Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ trong hộ gia đình

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TRONG HỘ GIA ĐÌNH GVHD: ThS. Nguyễn Trường Duy SVTH: Nguyễn Văn Cang MSSV: 14141020 SVTH: Nguyễn Chí Dũng MSSV: 14141047 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TRONG HỘ GIA ĐÌNH GVHD: Ths.Nguyễn Trường Duy SVTH: Nguyễn Văn Cang MSSV: 14141020 SVTH: Nguyễn Chí Dũng MSSV: 14141047 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018 ii TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH Tp. HCM, ngày 29 tháng 6 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Cang MSSV: 14141020 Nguyễn Chí Dũng MSSV: 14141047 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử, truyền thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ TRONG HỘ GIA ĐÌNH. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Thiết kế hệ thống đo dòng điện và điện áp của lưới điện gia đình. - Tính toán công suất và điện năng. - Giao tiếp bộ xử lý trung tâm, báo sự cố quá công suất. - Kết nối Internet gửi dữ liệu. 2. Nội dung thực hiện: - Nhiệm vụ 1: Giao tiếp các mô - đun với Vi điều khiển. - Nhiệm vụ 2: Giao tiếp giữa các Client-Client-Server. - Nhiệm vụ 3: Thiết kế các mạch đo lường, giao tiếp, mô hình hệ thống. - Nhiệm vụ 4: Hiển thị thông tin và quản lý dữ liệu trên Web và hệ thống cảnh báo khi có sự cố. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 27/03/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 29/06/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS.Nguyễn Trường Duy CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH iii TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH Tp. HCM, ngày 27 tháng 03 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Văn Cang Lớp: 14141DT1A MSSV: 14141020 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Chí Dũng Lớp: 14141DT2A MSSV: 14141047 Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng trong hộ gia đình. Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD 1 Tìm hiểu về đề tài, lựa chọn hướng xây dựng và tham khảo một số hệ thống đã có. 2 Lựa chọn, tìm hiểu cách thức hoạt động của một số cảm biến, vi điều khiển. 3 Tiến hành thực nghiệm hệ thống qua các loại vi điều khiển, các mô- đun giao tiếp khác nhau. 4 Lập trình cho vi điều khiển sau khi đã lựa chọn xong vi điều khiển và các thiết bị mong muốn. 5 Kiểm tra hoạt động của hệ thống, chỉnh sửa. 6 Tiến hành lập trình trang web, gửi dữ liệu. 7 Thiết kế hệ thống, vẽ sơ đồ mạch nguyên lý, thiết kế mạch in. 8 Tiến hành làm mạch, kiểm thử và chỉnh sửa các lỗi, sau đó hoàn chỉnh bằng các phiên bản khác.. 9 Thiết kế mô hình cho các thiết bị đo và thiết bị trung tâm. 10 Tiến hành thử nghiệm hệ thống trong thực tế ở khoảng cách mong muốn. 11 Đóng gói thiết bị bằng thành một sản phẩm hoàn chỉnh. iv 12 Viết báo cáo. 13 Viết báo cáo, thiết kế powerpoint. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) v LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Nguyễn Văn Cang Nguyễn Chí Dũng vi LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Trường Duy_ Giảng viên bộ môn Điện tử Công Nghiệp - Y Sinh đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để hoàn thành tốt đề tài. Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn trong lớp 1414DT1 và 1414DT2 đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Nguyễn Văn Cang Nguyễn Chí Dũng vii MỤC LỤC Trang bìa .................................................................................................................... i Nhiệm vụ đồ án ......................................................................................................... ii Lịch trình .................................................................................................................. iii Cam đoan ................................................................................................................... v Lời cảm ơn ................................................................................................................ vi Mục lục .................................................................................................................... vii Liệt kê hình vẽ ........................................................................................................... x Liệt kê bảng vẽ ........................................................................................................ xii Tóm tắt .................................................................................................................... xiii Chương 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................ 1 1.2 MỤC TIÊU .................................................................................................... 1 1.3 NỘi DUNG NGHIÊN CỨU ......................................................................... 2 1.4 GIỚI HẠN ..................................................................................................... 2 1.5 BỐ CỤC ......................................................................................................... 3 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 5 2.1 QUY TRÌNH THỰC HIỆN HỆ THỐNG .................................................. 5 2.1.1 Mô tả quy trình đo điện năng .............................................................. 5 2.1.2 Mô tả quy trình giám sát và cảnh báo ................................................ 5 2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ....................................................................... 6 2.2.1 Cảm biến biến dòng Hall 100A YHDC ............................................... 6 2.2.2 Module cảm biến điện áp AC .............................................................. 7 2.2.3 Vi Điều Khiển Arduino Nano .............................................................. 9 2.2.4 Module chuyển giao tiếp LCD sang I2C .......................................... 11 2.2.5 Module LCD 20x4 ............................................................................... 13 2.2.6 Module NodeMCU ESP8266. ............................................................ 20 2.2.7 Module Sim900A. ............................................................................... 25 2.2.8 Đồng hồ thời gian thực DS1307 ......................................................... 27 2.2.9 IC EEPROM 24LC512 ....................................................................... 29 2.2.10 IC nguồn LM2576 ............................................................................... 29 viii 2.3 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP. ....................................................................... 32 2.3.1 Chuẩn giao tiếp UART. ...................................................................... 32 2.3.2 Chuẩn giao tiếp I2C ............................................................................ 33 2.4 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM. ...................................................................... 38 2.4.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE 1.8.1 ........................................... 38 2.4.2 Phần mềm thiết kế mạch Altium ....................................................... 40 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ............................................................. 43 3.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................... 43 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................. 43 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .............................................................. 44 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ................................................................ 45 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................... 65 4.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................... 65 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................... 65 4.2.1 Thi công bo mạch ................................................................................ 65 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ............................................................................ 68 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH .................................................. 70 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ......................................................................... 71 4.4.1 Lưu đồ giải thuật ................................................................................ 71 4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển .............................................. 74 4.4.3 Phần mềm lập trình Web Server ...................................................... 78 Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ .......................................... 87 5.1 KẾT QUẢ KHẢO SÁT .............................................................................. 87 5.1.1 Cảm biến .............................................................................................. 87 5.1.2 Vi điều khiển ....................................................................................... 88 5.1.3 Một số mô-đun khác và các chuẩn giao tiếp .................................... 89 5.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..................................................................... 90 5.2.1 Một số hình ảnh về hệ thống. ............................................................. 91 5.2.2 Website ................................................................................................ 95 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................... 97 6.1 KẾT LUẬN ................................................................................................. 97 ix 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................................. 97 Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 98 Phụ lục ................................................................................................................... 100 ix LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình 2. 1: Cảm biến dòng điện Hall 100A YHDC. ...................................................... 6 Hình 2. 2: Mặt cắt kỹ thuật chi tiết Hall 100A YHDC. ................................................ 7 Hình 2. 3: Module cảm biến điện áp. ............................................................................ 8 Hình 2. 4: Arduino Nano. .............................................................................................. 9 Hình 2. 5: Module giao tiếp I2C. ................................................................................. 11 Hình 2. 6: Giao tiếp với LCD qua mạch chuyển I2C. ................................................ 12 Hình 2. 7: LCD 20x4. ................................................................................................... 13 Hình 2. 8: Giản đồ thời gian chu kỳ đọc của LCD. .................................................... 16 Hình 2. 9: Giản đồ thời gian chu kỳ ghi của LCD. .................................................... 17 Hình 2. 10: Sơ đồ khối của bộ điều khiển LCD.......................................................... 18 Hình 2. 11: Module NodeMCU ESP8266 V3. ............................................................ 20 Hình 2. 12: Chip ESP8266. ......................................................................................... 22 Hình 2. 13: Sơ đồ chân ESP8266. ............................................................................... 23 Hình 2. 14: Module Sim 900A. .................................................................................... 25 Hình 2. 15: Kết nối Module Sim 900A với arduino. ................................................... 26 Hình 2. 16: Hai gói cấu tạo chip DS1307. .................................................................. 27 Hình 2. 17: Mạch đồng hồ thời gian thực DS1307. ................................................... 28 Hình 2. 18: Mặt trước và sau của Module IC thời gian thực DS1307. ..................... 28 Hình 2. 19: IC Eeprom 24LC512. ............................................................................... 29 Hình 2. 20: IC ổn áp LM2576. .................................................................................... 30 Hình 2. 21: Cấu tạo của LM2576. ............................................................................... 31 Hình 2. 22: Mô tả giao tiếp UART. ............................................................................. 32 Hình 2. 23: Cấu trúc một khung dữ kiệu trong chuẩn giao tiếp UART. .................. 32 Hình 2. 24: Mạng I2C với nhiều thiết bị và 2 điện trở kéo lên cho SDA, SCL. ........ 34 Hình 2. 25: Giản đồ xung của SCL và SDA. .............................................................. 35 Hình 2. 26: Giản đồ xung khi có REPEAT START. .................................................. 35 Hình 2. 27: Giản đồ xung khi có Address Packet Format. ........................................ 37 Hình 2. 28: Giản đồ xung định dạng gói dữ liệu trong I2C. ..................................... 38 Hình 2. 29: Khung truyền dữ liệu trong I2C. ............................................................. 38 Hình 2. 30: Giao diện Arduino IDE với project mới (sketch mới). ........................... 39 Hình 2. 31: Biên dịch thành công. .............................................................................. 40 Hình 2. 32: Màn hình khởi động của Altium 16. ....................................................... 41 Hình 2. 33: Cửa sổ làm việc thiết kế mạch nguyên lý Altium. ................................... 41 Hình 2. 34: Cửa sổ thiết kế PCB. ................................................................................ 42 Hình 3. 1: Sơ đồ khối toàn hệ thống. .......................................................................... 44 Hình 3. 2: Sơ đồ khối của khối đo dòng điện. ............................................................ 46 Hình 3. 3: Kết nối ngõ ra cảm biến dòng điện Hall với Arduino. ............................. 47 Hình 3. 4: Đo dòng điện thông qua điện áp trên 2 đầu điện trở. ............................... 48 Hình 3. 5: Thêm 2 điện trở phân áp. ........................................................................... 49 Hình 3. 6: Biểu đồ ngõ ra khi chưa được gắn tụ C1. ................................................. 49 Hình 3. 7: Ngõ ra sau khi gắn tụ C1. .......................................................................... 50 Hình 3. 8: Cách kết nối đúng của Hall 100A YHDC với đường dây......................... 51 Hình 3. 9: Sơ đồ nguyên lý khối đo dòng điện............................................................ 52 Hình 3. 10: Sơ đồ khối của khối đo điện áp................................................................ 52 Hình 3. 11: Module cảm biến điện áp. ........................................................................ 53 x Hình 3. 12: Mạch cảm biến điện áp - băng thông (~ 50 Hz). .................................... 53 Hình 3. 13: Đặc tính đầu ra của ZMPT101B..54 Hình 3. 14: Sơ đồ nguyên lý khối đo điện áp. ............................................................. 54 Hình 3. 15: Sơ đồ khối của khối xử lý trung tâm. ...................................................... 55 Hình 3. 16: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị. ................................................................. 57 Hình 3. 17: Sơ đồ chân IC 24LC512. .......................................................................... 59 Hình 3. 18: Chọn các giá trị cho t_r và C_b ............................................................... 61 Hình 3. 19: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn. ................................................................. 62 Hình 3. 20: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch. ..................................................................... 64 Hình 4. 1: Bản vẽ thiết kế khối đo. .............................................................................. 65 Hình 4. 2: Mô phỏng 3D của mạch. ............................................................................ 66 Hình 4. 3: Mạch in của mạch. ..................................................................................... 66 Hình 4. 4: Mạch sau khi tiến hành in và rửa mạch. .................................................. 68 Hình 4. 5: Mô hình thi công thử nghiệm. ................................................................... 68 Hình 4. 6: Bo mạch tháo rời LCD. .............................................................................. 69 Hình 4. 7: Mô hình đóng gói của sản phẩm. .............................................................. 70 Hình 4. 8: Bo mạch bên trong của sản phẩm. ............................................................ 71 Hình 4. 9: Lưu đồ giải thuật chính của hệ thống. ...................................................... 72 Hình 4. 10: Lưu đồ chương trình đo. .......................................................................... 73 Hình 4. 11: Tải phần mềm. .......................................................................................... 74 Hình 4. 12: Giao diện phần mềm. ............................................................................... 75 Hình 4. 13: Hướng dẫn sử dụng phần mềm. .............................................................. 75 Hình 4. 14: Thêm đường link để tải driver. ................................................................ 77 Hình 4. 15: Nhấn Install để cài đặt. ............................................................................ 77 Hình 4. 16: Chọn mudule NodeMCU 0.9. .................................................................. 78 Hình 4. 17: File cài đặt Adobe Dreamweaver CS6. .................................................... 79 Hình 4. 18: Nhấn Accept để chấp nhận. ..................................................................... 80 Hình 4. 19: Nhấn chọn Next để tiếp tục. .................................................................... 80 Hình 4. 20: Nhấn Install để cài đặt. ............................................................................ 81 Hình 4. 21: Chương trình đang cài đặt vào máy. ....................................................... 81 Hình 4. 22: Nhấn Done để hoàn tất quá trình cài đặt................................................ 82 Hình 4. 23: Giao diện Adobe Dreamweaver CS6. ...................................................... 82 Hình 4. 24: Tạo project mới. ........................................................................................ 83 Hình 4