LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC HÌNH ẢNH iii DANH MỤC BẢNG iv LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 2 1.1.LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 2 1.2.MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 2 CHƯƠNG II: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ 3 2.1. BÀI TOÁN THIẾT KẾ 3 2.2.SƠ ĐỒ KHỐI 3 2.2.1.SƠ ĐỒ LẮP ĐẶT 3 2.2.2.SƠ ĐỒ KHỐI 4 2.3.PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ CÁC KHỐI PHẦN CỨNG 5 2.3.1.KHỐI ĐO ĐIỆN NĂNG 5 2.3.2.KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM 7 2.3.3.KHỐI HIỂN THỊ 9 2.3.4.KHỐI NGUỒN 14 2.3.5. THIẾT KẾ CÁC KHỐI PHẦN CỨNG 15 2.4.CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM 15 2.4.1. GIỚI THIỆU VỀ BLYNK 15 2.4.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BLYNK 16 2.4.3.TÍNH NĂNG CỦA BLYNK 16 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG SẢN PHẨM 17 3.1.THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG 17 3.1.1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 17 3.1.2.VIẾT CHƯƠNG TRÌNH PHẦN CỨNG 18 3.1.2.1.PHẦN MỀM VIẾT CHƯƠNG TRÌNH 18 3.1.2.2.LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 19 3.2.THIẾT KẾ PHẦN MỀM 20 3.3.LẮP RÁP VÀ HOÀN THIỆN SẢN PHẨM 20 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 21 4.1.KẾT QUẢ 21 4.2. ĐÁNH GIÁ 22 4.3. HƯỚNG PHÁT TRIỂN 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 PHỤ LỤC 25
GIẢI PHÁP THIẾT KẾ
BÀI TOÁN THIẾT KẾ
Hiện nay, việc theo dõi tiêu thụ điện năng từ xa khá mới lạ đối với những người dùng phổ thông nên đề tài này sẽ giải quyết được vấn đề đó và đồng thời đặt ra các tiêu chí: dễ sử dụng, dễ lắp đặt, giá thành phải chăng Cụ thể:
Phần cứng: Mạch đặt trong hộp điện chống cháy, nguồn cấp cho mạch được thiết kế qua bộ hạ áp lấy từ mạng lưới điện quốc gia, có ngõ ra dưới dạng ổ cắm điện trực tiếp hoặc connector cho phép người dùng lấy điện ra từ hộp.
Phần mềm: Yêu cầu kết nối Wifi để theo dõi được lượng điện năng tiêu thụ thông qua ứng dụng điện thoại.
SƠ ĐỒ KHỐI
Hình 2 1 Sơ đồ lắp đặt thiêt bị giám sát điện năng
Thiết bị sẽ đo các thông số như điện áp, dòng điện, công suất, điện năng đã tiêu thụ,… và gửi đến Cloud server thông qua internet, từ đó người dùng có thể theo dõi từ xa bằng app trên điện thoại.
Hình 2 2 Kết nối với smartphone qua internet
Người dùng sẽ phải kết nối Internet với thiết bị smartphone và truy cập vào ứng dụng để theo dõi các thông số đo được và nhận cảnh báo khi mức tiêu thụ điện năng lớn
Khối đo điện năng: Module PZEM-004T đo các thông số điện áp, dòng điện, công suất tiêu thụ, từ đó gửi dữ liệu sang khối xử lý trung tâm.
Khối xử lý trung tâm: Esp32 giải mã dữ liệu nhận được từ khối đo điện năng sau đó truyền các thông số đã đo sang khối hiển thị và gửi lên Server quaInternet.
Khối hiển thị: Hiển thị các thông tin điện áp, dòng điện,… đã đo lên
LCD để người dùng quan sát trực tiếp.
Cloud server: Nhận và lưu trữ dữ liệu từ khối xử lý trung tâm gửi lên thông qua Internet chịu trách nhiệm về tất cả các giao tiếp giữa điện thoại thông minh và phần cứng
App: Nơi giao tiếp với người dùng, hỗ trợ người dùng theo dõi được các thông số từ xa thông qua Internet.
Khối nguồn: Cấp điện cho toàn mạch.
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ CÁC KHỐI PHẦN CỨNG
Linh kiện sử dụng: Module PZEM-004T 100A
Khối đo điện năng có chức năng đo toàn bộ các thông số liên quan đến điện năng tiêu thụ của thiết bị điện gia dụng như điện áp, dòng điện, công suất, chỉ số tiêu thụ, tần số hoạt động… Sau đó gửi dữ liệu đi đến khối xử lý trung tâm
Có rất nhiều module đo điện năng tiêu thụ, nhưng phổ biến và giá thành hợp lý hơn cả có thể nói đến các module PZEM đến từ nhà Peacefair
Giá thị trường khoảng 180.000 VNĐ, module đem lại rất nhiều tính năng như đo áp, đo dòng, đo được công suất của các thiết bị điện gia đình, ngoài ra còn có cả bộ nhớ để lưu trữ giá trị chỉ số tiêu thụ điện (như công tơ điện) Không những nhiều tính năng mà các thông số đo đạt cũng khá chính xác và hoàn thiện tương đối tốt Tuy nhiên PZEM-004T-100A lại không có màn hình để hiển thị trực tiếp các thông số đo được mà truyền các giá trị đó qua giao tiếp UART với máy tính hoặc các vi xử lý khác.
Phương thức kết nối của module đơn giản, có tổng cộng 8 ngõ, 4 ngõ dành cho điện áp AC và 4 ngõ bên phải dành cho giao tiếp với các thiết bị khác sử dụng điện áp DC Ngoài ra, để đảm bảo an toàn, nhà sản xuất còn sử dụng Opto quang để cách ly giữa điện áp AC và DC.
Các cổng giao tiếp với thiết bị xử lý gồm 2 chân nguồn GND và 5V, 2 chân TX RX để giao tiếp UART Các cổng còn lại gồm 2 chân để kết nối trực tiếp với điện lưới mục đích để đo giá trị điện áp và lấy nguồn đó hạ áp trực tiếp cấp cho các IC xử lý trong mạch hoạt động, 2 chân còn lại kết nối với 1 cuộn cảm CT để đo dòng tải của thiết bị điện
Hình 2 5.Sơ đồ kết nối của Module PZEM-004T-100A
Thông số kỹ thuật của module PZEM-004T-100A:
Module PZEM-004T-100A Điện áp Đo được điện áp xoay chiều 1 pha, tầm đo khoảng từ 80 -
260V Độ phân giải là 0,1V, sai số đo là 0,5%.
Dòng điện 0 – 100A, độ phân giải là 0,01A, sai số đo là 0,5%.
Công suất 0 – 23kW, độ phân giải 0,1W, sai số là 0,5%.
Tần số 45 – 65Hz, độ phân giải là 0,1Hz và sai số là 0,5%.
Số chỉ điện năng tiêu thụ Được lưu vào bộ nhớ trong, giá trị từ 0 – 9999.99kWh, độ phân giải là 1Wh, sai số là 0,5%
Ngoài ra, ta có thể xoá dữ liệu bằng lệnh từ phần cứng xử lý. Giao tiếp Sử dụng chuẩn truyền thông nối tiếp UART 5V cho phép người dùng dễ dàng kết nối, lập trình để đọc dữ liệu ra của module Các thông số UART: tốc độ baud là 9600, 8 bit dữ liệu, 1 bit stop và không phân biệt chẵn lẻ.
Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật của module PZEM-004T-100A
Phương pháp xử lý dữ liệu với module được hỗ trợ bởi thư viện Arduino.
Sơ đồ khối của module PZEM-004T-100A
KHỐI NGUỒN HẠ ÁP AC
Hình 2 6 Sơ đồ khối chức năng của Module PZEM-004T-100A
2.3.2.KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
Linh kiện sử dụng: Moulde ESP32-WROOM-32D 38 chân
Khối xử lý trung tâm có chức năng nhận, giải mã dữ liệu truyền nhận được từ module đo điện áp thông qua giao tiếp UART Sau đó, khối sẽ tổng hợp và gửi dữ liệu đến khối hiển thị để người dùng quan sát trực tiếp Đồng thời, khối còn được kết nối với Internet để cập nhật các dữ liệu đo đạt được lên Cloud Server.
Esp32-Wroom-32D là sự lựa chọn hợp lý cả về chức năng, về hỗ trợ kết nối Internet và cả về giá thành Giá thị trường chỉ khoảng 110.000 VNĐ thìEsp32-Wroom-32D là vi điều khiển vô cùng mạnh mẽ, chứa hầu hết tất cả chức năng các vi điều khiển khác nhưng lại trang bị thêm kết nối Internet rất thích hợp với các ứng dụng IoT như đề tài này.
CPU Xtensa Dual-Core 32-bit LX6 với tần số hoạt động lên đến 240 MHz
Bộ nhớ trong 448 KBytes ROM cho booting và các tính năng của lõi chip.
520 KBytes SRAM trên chip dùng cho dữ liệu và các lệnh instruction.
8 KBytes SRAM trong RTC (gọi là RTC SLOW Memory) để truy xuất bởi các bộ co-processor.
8 KBytes SRAM trong RTC (gọi là RTC FAST Memory) dùng cho lữu dữ liệu, truy xuất bởi CPU khi RTC đang boot từ chế độ Deep-sleep.
1 Kbit EFUSE, với 256 bit cho hệ thống (địa chỉ MAC và cấu hình chip), 768 còn lại cho ứng dụng người dùng, gồm cả mã hóa bộ nhớ Flash và định ID cho chip. Kết nối không dây Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i
Bluetooth: BR/EDR phiên bản v4.2 và BLE Ethernet MAC hỗ trợ chuẩn DMA và IEEE 1588
Giao tiếp ngoại vi Bộ chuyển đổi ADC 12 bit, 16 kênh.
Bộ chuyển đổi 8-bits DAC: 2 kênh.
10 chân để giao tiếp với cảm biến chạm (touch sensor).
Ngõ ra PWM cho điều khiển Motor.LED PWM: 16 kênh.
Nhiệt độ hoạt động ổn định - 40°C đến 85°C Điện áp hoạt động 2.2-3.6V
Dòng tiêu thụ ổn định 80mA
Bảng 2 2 Thông số kỹ thuật của ESP32-WROOM-32D
Hình 2 8 Sơ đồ chân của module ESP32-WROOM-32D
Linh kiện sử dụng: Module LCD20x4 và I2C
Khối hiển thị có chức năng hiển thị các thông tin, chữ số, kí tự mà khối xử lý trung tâm gửi đến để người dùng có thể quan sát trực tiếp trên phần cứng Đề tài yêu cầu hiển thị nhiều thông tin như điện áp, dòng điện, công suất, điện năng tiêu thụ, vì vậy cần một khoảng hiển thị đủ lớn để người dùng có thể quan sát được đầy đủ thông tin LCD20x4 với khả năng hiển thị được tối đa 20 kí tự trên mỗi dòng là sự lựa chọn phù hợp cho yêu cầu đề tài đặt ra Giá thị trường khoảng 60.000 VNĐ.
LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của vi điều khiển LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác Nó có khả năng hiện thị kí tự đang dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ,… LCD có rất nhiều dạng phân biệt theo kích thước từ vài kí tự đến hàng chục kí tự, từ 1 hàng đến vài chục hàng.
Thông số kỹ thuật của Module LCD20x4:
Kích thước 98 x 60 x 13.5 mm Điện áp hoạt động 5V
Dòng điện tiêu thụ 350uA- 600uA
Bảng 2 3 Thông số kỹ thuật của Module LCD20x4
LCD20x4 có số lượng chân và cách kết nối tương tự LCD16x2.
Hình 2 10 Sơ đồ chân của LCD20x4
Chân Ký hiệu Chức năng
1 VSS Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển
2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển
3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD
Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với:
Logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi
Logic “1” để LCD ở chế độ đọc
Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E.
7-14 D0-D7 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU.
15 A Nguồn dương cho đèn nền.
Bảng 2 4: Chức năng chân của LCD20x4
16 chân của LCD 20x4 được chia làm 4 dạng tín hiệu:
Các chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối GND, chân thứ 2 là
VDD nối với nguồn +5V Chân thứ 3 dùng để chỉnh độ tương phản thường nối với biến trở, chỉnh cho đến khi thấy được kí tự thì ngừng.
Các chân điều khiển: Chân số 4 là chân RS dùng để điều khiển lựa chọn thanh ghi Chân R/W dùng để điều khiển quá trình đọc và ghi Chân E là chân cho phép dạng xung chốt.
Các chân dữ liệu D0 - D7: Chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để trao đổi dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và LCD.
Các chân LED_A và LED_K: Chân số 15, 16 là 2 chân dùng để cấp nguồn cho đèn nền để có thể nhìn thấy vào ban đêm. Để điều khiển LCD thì có các IC chuyên dùng được tích hợp bên dướiLCD có mã số 447801 đến các IC 447809 Sơ đồ khối của bộ điều khiển LCD như hình sau:
Hình 2 11 Sơ đồ khối Module LCD20x4
Sơ đồ khối gồm có 4 phần: bộ điều khiển LCD, bảng kí tự LCD, bộ thúc tín hiệu các đoạn, đèn nền.
Bộ điều khiển LCD có ba vùng nhớ nội, mỗi vùng có chức năng riêng Bộ điều khiển phải khởi động trước khi truy cập bất kỳ vùng nhớ nào.
Bộ nhớ chứa dữ liệu để hiển thị (Display Data RAM: DDRAM) lưu trữ những mã kí tự để hiển thị lên màn hình Mã kí tự lưu trữ trong vùng DDRAM sẽ tham chiếu với từng bitmap kí tự được lưu trữ trong CGROM đã được định nghĩa trước hoặc đặt trong vùng do người sử dụng định nghĩa.
*Lưu ý là để truy cập vào DDRAM, ta phải cung cấp địa chỉ cho AC theo mã HEX.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG SẢN PHẨM
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG
Hình 3 1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Nguồn điện 220V qua bộ chuyển đổi Adapter 5V-1A hạ áp xuống còn 5V cấp nguồn cho toàn bộ mạch.
Module PZEM-004T thực hiện đo các thông số và gửi sữ liệu đến ESP32.
ESP32 nhận và giải mã dữ liệu được truyền từ PZEM004T thông qua giao tiếp UART, sau đó tổng hợp và gửi dữ liệu lên LCD.
LCD nhận dữ liệu và hiển thị các thông số lên màn hình để người dùng dễ dàng quan sát.
3.1.2.VIẾT CHƯƠNG TRÌNH PHẦN CỨNG
3.1.2.1.PHẦN MỀM VIẾT CHƯƠNG TRÌNH
Arduino IDE là một trình soạn thảo để viết code và nạp code vào linh kiện sử dụng Phần mềm lập trình này có giao diện được sắp xếp hợp lý, phù hợp với cả những người dùng chuyên nghiệp lẫn không chuyên Trong đề tài này, Arduino IDE được sử dụng để làm môi trường lập trình cho ESP32.
Hình 3 3 Giao diện lâp trình
Hình 3 4 Lưu đồ thuật toán
THIẾT KẾ PHẦN MỀM
Hình 3 5 Thiết kế giao diện trên Blynk
KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
KẾT QUẢ
Sau khi lắp đặt, chạy thử và kiểm tra xong, đề tài đã hoàn thành:
Hiển thị được các giá trị đo điện năng cơ bản, hiển thị được thời gian, hiển thị tiền điện trên app điện thoại.
Sản phẩm kết nối được với Internet, đồng bộ được dữ liệu và hiển thị được trên app điện thoại.
Ứng dụng trên điện thoại hoạt động tương đối ổn định, có cảnh báo khi có thiết bị hoạt động với công suất lớn, đáp đủ những yêu cầu ban đầu đã đặt ra.
Mạch hoạt động ổn định, đã thử tắt bật nhiều lần không xảy ra lỗi.
Sai số của mạch là không đáng kể, sau khi đo kết hợp với đồng hồ đo điện chuyên dụng thu được các kết quả sau:
Hình 4 1 Sai số của sản phẩm
Hình 4 2 Hiển thị các thông số trên app điện thoại
Hình 4 3 Cảnh báo qua app di dộng
ĐÁNH GIÁ
Đề tài “Nguyên cứu thiết kế thiết bị giám sát điện năng tiêu thụ cho hộ gia đình” có tính ứng dụng cao trong thực tế Giúp người dùng dễ dàng theo dõi được các thông số điện áp mọi lúc mọi nơi, nhận được cảnh báo ngay lập tức khi có thiết bị sử dụng quá công suất, từ đó tự đánh giá tính toán về mức sử dụng điện năng gia đình góp phần tiết kiệm nguồn năng lượng đang dần cạn kiện cũng như chi phí chi trả tiền điện của chính gia đình.
Sau khi nghiên cứu và thực hiện đề tài, chúng em rút ra được một số ưu điểm và nhược điểm cụ thể như sau: Ưu điểm:
Hiển thị được các thông số cơ bản mà mục tiêu ban đầu đề ra trên LCD và app điện thoại (có tính tiền điện).
Hoạt động ổn định, sai số nhỏ.
Linh kiện sử dụng dễ mua, chi phí phù hợp.
Đề tài chỉ dùng ở mức theo dõi, chưa có điều khiển từ xa.
Sản phẩm chỉ ở mức cơ bản, chưa đủ điều kiện để bán ra thị trường.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Đề tài “Nguyên cứu thiết kế thiết bị giám sát điện năng tiêu thụ cho hộ gia đình” có tính thiết thực cao, tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn chế sản phẩm vẫn còn những nhượccần được khắc phục Để sản phẩm được hoàn thiện hơn chúng em đưa ra một số hướng phát triển như sau:
Phần cứng: sẽ hoàn thiện hơn về phần PCB, phần kết nối cũng như làm việc sâu với các thanh ghi để có thể mang vào các hệ thống nhà thông minh, hệ thống điện mặt trời,…
Phần mềm: cải thiện giao diện, thêm các chức năng điều khiển các thiết bị điện từ xa,
Hy vọng từ những điều đề tài đã thực hiện được cùng với những ý tưởng ở trên sản phẩm sẽ được hoàn thiện một cách tốt nhất.
