(Đồ án hcmute) giám sát và điều khiển thiết bị điện trong hộ gia đình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

GIÁM SÁT VÀ ÐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ÐIỆN
TRONG HỘ GIA ÐÌNH

GVHD: ThS. NGUYỄN NGÔ LÂM
SVTH : NGUYỄN TẤN THỊNH
MSSV: 13141341

SKL 0 0 5 2 6 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2018

do an


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:

GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN
TRONG HỘ GIA ĐÌNH
GVHD : ThS. Nguyễn Ngô Lâm
SVTH : Nguyễn Tấn Thịnh
MSSV : 13141341

Tp. Hồ Chí Minh - 1/2018

do an


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:

GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
ĐIỆN TRONG HỘ GIA ĐÌNH
GVHD : ThS. Nguyễn Ngô Lâm
SVTH : Nguyễn Tấn Thịnh
MSSV : 13141341

Tp. Hồ Chí Minh - 1/2018

do an


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o----

Tp. HCM, ngày 15 tháng 1 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Nguyễn Tấn Thịnh

MSSV: 13141341

Nguyễn Thành Nhân

MSSV: 13141217

Chuyên ngành:

Điện Tử Công Nghiệp

Mã ngành:

141

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ:

1

Khóa:

2013

Lớp:

13141DT

I. TÊN ĐỀ TÀI:
GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG HỘ GIA ĐÌNH
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
 Thông số ban đầu:
-

Thiết kế hệ thống đo các thông số điện năng là đo điện áp và dòng điện.
 Điện áp đo : 220 ~ 240VAC.
 Dòng điện đo : 30 ~ 50 A.

 Tài liệu tham khảo:
-

PGS.TS Trần Thu Hà, Giáo trình Điện tử cơ bản, Đại Học SPKT TP.HCM, 2013.

-

Th.S Nguyễn Đình Phú, Giáo trình Thực hành vi điều khiển PIC, Đại Học SPKT
TP.HCM, 2015.

-

Th.S Nguyễn Đình Phú, Giáo trình vi xử lý – Vi điều khiển PIC – PIC16F887, Đại
Học SPKT TP.HCM, 2014.

-

Nguyễn Việt Hùng – Nguyễn Ngô Lâm – Nguyễn Văn Phúc, Giáo trình kỹ thuật
truyền số liệu, Đại Học SPKT TP.HCM, 2014.

2. Nội dung thực hiện:

i

do an

-

Tìm hiểu và nghiên cứu cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt động, tính năng của các
module Arduino, module PZEM004 và module ESP8266 V1.

-

Tìm hiểu và nghiên cứu về lập trình Web Server, tìm hiển về ngơn ngữ HTML, CSS,
PHP, cơ sở dữ liệu MySQL.

-

Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên Web Server.

-

Các giải pháp thiết kế hệ thống, thi cơng mơ hình.

-

Thiết kế hệ thống điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển mơ hình.

-

Thiết kế hồn chỉnh mơ hình thực tế.

-

Chạy thử nghiệm hệ thống.

-

Cân chỉnh hệ thống.

-

Viết luận văn.

-

Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

05/10/2017

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/01/2018
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

ThS. Nguyễn Ngơ Lâm

BM. ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

ii

do an

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o----

Tp. HCM, ngày 15 tháng 1 năm 2018

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Tấn Thịnh
Lớp: 13141DT1A

MSSV: 13141341

Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Thành Nhân
Lớp: 13141DT1D

MSSV: 13141217

Tên đề tài: GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG HỘ GIA ĐÌNH

Tuần/ngày

Nội dung

Xác nhận
GVHD

Tuần 1
Từ 25/09/2017

- Gặp GVHD để nhận đề tài.

đến 01/10/2017
Tuần 2
Từ 02/10/2017
đến 08/10/2017
Tuần 3
Từ 09/10/2017
đến 15/10/2017

- Thảo luận về đề tài với GVHD để nắm được
tổng quan về đề tài nhóm thực hiện.
- Viết đề cương chi tiết.
- Gặp và báo cáo với GVHD hướng thực hiện
đề tài.
- Tìm kiếm một số tài liệu liên quan và trao đổi
với giáo viên về ngun lý đo các thơng số
điện áp, dịng điện, cơng suất và điện năng.

Tuần 4

- Báo cáo tiến độ cho GVHD.

Từ 16/10/2017

iii

do an


đến 22/10/2017

- Tìm hiểu phương pháp đo dịng điện của thiết
bị.

Tuần 5
Từ 23/10/2017
đến 29/10/2017
Tuần 6
Từ 30/10/2017

- Báo cáo tiến độ GVHD.
- Tìm hiểu về giao tiếp giữa cảm biến
Pzem004T và sơ đồ nguyên lý của module.
- Báo cáo tiến độ GVHD.
- Tìm hiểu về bộ xử lý trung tâm cho hệ thống.

đến 05/11/2017
Tuần 7
Từ 06/11/2017

- Báo cáo tiến độ GVHD.
- Tìm hiểu về module ESP8266 V1

đến 12/11/2017
Tuần 8
Từ 13/11/2017
đến 19/11/2017
Tuần 9
Từ 20/11/2017

- Báo cáo tiến độ GVHD.
- Tìm hiểu lập trình web, phương thức gửi nhận
dữ liệu từ bộ điều khiển lên web.
- Báo cáo tiến độ GVHD.
- Thiết kế sơ đồ mạch và vẽ PCB.

đến 26/11/2017
Tuần 10
Từ 27/11/2017

- Báo cáo tiến độ GVHD.
- Vẽ lưu đồ giải thuật và viết chương trình.

đến 03/12/2017
Tuần 11

- Báo cáo tiến độ GVHD.

Từ 04/12/2017

- Lắp ráp phần cứng.

đến 10/12/2017

- Lắp ráp mơ hình tòa nhà.

Tuần 12

- Báo cáo tiến độ GVHD.

Từ 11/12/2017
đến 17/12/2017

- Chỉnh sửa phần cứng, phần mềm và hồn
thiện mơ hình.

iv

do an


Tuần 13
Từ 18/12/2017
đến 24/12/2017
Tuần 14

- Chạy thử, kiểm tra và hiệu chỉnh tồn bộ mơ
hình.
- Viết báo cáo
- Chỉnh sửa và hoàn hiện báo cáo.

Từ 25/12/2017

đến 31/12/2017
Tuần 15

- Thiết kế slide thuyết trình.

Từ 01/01/2018
đến 07/01/2018
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

v

do an


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và khơng sao
chép từ tài liệu hay cơng trình đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài
Nguyễn Tấn Thịnh
Nguyễn Thành Nhân

vi

do an


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật

TP.HCM đã tận tình dạy dỗ chúng em trong những năm qua.
Đặc biệt, nhóm xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Ngơ Lâm, giảng viên trường
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều
kiện để nhóm có thể hồn thành tốt đề tài.
Nhóm thực hiện cũng xin chân thành cám ơn đến các thầy cô trong khoa Điện - Điện
tử của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo, cung cấp
cho nhóm thực hiện những kiến thức nền, chun mơn làm cơ sở để hồn thành đề tài này.
Cảm ơn gia đình đã động viên và ln ln bên cạnh trong những lúc khó khăn nhất.
Xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn sinh viên khoa Điện-Điện tử đã giúp đỡ
nhóm thực hiện đề tài để có thể hồn thành tốt đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài:
Nguyễn Tấn Thịnh
Nguyễn Thành Nhân

vii

do an


MỤC LỤC
Nội dung

Trang

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................................................... i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ......................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ v
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... vi
MỤC LỤC ......................................................................................................................... vii

LIỆT KÊ HÌNH VẼ ............................................................................................................ xi
LIỆT KÊ BẢNG ............................................................................................................... xiv
TĨM TẮT.......................................................................................................................... xv
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 ..................................................................................... 4
2.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG CỦA ĐIỆN XOAY CHIỀU. ..................................................... 4
2.1.1 Dòng điện xoay chiều 1 pha. ............................................................................... 4
2.1.2 Công suất điện xoay chiều 1 pha[1] . .................................................................... 4
2.1.2.1 Công suất tác dụng ........................................................................................ 5
2.1.2.2 Công suất phản kháng. .................................................................................. 5
2.1.2.3 Cơng suất tồn phần. ..................................................................................... 6
2.1.2.4 Hệ số công suất.............................................................................................. 6
2.1.3 Công suất điện xoay chiều 1 pha[1]. ..................................................................... 6

viii

do an


2.2 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN VÀ MODULE SỬ DỤNG. ................................... 7
2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG. ..................................................................................... 7
2.3.1 Vi điều khiển. ....................................................................................................... 7
2.3.1.1 Raspberry pi[7]. .............................................................................................. 7
2.3.1.2 Arduino Mega 2560[8]. .................................................................................. 8
2.3.2 Cảm biến đo điện năng (Pzem004T) [6]. ............................................................ 10

2.3.3 Màn hình LCD 20x4[2] . ..................................................................................... 11
2.3.3.1 Sơ đồ chân LCD 20x4. ................................................................................ 12
2.3.3.2 Màn hình LCD 20x4.................................................................................... 13
2.3.4 Module I2C giao tiếp với LCD 20x4 ................................................................. 18
2.3.5 Module WiFI ESP8266 UART ESP-01. ........................................................... 18
2.3.6 Relay 5 chân 12VDC. ....................................................................................... 19
2.3.7 PHOTOCOUPLER (OPTO) .............................................................................. 20
2.3.8 IC 7432 .............................................................................................................. 21
2.4 CÁC PHƯƠNG THỨC GIAO TIẾP. ...................................................................... 22
2.4.1 Giao tiếp Serial – UART[3]. ............................................................................... 22
2.4.2 Giao tiếp I2C[9]................................................................................................... 22
2.4.2.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 22
2.4.2.2 Đặc điểm giao tiếp I2C ................................................................................ 23
2.4.2.3 Chế độ hoạt động (tốc độ truyền) ................................................................ 24
2.4.2.4 Trình tự truyền bit trên đường truyền.......................................................... 24
2.4.2.5 Điều kiện Start và Stop ................................................................................ 25
2.5 TỔNG QUAN WEB. ............................................................................................... 26
2.5.1 Khái niệm về Internet: ....................................................................................... 26
2.5.2 Khái niệm về Web[10] ......................................................................................... 26

ix

do an


2.5.3 Ngơn ngữ lập trình HTML................................................................................. 26
2.5.4 Ngơn ngữ lập trình CSS ..................................................................................... 27
2.5.4.1 Khái quát CSS ............................................................................................. 27
2.5.4.2 Cú pháp cơ bản của CSS ............................................................................. 28
2.5.4.3 Các vùng chọn CSS ..................................................................................... 28

2.5.5 Ngơn ngữ lập trình PHP. ................................................................................... 28
Chương 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ....................................................................... 30
3.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................................ 30
3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................. 30
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ............................................................................. 30
3.2.2 Tính tốn và thiết kế mạch................................................................................. 32
3.2.3 Sơ đồ ngun lý tồn mạch................................................................................ 38
Chương 4. THI CƠNG HỆ THỐNG ............................................................................ 40
4.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................................ 40
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ......................................................................................... 40
4.2.1 Thi công board mạch ......................................................................................... 40
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ............................................................................................ 46
4.3 ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ................................................................. 47
4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển...................................................................................... 47
4.3.2 Thi cơng mơ hình ............................................................................................... 48
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ........................................................................................ 52
4.4.1 Lưu đồ giải thuật ................................................................................................ 52
4.5 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH....................................................................................... 60
4.5.1 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ............................................................... 60
4.5.2 Phần mềm soạn thảo web .................................................................................. 64

x

do an


4.6 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC .................................... 70
4.6.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ......................................................................... 70
4.6.2 Quy trình thao tác .............................................................................................. 71
Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ....................................................... 73

5.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC........................................................................................... 73
5.1.1 Mô hình sản phẩm.............................................................................................. 74
5.1.2 Kết quả thực nghiệm .......................................................................................... 75
5.1.3 Giám sát và điều khiển thiết bị, cảm biến thông qua internet ........................... 78
5.1.4 Tạo cơ sở dữ liệu ............................................................................................... 82
5.2 NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ...................................................................................... 83
5.2.1 Nhận xét ............................................................................................................. 83
5.2.2 Đánh giá ............................................................................................................ 83
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................... 85
6.1 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 85
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................................... 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 86
PHỤC LỤC………………………………………………………….…………...……...87

xi

do an


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1 Tam giác cơng suất ........................................................................................ 6
Hình 2.2 Raspberry Pi 3 Module B .............................................................................. 7
Hình 2.3 Arduino Mega 2560 ....................................................................................... 8
Hình 2.4 Sơ đồ linh kiện trong Arduino Mega 2560 .................................................... 9
Hình 2.5 Cảm biến đo điện năng Pzem004T ................................................................ 10
Hình 2.6 Sơ đồ nối dây của cảm biến ........................................................................... 10

Hình 2.7 Màn hình LCD 20x4 ...................................................................................... 12
Hình 2.8 Chu trình đọc LCD ........................................................................................ 16
Hình 2.9 Chu trình ghi LCD ......................................................................................... 16
Hình 2.10 Module I2C giao tiếp LCD .......................................................................... 18
Hình 2.11 Module WiFi ESP8266 Uart ESP-01 .......................................................... 18
Hình 2.12 Sơ đồ chân WiFi ESP8266 Uart ESP-01 ..................................................... 19
Hình 2.13 Relay 5 chân 12VDC ................................................................................... 20
Hình 2.14 Sơ đồ chân Relay ......................................................................................... 20
Hình 2.15 Sơ đồ chân Opto .......................................................................................... 20
Hình 2.16 IC 7432. ....................................................................................................... 21
Hình 2.17 Sơ đồ chân IC 7432 ..................................................................................... 21
Hình 2.18 Giao tiếp UART giữa 2 thiết bị.. ................................................................. 22
Hình 2.19 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi................................................................... 22
Hình 2.20 Kết nối thiết bị vào bus I2C ......................................................................... 23
Hình 2.21 Truyền dữ liệu trong I2C ............................................................................. 23

xii

do an


Hình 2.22 Trình từ truyền bit trên đường truyền .......................................................... 24
Hình 2.23 Trình tự truyền start và stop ........................................................................ 25
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống ................................................................................ 30
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến với Arduino với tải ..................................... 32
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị với Arduino ................................................. 33
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối WiFi ESP8266 V1 với Arduino ................................ 34
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối nút nhấn với Arduino ................................................. 35
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý khối công suất với Arduino ................................................ 37
Hình 3.7 Sơ đồ ngun lý tồn mạch ........................................................................... 39

Hình 4.1 Sơ đồ đi dây của mạch điều khiển trung tâm. ............................................... 41
Hình 4.2 Hình 3D bố trí linh kiện của mạch điều khiển trung tâm .............................. 41
Hình 4.3 Sơ đồ đi dây mạch relay điều khiển thiết bị ngõ ra. ...................................... 42
Hình 4.4 Hình 3D bố trí linh kiện mạch relay điều khiển thiết bị ngõ ra..................... 43
Hình 4.5 Sơ đồ đi dây mạch nút nhấn .......................................................................... 43
Hình 4.6 Hình 3D bố trí linh kiện mạch nút nhấn. ....................................................... 44
Hình 4.7 Sơ đồ đi dây mạch WiFi ................................................................................ 44
Hình 4.8 Hình 3D bố trí linh kiện mạch WiFi .............................................................. 45
Hình 4.9 Hình ảnh thực tế mạch điều khiển trung tâm ................................................ 46
Hình 4.10 Hình ảnh thực tế mạch điều khiển thiết bị ngõ ra........................................ 46
Hình 4.11 Hình ảnh thực tế mạch nút nhấn điều khiển ................................................ 47
Hình 4.12 Hình ảnh thực tế mạch WiFi. ...................................................................... 47
Hình 4.13 Hộp bảo vệ bộ điều khiển của hệ thống ...................................................... 47
Hình 4.14 Hình mặt trước của tịa nhà trên mơ phỏng 3D ........................................... 49

xiii

do an


Hình 4.15 Hình mặt bên của tịa nhà trên mơ phỏng 3D .............................................. 49
Hình 4.16 Hình mặt bằng của tịa nhà trên mơ phỏng 3D ............................................ 50
Hình 4.17 Dán và hồn chỉnh cầu thang phía 2 bên tịa nhà ........................................ 50
Hình 4.18 Dán và hồn chỉnh các tầng của tịa nhà...................................................... 51
Hình 4.19 Tiến hành lắp module, thi hiếtbị, board mạch vào khung ........................... 51
Hình 4.20 Lưu đồ chương trình chính .......................................................................... 53
Hình 4.21 Lưu đồ chương trình đo các giá trị cảm biến .............................................. 54
Hình 4.22 Lưu đồ chương trình cài đặt cho ESP8266 V1 .......................................... 55
Hình 4.23 Lưu đồ chương trình kết nối modem WiFi .................................................. 56
Hình 4.24 Lưu đồ chương trình chọn chế độ ESP8266 V1 ......................................... 57

Hình 4.25 Lưu đồ chương trình ở chế độ điều khiển từ xa .......................................... 58
Hình 4.26 Lưu đồ chương trình điều khiển thiết bị điện bằng nút nhấn. ..................... 59
Hình 4.27 Biểu tượng của phần mềm ........................................................................... 60
Hình 4.28 Giao diện mơi trường lập trình .................................................................... 61
Hình 4.29 Mục download the Arduino IDE ................................................................. 62
Hình 4.30 Chọn Just download .................................................................................... 62
Hình 4.31 Giao diện làm việc ban đầu ......................................................................... 63
Hình 4.32 Trang chủ Sublime Text .............................................................................. 65
Hình 4.33 Chọn chương trình cho máy tính ................................................................. 65
Hình 4.34 Cài đặt phần mềm Sublime Text ................................................................. 66
Hình 4.35 Chọn thư mục cài đặt ................................................................................... 66
Hình 4.36 Chon Install để cài đặt. ................................................................................ 67
Hình 4.37 Giao diện trang chủ của Web. ..................................................................... 70

xiv

do an


Hình 5.1 Mơ hình tịa nhà. ............................................................................................ 74
Hình 5.2 Thơng số cơ bản của 3 phịng ........................................................................ 75
Hình 5.3 Các thơng số của phịng 1 .............................................................................. 75
Hình 5.4 Thiết bị phịng 1 được điều khiển .................................................................. 76
Hình 5.5 Các thơng số của phịng 2 .............................................................................. 76
Hình 5.6 Thiết bị phịng 2 được điều khiển .................................................................. 76
Hình 5.7 Các thơng số của phịng 3 .............................................................................. 77
Hình 5.8 Thiết bị phịng 3 được điều khiển .................................................................. 77
Hình 5.9 Tịa nhà được điều khiển bằng nút nhấn........................................................ 77
Hình 5.10 Giao diện đăng nhập .................................................................................... 78
Hình 5.11 Giao diện trang chủ ..................................................................................... 78

Hình 5.12 Giao diện trang giới thiệu ............................................................................ 79
Hình 5.13 Giao diện trang thống kê ............................................................................. 79
Hình 5.14 File Excel sau khi tải về máy....................................................................... 80
Hình 5.15 Giao diện điều khiển thiết bị ....................................................................... 81
Hình 5.16 Thơng tin điện năng ..................................................................................... 81
Hình 5.17 Biểu hồ thể hiện dòng điện và điện năng .................................................... 82
Hình 5.18 Cơ sở dữ liệu của các thơng số điện năng ................................................... 82
LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 ........................................................ 9
Bảng 2.2 Các lệnh đọc dữ liệu và cài đặt Pzem004T ................................................... 11
Bảng 2.3 Chức năng các chân của LCD 20x4 .............................................................. 12

xv

do an


Bảng 2.4 Các lệnh điều khiển LCD. ............................................................................. 13
Bảng 2.5 Thông số thời gian LCD. .............................................................................. 17
Bảng 2.6 Điều kiện hoạt động của IC........................................................................... 21
Bảng 2.7 Bảng trạng thái .............................................................................................. 21
Bảng 3.1 Dòng điện các linh kiện sử dụng trong mạch 5V .......................................... 38
Bảng 3.2 Dòng điện của các linh kiện sử dụng điện áp 12V .............................................. 38
Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện. .............................................................................. 45
Bảng 5.1 Số liệu thực nghiệm. ..................................................................................... 83

xvi

do an


TĨM TẮT

Ngày nay với sự phát triển khơng ngừng của khoa học và công nghệ của thế kỷ 21,
những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiến bộ, thế giới của chúng ta đã và đang thay đổi
nhận thức và thói quen của con người chúng ta. Sự phát triển của các thiết bị điện có độ
chính xác cao, tốc độ và thông minh là những yếu tố cần thiết cho hoạt động của con người.
Nhưng hiện nay thì chúng ta vân chưa sử dụng các thiết bị điện một cách hợp lý và tiết
kiệm.
Nhìn chung các năm trước, đề tài căn hộ thông minh được các sinh viên thực hiện
xoay quanh các nội dung như: Điều khiển qua tin nhắn điện thoại và điều khiển bằng tần
số vô tuyến, bằng tia hồng ngoại nhưng các phương pháp này phụ thuộc khoảng cách, chỉ
có tác dụng trong một phạm vi hẹp, dễ bị nhiễu trong khi sử dụng. Do đó, việc “Giám sát
và điều khiển thiết bị điện trong hộ gia đình” là một nhu cầu hết sức cần thiết và đây chính
là lý do mà nhóm nghiên cứu quyết định chọn đề tài này. Đề tài này không những là một
thực tại khách quan mà nó cịn đóng vai trò đặc biệt quan trọng thực sự ở hiện tại cũng như
trong tương lai sau này. Mơ hình được thiết kế đo các thơng số điện áp, dịng điện, cơng
suất và điện năng thơng qua module cảm biến, sau đó được xử lý qua bộ xử lý trung tâm
và truyền lên web thông qua đường truyền Internet. Giao diện web cho phép người dùng
quan sát dữ liệu và điều khiển.
Hệ thống hoạt động ổn định, tuy nhiên còn phụ thuộc khá nhiều về tốc độ truyền
Internet và đây là yếu tố khách quan nên không thể can thiệp.

xvii

do an

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong thời kỳ phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ. Sự phát triển của

kỹ thuật đã tạo ra hàng hoạt những thiết bị, máy móc sử dụng năng lượng điện ngày càng
nhiều. Do nhu cầu sử dụng điện của con người ngày càng nhiều vào các thiết bị, làm dẫn
đến sự thiếu hụt về năng lượng điện. Vì vậy, chúng ta cần áp dụng các công nghệ để làm
thay đổi thói quen sử dụng điện một cách khoa học và thuận tiện cho người sử dụng. Một
trong những ứng dụng quan trọng đó là cơng nghệ kỹ thuật điện tử điều khiển và giám sát
từ xa. Nó góp phần rất lớn cho việc điều khiển các thiết bị từ xa.
Nhìn chung các năm trước, đề tài căn hộ thơng minh được các sinh viên thực hiện
xoay quanh các nội dung như: Điều khiển qua tin nhắn điện thoại và điều khiển bằng tần
số vô tuyến, bằng tia hồng ngoại nhưng các phương pháp này phụ thuộc khoảng cách, chỉ
có tác dụng trong một phạm vi hẹp, dễ bị nhiễu trong khi sử dụng. Do đó, việc “Giám sát
và điều khiển thiết bị điện trong hộ gia đình” là một nhu cầu hết sức cần thiết và đây chính
là lý do mà nhóm nghiên cứu quyết định chọn đề tài này. Mơ hình được thiết kế đo các
thơng số điện áp, dịng điện, cơng suất và điện năng thơng qua module cảm biến, sau đó
được xử lý qua bộ xử lý trung tâm và truyền lên web thông qua đường truyền Internet.
Từ các yếu tố trên và được giáo viên hướng dẫn định hướng đề tài. Nhóm chúng em
chọn đề tài “GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG HỘ GIA ĐÌNH” là
hệ thống kết hợp các thiết bị điện tử và kỹ thuật truyền không dây. Các thiết bị điện tử sẽ
thu thập dữ liệu về điện áp, dịng điện, cơng suất và điện năng, để truyền về bộ xử lý trung
tâm. Kỹ thuật truyền phát không dây thì việc giám sát và điều khiển ở khoảng cách xa
thông qua đường truyền mạng và được đưa lên Web.

2.1

MỤC TIÊU
Thiết kế, thi cơng mơ hình được hệ thống giám sát và điều khiển cho 3 phòng học

thực tập. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên webserver. Điều khiển và giám sát
được trạng thái các thiết bị, các cảm biến qua mạng Internet. Hệ thống cho phép người sử
dụng có thể giám sát các thơng số dịng điện, điện áp, công suất, điện năng qua LCD và
điều khiển nút nhấn trên mạch, hoặc điều khiển từ xa trên giao diện web.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

do an

1


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

3.1

NỘi DUNG NGHIÊN CỨU

 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt động,
tính năng của các loại module Arduino, module đo điện áp, dịng điện, cơng suất và
điện năng, module ESP8266 v1.
 NỘI DUNG 2: Tìm hiểu và nghiên cứu về lập trình Webserver, tìm hiểu về ngơn ngữ
HTML, CSS, PHP, cở sở dữ liệu MySQL, cập nhật dữ liệu thu thập lên giao diện hiển
thị Webserver.

 NỘI DUNG 3: Tìm hiểu và nghiên cứu về lập trình Arduino và phần mềm lập trình
Arduino.
 NỘI DUNG 4: Giải pháp thiết kế hệ thống, thi cơng mơ hình.
 NỘI DUNG 5: Thiết kế hệ thống điều khiển, lưu đồ giải thuật và chương trình điều
khiển mơ hình.
 NỘI DUNG 6: Thiết kế hồn chỉnh mơ hình, chạy thử nghiệm hệ thống, chỉnh sửa
các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và các lỗi thiết bị.
 NỘI DUNG 7: Đánh giá kết quả thực hiện.

4.1

GIỚI HẠN

 Thiết kế mơ hình tịa nhà có kích thước dài, rộng, cao là 80x60x50 cm bằng mica và
chất liệu foam.
 Sử dụng 12 bóng đèn sợi đốt, mỗi bóng có cơng suất 10W và sử dụng điện 220V.
 Sử dụng 3 cảm biến đo điện năng tiêu thụ (Pzem004T), cảm biến đo được các đại
lượng điện:
 Điện áp đo : 240 VAC.
 Dòng điện đo: 50 A.
 Công suất đo : 22 kW.
 Năng lượng đo: <10000 kWh.
 Sử dụng Board Arduino Mega 2560 để làm khối xử lý trung tâm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

do an

2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.5.

BỐ CỤC

 Chương 1: Tổng Quan.
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu của đề tài, nội
dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đề tài.
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Trình bày về các lý thuyết có liện quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện
thiết kế, thi công cho đề tài.
 Chương 3: Thiết Kế và Tính Tốn.
Trình bày về cách tính tốn sơ đồ khối, sơ đồ ngun lý của các board mạch của hệ
thống: mạch điều khiển trung tâm, mạch điều khiển các thiết bị ngõ ra có sử dụng
relay, mạch nguồn cung cấp điện áp và dịng điện cho hệ thống.
 Chương 4: Thi Cơng Hệ Thống.
Trình bày về quá trình vẽ mạch in, lắp ráp các thiết bị, đo kiểm tra mạch, lắp ráp mơ
hình. Thiết kế lưu đồ thuật tốn chương trình và viết chương trình hệ thống, hình ảnh
thực tế, cũng như các kết quả của hệ thống.
 Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá .
Trình bày kết quả của quá trình nghiên cứu gồm các kiến thức, kỹ năng mà nhóm có
được sau khi thực hiện đề tài. Kết quả đạt được, nhận xét, đánh giá về đề tài và tính
ứng dụng của đề tài trong thực tiễn.
 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Trình bày những kết quả mà đề tài đạt được, đưa ra được ưu và nhược điểm của hệ
thống. Từ đó đưa ra được hướng phát triển để có được một đề tài hồn thiện và đáp
ứng được thực tiễn.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

do an

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG CỦA ĐIỆN XOAY CHIỀU
2.1.1 Dòng điện xoay chiều 1 pha[1]
Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều và trị số thay đổi theo thời gian.
Dịng điện xoay chiều biến thiên theo quy luật hình sin, theo thời gian được gọi là dịng
điện xoay chiều hình sin.
i= 𝐼𝑚𝑎𝑥 sin(𝜔𝑡 + 𝜑𝑖 )

(2.1)

Trong đó :
i : Là trị số tức thời của dòng điện.
𝐼𝑚𝑎𝑥 : Là giá trị cực đại của dòng điện (hay là biên độ của dịng điện).
ω : Là tần số góc.
𝜑 : Là góc pha ban đầu của dịng điện.

2.1.2 Cơng suất điện xoay chiều 1 pha[1]
Xét hệ thống nguồn điện một pha với nguồn áp dạng sin lý tưởng và một tải tuyến tính,
khi đó dạng dịng điện và điện áp được biểu diễn như sau:
u(t )  2U sin(t )

(2.2)

i(t )  2I sin(t   )

(2.3)

Công suất tức thời được định nghĩa bằng tích của điện áp và dịng điện tức thời
P(t )  u(t )i(t )  2UI sin(t )sin(t   )  UI cos( )  UI cos(2t   )

(2.4)

Trong đó:
u(t) : Điện áp tức thời.
i(t) : Dịng điện tức thời.
P(t) : Cơng suất tức thời.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

do an

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.2.1 Công suất tác dụng
Công suất tác dụng là phần cơng suất điện có thể biến đổi thành các dạng công suất
khác (cơ, nhiệt, hay hóa). Đơn vị của cơng suất tác dụng P là watt (W).
Công suất tác dụng của mạch xoay chiều một pha được xác định là giá trị trung bình
của cơng suất trong một chu kì T:

T

T

1
1
P   pdt   uidt
T 0
T 0

(2.5)

Trong đó: p, u, i là các giá trị tức thời của cơng suất, áp và dịng.
Trong trường hợp dịng điện và điện áp có dạng hình sin thì cơng suất tác dụng được
tính là:
P  UI cos 

(2.6)

Trong đó:
U, I là các giá trị hiệu dụng của điện áp và dịng điện.
φ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện.
Trong trường hợp chung nếu một q trình có chu kỳ với dạng đường cong bất kì thì
cơng suất tác dụng là tổng các cơng suất của các thành phần sóng hài.




k 1

k 1

P   Pk  U k I k cos k

(2.7)

2.1.2.2 Công suất phản kháng
Trong trường hợp mạch điện xoay chiều (dòng điện và điện áp có dạng hình sin) thì
cơng suất phản kháng được tính theo cơng thức:
Q  UI sin 

(2.8)

Trong đó:
U, I là các giá trị hiệu dụng của điện áp và dịng điện.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH

do an

5