thiết kế thiết bị đo dòng điện điện áp Đại học Bách Khoa Hà Nội. Thiết kế mạch đo dòng và áp Thang đo: Dòng điện 0200mA, 200400mA, 400600 mA; Thang đo áp: 010V, 0100V Ngành KT Điều khiển Tự động hóa Chuyên ngành Kỹ thuật Đo và Tin học Công nghiệp
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Thiết kế mạch đo dòng áp Thang đo: Dòng điện 0-200mA, 200-400mA, 400600 mA; Thang đo áp: 0-10V, 0-100V Sinh viên thực hiện: Lê Di Đan Nguyễn Tiến Hoàng Đỗ Quốc Đáng 20173720 20173900 20173721 Ngành KT Điều khiển & Tự động hóa Chun ngành Kỹ thuật Đo Tin học Cơng nghiệp Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương Bộ môn: Viện: Kỹ thuật Đo Tin học Công nghiệp Điện HÀ NỘI 7/2021 Chữ ký GVHD MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH Lời mở đầu Chương Cơ sở lí thuyết 1.1 Phương pháp đo .3 1.2 Nguyên lí đo dòng điện điện áp 1.2.1 Ngun lí đo dịng điện 1.2.2 Nguyên lí đo điện áp Chương Phương pháp tính tốn xây dựng mạch 2.1 Sơ đồ khối 2.2 Lưu đồ thuật toán 2.3 Lựa chọn linh kiện 2.3.1 Khối chọn mode hoạt động 2.3.2 Khối tính tốn, xử lí .9 2.3.3 Khối chọn thang cho ADC 2.3.4 Khối hiển thị 10 2.3.5 Mạch nguồn 5V 11 2.3.6 Mạch nạp 11 2.3.7 Mạch reset 11 2.3.8 Khối bảo vệ áp .11 2.3.9 Khối bảo vệ dòng 12 2.4 Vẽ mạch nguyên lí proteus 13 2.5 Vẽ mặt máy Altium 13 Chương Kết mô đánh giá .14 3.1 Kết đo 14 3.2 Đánh giá .16 Chương Kết luận 19 Tài liệu tham khảo 20 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Hệ số mở rộng thang đo Hình 1-2 Các khoảng đo Ampemet Hình 1-3 Cơng thức tính điện trở Shunt Hình 1-4 Mở rộng thang đo Hình 2-1 Sơ đồ khối Hình 2-2 Lưu đồ thuật toán Hình 2-3 Khối chọn mode hoạt động Hình 2-4 Khối tính tốn, xử lí Hình 2-5 Khối chọn thang đo ADC Hình 2-6 Khối hiển thị Hình 2-7 Mạch nguồn 5V Hình 2-8 Mạch nạp code cho 8051 Hình 2-9 Mạch Reset Hình 2-10 Khối bảo vệ áp Hình 2-11 Mạch nguyên lí proteus Hình 2-13 Mặt máy Altium Hình 3-1 Kết đo với điện áp 1.3V Hình 3-2 Kết đo với điện áp 3.7V Hình 3-3 Kết đo với điện áp 12V Hình 3-4 Kết đo với điện áp 24V Hình 3-5 Kết đo với dòng 10 mA Hình 3-6 Kết đo với dòng 45 mA Hình 3-7 Kết đo với dòng 205 mA Hình 3-8 Kết đo với dòng 255 mA Hình 3-9 Kết đo với dòng 400 mA Hình 3-10 Kết đo với dòng 450 mA Lời mở đầu Ngày với tiến khoa học kỹ thuật, đặc biệt ngành Kỹ thuật Điện tử, đời sống xã hội ngày phát triển dựa ứng dụng khoa học vào đời sống Vì mà cơng nghệ điện tử mang tính tự động ngày ứng dụng rộng rãi Trong có đóng góp khơng nhỏ kỹ thuật vi điều khiển Các vi điều khiển đựơc ứng dụng rộng rãi thâm nhập ngày nhiều lĩnh vực kỹ thuật đời sống xã hội Hầu hết thiết bị điều khiển tự động từ thiết bị văn phòng thiết bị gia đình dùng vi điều khiển nhằm đem lại tiện ghi cho người thời đại cơng nghiệp hóa đại hóa Điện áp dịng điện hai đại lượng quan trọng kĩ thuật Điện điện tử, muốn điều khiển thiết bị hay linh kiện điện tử ta phải quan tâm đến điện áp, dịng điện để điều khiển Thị trường sản xuất loại đồng hồ cơ, đo điện áp khơng thực xác, việc chế tạo loại thiết bị đo có độ xác cao cần thiết Do nhóm chúng em chọn đề tài:” Thiết kế mạch đo dòng áp vớiThang đo: Dòng điện 0-200mA,200-400mA, 400-600mA; Thang đo áp: 010V, 0-100V” Mục đích đề tài thiết kế đo điện áp sử dụng 8051, cho kết hiển thị trực quan với độ xác cao Mặc dù cố gắng cịn thiếu kinh nghiệm nên viết khó tránh khỏi sai sót, chúng em mong hướng dẫn bảo thêm Nhóm sinh viên thực Chương Cơ sở lí thuyết 1.1 Phương pháp đo Sử dụng ADC bit 1.2 Nguyên lí đo dịng điện điện áp 1.2.1 Ngun lí đo dịng điện •u cầu phải có điện trở nhỏ, mắc nối tiếp với tải • Khi dịng điện lớn dịng định mức cấu phải mở rộng thang đo • Hệ số mở rộng thang đo Hình 1- Hệ số mở rộng thang đo • Có nhiều khoảng đo Hình 1-2 Các khoảng đo Ampemet Hình 1-3 Cơng thức tính điện trở Shunt 1.2.2 Ngun lí đo điện áp Yêu cầu điện trở lớn mắc song song với tải Điện áp định mức cấu từ điện Ucc = Icc.RCC Icc: dòng điện định mức cấu Rcc : điện trở cấu Vấn đề mở rộng thang đo o Khi điện áp lớn điện áp định mức -> mở rộng thang đo o Hệ số mở rộng thang đo m= UX/Ucc Rp = Rcc(m-1) Có thể dùng điện trở chuyển mạch để mở rộng thang đo Hình 1- Mở rộng thang đo Chương Phương pháp tính tốn xây dựng mạch 2.1 Sơ đồ khối Hình 2-5 Sơ đồ khối 2.2 Lưu đồ thuật toán Hình 2- Lưu đồ thuật tốn Chi tiết tính tốn cho dải đo – 10V Thực phân áp đưa dải điện áp dải – 5V đầu vào ADC bit N 0=255 Theo sơ đồ mạch ta có: N= 10 U đo = 20 2N N≈ 51 U đo R N U 910 k 255 = đo R1 + R3 U ref 910 k + 910 k N / = a dư b Lưu giá trị a vào 50H N a+b 2b = 2=2 a+ 5 2b = m dư n ( ta bỏ qua giá trị n lưu m vào 51H ) 10 U đo =2 a+ m Lấy giá trị a 50H cộng với m 50H ta thu giá trị 10 U đo Giá trị 10 U đo biểu diễn digit có dạng a a2 a3 a 3= phần dư ( a 2=Phầndư ( a+m ) 10 Phầnnguyên a 1=Phầnnguyên ( 10 ( a+10 m ) Phần nguyên 10 ) ( a+m 10 ) ) Các giá trị digit lưu vào ô nhớ 40H, 41H, 42H, 43H để thực việc hiển thị quét led chương trình ngắt., để thu giá trị U đo ta thực lùi dấu chấm sang bên trái digit kết thu có dạng a a2 , a3 Độ phân giải lấy đến 0,1V Dải điện áp – 100V 319 2N N≈ 799 Tuy nhiên kết đo hiển thị digit với dạng a a a , với độ Ta thực tương tự bước với U đo = phân giải đến 1V Dải điện dòng điện – 200mA Thực biến đổi dòng – ap đưa dải điện áp – 10V sau phân áp đưa dải điện áp đầu vào ADC – 5V Theo sơ đồ mạch ta có: N= N (A) 2397 2000 5N I đo= N≈ 2397 I đo R12 R N I đo 47 910 k 255 = R1 + R3 U ref 910 k +910 k I đo= N = a dư b ( Lưu giá trị a vào ô nhớ 50H ) N a+b = 6 5N 5b =5 a+ 6 5b = m dư n ( Lưu m vào ô nhớ 51H, bỏ qua giá trị n) Lấy a từ ô nhớ 50H m từ ô nhớ 51H ta giá trị 5N 5b =5 a+ =5 a+m 6 Giá trị I hiển thị digit có dạng a a a , với a 2=phần dư ( a 1=Phầndư ( a+m ) 10 Phầnnguyên a 0=Phầnnguyên ( 10 ( a+10 m ) Phần nguyên 10 ) ( a+10m ) ) Giá trị digit lưu ô nhớ 40H, 41H, 42H 43H để thực quét led chương trình ngắt Giá trị đo thu có độ phân giải tới 1mA Dải đo 200 – 400mA 400 – 600mA Ta thực tương tự cách tính dải đo – 200mA cho dải đo 200 – 400mA 400 – 600mA Tuy nhiên giá trị N không lấy từ đến 255 mà ta thực trừ giá trị offset dải đo đo từ 200 400mA o Đối với dải đo 200 – 400mA N=N −N offset =N −130 Tất giá trị N < 130 hiển thị kết đo 200mA I đo= 1000 5N N≈ (mA ) 612 o Đối với dải đo 200 – 400mA N=N −N offset =N −164 Tất giá trị N < 164 hiển thị kết đo 400mA I đo= 1000 5N N≈ (mA ) 408 Kết đo trường hợp viết dạng a a a , có độ phân giải tới 1mA Giá trị digit lưu ô nhớ 40H, 41H, 42H 43H để thực quét led chương trình ngắt 2.3 Lựa chọn linh kiện 2.3.1 Khối chọn mode hoạt động Sử dụng nút bấm để chọn mode hoạt động cho thiết bị đo Hình 2- Khối chọn mode hoạt động 2.3.2 Khối tính tốn, xử lí Sử dụng vi điều khiển 8051 để lập trình, tính tốn giá trị đầu vào đưa tín hiệu đầu vào khối hiển thị Hình 2-8 Khối tính tốn, xử lí 2.3.3 Khối chọn thang cho ADC Sử dụng switch chuyển mạch để chọn thang đo điện áp dòng điện Hình 2-9 Khối chọn thang đo ADC - SW1 switch dùng cho thang đo điện áp Do thang đo điện áp 0-10 V, 0-100 V trước vào đầu vào ADC cần phân áp điện áp đầu vào tối đa ADC 5V R1 =1 R3 R1 =20 Thang đo 0-100 V: R2 Thang đo 0-10 V: Chọn giá trị điện trở thực tế sau: - R1=R3= 910 kΩ ; R2= 47 kΩ SW2 switch dùng cho thang đo dòng điện Chúng ta biến dòng điện áp 10 V sử dụng kèm thang đo điện áp chế độ 10V 10 = 50 Ω 0.2 10 Thang đo 200-400mA: R14 = : = 25 Ω 0.4 10 Thang đo 400-600mA: R15 = : = 16.6 Ω 0.6 Thang đo 0-200mA: R12 = : Chọn giá trị điện trở thực tế sau: R12= 47 Ω ; R14= 24 Ω ; R15= 16 Ω - Ngoài ra, R20 = 47k Ω có tác dụng bật tắt thang đo dịng Khi SW2 nối với R20 mạch coi hở, thiết bị làm việc thang đo điện áp Khi SW2 nối với R12, R14, R15 thiết bị làm việc thang đo dịng điện ADC bit: ADC0804 - Chip ADC0804 chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 hãng National Semiconductor Chip nhiều hãng khác sản xuất Chip có điện áp ni +5V độ phân giải bit - D0 – D7, chân số 18 – 11, chân liệu số (D7 bit cao MSB D0 bit thấp LSB) Các chân đệm ba trạng thái liệu chuyển đổi truy cập chân CS = chân RD đưa xuống mức thấp Để tính điện áp đầu ta tính theo cơng thức sau: Dout = Vin Kích thước bước 10 2.3.4 Khối hiển thị Sử dụng led để hiển thị giá trị dòng điện điện áp đo Hình 2-10 Khối hiển thị 2.3.5 Mạch nguồn 5V Hình 2-11 Mạch nguồn 5V 2.3.6 Mạch nạp Hình 2-12 Mạch nạp code cho 8051 11 2.3.7 Mạch reset Hình 2-13 Mạch Reset 2.3.8 Khối bảo vệ áp Varistor linh kiện điện tử thường dùng mạch bảo vệ áp chống cắm nhầm điện chống sét lan truyền cho thiết bị điện tử Các varistor thường ký hiệu mạch điện RV, MOV , RDV, VR Hình 2- 14 Khối bảo vệ áp Varistor mắc song song với mạch điện cần bảo vệ nối với hai cực nguồn nuôi thông qua cầu chì Khi mức điện áp cho phép varistor có trở kháng vơ lớn hàng Mega ơm , nói cách điện hồn tồn Khi điện áp dâng cao đặc tính varistor dẫn điện hoàn toàn điện áp nguồn vào cao giá trị sản xuất , lúc dịng điện khơng qua mạch điện mà qua varistor làm ngắn mạch cầu chì bị đứt Khi cầu chì đứt mạch điện không bị ảnh hưởng nguồn điện nhớ bảo vệ an tồn áp dâng cao Muốn khôi phục lại mạch điện cần thay lại cầu chì Varistor 2.3.9 Khối bảo vệ dịng Sử dụng cầu chì sứ 1A 5x20mm 12 Chức năng: bảo vệ thiết bị dòng điện lên mức q tải xảy tình trạng hỏng, cháy nổ 2.4 Vẽ mạch nguyên lí proteus Hình 2- 15 Mạch nguyên lí proteus 2.5 Vẽ mặt máy Altium 13 Hình 2-13 Mặt máy Altium Chương Kết mô đánh giá 3.1 Kết đo Đo điện áp dải – 10V Hình 3-16 Kết đo với điện áp 1.3V Hình 3-17 Kết đo với điện áp 3.7V 14 Đo điện áp dải – 100V Hình 3-18 Kết đo với điện áp 12V Hình 3-19 Kết đo với điện áp 24V Dải – 200mA Hình 3- 20 Kết đo với dòng 10 mA Hình 3- 21 Kết đo với dòng 45 mA 15 Dải 200 – 400 mA Hình 3- 22 Kết đo với dòng 205 mA Hình 3- 23 Kết đo với dòng 255 mA Dải 400 – 600mA Hình 3- 24 Kết đo với dòng 400 mA Hình 3- 25 Kết đo với dòng 450 mA 3.2 Đánh giá 16 Đo điện áp dải – 10V STT Giá trị mẫu 1,3 3,7 7.5 10 Kết đo 1,3 3,7 7,6 10.1 ∆ max =0,1V Dải – 100V STT Giá trị mẫu 12 24 48 64 100 Kết đo 12 24 48 64 100 ∆ max =0 V Dải – 200mA STT Giá trị mẫu 10 45 85 150 200 Kết đo 11 46 86 150 200 ∆ max =1mA Dải 200 – 400 mA STT Giá trị mẫu 205 255 300 17 Kết đo 204 255 300 345 400 345 402 ∆ max =2mA Dải 400 – 600mA STT Giá trị mẫu 400 450 500 550 600 Kết đo 401 451 501 554 604 ∆ max =4 mA 18