6. Tởng quan tình hình nghiín cứu của đề tăi
2.3.5. Măn hình LCD
LCD 4×20 được tâc giả lựa chọn để hiển thị câc thơng số cần giâm sât chẳng hạn như điện âp, dịng điện, cơng suất tâc dụng, cơng suất phản khâng, điện năng tiíu thụ,…
2.4.Cấu trúc phần cứng của hị́ thống
2.4.1. Sơ đồ lắp râp chi tiết
Từ nguyín lý đấu nối đê được trình băy như trong Mục 2.2.1, tâc giả đê nghiín cứu thiết kế sơ đồ lắp râp chi tiết của toăn hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng thơng minh được thể hiện như Hình 2.11.
SCL SDA RST GND IO18 IO19 IO1 IO23 IO05 IO13 IO12 IO14 IO27 IO16 IO17 IO25 IO26 TX0 RX0 IO02 IO04 IO34 IO35 IO36 IO39 IO0 5V RST 3V3 5V GND GND VIN Z MP T1 01B (1) GND OUT V CC A C S 712 (1) GND OUT V CC GND IN V CC A C S 712 (3) GND OUT V CC GND IN V CC A C S 712 (2) GND OUT V CC R E L AY (2) GND IN V CC 220 VAC LOAD 1 LOAD 2 + 5 V D C GND C O M NO NC R E L AY (3) C O M NO NC R E L AY (1) C O M NO NC LCD 4 x 20 ARDUI NO W EMOS
2.4.2. Tổng thể phần cứng
Sau khi thiết kế sơ đồ lắp râp chi tiết, đề tăi tiến hănh lắp râp hệ thống bằng thực nghiệm như Hình 2.12. Câc phần tử chính của hệ thống được chú thích như sau:
Hình 2.12. Tởng thể phần cứng của hệ thống.
2.5.Kết luđ̣n chương 2
Chương 2 đê thực hiện việc thiết kế lựa chọn cấu trúc phần cứng của hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng thơng minh dựa trín bo mạch Arduino Wemos. Câc phần tử của mạch lực như nguồn, tải đê được đề xuất lựa chọn cho hệ thống. Trong đĩ, câc loại tải được đề xuất sử dụng nhằm để tạo ra
1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 10 14 Chú thích: 1: Arduino Wemos R32
2: Cảm biến điện âp ZMPT101B 3: Cảm biến dịng điện mạch 1 4: Cảm biến dịng điện mạch 2 5. Cảm biến dịng điện mạch 3 6: Rơle đĩng/cắt mạch 1 7: Rơle đĩng/cắt mạch 2 8: Rơle đĩng/cắt mạch 3 9: LCD
10. Mơ đun wifi ESP8266 11: Ngõ văo nguồn cấp 220VAC 12: Ngõ ra 1 (cấp tải 1)
13: Ngõ ra 2 (cấp tải 2) 14: Câp USB kết nối mây tính
nhiều kịch bản thực nghiệm nhằm kiểm chứng sự lăm việc của hệ thống cĩ đúng với câc chức năng đê đề ra hay chưa.
Câc linh kiện điện tử phục vụ cho việc đo lường, điều khiển, hiển thị chẳng hạn như cảm biến điện âp xoay chiều ZMPT101B, cảm biến dịng điện xoay chiều ACS712, bo mạch Arduino Wemos, mơđun wifi kết nối với Arduino, măn hình LCD 4×20,… đê được lựa chọn để thu thập dữ liệu, xử lý vă tính tôn câc thơng số mong muốn như điện âp, dịng điện, cơng suất, điện năng tiíu thụ,… vă một số chức năng khâc được tích hợp trong hệ thống.
Cuối cùng nguyín lý kết nối giữa câc phần cứng, sơ đồ chi tiết thể hiện sự đấu nối giữa câc phần tử phần cứng cũng đê được đề xuất trong chương năy. Sau khi nghiín cứu lắp râp hệ thống phần cứng hoăn chỉnh thì hình ảnh tởng thể của hệ thống cũng được thể hiện trong chương năy giúp người đọc dễ dăng hình dung. Trín nền tảng phần cứng năy, câc giải thuật đo lường điện âp, dịng điện, cơng suất, điện năng sẽ được nghiín cứu để nạp văo bo mạch vi xử lý của Arduino, sau đĩ giao tiếp với câc phần tử bín ngoăi như mây tính, măn hình LCD, rơle,… Những nội dung về thiết kế phần mềm của hệ thống sẽ được trình băy chi tiết trong Chương 3.
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ PHĐ̀N MỀM CỦA HỆ THỐNG 3.1.Mở đầu
Sau khi tín hiệu điện âp, dịng điện từ câc cảm biến điện âp ZMPT101B vă cảm biến dịng ACS712 được đưa văo bo mạch Arduino thì chúng cần phải được xử lý vă tính tôn xâc định câc thơng số đo mong muốn để phục vụ cho mục đích quản lý vă giâm sât điện năng của hệ thống chẳng hạn như: điện âp trị hiệu dụng Urms, dịng điện trị hiệu dụng Irms, cơng suất, hệ số cơng suất, điện năng tiíu thụ,… của mạch điện. Do đĩ, nội dung năy sẽ nghiín cứu xđy dựng câc thuật tôn của câc chương trình đĩ.
Bín cạnh đĩ, hệ thống quản lý, giâm sât vă điều khiển từ xa thơng qua câc thiết bị smartphone, mây tính cũng được nghiín cứu thiết kế bằng câch sử dụng câc ứng dụng thơng minh. Việc truyền thơng giữa hệ thống với smartphone hay mây tính sẽ được thực hiện thơng qua mạng internet, câc giao diện HMI sẽ được thiết kế để giúp người vận hănh dễ dăng quản lý, giâm sât vă điều khiển.
3.2.Giới thiị́u câc phần mềm được âp dụng
Câc phần mềm được sử dụng trong đề tăi năy với mục đích nạp chương trình văo bo mạch Arduino, thiết kế giao diện HMI trín mây tính, smartphone để giúp quản lý, giâm sât vă điều khiển hệ thống. Những phần mềm được âp dụng bao gồm:
+ Phần mềm Arduino IDE. + Ứng dụng Blynk.
3.2.1. Phần mềm Arduino IDE
Arduino IDE lă một chương trình phần mềm mê nguồn mở cho phĩp người dùng viết vă tải lín mê trong một mơi trường lăm việc thời gian thực.
Vì mê năy sau đĩ sẽ được lưu trữ trong đâm mđy, nĩ thường được sử dụng bởi những người đê tìm kiếm thím một mức dư thừa. Hệ thống năy hoăn toăn tương thích với bất kỳ bo mạch phần mềm Arduino năo. Giao diện chính của phần mềm Arduino IDE được thể hiện như Hình 3.1.
Hình 3.1. Giao diện chương trình Arduino IDE.
3.2.2. Phần mềm Blynk
Blynk thực ra lă một câi App trín điện thoại, cho phĩp người dùng cĩ thể tạo ra giao diện vă điều khiển thiết bị theo ý thích của câ nhđn. Đề tăi năy lựa chọn Blynk vì một số lý do sau:
- Dễ sử dụng: Quâ đơn giản, chỉ việc văo store, căi đặt, sau đĩ đăng ký tăi khoản vă mất khơng quâ 5 phút để lăm quen.
- Đẹp vă đầy đủ: Giao diện của Blynk quâ tuyệt vời, sử dụng bằng câch
kĩo thả, bạn cần nút bấm, kĩo thả nút bấm, bạn cần đồ thị, kĩo thả đồ thị, bạn cần LCD, kĩo thả LCD, tĩm lại lă bạn cần gì thì kĩo thả câi đĩ.
Khơng phải lập trình android hay ios: Nếu như khơng cĩ kiến thức về lăm App trín điện thoại thì việc điều khiển thiết bị từ chính smartphone của mình quả lă điều vơ cùng khĩ khăn vă phức tạp. Nhờ Blynk thì chúng ta cĩ thể bỏ qua bước lập trình tạo App. Cĩ thể thử nhanh chĩng vă ứng dụng được dự ân của mình văo thực tế.
Thử nghiệm nhanh chĩng, cĩ thể điều khiển giâm sât ở bất kỳ nơi năo cĩ internet. Tất nhiín ngoăi những điểm lợi từ Blynk thì cịn cĩ những câi hạn chế như phải mua energy để tạo được nhiều giao diện vă chia sẻ giao diện cho người khâc. Những câi năy cũng khơng phải lă vấn đề lớn lắm. Để sử dụng được Blynk thì cần phải tải thư viện của nĩ thơng qua Arduino IDE. Ứng dụng Blynk được thể hiện như Hình 3.2.
Hình 3.2. Chức năng chính của Blynk.
Câc thănh phần cơ bản của Blynk:
- Code để nạp lín device Arduino: Blynk hỗ trợ rất nhiều loại board Arduino khâc nhau như Uno R3 kết hợp với Module Ethernet hay NodeMCU (ESP8266); Cĩ thể tải trín library trín Arduino IDE.
- Mobile app: Hỗ trợ điều khiển thiết bị trín điện thoại, cĩ trín Android vă iOS luơn, chúng ta cĩ thể dễ dăng lín store lă kĩo về để thiết kế.
- Server: Đđy lă phần trung gian giao tiếp giữa điện thoại vă thiết bị. Hình ảnh giao diện thiết kế của ứng dụng Blynk trín smartphone được thể hiện như trong Hình 3.3. Trong đĩ Hình 3.3(a) thể hiện giao diện của một dự ân mới được khởi tạo; Hình 3.3(b) thể hiện câc đối tượng được lựa chọn để thiết kế phần mềm của hệ thống, mỗi đối tượng sẽ được gân một biến ảo để cập nhật dữ liệu thời gian thực từ bo mạch Arduino Wemos truyền về smartphone thơng qua mạng wifi internet hoặc ngược lại nĩ sẽ được gân một biến ảo để cĩ thể điều khiển ngược lại hệ thống phần cứng; vă Hình 3.3(c) lă một ví dụ của một dự ân đê hoăn thiện mă trong đĩ câc đối tượng sẽ được sắp xếp, bố trí theo ý muốn của người thiết kế để thực hiện câc chức năng của hệ thống.
(a) (b) (c)
Hình 3.3. Giao diện thiết kế project của Blynk.
(a) Project mới; (b) Câc đối tượng lựa chọn; (c) Project sau khi thiết kế.
3.3.Phương phâp xâc định trị hiị́u dụng
Về cơ bản tín hiệu đầu ra của cảm biến điện âp ZMPT101B hay cảm biến dịng điện ACS712 lă tín hiệu điện âp xoay chiều hình sin u(t) cĩ giâ trị
lớn nhất lă 5V vă nhỏ nhất lă 0V để phù hợp với ngõ văo tương tự của Arduino như hình Hình 3.4(a). Tín hiệu năy sẽ được lấy mẫu u(ADC) với thời gian lấy mẫu lă Δt. Giâ trị 512 trín trục hoănh của Hình 3.4(b) tương ứng với giâ trị 0 V trong tín hiệu tương tự. Từ câc giâ trị mẫu năy, câc phương phâp tính tôn sẽ được âp dụng để tính tôn điện âp trị hiệu dụng. Trong mục năy, tâc giả trình băy 2 phương phâp thường được âp dụng bao gồm: phương phâp đỉnh - đỉnh vă phương phâp trị hiệu dụng.
t Analog Upp t Digital Upp(ADC) u(t) u(ADC) (a) (b) 512
Hình 3.4. (a) Tín hiệu tương tự; (b) Tín hiệu số hĩa.
3.3.1. Phương phâp đỉnh – đỉnh
Trong Hình 3.4, Up1 lă điện âp đỉnh ở nửa chu kỳ dương, Up2 lă điện âp đỉnh ở nửa chu kỳ đm. Bằng phương phâp tìm điện âp đỉnh trong một chu kỳ của sĩng đầu ra của cảm biến điện âp ZMPT101B hay cảm biến dịng điện ACS712, ta cĩ thể xâc định được giâ trị biín độ (Um) của sĩng đầu ra như sau [14]: p1 p2 m U U U 2 (3.1) Trong đĩ:
Up2 – điện âp đỉnh ở nửa chu kỳ đm. Um – biín độ của sĩng đầu ra.
Do đĩ, trị hiệu dụng (Urms) của sĩng đầu ra sẽ được xâc định như sau:
m rms U U 2 (3.2)
3.3.2. Phương phâp trị hiệu dụng RMS
Theo [15], điện âp trị hiệu dụng lă giâ trị trung bình bình phương của câc mẫu trong một khoảng thời gian lấy mẫu năo đĩ. Do đĩ, điện âp trị hiệu dụng Urms của tín hiệu điện âp sẽ được xâc định theo cơng thức sau:
N 2 rms i i 1 1 U u N (3.3) Trong đĩ:
ui lă mẫu điện âp thứ i. N tởng số mẫu điện âp.
3.3.3. Lựa chọn phương phâp
Để đânh giâ sự ởn định của 2 phương phâp đê trình băy ở trín nhằm đề xuất giải thuật đo điện âp trị dụng phù hợp nạp văo trong bo mạch Arduino để đo điện âp Urms, trong mục năy đề tăi nghiín cứu phđn tích sự ởn định của hai phương phâp đối với câc kịch bản cĩ thể xảy ra như sau:
Trường hợp 1: Điện âp hình sin lý tưởng
Giả sử điện âp hình sin lý tưởng cĩ biín độ lă 1 (pu) gĩc pha ban đầu bằng 0 được thể hiện như phương trình sau:
u(t)sin t (3.4)
Trong đĩ:
ω = 2πf (f lă tần số cơ bản). t thời gian (s).
Tín hiệu điện âp (3.3) được lấy mẫu với khoảng thời gian Δt = 0,001 s, do đĩ cĩ 20 mẫu trong khoảng thời gian một chu kỳ 0,02 s. Đường mău đỏ trong Hình 3.5 lă tín hiệu điện âp trong khoảng thời gian một chu kỳ 0,02 s. Sử dụng phương phâp đỉnh – đỉnh vă phương phâp trị hiệu dụng để xâc định giâ trị điện âp trị hiệu dụng của tín hiệu điện âp năy thì ta được kết quả hoăn toăn giống nhau. Điều năy được thể hiện bởi hai đường mău xanh vă mău đen trín Hình 3.5 hoăn toăn trùng nhau.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Mau dien ap D ie n a p ( p u )
Tin hieu dien ap P/phap tri hieu dung P/phap dinh dinh
Hình 3.5. Đo điện âp trị hiệu dụng khi tín hiệu điện âp hình sin lý tưởng.
Trường hợp 2: Điện âp cĩ thănh phần hăi
Giả sử, ngoăi thănh phần tần số cơ bản 50 Hz thì tín hiệu điện âp cịn bao gồm thănh phần hăi bậc 3 cĩ biín độ lă 0,2 pu như sau:
u(t)sin t 0, 2sin 3 t (3.5)
Tương tự như mục trước, tín hiệu điện âp (3.5) cũng được lấy mẫu với khoảng thời gian Δt = 0,001 s, do đĩ cĩ 20 mẫu trong khoảng thời gian một chu kỳ 0,02 s. Đường mău đỏ trong Hình 3.6 lă tín hiệu điện âp trong khoảng thời gian một chu kỳ 0,02 s. Sử dụng phương phâp đỉnh – đỉnh vă phương
phâp trị hiệu dụng để xâc định giâ trị điện âp trị hiệu dụng của tín hiệu điện âp năy thì ta được kết quả khâc nhau. Đường mău đen thể hiện giâ trị điện âp trị hiệu dụng của phương phâp trị hiệu dụng vă đường mău xanh thể hiện giâ trị điện âp trị hiệu dụng của phương phâp đỉnh - đỉnh.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Mau dien ap D ie n a p ( p u )
Tin hieu dien ap P/phap tri hieu dung P/phap dinh dinh
Hình 3.6. Đo điện âp trị hiệu dụng khi tín hiệu điện âp cĩ thănh phần hăi.
Trường hợp 3: Điện âp hình sin cĩ mẫu lạ
Hiện tượng mẫu lạ xuất hiện trong quâ trình lấy mẫu tín hiệu điện âp cĩ thể xảy ra do câc nguyín nhđn khâc nhau. Chẳng hạn do, nhiễu xuất hiện trong quâ trình lấy mẫu, hoặc do sai số của cảm biến,… Do đĩ để đânh giâ được hiệu quả của hai phương phâp đê níu ở trín thì đề tăi nghiín cứu giả định tín hiệu điện âp hình sin lý tưởng cĩ xuất hiện một mẫu lă ở thời điểm lấy mẫu của mẫu thứ 6 lă u6 = 1,4 pu. Khi đĩ tín hiệu điện âp được thể hiện bởi đường mău đỏ trín Hình 3.7. Bởi vì sự xuất hiện mẫu lă u6 nín lăm cho phương phâp đỉnh – đỉnh sẽ xâc định giâ trị Upp sẽ bị sai vă dẫn đến giâ trị điện âp trị hiệu dụng của nĩ cũng bị sai. Cịn đối với phương phâp trị hiệu dụng thì chỉ mẫu lạ năy sẽ khơng lăm thay đởi giâ trị điện âp hiệu dụng đo
được. Điều năy được thể hiện rõ bởi đường mău xanh vă mău đen trín Hình 3.7. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 Mau dien ap D ie n a p ( p u )
Tin hieu dien ap P/phap tri hieu dung P/phap dinh dinh
Hình 3.7. Đo điện âp trị hiệu dụng khi tín hiệu điện âp cĩ mẫu lạ.
Từ câc kết quả của ba trường hợp trín, tâc giả tởng hợp câc kết quả để phđn tích đânh giâ vă lựa chọn phương phâp nhằm xđy dựng giải thuật đo điện âp trị hiệu dụng Urms hay dịng điện trị hiệu dụng Irms để nạp văo bo mạch Arduino.
3.4.Đo lường câc đại lượng điị́n
3.4.1. Đo điện âp trị hiệu dụng (Urms )
Giả sử điện âp xoay chiều hình sin ở đầu ra của cảm biến điện âp ZMPT101B cĩ biín độ lă Um vă gĩc pha ban đầu bằng 0 vă được lấy mẫu bởi bộ chuyển đởi tương tự số ADC của Arduino với thời gian lấy mẫu bằng Δt được thể hiện như cơng thức sau:
m
u(k)U sin kt (3.6)
Trong đĩ:
ω = 2πf (f lă tần số cơ bản). Δt lă thời gian lấy mẫu (s). k lă mẫu thứ k.
Khi đĩ, giâ trị điện âp trị hiệu dụng sẽ được xâc định lă:
N 2 rms k k 1 1 U u N (3.7)
3.4.2. Đo dịng điện trị hiệu dụng (Irms)
Tương tự với cảm biến điện âp ZMPT101B, tín hiệu đầu ra của cảm biến dịng điện xoay chiều ACS712 cũng lă tín hiệu điện âp xoay chiều hình sin u(t) cĩ giâ trị lớn nhất lă 5V vă nhỏ nhất lă 0V để phù hợp với ngõ văo tương tự của Arduino như hình Hình 3.4(a). Sau đĩ, tín hiệu năy cũng sẽ được lấy mẫu u(ADC) với thời gian lấy mẫu lă Δt. Giâ trị 512 trín trục hoănh của Hình