ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ ---------------o0o--------------- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CÔNG TẮC ĐIỆN THÔNG MINH GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo SVTH: Nguyễn Xuân Trường MSSV: 1814577 TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc.
-----✩----- -----✩----- Số: ______ /BKĐT Khoa: Điện – Điện tử Bộ Môn: Điện Tử NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 1. HỌ VÀ TÊN : NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG MSSV: 1814577 2. NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG LỚP : DD18 3. Đề tài: Công tắc điện thông minh 4.
Nhiệm vụ (Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): Thiết kế được công tắc điện gắn tường thông minh có thể điều khiển đóng ngắt được ba thiết bị điện và một ổ cắm điện hoạt động ở điện áp hiệu dụng 220V AC với dòng điện hiệu dụng cấp cho mỗi thiết bị và ổ cắm điện tối đa là 10A. Ngoài ra đề tài nghiên cứu và thiết kế thêm một bộ đo công suất riêng cho ổ cắm. Ngày giao nhiệm vụ luận văn:. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 23/12/2021 7.
Họ và tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn ThS. Bùi Quốc Bảo Thiết kế bộ công tắc điện Thiết kế bộ đo công suất Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ Môn. năm 20 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ):. Ngày bảo vệ :.
Điểm tổng kết:. Lời cảm ơn GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn và biết ơn sâu sắc đến ThS Bùi Quốc Bảo – Giảng viên bộ môn Điện tử – khoa Điện – ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt thời gian em nghiên cứu đề cương luận văn tốt nghiệp. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể các thầy cô trường Đại học Bách Khoa đã giảng dạy, và tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường. Trải qua đợt làm luận văn lần này em đã và đang học được rất nhiều thứ từ quản lí thời gian, cách phân chia công việc và vô vàn kiến thức mới Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân đã luôn ở bên để động viên và là nguồn cổ vũ lớn lao, là động lực giúp em hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng có thể. Tuy nhiên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của quý thầy cô. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 12 năm 2022 Sinh viên Nguyễn Xuân Trường i Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS.
Bùi Quốc Bảo TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn này trình bày về việc nghiên cứu thiết kế một bộ công tắc điện điện gắn tường có thể điều khiển đóng ngắt được bốn thiết bị điện hoạt động ở điện áp hiệu dụng 220VAC-10A. Trong đó có một thiết bị điện là một ổ cắm điện. Việc điều khiển có thể được thực hiện một cách cơ bản thông qua các nút nhấn cảm ứng gắn trên bộ công tắc điện hoặc điều khiển từ bất kì đâu từ bất kì đâu nếu ổ điện được cài đặt để kết nối Wifi gần đó. Tuy nhiên đề tài đảm bảo dù không có kết nối Wifi thì ổ cắm vẫn có thể điều khiển được thông qua nút nhấn cảm ứng.
Về ổ cắm được gắn trên bộ công tắc điện điện gán tường, đề tài có thiết kế thêm một bộ đo công suất cho ổ cắm độc lập với bộ công tắc điện giúp người dùng có thể theo dõi được tình trạng sử dụng điện của thiết bị, từ đó có thể đưa ra chiến lược sử dụng nhằm tiết kiệm điện cho gia đình. ii Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo MỤC LỤC 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.
Nhiệm vụ luận văn. Đo công suất và tính hệ số công suất. THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG. Tổng quan hoạt động hệ thống .Sơ đồ khối bộ công tắc điện thông minh .Sơ đồ khối bộ đo công suất.
Thiết kế mạch PCB cho bộ công tắc điện thông minh .Thiết kế mạch PCB phía trên .Thiết kế mạch PCB phía dưới. Thiết kế mạch PCB cho bộ đo công suất .Thiết kế mạch PCB phía trên .Thiết kế mạch PCB phía dưới. THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM. Lưu đồ giải thuật cho bộ công tắc điện thông minh.
Lưu đồ giải thuật cho bộ đo công suất. Cấu hình cho phần mềm Home Assistant. Thiết kế giao diện HTML cho Webserver ESP32. 49 iii Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS.
Bùi Quốc Bảo 5. KẾT QUẢ THỰC HIỆN. Kết quả thiết kế mạch trên phần mềm Altium .Mạch PCB phía trên của bộ công tắc điện thông minh .Mạch PCB phía dưới của bộ công tắc điện thông minh .Mạch PCB phía trên của bộ đo công suất .Mạch PCB phía dưới của bộ đo công suất. Kết quả thiết kế giao diện MQTT cho webserver.
Kết quả mô phỏng mạch đo công suất .Kết quả đo điện áp .Kết quả đo dòng điện. Kết quả điều khiển bộ công tắc điện trên Home Asisstant. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .2 Hướng phát triển. TÀI LIỆU THAM KHẢO.
Sơ đồ toàn mạch chi tiết: .Bộ công tắc điện thông minh gắn tường .Bộ đo công suất. 66 iv Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo 1 DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA Hình 1-1 Một số loại công tắc điện thông minh trên thị trường. Giới thiệu giao diện Home Assistant.
4 Hình 2-2 Cấu trúc một file HTML cơ bản. 5 Hình 2-3 Sơ đồ giao tiếp giao thức MQTT. 6 Hình 2-4 Giản đồ hoạt động siêu vòng lặp. 7 Hình 2-5 Giản đồ hoạt động FreeRTOS cơ bản.
8 Hình 2-6 Giản đồ vector mối quan hệ giữa các thành phần công suất.9 Hình 2-7 Kiểm tra cách tính góc lệch pha u và i (hình a).10 Hình 2-8 Kiểm tra cách tính góc lệch pha u và i (hình b). 10 Hình 3-1 Sơ đồ khối bộ công tắc điện thông minh. 12 Hình 3-2 Sơ đồ khối bộ đo công suất. 13 Hình 3-3 Sơ đồ kết nối giữa hai mạch PCB của bộ công tắc điện thông minh.15 Hình 3-4 Sơ đồ kết nối mạch PCB phía trên của bộ công tắc điện thông minh (hình a).16 Hình 3-5 Đồ thị minh họa tín hiệu nút cảm ứng điện dung khi được nhấn.
17 Hình 3-6 Cách hoạt động của nút cảm biến điện dung. 18 Hình 3-7 Sơ đồ chân IC TTP224. 18 Hình 3-8 Hình minh họa về kích thước cảm biến điện dung.19 Hình 3-9 Kích thước khuyến nghị nút cảm ứng điện dung. 20 Hình 3-10 Layout PCB nút cảm ứng điện dung.
21 Hình 3-11 Quy cách phủ Coplanar cho nút cảm ứng điện dung. 21 Hình 3-12 Schematic mạch nguồn PCB của bộ công tắc điện thông minh. 22 Hình 3-13 Cổng kết nối thiết bị điện của bộ công tắc điện thông minh. 22 Hình 3-14 Sơ đồ kết nối giữa hai mạch PCB trên dưới của bộ công tắc điện thông minh.23 Hình 3-15 Schematic mạch điều khiển relay.
23 v Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo Hình 3-16 Tác dụng của Diode trong đóng ngắt relay. 24 Hình 3-17 Đồ thị quan hệ giữa dòng và áp trên LED 0805.24 Hình 3-18 Sơ đồ đấu dây cho bộ công tắc điện thông minh mà không dùng bộ đo công suất. 25 Hình 3-19 Schematic mạch PCB phía trên bộ đo công suất.
26 Hình 3-20 Cấu trúc mạch khuếch đại không đảo. 28 Hình 3-21 Schematic bộ chuyển đổi đo điện điện áp AC (hình a). 30 Hình 3-22 Cấu trúc mạch khuếch đại vi sai.31 Hình 3-23 Schematic bộ chuyển đổi đo điện điện áp AC (hình b). 31 Hình 3-24 Pin Out IC ACS712 - 20 A-T.
32 Hình 3-25 Schematic mạch đo dòng điện AC dùng IC ACS712-20A-T. 33 Hình 3-26 Cấu trúc bộ lọc thông thấp dùng RC. 33 Hình 3-27 Phase Shift trong bộ lọc thông thấp. 34 Hình 3-28 Schematic mạch lọc thông thấp sau thiết kế.
35 Hình 3-29 Schematic mạch tạo điện áp âm. 35 Hình 3-30 Giải thích nguyên lí hoạt động mạch tạo điện áp âm (hình a). 36 Hình 3-31 Giải thích nguyên lí hoạt động mạch tạo điện áp âm (hình b).36 Hình 3-32 Giải thích nguyên lí hoạt động mạch tạo điện áp âm (hình c). 37 Hình 3-33 Schematic cho IC NE555 hoạt động ở chế độ Astable.
38 Hình 4-1 Lưu đồ giải thuật cho bộ công tắc điện thông minh (khi khởi động). 39 Hình 4-2 Lưu đồ giải thuật cho bộ công tắc điện thông minh (Task 1). 39 Hình 4-3 Lưu đồ giải thuật cho bộ công tắc điện thông minh (Task 2). 40 Hình 4-4 Lưu đồ giải thuật cho bộ công tắc điện thông minh (Task 3).
41 Hình 4-5 Lưu đồ giải thuật cho bộ công tắc điện thông minh (Task 4). 42 Hình 4-6 Lưu đồ giải thuật cho bộ công tắc điện thông minh (Task 5). 43 Hình 4-7 Lưu đồ giải thuật cho bộ đo công suất (khi khởi động). 44 Hình 4-8 Lưu đồ giải thuật cho bộ đo công suất (task 1).
44 Hình 4-9 Lưu đồ giải thuật cho bộ đo công suất (task 2). 45 vi Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo Hình 4-10 Lưu đồ giải thuật cho bộ đo công suất (task 3). 46 Hình 4-11 Lưu đồ giải thuật cho bộ đo công suất (task 4).
47 Hình 4-12 File cấu hình configuration.yaml của Home Assistant. 48 Hình 4-13 Nội dung cấu hình cho switch và bộ đo công suất cho Home Assistant.48 Hình 4-14 Lưu đồ giải thuật cho Webserver. 49 Hình 5-1 Kết quả thiết kế mạch PCB phía trên của bộ công tắc điện thông minh.52 Hình 5-2 Kết quả thiết kế mạch PCB phía dưới của bộ công tắc điện thông minh.54 Hình 5-3 Kết quả thiết kế mạch PCB phía trên của bộ đo công suất. 55 Hình 5-4 Kết quả thiết kế mạch PCB phía dưới của bộ đo công suất.
57 Hình 5-5 Giao diện Webserver. 58 Hình 5-6 Kết quả mô phỏng trên proteus cho mạch đo điện áp với đầu vào điện áp 223V.59 Hình 5-7 Kết quả thực tế đo được trên Oscilloscopre cho mạch đo điện áp với đầu vào điện áp 223V. 60 Hình 5-8 Kết quả mô phỏng trên proteus cho mạch đo dòng điện với dòng điện hiệu dụng 10A. 61 vii Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS.
Bùi Quốc Bảo DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU viii Luận văn tốt nghiệp GVHD: ThS. Bùi Quốc Bảo 1.