tiêu
chuẩn và số sản phẩm lỗi.
- Không lưu trữ được các thông số của sản phẩm đã kiểm tra (U, I, P...).
- Không in ấn, báo cáo, không lưu trữ được số liệu làm việc, khơng có số liệu
thống kê do vậy việc đánh giá thực trạng để đưa ra các biện pháp kĩ thuật cải tiến
quy trình và chất lượng sản phẩm không được thực hiện.
- Năng suất lao động không cao.

8


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ GIÁM SÁT CÁC THƠNG SỐ

MẠCH NGUỒN ĐÈN LED.
2.1. Mơ hình tổng quan hệ thống

Hình 5: Mơ hình tổng quan của hệ thống đo mạch nguồn đèn LED
Hệ thống bao gồm các thiết bị đo đặt tại dây chuyền sản xuất và một máy tính
đặt trên trung tâm. Các thiết bị đo xong sẽ gửi dữ liệu là các giá trị đo được của 6
mạch nguồn về trung tâm.
Hệ thống sử dụng mạng truyền thông RS485 để kết nối các thiết đo với máy
tính trên trung tâm. Chuẩn truyền thơng RS485 dùng phương thức truyền sai lệch đối
xứng nên tốc độ truyền cao và khoảng cách lớn.Tốc độ truyền có thể lên tới 10Mbit/s
và khoảng cách truyền tối đa là 1200m. Chuẩn RS485 cho phép tới 32 trạm thu phát
trên đường truyền. Phương thức truy cập Master/Slave được dùng trong hệ thống
mạng RS485 này. Máy tính trung tâm sẽ đóng vai trị là Master cịn các thiết bị đo
đóng vai trị là Slave.
Thiết bị đo bao gồm các khối: mạch vi điều khiển, mạch đo, mạch hiển thị,
mạch nguồn.

9


2.2. Yêu cầu kỹ thuật với hệ thống đo
Mỗi thiết bị đo có khả năng đo 6 mạch nguồn Led cùng một lúc.
Mỗi mạch nguồn Led cần đo các tham số sau :
- Điện áp hiệu dụng đầu vào.
- Dòng điện hiệu dụng đầu vào.
- Cơng suất trung bình đầu vào.
- Hệ số cơng suất.
- Dịng điện DC đầu ra.
- Điện áp DC đầu ra.
- Công suất đầu ra.

- Hiệu suất của nguồn Led.
Yêu cầu chức năng cho hệ thống phần mềm:
- Quản trị viên từ máy tính trung tâm, thơng qua phần mềm có thể cài đặt số
kênh đo, loại nguồn cần đo và cài đặt dải đo(min,max) cho từng loại thiết
bịtại dây chuyền sản xuất.
- Cho phép thực thi, không thực thi các kênh đo.
- Nếu phát hiện một trong các thơng số đo được nằm ngồi dải đo (min,max)
sẽ thông báo sản phẩm không đạt.
- Phần mềm có khả năng thu thập, lưu trữ dữ liệu, trích xuất dữ liệu báo cáo dễ
dàng, thuận tiện.
- Phần mềm có khả năng hiển thị đồ thị của các thơng số đo.
- Phần mềm có chức năng phân quyền cho người dùng sử dụng tương ứng các
chức năng, nhóm chức năng.

10


2.3.

Thiết kế hệ thống phần cứng

Hệ thống phần cứng bao gồm 05 khối chính: Mạch Vi điều khiển, Mạch truyền
thơng RS485, Mạch đo thông số nguồn, mạch hiển thị và Mạch nguồn. Sơ đồ khối của
các khối này như sau:
Mạch vi điều khiển

Cổng giao
tiếp RS485

DSPIC33FJ256GP510

SPI

Mạch giao
tiếp RS485

Eeprom

SPI

MCP3912

MCP3912

MCP3912

MCP3912

MCP3912

MCP3912

Hình 6: Sơ đồ khối mạch vi điều khiển

Mạch truyền thơng RS485

Hình 7: Mạch truyền thông RS485

11

Mạch đo thông số nguồn
Do việc đo nhiều nguồn cùng một lúc và nguồn cần đo là nguồn phi tuyến nên
mạch đo mỗi kênh cần phải cách ly với nhau.
Mạch đo điện áp xoay chiều

AC

Hình 8: Mạch đo điện áp xoay chiều

Điện áp xoay chiều được phân áp trước khi được đưa vào HCPL.Tín hiệu sau
khi qua HCPL sẽ được khuếch đại lên 8 lần rồi đưa vào 2 chân kênh 0 của MCP3912.
Điện áp đưa vào MCP3912 phải thỏa mãn trong dải (-0.6V ÷ 0.6V) . Do vậy điện áp
đầu vào HCPL phải thỏa mãn trong dải (-0.075mV ÷ 0.075 mV).
Dải đo điện áp xoay chiều được thiết kế từ 0-260 V.
Mạch đo dịng điện xoay chiều

Hình 9: Mạch đo dòng điện xoay chiều

12


Đối với dòng điện xoay chiều, sử dụng biến dòng để đo. Tín hiệu truyền về từ
biến dịng dưới dạng nguồn dịng được treo bằng điện trở để tạo tín hiệu dưới dạng
điện áp . Tín hiệu này được đưa tới kênh 1 của MCP3912 để đo. Tín hiệu này phải
nằm trịng dải đầu vào của MCP3912 (-0.6 V ÷ 0.6 V) .
Dòng điện xoay chiều cần đo được thiết kế từ 0 đến 2 A. Do vậy, biến dòng
được dùng có tỷ lệ là 1:1000, chọn điện trở R =68 Ohm.
Mạch đo điện áp một chiều

Udc

Hình 10: Mạch đo điện áp một chiều

Điện áp một chiều được phân áp rồi đưa tới HCPL. Tín hiệu sau khi qua HCPL
được khuếch đại đưa tới kênh 3 của MCP3912 để đo.
Dải điện áp một chiều cần đo được thiết kế từ 0 đến 200 V. Tỷ lệ phân áp ở đây
được chọn là 1:3000.
Mạch đo dòng điện một chiều

13


Idc

Hình 11: Mạch đo dịng điện một chiều

Điện trở Shun được mắc nối tiếp với tải để tạo điện áp trên điện trở Shun, từ giá
trị điện áp trên điện trờ Shun đó sẽ suy ra được giá trị dịng điện. Để cách ly, ở đây vẫn
sử dụng HCPL .Tín hiệu HCPL được đưa tới kênh 2 của MCP3912. Điện áp vào
HCPL phải nằm trong dải (-0.075V ÷0.075V).
Dải dịng điện một chiều cần đo được thiết kế từ 0 đến 2A. Điện trở Shun cần
dùng là 50mOhm, nhưng do trên thị trường không mua được loại 50mOhm nên mắc 2
điện trờ 100mOhm song song.
Mạch hiển thị
Idc kênh 1
4 LED 7 thanh

Idc kênh 1
4 LED 7 thanh

Idc kênh 1

Idc kênh 1

Idc kênh 1

4 LED 7 thanh

4 LED 7 thanh

4 LED 7 thanh

PIC 16f877a

Idc kênh 1
4 LED 7 thanh

4 LED 7 thanh

4 LED 7 thanh

Số Sản phẩm
đạt

Số sản phẩm
lỗi

Hình 12: Mạch hiển thị

Đối với một nguồn Led Driver thì thơng số điện mà cơng ty Rạng Đơng quan
tâm nhất là dịng điện một chiều. Cơng ty đã u cầu trong q trình đo cần phải hiện

14


thị giá trị dòng điện từng kênh đo được tại hiện trường để công nhân biết. Nếu sản
phẩm bị lỗi, cơng nhân có thể phân loại sản phẩm lỗi thấp dịng hay cao dịng.
Mạch hiển thị được thiết kế có chức năng hiển thị các giá trị dòng điện một
chiều đo được của mỗi kênh đo, hiển thị số lượng sản phẩm đạt và sản phẩm khơng
đạt.
Mạch nguồn

Hình 13: Mạch nguồn 5V cho IC HCPL 7800

Mạch đo được thiết kế với 6 kênh đo để có thể đo được 6 nguồn cùng một lúc.
Mỗi kênh ở mạch đo được thiết kế đo cách ly bằng IC HCPL. Vì vậy, mỗi kênh đo cần
một nguồn riêng cấp cho HCPL đồng thời giữa phần xoay chiều và phần một chiều
cần cách ly với nhau nên mỗi kênh cần hai nguồn độc lập. Như vậy, một mạch đo cần
tất cả 12 mạch nguồn 5V cách ly.
Nguồn cấp đầu vào HCPL được lấy từ 12 nguồn độc lập trên, còn nguồn cấp
đầu ra của HCPL sẽ được lấy từ nguồn 5V từ mạch vi điều khiển. Nguồn đầu ra của
HCPL sẽ chung nguồn 5V từ mạch vi điều khiển.
Mạch nguồn sử dụng biến áp xung với ưu điểm chi phí thấp và nhỉ ngọn.Mạch
cần nguồn cấp là nguồn băm xung với tần số lớn.

15


Hình 14: Mạch tạo nguồn xung

16


2.4. Thiết kế hệ thống phần mềm đo và giám sát thông số mạch nguồn
2.4.1. Thiết kế tổng quan về hệ thống phần mềm
Phần mềm giám sát được cài đặt trên máy tính trung tâm, được viết bằng C# dựa
trên phần mềm “Visual Studio” của Microsoft thực hiện chức năng thu thập dữ liệu từ
các thiết bị gửi về, lữa trữ theo giờ, ngày, tháng… xuất các báo cáo dạng Excel hiệu
chỉnh thiết bị, điều khiển các thiết bị hoạt động theo ý đồ của người giám sát. Chương
trình có khả năng tự động phát hiện cổng COM khi có một thiết bị được kết nối với
máy tính, thơng báo cho người giám sát biết tình trạng kết nối với thiết bị, bản tin được
truyền nhận thành công hay thất bại…
Đầu tiên, khi muốn sử dụng phần mềm giám sát ta cần đăng nhập đúng
username và password sau đó khởi tạo hệ thống, phần mềm cho phép phát hiện, thông
báo cổng COM khi có thiết bị kết nối với máy tính, tiếp theo sẽ nhận dữ liệu, hiển thị
lên màn hình và lưu trữ dữ liệu vào trong CSDL.Nếu khơng có tín hiệu dừng thì
chương trình cứ tiếp tục vịng quét theo chu trình hình 15.

17


Hình 15: Lưu đồ thuật tốn phần mềm trên máy tính trung tâm

2.4.2. Truyền tín hiệu giữa mạch đo và hệ thống phần mềm trung tâm
Cấu trúc mạng truyền thông tín hiệu giữa phần mềm trung tâm và mạch đo
Hệ thống sử dụng cấu trúc mạng dạng bus để truyền số liệu giữa phần mềm trung
tâm với các mạch đo theo chuẩn truyền thơng RS485 và mơ hình điều khiển Master –

18

Slave. Với phần mềm trung tâm đóng vai trị làm Master cịn các mạch đo đóng vai trị
các Slaves. Sơ đồ cấu trúc mạng truyền thơng như hình 16.

Hình 16: Sơ đồ cấu trúc mạng truyền thông.
Trước khi đo, các mạch đo cần được cài đặt các thông số để có thể thực hiện việc
đo mạch nguồn. Cụ thể là các thông số sau:
-

Số kênh đo cần đo: Mỗi mạch đo có thể đo được tối đa 6 kênh đo cùng lúc (6
mạch nguồn cùng lúc), mặc định mạch đo sẽ thực hiện đo cả 6 kênh. Người
dùng có thể cài đặt số kênh đo từ phần mềm trung tâm.

-

Loại nguồn đo: Tại cơng ty Rạng Đơng hiện có 2 loại nguồn chính là nguồn
Balast và nguồn LED.

-

Dải đo cho các thông số mạch nguồn (Giá trị nhỏ nhất – giá trị lớn nhất). Các
thông số cần cài đặt dải đo là:
+ Đối với mạch nguồn LED: Uac, Udc, Iac, Idc, Pac, Pdc, Cos𝜑𝜑, H (hiệu suất).
+ Đối với mạch nguồn Balast: Uac, Iac, Pac, Cos𝜑𝜑.
Hoạt động của hệ thống
19