(Đồ án tốt nghiệp) đo lường và giám sát hệ thống 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 CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐO LƯỜNG VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG HỘ GIA ĐÌNH GVHD: NGUYỄN MẠNH HÙNG SVTH: TRẦN VĂN TUẤN MSSV: 13141415 SKL006523 Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2018 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: ĐO LƯỜNG VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG HỘ GIA ĐÌNH GVHD: TS.Nguyễn Mạnh Hùng SVTH: Trần Văn Tuấn Tp Hồ Chí Minh – 01/2018 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: ĐO LƯỜNG VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG HỘ GIA ĐÌNH GVHD: TS.Nguyễn Mạnh Hùng SVTH: Trần Văn Tuấn Tp Hồ Chí Minh – 01/2018 LỜI CAM ĐOAN Chúng xin cam đoan đề tài này là chúng tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không chép từ tài liệu hay công trình nghiên cứu đã có trước đó Nếu không đúng đã nêu trên, chúng xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về đề tài của mình Người thực hiện đề tài Huỳnh Níc Pho Trần Văn Tuấn i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.Nguyễn Mạnh Hùng, giảng viên khoa Điện – Điện Tử người đã tận tình hướng dẫn, bảo chúng em suốt quá trình làm khoá luận Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung, các thầy cô Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp -Y Sinh nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương các môn chuyên ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em suốt quá trình học tập Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp Người thực hiện đề tài Huỳnh Níc Pho Trần Văn Tuấn ii MỤC LỤC NỘI DUNG Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỊCH TRÌNH LÀM ĐỒ ÁN TỐTNGHIỆP LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH v DANH MỤC BẢNG vii TÓM TẮT ĐỀ TÀI viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Giới hạn 1.5 Bố cục CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu phần cứng 2.1.1 Biến dòng 2.1.2 Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số 2.1.3 Các chuẩn giao tiếp 11 2.1.3.1 Giao tiếp IC ghi dịch 74HC595 11 2.1.3.2 Giao thức I2C 12 2.2 Khái quát về công cụ machine learning 13 2.2.1 Giới thiệu về machine learning 13 2.2.2 Giảm chiều liệu 13 2.2.3 Chuẩn hóa liệu 18 2.2.4 Phát hiện điểm bất thường 19 2.2.5 Đọc một bảng excel vào một pandas DataFram 22 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ 24 3.1 Giới thiệu 24 iii 3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 24 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 24 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 26 3.2.2.1 Thiết kế khối đo lường 26 3.2.2.2 Khảo sát khối chuyển đổi tín hiệu 35 3.2.2.3 Khảo sát khới máy tính nhúng 41 3.2.2.4 Khảo sát khối hiển thị 44 3.2.2.5 Thiết kế khối cảnh báo 48 3.2.2.6 Thiết kế khối bảo vệ 49 3.2.2.7 Thiết kế khối nguồn 51 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 52 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 53 4.1 Giới thiệu 53 4.2 Thi công hệ thống 53 4.2.1 Thi công bo mạch 53 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 54 4.2.2.1 Lắp ráp 55 4.2.2.2 Kiểm tra mạch đo 55 4.3 Đóng gói và thi công mô hình 56 4.4.Lập trình hệ thống 56 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 56 4.4.2 Phần mềm lập trình cho máy tính nhúng 59 4.5 Quy trình đào tạo và phân loại liệu 61 4.5.1 Quá trình thu thập liệu chuẩn 62 4.5.2 Quá trình đào tạo hệ thống 62 4.5.3 Quá trình kiểm tra bộ nhận dạng …………………………………………….63 4.5.4 Kết luận đợ xác của bộ nhận dạng 63 4.6 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác 65 4.6.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 65 4.6.2 Quy trình thao tác 66 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ-NHẬN XÉT-ĐÁNH GIÁ 67 iv 5.1 Kết 67 5.2 Nhận xét- đánh giá 72 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN-HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73 6.1 Kết luận 73 6.2 Hướng phát triển 73 CHƯƠNG 7: TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 v DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Cấu tạo máy biến dòng Hình 2.2: Máy biến dòng dạng dây quấn Hình 2.3 Máy biến dòng dạng vòng Hình 2.4 Máy biến dịng dạng khới Hình 2.5 Mạch flash ADC bit Hình 2.6 Tín hiệu tương tự và lượng tử hóa 10 Hình 2.7: Hình ảnh thực tế của 74HC595 11 Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch đo các thông số của nguồn điện 25 Hình 3.2: Mạch đo điện áp 26 Hình 3.3: Mạch đo dòng điện 28 Hình 3.4: Mạch khuếch đại không đảo 29 Hình 3.5: Dạng sóng mạch khuếch đại không đảo 29 Hình 3.6: Mạch khuếch đại đảo 30 Hình 3.7: Dạng sóng mạch khuếch đại đảo 30 Hình 3.8: Mạch ghim điện áp 31 Hình 3.9: Dạng sóng mạch ghim điện áp 31 Hình 3.10: Giản đồ hệ số công suất 33 Hình 3.11: Dạng sóng điện áp, dòng điện trước và sau qua mạch so sánh 34 Hình 3.12: Cos φ biểu diễn theo vòng tròn lượng giác 34 Hình 3.13: Mạch đo hệ số công suất 35 Hình 3.14 : Hình ảnh thực tế của ADS1115 36 Hình 3.15: Hình ảnh thực tế của Raspberry Pi 42 Hình 3.16 : Các chân của Raspberry Pi 43 Hình 3.17: Hình dạng và sơ đồ chân GLCD 45 Hình 3.18: Sơ đồ ngun lý khới cịi báo 48 Hình 3.19: Còi báo 49 Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý khối relay 49 Hình 3.21 Hình dáng relay 50 Hình 3.22: Hình dạng contactor 50 Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đôi 51 vi CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ Hình 5.6: Hình ảnh mợt mẫu test bình thường Hình 5.7: Hình ảnh mợt mẫu test bất thường BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 71 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 5.2 NHẬN XÉT-ĐÁNH GIÁ Mạch đạt yêu cầu đặt là: đo các thơng sớ của nguồn điện như: điện áp, dịng điện, hệ số công suất và đưa các cảnh báo sử dụng điện Hệ thớng có tính ổn định, thời gian đáp ứng nhanh, an toàn, dễ sử dụng Tuy nhiên bên cạnh nhiều hạn chế như: hệ thớng cịn nhiễu gây kết đo đơi có sự chênh lệch lớn, có tính thẩm mỹ chưa cao… Hình 5.8: Hình ảnh hệ sớ cơng suất của các loại tải Có thể thấy hệ số công suất của tải điện tử và tải trở cao tải động Hệ số công suất của các số 1, 2, dộng quạt điện có sự thay đổi Các loại tải điện trở nồi cơm điện hay bệp điện có điện trở cuộn dây nhiệt tăng theo nhiệt đợ làm cho dịng điện và cồn suất dảm theo nhiệt độ Vẫn có một số mẫu đo lỗi tạo các điểm bất thường có thể gây sự nhầm lẫn cho hệ thống nhận diện và phân loại BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 72 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN Sau một khoảng thời gian nghiên cứu thì đề tài đã thu nhiều thành công định như:  Đo các thông số của nguồn điện như: điện áp, dịng điện, hệ sớ cơng suất, công suất,…  Giám sát điện tiêu thụ một khoảng thời gian định  Cảnh báo các sự cố về sử dụng điện như: quên tắt các thiết bị không cần thiết, quá điện áp, quá dịng,…  Dùng thuật toán machine learning để tính toán đưa các cảnh báo cần thiết  Có giải pháp bảo vệ cho các tải tiêu thụ 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN  Thiết kế giao diện theo dõi điện thoại thông minh để người dùng thuận tiện sử dụng  Các thông số đo thì lưu vào sở liệu để dễ dàng tra cứu  Thiết kế thêm số lượng tải tiêu thụ lớn để dùng cơng nghiệp BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH Trang 73 CHƯƠNG TÀI LIỆU THAM KHẢO Chương TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách tham khảo [1] Trần Thu Hà, Trương Thị Bích Ngà, Nguyễn Thị Lưỡng, Bùi Thị Tuyết Đan, Phù Thị Ngọc Hiếu, Dương Thị Cẩm Tú,”Giáo trình Điện tử bản” NXB ĐH Quốc Gia Tp.HCM, 2013 [2] Hoàng Ngọc Văn, “Giáo trình Điện tử công suất” Trường đại học SPKT TP.HCM Nguồn khác [3] Các lớp thư viện scikit-learn: http://scikit-learn.org/stable/modules/classes.html [4] Hàm giảm chiều liệu http://scikit-learn.org/stable/modules/generated/sklearn.decomposition.PCA.html [5] Hàm chuẩn hóa liệu http://scikitlearn.org/stable/modules/generated/sklearn.preprocessing.MaxAbsScaler.html [6] Hàm phát hiện Outlier http://scikitlearn.org/stable/modules/generated/sklearn.neighbors.LocalOutlierFactor.html#skle arn.neighbors.LocalOutlierFactor [7] Hàm đọc định dạng excel https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/generated/pandas.read_excel.html [8] Giới thiệu về machine learning https://pythonprogramming.net/machine-learning-tutorials BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 74 PHỤ LỤC Lưu đồ chương trình đo hệ sớ cong suất: BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 75 Lưu đồ chương trình đo dòng điện và điện áp: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 76 Chương trình đo điện áp, dòng điện, hệ số công suất: import xlwt from datetime import datetime from random import randint import os import pandas as pd import numpy as np import threading from time import sleep import time import math import Adafruit_ADS1x15 import RPi.GPIO as GPIO from sklearn.preprocessing import MaxAbsScaler from sklearn.decomposition import PCA import matplotlib.pyplot as plt from sklearn.neighbors import LocalOutlierFactor from sklearn.externals import joblib day, month = 0, i=1 book = xlwt.Workbook(encoding="utf-8") dt = datetime.now() timertam=0 ph=0 ptime=0 for file in os.listdir("/home/pi/DATN/data"): if file.endswith("data_"+str(dt.date().year)+"_"+ str(dt.date().month)+"_"+str(dt.date().day)+".xls"): #rename file data_ to datanew_ os.rename("data_"+str(dt.date().year)+"_"+ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 77 str(dt.date().month)+"_"+str(dt.date().day)+ ".xls","datanew_"+str(dt.date().year)+"_"+ str(dt.date().month)+"_"+str(dt.date().day)+".xls") df = pd.read_excel("/home/pi/DATN/data/datanew_"+ str(dt.date().year)+"_"+ str(dt.date().month) +"_"+str(dt.date().day)+".xls",sheetname="sheet") sheet = book.add_sheet("sheet") sheet.write(0, 0, "voltage") sheet.write(0, 1, "current") sheet.write(0, 2, "factor") sheet.write(0, 3, "power") sheet.write(0, 4, "datetime") for n in range(0,len(df.as_matrix())): sheet.write(n+1, 0, df.as_matrix()[n][0]) sheet.write(n+1, 1, df.as_matrix()[n][1]) sheet.write(n+1, 2, df.as_matrix()[n][2]) sheet.write(n+1, 3, df.as_matrix()[n][3]) sheet.write(n+1, 4, df.as_matrix()[n][4]) i=n+2 os.remove("/home/pi/DATN/data/datanew_"+str(dt.date().year)+"_" +str(dt.date().month)+"_"+str(dt.date().day)+".xls") day = dt.date().day adc = Adafruit_ADS1x15.ADS1115() GPIO.setmode(GPIO.BCM) GPIO.setwarnings(False) GPIO.setup(20, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN) GPIO.setup(21, GPIO.IN, pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN) GPIO.setup(16, GPIO.OUT) GPIO.output(16, GPIO.LOW) lcdclock = lcddata = 10 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 78 lcdenable = 11 e=4 GPIO.setup(lcddata, GPIO.OUT) GPIO.setup(lcdclock, GPIO.OUT) GPIO.setup(lcdenable, GPIO.OUT) GPIO.setup(e, GPIO.OUT) def xuat_2_byte(byte1,byte2): data='{0:08b}'.format(byte1) for xlcd in data: if xlcd==str(1): GPIO.output(lcddata, GPIO.HIGH) else: GPIO.output(lcddata, GPIO.LOW) GPIO.output(lcdclock, GPIO.HIGH) GPIO.output(lcdclock, GPIO.LOW) data='{0:08b}'.format(byte2) data=list(data) for xlcd in range(0,8): if data[7-xlcd]==str(1): GPIO.output(lcddata, GPIO.HIGH) else: GPIO.output(lcddata, GPIO.LOW) GPIO.output(lcdclock, GPIO.HIGH) GPIO.output(lcdclock, GPIO.LOW) def lcd_cmd(cmd): xuat_2_byte(0,int(cmd)) GPIO.output(lcdenable, GPIO.HIGH) GPIO.output(lcdenable, GPIO.LOW) GPIO.output(e, GPIO.LOW) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 79 time.sleep(0.001) GPIO.output(e, GPIO.HIGH) def lcd_data(dt): xuat_2_byte(128,dt) GPIO.output(lcdenable, GPIO.HIGH) GPIO.output(lcdenable, GPIO.LOW) GPIO.output(e, GPIO.LOW) time.sleep(0.001) GPIO.output(e, GPIO.HIGH) def lcd_int(mode): lcd_cmd(mode) time.sleep(0.001) lcd_cmd(0x0c) time.sleep(0.001) lcd_cmd(0x01) time.sleep(0.01) lcd_cmd(0x06) time.sleep(0.001) def lcd_put_text(s, line, xx=0): if xx>7: xx=7 if type(s) != str: s=str(s) if line==1: lcd_cmd(int(0x80)+xx) elif line==2: lcd_cmd(int(0x90)+xx) elif line==3: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 80 lcd_cmd(int(0x88)+xx) elif line==4: lcd_cmd(int(0x98)+xx) for dc in s: lcd_data(ord(dc)) def lcd_clear(): lcd_cmd(0x01) time.sleep(0.01) def lcd_clear_line(line): lcd_cmd(0x01) if line==1: lcd_cmd(0x80) elif line==2: lcd_cmd(0x90) elif line==3: lcd_cmd(0x88) elif line==4: lcd_cmd(0x98) for i in range(0,15): lcd_data(32) def get_adc(channe): GPIO.output(16, GPIO.LOW) if channe == 0: Gain=16 value=0.256 else: Gain=16 value=4.096 data=0 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 81 while 1: if data>=32000: if Gain==16: Gain=8 value=0.512 elif Gain==8: Gain=4 value=1.024 elif Gain==4: Gain=2 value=2.048 else: Gain=1 value=4.096 if data