Luận văn tốt nghiệp đại học công tắc điện thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ -o0o - LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CÔNG TẮC ĐIỆN THÔNG MINH GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo SVTH: Nguyễn Xuân Trường MSSV: 1814577 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc -✩ Số: /BKĐT Khoa: Điện – Điện tử Bộ Môn: Điện Tử -✩ - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG MSSV: 1814577 NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG LỚP : DD18 Đề tài: Cơng tắc điện thông minh Nhiệm vụ (Yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): Thiết kế công tắc điện gắn tường thơng minh điều khiển đóng ngắt ba thiết bị điện ổ cắm điện hoạt động điện áp hiệu dụng 220V AC với dòng điện hiệu dụng cấp cho thiết bị ổ cắm điện tối đa 10A Ngoài đề tài nghiên cứu thiết kế thêm đo công suất riêng cho ổ cắm Ngày giao nhiệm vụ luận văn: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 23/12/2021 Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn ThS Bùi Quốc Bảo Thiết kế công tắc điện Thiết kế đo công suất Nội dung yêu cầu LVTN thông qua Bộ Môn Tp.HCM, ngày… tháng… năm 20 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ : Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận văn: NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH Lời cảm ơn GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn biết ơn sâu sắc đến ThS Bùi Quốc Bảo – Giảng viên môn Điện tử – khoa Điện – ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, người tận tình hướng dẫn, bảo, giúp đỡ em suốt thời gian em nghiên cứu đề cương luận văn tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể thầy cô trường Đại học Bách Khoa giảng dạy, tạo điều kiện cho em trình học tập nghiên cứu trường Trải qua đợt làm luận văn lần em học nhiều thứ từ quản lí thời gian, cách phân chia công việc kiến thức Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân bên để động viên nguồn cổ vũ lớn lao, động lực giúp em hoàn thành luận văn Mặc dù cố gắng hoàn thành luận văn phạm vi khả Tuy nhiên khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận cảm thông tận tình bảo q thầy Tp Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 12 năm 2022 Sinh viên Nguyễn Xuân Trường i Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo TĨM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày việc nghiên cứu thiết kế công tắc điện điện gắn tường điều khiển đóng ngắt bốn thiết bị điện hoạt động điện áp hiệu dụng 220VAC10A Trong có thiết bị điện ổ cắm điện Việc điều khiển thực cách thông qua nút nhấn cảm ứng gắn công tắc điện điều khiển từ đâu từ đâu ổ điện cài đặt để kết nối Wifi gần Tuy nhiên đề tài đảm bảo dù khơng có kết nối Wifi ổ cắm điều khiển thơng qua nút nhấn cảm ứng Về ổ cắm gắn công tắc điện điện gán tường, đề tài có thiết kế thêm đo công suất cho ổ cắm độc lập với cơng tắc điện giúp người dùng theo dõi tình trạng sử dụng điện thiết bị, từ đưa chiến lược sử dụng nhằm tiết kiệm điện cho gia đình ii Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo MỤC LỤC GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.3 Nhiệm vụ luận văn LÝ THUYẾT 2.1 Home Assistant 2.2 HTML 2.3 MQTT 2.4 FreeRTOS 2.5 Đo cơng suất tính hệ số công suất THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 11 3.1 3.1.1 Sơ đồ khối công tắc điện thông minh 12 3.1.2 Sơ đồ khối đo công suất 13 3.2 Thiết kế mạch PCB cho công tắc điện thông minh 14 3.2.1 Thiết kế mạch PCB phía 15 3.2.2 Thiết kế mạch PCB phía 21 3.3 Tổng quan hoạt động hệ thống 11 Thiết kế mạch PCB cho đo công suất 25 3.3.1 Thiết kế mạch PCB phía 26 3.3.2 Thiết kế mạch PCB phía 27 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM 38 4.1 Lưu đồ giải thuật cho công tắc điện thông minh 38 4.2 Lưu đồ giải thuật cho đo công suất 43 4.3 Cấu hình cho phần mềm Home Assistant 47 4.4 Thiết kế giao diện HTML cho Webserver ESP32 49 iii Luận văn tốt nghiệp KẾT QUẢ THỰC HIỆN 51 5.1 Kết thiết kế mạch phần mềm Altium 51 5.1.1 Mạch PCB phía cơng tắc điện thông minh 51 5.1.2 Mạch PCB phía cơng tắc điện thơng minh 53 5.1.3 Mạch PCB phía đo công suất 54 5.1.4 Mạch PCB phía đo công suất 56 5.2 Kết thiết kế giao diện MQTT cho webserver 57 5.3 Kết mô mạch đo công suất 59 5.3.1 Kết đo điện áp 59 5.3.2 Kết đo dòng điện 61 5.4 GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Kết điều khiển công tắc điện Home Asisstant 62 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62 6.1 Kết luận 62 6.2 Hướng phát triển 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 64 8.1 Sơ đồ toàn mạch chi tiết: 64 8.1.1 Bộ công tắc điện thông minh gắn tường 64 8.1.2 Bộ đo công suất 66 iv Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA Hình 1-1 Một số loại công tắc điện thông minh thị trường Hình 2-1 Giới thiệu giao diện Home Assistant Hình 2-2 Cấu trúc file HTML Hình 2-3 Sơ đồ giao tiếp giao thức MQTT Hình 2-4 Giản đồ hoạt động siêu vòng lặp Hình 2-5 Giản đồ hoạt động FreeRTOS Hình 2-6 Giản đồ vector mối quan hệ thành phần công suất Hình 2-7 Kiểm tra cách tính góc lệch pha u i (hình a) 10 Hình 2-8 Kiểm tra cách tính góc lệch pha u i (hình b) 10 Hình 3-1 Sơ đồ khối cơng tắc điện thơng minh 12 Hình 3-2 Sơ đồ khối đo cơng suất 13 Hình 3-3 Sơ đồ kết nối hai mạch PCB công tắc điện thông minh 15 Hình 3-4 Sơ đồ kết nối mạch PCB phía cơng tắc điện thơng minh (hình a) 16 Hình 3-5 Đồ thị minh họa tín hiệu nút cảm ứng điện dung nhấn 17 Hình 3-6 Cách hoạt động nút cảm biến điện dung 18 Hình 3-7 Sơ đồ chân IC TTP224 18 Hình 3-8 Hình minh họa kích thước cảm biến điện dung 19 Hình 3-9 Kích thước khuyến nghị nút cảm ứng điện dung 20 Hình 3-10 Layout PCB nút cảm ứng điện dung 21 Hình 3-11 Quy cách phủ Coplanar cho nút cảm ứng điện dung 21 Hình 3-12 Schematic mạch nguồn PCB công tắc điện thông minh 22 Hình 3-13 Cổng kết nối thiết bị điện công tắc điện thông minh 22 Hình 3-14 Sơ đồ kết nối hai mạch PCB công tắc điện thông minh 23 Hình 3-15 Schematic mạch điều khiển relay 23 v Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 3-16 Tác dụng Diode đóng ngắt relay 24 Hình 3-17 Đồ thị quan hệ dòng áp LED 0805 24 Hình 3-18 Sơ đồ đấu dây cho công tắc điện thông minh mà khơng dùng đo cơng suất 25 Hình 3-19 Schematic mạch PCB phía đo cơng suất 26 Hình 3-20 Cấu trúc mạch khuếch đại không đảo 28 Hình 3-21 Schematic chuyển đổi đo điện điện áp AC (hình a) 30 Hình 3-22 Cấu trúc mạch khuếch đại vi sai 31 Hình 3-23 Schematic chuyển đổi đo điện điện áp AC (hình b) 31 Hình 3-24 Pin Out IC ACS712 - 20 A-T 32 Hình 3-25 Schematic mạch đo dòng điện AC dùng IC ACS712-20A-T 33 Hình 3-26 Cấu trúc lọc thơng thấp dùng RC 33 Hình 3-27 Phase Shift lọc thông thấp 34 Hình 3-28 Schematic mạch lọc thơng thấp sau thiết kế 35 Hình 3-29 Schematic mạch tạo điện áp âm 35 Hình 3-30 Giải thích ngun lí hoạt động mạch tạo điện áp âm (hình a) 36 Hình 3-31 Giải thích ngun lí hoạt động mạch tạo điện áp âm (hình b) 36 Hình 3-32 Giải thích ngun lí hoạt động mạch tạo điện áp âm (hình c) 37 Hình 3-33 Schematic cho IC NE555 hoạt động chế độ Astable 38 Hình 4-1 Lưu đồ giải thuật cho công tắc điện thơng minh (khi khởi động) 39 Hình 4-2 Lưu đồ giải thuật cho công tắc điện thông minh (Task 1) 39 Hình 4-3 Lưu đồ giải thuật cho cơng tắc điện thông minh (Task 2) 40 Hình 4-4 Lưu đồ giải thuật cho cơng tắc điện thông minh (Task 3) 41 Hình 4-5 Lưu đồ giải thuật cho công tắc điện thông minh (Task 4) 42 Hình 4-6 Lưu đồ giải thuật cho công tắc điện thông minh (Task 5) 43 Hình 4-7 Lưu đồ giải thuật cho đo công suất (khi khởi động) 44 Hình 4-8 Lưu đồ giải thuật cho đo công suất (task 1) 44 Hình 4-9 Lưu đồ giải thuật cho đo công suất (task 2) 45 vi Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 4-10 Lưu đồ giải thuật cho đo công suất (task 3) 46 Hình 4-11 Lưu đồ giải thuật cho đo công suất (task 4) 47 Hình 4-12 File cấu hình configuration.yaml Home Assistant 48 Hình 4-13 Nội dung cấu hình cho switch đo cơng suất cho Home Assistant 48 Hình 4-14 Lưu đồ giải thuật cho Webserver 49 Hình 5-1 Kết thiết kế mạch PCB phía cơng tắc điện thơng minh 52 Hình 5-2 Kết thiết kế mạch PCB phía cơng tắc điện thơng minh 54 Hình 5-3 Kết thiết kế mạch PCB phía đo cơng suất 55 Hình 5-4 Kết thiết kế mạch PCB phía đo cơng suất 57 Hình 5-5 Giao diện Webserver 58 Hình 5-6 Kết mô proteus cho mạch đo điện áp với đầu vào điện áp 223V 59 Hình 5-7 Kết thực tế đo Oscilloscopre cho mạch đo điện áp với đầu vào điện áp 223V 60 Hình 5-8 Kết mơ proteus cho mạch đo dịng điện với dòng điện hiệu dụng 10A 61 vii Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU viii Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo 5.1.2 Mạch PCB phía cơng tắc điện thông minh 53 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 5-2 Kết thiết kế mạch PCB phía cơng tắc điện thơng minh 5.1.3 Mạch PCB phía đo cơng suất 54 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 5-3 Kết thiết kế mạch PCB phía đo công suất 55 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo 5.1.4 Mạch PCB phía đo công suất 56 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 5-4 Kết thiết kế mạch PCB phía đo cơng suất 5.2 Kết thiết kế giao diện MQTT cho webserver 57 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 5-5 Giao diện Webserver Webserver có chức dùng để nhập liệu, giải thích mục 4.4, giao diện gồm ba mục Wifi, MQTT, Exit Nút Home dùng để quay giao diện + Mục Wifi dùng để nhập lưu thông số WiFi (SSID, Passwords) cho thiết bị Khi bước vào giao diện người dùng nhìn thấy thơng số kết nối Wifi gần (SSID, RSSI), người dùng click vào tên SSID muốn cài đặt cho thiết bị tên SSID WiFi ghi lại mục SSID giúp người dùng không cần nhập liệu Tất thông tin không lưu người dùng nhấn vào nút lưu, sau nhấn hình thơng báo thơng tin lưu + Mục MQTT dùng để nhập lưu thông số liên quan đến broker (IP, Port, user, passwords) thông số liên quan đến đặt tên thiết bị, tên cấu hình làm topic cho thành phần thiết bị (theo cú pháp “TOPIC”/”SWITCH”) Người dùng cần nhấn nút “SAVE” để lưu thông tin sau hình chuyển đến trang thơng báo thông tin lưu, người dùng cần lưu thông tin trước nhấn nút “Creat Code” Nút creat 58 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo code có tác dụng tạo đoạn mã code để cấu hình cho Home Assistant, người dùng có thay đổi tên cần phải cập nhật lại file cấu hình cho Home Assistant + Mục EXIT dùng để tắt Webserver đưa thiết bị trở trạng thái hoạt động với thay đổi thông tin lưu 5.3 Kết mô mạch đo công suất 5.3.1 Kết đo điện áp Hình 5-6 Kết mơ proteus cho mạch đo điện áp với đầu vào điện áp 223V 59 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Điện áp trải qua ba giai đoạn lớn để nằm vùng mà vi điều khiển đọc Giai đoạn 1: Bộ khuếch đại vi sai Giai đoạn 2: Mạch cộng không đảo Giai đoạn 3: Bộ lọc thông thấp Giá trị đầu tương ứng đầu vào tính theo cơng thức 𝑣𝑜𝑢𝑡 5.3 33 + 3.3 × 15 + 1000 × 𝑣𝑖𝑛 × 20 = × 33 15 + 20 Với 𝑣𝑖𝑛 = 223√2 𝑣𝑜𝑢𝑡 = 2.513 𝑉 Vậy kết mơ xác Kết đo oscilloscope: Hình 5-7 Kết thực tế đo Oscilloscopre cho mạch đo điện áp với đầu vào điện áp 223V Ta thấy sai số lớn (2.5V với 2.44V), sai số xảy luận văn sử dụng điện trở tinh chỉnh nên sau thời gian vận chuyển số chỉnh bị chạy, giá trị điện áp tham gia vào việc hiệu chỉnh 3.3V có từ IC ổn áp theo luận văn đo giá trị to (cụ thể 3.3V đo 3.36V) dẫn đến sai số 60 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo 5.3.2 Kết đo dịng điện Hình 5-8 Kết mơ proteus cho mạch đo dòng điện với dòng điện hiệu dụng 10A Giá trị điện áp đầu với đầu dịng điện i tính theo cơng thức: 𝑣𝑜𝑢𝑡 = 25 (2.5 + 𝑖 × 100.10−3 ) 25 + 15 Với 𝑖 = 10√2 𝑣𝑜𝑢𝑡 = 2.5𝑉 61 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Vậy giá trị mơ xác Luận văn khơng trình bày giá trị thực đo thời điểm viết báo cáo IC đo dòng điện luận văn vừa bị hỏng Đến phản biện bảo vệ luận văn trình bày sau 5.4 Kết điều khiển công tắc điện Home Asisstant Các thiết bị điện kết nối điều khiển, độ trễ thấp Tuy nhiên có vài trường hợp khơng cập nhật chương trình luận văn viết chưa tốt KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Ưu điểm: + Bộ công tắc điện thông minh hoạt động công tắc bán thị trường với độ an toàn cao, thời gian phản hồi tốt + Bộ đo công suất đo giá trị điện áp, giá trị nằm vùng đo ADC vi điều khiển Nhược điểm: + Đối với công tắc điẹn việc tái cập nhật trạng thái sau lần khôi phục kết nối chưa thực được, số lần nhấn nút bị bỏ qua (tuy nhiên tỉ lệ nhỏ) + Sự phức tạp việc cài đặt thiết bị Giá thành thiết bị cao + Đối với đo cơng suất, giá trị đo cịn sai số cao 62 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Dù đề tài chưa tối ưu nhiều mặt, trải qua lần làm luận văn kì thân em cảm thấy học hỏi vô số điều từ thầy, từ kinh nghiệm làm việc có kiến thức nhiều lập trình thiết kế mạch Em biết cách để tạo giao diện HTML, biết MQTT gì, biết chức Home Assistant, …Biết cách thiết kế, kiểm tra vận hành mạch 6.2 Hướng phát triển Trên thị trường công tắc điện thơng minh dường khơng cịn để phát triển, nhiên mở rộng đo công suất hay điều khiển độ sáng đèn theo không gian xung quanh, đọc cảm biến chuyển động, điều khiển thiết bị điện khác không cần dùng đến điện thoại chưa thực phổ biến Đây lĩnh vực tràn đầy tiềm q trình cơng nghiệp hóa “nhu cầu ăn ngon mặc đẹp” người ngày tăng cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trang web nhà sản xuất Espressif loại “ESP32-WROOM-32E” https://www.espressif.com/en/products/modules/esp32 [2] Datasheet IC cảm biến điện dung TTP224 TONTEK https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/1138853/TONTEK/TTP224.html [3] Datasheet Photocoupler PC817 Sharp https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/43371/SHARP/PC817.html [4] Datasheet Module Relay SRD Songle https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/1131944/SONGLERELAY/SRD05VDCSLC.html [5] Datasheet IC đo dòng ACS712-20A https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/168326/ALLEGRO/ACS712.html [6] Datasheet IC NE555 https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/17972/PHILIPS/NE555.html 63 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo PHỤ LỤC 8.1 Sơ đồ toàn mạch chi tiết: 8.1.1 Bộ công tắc điện thông minh gắn tường 64 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo 65 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo 8.1.2 Bộ đo công suất 66 Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo 67