Thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng trong hộ gia đình

Chính vì vậy, nhu cầu sử dụng điên năng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hằng ngày.[7] Trong quá trình sử dụng điện năng tiêu thụ cho các thiết bị điện trong gia đình

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH -

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử, truyền thông Mã ngành: 141

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỆN

NĂNG TIÊU THỤ TRONG HỘ GIA ĐÌNH

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

- Thiết kế hệ thống đo dòng điện và điện áp của lưới điện gia đình

- Tính toán công suất và điện năng

- Giao tiếp bộ xử lý trung tâm, báo sự cố quá công suất

- Kết nối Internet gửi dữ liệu

2 Nội dung thực hiện:

- Nhiệm vụ 1: Giao tiếp các mô - đun với Vi điều khiển

- Nhiệm vụ 2: Giao tiếp giữa các Client-Client-Server

- Nhiệm vụ 3: Thiết kế các mạch đo lường, giao tiếp, mô hình hệ thống

- Nhiệm vụ 4: Hiển thị thông tin và quản lý dữ liệu trên Web và hệ thống cảnh báo khi

có sự cố

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 29/06/2018

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS.Nguyễn Trường Duy

Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng trong hộ gia đình

GVHD

1 Tìm hiểu về đề tài, lựa chọn hướng xây dựng và

tham khảo một số hệ thống đã có

2 Lựa chọn, tìm hiểu cách thức hoạt động của một

số cảm biến, vi điều khiển

3 Tiến hành thực nghiệm hệ thống qua các loại vi

điều khiển, các mô- đun giao tiếp khác nhau

4 Lập trình cho vi điều khiển sau khi đã lựa chọn

xong vi điều khiển và các thiết bị mong muốn

5 Kiểm tra hoạt động của hệ thống, chỉnh sửa

6 Tiến hành lập trình trang web, gửi dữ liệu

7 Thiết kế hệ thống, vẽ sơ đồ mạch nguyên lý, thiết

kế mạch in

8 Tiến hành làm mạch, kiểm thử và chỉnh sửa các

lỗi, sau đó hoàn chỉnh bằng các phiên bản khác

9 Thiết kế mô hình cho các thiết bị đo và thiết bị

trung tâm

10 Tiến hành thử nghiệm hệ thống trong thực tế ở

khoảng cách mong muốn

11 Đóng gói thiết bị bằng thành một sản phẩm hoàn

chỉnh

13 Viết báo cáo, thiết kế powerpoint

GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)

Đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép

từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Văn Cang Nguyễn Chí Dũng

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Trường Duy_ Giảng viên bộ môn Điện tử Công Nghiệp - Y Sinh đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để hoàn thành tốt đề tài

Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài

Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn trong lớp 1414DT1 và 1414DT2 đã chia

sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Trang bìa i

Nhiệm vụ đồ án ii

Lịch trình iii

Cam đoan v

Lời cảm ơn vi

Mục lục vii

Liệt kê hình vẽ x

Liệt kê bảng vẽ xii

Tóm tắt xiii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 1

1.3 NỘi DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN 2

1.5 BỐ CỤC 3

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 QUY TRÌNH THỰC HIỆN HỆ THỐNG 5

2.1.1 Mô tả quy trình đo điện năng 5

2.1.2 Mô tả quy trình giám sát và cảnh báo 5

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 6

2.2.1 Cảm biến biến dòng Hall 100A YHDC 6

2.2.2 Module cảm biến điện áp AC 7

2.2.3 Vi Điều Khiển Arduino Nano 9

2.2.4 Module chuyển giao tiếp LCD sang I2C 11

2.2.5 Module LCD 20x4 13

2.2.6 Module NodeMCU ESP8266 20

2.2.7 Module Sim900A 25

2.2.8 Đồng hồ thời gian thực DS1307 27

2.2.9 IC EEPROM 24LC512 29

2.3.2 Chuẩn giao tiếp I2C 33

2.4 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM 38

2.4.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE 1.8.1 38

2.4.2 Phần mềm thiết kế mạch Altium 40

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 43

3.1 GIỚI THIỆU 43

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 43

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 44

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 45

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 65

4.1 GIỚI THIỆU 65

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 65

4.2.1 Thi công bo mạch 65

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 68

4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 70

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 71

4.4.1 Lưu đồ giải thuật 71

4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 74

4.4.3 Phần mềm lập trình Web Server 78

Chương 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 87

5.1 KẾT QUẢ KHẢO SÁT 87

5.1.1 Cảm biến 87

5.1.2 Vi điều khiển 88

5.1.3 Một số mô-đun khác và các chuẩn giao tiếp 89

5.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 90

5.2.1 Một số hình ảnh về hệ thống 91

5.2.2 Website 95

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 97

6.1 KẾT LUẬN 97

Phụ lục 100

Hình 2 1: Cảm biến dòng điện Hall 100A YHDC 6

Hình 2 2: Mặt cắt kỹ thuật chi tiết Hall 100A YHDC 7

Hình 2 3: Module cảm biến điện áp 8

Hình 2 4: Arduino Nano 9

Hình 2 5: Module giao tiếp I2C 11

Hình 2 6: Giao tiếp với LCD qua mạch chuyển I2C 12

Hình 2 7: LCD 20x4 13

Hình 2 8: Giản đồ thời gian chu kỳ đọc của LCD 16

Hình 2 9: Giản đồ thời gian chu kỳ ghi của LCD 17

Hình 2 10: Sơ đồ khối của bộ điều khiển LCD 18

Hình 2 11: Module NodeMCU ESP8266 V3 20

Hình 2 12: Chip ESP8266 22

Hình 2 13: Sơ đồ chân ESP8266 23

Hình 2 14: Module Sim 900A 25

Hình 2 15: Kết nối Module Sim 900A với arduino 26

Hình 2 16: Hai gói cấu tạo chip DS1307 27

Hình 2 17: Mạch đồng hồ thời gian thực DS1307 28

Hình 2 18: Mặt trước và sau của Module IC thời gian thực DS1307 28

Hình 2 19: IC Eeprom 24LC512 29

Hình 2 20: IC ổn áp LM2576 30

Hình 2 21: Cấu tạo của LM2576 31

Hình 2 22: Mô tả giao tiếp UART 32

Hình 2 23: Cấu trúc một khung dữ kiệu trong chuẩn giao tiếp UART 32

Hình 2 24: Mạng I2C với nhiều thiết bị và 2 điện trở kéo lên cho SDA, SCL 34

Hình 2 25: Giản đồ xung của SCL và SDA 35

Hình 2 26: Giản đồ xung khi có REPEAT START 35

Hình 2 27: Giản đồ xung khi có Address Packet Format 37

Hình 2 28: Giản đồ xung định dạng gói dữ liệu trong I2C 38

Hình 2 29: Khung truyền dữ liệu trong I2C 38

Hình 2 30: Giao diện Arduino IDE với project mới (sketch mới) 39

Hình 2 31: Biên dịch thành công 40

Hình 2 32: Màn hình khởi động của Altium 16 41

Hình 2 33: Cửa sổ làm việc thiết kế mạch nguyên lý Altium 41

Hình 2 34: Cửa sổ thiết kế PCB 42

Hình 3 1: Sơ đồ khối toàn hệ thống 44

Hình 3 2: Sơ đồ khối của khối đo dòng điện 46

Hình 3 3: Kết nối ngõ ra cảm biến dòng điện Hall với Arduino 47

Hình 3 4: Đo dòng điện thông qua điện áp trên 2 đầu điện trở 48

Hình 3 5: Thêm 2 điện trở phân áp 49

Hình 3 6: Biểu đồ ngõ ra khi chưa được gắn tụ C1 49

Hình 3 7: Ngõ ra sau khi gắn tụ C1 50

Hình 3 8: Cách kết nối đúng của Hall 100A YHDC với đường dây 51

Hình 3 9: Sơ đồ nguyên lý khối đo dòng điện 52

Hình 3 10: Sơ đồ khối của khối đo điện áp 52

Hình 3 11: Module cảm biến điện áp 53

Hình 3 13: Đặc tính đầu ra của ZMPT101B……… 54

Hình 3 14: Sơ đồ nguyên lý khối đo điện áp 54

Hình 3 15: Sơ đồ khối của khối xử lý trung tâm 55

Hình 3 16: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 57

Hình 3 17: Sơ đồ chân IC 24LC512 59

Hình 3 18: Chọn các giá trị cho t_r và C_b 61

Hình 3 19: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 62

Hình 3 20: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 64

Hình 4 1: Bản vẽ thiết kế khối đo 65

Hình 4 2: Mô phỏng 3D của mạch 66

Hình 4 3: Mạch in của mạch 66

Hình 4 4: Mạch sau khi tiến hành in và rửa mạch 68

Hình 4 5: Mô hình thi công thử nghiệm 68

Hình 4 6: Bo mạch tháo rời LCD 69

Hình 4 7: Mô hình đóng gói của sản phẩm 70

Hình 4 8: Bo mạch bên trong của sản phẩm 71

Hình 4 9: Lưu đồ giải thuật chính của hệ thống 72

Hình 4 10: Lưu đồ chương trình đo 73

Hình 4 11: Tải phần mềm 74

Hình 4 12: Giao diện phần mềm 75

Hình 4 13: Hướng dẫn sử dụng phần mềm 75

Hình 4 14: Thêm đường link để tải driver 77

Hình 4 15: Nhấn Install để cài đặt 77

Hình 4 16: Chọn mudule NodeMCU 0.9 78

Hình 4 17: File cài đặt Adobe Dreamweaver CS6 79

Hình 4 18: Nhấn Accept để chấp nhận 80

Hình 4 19: Nhấn chọn Next để tiếp tục 80

Hình 4 20: Nhấn Install để cài đặt 81

Hình 4 21: Chương trình đang cài đặt vào máy 81

Hình 4 22: Nhấn Done để hoàn tất quá trình cài đặt 82

Hình 4 23: Giao diện Adobe Dreamweaver CS6 82

Hình 4 24: Tạo project mới 83

Hình 4 25: Lựa chọn ngôn ngữ thiết kế và tạo chương trình 84

Hình 4 26: Khung soạn thảo code 85

Hình 5 1: Cảm biến dòng diện Hall 100A YHDC 87

Hình 5 2: Module cảm biến điện áp 88

Hình 5 3: Module NodeMCU ESP8266 89

Hình 5 4: Quá trình đo điện năng tiêu thụ 91

Hình 5.5 Báo cáo sai số thông qua phép đo nhiều giá trị dòn điện 92

Hình 5.6 Đo dòng điện hoạt động của bàn ủi bằng đồng hồ 93

Hình 5.7 Kết quả dòng điện của bàn ủi bằng thiết bị 93

Hình 5.8 Kết quả đo điện áp 2 nguồn 94

Hình 5.9 Điện áp trên 2 nguồn do bằng mạch đo 94

Hình 5.10 Quản lý dữ liệu qua bảng lưu trữ 95

Hình 5.11 Lưu trữ cơ sở dữ liệu 96

Hình 5 12: Cảnh báo qua tin nhắn 96

Bảng 2 1: Thông số cơ bản của cảm biến hall 100A YHDC 7

Bảng 2 2: Thông số kỹ thuật của module cảm biến điện áp 8

Bảng 2 3: Chức năng các chân của module cảm biến điện áp 9

Bảng 2 4: Thông số cơ bản của Arduino Nano 10

Bảng 2.5 Sơ đồ chân của module I2C 11

Bảng 2 6: Địa chỉ của module giao tiếp I2C 12

Bảng 2 7: Các chân LCD 20x4 13

Bảng 2 8: Các lệnh điều khiển LCD 15

Bảng 2 9: Thông số thời gian của LCD 17

Bảng 2 10: Bảng mã ASCII 19

Bảng 2 11: Thông số kỹ thuật của ESP8266 NodeMCU 21

Bảng 2 12: Chức năng các chân ESP8266 23

Bảng 2 13: Các thông số của Eeprom 24LC512 29

Bảng 3 1: Cấu hình địa chỉ cho EEPROM 24LC512 59

Bảng 3 2: Thông số cơ bản của hall 100A YHDC 61

Bảng 4 1: Danh sách các linh kiện của mạch 67

Với nhu cầu giám sát điện năng tiêu thụ từ xa Chúng tôi đã xây dựng một hệ thống giám sát điện năng bao gồm các thiết bị gắn trực tiếp trên nguồn điện, bộ xử lý trung tâm và website và bộ cảnh báo

Hệ thống sẽ thực hiện những nhiệm vụ là quản lý giá trị dòng điện, điện áp, công suất và điện năng hằng hằng ngày, hằng giờ, tổng hợp và được lưu lại Khi người dùng muốn xem lại bất cứ lúc nào cũng có thể truy cập để tra cứu

Khi có các sự cố, sẽ có cảnh báo cho người dùng nhằm giúp cho người dùng có những tác động sớm nhất

Các trường hợp sự cố mất kết nối internet thì dữ liệu sẽ được lưu lại trong bộ nhớ

và khi có kết nối trở lại sẽ được gửi lên website

Như vậy, hệ thống có vai trò là giám sát, quản lý dữ liệu theo thời gian thực, thông báo sự cố, đưa ra dữ liệu thống kê cho người dùng

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong cuộc sống hiện đại, năng lượng là yếu tố quyết định trong mọi quá trình sản xuất, lao động cũng như sinh hoạt của con người Từ công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ thậm chí đến nghiên cứu khoa học, khám phá thiên nhiên đều cần năng lượng, đặc biệt

là năng lượng điện Ngày nay, hầu hết các thiết bị trong hộ gia đình đều sử dụng nguồn năng lượng điện Chính vì vậy, nhu cầu sử dụng điên năng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hằng ngày.[7]

Trong quá trình sử dụng điện năng tiêu thụ cho các thiết bị điện trong gia đình khó kiểm soát được các vấn đề không mong muốn như điện năng tiêu thụ tăng cao so với bình thường hoặc các thiết bị điện vượt quá công suất cho phép hay thậm chí là các sự

cố về điện… Nhóm đã đưa ra giải pháp là xây dựng một hệ thống giám sát các sự cố về quá dòng hay quá áp cũng như quản lý sự thay đổi điện năng tiêu thụ để thông báo cho người sử dụng mọi lúc, mọi nơi.[7]

Hệ thống cũng ứng dụng Internet of things (IOT) để quản lý dữ liệu trên internet

và có thể giám sát ở mọi nơi có Internet và các thiết bị điện tử thông minh như điện thoại thông minh, laptop

Với hệ thống giám sát, quản lý mạng lưới điện trên, người dùng có thể trực tiếp biết được điện năng tiêu thụ trong nhà ở mọi nơi từ đó phát hiện ra những sự cố, đồng thời đưa ra các biện pháp kịp thời và hơp lý nhằm giảm thiểu thiệt hại

1.2 MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công hệ thống đo điện năng một cách chính xác, trực quan Hiển thị và cập nhật thông tin nhanh chóng trên màn hình LCD, cảnh báo khi quá công suất cài đặt Xây dựng được website quản trị đồng thời cập nhật cơ sở dữ liệu lên database thông qua mạng Internet, đăng ký được tên miền cho website Đề tài nghiêm cứu nhầm ứng dụng điều khiển và quản lý thông qua đường truyền Internet, hướng tới một môi trường IOT hiện đại và phát triển

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

• Tìm hiểu về đề tài, lựa chọn hướng xây dựng và tham khảo một số hệ thống đã

có

• Lựa chọn tìm hiểu cách thức hoạt động của một số cảm biến, vi điều khiển

• Tiến hành thực nghiệm hệ thống qua các loại vi điều khiển, các module giao tiếp khác nhau

• Lập trình cho vi điều khiển sau khi đã lựa chọn xong vi điều khiển và các thiết

bị mong muốn

• Thiết kế sơ đồ khối hệ thống, vẽ sơ đồ mạch nguyên lý, thiết kế mạch in và thi công mạch

• Tiến hành lập trình trang web

• Kết nối mạch phần cứng với web, gửi dữ liệu

• Tiến hành làm mạch, kiểm thử và chỉnh sửa các lỗi, sau đó hoàn chỉnh bằng các phiên bản khác

• Thiết kế mô hình

• Tiến hành thử nghiệm hệ thống trong thực tế

• Đóng gói thiết bị thành một sản phẩm hoàn chỉnh

• Viết sách luận văn

• Báo cáo đề tài tốt nghiệp

1.4 GIỚI HẠN

Đề tài xây dựng mô hình có một số giới hạn, với các cảm biến, module có sẵn trên thị trường nên có độ nhạy và sai số nhất định Sử dụng 2 bộ vi xử lý để xử lý đo và các tác vụ khác, ngoài ra việc tính toán công suất xoay chiều có thông số hệ số công suất vì vẫn chưa tìm được giải pháp đo chính xác nên hệ số công suất lấy sử dụng với giá trị bằng 1

1.5 BỐ CỤC

Đề tài hệ thống giám sát điện năng trong hộ gia đình thực hiện được chia làm các chương sau:

 Chương 1: Tổng quan

 Chương 2: Cơ cở lý thuyết

 Chương 3: Thiết kế và tính toán

 Chương 4: Thi công hệ thống

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

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Nôi dụng tóm lược của các chương như sau:

 Chương 1: Tổng quan

Trong chương này tập trung giới thiệu về các công nghệ truyền thông không dây, cũng như các ưu nhược điểm khi sử dụng module Từ đó đưa ra quyết định sử dụng module cho đề tài

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày sơ lược về các module được sử dụng về phần cứng, tài nguyên, phần mềm cũng như khả năng giao tiếp, kết nối giữa các thiết bị

 Chương 3: Thiết kế và tính toán

Từ các yêu cầu cũng như nhiệm vụ của đề tài nhóm đã hệ thống thành sơ đồ khối Thiết kế phần cứng: dựa trên sơ đồ khối tiến hành thiết kế kết nối các module lại với nhau tạo thành một hệ thống đáp ứng chức năng

Thiết kế phần mềm: Trình bày lưu đồ thuật toán để giải quyết các yêu cầu đã được đặt ra, tối ưu hiệu quả hoạt động

 Chương 4: Thi công hệ thống

Từ các sơ đồ nguyên lý thiết kế, sơ đồ mạch in cũng như sơ đồ bố trí linh kiện Tiến hành thi công bao gồm thi công các bo mạch, cho đến kết nối các module trong hệ thống lại với nhau và cuối cùng là đóng gói

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

Tiến hành lắp ráp mạch thực tế chạy thử nghiệm để quan sát được độ chính xác cũng như ổn định của hệ thống và dòng điện từ mạch nguồn có đủ đáp ứng cho các thiết

bị hoặc module trong mạch

 Chương 6: Kết quả và hướng phát triển

Trình bày kết quả cũng như ưu và nhược điểm còn mắc phải và giải pháp

Đưa ra hướng phát triển và khả năng áp dụng thực tế

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 QUY TRÌNH THỰC HIỆN HỆ THỐNG

Hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ được đo thông qua các cảm biến dòng, áp và được xử lý qua Arduino Nano kết nối với Internet thông qua module wifi ESP8266 hoạt động dưới sự điều khiển của bộ xử lý trung tâm là NodeMCU ESP8266 Các thông tin

về dòng điện, điện áp, công suất và điện năng tiêu thụ sẽ được đưa lên Web Server sau khi được đo để giám sát quá trình hoạt động Những thông số về điện năng cũng được hiển thị qua LCD và sẽ được cảnh báo cho người dùng khi điện năng quá mức cho phép thông qua tin nhắn

2.1.1 Mô tả quy trình đo điện năng

Quá trình đo sẽ được cảm biến dòng và cảm biến áp đo hai thông số dòng điện và điện áp Từ hai thông số dòng điện và điện áp có thể tính toán ra công suất và điện năng tiêu thụ, sau khi qua đo và tính toán những thông số trên sẽ được hiển thị trên LCD và được lưu trữ trên web server

Dữ liệu đưa lên web server sẽ được bảo vệ khi mất kết nối wifi thông qua EEPROM, khi mất kết nối wifi dữ liệu sẽ được lưu vào EEPROM và khi được kết nối wifi trở lại dữ liệu sẽ cập nhật tiếp tục mà không mất đi dữ liệu cũ.[6]

2.1.2 Mô tả quy trình giám sát và cảnh báo

Những thông tin về dòng điện, điện áp, công suất và điện năng tiêu thụ sẽ được giám sát bởi người sử dụng thông qua Web Server Dữ liệu về những thông số sẽ được cập nhật liên tục theo đúng ngưỡng mong muốn của người sử dụng, nếu có sự cố hoặc trường hợp sử dụng quá mức công suất cho phép thì hệ thống sẽ cảnh báo cho người sử dụng về trường hợp trên để người sử dụng có thể xử lý Để dễ dàng nhận biết thông báo

hệ thống sẽ cảnh báo cho người sử dụng trên web server, tin nhắn và thiết bị đo.[6]

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

Hệ thống được thiết kế có sử dụng các module, các thiết bị sau:

 Thiết bị đầu vào là dòng điện và điện áp đọc từ cảm biến dòng điện Hall 100A YHDC và module cảm biến điện áp

 Thiết bị đầu ra gồm có các led đơn báo kết nối, cảnh báo sự cố, LCD 20x4…

 Thiết bị xử lý khối đo là vi điều khiển Arduino Nano

 Thiết bị xử lý trung tâm là module NodeMCU ESP8266

 Thiết bị không dây truyền nhận là module sim900A, module wifi ESP8266

 Các chuẩn truyền dữ liệu UART, I2C, Internet

 Thiết bị cung cấp nguồn 5V thông qua mạch nguồn thiết kế

 Thiết bị lưu trữ là bộ nhớ EEPROM 24LC512

 Thiết bị đồng hồ thời gian thực là mô-đun DS1307

 Thiết bị giao diện giám sát websevergồm laptop, smartphone

2.2.1 Cảm biến biến dòng Hall 100A YHDC

Cảm biến dòng điện xoay chiều có chức năng chuyển đổi dòng điện từ lớn sang nhỏ sau đó được chuyển đổi qua điện áp Người sử dụng có thể biết được dòng điện

AC dựa vào việc đo điện áp ngõ ra

Hình 2.1: Cảm biến dòng điện Hall 100A YHDC

Bản vẽ cắt kĩ thuật và cấu tạo:

Hình 2 2: Mặt cắt kỹ thuật chi tiết Hall 100A YHDC

2.2.2 Module cảm biến điện áp AC

Module cảm biến điện áp là một module có chức năng đo điện áp AC Khi kết nối điện lưới AC vào cảm biến sẽ lấy mẫu vào và ra đưa ra điện áp tương tự, trong khoảng 0 đến 5V Là cảm biến lý tưởng cho việc đo điện áp

Hình 2.3: Module cảm biến điện áp

2.2.3 Vi Điều Khiển Arduino Nano

Arduino là một nên tảng điện tử với mã nguồn mở, với phần cứng và phần mềm linh hoạt dễ dàng cho người sử dụng

Hình 2 4: Arduino Nano

Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno với cùng vi điều khiển ATmega328P có thể lập trình trực tiếp bằng máy tính và đặc biệt hơn cả đó là kích thước của nó Kích thước của Arduino Nano cực kì nhỏ (1.85cm x 4.3cm), vì giá rẻ hơn

Arduino Uno nhưng dùng được tất cả các thư viện của IDE Cáp kết nối được dùng để nạp Arduino là cáp mini USB

Một số thông số cơ bản:

Bảng 2 4: Thông số cơ bản của Arduino Nano

Bộ nhớ flash 32 KB (AT mega328) với 2 KB dùng bởi

bootloader

2.2.4 Module chuyển giao tiếp LCD sang I2C

Để điều khiển và hiển thị được kí tự từ vi điều khiển xuất ra màn hình LCD20x4 cần có ít nhất là 10 đường nối đến chân của vi điều khiển (8 đường data từ D0 – D7 và

2 đường điều khiển RS, RW) nếu bit DL (data length) =1 hoặc cần ít nhất 6 đường (4 đường data từ D4 – D7 và 2 đường điều khiển RS, RW) nếu bit DL=0 Chính vì điều này đã làm cho mạch khi thiết kế rườm rà, khó viết code…Nhưng với module chuyển đổi I2C ta chỉ cần 2 chân SDA và SCL nối với vi điều khiển là ta có thể điều khiển và hiển thị trên màn hình LCD Hình ảnh module I2C như hình 2.5

Hình 2.5: Module giao tiếp I2C.

Bảng 2.5 Sơ đồ chân của module I 2 C

Đối với module I2C chúng ta có thể kết nối được nhiều module I2C lại với nhau để hiển thị trên nhiều màn hình LCD cùng lúc bằng cách hàn các jump trên module I2C để thay đổi địa chỉ Địa chỉ mặc định khi chưa hàn các jump là 0x27 Các địa chỉ sẽ thay đổi khi hàn các jump được trình bày trong bảng 2.6

Bảng 2 6: Địa chỉ của module giao tiếp I2C.

Kết nối mạch giao tiếp I2C và LCD:

Hình 2 6: Giao tiếp với LCD qua mạch chuyển I2C

2.2.5 Module LCD 20x4

LCD có nhiều loại và số chân của chúng cũng khác nhau nhưng có 2 loại phổ biến là loại 14 chân và loại 16 chân, sự khác nhau là các chân nguồn cung cấp, còn các chân điều khiển thì không thay đổi Hình ảnh LCD 20x4 như hình 2.7

Chân LCD được chia làm 4 dạng:

 Chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối mass (0V), chân thứ 2 là VDD nối với nguồn +5V Chân thứ 3 (Vo) dùng để điều chỉnh contrast thường nối với biến trở

 Các chân điều khiển: Chân số 4 làm 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 D7 – D0: 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 A, K: Chân số 15 và chân số 16 là 2 chân dùng để cấp nguồn cho đèn nền có thể nhìn thấy vào ban đêm

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 Clear display & sets

address counter to zero

1.52

ms

(3) cursor

home

0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 Sets address counter to

zero, returns shifted display to original position DDRAM contents remain unchanged

L

0 0 Move cursor and shift

display DDRAM contents remain unchanged

43µs

Dạng sóng các tín hiệu khi thực hiện đọc dữ liệu LCD như hình 2.8

Hình 2 8: Giản đồ thời gian chu kỳ đọc của LCD

Dựa vào dạng sóng ta có thể thấy được trình tự điều khiển như sau:

 Điều khiển tín hiệu RS

 Điều khiển tín hiệu R/W lên mức cao

 Điều khiển tín hiệu E lên mức cao để cho phép

 Xuất dữ liệu từ Bus dữ liệu DB7 – DB0

 Điều khiển tín hiệu E về mức thấp

Dạng sóng các tín hiệu khi thực hiện ghi dữ liệu LCD như hình 2.9

Hình 2 9: Giản đồ thời gian chu kỳ ghi của LCD.

Dựa vào dạng sóng ta có thể thấy được trình tự điều khiển như sau:

 Điều khiển tín hiệu RS

 Điều khiển tín hiệu R/W lên mức thấp

 Điều khiển tín hiệu E lên mức cao để cho phép

 Xuất dữ liệu từ Bus dữ liệu DB7 – DB0

 Điều khiển tín hiệu E về mức thấp

 Điều khiển tín hiệu R/W lên mức cao trở lại

Bảng 2.9: Thông số thời gian của LCD

Thời gian chuyển trạng thái của

tín hiệu E

Thời gian đọc dữ liệu ngõ ra

Sơ đồ khối bên trong LCD như hình 2.10

Hình 2 10: Sơ đồ khối của bộ điều khiển LCD

Sơ đồ khối gồm 4 phần: Bộ điều khiển LCD, bảng kí tự LCD, bộ thúc tín hiệu các đoạn và đèn nền

Bộ điều khiển LCD có 3 vùng nhớ nội, mỗi vùng có một chức năng riêng Bộ điều khiển phải khởi động trước khi truy cập bất kỳ vùng nhớ nào

 Bộ nhớ DDRAM: Chứa dữ liệu để hiển thị, lưu trữ những mã kí tự để hiển thị trên màn hình Mã ký tự 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

 Bộ phát kí tự ROM – CGROM: Chứa các kiểu bitmap cho mỗi kí tự được định nghĩa trước mà LCD có thể hiển thị, được trình bày ở bảng mã ASCII

Bộ phát kí tự RAM – CGRAM: Cung cấp vùng nhớ để tạo ra 8 kí tự tùy ý Mỗi

2.2.6 Module NodeMCU ESP8266

ESP8266 NodeMCU là kít phát triển dựa trên nền chip Wifi SoC ESP8266 ESP8266 NodeMCU tích hợp bộ thu phát Wifi và có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp coded

ESP8266 NodeMCU có thể quét và kết nối đến một mạng Wifi bất kỳ (Wifi Client)

để thực hiện các tác vụ như lưu trữ, truy cập dữ liệu từ Server, tạo điểm truy cập Wifi (Wifi Access point) cho phép các thiết bị khác kết nối, giao tiếp và điều khiển đồng thời

nó cũng là một Server để xử lý dữ liệu từ các thiết bị sử dụng Internet khác Với những khả năng ưu việc, ứng dụng cao, giá thành lại hợp lý nên ESP8266 NodeMCU là sự lựa chọn hàng đầu cho đề tài mà nhóm chúng em nghiên cứu Hình ảnh ESP8266 NodeMCU như hình 2.11

Hình 2.11: Module NodeMCU ESP8266 V3

Thông số kỹ thuật của ESP8266 NodeMCU

Bảng 2 11: Thông số kỹ thuật của ESP8266 NodeMCU

 ESP8266: Bộ xử lý trung tâm, tích hợp bộ thu phát Wifi, có bộ nhớ Flash 4MB

 Chân I/O: Có tổng cộng 13 chân GPIO (D0-D8, RX, TX, SD2, SD3) Với chức năng là các ngõ vào và ngõ ra sử dụng các hàm pinMode(), degitalWrite() và degitalRead() để điều khiển Các chân (trừ D0) để thực hiện các chuẩn giao tiếp

I2C, PWM

 Chân Analog: Chân A0

 Cổng Micro USB: ESP8266 NodeMCU sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính Thông qua cổng này người lập trình có thể nạp chương trình cho ESP8266 NodeMCU, ngoài ra cổng USB là nguồn cung cấp điện áp 5V cho ESP8266 NodeMCU hoạt động

Giới thiệu về chip ESP8266:

ESP8266 là một mạch vi điều khiển giúp chúng ta có thể điều khiển các thiết bị ngoại vi khác Bên cạnh đó ESP8266 là sự kết hợp giữa module Wifi tích hợp sẵn bên trong vi điều khiển chính sử dụng chip ESP8266 SoC (System on Chip) được dùng cho các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển thông qua Internet Chip ESP8266 như hình 2.12

 Hỗ trợ các chuẩn giao tiếp UART, SPI, I2C, I2S

 Chuẩn điện áp hoạt động 3.3V

 Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access point, Both Client and Access point

 Hỗ trợ các chuẩn bảo mật: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK

Sơ đồ chân ESP8266 như hình 2.13

Hình 2 13: Sơ đồ chân ESP8266

Bảng 2 12: Chức năng các chân ESP8266

Trở kháng đầu ra chip z=39 + j6 Ω

điện áp cung cấp điện của VDD3P3 và điện áp

đầu vào của TOUT

Mức cao: bật, chip hoạt động bình thường Mức thấp: tắt, dòng điện nhỏ tiêu thụ

11 VDDPST Nguồn Điện áp cũng cấp IO và điện áp số (1.8V –

3.6V)

14 GPIO2 I/O UART Tx trong quá trình lập trình Flash;

GPIO2

17 VDDPST Nguồn Điện áp cũng cấp IO và điện áp số (1.8V –

I/O Kết nối với chân SD_D3; HSPIWP; GPIO10

20 SDIO_CMD I/O Kết nối với chân SD_CMD; SPI_CS0; GPIO11

21 SDIO_CLK I/O Kết nối với chân SD_CLK; SPI_CLK; GPIO6

I/O Kết nối với chân SD_D1; SPI_MOSI; GPIO8

25 U0RXD I/O UART Rx trong quá trình Flash; GPIO3

SPI_CS1

27 XTAL_OUT I/O Kết nối với đầu ra thạch anh, có thể sử dụng để

cung cấp BT đầu vào xung clock

31 RES12K I Kết nối với điện trở 12 KΩ và kết nối với đất

32 EXT_RSTB I Tín hiệu đặt lại bên ngoài (hoạt động ở mức

thấp)

2.2.7 Module Sim900A

Những dự án xây dựng các hệ thống điều khiển từ xa, gửi nhận dữ liệu thu thập từ các cảm biến ở những nơi không có internet thì sử dụng sóng điện thoại là giải pháp duy nhất vì chi phí rẻ, bất chấp khoảng cách và độ ổn định cao Với Module sim 900a kết hợp với mạch xử lý arduino uno hoặc mega các bạn có thể làm được nhiều hệ thống tương đối tốt có thể ứng dụng vào thực tế như bộ định vị, các hệ thống điều khiển thiết

bị từ xa qua điện thoại, sms makerting,

Hình 2.14: Module Sim 900A

tế liên quan đến nghe gọi, SMS, DTMF…

Thông tin kĩ thuật:

o Điện áp hoạt động: 4.5 - 5 VDC - Dòng khuyến nghị: > 2A

• Headphone: Chân phát âm thanh

• Microphone: Chân nhận âm thanh (phải gắn thêm Micro từ GND vào chân này thì mới thu được tiếng)

• GND: Chân Mass, cấp 0V

Kết nối với Arduino

Hình 2 15: Kết nối Module Sim 900A với arduino