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:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG TIÊU THỤ
TRONG HỘ GIA ĐÌNH

GVHD: ThS. Nguyễn Trường Duy
SVTH: Nguyễn Văn Cang
MSSV: 14141020
SVTH: Nguyễn Chí Dũng
MSSV: 14141047

Tp. Hồ Chí Minh - 7/2018


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

Nguyễn Chí Dũng
Kỹ thuật điện tử, truyền thông
Đại học chính quy
2014

MSSV: 14141020
MSSV: 14141047
Mã ngành: 141
Mã hệ:
1
Lớp:
14141DT

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.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
27/03/2018


Nội dung

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.



12

Viết báo cáo.

13

Viết báo cáo, thiết kế powerpoint.

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

iv


LỜI CAM ĐOAN
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

v


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Trường Duy_ Giảng viên bộ môn

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

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

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
viii


6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................................. 97
Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 98
Phụ lục ................................................................................................................... 100

ix


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
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 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
ix


Hình 3. 12: Mạch cảm biến điện áp - băng thông (~ 50 Hz). .................................... 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 5. 12: Cảnh báo qua tin nhắn...................................................................................96
x


LIỆT KÊ BẢNG
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

xii


TÓM TẮT
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

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
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

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.

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.

3
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
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.

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]

5
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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.



AC dựa vào việc đo điện áp ngõ ra.

Hình 2.1: Cảm biến dòng điện Hall 100A YHDC.

6
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Thông số kỹ thuật:
Bảng 2. 1: Thông số cơ bản của cảm biến hall 100A YHDC.
Model

STC -013

Dòng ngõ vào

0- 100 A AC

Dòng ngõ ra

0- 50 mA AC

Nhiệt độ làm việc

-25 – 70°C

Kích thước

13 mm x 13 mm

5V

Giới hạn điện áp đo

Đến 250V

Nhiệt độ

-40 đến 85oC

Kích thước

50x20x21.5

Chân ra

Analog

8
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chức năng các chân:
Bảng 2.3: Chức năng các chân của module cảm biến điện áp.
Chân

Mô tả

VCC

của nó. Kích thước của Arduino Nano cực kì nhỏ (1.85cm x 4.3cm), vì giá rẻ hơn

9
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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.
Vi điều khiển

Atmega328(họ 8bit)

Điện áp hoạt động

5V – DC

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

30 mA

Điện áp vào khuyên dùng

7 – 12 VDC

SRAM

2 KB (AT mega328)

EEPROM

1 KB (AT mega328)

Kích thước

1.85cm x 4.3cm

10
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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 I2C
Chân


4

SCL

CLK

Chân nhận xung clock

A0

A0

Jumber

Chân thiết lập địa chỉ A0

A1

A1

Jumber

Chân thiết lập địa chỉ A1

A2

A2

Jumber