Đề án khoa học ngôi nhà thông minh

MỤC LỤC
Trang
Trang bìa………………………………………………………… ......
Mục lục…………………………………………………………........
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

2

I. PHẦN CHUNG…………………………… ………………………......

2

1. Lý do chọn dự án…………………………………………..... ......

2

2. Ý nghĩa khoa học- Thực tiễn………………………………….....

2

3. Mục tiêu nghiên cứu……………………………………… .........

3

4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu………………………………. .....

3

5. Phương pháp nghiên cứu…………………………………............

3

6. Nội dung nghiên cứu………………………………………........

4

7. Những điểm mới ..........................................................................

4

II. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……… …………………….........

4

1. Kết quả...............................................................................................

4

1.1. Tìm hiểu cấu tạo của mạng điện trong nhà …… ……… ... .....

4

1.2.

Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị điện tử
...............................................................................................................
6
1.3. Đưa ra giải pháp để tích hợp nguồn nạp cho ắc quy tấm pin năng
lượng mặt trời....................................................................................... ....
14
1.4 . Thiết kế mạch tổng thể và thiết kế các hệ thống đơn vị .......

16

1.5. Giao tiếp giữa Arduino và các modunle dữ liệu với hệ thống điều
khiển các thiết bị ................................................................................
1.6.Hệ thống điều khiển các thiết bị.................................................

17
18

1.7. Lập dư trù vật liệu, lắp đặt mạch điện , kiểm tra và vận hành tử từng
các thiết bị riêng lẻ kết hợp với kiểm chứng với lí thuyết .................

21

2. Thảo luận………………………………..........................................

24

III. KẾT LUẬN........……………….……………...............................

25

IV. LỜI CẢM ƠN...................................................................................

26

Tài liệu tham khảo…………………….………........................................ 27
1

I. PHẦN CHUNG

1. Lí do chọn dự án
Việc dùng tay để tắt mở các thiết bị là điều đã quá quen thuộc. Tuy nhiên,
khi các thiết bị này đặt ở các vị trí xa khiến ta mất nhiều thời gian và công
sức,.v.v…Mặt khác điện áp ở Việt Nam thường không ổn đinh (lúc cao, lúc
thấp) mất điện thường xuyên,vv…ảnh hưởng đến tuổi thọ của các đồ dùng điện
và tạo cảm giác không thoải mái cho người sử dụng. Hiện nay trên thế giới cũng
như ở Việt Nam đã có nhưng ngôi nhà thông minh (Smarthome) có thể giải
quyết phần nào đó của vấn đề trên. Nhưng các nhà sản xuất thường quan tâm
đến những ngôi nhà ở những nơi có nguồn điện ổn định, không hay bị mất điện.
Mặt khác giá thành chi phí để cho một ngôi nhà như vậy là quá cao so với thu
nhập bình quân ở nước ta.
Xuất phát từ thực tế đó, với sự nghiên cứu từ các thiết bị điện, thiết bị
điện tử, các thiết bị điều khiển, thiết bị vi sử lí và lập trình phần mềm. Nhóm
chúng em đã có ý tưởng tìm hiểu và thiết kế mô hình "Ngôi nhà thông minh".
2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
2.1. Ý nghĩa khoa khọc
- Giúp tạo ra một sản phẩm hữu ích, dễ lắp ráp, dễ sử dụng, giá thành rẻ
phù hợp với nhiều gia đình có mức thu nhập bình thường.
- Việc thực hiện dự án giúp học sinh chúng em làm quen với phương pháp
nghiên cứu khoa học kỹ thuật, phát huy năng lực sáng tạo, phát triển năng lực
người học.
- Giúp chúng em có cơ hội được NCKH; sáng tạo kỹ thuật,... và vận dụng
kiến thức đã học của các môn học vào giải quyết những vấn đề thực tiễn.
2.2. Ý nghĩa thực tiễn
Dự án ngôi nhà thông minh sử dụng hệ thống cung cấp điện không ổn
định, tự động chuyển về nguồn dự phòng (khi mất điện), nguồn dự phòng là bộ
pin năng lượng mặt trời và bộ ắc qui luôn được ổn định do thường xuyên được

nạp điện vì vậy sẽ giảm được phiền toái khi bị mất điện, tạo ra dòng điện ổn
2


định giúp các thiết bị sử dụng điện sẽ được kéo dài thêm tuổi thọ khi không bị
mất điện đột ngột.
Việc tắt mở các thiết bị các thiết bị điện như quạt, đèn, máy bơm, đèn
trang trí,.v.v…chỉ thông qua một chiếc smartphone.
Nhóm nghiên cứu dự án mong muốn góp một phần nào đó vào sự nghiệp
công nhiệp hoá và hiện đại hoá đất nước, hướng tới công nghệ 4.0
3. Mục tiêu nghiên cứu
3.1. Mục tiêu chung:
Dự án nghiên cứu nhằm hướng đến thiết kế bộ điều khiển hệ thống điện
cho một ngôi nhà có chức năng thông minh giúp chủ nhà những gia đình có thu
nhập trung bình chỉ cần một chiếc smartphone trong tay là có thể điều khiển
được các thiết bị. Hơn thế nữa, nguồn điện luôn được ổn định và có nguồn điện
dự phòng khi bị mất điện. Cụ thể dự án có thể giải quyết những vấn đề đặt ra là:
3.2. Mục tiêu cụ thể:
- Thiết kế mạch điện luôn ổn định về điện áp và tự động chuyển về nguồn
điện dự phòng khi bị mất điện, tích hợp nguồn năng lượng mặt trời để thêm
nguồn nạp cho ắc quy giúp duy trì nguồn điện.
- Sử dụng phần mềm chạy trên nền tảng Android để bật tắt các thiết bị
điện trong nhà.
- Thông qua dự án, nhóm nghiên cứu được vận dụng các kiến thức đã học
ở chương trình Trường học mới và muốn được vận dụng vào thực tế. Được nâng
cao hiểu biết của bản thân về chuyên ngành kĩ thuật Điện - Điện tử - Công nghệ
phần mềm.
4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu
Dự án này phù hợp với trình độ kiến thức học tập của học sinh THCS, học
sinh có thể tìm hiểu các thông tin qua nhiều nguồn kênh thông tin khác nhau:

+ Vận dụng kiến thức một số môn học có liên quan như: Công nghệ 8, 9;
Vật lý 8, 9; Tin học 8, 9 trong chương trình "Trường học mới " nội dung thông
tin trên các trang mạng Internet có liên quan trong quá trình nghiên cứu và làm
thành công mô hình .
3


+ Nghiên cứu hệ thống điện năng lượng mặt trời, bộ lưu điện UPS, mạch
vi điều khiển, phần mềm.
- Thời gian nghiên cứu: Trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến đầu tháng
11 năm 2018.
5. Phương pháp nghiên cứu
5.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
Nghiên cứu hệ thống điện năng, năng lượng mặt trời, bộ lưu điện UPS,
mạch vi điều khiển, phần mềm điều khiển hệ thống điện.
5.2. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn.
Thu thập thông tin, tìm hiểu về nhu cầu người dùng.
Nghiên cứu cách sử dụng, cách lắp đặt các thiết bị điện, điện tử tạo ra hệ
thống tối ưu nhất, phù hợp với điều kiện thực tiễn.
5.3. Phương pháp quan sát, so sánh:
- Quan sát, so sánh về chất lượng, hiệu quả về tác dụng của sản phẩm mới
để thấy rõ ưu điểm, nhược điểm của từng thiết bị và của sản phẩm so với hệ
thống điều khiển hiện đại.
- So sánh hiệu quả sử dụng, tính an toàn, tiết kiệm so với hệ thống điện
thông thường trong các gia đình có mức thu nhập trung bình hiện nay.
5.4. Phương pháp thực hành, thực nghiệm:
- Khảo sát thực tế, thu thập số liệu và thử nghiệm.
- Thực hành lắp ráp, vận hành theo quy trình nghiên cứu.
6. Nội dung nghiên cứu.
Nghiên cứu về nguyên lí hoạt động, nguồn điện dự phòng khi cần thiết

của hệ thống điện trong gia đình
Xây dựng giải pháp tích hợp năng lượng mặt trời kết hợp với lưới điện
quốc gia thông qua bộ nguồn UPS
Xây dựng giải pháp tích hợp để điều khiển các thiết bị điện trong gia đình.
- Thiết kế sơ đồ khối của mạng điện.
- Thiết kế, lắp ráp, kiểm tra từng hệ thống riêng lẻ.
- Cài đặt phần mềm để điều khiển các thiết bị điện trong gia đình
4


- Cài đặt phần mềm cho thiết bị Android để điều khiển các thiết bị
- Hoàn thiện, kiểm tra và chạy thử nghiệm
7. Những điểm mới của dự án.
Tạo sự chủ động về nguồn điện, và sự ổn định về điện cho ngôi nhà cũng
như các thiết bị điện. Đặc biệt là sự tích hợp chức năng điều khiển các thiết bị từ
xa thông qua phần mềm.
Tạo ra một sản phẩm mới dễ sử dụng, an toàn, phù hợp với những gia
đình có mức thu nhập trung bình.

5


II. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
1. Kết quả
1.1. Nghiên cứu về sử dụng mạng điện trong nhà hiện nay
a) Đặc điểm về mạng điện
Đối với các hộ gia đình có thu nhập thấp và trung bình đa phần mạng điện
chỉ có một nguồn cung cấp (Điện lưới) hoặc có thêm máy phát, ắc quy dự phòng
nhưng mỗi lần mất điện lại phải mất thêm thời gian vận hành, thời gian mất quá
lâu, ắc qui không đủ cung cấp điện...... Vì vậy, không chủ động về nguồn điện và

làm giảm tuổi thọ của các đồ dùng điện.

b) Đặc điểm về cách vận hành mạng điện thông thường
Qua quan sát thực tế các ngôi nhà và trao đổi với các chủ nhà có thu nhập
trung bình, thấp. Nhóm đã rút ra được các nhược điểm như sau:
- Thứ nhất: Mạng điện thường chỉ có một nguồn điện (Điện lưới) hoặc có
thêm máy phát, hoặc ắc quy nhưng mỗi lần mất điện lại phải mất thời gian vận
hành và mất điện quá lâu ắc quy sẽ không có nguồn nạp bổ sung.

6


- Thứ hai: Điện áp thường không ổn định nhất là vào các giờ cao điểm,
làm ảnh hưởng đến chế độ làm việc của các thiết bị điện.
- Thứ ba: Việc điều khiển các thiết bị điện chủ yếu bằng bật tắt thủ công
gây khó khăn cho những người có khả năng vận động hạn chế

1.2. Nghiên cứu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị
điện tử , thiết bị lưu điện
a) Ắc quy:
Nếu điểm qua các loại ắc quy thì có thể có nhiều cách gọi như: ắc quy
nước, ắc quy axít, ắc quy axít kiểu hở, ắc quy kín khí, ắc quy không cần bảo
dưỡng, ắc quy khô, ắc quy GEL, ắc quy kiềm...Thực ra thì cách nói như trên là
các cách gọi khác nhau của vài loại ắc quy cơ bản mà thôi, cách gọi như vậy
chính là cách gọi có thể bao hàm vào nhau mà nếu nghe qua chúng ta đừng
hoang mang rằng tại sao có nhiều loại ắc quy như vậy. Trên thực tế thường phân
biệt thành hai loại ắc quy thông dụng hiện nay là ắc quy sử dụng điện môi bằng
a xít (gọi tắt là ắc quy a xít hoặc ắc quy chì - a xít) và ắc quy sử dụng điện môi
bằng kiềm (gọi tắt là ắc quy kiềm). Tuy có hai loại chính như vậy nhưng ắc quy
kiềm có vẻ ít gặp nên đa số các ắc quy mà chúng ta gặp trên thị trường hiện nay

là ắc quy a xít.
Trong cùng loại ắc quy axít cũng được phân chia thành hai loại chính: ắc
quy axít kiểu hở thông thường và ắc quy axít kiểu kín khí. Hai loại này đang bị
gọi nhầm một cách thông dụng là: ắc quy nước và ắc quy khô (đúng ra thì ắc
quy điện môi dạng keo mới gọi là ắc quy khô). Khi đã hiểu về nguyên lý hoạt
7


động của ắc quy axít thì chúng ta dễ dàng phân biệt được chúng và các đặc tính
riêng của từng loại ắc quy này.

Trong thực tế, các bản cực ắc quy không giống như ở trên, các cực của ắc
quy có số lượng nhiều hơn (để tạo ra dung lượng bình ắc quy lớn) và mỗi bình
ắc quy lại bao gồm nhiều ngăn như vậy. Nhiều tấm cực để tạo ra tổng diện tích
bản cực được nhiều hơn, giúp cho quá trình phản ứng xảy ra đồng thời tại nhiều
vị trí và do đó dòng điện cực đại xuất ra từ ắc quy đạt trị số cao hơn - và tất
nhiên là dung lượng ắc quy cũng tăng lên.
Do kết cấu xếp lớp nhau giữa các tấm cực của ắc quy nên thông thường số
cực dương và cực âm không bằng nhau bởi sẽ tận dụng sự làm việc của hai mặt
một bản cực (nếu số bản cực bằng nhau thì các tấm ở bên rìa sẽ có hai mặt trái
chiều ở cách nhau quá xa, do đó phản ứng hóa học sẽ không thuận lợi).

8


Ở giữa các bản cực của ắc quy đều có tấm chắn, các tấm chắn này không
dẫn điện nhưng có độ thẩm thấu lớn để thuận tiện cho quá trình phản ứng xảy ra
khi các cation và anion xuyên qua chúng để đến các điện cực.
Mỗi một ngăn cực của ắc quy a-xít chỉ cho mức điện áp khoảng 2 đến
2,2V do đó để đạt được các mức 6V, 12V thì ắc quy phải ghép nhiều ngăn nhỏ

với nhau, ví dụ ghép 3 ngăn để thành ắc quy 6V, ghép 6 ngăn để thành ắc quy
12V.
Dung lượng ắc quy và ảnh hưởng bởi chế độ phóng
Dung lượng là thông số cơ bản, tham số này cho biết được khả năng lưu
trữ điện năng của ắc quy. Đơn vị tính của thông số này được tính thông dụng
theo Ah (Ampe giờ), một số ắc quy nhỏ hơn (và thường là các pin) thì tính theo
mức mAh (mili-ampe giờ).
Một cách đơn giản để dễ hình dung về tham số dung lượng ắc quy như
sau: Ah là tham số bằng số dòng điện phát ra (tính bằng Ampe) trong khoảng
thời gian nào đó (tính bằng giờ). Ví dụ như ắc quy 10 Ah thì có thể phát một
dòng điện 10A trong vòng một giờ, hoặc 5A trong 2 giờ, ... hay 1A trong 10A.
Nhưng trên thực tế thì dung lượng ắc quy lại bị thay đổi tuỳ theo cường
độ dòng điện phóng ra. Nếu dòng điện phóng càng lớn thì dung lượng ắc quy
còn lại càng nhỏ và ngược lại, dòng điện phóng nhỏ thì dung lượng được bảo
toàn ở mức cao. Ví dụ về dung lượng của ắc quy phụ thuộc vào cường độ dòng
phóng được thể hiện như bảng dưới đây (số liệu sưu tầm)
Thời gian (phút)
90
60
50
45
40
30
20
15

Accu 100Ah
Accu 26Ah
Dòng phát (A) Dung lượng (Ah) Dòng phát (A) Dung lượng (Ah)
57

85
13
19
74
74
19
19
86
71
21
18
93
70
23
17
102
68
25
17
129
64
31
15
174
58
40
13
213
53
49

12
9


10

275

45

63

10

Theo bảng trên thì nếu như phóng điện với dòng 57A, ắc quy 100Ah chỉ
còn dung lượng là 85Ah và tương ứng chỉ phóng điện được 90 phút. Vì đa số
các kích điện đang được sử dụng thuộc loại công suất từ 800VA đến 1000VA
nên dòng tiêu thụ cực đại sẽ xấp xỉ với mức 57A nêu trên nên người dùng nên
chú ý đến thông số này.
Vậy thì phóng dòng điện càng lớn thì dung lượng của ắc quy càng giảm
đi. Muốn dung lượng ắc quy đúng như số liệu công bố của các hãng sản xuất thì
có lẽ phải phóng với một dòng đủ nhỏ mà chỉ có thể thực hiện được điều này
thông qua việc sử dụng điện tiết kiệm (sử dụng với nhu cầu tối thiểu) hoặc phải
trang bị một hệ thống nhiều ắc quy.
Có điều gì vô lý ở đây chăng? Năng lượng tích trữ trong ắc quy bị mất đi và điều đó vi phạm định luật bảo toàn năng lượng? Chắc chắn là không phải,
năng lượng không tiêu hao đi mất, nó sẽ vẫn nằm trong ắc quy nhưng không thể
phóng được ra mà thôi.
Nhìn lại hình phía trên ta thấy rằng khi ắc quy trong trạng thái còn có thể
phóng điện thì cực dương là PbO2 còn cực âm là Pb quá trình phóng điện sẽ làm
cho cả hai đều biến thành PbSO 4. Nếu quá trình phóng điện diễn ra một cách từ

từ thì các cực được lần lượt chuyển thành PbSO4 mà chúng không bị đè lên nhau
(tức là lớp PbSO4 đè lên lớp PbO2 ở cực dương hoặc Pb ở cực âm), do đó dung
lượng ắc quy không bị mất đi. Nếu phóng điện với dòng điện lớn thì phản ứng
xảy ra mạnh, PbSO4 sinh ra nhiều và bám vào các cực đè lên các lớp PbO 2 hoặc
Pb khiến cho sau một thời gian ngắn thì chúng không còn phản ứng được nữa
(do đã bị nằm phía trong của bản cực), điều đó dẫn đến dung lượng bình thực tế
bị giảm đi.

So sánh hai loại ắc quy thông dụng
Thị trường hiện có hai loại ắc quy thông dụng là: ắc quy axít kiểu hở và
ắc quy axít thiết kế theo kiểu kín khí – miễn bảo dưỡng (loại này hay bị gọi là
10


“ắc quy khô” nhưng thực ra thì dùng từ này là không đúng lắm bởi ắc quy khô
một cách chính xác là loại ắc quy không dùng điện dịch). Sự khác nhau giữa hai
loại ắc quy này thể hiện trong bảng sau:
Tiêu chí Ắc quy axít thông thường (loại hở)

Ắc quy axít loại kín khí.
Đắt hơn so với ắc quy thông

Giá
thành

Rẻ hơn so với loại ắc quy kín khí
bởi chế tạo đơn giản hơn.

thường, nhiều hãng phải nhập
nước ngoài (Ví dụ loại ATLAS

nhập từ Hàn Quốc, Thunder
do GS nhập khẩu).

Cách
phân biệt
hai loại

Có các nút ở các ngăn bình (dùng để Không có nút ở các ngăn bình,
bổ sung nước cất sau quá trình sử thường ghi rõ ắc quy không
dụng), nếu ắc quy 12V thì sẽ có 6 cần bảo dưỡng ở vỏ bình hoặc
nút này.

tài liệu kèm theo.
Tương đương nhau, nhưng sau

Trạng
thái
phóng

khi phát dòng điện lớn thì ắc
quy kín khí thường phục hồi

Tương đương nhau

điện áp nhanh hơn, tuy nhiên

điện

điều này không ảnh hưởng đến
hoạt động của kích điện.

Trạng
thái khi
nạp điện
và dòng
nạp cho
phép

- Khi nạp có thể phát ra khí cháy - Khi nạp ắc quy không phát
hoặc

khí

có

mùi

khói

chịu. sinh khí ra môi trường bên

- Dòng điện nạp lớn nhất chỉ nên ngoài nên không có mùi.
bằng 0,1 lần trị số dung lượng ắc - Dòng điện nạp có thể lên tới
quy (Ví dụ loại 100Ah chỉ nên nạp 0,25 lần trị số dung lượng ắc
với dòng cao nhất là 10A)

quy (ví dụ loại 100 Ah có thể
nạp với dòng lớn nhất là 25A)

Chế độ - Nếu mức điện dịch từng ngăn ở ắc - Không phải bổ sung điện

bảo
dưỡng

quy thấp hơn quy định thì phải bổ dịch trong quá trình sử dụng.
sung.

- Phải nạp điện định kỳ trong

- Định kỳ phải nạp điện bổ sung cho thời gian không sử dụng,
11


ắc quy. Chu kỳ nạp định kỳ khoảng nhưng chu kỳ nạp định kỳ dài
3 tháng/lần nếu không nối với thiết hơn so với loại ắc quy axít
bị tiêu thụ điện.
Tuổi thọ

thông thường.

Tuổi thọ thấp hơn so với loại ắc quy Thường có tuổi thọ cao hơn so
kín khí.

với ắc quy

Đấu nối tiếp các ắc quy
Khi các kích điện có công suất lớn thì không thể sử dụng mức điện áp
12V mà chuyển sang sử dụng các mức điện áp cao hơn: 24V, 36V, 48V hoặc cao
hơn nữa. Khi các kích điện sử dụng các mức điện áp này thì phải mắc nối tiếp
các ắc quy 12V lại với nhau. Việc mắc nối tiếp các ắc quy 12V với nhau thực ra
chỉ là một hình thức ghép nối 'bên ngoài', trên thực tế thì các ắc quy 12V cũng

đã ghép nối tiếp 6 ngăn ắc quy 2V lại với nhau để đạt mức 12V.
Đấu nối song song các ắc quy để tăng dung lượng
Nếu như kích điện sử dụng điện áp 12V thì chỉ việc nối cực dương ắc quy
với dây dương của kích điện (thường là dây màu đỏ), cực âm của ắc quy đối với
dây âm của kích điện (thường là dây màu đen). Đây là cách đấu nối đơn giản
nhất và cũng thường gặp nhất trong đa số người sử dụng hiện nay. Thế nhưng để
đảm bảo tăng độ bền ắc quy hay tăng dung lượng lưu trữ để kéo dài thời gian sử
dụng hay đơn giản là việc đầu tư thêm các ắc quy sau từng thời gian ... thì sẽ có
những trường hợp mắc 2 hay nhiều ắc quy song song nhau để cùng cấp điện cho
hệ thống.
Nạp xả định kỳ để tăng độ bền ắc quy?
Một số người cho rằng việc nạp xả định kỳ sẽ làm ắc quy bền hơn, họ
thực hiện định kỳ hàng tháng hoặc vài tháng thì xả hoàn toàn ắc quy sau đó lại
nạp lại. Có lẽ xuất phát của suy nghĩ này là có một số loại pin nạp yêu cầu phải
xả và nạp định kỳ để tăng tuổi thọ bởi loại pin này có hiện tượng "nhớ" chế độ
nạp và phóng của nó. Ắc quy không có hiện tượng "nhớ" trạng thái như loại pin
nọ, nhưng trong một số trường hợp cụ thể thì việc nạp xả cũng có ý nghĩa nhất
định.
12


Sau một quãng thời gian hoạt động liên tục (ví dụ sau thời gian cắt điện
luân phiên, đã có thông báo không cắt điện nữa) thì nên phóng hoàn toàn đến
mức cạn kiệt (10,5V-10,7V) bằng dòng điện nhỏ (nhỏ hơn 5% dung lượng bình)
rồi nạp lại với dòng điện nhỏ (cũng nhỏ hơn 5% dung lượng bình) cho đến khi
đầy hoàn toàn. Thời gian thực hiện quá trình này có thể mất vài ngày nhưng cần
căn giờ để có thể giám sát và nạp lại ngay sau khi ắc quy đã được phóng hết
điện. Hành động này có thể loại bỏ hoàn toàn PbSO4 có thể nằm ở lớp trong của
các bản cực. Không cần thực hiện cách thức này nếu hệ thống thường xuyên
phóng và nạp với dòng thấp hoặc không cần thực hiện định kỳ sau một khoảng

thời gian nào nếu như đang thực hiện quá trình phụ nạp thường xuyên với mức
điện áp thấp (13,1-13,4V).
b) Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời/pin quang điện)
Là thiết bị giúp chuyển hóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang
năng) thành năng lượng điện (điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện. Hiệu
ứng quang điện là khả năng phát ra điện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu
vào của vật chất.
Tấm pin mặt trời, những tấm có bề mặt lớn thu thập ánh nắng mặt trời và
biến nó thành điện năng, được làm bằng nhiều tế bào quang điện có nhiệm vụ
thực hiện quá trình tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời.
c) Điôt chỉnh lưu:
Có chức năng đổi dòng điện từ xoay chiều thành dòng điện 1 chiều và
không cho dòng điện quay trở lại.
d) Khối nguồn và lưu điện
UPS (Uninterruptible Power Supply) là thiết bị cung cấp nguồn liên tục
hay bộ lưu điện dự phòng nhằm làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống.
UPS cung cấp tạm thời điện năng nhằm duy trì sự hoạt động liên tục của các
thiết bị sử dụng khi điện lưới gặp sự cố (như mất điện, tăng giảm điện áp, tần số
quá giới hạn cho phép, sự cố khác...) trong một khoảng thời gian với công suất
giới hạn theo khả năng của UPS. Dòng UPS online với công nghệ Online
Double Conversion giúp loại bỏ những sự cố của điện lưới do điện áp đầu vào
13


luôn được điều chế trước khi cấp cho tải sử dụng. Nguồn điện lưới không cung
cấp trực tiếp cho thiết bị mà được biến đổi thành dòng điện một chiều nạp cho
ắc quy và bộ biến tần (Inverter). Bộ biến tần sẽ tiếp tục biến đổi dòng một chiều
nhận được thành điện áp đầu ra phù hợp với thiết bị sử dụng. Như vậy có thể
thấy rằng khi lưới điện xảy ra bất kỳ sự cố nào thì thiết bị của chúng ta vẫn luôn
được an toàn.

Dòng UPS online thường được thiết kế với công suất lớn, có thể mở rộng
thời gian lưu điện bằng ắc quy lưu điện gắn trong lẫn gắn ngoài nên ngoài những
thiết bị có tính chất tải thuần trở như thiết bị văn phòng, máy tính thì UPS online
còn có thể sử dụng cho hệ thống máy chủ, trung tâm dữ liệu (data center) và
thậm chí là cả những thiết bị tải động cơ như quạt, máy bơm, v..v..
e) Rơle trung gian
* Cấu tạo :

* Nguyên lý hoạt động:
14


Khi có dòng điện chạy qua rơ le, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên
trong và tạo ra một từ trường hút. Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy
bên trong làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng
thái của rơ le. Số tiếp điểm điện bị thay đổi có thể là 1 hoặc nhiều, tùy vào thiết
kế.
Rơ-le là một công tắc (khóa K). Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ
bản, rơ-le được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người. Chính vì lẽ đó, rơ-le
được dùng làm công tắc điện tử! Vì rơ-le là một công tắc nên nó có 2 trạng
thái: đóng và mở
Loại: 10A - 250VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của
rơ-le với hiệu điện thế <= 250V (AC) là 10A.
Loại: 10A - 30VDC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của
rơ-le với hiệu điện thế <= 30V (DC) là 10A.
Loại: 10A - 125VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của
rơ-le với hiệu điện thế <= 125V (AC) là 10A.
Loại 10A - 28VDC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơle với hiệu điện thế <= 28V (DC) là 10A.
SRD-05VDC-SL-C: Hiện điện thế kích tối ưu là 5V.
g) Bộ điều khiển từ xa các thiết bị điện

- Trước tiên phải tìm ra loại công tắc có thể điều khiển bằng tín hiệu điện.
- Thứ hai cần có một bo mạch có thể kết hợp được các công tắc lại với
nhau và xử lí tín hiệu nhận được thành tín hiệu điện nhằm điều khiển thiết bị đó.
- Thứ ba cần có bộ phận truyền nhận tín hiệu giữa bo mạch và bộ phận tín
hiệu.
1.3. Giải pháp để tích hợp nguồn nạp cho ác quy từ tấm năng lượng
mặt trời vào bộ nguồn UPS.
* Phương án 1: UPS Offline

15


- Ưu điểm : Loại này có giá thành thấp, nhỏ gọn.
- Nhược điểm: Ở trạng thái lưới điện ổn định thì nguồn tiêu thụ sử dụng
điện trực tiếp của lưới điện. UPS lúc này chỉ sử dụng một bộ sạc (charger) để
sạc điện một cách tự động cho ắc quy mà thôi.
Khi điện áp lưới điện không đảm bảo (quá cao, quá thấp) hoặc mất điện
thì lúc này mạch điện chuyển sang dùng điện cung cấp ra từ ắc quy và bộ biến
tần.
Qua nguyên lý được phân tích như trên thấy rằng thời gian cung cấp điện
cho thiết bị tiêu thụ vì thế mà bị gián đoạn. Sự gián đoạn này gây ra việc cung
cấp nguồn điện không ổn định tại phía các thiết bị tiêu thụ
Hơn thế nữa UPS Offline lại không có khả năng mở rộng dung lượng lưu
điện , công suất nhỏ
Do vậy dùng UPS Offline không đáp ứng theo yêu cầu.
* Phương án 2: UPS online
Qua tìm hiểu và nghiên cứu nhóm đã tìm ra khối nguồn UPS online có
mạch ổn áp cho ra nguồn điện đầu ra luôn ổn định.Trong trường hợp lưới điện
xảy ra bất kỳ sự cố nào thì thiết bị của bạn vẫn luôn được an toàn.

16


Sao cho điện áp đầu ra đảm bảo đúng tải theo yêu cầu.Trong UPS online
có các bình ắc quy để tích trữ năng lượng điện dưới dạng điện một chiều và đặc
biệt là UPS online có thể mở rộng thời gian lưu điện bằng ắc quy lưu điện gắn
trong lẫn gắn ngoài .
Vậy sử dụng UPS online làm cung cấp nguồn phù hợp với yêu cầu .
Qua nghiên cứu nhóm được biết nguồn nạp cho ắc quy trong UPS là dòng
điện 1 chiều DC 24V tương ứng với nguồn ra của tấm năng lượng mặt trời .
Vậy dùng tấm năng lượng mặt trời để nạp cho ắc quy khi nguồn điện lưới bị mắt
điện lưới quá lâu là khả thi .
Mặt khác, nhóm cũng đã tìm được bo mạch ARDUINO. Loại bo mạch
cho phép lập trình để khi nhận được tín hiệu của con người rồi xuất ra một dòng
điện ở các chân digital của bo mạch, có thể dùng dòng điện này để bật tắt các
công tắc như trên. Để nhận được tín hiệu của con người thì riêng mạch
ARDUINO không thể tự làm được mà cần đến thiết bị trung gian thu nhận các
tín hiệu qua các cổng giao tiếp là các chân Serial 0 (RX) và 1 (TX) hoặc qua các
chân USB. Qua tìm hiểu các tài liệu trên mạng, nhóm rút ra được 5 cách truyền
tín hiệu đến ARDUINO đó là sử dụng cổng COM của máy vi tính, sử dụng
module bluetooth truyền tín hiệu qua di động,

17


1.4. Thiết kế mạch tổng thể và thiết kế các hệ thống thiết bị đơn vị.
a) Thiết kế sơ đồ khối

b) Thiết kế sơ sồ nguyên lí mạch điện nguồn

18


c) Sơ đồ mạch ARDUIO và Module Bluetooth , Hệ thống điều khiển các
thiết bị điện

d) Nguyên lý hoạt động tổng thể
* Chế độ có điện lưới:
Nguồn điện đi qua UPS và được ổn định để nguồn ra luôn là 220V cung
cấp cho bo mạch ARDUINO và ARDUINO thông qua hệ thống điều khiển
cấp điện cho các thiết bị. Đồng thời mạch nạp cho ắc quy, kết hợp với
nguồn nạp là từ năng lượng mặt trời hoạt động.
* Chế độ mất điện :
Rơle sẽ tự động mở điện từ bình ắc quy đi qua bộ biến tần để chuyển
từ dòng điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều có tần số hoạt động
220Vac 50Hz/60Hz cấp điện cho ARDUINO và ARDUINO thông qua hệ
thống điều khiển cấp điện cho các thiết bị . Khi có điện lưới Rơle tự động
về chế độ bình thường.
* Khi thời gian mất điện quá lâu bình ắc quy hết điện:
Lúc này nguồn chính để nạp cho ắc quy sẽ lấy từ tấm năng lượng mặt
trời
1.5. Giao tiếp giữa Arduino và các module dữ liệu với hệ thống điều khiển
các thiết bị
a) Giao tiếp với module bluetooth HC - 06.
19


Cách kết nối ARDUINO với module bluetooth.
Mạch ARDUINO sử dụng nguồn điện 1 chiều không đổi 5V cấp qua cổng
nguồn tròn, vì vậy nhóm sử dụng nguồn từ adapter 5V. Nguồn cho module

bluetooth HC - 06 là nguồn 5V. Do ARDUINO có một cổng xuất ra điện thế 5V,
để tránh nối dây dài nên nhóm sử dụng ngay nguồn này cho module bluetooth.
Các chân truyền tín hiệu TX và RX của module bluetooth đƣợc nối với các
chân truyền tín hiệu của Arduino.
Trình tự nối các chân như
sau :
Chân trên HC- 06

Chân trên Arduino Mega

VCC

5V (Nguồn vào )

GND

TGND

TX

RX (0

RX

TX (1

1.6. Hệ thống điều khiển các thiết bị điện.
a) Đối với các thiết bị điện có công suất nhỏ
* Sơ đồ mạch điện cho mỗi thiết bị điện như sau:

* Chức năng của các linh kiện và nguyên lí hoạt động của mạch điện:
- Khi có dòng điện xuất ra từ Arduino (bật thiết bị điện): nó sẽ kích mở
các tranzito T1 và T2 được mắc theo kiểu Darlington. Lúc đó, tranzito T1 và T2
20


được dẫn thông sẽ có dòng điện chạy qua rơ-le do nguồn +E cấp. Điện trở R1 dùng
để hạn chế dòng ra từ Arduino, các điện trở R2 và R3 dùng để phân áp cho
tranzito T2. Điôt D dùng để bảo vệ tranzito T2 (do khi đóng-ngắt mạch điện thì
dòng điện chạy qua cuộn dây ở rơ-le biến đổi nhanh làm cho cuộn dây sinh ra
suất điện động tự cảm có giá trị lớn có thể sẽ đánh thủng tranzito T2).
Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây của rơ-le thì nó sẽ hút cực tiếp điểm
động 1 chạm vào cực tiếp điểm tĩnh 2. Vì vậy mạch điện gồm nguồn điện và thiết
bị điện tương ứng sẽ được đóng kín nên thiết bị điện đó sẽ hoạt động.
- Khi không có dòng điện xuất ra từ Arduino (tắt thiết bị điện): các tranzito
T1 và T2 sẽ đóng nên không có dòng điện chạy qua cuộn dây của rơ-le, khi đó
lò xo trong rơ-le sẽ đẩy cực tiếp điểm động 1 chạm vào cực tiếp điểm tĩnh 3. Do
vậy, mạch điện bị hở và thiết bị điện đó sẽ ngƣng hoạt động.
LED dùng để nhận biết trạng thái của mạch điện. Nếu mạch điện đang
hoạt động (thiết bị điện đó được bật) thì LED sáng; ngược lại thì LED tắt.
- Thông số của mạch điện mà nhóm nghiên cứu đã lựa chọn:
+) T1: Tranzito C1815 (loại NPN) ; có UC = 50 V và IC = 150 mA.
+) T2 : Tranzito S8050 (loại NPN) ; có U C = 40 V và IC = 500 mA. +) D :
Điốt 1N4001 ; có Umax = 400 V và Imax = 1 A.
+) Rơ-le : SRD-05VDC ; có 5 chân, Ukích = 5 V ; U~ = 250 V và Imax = 10 A.
+) Các điện trở : R1 = 1 k, R2 = 2 k, R3 = 10 k, R4 = 220.
+) Nguồn nuôi : E = 5 V.
b) Đối với các thiết bị điện có công suất lớn
* Sơ đồ mạch điện cho mỗi thiết bị điện như sau

21


* Chức năng của các linh kiện và nguyên lí hoạt động của mạch điện:
- Khi có dòng điện xuất ra từ Arduino (bật thiết bị điện): dòng điện này sẽ
kích mở tranzito T. Khi tranzito T được dẫn thông sẽ có dòng điện chạy qua bộ
ghép quang-triac do nguồn + E cấp.
Bộ ghép quang-triac (MOC 30xx): khi có dòng điện chạy qua điôt phát
quang, nó phát ra ánh sáng chiếu vào quang-triac. Lúc này quang-triac được mở
thông để nạp điện cho tụ điện C. Khi tụ C đạt điện áp ngưỡng mở của diac (cũng
là ngưỡng mở của triac công suất) thì diac được mở đồng thời triac công suất
cũng được mở. Khi đó, mạch điện gồm nguồn điện và thiết bị điện tương ứng sẽ
được đóng kín nên thiết bị điện đó sẽ hoạt động.
- Khi không có dòng điện xuất ra từ Arduino (tắt thiết bị điện): tranzito T
sẽ đóng nên không có dòng điện chạy qua bộ ghép quang-triac. Khi đó, quangtriac sẽ đóng và không có dòng điện cấp cho cực điều khiển của triac công suất
nên triac này sẽ đóng. Do vậy, mạch điện bị hở và thiết bị điện đó sẽ ngừng hoạt
động.
LED dùng để nhận biết trạng thái của mạch điện. Nếu mạch điện đang
hoạt động (thiết bị điện đó được bật) thì LED sáng; ngược lại thì LED tắt.
- Thông số của mạch điện mà nhóm nghiên cứu đã lựa chọn:
+) T : Tranzito S8050 (loại NPN) ; có UC = 40 V và IC = 500 mA.
+) Các điện trở : R1 = 1 k, R2 = R3 = 220 và R4 = 1 k.
+) Nguồn nuôi : E = 5 V.
+) Bộ ghép quang-triac : MOC 3081 ; có Umax = 800 V và Imax = 4,0 A.
22


+) Diac : DB3 DO35 ; có Umax = 36 V và Imax = 2 A.
+) C: Tụ điện CBB 474J ; có C = 0,47F và Umax = 400 V.
+) Triac công suất : BTA16-600B ; có Umax = 600 V và Imax = 16 A

Khi ấn các phím để điều khiển qua bluetooth, mỗi phím được ấn sẽ gửi tín
hiệu dạng văn bản thông qua module bluetooth đến arduino. Arduino sẽ xử lí tín
hiệu nhận đuợc theo lập trình thành các tín hiệu điều khiển đóng/mở các thiết bị
điện.
1.7. Lập dự trù vật liệu và thiết bị , lắp đặt mô hình mạch điện , kiểm tra
và vận hành từng thiết bị riêng lẻ kết hợp kiểm chứng với trên nghiên cứu lý
thuyết
* Lập dự trù vật liệu và thiết bị.
STT

Tên thiết bị, vật liệu

Số lượng

1

Bo mạch UPS online

01

2

Bo mạch ARDUIO và Module
Bluetooth

01

3

Bo mạch điều khiển các thiết bị điện

01

4

Tấm nằng lượng mặt trời

01

5

Bình ắc quy 12V

02

6

Bóng Điện

01

7

Ổ cắm điện

02

8

Đèn báo

02

9

Quạt điện

01 chiếc

10

Bảng điện

01 cái

11

Dây dẫn điện

10m

12

Cầu đấu dây

02 cái

13

Bộ chuyển nguồn tự động

01 cái
23


* Lắp đặt mô hình mạch điện
a). Lắp tấm năng lượng mặt trời vào giá kiểm tra nguồn ra
- Dùng đồng hồ đo kiểm tra nguồn điện lúc ra là 12v DC. Kết quả

cho thấy phù hợp với việc cấp nguồn cho ắc quy, lắp điốt chặn để cho không điện
đi từ ắc quy lên tấm năng lượng mặt trời .
b) Lắp đặt khối nguồn kiểm tra nguồn
- Lắp đặt vỉ mạch UPS và xác định nguồn cấp và nguồn ra, nguồn nạp cho
ắc quy

24


25