Đồ án HCMUTE: Hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị điện trong nhà

Khám phá đồ án HCMUTE về điều khiển và giám sát thiết bị điện trong nhà, ứng dụng công nghệ hiện đại và giải pháp tối ưu cho hệ thống điện.

• Tác giả: Bùi Gia Thuyết
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trường Duy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong nhà
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. QUY TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ
• 2.2. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
• 2.3. GIỚI THIỆU VỀ KIT ARDUINO MEGA 2560
• 2.4. MÀN HÌNH HIỂN THỊ LCD
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu hệ thống

Hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị điện thông minh trong nhà được thiết kế nhằm nâng cao tiện ích và an toàn cho người sử dụng. Hệ thống này sử dụng công nghệ IoT để kết nối và điều khiển các thiết bị điện như đèn, quạt, và các thiết bị khác thông qua một ứng dụng trên điện thoại. Việc sử dụng cảm biến thông minh giúp hệ thống có khả năng tự động hóa và giám sát tình trạng hoạt động của các thiết bị, từ đó tiết kiệm năng lượng và tăng cường an ninh cho ngôi nhà. Hệ thống này không chỉ giúp người dùng dễ dàng quản lý thiết bị mà còn cung cấp thông tin thời gian thực về tình trạng hoạt động của các thiết bị.

1.1. Công nghệ IoT trong hệ thống

Công nghệ IoT đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các thiết bị điện trong nhà. Hệ thống sử dụng các module như Bluetooth để giao tiếp giữa điện thoại và các thiết bị điều khiển. Điều này cho phép người dùng có thể điều khiển từ xa các thiết bị điện trong nhà một cách dễ dàng và thuận tiện. Hệ thống cũng tích hợp các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, và khí gas để giám sát môi trường sống, từ đó đưa ra các cảnh báo kịp thời khi có sự cố xảy ra.

II. Thiết kế hệ thống

Thiết kế hệ thống bao gồm việc lựa chọn các linh kiện phù hợp và xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống. Hệ thống sử dụng kit Arduino Mega2560 làm trung tâm điều khiển, kết hợp với các cảm biến và module khác để thực hiện các chức năng điều khiển và giám sát. Sơ đồ khối hệ thống được thiết kế rõ ràng, giúp dễ dàng trong việc lắp ráp và kiểm tra. Các thiết bị đầu vào như nút nhấn và cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến Arduino, trong khi các thiết bị đầu ra như màn hình LCD và relay sẽ nhận lệnh từ Arduino để thực hiện các chức năng điều khiển.

2.1. Các linh kiện sử dụng

Hệ thống sử dụng nhiều loại linh kiện khác nhau, bao gồm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11, cảm biến khí gas MQ2, và màn hình LCD 16x2. Mỗi linh kiện đều có vai trò riêng trong việc thu thập dữ liệu và hiển thị thông tin. Việc lựa chọn linh kiện phù hợp không chỉ đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống mà còn giúp tiết kiệm chi phí và năng lượng tiêu thụ. Các linh kiện này được kết nối với nhau thông qua các chuẩn giao tiếp như UART và I2C, tạo thành một hệ thống đồng bộ và hiệu quả.

III. Ứng dụng thực tiễn

Hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị điện thông minh có nhiều ứng dụng thực tiễn trong cuộc sống hàng ngày. Người dùng có thể dễ dàng điều khiển các thiết bị điện trong nhà thông qua điện thoại, từ đó nâng cao sự tiện lợi và an toàn. Hệ thống cũng giúp người dùng theo dõi tình trạng hoạt động của các thiết bị, từ đó có thể đưa ra các quyết định kịp thời để bảo vệ tài sản. Ngoài ra, việc tích hợp các cảm biến thông minh giúp nâng cao khả năng tự động hóa trong ngôi nhà, tạo ra một môi trường sống thông minh và hiện đại.

3.1. Lợi ích của hệ thống

Hệ thống mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng, bao gồm tiết kiệm năng lượng, tăng cường an ninh và cải thiện chất lượng cuộc sống. Việc giám sát và điều khiển thiết bị từ xa giúp người dùng có thể quản lý tài sản của mình một cách hiệu quả hơn. Hệ thống cũng có khả năng cảnh báo khi có sự cố xảy ra, như rò rỉ khí gas, từ đó bảo vệ an toàn cho gia đình. Nhờ vào công nghệ tự động hóa, người dùng có thể dễ dàng điều chỉnh các thiết bị theo nhu cầu sử dụng, tạo ra một không gian sống thoải mái và tiện nghi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN  Chương 3: Tính toán và thiết kế Chương này tính toán thiết kế hệ thống, thiết kế sơ đồ khối, chức năng từng khối, tính toán thiết kế mạch, các khối trong sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của từ khối.  Chương 4: Thi công hệ thống Chương này thi công hệ thống, thi công board mạch, lắp ráp và kiểm tra, đóng gói và thi công mô hình, lưu đồ giải thuật, phần mềm lập trình cho vi điều khiển, giao diện cho điện thoại Android.  Chương 5: Kết quả - Nhận xét – Đánh giá Chương này nêu kết quả đã đạt được, nhận xét đánh giá về hệ thống, về các khối cảm biến, bộ vi điều khiển, kết quả mô phỏng, kết quả thống kê, kết nối Bluetooth.

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Chương này trình bày các kết quả đã đạt được và chưa đạt được so với mục tiêu ban đầu, nêu hướng phát triển của đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 QUY TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ 2.1 Mô tả quy trình điều khiển thiết bị Quy trình hoạt động của hệ thống là một quy trình khép kín. Hệ thống hoạt động bao gồm việc điều khiển các thiết bị như đèn, quạt, bơm (những thiết bị chính cho 1 ngôi nhà cần có) và quan sát nó hoạt động hay không.

Các thiết bị trên sẽ được điều khiển thông qua nút nhấn giao tiếp trực tiếp với kit Adruino Mega2560 hay điện thoại Android giao tiếp thông qua module Bluetooth kết nối với kit Arduino Mega2560.2 Mô tả quy trình giám sát thiết bị điện Việc quan sát sẽ được hiển thị cả trên màn hình LCD và điện thoại cho ta khả năng giám sát cao. Ngoài ra hệ thống trên còn hiển thị thời gian thực (điều chỉnh được), báo nhiệt độ và độ ẩm liên tục. Việc thực hiện báo động bằng chuông kêu khi có khí gas sẽ giúp nâng cao an toàn trong bảo vệ tài sản.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG Thiết bị đầu vào: Nút nhấn, module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11, module cảm biến khí gas MQ2, module cảm biến ánh sáng, module cảm biến tốc độ, module cảm biến lưu lượng S201, module thời gian thực RTC, module bluetooth HC-05. Thiết bị đầu ra: Màn hình hiển thị LCD16x2, mạch công suất điều khiển đèn, quạt, động cơ bơm nước, chuông báo động.

Thiết bị điều khiển trung tâm: Là kit Arduino Mega2560. Các chuẩn truyền dữ liệu: UART, I2C, Bluetooth. Thiết bị lưu trữ: Bộ nhớ RAM, ROM. Thiết bị thời gian thực: IC đồng hồ thời gian thực.

Thiết bị giao diện điều khiển: Điện thoại android. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 do an CHƯƠNG 2.1 Giới thiệu về kit Arduino mega 2560 Arduino Mega2560 là một boarb mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điều khiển họ AVR Atmega2560: Hình 2. Kit Arduino Mega2560. Đi cùng với Board Arduino là một phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp: IDE (Integrated Development Environment) cho phép người dùng viết các chương trình cho Arduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.

Cấu tạo chính của Arduino Mega2560 bao gồm các phần sau:  Cổng USB: Đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính.  Vi điều khiển AVR: Đây là bộ xử lí trung tâm của toàn board mạch. Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau.

Ở Arduino Mega2560 này thì sử dụng ATMega2560. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Các bộ vi điều khiển Mega2560 có 16 đầu vào tương tự, mỗi ngõ vào tương tự đều có độ phân giải 10 bit (tức là 1024 giá trị khác nhau). Theo mặc định đo từ 0 đến 5 volts, mặc dù là nó có thể thay đổi phần trên của phạm vi bằng cách sử dụng chân Aref và chức năng analog Reference.

Các bộ vi điều khiển Atmega2560 có 256 KB bộ nhớ flash để lưu trữ mã (trong đó có 8 KB được sử dụng cho bộ nạp khởi động), 8 KB SRAM và 4 KB của EEPROM. Sơ đồ chân kit Arduino Mega2560.1: Bảng số chân, tên chân, tên chân trên board của Arduino Mega2560. Pin Number Pin Name Mapped Pin Name 1 PG5 ( OC0B ) Digital pin 4 (PWM) 2 PE0 ( RXD0/PCINT8 ) Digital pin 0 (RX0) 3 PE1 ( TXD0 ) Digital pin 1 (TX0) 4 PE2 ( XCK0/AIN0 ) 5 PE3 ( OC3A/AIN1 ) Digital pin 5 (PWM) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 PE4 ( OC3B/INT4 ) Digital pin 2 (PWM) 7 PE5 ( OC3C/INT5 ) Digital pin 3 (PWM) 8 PE6 ( T3/INT6 ) 9 PE7 ( CLKO/ICP3/INT7 ) 10 VCC VCC 11 GND GND 12 PH0 ( RXD2 ) Digital pin 17 (RX2) 13 PH1 ( TXD2 ) Digital pin 16 (TX2) 14 PH2 ( XCK2 ) 15 PH3 ( OC4A ) Digital pin 6 (PWM) 16 PH4 ( OC4B ) Digital pin 7 (PWM) 17 PH5 ( OC4C ) Digital pin 8 (PWM) 18 PH6 ( OC2B ) Digital pin 9 (PWM) 19 PB0 ( SS/PCINT0 ) Digital pin 53 (SS) 20 PB1 ( SCK/PCINT1 ) Digital pin 52 (SCK) 21 PB2 ( MOSI/PCINT2 ) Digital pin 51 (MOSI) 22 PB3 ( MISO/PCINT3 ) Digital pin 50 (MISO) 23 PB4 ( OC2A/PCINT4 ) Digital pin 10 (PWM) 24 PB5 ( OC1A/PCINT5 ) Digital pin 11 (PWM) 25 PB6 ( OC1B/PCINT6 ) Digital pin 12 (PWM) 26 PB7 ( OC0A/OC1C/PCINT7 ) Digital pin 13 (PWM) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27 PH7 ( T4 ) 28 PG3 ( TOSC2 ) 29 PG4 ( TOSC1 ) 30 RESET RESET 31 VCC VCC 32 GND GND 33 XTAL2 XTAL2 34 XTAL1 XTAL1 35 PL0 ( ICP4 ) Digital pin 49 36 PL1 ( ICP5 ) Digital pin 48 37 PL2 ( T5 ) Digital pin 47 38 PL3 ( OC5A ) Digital pin 46 (PWM) 39 PL4 ( OC5B ) Digital pin 45 (PWM) 40 PL5 ( OC5C ) Digital pin 44 (PWM) 41 PL6 Digital pin 43 42 PL7 Digital pin 42 43 PD0 ( SCL/INT0 ) Digital pin 21 (SCL) 44 PD1 ( SDA/INT1 ) Digital pin 20 (SDA) 45 PD2 ( RXDI/INT2 ) Digital pin 19 (RX1) 46 PD3 ( TXD1/INT3 ) Digital pin 18 (TX1) 47 PD4 ( ICP1 ) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 48 PD5 ( XCK1 ) 49 PD6 ( T1 ) 50 PD7 ( T0 ) Digital pin 38 51 PG0 ( WR ) Digital pin 41 52 PG1 ( RD ) Digital pin 40 53 PC0 ( A8 ) Digital pin 37 54 PC1 ( A9 ) Digital pin 36 55 PC2 ( A10 ) Digital pin 35 56 PC3 ( A11 ) Digital pin 34 57 PC4 ( A12 ) Digital pin 33 58 PC5 ( A13 ) Digital pin 32 59 PC6 ( A14 ) Digital pin 31 60 PC7 ( A15 ) Digital pin 30 61 VCC VCC 62 GND GND 63 PJ0 ( RXD3/PCINT9 ) Digital pin 15 (RX3) 64 PJ1 ( TXD3/PCINT10 ) Digital pin 14 (TX3) 65 PJ2 ( XCK3/PCINT11 ) 66 PJ3 ( PCINT12 ) 67 PJ4 ( PCINT13 ) 68 PJ5 ( PCINT14 ) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 69 PJ6 ( PCINT 15 ) 70 PG2 ( ALE ) Digital pin 39 71 PA7 ( AD7 ) Digital pin 29 72 PA6 ( AD6 ) Digital pin 28 73 PA5 ( AD5 ) Digital pin 27 74 PA4 ( AD4 ) Digital pin 26 75 PA3 ( AD3 ) Digital pin 25 76 PA2 ( AD2 ) Digital pin 24 2.2 Màn hình hiển thị LCD a. Giới thiệu Hiện nay có khá nhiều màn hình LCD đủ chủng loại và giá thành, tương ứng với chức năng càng hiện đại thì giá thành càng mắc cùng với việc giao tiếp trở nên phức tạp.

Lựa chọn LCD Một số chủng loại màn hìn LCD như: Màn hình GLCD, Màn hình TFT có cảm ứng, màn hình LCD của điện thoại Nokia, màn hình LCD 20x4. Do nhu cầu của thiết bị cần sử dụng nên thiết bị hiển thị được chọn là màn hình LCD 16x2 có giá thành phù hợp và có thể hiển thị được hết thông tin cần thiết. Màn hình LCD 16x2 Hình 2. Hình dáng và các chân của màn hình LCD 16x2.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chi tiết chức năng của các chân:  VSS: Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển.  VDD: Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC = 5V của mạch điều khiển.  VEE: Điều chỉnh độ tương phản của LCD.

 RS: Chân chọn thanh ghi. Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi. + Logic “0”: Bus D0-D7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi”) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc”). + Logic “1”: Bus D0-D7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD.

 R/W: Chân chọn chế độ đọc/ghi. Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc.  EN: Chân cho phép. Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus D0-D7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E.

+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung cạnh xuống của tín hiệu chân E. + Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.  D0-D7: Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với vi điều khiển. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này: + Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit D7.

+ Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ D4 tới D7, bit MSB là D7. Để đơn giản hóa công việc, người ta đã tạo ra một loại mạch điều khiển màn hình LCD sử dụng giao tiếp I2C. Nói một cách đơn giản, ta chỉ tốn 2 dây để điều khiển màn hình, thay vì 8 dây như cách thông thường. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 11 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Hình dáng và các chân modul I2C LCD16x2 mặt trước. Hình dáng và các chân modul I2C LCD 16x2 mặt sau.  2 chân SDA và SCL là 2 chân tín hiệu 2 luồng cho giao tiếp I2C.

 Kết nối module màn hình với Arduino Bảng 2.2: Kết nối chân modul I2C LCD 16x2 với Arduino Mega2560.