đồ án vi xử lý đề tài đồng hồ số đo năng lượng một pha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA TỰ ĐỘNG HÓA & ĐIỀU KHIỂN

Sinh viên thực hiện:

Mã số sinh viên: 20810430258 Lớp: D15tdh&dktbcn5Chuyên ngành: Tự động hóa và điều khiển thiết bị công nghiệp

1.Tên đề tài đồ án: Thiết kế đồng hồ số đo năng lượng một pha 3.Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 6/1/2024

4.Ngày hoàn thành đồ án: 10/6/2024

Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2024

Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

Ts.Bùi Thị Duyên DƯƠNG ĐỨC HÀ

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, con người chúng ta luônhướng đến những tiêu chuẩn cao hơn về sự chính xác, sự tiện ích, cũng như tính trungthực đi cùng với tính thẩm mỹ.

Thiết bị đo đếm điện năng kỹ thuật số ra đời giúp con người là việc một cách hiệuquả hơn, với một thiết bị nhỏ gọn chúng ta có thể đo đếm tất cả các thông số điện năng vềdòng điện, điện áp, công suất, hệ số cosφ… Các đồng hồ đo điện năng kỹ thuật số đượctrang bị các giao tiếp như RS485, Internet, RS232, SIM… để chúng ta có thể cập nhật giátrị từng giờ, từng phút Chúng ta không phải vất vả đi đến từng nơi hay vất vả đi đọc từngthông số trên từng đồng hồ, mà ta có thể ngồi tại chỗ là có thể giám sát được tất cả cácthông số điện năng của các khu vực thông qua internet hoặc SMS.

Đúc kết từ nhu cầu thực tế đó cùng với vốn kiến thức về Vi Điều Khiển đã đượchọc và sự hướng dẫn tận tình của Tiến sĩ Bùi Thị Duyên, chúng em đã phát triển đề tài

“Thiết kế đồng hồ số đo năng lượng một pha ” để làm đồ án môn học của mình.

Trong thời gian thực hiện đồ án và sản phẩm của mình, chúng em đã cố gắng hếtsức để khắc phục những khó khăn gặp phải Cùng với sự nhiệt tình giúp đỡ và chỉ bảocủa giảng viên Ts Bùi Thị Duyên, chúng em đã cố gắng để hoàn thiện nhất đồ án củamình Do thời gian còn hạn hep và kinh nghiệm còn chưa nhiều, chúng em không thểtránh khỏi những sai sót trong đồ án của mình, rất mong quý thầy cô chỉ bảo thêm.

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay trong quá trình công nghệ hóa, hiện đại hóa, nền kinh tế nước ta đã tăngtrưởng liên tục, các ngành công nghiệp phát triển ngày càng tăng Do vậy yêu cầu vềkhoa học nói chung, cũng như khoa học về công nghệ đo lường và thử nghiệm nóiriêng đòi hỏi phải đáp ứng kịp thời và phù hợp với sự phát triển của công nghiệp đấtnước.

Đây là một vấn đề cần được phát triển tuy nhiên thực trạng hiện nay hầu hết cácthiết bị đo lường ở nước ta thường được nhập khẩu từ các bên hãng lớn từ nước ngoàidẫn đến việc các kỹ sư Việt Nam để được làm chủ công nghệ gặp rất là nhiều khó khăndo đó trong quá trình sử dụng còn gặp nhiều hạn chế

Trong lĩnh vực đo lường các đại lượng điện nhằm mục đích là tăng số điểm đo,tăng tốc độ đo, nâng cao độ chính xác, độ nhạy, nâng cao tính tin cậy

Vì vậy chúng em đã lựa chọn đề tài: “Thiết kế multimeter giao tiếp với máytính” với mục đích đo lường các đại lượng U, I, P, cosφ một cách chính xác nhất để có

phục vụ trong các lĩnh vực công nghiệp và khoa học kỹ thuật nói chung Trong quátrình thực hiện đồ án, chúng em trân thành cảm ơn TS Bùi Thị Duyên đã tận tình chỉbảo và giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này.

- Hiển thị giá trị đo được lên màn hình LCD với 2 dòng và 16 ký tự Có bàn phím để lựa chọn cài đặt chế độ cần hiển thị lên màn hình LCD.

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG

2.1 Đo dòng điện và điện áp2.1.1Tính toán điện trở

2.1.1.1 Khi đo dòng điện

Ampemet là một phần tử đặc trưng chonhóm các phần tử phản ứng với dòng điệnnhư: cuộn dòng của công tơ, wattmet; các rơledòng điện nên khi xét tới yêu cầu đối vớiampemet là xét chung cho cả nhóm Khi đodòng, ampemet được mắc nối tiếp với tải (nhưHình 2.1) nên điện trở ampemet sẽ ảnh hưởngđến kết quả đo như sau:

Hình 2 1 Sơ đồ đo dòng điện

Giả sử phụ tải có điện trở là Rt, trước khi mắc A vào mạch thì dòng diện được tính:

(2.2)Với IA là dòng điện chỉ bởi ampemet, RA là điện trở của ampemet, Rt là điện trở tải Sai số phụ trong quá trình đo lường sẽ được tính:

điện trở của ampemet càng nhỏ càng tốt

Với một phụ tải có điện trở là Rt cấp chính xác của ampemet sử dụng là y (hoặcđộ chính xác yêu cầu của mạch lấy tín hiệu dòng là lỡ thì điện trở của ampemet phải đảm bảo điều kiện sao cho:

Υp≤ Υ hay ta có RA≤ Rt Υ

Nếu không đảm bảo điều kiện trên, sai số phụ gây ra sẽ lớn hơn sai sốyêu cầu lúc đó ta phải sử dụng công thức hiệu chỉnh:

) 1( A ) (1

Uv Rv

Hình 2 2 Sơ đồ đo điện áp

. t

E RU

trong đó: E là sức điện động của nguồn

Rt là điện trở tải, Rn là nội trở của nguồn

Xét khi mắc volmet vào mạch điện áp Uv do volmet đo được sẽ là:

U RU

R RR



(2.6)

Sai số phụ pdo volmet gây ra được tính:

Với một phụ tải có điện trở Rt đặt trong mạch có điện trở nguồn Rn nếu dùng volmet cấp chính xác γ (hoặc độ chính xác yêu cầu của mạch lấy tín hiệu áp là γ) thì điện trở của volmet phải đảm bảo điều kiện sao cho γP < γ hay ta có:

2.3 Đo dòng điện bằng các loại ampemet

Người ta sử dụng một số cơ cấu chỉ thị cơ điện để chế tạo ampemet đo trong mạchmột chiều và xoay chiều

Ampemet từ điện: Chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị từ điện, có đặc điểm là rất nhạy,tiêu thụ ít năng lượng nên thường dùng để chế tạo ampemet có cấp chính xác từ (0,5 ÷ 2).Đối với ampemet từ điện, khi nhiệt độ thay sẽ làm cho điện trở của cuộn dây thay đổi dẫntới sai số Để giảm sai số người ta thường dùng phương pháp bù nhiệt, tức là dùng mộtnhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm mắc nối tiếp trong mạch của 52 ampemet, vì vậy

sẽ làm cho điện trở của ampemet gần như không thay đổi theo nhiệt độ Ampemet từ điệnchỉ có thể đo dòng điện một chiều.

Ampemet điện từ Được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ Loại này có độchính xác thấp hơn nhưng nó bền chắc, dễ sử dụng và rẻ tiền nên được sử dụng rộng rãihơn trong công nghiệp Ampemet điện từ có thể đo được cả dòng một chiều và dòng xoaychiều nhưng chủ yếu là đo dòng xoay chiều Có nhiều loại ampemet điện từ, chúng giốngnhau về nguyên lý làm việc song chỉ khác nhau về hình thức, số vòng dây và kích thướccuộn dây đặt ở phần tĩnh

Ampemet điện động: Có cấu tạo phức tạp và đắt tiền nên chỉ dùng trong nhữngtrường hợp cần độ chính xác cao, hoặc tín hiệu đo có tần số cao hơn Sai số tần số trongdải từ một chiều tới 3000Hz được xem như không đáng kể Với các ampemet điện độngkhi dòng định mức I ≤ 0,5A thì cuộn dây động và cuộn dây tĩnh nối tiếp nhau, còn khidòng định mức lớn hơn thì cuộn dây động và cuộn dây tĩnh mắc song song với nhau nhưhình vẽ:

Khi đo dòng điện nhỏ hơn 0.5A Khi đo dòng điện lớn hơn 0.5A

Hình 2 3 Ampemet điện động

Các phương pháp mở rộng thang đo

- Đối với ampemet 1 chiều: Mắc thêm điện trở Shunt song song với cơ cấu chỉ thị- Đối với ampemet xoay chiều:

 Phương pháp chia nhỏ cuộn dây Phương pháp dùng biến dòng điện

2.4 Đo điện áp bằng các loại volmet

Người ta sử dụng các chỉ thị cơ điện để chế tạo các loại volmet đo điện áp nhưvolmet từ điện, volmet điện từ, volmet điện động

Volmet từ điện: Volmet từ điện được cấu tạo từ cơ cấu chỉ thị từ điện, loại nàythường dùng để đo các điện áp một chiều, có độ nhạy cao, cho phép dòng nhỏ đi qua,cũng có thể sử dụng kèm với bộ chỉnh lưu để đo điện áp trong mạch xoay chiều (trongtrường hợp cần nâng cao độ chính xác hoặc nâng cao dải tần số của tín hiệu đo) Tuynhiên giống như ampemet ta phải chú ý tới hệ số hình dáng của dòng hình sin

Volmet điện từ: Volmet điện từ có cuộn dây bố trí ở phần tĩnh nên có thể quấnnhiều vòng dây để tạo nên điện trở lớn khá dễ dàng, tuy nhiên nếu quấn nhiều vòng dâyquá mà khi đo ở mạch xoay chiều thì xuất hiện dòng điện cảm ứng sinh ra bởi tần số của

dòng điện, do đó sẽ ảnh hưởng đến trị số trên thang đo của volmet Khắc phục điều nàybằng cách mắc song song với cuộn dây một tụ điện bù

Volmet điện động: Khi đo điện áp ở tần số cao hơn tần số công nghiệp hoặc khicần nâng cao độ chính xác của phép đo ta dùng volmet điện động, trong volmet điện độngbao giờ cuộn dây tĩnh và cuộn dây 58 động cũng được mắc nối tiếp nhau.

Hình 2 4 Cách nối cuộn dây trong volmet điện động

Để mở rộng thang đo thì có các phương pháp:Phương pháp mắc thêm điện trở phụ

Phương pháp dùng biến áp

2.5Đo dòng điện và điện áp bằng phương pháp so sánh.

Khái niệm Các biện pháp đo dòng và áp kể trên sử dụng chỉ thị cuối cùng là nhữngcơ cấu cơ điện làm quay kim chỉ trên thang chia độ, như vậy sai số không thể nhỏ hơn saisố của các chỉ thị dùng vào dụng cụ và chưa kể đến sai số gây ra do các mạch đo sử dụng.Cấp chính xác cao nhất của các dụng cụ đo cơ điện hiện nay chưa vượt quá 0,01 nên phépđo trực tiếp trên cũng không vượt qua cấp chính xác ấy.

Để nâng cao độ chính xác về phép đo điện áp, để tăng tổng trở vào, người ta dùngphương pháp so sánh hay còn gọi là phương pháp bù tức là so sánh điện áp cần đo vớiđiện áp mẫu Đây là nguyên lý của tất cả các điện thế kế, các volmet số có độ chính xáccao nhất hiện nay

Uk,Rk

ΔU

UxU

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý đo điện áp bằng phương pháp so sánh

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp so sánh được tóm tắt như sau: 61 Điện áp cầnđo UX được so sánh với điện áp bù Uk là điện áp rơi trên điện trở Rk Rk là điện trở mẫu

có độ chính xác rất cao và rất ít thay đổi theo nhiệt độ Trong quá trình so sánh nếu ∆U =0 ta có so sánh cân bằng, nếu ∆U ≠ 0 ta có so sánh không cân bằng hay là so sánh kiểu visai U được xác định bằng dụng cụ có độ nhạy cao hay dụng cụ tự động phát hiện sựchênh lệch hay còn gọi là cơ quan zero

Các loại phương pháp so sánh khác nhau chỉ khác nhau ở cách tạo đại lượng bùUk Độ chính xác của điện áp bù và các yêu cầu khác cùng với độ nhạy, ngưỡng độ nhạycủa dụng cụ cân bằng hay cơ quan zero đều do sai số yêu cầu của phép đo quyết định.Sau đây ta xe tìm hiểu một số dụng cụ đo dùng phương pháp so sánh.

2.6 Đo công suất tác dụng

Để đo công suất tác dụng một pha, ta mắcWattmet tác dụng một phần tử.

Cấu tạo: Wattmet tác dụng một phần tử được làm từ cơ cấu đo điện động Cuộn tĩnh

của cơ cấu được mắc nối tiếp với phụ tải nên được gọi là cuộn dòng của wattmet Cuộnđộng của cơ cấu được mắc nối tiếp với một điện trở phụ và được đấu song song với phụtải nên còn được gọi là cuộn điện áp.

Nguyên lý làm việc:

Khi có dòng điện I1 chạy trong cuộn tĩnh và dòng I2 chạy trong cuộn động, thì gócquay của cơ cấu đo được xác định theo biểu thức:

dM12dα 1 và

Hình 2 6 Watmet tác dụng 1 phần tử

Chú ý:

Trên wattmet bao giờ cũng có các ký hiệu * đánh dấu các đầu cuộn dây tĩnh và độnggọi là đầu phát Khi mắc mạch phải nối cácđầu có ký hiệu * với nhau, nếu đấu saiwattmet sẽ quay ngược.

- Để xác định được công suất mà wattmet chỉ, phải tính được hằng số wattmet

CP=UdmIdmαm

2.7 Đo công suất tác dụng

Công suất được định nghĩa như là phần năng lượng được chuyển qua một bề mặttrong một đơn vị thời gian Đối với mạch điện một chiều, công suất, năng lượng mà mạchđiện thực hiện chuyển đổi qua đường dây điện trong một đơn vị thời gian, được tínhbằng:

Trong đó: P là công suất U là hiệu điện thế

Hình 2 8 Tam giác công suất

Công suất phản kháng Q là một khái niệm trong ngành kĩ thuật điện, dùng để chỉphần công suất điện được chuyển ngược về nguồn cung cấp năng lượng trong mỗi chu kỳdo sự tích lũy năng lượng trong các thành phần cảm kháng và dung kháng, được tạo rabởi sự lệch pha giữa hiệu điện thế u(t) và dòng điện i(t) Khi u(t), i(t) biến đổi theo đồ thịhàm sin thì Q = U.I sin , với U, I là giá trị hiệu dụng u(t), i(t); φ là pha lệch giữa u(t),i(t).

Công suất phản kháng Q là phần ảo của công suất biểu kiến S, S = P +iQ.Đơn vị đo Q là var (volt amperes reactive), 1 Kvar = 1000var.

2.8 Phương pháp đo cosφ

Hệ số công suất cosφ quan hệ với dòng điện và điện áp trong mạch qua công thức:

Do đó:

U I

Do vậy ta có thể đo hệ số công suất thông qua đo P,U ,I.

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

3.1 Sơ đồ khối của đồng hồ đo

Biến ápMạch lọcBiến dòngMạch lọc

ADE 7753

Hình 3.1: Sơ đồ khối của đồng hồ đo

Đồng hồ số gồm các khối như hình 3.1

- Vi điều khiển sử dụng trong hệ thống: Atmega 16A.

- ADE 7753: Tích hợp ADC, mạch lọc, các bộ tích phân số…, thuật toán đưa ra: U,I, P, S trong các thanh ghi tương ứng.

- Đầu vào tương tự: Tải bóng đèn 40w, biến áp, biến dòng, mạch hệ thống.- Module CP2102: Module chuyển đổi mạch USB - UART

- Bàn phím: Chức năng cài đặt của các thông số.- Màn hình LCD: Hiển thị các thông số.

3.2 Khối vi xử lý

3.2.1Tổng quan về Atmega 16

a.Cấu trúc chung của Atmega 16

Atmega16 là vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ điện năng thấp dựa

trên kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer) Với kiểu kiến trúc này chophép các lệnh thực thi trong một chu kỳ xung nhịp, vì thế tốc độ xử lý dữ liệu có thể đạt16 triệu lệnh trên giây ở tần số 16MHz AVR Atmega16 cho phép người thiết kế có thểtối ưu hoá mức độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý.

Atmega16 có 32 thanh ghi làm việc đa năng Toàn bộ 32 thanh ghi này đều đượcnối trực tiếp với bộ xử lý số học logic ALU (Arithmetic Logic Unit), cho phép truy nhậpvào 2 thanh ghi độc lập trong một chu kỳ xung nhịp Kiến trúc đạt được có tốc độ xử lýnhanh gấp 10 lần vi điều khiển dạng CISC thông thường.

b Các tính năng của Atmega16

+ Giao tiếp nối tiếp cho phép lập trình ngay trên hệ thống.+ Cho phép 10000 lần ghi/xoá.

- Bộ EEP ROM 512 bytes cho phép 100000 lần ghi/xoá.- Bộ nhớ SRAM 1Kb.

- Bộ biến đổi ADC 8 kênh, 10 bits.- 32 cổng I/O lập trình được.

- Bộ chuyển đổi nối tiếp đồng hồ vạn năng.- Dải điện áp hoạt động: VCC = 4,5 ¿ 5,5 (V).

- 2 bộ Timer/Counter 8 bits và 1 bộ Timer/Counter 16 bits với các chế độ làm việc:so sánh, chia tần tách biệt và bắt mẫu.

- 2 kênh điều chế bề rộng xung PWM.

- Bộ đếm thời gian thực với bộ tạo dao động riêng.

- Hỗ trợ bộ truyền nhận UART lập trình được.- Hỗ trợ giao diện truyền thông SPI chủ/tớ.

- Hỗ trợ bộ định thời Watchdog với bộ tạo dao động riêng, cho phép lập trình đượcvà tự động reset khi treo máy.

- Hỗ trợ bộ so sánh tương tự.

- 6 chế độ ngủ: chế độ rỗi ( Idle ), chế độ tiết kiệm điện ( Power-Save ), chế độ giảmnhiễu ADC (ADC Noise Reduction), chế độ chờ ( Standby), chế độ chờ mở rộng( Extended Standby ) và chế độ giảm bớt điện năng ( Power-Down ).

Ưu điểm của việc sử dụng Atmega 16:

- Gần như chúng ta không cần mắc thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử dụng AVR,thậm chí không cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường là các khối thạch anh).

- Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR rất đơn giản, có loại mạch nạp chỉ cần vàiđiện trở là có thể làm được một số AVR còn hỗ trợ lập trình on – chip bằng bootloaderkhông cần mạch nạp…

- Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR được thiết kế tương thích C.

- Nguồn tài nguyên về source code, tài liệu, application note…rất lớn trên internet.

c Sơ đồ chân của Atmega16

Hình 3.2: Sơ đồ chân của Atmega16

PORT A (từ chân 33 đến chân 40): Là 1 cổng 8 bít, chức năng của cổng này ngoài

vào ra thông thường, còn được tích hợp sẵn bộ chuyển đổi ADC bên trong phục vụ mụcđích chuyển đổi tương tự sang số.

PORT B (từ chân 1 đến chân 8): Là 1 cổng 8 bít, cổng này ngoài chức năng vào ra

thông thường, còn được tích hợp sẵn các chức năng tạo xung, và giao tiếp SPI như sau:Bảng 3.2: Các chân cổng B- ATMEGA16

PB7 SCK (SPI Bus tạo xung dao động)PB6 MISO (SPI Bus Master vào/Slave ra)PB5 MOSI (SPI Bus Master ra/Slave vào)PB4 SS (SPI Slave lựa chọn đầu vào)PB3 AIN1(đầu vào lấy mẫu tương tự âm)

OC0 (Timer/Counter0 xung đầu ra )PB2 INT2 (đầu vào của ngắt ngoài2 )PB1 T1 (Timer/Counter1 xung đầu vào)PB0 T0 (Timer/Counter0 xung đầu vào)

XCK1(USART1 External xung vào/ra)

PORT C (từ chân 22 đến chân 29): Là 1 cổng 8 bít, cổng này ngoài chức năng vào ra

thông thường thì các chân có chức năng riêng sau:

Bảng 3.3: Các chân cổng C- ATMEGA16