Thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ trong phòng học

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Năng lượng đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống, từ học tập đến sản xuất Năng lượng điện là nguồn chính được sử dụng bởi hầu hết các hộ gia đình Hiện nay, nhu cầu giám sát tiêu thụ điện hàng ngày đang gia tăng, đặc biệt tại các tòa nhà lớn như bệnh viện, trường học và công ty, nơi có mức tiêu thụ điện cao Sự phát triển đa dạng về số lượng và chất lượng của các thiết bị điện trên thị trường cũng góp phần làm cho lượng điện tiêu thụ của từng thiết bị trở nên khác nhau.

Việc đo đạc và giám sát lượng điện năng tiêu thụ hàng ngày là cần thiết để kiểm soát và phát hiện sự chênh lệch, từ đó tránh lãng phí điện do thiết bị hư hỏng hoặc rò rỉ Mặc dù hiện tại việc giám sát này vẫn gặp khó khăn, nhưng cần nghiên cứu để xây dựng hệ thống tự động giám sát điện năng hoàn chỉnh Sự phát triển công nghệ, cùng với các dòng vi điều khiển như PIC, Arduino, ARM, đã nâng cấp các sản phẩm với nhiều tính năng mới Các module cảm biến đo dòng và đo áp cũng đã được phát triển, giúp thiết kế hệ thống tự động và thông minh trở nên dễ dàng hơn, từ đó tạo ra hệ thống đo lường điện năng tối ưu và hoàn thiện hơn.

Hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ trong các phòng học cho phép người dùng theo dõi mức tiêu thụ điện của từng thiết bị từ một phòng điều khiển trung tâm, giúp kiểm soát hiệu quả, phát hiện kịp thời sự cố và sửa chữa khi cần thiết, từ đó giảm thiểu thiệt hại và tránh lãng phí điện năng.

MỤC TIÊU

Hệ thống giám sát điện năng được thiết kế và thi công nhằm đo đạc chính xác dòng điện và điện áp, sau đó gửi các thông số này về bộ điều khiển trung tâm trong phòng điều khiển Hệ thống thực hiện tính toán dựa trên các thông số đã thu thập, đồng thời liên tục cập nhật và hiển thị thông tin về dòng điện, điện áp, công suất và điện năng tiêu thụ của từng thiết bị trong các phòng học lên màn hình tại phòng điều khiển.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

 Tìm hiểu về đề tài, lựa chọn hướng phát triển và tham khảo một số mô hình, hệ thống có sẵn

 Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thông số kỹ thuật của một số module cảm biến, vi điều khiển

 Sau khi nghiên cứu, tìm hiểu về các module, tiến hành tính toán lựa chọn vi điều khiển và các thiết bị phù hợp với đề tài

 Lập trình cho vi điều khiển sau khi đã lựa chọn xong vi điều khiển và các thiết bị phù hợp

 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống, vẽ sơ đồ mạch nguyên lý

 Thiết kế mạch in và thi công mạch

 Kiểm tra hoạt động của mạch sau thi công, chỉnh sửa các lỗi, sau đó hiệu chỉnh và hoàn chỉnh mạch

 Tiến hành thử nghiệm hệ thống trong thực tế

 Thi công mô hình, đóng gói thiết bị thành sản phẩm hoàn chỉnh

 Đánh giá kết quả thực hiện

 Viết luận văn đề tài

 Bảo vệ luận văn tốt nghiệp.

GIỚI HẠN

Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ trong các phòng học” có những giới hạn sau [5] :

Hệ thống bao gồm một bộ xử lý trung tâm cùng với hai bộ xử lý khối đo, có khả năng giám sát điện năng tiêu thụ cho hai phòng học và theo dõi tối đa sáu thiết bị.

 Thiết kế tủ điện ở các phòng học bao gồm CB tổng và CB bảo vệ cho từng thiết bị

 Chỉ có thể đo được điện áp xoay chiều 1 pha trong khoảng 80 – 250 VAC, dòng điện trong khoảng từ 0 – 100A

 Đo điện năng các thiết bị đèn, quạt, … trong phòng học Không dùng cho tải động cơ

 Hệ thống hiển thị thông số dòng điện, điện áp từng thiết bị trong từng phòng học và đồng hồ thời gian thực lên màn hình HMI UART

 Sử dụng vi điều khiển ARM STM32F407VGT6 làm bộ xử lý trung tâm, Arduino Nano làm bộ xử lý khối đo

 Sử dụng những module có sẵn trên thị trường nên có độ nhạy và sai số nhất định

 Hệ số công suất khó xác định do chưa có phương pháp đo chính xác nên hệ thống tính toán với hệ số công suất lấy giá trị bằng 1.

BỐ CỤC

 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

 Chương 3: Tính Toán và Thiết Kế

 Chương 4: Thi Công Hệ Thống

 Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Nội dung tóm tắt của các chương:

Chương này sẽ trình bày vấn đề nghiên cứu, lý do chọn đề tài, mục tiêu và nội dung nghiên cứu, cũng như giới hạn của đề tài và cấu trúc trình bày của luận văn.

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài dùng để thực hiện

 Chương 3: Tính toán và thiết kế

Dựa trên cơ sở lý thuyết và yêu cầu của đề tài, việc thiết kế sơ đồ khối hệ thống là bước đầu tiên quan trọng Sau khi hoàn thành sơ đồ khối, tiến hành tính toán, lựa chọn và kết nối các module để tạo thành hệ thống hoàn chỉnh Đồng thời, cần xây dựng lưu đồ giải thuật phần mềm để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của hệ thống.

 Chương 4: Thi công hệ thống

Tiến hành lắp đặt mạch và kết nối các module trong hệ thống theo sơ đồ mạch nguyên lý, sơ đồ mạch in và sơ đồ bố trí linh kiện để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

 Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Tiến hành lắp ráp mô hình thực tế, chạy thử nghiệm từ đó rút ra nhận xét về độ chính xác cũng như tính ổn định của hệ thống

 Chương 6: Kết quả và hướng phát triển

Trình bày kết quả cũng như ưu và nhược điểm của đề tài Từ đó đưa ra hướng phát triển cho hệ thống hoàn thiện hơn.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

NGUYÊN LÝ ĐO ĐIỆN NĂNG

Hiệu ứng Hall xảy ra khi một từ trường vuông góc được áp dụng lên một thanh kim loại, chất bán dẫn hoặc chất dẫn điện đang có dòng điện chạy qua, dẫn đến sự hình thành hiệu điện thế Hall tại hai mặt đối diện của thanh Tỷ số giữa hiệu điện thế Hall và dòng điện chạy qua được gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu của thanh Hiệu ứng này được giải thích bởi sự chuyển động của các điện tích, như electron trong kim loại, khi chúng chịu lực Lorentz trong từ trường, dẫn đến sự tập trung điện tích ở một phía và tạo ra hiệu điện thế Hall.

Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường là:

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hiệu thế Hall (VH) được xác định bởi cường độ dòng điện (I), cường độ từ trường (B), độ dày của thanh Hall (d), điện tích của hạt mang điện (e) và mật độ các hạt này (n) trong thanh Hall.

Hiệu ứng Hall giúp phân biệt giữa điện tích âm và dương trong thanh Hall, lần đầu tiên chứng minh rằng electron, chứ không phải proton, là thành phần tự do mang dòng điện trong kim loại Ngoài ra, hiệu ứng này còn chỉ ra rằng trong một số chất, đặc biệt là bán dẫn, dòng điện có thể được mang bởi các lỗ trống với điện tích dương thay vì chỉ bởi electron.

Khi từ trường mạnh và nhiệt độ giảm, hiệu ứng Hall lượng tử xuất hiện, cho thấy sự lượng tử hóa điện trở của vật dẫn.

Hình 2 2 Hai mặt thanh Hall

Hiệu ứng Hall dị thường xảy ra ở các vật liệu sắt từ, dẫn đến sự gia tăng điện trở Hall một cách bất thường, tỷ lệ thuận với độ từ hóa của vật liệu Cơ chế vật lý của hiệu ứng này vẫn đang là chủ đề gây tranh cãi trong nghiên cứu.

Hình 2 3 Hướng và chiều tác dụng trong hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall chủ yếu được ứng dụng trong các thiết bị đo và đầu dò, nơi phát ra tín hiệu yếu cần khuếch đại Hiện nay, nhiều đầu dò hiệu ứng Hall đã được tích hợp sẵn máy khuếch đại bên trong, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cao hơn trong việc xử lý tín hiệu.

Hiệu ứng Hall được ứng dụng trong việc đo cường độ dòng điện, cho phép xác định dòng chạy qua dây điện khi đưa dây gần thiết bị đo Thiết bị này có ba đầu ra: một dây nối đất, một dây nguồn tạo dòng trong thanh Hall, và một dây ra thể hiện hiệu thế Hall Phương pháp đo này không làm tăng điện trở phụ trong mạch điện và không bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Có nhiều cách để đưa dây điện mang dòng vào gần thiết bị đo.

Để đo dòng điện, có thể cuốn dây quanh thiết bị đo Số vòng cuốn có thể điều chỉnh độ nhạy tương ứng với các cường độ dòng điện khác nhau Phương pháp này rất phù hợp cho các ampe kế được lắp cố định trong mạch điện.

Kẹp vào dòng cần đo là phương pháp sử dụng thiết bị kẹp vào dây dẫn điện để kiểm tra và đo đạc, không cần lắp vĩnh cửu cùng mạch điện Để đo công suất điện, có thể thực hiện bằng cách đo dòng điện đồng thời với việc sử dụng hiệu điện thế của mạch để nuôi dòng qua thanh Hall Phương pháp này có thể được cải tiến để đo công suất của dòng điện xoay chiều.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT chiều trong sinh hoạt dân dụng Nó thường chính xác hơn các thiết bị truyền thông và ít gây cản trở dòng điện

Hiệu ứng Hall là công nghệ lý tưởng để xác định vị trí cơ học mà không cần các chi tiết chuyển động cơ học Các thiết bị sử dụng hiệu ứng này có khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, chịu được bụi, độ ẩm và chất bẩn, giúp việc đo đạc vị trí trở nên thuận tiện hơn so với các dụng cụ quang học hay cơ điện truyền thống.

Khi khởi động ô tô, việc quay ổ khóa kích hoạt một nam châm gắn liền, tạo ra sự thay đổi từ trường được cảm nhận bởi thiết bị sử dụng hiệu ứng Hall Phương pháp này mang lại sự tiện lợi và độ bền cao hơn so với các phương pháp cơ học truyền thống, giúp giảm thiểu hao mòn trong quá trình khởi động.

Dòng điện và điện áp trong hệ thống điện thường có trị số lớn, không thể đo trực tiếp bằng dụng cụ hoặc rơ le Do đó, các thiết bị này thường được kết nối thông qua máy biến dòng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình đo lường.

Máy biến dòng (Current Transformer - CT) là thiết bị dùng để đo dòng điện gián tiếp trong hệ thống cung cấp điện cho tải hoặc dây động lực Chức năng chính của máy biến dòng là chuyển đổi dòng điện cao thành dòng điện tiêu chuẩn 5A hoặc 1A, giúp cung cấp điện cho các thiết bị một cách an toàn và hiệu quả.

Hình 2 4 Nguyên lý hoạt động của biến dòng

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Đặc điểm máy biến dòng:

 Không giống như máy đo hiệu điện thế hay máy biến áp nguồn truyền thống, máy biến dòng cấu tạo gồm một hoặc một số ít vòng dây

Những vòng dây truyền thống có thể được thiết kế dưới dạng đoạn dây dẫn dẹt quấn thành vòng hoặc cuộn dây dẫn quấn nhiều vòng quanh lõi rỗng Chúng cũng có thể được nối thẳng đến vị trí cần kết nối mạch thông qua thiết bị có lỗ hổng trung tâm.

Cuộn thứ cấp có thể chứa nhiều cuộn cảm quấn quanh lõi thép lá nhằm giảm thiểu hao tốn lưỡng cực từ của tiết diện, giúp độ cảm ứng từ sử dụng ở mức thấp hơn so với tiết diện dây dẫn Điều này phụ thuộc vào độ lớn mà cường độ dòng điện cần được giảm xuống Thông thường, cuộn thứ cấp được mặc định ở mức 1A cho cường độ nhỏ hoặc 5A cho cường độ lớn.

Phân loại máy biến dòng: Hiện nay máy biến dòng được chia làm 3 loại phổ biến:

CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU

UART có tên đầy đủ là Universal Asynchronous Receiver – Transmitter

Nó là một mạch tích hợp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi

UART chủ yếu được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp Giao tiếp giữa hai thiết bị trong UART có thể diễn ra qua hai phương thức: giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song.

Hình 2 6 Sơ đồ giao tiếp UART

Giao tiếp dữ liệu nối tiếp cho phép truyền dữ liệu qua cáp hoặc đường dây dưới dạng bit, chỉ cần hai cáp và ít mạch hơn so với giao tiếp song song Phương pháp này rất hiệu quả trong các mạch ghép, mang lại lợi ích vượt trội.

Giao tiếp dữ liệu song song cho phép truyền tải dữ liệu qua nhiều cáp đồng thời, mang lại tốc độ cao nhưng yêu cầu nhiều mạch và dây, dẫn đến chi phí cao hơn Mặc dù đòi hỏi phần cứng và cáp bổ sung, phương pháp này vẫn được ưa chuộng nhờ vào khả năng truyền dữ liệu nhanh chóng.

Hình 2 7 Khung truyền dữ liệu UART

Trong giao tiếp UART có các thông số chính:

 Baud rate (tốc độ baud): Khoảng thời gian để 1 bit được truyền đi Phải được cài đặt giống nhau ở cả phần gửi và nhận [3]

 Frame (khung truyền): Khung truyền quy định về mỗi lần truyền bao nhiêu bit

Start bit là bit đầu tiên được truyền trong một Frame, có chức năng thông báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu sắp được gửi đến Đây là bit bắt buộc trong quá trình truyền dữ liệu.

 Data: dữ liệu cần truyền Bit có trọng số nhỏ nhất LSB được truyền trước sau đó đến bit MSB

 Parity bit: kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không

Stop bit là một hoặc nhiều bit thông báo cho thiết bị rằng quá trình gửi bit đã hoàn tất Thiết bị nhận sẽ kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Đây là một bit bắt buộc trong quá trình truyền thông.

Hình 2 8 Sơ đồ khối UART

UART là một giao thức thường được sử dụng trong các bộ vi điều khiển và thiết bị liên lạc như GPS, Bluetooth và nhiều ứng dụng khác Các tiêu chuẩn truyền thông như RS422 và TIA được áp dụng cho UART, ngoại trừ RS232 Thông thường, UART hoạt động thông qua một IC riêng biệt trong giao tiếp nối tiếp.

Một số đặc điểm nổi bật:

 Nó chỉ cần hai dây để truyền dữ liệu

 Tín hiệu CLK là không cần thiết

 Nó bao gồm một bit chẵn lẻ để cho phép kiểm tra lỗi

 Sắp xếp gói dữ liệu có thể được sửa đổi vì cả hai mặt được sắp xếp

 Kích thước khung dữ liệu tối đa là 9 bit

 Nó không chứa một số hệ thống phụ

 Tốc độ truyền của UART phải ở mức 10% của nhau

I2C, hay còn gọi là Inter-Integrated Circuit, là một chuẩn giao tiếp được phát triển bởi hãng điện tử Philips Semiconductor, cho phép một thiết bị chủ kết nối và giao tiếp với nhiều thiết bị tớ khác nhau.

Chuẩn giao tiếp I2C bao gồm hai đường tín hiệu chính: SDA (dữ liệu nối tiếp) dùng để truyền tải dữ liệu và SCL (xung đồng hồ nối tiếp) chịu trách nhiệm truyền tải xung đồng hồ nhằm điều khiển việc dịch chuyển dữ liệu.

Giao thức này phổ biến trong việc giao tiếp giữa vi điều khiển và các thiết bị như mảng cảm biến, thiết bị hiển thị và thiết bị IoT Đây là một giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ, trong đó các bit dữ liệu được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn do một tín hiệu đồng hồ tham chiếu quy định.

Hình 2 9 Hệ thống các thiết bị giao tiếp theo chuẩn I2C

Trong hệ thống truyền dữ liệu I2C, thiết bị cung cấp xung clock được gọi là thiết bị chủ (master), trong khi thiết bị nhận xung clock được gọi là thiết bị tớ (slave) Hệ thống này chỉ có một thiết bị chủ nhưng có thể có nhiều thiết bị tớ, mỗi thiết bị tớ sẽ có một địa chỉ độc lập Chuẩn truyền ban đầu sử dụng địa chỉ 7 bit, cho phép một thiết bị chủ giao tiếp với nhiều thiết bị tớ khác nhau.

Thiết bị tớ có tổng cộng 128 thiết bị, với khả năng giao tiếp mở rộng nhờ việc tăng thêm số bit địa chỉ Địa chỉ của các thiết bị này thường được nhà sản xuất thiết lập sẵn.

Quá trình thiết bị chủ ghi dữ liệu vào thiết bị tớ [2] :

Để bắt đầu quá trình truyền dữ liệu, thiết bị chủ cần thiết lập trạng thái START, cho phép các thiết bị khác sẵn sàng nhận địa chỉ từ thiết bị chủ.

Trong bước 2, thiết bị chủ gửi địa chỉ của thiết bị cần giao tiếp Tất cả các thiết bị sẽ nhận địa chỉ này và so sánh với địa chỉ của chính mình Những thiết bị nào không khớp địa chỉ sẽ chờ cho đến khi nhận được trạng thái START mới.

 Trong dữ liệu 8 bit thì có 7 bit địa chỉ và 1 bit điều khiển đọc/ghi (R/W): bit này bằng 0 để báo cho thiết bị tớ sẽ nhận byte tiếp theo

Thiết bị chủ sẽ chờ nhận tín hiệu bắt tay từ thiết bị tớ, và khi thiết bị tớ có địa chỉ đúng, nó sẽ phát tín hiệu phản hồi cho thiết bị chủ biết.

 Bước 4: Thiết bị chủ tiến hành gởi địa chỉ của ô nhớ bắt đầu cần ghi dữ liệu, bit R/W ở trạng thái ghi

 Bước 5: Thiết bị chủ chờ nhận tín hiệu trả lời từ thiết bị tớ

Trong bước 6, thiết bị chủ sẽ gửi dữ liệu để ghi vào thiết bị tớ, thực hiện từng byte một Sau khi hoàn tất việc gửi, thiết bị chủ sẽ chờ nhận tín hiệu phản hồi từ thiết bị tớ Quá trình này tiếp tục cho đến khi tất cả các byte được ghi xong, sau đó thiết bị chủ sẽ chuyển sang trạng thái STOP để kết thúc quá trình giao tiếp.

Hình 2 10 Quá trình chủ ghi dữ liệu từ tớ

Quá trình thiết bị chủ đọc dữ liệu từ thiết bị tớ [2] :

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

QUY TRÌNH THỰC HIỆN HỆ THỐNG

Hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ trong các phòng học D501 và D502 sử dụng cảm biến dòng điện và cảm biến điện áp, được điều khiển bởi bộ xử lý Arduino và ARM Thông tin về điện áp và dòng điện sẽ được gửi về bộ xử lý trung tâm, từ đó tính toán công suất và điện năng tiêu thụ Các thông số này sẽ được hiển thị trên màn hình kèm theo đồng hồ thời gian thực, giúp người dùng dễ dàng giám sát.

Quy trình đo điện năng trong các phòng học được thực hiện thông qua cảm biến dòng điện và điện áp, giúp ghi nhận các thông số của từng thiết bị Bộ xử lý Arduino trong mỗi phòng sẽ xử lý dữ liệu về dòng điện và điện áp của các tải, sau đó gửi thông tin này về bộ xử lý trung tâm để phân tích và quản lý.

Quy trình giám sát bắt đầu khi các thông số được đo và truyền về phòng điều khiển, nơi bộ xử lý trung tâm thực hiện tính toán để xác định công suất và điện năng tiêu thụ của từng phòng Thông tin này được hiển thị và cập nhật liên tục trên màn hình cảm ứng HMI UART Người dùng có thể dễ dàng chọn chế độ xem và điều chỉnh hiển thị điện năng tiêu thụ cụ thể cho từng phòng thông qua các thao tác cảm ứng Ngoài ra, thông tin thời gian thực cũng được trình bày trên màn hình HMI UART, giúp người dùng dễ dàng quan sát và ghi chép lại.

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

Dựa trên các yêu cầu và quy trình thực hiện của hệ thống "Giám sát điện năng tiêu thụ trong các phòng học", chúng tôi đã thiết kế sơ đồ khối cho toàn bộ hệ thống.

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

Để đáp ứng các yêu cầu thiết kế, cần xây dựng bộ xử lý trung tâm kết nối với các khối đo trong các phòng học D501 và D502, cùng với các module và thiết bị ngoại vi như HMI UART, đồng hồ thời gian thực RTC DS3231 và các nút nhấn Nguồn cung cấp cho mạch sẽ được lấy từ khối nguồn Sơ đồ khối của toàn bộ hệ thống "Giám sát điện năng tiêu thụ trong các phòng học" được trình bày như sau:

Hình 3 1 Sơ đồ khối của toàn hệ thống

Khối đo bao gồm cảm biến đo dòng điện và điện áp, kết nối với bộ xử lý khối đo Chức năng của khối này là đo dòng điện và điện áp của các thiết bị điện trong phòng học, sau đó gửi thông số về khối xử lý trung tâm.

 Khối thời gian thực: là đồng hồ thời gian thực có nhiệm vụ gửi thông tin thời gian thực đến bộ xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển ARM để nhận dữ liệu từ khối đo và khối thời gian thực DS3231 Sau đó, nó thực hiện các phép tính và truyền dữ liệu đến khối hiển thị.

Khối hiển thị nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm và hiển thị các thông số quan trọng như dòng điện, điện áp, công suất và điện năng tiêu thụ, giúp người dùng dễ dàng quan sát và theo dõi tình trạng hoạt động.

 Khối nguồn: biến đổi thành nguồn một chiều thích hợp để cung cấp cho toàn bộ hệ thống.

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Sơ đồ khối của khối đo được thiết kế như sau:

Hình 3 2 Sơ đồ khối của khối đo a Bộ xử lý khối đo

Khối đo có hai chức năng chính: truyền tín hiệu và dữ liệu đến bộ xử lý trung tâm, đồng thời nhận tín hiệu từ các module cảm biến dòng và áp suất Để đáp ứng yêu cầu này, nhóm đã lựa chọn board Arduino Nano làm khối điều khiển cho mô hình.

Arduino Nano V3.0 ATmega328P là một bảng vi điều khiển thân thiện, nhỏ gọn, đầy đủ các tính năng của dòng Arduino thông thường

Bộ xử lý khối đo Cảm biến dòng

Arduino Nano là một bo mạch nhỏ gọn, nặng khoảng 7g với kích thước từ 1,8cm đến 4,5cm, rất phù hợp cho học sinh và sinh viên trong việc học tập và nghiên cứu Với giá thành rẻ hơn so với Arduino Uno, Arduino Nano vẫn hỗ trợ tất cả các thư viện của bo mạch này Nó được trang bị vi điều khiển ATmega328P, giống như Arduino Uno.

Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật Arduino Nano

Vi điều khiển ATmega328 Điện áp hoạt động 5 VDC

Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ 30 mA Điện áp khuyên dung 7 - 12 VDC Điện áp giới hạn 6 - 20 VDC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)

Số chân Analog 8 (Độ phân giải 10 bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40 mA

Dòng ra tối đa 5V 500 mA

Dòng ra tối đa 3.3V 50 mA

Bộ nhớ Flash 32 KB (ATmega328) với 2KB dùng bởi bootloader

 Chân 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 và 16: 14 ngõ vào/ra digital

 Chân 1, 2: chân nhận RX và truyền TX sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp TTL

 Chân 13, 14, 15 và 16: giao tiếp SPI

 Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 và 26: Ngõ vào/ra tương tự

 Chân 23, 24 như A4 và A5: chuẩn giao tiếp I2C

Hình 3 4 Sơ đồ chân Arduino Nano Ưu điểm:

 Kích thước nhỏ gọn hơn Arduino thông thường

 Có thể dùng được tất cả thư viện của board Arduino Uno R3

 Có các chức năng hỗ trợ giúp đơn giản hóa việc lập trình

 Cộng đồng lớn nên dễ dàng tìm tài liệu, thuận tiện cho việc tự học và nghiên cứu

 Dễ sử dụng nên sẽ gây khó khăn cho người dùng khi làm quen với các vi điều khiển thông minh khác

 Chỉ hợp với một số project sáng tạo và giải trí, không phù hợp với những project quy mô lớn b Cảm biến dòng điện

Hệ thống đo thiết bị điện trong các phòng học cần thiết bị cảm biến đo dòng lớn, đặc biệt là cho các thiết bị tiêu thụ nhiều điện năng như máy lạnh Do đó, nhóm đã quyết định sử dụng cảm biến YHDC STC013 100A, hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall để đo dòng điện.

Hình 3 5 Cảm biến dòng điện YHDC SCT013 100A

Cảm biến dòng điện AC Current Transformer Sensor YHDC STC013 100A là thiết bị lý tưởng để đo cường độ dòng điện xoay chiều tối đa 100A Với thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt, cảm biến này không chỉ đảm bảo chất lượng tốt và độ bền cao mà còn rất hữu ích trong việc theo dõi lượng điện năng tiêu thụ của toàn bộ tòa nhà.

Cảm biến dòng điện YHDC STC013 100A là thiết bị an toàn và chính xác, có khả năng đo dòng điện lên đến 100A nhờ vào cuộn dây city Sản phẩm này thường được sử dụng để giám sát và đo lường dòng điện, đồng thời bảo vệ các thiết bị như động cơ AC, hệ thống chiếu sáng và máy nén khí.

Bảng 3 2 Thông số kỹ thuật cảm biến YHDC SCT013

Tần số 50hz - 150khz Đo dòng tối đa 100A

Nhiệt độ làm việc - 25 ~ 70 độ C

Cảm biến YHDC STC013 100A được kết nối đến ngõ vào của Arduino Nano để đọc giá trị

Ngõ ra của cảm biến YHDC STC013 là điện áp, dòng điện xoay chiều nên phải được biến đổi trước khi đưa vào Arduino

Hình 3 6 Kết nối ngõ ra cảm biến dòng với Arduino Điện trở R1 làm giảm điện áp AC, điện trở R1, R2 phân cực điện áp cho

DC offset Tụ điện C1 cung cấp một trở kháng thấp để nối đất cho tín hiệu AC

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ có giá trị tùy chọn ngẫu nhiên tùy người dùng, giá trị nằm trong khoảng 1μF - 10μF là tốt nhất [7],[8]

Ngõ ra dòng hiệu dụng của cảm biến dòng tối đa đạt 50mA khi mà dòng ngõ vào đạt tối đa 100A

Do Arduino không thể đo được nguồn có giá trị âm nên chúng ta phải cộng thêm 2.5V vào điện áp ngõ ra của cảm biến Hall

Dòng điện đỉnh lớn nhất ngõ vào:

IIN = IRMS.√2 = 100.√2 = 141.4 A (3.1) Dòng điện đỉnh ngõ ra của cảm biến dòng có tỉ lệ 2000 vòng là:

Do Arduino chỉ có khả năng đọc điện áp trong khoảng 0 – 5V, cần sử dụng điện trở để chuyển đổi giá trị dòng điện sang điện áp Từ điện áp đo được trên điện trở, ta có thể tính toán dòng điện vào của cảm biến Điện áp tối đa trên hai đầu điện trở R (burden) chỉ được phép là 2.5V, vì Arduino Nano chỉ có thể đọc điện áp một chiều trong khoảng 0 – 5V Do đó, giá trị điện trở R lý tưởng sẽ được tính toán dựa trên điều này.

Trong thực tế, giá trị điện trở 35.4 Ω không có sẵn, vì vậy chúng ta cần chọn giá trị gần nhất hoặc sử dụng nhiều điện trở để tổng trở đạt giá trị mong muốn Hệ thống sử dụng điện trở 33 Ω và nguồn tham chiếu từ Arduino Do Arduino không thể đo giá trị âm, nên cần thêm 2 điện trở R1 và R2 có giá trị bằng nhau để phân áp, tạo ra nguồn 2.5V và cung cấp điện áp 0 – 5V cho Arduino.

Do điện trở R1 và R2 chỉ có tác dụng phân áp nên ta lựa chọn giá trị trong khoảng 10kΩ – 470kΩ Trong hệ thống này sử dụng điện trở giá trị 10kΩ

Tụ C1 có vai trò quan trọng trong việc giảm nhiễu tín hiệu đầu ra trong quá trình đo, đồng thời thực hiện chức năng bypass, cho phép dòng điện đi qua một hướng khác, bỏ qua điện trở R2.

Sự chênh lệch giá trị dòng điện đo bằng đồng hồ và giá đo được bằng cảm biến YHDC STC013 do một số nguyên nhân:

 Sai số của cảm biến dòng YHDC STC013

 Sai số của mạch chuyển đổi từ dòng xoay chiều sang điện áp một chiều

 Sai số bởi một số nguyên nhân khác

Sai số của cảm biến dòng YHDC STC013 là: ± 3%

Sai số của điện trở sử dụng là 33Ω ± 10% nhưng thực tế điện trở tính được phải sử dụng có giá trị là 35.4 Ω

 Điện áp tính toán: Utt = 35.4 * Iđo Điện áp đo: Uđo = 33 * Iđo

Khi tính toán điện trở phân áp thực tế với nguồn 5V của Arduino, cần lưu ý rằng sai số từ trở 10kΩ có thể ảnh hưởng đến kết quả đo Đặc biệt, khi sử dụng cảm biến YHDC STC013, việc chú ý đến các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong phép đo.

 Kết nối cảm biến trước khi kẹp nó vào dây dẫn cần đo và tháo cảm biến trước khi ngắt kết nối

 Không làm hở mạch cảm biến khi nó đang kẹp trên một dây dẫn có dòng điện chạy qua

Không nên kẹp cảm biến với dây trần, vì điều này có thể gây sốc điện cho cảm biến, ảnh hưởng đến độ bền và khả năng cách điện của nó.

Để đo giá trị dòng điện chính xác, cần kẹp cảm biến vào một dây đơn, không nên kẹp vào dây đôi vì tổng của hai dòng điện có hướng ngược nhau sẽ bằng không.

Cảm biến điện áp được sử dụng trong hệ thống là module cảm biến điện áp AC Voltage Sensor ZMPT101B

Cảm biến điện áp AC ZMPT101B cho phép đo chính xác điện áp AC nhờ vào cuộn biến áp ZMPT101B, với khả năng đo tối đa lên đến 250VAC Thiết bị này được trang bị biến trở tinh chỉnh để điều chỉnh giá trị đầu ra analog tích hợp, mang lại hiệu suất cao và độ chính xác trong việc giám sát điện áp.

Hình 3 7 Module cảm biến điện áp AC ZMPT101B Bảng 3 3 Thông số kỹ thuật ZMPT101B

Nguồn sử dụng 5~30VDC Điện áp cảm biến tối đa 250VAC

Tín hiệu đầu ra Analog 0 ~ 5VDC

Dòng vào 2mA Độ trễ (đầu vào định mức) 20s (đầu vào 2mA, điện trở lấy mẫu

100Ω) Phạm vi tuyến tính 0 ~ 1000V Điện áp cách ly 4000V

Module cảm biến ZMPT101B cung cấp độ chính xác cao và tính nhất quán tốt trong việc đo điện áp lên đến 250VAC Thiết bị dễ sử dụng và được trang bị một biến trở nhiều nấc để điều chỉnh đầu ra ADC, phù hợp cho các ứng dụng đo điện áp AC với Arduino hoặc Raspberry Pi.

Hình 3 8 Sơ đồ chân cảm biến ZMPT101B

Hình 3 9 Kết nối ZMPT101B với Arduino Uno

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ d Module chuyển giao tiếp

Hệ thống truyền dữ liệu từ khối đo ở các phòng học đến phòng điều khiển trung tâm yêu cầu khả năng truyền tải xa do khoảng cách giữa các phòng Để giải quyết vấn đề này, chúng ta sử dụng mạch chuyển giao tiếp UART TTL to RS485 V2, giúp đảm bảo dữ liệu được truyền đi hiệu quả và ổn định.

Mạch chuyển giao tiếp UART TTL to RS485 V2 được phát triển nhằm chuyển đổi giao tiếp giữa chuẩn UART TTL, thường sử dụng trong vi điều khiển và máy tính nhúng, sang chuẩn RS485 và ngược lại.

Hình 3 10 Module UART TTL to RS485 V2

THI CÔNG HỆ THỐNG

TỔNG QUAN

Sau khi hoàn tất việc tính toán các thông số mạch và lựa chọn linh kiện phù hợp, nhóm đã thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý mạch, đồng thời kiểm tra hoạt động mạch trên testboard Tiếp theo, nhóm bố trí linh kiện và thiết kế board mạch in bằng phần mềm Proteus Cuối cùng, nhóm thực hiện đóng gói và thi công mô hình cho hệ thống.

Trong quá trình thiết kế board mạch thi công hệ thống, nhóm sử dụng một số module có sẵn bên cạnh các linh kiện thụ động.

THI CÔNG HỆ THỐNG

Các board mạch của hệ thống được thiết kế mạch in PCB, bố trí linh kiện bằng phần mềm proteus

Sơ đồ thiết kế mạch đo trên phần mềm trên phần:

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG

Hình 4 1 Bản vẽ PCB mạch đo

Sơ đồ mạch in của mạch đo sau khi hoàn tất thiết kế:

Hình 4 2 Sơ đồ mạch in mạch đo

Bảng 4 1 Danh sách linh kiện mạch đo

STT Tên linh kiện Số lượng Loại Chú thích

1 Arduino Nano 2 Chân cắm ATMEGA 328P

2 UART TTL to RS485 V2 2 Module

5 Tụ điện 6 Chõn cắm Tụ húa 100àF

8 Hàng rào đực 3 Chân cái 3 chân

Mạch đo sau khi thi công mạch in hoàn chỉnh:

Hình 4 3 Mạch đo mặt trước

Hình 4 4 Mạch đo mặt sau

4.2.2 THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM

Mạch điều khiển trung tâm được chia làm 2 phần nhỏ bao gồm: mạch trung tâm và màn hình HMI UART

Sơ đồ thiết kế mạch trung tâm trên phần mềm proteus:

Hình 4 5 Bản vẽ PCB mạch trung tâm

Sơ đồ mạch in mạch trung tâm sau khi hoàn tất thiết kế:

Hình 4 6 Sơ đồ mạch in mạch trung tâm Bảng 4 2 Danh sách linh kiện mạch trung tâm

STT Tên linh kiện Số lượng Loại Chú thích

2 UART TTL to RS485 V2 2 Module

4 Hàng rào cái 8 Chân cắm 25, 8, 6, 2 chân

5 Domino 3 Chân cắm Loại 2 chân

Mạch trung tâm sau khi hoàn tất thi công mạch in:

Hình 4 7 Mạch trung tâm mặt trước

Hình 4 8 Mạch trung tâm mặt sau

4.2.3 LẮP RÁP VÀ KIỂM TRA

Sau khi hoàn tất thiết kế, cần lắp ráp mạch thử nghiệm trên testboard để kiểm tra và điều chỉnh thiết kế, nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác nhất.

Sau khi kiểm tra mạch đã chạy ổn định trên testboard ta tiến hành thi công mạch và hoàn thiện hệ thống

Trong quá trình thiết kế và thi công, đã xảy ra một số vấn đề dẫn đến mạch hoạt động không ổn định, cụ thể là dữ liệu không được truyền từ mạch đo về mạch điều khiển trung tâm do không cùng mức GND Màn hình HMI UART ở mạch điều khiển cần được cấp nguồn trực tiếp thay vì sử dụng nguồn 5V từ board STM32F407 Discovery Ngoài ra, các cảm biến dòng và áp sử dụng nguồn từ Arduino Nano, trong khi module UART TTL to RS485 V2 được cấp nguồn trực tiếp.

Sau quá trình nghiên cứu và phát triển, nhóm đã thay thế mạch nút nhấn bằng màn hình HMI UART, cho phép hiển thị nhiều thông tin và điều khiển bằng cảm ứng Sau khi hoàn tất thi công và hiệu chỉnh, hệ thống đã được hoàn thiện.

Sau khi đã thi công hoàn chỉnh mạch, ta tiến hành đóng gói sản phẩm lại cho gọn và nhìn đẹp mắt hơn

Hình 4 9 Mặt trước hộp điều khiển

Hộp điều khiển HMI UART được thiết kế để hiển thị thông tin ra bên ngoài, giúp người dùng dễ dàng quan sát và điều khiển màn hình thông qua thao tác cảm ứng.

Hộp điều khiển được trang bị mạch trung tâm và màn hình HMI UART, cùng với dây cấp nguồn 5V để đảm bảo hoạt động cho toàn bộ mạch, cũng như các dây truyền UART.

Mặt sau của hộp điều khiển được trang bị chân cấp nguồn cùng với các cầu đấu điện, giúp kết nối dây nguồn và dây UART từ mạch trung tâm đến các mạch đo.

Hình 4 10 Các board mạch bên trong hộp điều khiển

Hình 4 11 Mặt sau hộp điều khiển

Thiết kế mô hình hệ thống hoàn chỉnh gồm 2 phòng học sử dụng các thiết bị điện như đèn, ổ cắm

Các phòng học được thiết kế đều có hệ thống CB đóng cắt riêng để bảo vệ các thiết bị trong phòng mỗi khi có sự cố xảy ra

Mỗi phòng sẽ có 1 CB tổng để đóng cắt toàn bộ điện của phòng học Dưới CB tổng sẽ là 3 CB đóng cắt riêng cho từng tải 1, 2 và 3

Ngoài ra, mỗi phòng sẽ được bố trí thêm hệ thống công tắc dùng để bật/tắt các đèn trong phòng

Các tải của phòng học bao gồm:

 Tải 1: gồm 16 bóng đèn chiếu sáng cho phòng học

 Tải 2: gồm 5 bóng đèn sưởi công suất lớn

 Tải 3: là ổ điện có thể cắm được 2 thiết bị được bố trí kế bên các công tắc đèn của tải 1, 2 và gần hệ thống CB của phòng học

Hình 4 13 Hẻ thống CB, công tắc và mạch đo

Tải 1 gồm 16 bóng đèn chiếu sáng công suất nhỏ, 5 bóng tiêu thụ dòng điện tổng khoảng 1A (hình 4.19)

Tải 1 được điều khiển bật/tắt bằng một bộ gồm 4 công tắc, mỗi công tắc dùng đề điều khiển bật tắt 4 đèn

Hình 4 14 Tải 1 của phòng học

Tải 2 gồm 5 bóng đèn sưởi công suất lớn, mỗi bóng tiêu thụ dòng điện 4A mỗi khi sáng, 5 bóng tiêu thụ tổng khoảng 20A (hình 4.20)

Tải 2 được điều khiển bật/tắt bằng một bộ gồm 3 công tắc, công tắc đầu tiên điều khiển bật/tắt 2 đèn trên cùng, công tắc thứ hai điều khiển bật/tắt 2 đèn ở giữa, công tắc cuối cùng điều khiển bật/tắt đèn ở cuối cùng

Hình 4 15 Tải 2 của phòng học

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG

Hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ trong phòng học được thiết kế để theo dõi các thông số điện áp và dòng điện, sau đó truyền dữ liệu về mạch điều khiển trung tâm Dựa trên dữ liệu thu thập được, hệ thống tính toán công suất tiêu thụ và hiển thị các giá trị điện áp, dòng điện cùng công suất tiêu thụ trên màn hình LCD.

Để điều khiển hệ thống, trước tiên cần cấp nguồn cho toàn bộ thiết bị Sau đó, các mạch đo sẽ thực hiện việc đo điện áp và dòng điện của từng tải ở từng phòng Dữ liệu điện áp và dòng điện sẽ được truyền về mạch điều khiển trung tâm Bộ xử lý trung tâm sẽ đọc thời gian từ module thời gian thực DS3231, xử lý các tín hiệu ngắt từ nút nhấn, tính toán giá trị công suất tiêu thụ và hiển thị kết quả trên màn hình LCD.

Lưu đồ chương trình điều khiển trung tâm:

Hình 4 16 Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển trung tâm

Lưu đồ giải thuật mạch điều khiển trung tâm bắt đầu bằng việc khai báo các thư viện và biến cần thiết cho hệ thống Sau đó, các hàm khởi tạo cho LCD, I2C và UART được gọi Tiếp theo, hàm nhận dữ liệu được kích hoạt khi UART truyền dữ liệu đến và lưu vào bộ nhớ DMA của ARM ARM sẽ đọc dữ liệu thời gian từ DS3231 và lưu vào bộ nhớ DMA của board STM32F407 Discovery Dựa trên các thông số điện áp và dòng điện từ các mạch đo, giá trị công suất tiêu thụ từng phòng được tính toán Cuối cùng, tất cả thông số về thời gian, điện áp và công suất được hiển thị trên màn hình LCD, kết thúc một vòng lặp.

Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt I2C:

Hình 4 17 Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt I2C

Khi có yêu cầu ngắt từ I2C, trước tiên cần xác định xem ngắt có xuất phát từ bộ I2C2 hay không Nếu đúng, điều này cho thấy bộ I2C2 đã nhận dữ liệu, và chúng ta sẽ chuyển đổi các thông số thời gian từ định dạng BCD sang DEC trước khi kết thúc chương trình con phục vụ ngắt Ngược lại, nếu không phải là ngắt từ I2C2, nghĩa là bộ này chưa nhận dữ liệu, chúng ta sẽ ngay lập tức kết thúc chương trình ngắt mà không thực hiện thêm bất kỳ thao tác nào.

Hình 4 18 Lưu đồ giải thuật mạch đo

Trong chương trình mạch đo, đầu tiên, cần khai báo các thư viện và biến cần thiết Tiếp theo, khởi tạo tốc độ baud cho giao tiếp UART của Arduino và các chân analog để đọc giá trị cảm biến Dựa vào giá trị từ cảm biến, ta tính toán dòng điện và điện áp, sau đó gửi dữ liệu qua giao tiếp UART với tốc độ baud 115200.

KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, VÀ ĐÁNH GIÁ

Tiêu đề	Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Giám sát Điện Năng Tiêu Thụ Trong Phòng Học
Thể loại	đồ án tốt nghiệp

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	7,6 MB