Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng phòng học

Chi tiết đồ án thiết kế, thi công hệ thống giám sát điện năng phòng học. Ứng dụng vi điều khiển, cảm biến giúp quản lý và tiết kiệm điện hiệu quả.

• Tác giả: Trương Vũ Cường
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Đình Phú
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên 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 Phòng Học
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Giám sát Điện năng Tiêu thụ Phòng học

Hệ thống giám sát điện năng tiêu thụ phòng học là một giải pháp công nghệ hiện đại nhằm theo dõi, quản lý và tối ưu hóa năng lượng điện trong các cơ sở giáo dục. Đồ án này được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Đình Phú. Hệ thống được thiết kế nhằm đo lường chính xác công suất tiêu thụ điện của các thiết bị trong phòng học, từ đó giúp nhà trường quản lý và tiết kiệm năng lượng hiệu quả. Công nghệ IoT và các cảm biến thông minh được tích hợp để cung cấp dữ liệu thời gian thực. Hệ thống này không chỉ giúp giảm chi phí điện mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc sử dụng điện năng hiệu quả.

1.1. Mục đích và Ý nghĩa của Đồ án

Mục đích chính của đồ án là thiết kế và thi công hệ thống giám sát điện năng để giúp các cơ sở giáo dục hiểu rõ hơn về lượng tiêu thụ điện của các tòa nhà. Thông qua việc theo dõi dữ liệu công suất điện và năng lượng tiêu thụ, các trường học có thể đưa ra những quyết định hợp lý về quản lý năng lượng. Hệ thống cung cấp thông tin chi tiết về các thiết bị tiêu thụ điện nhiều nhất, từ đó giúp xác định những khu vực cần cải thiện về hiệu suất năng lượng.

1.2. Các Thành phần Chính của Hệ thống

Hệ thống bao gồm ba khối chính: khối đo lường, khối điều khiển trung tâm, và khối hiển thị dữ liệu. Khối đo sử dụng các cảm biến dòng điện YHDC SCT013 100A và cảm biến điện áp ZMPT101B để thu thập dữ liệu. Microcontroller Arduino Nano xử lý tín hiệu từ các cảm biến, trong khi mạch trung tâm với STM32F407 quản lý toàn bộ hệ thống và giao tiếp qua chuẩn RS485. Màn hình LCD 20x4 hiển thị thông tin tiêu thụ điện thời gian thực cho người dùng.

II. Nguyên lý Kỹ thuật và Chuẩn truyền Dữ liệu

Nguyên lý hoạt động của hệ thống dựa trên việc đo lường dòng điện qua hiệu ứng Hall và biến dòng, kết hợp với cảm biến điện áp để tính toán công suất điện tức thời. Các chuẩn truyền dữ liệu được sử dụng bao gồm UART, I2C, và đặc biệt là RS485 - chuẩn truyền thông công nghiệp cho phép truyền dữ liệu ổn định trên khoảng cách xa mà không bị nhiễu. Giao thức RS485 được lựa chọn vì khả năng truyền tín hiệu số một cách an toàn và chính xác trong môi trường điện từ phức tạp của phòng học. Bộ chuyển đổi UART to RS485 đảm bảo sự tương thích giữa các thiết bị giao tiếp khác nhau trong hệ thống.

2.1. Hiệu ứng Hall và Nguyên lý Đo Dòng Điện

Hiệu ứng Hall là hiện tượng vật lý cơ bản được cảm biến YHDC SCT013 sử dụng để đo dòng điện không tiếp xúc. Khi dòng điện chạy qua dây dẫn, nó tạo ra từ trường được cảm biến Hall phát hiện và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp. Cảm biến SCT013 100A có thể đo dòng điện lên đến 100A với độ chính xác cao, phù hợp cho đo lường phòng học. Nguyên lý này cho phép đo điện an toàn mà không cần cách ly điện áp cao.

2.2. Chuẩn Truyền Dữ liệu RS485

Chuẩn RS485 là giao thức truyền thông công nghiệp được thiết kế để truyền dữ liệu trên khoảng cách xa với tốc độ cao và khả năng chống nhiễu tốt. Khác với RS232, RS485 sử dụng truyền dẫn cân bằng (differential transmission) giúp khử nhiễu hiệu quả. Mạch chuyển đổi UART to RS485 V2 cho phép các microcontroller giao tiếp với nhau qua bus RS485. Hệ thống của đồ án sử dụng RS485 để kết nối mạch đo từ nhiều phòng học đến mạch trung tâm một cách đáng tin cậy.

III. Thiết kế và Thi công Hệ thống

Quá trình thiết kế hệ thống bao gồm việc xác định yêu cầu kỹ thuật, lựa chọn linh kiện điện tử, và tính toán thông số mạch. Sơ đồ khối của hệ thống được thiết kế để đảm bảo tính module hóa và dễ bảo trì. Mạch đo được in trên PCB (in circuit board) với layout cẩn thận nhằm giảm nhiễu điện từ. Mạch trung tâm sử dụng kit STM32F407 Discovery như vi điều khiển chính, kết hợp với IC thời gian thực DS3231 để lưu trữ dữ liệu theo thời gian. Bộ nguồn Adapter 5V-3A cung cấp năng lượng ổn định cho toàn hộp điều khiển.

3.1. Các Cảm biến và Linh kiện Chính

Cảm biến SCT013 100A đo dòng điện AC, trong khi cảm biến ZMPT101B đo điện áp AC với độ chính xác cao. Arduino Nano xử lý tín hiệu tương tự từ cảm biến và chuyển đổi thành dữ liệu số thông qua bộ ADC (Analog-to-Digital Converter). Màn hình LCD 20x4 hiển thị thông tin tiêu thụ điện thời gian thực. IC RTC DS3231 duy trì thời gian chính xác ngay cả khi mất điện. Các linh kiện được chọn lựa dựa trên tiêu chí độ chính xác, độ bền, và khả năng tích hợp.

3.2. Quá trình Lắp ráp và Kiểm tra

Quá trình lắp ráp bắt đầu từ soldering các linh kiện lên mạch PCB với kỹ thuật chuẩn trong điện tử công nghiệp. Mạch đo được kiểm tra điện áp tại các điểm quan trọng để đảm bảo không có lỗi ngắn mạch hoặc kết nối sai. Mạch trung tâm được lập trình và debug để đảm bảo giao tiếp RS485 hoạt động chính xác. Hộp điều khiển được cấu trúc để dễ bảo trì và mở rộng thêm phòng học mới. Kiểm tra toàn hệ được thực hiện trên hai phòng học với các loại tải khác nhau để xác minh độ chính xác.

IV. Lập trình Hệ thống và Kết quả Đạt được

Lập trình hệ thống được thực hiện sử dụng ngôn ngữ C/C++ cho cả Arduino Nano (khối đo) và STM32F407 (khối điều khiển). Giải thuật được thiết kế để đọc dữ liệu từ cảm biến, tính toán công suất, năng lượng tiêu thụ, và truyền dữ liệu qua giao thức RS485. Lưu đồ chương trình cho thấy luồng xử lý dữ liệu và các ngắt (interrupt) được sử dụng. Kết quả kiểm tra hệ thống trên hai phòng học cho thấy độ chính xác của cảm biến so với đồng hồ điện tử là rất cao. Hệ thống có thể mở rộng để giám sát thêm phòng học bằng cách thêm mạch đo và kết nối qua bus RS485 hiện có, tạo ra giải pháp tiết kiệm chi phí cho quản lý năng lượng trường học.

4.1. Lập trình và Xử lý Dữ liệu

Chương trình Arduino đọc giá trị ADC từ cảm biến mỗi millisecond và tính RMS (Root Mean Square) để có giá trị dòng điện chính xác. Chương trình STM32F407 nhận dữ liệu từ mạch đo qua RS485, lưu trữ vào bộ nhớ EEPROM, và hiển thị trên LCD. Ngắt I2C được sử dụng để đồng bộ thời gian giữa các mạch đo. Giao diện người dùng hiển thị công suất tức thời, năng lượng tích lũy, và thời gian hoạt động của từng thiết bị.

4.2. Kết quả Kiểm tra và Đánh giá

Kết quả kiểm tra trên phòng học 1 và phòng học 2 cho thấy sai số giữa hệ thống và đồng hồ đo điện không vượt quá 2%. Cảm biến SCT013 và ZMPT101B hoạt động ổn định trong các điều kiện tải khác nhau. Hệ thống RS485 truyền dữ liệu tin cậy trên khoảng cách xa mà không bị mất tín hiệu. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm thêm tính năng cảnh báo, lưu trữ dữ liệu cloud, và tích hợp ứng dụng di động để theo dõi tiêu thụ điện từ xa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUÁT  Chương 4: Thi công hệ thống. Tiến hành thi công mạch và kết nối các module trong hệ thống lại với nhau dựa trên sơ đồ mạch nguyên lý hệ thống, sơ đồ mạch in cũng như sơ đồ bố trí linh kiện.  Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá.

Tiến hành lắp ráp mô hình thực tế, chạy thử nghiệm từ đó rút ra nhận xét về độ chính xác cũng như tính ổn định của hệ thống.  Chương 6: Kết quả và hướng phát triển. Trình bày kết quả cũng như ưu và nhược điểm của đề tài. Từ đó đưa ra hướng phát triển cho hệ thống hoàn thiện hơn.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. NGUYÊN LÝ ĐO ĐIỆN NĂNG 2. HIỆU ỨNG HALL Hiệu ứng Hall được thực hiện khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một bản bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua.

Lúc đó ta nhận được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng Hall được giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn điện. Dòng điện này chính là sự chuyển động của các điện tích (ví dụ như electron trong kim loại).

Khi chạy qua từ trường, các điện tích chịu lực Lorentz bị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùy theo điện tích chuyển động đó âm hay dương. Sự tập trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái dầu ở 2 mặt của thanh Hall, gây ra hiệu điện thế Hall[6]. Nguyên lý Hall Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường là: I.n BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Với VH là hiệu thế Hall, I là cường độ dòng điện, B là cường độ từ trường, d là độ dày của thanh Hall, e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall, và n mật độ các hạt này trong thanh Hall.

Hiệu ứng Hall cho phép phân biệt điện tích âm hay dương chạy trong thanh Hall. Hiệu ứng này lần đầu tiên chứng minh rằng, trong kim loại, electron chứ không phải là proton được chuyển động tự do để mang dòng điện. Hiệu ứng cũng cho thấy trong một số chất (đặc biệt là bán dẫn), dòng điện được mang đi bởi các lỗ trống (có điện tích tổng cộng là dương) chứ không phải là electron đơn thuần. Khi từ trường lớn và nhiệt độ hạ thấp, có thể quan sát thấy hiệu ứng Hall lượng tử, thể hiện sự lượng tử hóa điện trở của vật dẫn.

Hai mặt thanh Hall Với các vật liệu sắt từ, điện trở Hall bị tăng lên một cách dị thường, được biết đến là hiệu ứng Hall dị thường, tỷ lệ với độ từ hóa của vật liệu. Cơ chế vật lý của hiệu ứng này hiện vẫn còn gây tranh cãi. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.

Hướng và chiều tác dụng trong hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall được sử dụng chủ yếu trong các thiết bị đo, đầu dò. Các thiết bị này thường phát ra tín hiệu rất yếu và cần được khuếch đại. Ngày nay, nhiều "đầu dò hiệu ứng Hall" chứa sẵn các máy khuếch đại bên trong. Các ứng dụng của hiệu ứng Hall[6]: Đo cường độ dòng điện: Có thể đo cường độ dòng chạy qua một dây điện khi đưa dây này gần thiết bị đo.

Thiết bị có 3 đầu ra: một dây nối đất, một dây nguồn tạo dòng chạy trong thanh Hall, một dây ra cho biết hiệu thế Hall. Phương pháp này hầu như không gây thêm điện trở phụ của máy đo trong mạch điện và không bị ảnh hưởng bởi nguồn điện. Một số cách để đưa dây điện mang dòng vào gần thiết bị đo như sau:  Cuộn dòng cần đo: Dòng điện cần đo có thể được cuốn quanh thiết bị đo. Các độ nhạy ứng với các cường độ dòng điện khác nhau có thể được thay đổi bằng số vòng cuốn quanh thiết bị đo.

Phương pháp này thích hợp cho các ampe kế lắp vĩnh cửu vào cùng mạch điện.  Kẹp vào dòng cần đo: Thiết bị được kẹp vào dây dẫn điện. Phương pháp này dùng trong kiểm tra đo đạc, không lắp vĩnh cửu cùng mạch điện. Đo công suất điện: Có thể đo công suất này bằng cách đo dòng điện đồng thời với việc dùng hiệu điện thế của mạch điện để nuôi dòng qua thanh Hall.

Phương pháp như vậy có thể được cải tiến để đo công suất dòng điện xoay BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT chiều trong sinh hoạt dân dụng. Nó thường chính xác hơn các thiết bị truyền thông và ít gây cản trở dòng điện.  Xác định vị trí và chuyển động: Hiệu ứng Hall có thể dùng để xác định vị trí cơ học.

Các thiết bị này không có một chi tiết cơ học chuyển động nào và có thể được chế tạo kín, chịu được bụi, chất bẩn, độ ẩm, bùn lầy. Điều này giúp các thiết bị này có thể đo đạc vị trí tiện hơn dụng cụ quang học hay cơ điện.  Khởi động ô tô: Khi quay ổ khóa khởi động ô tô, một nam châm gắn cùng ổ khóa quay theo, gây nên thay đổi từ trường, được cảm nhận bởi thiết bị dùng hiệu ứng Hall. Phương pháp này tiện lợi vì nó không gây hao mòn như phương pháp cơ học khác.

NGUYÊN LÝ BIẾN DÒNG Dòng điện cũng như điện áp của các phần tử trong hệ thống điện thường có trị số rất lớn, không thể đưa trực tiếp vào dụng cụ đo hoặc rơ le và các thiết bị tự động khác, vì vậy các dụng cụ và thiết bị này thường được đấu nối qua máy biến dòng. Máy biến dòng có tên tiếng Anh là Current Transformer (CT) là một thiết bị đo dòng điện gián tiếp đi qua nguồn cung cấp cho tải hoặc dây động lực của tải. Chức năng chính của nó là biến đổi dòng điện có trị số cao xuống dòng điện có trị số tiêu chuẩn 5A và 1A để cấp cho tải đến từng thiết bị. Nguyên lý hoạt động của biến dòng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Đặc điểm máy biến dòng:  Không giống như máy đo hiệu điện thế hay máy biến áp nguồn truyền thống, máy biến dòng cấu tạo gồm một hoặc một số ít vòng dây.  Những vòng dây truyền thống được thiết kế có thể ở dạng một đoạn dây dẫn dẹt quấn thành một vòng hoặc một cuộn dây dẫn quấn nhiều vòng quanh lõi rỗng hoặc được nối thẳng đến chỗ cần nối mạch thông qua thiết bị có lỗ hổng trung tâm.  Cuộn thứ cấp có thể có một lượng lớn các cuộn cảm quấn quanh lõi thép lá nhằm giảm tối thiểu mức hao tốn lưỡng cực từ của phần có tiết diện, vì thế độ cảm ứng từ được sử dụng ở mức thấp hơn tiết diện của dây dẫn, điều này cũng tùy thuộc vào độ lớn mà cường độ dòng điện cần được giảm xuống. Cuộn thứ cấp thường được mặc định ở mức 1A cho cường độ nhỏ hoặc ở mức 5A cho cường cường độ lớn.

Phân loại máy biến dòng: Hiện nay máy biến dòng được chia làm 3 loại phổ biến:  Máy biến dòng dạng dây quấn: Cuộn sơ cấp của máy biến dòng sẽ kết nối trực tiếp với các dây dẫn để đo cường độ dòng điện chạy trong mạch. Cường độ dòng điện trong cuộn thứ cấp phụ thuộc vào tỷ số vòng dây quấn của máy biến dòng.  Máy biến dòng dạng vòng: “Vòng” sẽ không được cấu tạo ở cuộn sơ cấp. Thay vào đó, cường độ dòng điện chạy trong mạch sẽ được truyền và chạy thẳng qua khe cửa hay lỗ hổng của “vòng” trong máy biến dòng.

 Máy biến dòng dạng khối: Được ứng dụng trong các loại dây cáp, thanh cái của mạch điện chính, gần giống như cuộn sơ cấp, nhưng chỉ có một vòng dây duy nhất. Chúng hoàn toàn tách biệt với nguồn điện áp cao vận hành trong hệ mạch và luôn được kết nối với cường độ dòng điện tải trong thiết bị điện. Hiện nay máy biến dòng và ampe kế được sử dụng với nhau, trong đó, thiết kế của máy biến dòng cung cấp một dòng điện thứ cấp tiêu chuẩn, sao cho BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT cường độ dòng điện này dù có đạt mức tối đa thì cũng nằm trong phạm vi cường độ cho phép của ampe kế Chế độ hoạt động máy biến dòng: Máy biến dòng có hai chế độ làm việc cơ bản: chế độ ngắn mạch và chế độ hở mạch.

 Chế độ ngắn mạch của dòng sơ cấp, thức cấp có phụ tải Z2: Tỷ số giữa dòng ngắn mạch sơ cấp trên dòng định mức gọi là bội số dòng của máy biến dòng. Khi bội số này lớn, sai số CT tăng và sai số này còn phụ thuộc vào dòng thứ cấp hoặc tải. Thường với mạch bảo vệ, bội số dòng điện của CT dòng phải đạt giá trị sao cho sai số của nó dưới 10%.  Chế độ hở mạch thứ cấp: khi thứ cấp hở mạch, phía thứ cấp sẽ có điện áp cảm ứng với biên độ rất cao gây nguy hiểm cho người và các thiết bị thứ cấp.

Để chống hiện tượng bảo hòa trong mạch từ, người ta còn chế tạo ra máy biến dòng có khe hở không khí hay còn gọi là biến dòng tuyến tính. NGUYÊN LÝ BIẾN ÁP Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Với mục đích là biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi. Máy biến áp là thiết bị điện dùng cảm ứng điện từ để truyền, đưa năng lượng hoặc tín hiệu điện xoay chiều giữa các mạch điện theo một nguyên lí nhất định.

Cấu tạo của máy biến áp  Lõi thép: gồm có Trụ và Gông. Trụ là phần để đặt dây quấn. Gông là phần nối liền giữa các trụ để tạo thành một mạch từ kín. Lõi thép của máy biến áp được chế tạo từ nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện với nhau.

Chúng thường được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt.  Dây quấn (Cuộn dây): thường được chế tạo bằng đồng hoặc nhôm và bên ngoài được bọc cách điện.