CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG
Đo dòng điện và điện áp
Ampemet là một phần tử đặc trưng cho nhóm các phần tử phản ứng với dòng điện như: cuộn dòng của công tơ, wattmet; các rơle dòng điện nên khi xét tới yêu cầu đối với ampemet là xét chung cho cả nhóm Khi đo dòng, ampemet được mắc nối tiếp với tải (như Hình 2.1) nên điện trở ampemet sẽ ảnh hưởng đến 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: t
Khi mắc A nối tiếp vào mạch, do ảnh hưởng của điện trở A, dòng điện được tính:
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:
Ta thấy sai số do A gây ra đối với mạch tải càng nhỏ nếu điện trở của ampemet càng nhỏ so với điện trở tải Vì thế yêu cầu đối với ampemet đo dòng điện là 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 (hoặc độ 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 số yêu cầu lúc đó ta phải sử dụng công thức hiệu chỉnh:
Volmet là một phần tử đặc trưng cho nhóm các phần tử phản ứng với điện áp như: cuộn áp của công tơ, wattmet; các rơle điện áp, các mạch khuếch đại điện áp nên khi xét tới yêu cầu đối với volmet là xét chung cho cả nhóm Khi đo điện áp, volmet được mắc song song với tải như Hình 2.2 Như vậy ta thấy điện trở của tải được mắc song song thêm với điện trở của volmet và làm thay đổi điện áp trên tải và gây ra sai số phụ trong quá trình đo lường Xét khi chưa mắc volmet vào mạch, điện áp trên tải được tính theo công thức :
Hình 2 2 Sơ đồ đo điện áp
(2.5) trong đó: E là sức điện động của nguồn Rt là điện trở tải, Rn là nội trở của nguồn
Sai số phụ p do volmet gây ra được tính:
Ta thấy sai số phụ do volmet gây ra càng nhỏ nếu điện trở của nó càng lớn so với điện trở tải Vì thế yêu cầu đối với volmet là điện trở càng lớn càng tốt Thực tế trên các thiết bị đo hiện đại hoặc trên đồng hồ vạn năng người ta ghi tổng trở vào của nó
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: v 0
Nếu không đảm bảo điều kiện trên, sai số phụ do voìmet gây ra lớn hơn sai số của bản thân cơ cấu chỉ thị và ta phải dùng công thức hiệu chỉnh:
2.1.2 Yêu cầu về đặc tính tần
Ngoài yêu cầu về điện trở các ampemet và volmet xoay chiều phải có đặc tính tần thích hợp với dải tần số cần đo Làm việc ở ngoài dải tần số đó sẽ gây sai số phụ do tần số Sai số này phải tính đến ảnh hưởng của các mạch đo lường đi theo chỉ thị nhưShunt, biến dòng, biến áp, chỉnh lưu, khuếch đại v.v Cũng vì vậy trong nhiều ampemet và volmet, lúc cần đảm bảo sai số do tần số nhỏ hơn giá trị quy định (thường là bé hơn cấp chính xác quy định cho dụng cụ) ta phải sử dụng trong mạch đo có những những khâu bù tần số Có trường hợp người ta phải sử dụng những linh kiện đặc biệt để đảm bảo tần số làm việc của dụng cụ Trên các dụng cụ đo dòng và áp xoay chiều có ghi tần số hay giải tần số làm việc.
Đo dòng điện bằng các loại ampemet
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 dẫn tới sai số Để giảm sai số người ta thường dùng phương pháp bù nhiệt, tức là dùng một nhiệt 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 điện chỉ có thể đo dòng điện một chiều.
Ampemet điện từ Được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị điện từ Loại này có độ chính xác thấp hơn nhưng nó bền chắc, dễ sử dụng và rẻ tiền nên được sử dụng rộng rãi hơn trong công nghiệp Ampemet điện từ có thể đo được cả dòng một chiều và dòng xoay chiều nhưng chủ yếu là đo dòng xoay chiều Có nhiều loại ampemet điện từ, chúng giống nhau về nguyên lý làm việc song chỉ khác nhau về hình thức, số vòng dây và kích thước cuộn dây đặt ở phần tĩnh
Ampemet điện động: Có cấu tạo phức tạp và đắt tiền nên chỉ dùng trong những trường hợp cần độ chính xác cao, hoặc tín hiệu đo có tần số cao hơn Sai số tần số trong dải từ một chiều tới 3000Hz được xem như không đáng kể Với các ampemet điện động khi dòng định mức I ≤ 0,5A thì cuộn dây động và cuộn dây tĩnh nối tiếp nhau, còn khi dòng định mức lớn hơn thì cuộn dây động và cuộn dây tĩnh mắc song song với nhau như hình vẽ:
Khi đo dòng điện nhỏ hơn 0.5A Khi đo dòng điện lớn hơn 0.5A
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
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 như volmet 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 này thường 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 (trong trường hợp cần nâng cao độ chính xác hoặc nâng cao dải tần số của tín hiệu đo) Tuy nhiên 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 quấn nhiều vòng dây để tạo nên điện trở lớn khá dễ dàng, tuy nhiên nếu quấn nhiều vòng dây quá 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 này bằng 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 khi cần nâng cao độ chính xác của phép đo ta dùng volmet điện động, trong volmet điện động bao 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 phụPhương pháp dùng biến áp
Đo 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 những cơ cấu cơ điện làm quay kim chỉ trên thang chia độ, như vậy sai số không thể nhỏ hơn sai số 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 phép đo 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 dùng phương pháp so sánh hay còn gọi là phương pháp bù tức là so sánh điện áp cần đo với điện áp mẫu Đây là nguyên lý của tất cả các điện thế kế, các volmet số có độ chính xác cao nhất hiện nay
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 nếu ∆U = 0 ta có so sánh cân bằng, nếu ∆U ≠ 0 ta có so sánh không cân bằng hay là so sánh kiểu vi sai U được xác định bằng dụng cụ có độ nhạy cao hay dụng cụ tự động phát hiện sự chênh 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 nhạy của 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.
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.
Cuộn động của cơ cấu được mắc nối tiếp với một điện trở phụ và được đấu song song với phụ tải nên còn được gọi là cuộn điện áp.
Khi có dòng điện I1 chạy trong cuộn tĩnh và dòng I2 chạy trong cuộn động, thì góc quay của cơ cấu đo được xác định theo biểu thức: α=1
RB là điện trở của cuộn động.
-Khi đo trong mạch xoay chiều:
Giả sử tải mang tính điện cảm, dòng điện chậm pha sau điện áp một góc Dòng điện trong cuộn áp chậm pha sau điện áp một góc Ta có đồ thị véc tơ như hình 2.4
Góc lệch pha giữa hai dòng cuộn tĩnh và động là: = - Góc quay của cơ cấu α=1
Nếu chọn Rf lớn hơn rất nhiều so với cảm kháng của cuộn động thì = 0, khi đó = Ta có : α=1
Hình 2 6 Watmet tác dụng 1 phần tử
Trên wattmet bao giờ cũng có các ký hiệu * đánh dấu các đầu cuộn dây tĩnh và động gọi là đầu phát Khi mắc mạch phải nối cácđầu có ký hiệu * với nhau, nếu đấu sai wattmet sẽ quay ngược.
- Để xác định được công suất mà wattmet chỉ, phải tính được hằng số wattmet
Trong đó: Uđm, Iđm là điện áp và dòng điện lớn nhất ứng với thang đo này m là số vạch lớn nhất trên thang đo.
Công suất trên wattmet là:
)- Trong trường hợp tải có điện áp cao và dòng điện lớn, phải phối hợp biến áp và biến dòng với wattmet để đo công suất cho tải (hình 2.5).Cuộn điện áp của wattmet mắc cở hai đầu thứ cấp của biến áp, một đầu của cuộn thứ cấp và vỏ của biến áp được nối với đất.
Đo công suất tác dụng
Công suất được định nghĩa như là phần năng lượng được chuyển qua một bề mặt trong một đơn vị thời gian Đối với mạch điện một chiều, công suất, năng lượng mà mạch điện thực hiện chuyển đổi qua đường dây điện trong một đơn vị thời gian, được tính bằng:
P là công suất U là hiệu điện thế I là cường độ dòng điện
Trong biểu đồ, P là công suất thực, Q là công suất phản kháng, độ dài của S là công suất biểu kiến.
Hình 2.7 Wattmet phối hợp với BU ,BI
Hình 2 8 Tam giác công suất
Công suất phản kháng Q là một khái niệm trong ngành kĩ thuật điện, dùng để chỉ phần công suất điện được chuyển ngược về nguồn cung cấp năng lượng trong mỗi chu kỳ do sự tích lũy năng lượng trong các thành phần cảm kháng và dung kháng, được tạo ra bởi sự lệch pha giữa hiệu điện thế u(t) và dòng điện i(t) Khi u(t), i(t) biến đổi theo đồ thị hàm 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.
Phương pháp đo cosφ
Hệ số công suất cosφ quan hệ với dòng điện và điện áp trong mạch qua công thức:
Do vậy ta có thể đo hệ số công suất thông qua đo P,U ,I.
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Sơ đồ khối của đồng hồ đo
Biến áp Mạch lọc Biến dòng Mạch lọc
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.
Khối vi xử lý
3.2.1 Tổng 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 cho phép các lệnh thực thi trong một chu kỳ xung nhịp, vì thế tốc độ xử lý dữ liệu có thể đạt 16 triệu lệnh trên giây ở tần số 16MHz AVR Atmega16 cho phép người thiết kế có thể tối 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 được nối trực tiếp với bộ xử lý số học logic ALU (Arithmetic Logic Unit), cho phép truy nhập vào 2 thanh ghi độc lập trong một chu kỳ xung nhịp Kiến trúc đạt được có tốc độ xử lý nhanh gấp 10 lần vi điều khiển dạng CISC thông thường. b Các tính năng của Atmega16
- Được chế tạo theo kiến trúc RISC tiên tiến nên hiệu suất làm việc cao, điện năng tiêu thụ thấp.
- Bộ lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết đều thực thi chỉ trong một chu kỳ xung nhịp.
- 32 ¿ 8 thanh ghi làm việc đa năng.
- Tốc độ xử lý dữ liệu có thể đạt đến 16 triệu lệnh/s ở tần số 16Mhz.
- 16Kb Flash ROM lập trình ngay được trên hệ thống:
+ 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 biến đổi ADC 8 kênh, 10 bits.
- 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 được và 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 giảm nhiễu 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 vài điện trở là có thể làm được một số AVR còn hỗ trợ lập trình on – chip bằng bootloader không 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 mục đích chuyển đổi tương tự sang số.
Bảng 3.1: Các chân cổng A- ATMEGA16
Chân Chức năng của các chân
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
Chân Chức năng của các chân
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
Chân Chức năng của các chân
PC7 TOSC2(chân 2 tạo dao động cho timer) PC6 TOSC1(chân 1 tạo dao động cho timer) PC5 TDI (JTAG test dữ liệu vào)
PC4 TDO (JTAG test dữ liệu ra) PC3 TMS (JTAG test nhận mode) PC2 TCK (JTAG test xung)
PC1 SDA (JTAG Tow- wire seiral bus data input/output line) PC0 SDC (JTAG Tow- wire seiral bus clock line)
PORT D (từ chân 14 đến chân 21): Là 1 cổng 8 bít, cổng này ngoài chức năng vào ra thông thường thì các chân có chức năng riêng sau:
Bảng 3.4: Các chân cổng D- ATMEGA16
Chân Chức năng của các chân
PD7 OC2(chân tạo xung PWM cho timer/courter2) PD6 ICP (Timer/Counter1 chân đầu vào bắt buộc) PD5 OC1A(chân tạo xung PWM A cho timer/courter1) PD4 OC1B(chân tạo xung PWM B cho timer/courter1) PD3 INT1(đầu vào chân ngắt ngoài 1 )
PD2 INT0(đầu vào chân ngắt ngoài 0 ) PD1 TXD (UART truyền tín hiệu) PD0 RXD (UART nhận tín hiệu)
- Chân nguồn Vcc (chân số 10 và chân số 30): Điện áp nguồn nuôi của Atmega16 từ 4.5v đến 5.5v.
- Chân Reset (chân số 9): Nối vào đặt lại.
- Chân GND (chân số 11 và chân 31): Chân nối mass.
- Chân ICP (chân số 20): Là chân vào cho chức năng bắt tín hiệu cho bộ định thời/đếm 1.
- Chân OC1B (chân số 18): Là chân ra cho chức năng so sánh lối ra bộ định thời/đếm 1.
- Chân INT1 (chân số 17): Chân ngõ vào ngắt.
Khối tương tự
Hình 3.3: Sơ đồ chân của ADE7753 Chức năng của ADE7753:
- IC ADE7753 có độ chính xác cao, tuân theo tiêu chuẩn IEC61036 và IEC1268.
- Tích hợp bộ tích phân số nối trực tiếp được với các sensor dòng đầu ra tỉ lệ với di/dt
- Tính các giá trị công suất tiêu thụ, công suất phản kháng, công suất biểu kiến, giá trị hiệu dụng của dòng điện, điện áp, lấy mẫu dạng sóng, với độ chính xác nhỏ hơn 0.1%.
- Chế độ chỉ tích lũy năng lượng dương.
- Cho phép người dùng đặt mềm ngưỡng sụt áp, quá điện áp, có khối quản lý nguồn nuôi.
- Có sensor đo nhiệt độ trên chip ( ±3 o C ).
- Chế độ truyền thông nối tiếp SPI.
- Chân yêu cầu ngắt và thanh ghi trạng thái ngắt.
- Có 2 ADC cấu trúc sigma-delta và DSP cho dữ liệu với độ chính xác cao trong điều kiện môi trường và thời gian biến động mạnh.
- Điện áp chuẩn 2.4V, cho đưa ra ngoài.
- Nguồn nuôi 5V, công suất thấp (25mW).
Hình 3.4: Sơ đồ khối cấu trúc ADE7753
Bảng 3.5: Bảng mô tả chức năng các chân ADE 7753
1 RESET Thiết lập lại toàn bộ trạng thái làm việc của ADE7753
Cung cấp nguồn điện dạng số cho các mạch số trong ADE7753 điện áp cần được duy trì 5V± 5%, chân này cần được tách riêng với chân DGND bằng tụ gốm 10 μFF mắc song song.
Cung cấp nguồn điện tương tự cho các mạch số trong ADE7753 điện áp cần được duy trì 5V± 5% chân này cần được tách riêng với chân DGND bằng tụ gốm 10 μFF mắc song song.
N Đầu vào tương tự cung cấp cho kênh 1 Kênh này được thiết kế để sử dụng với bộ vi phân biến đổi dòng như là cuộn Rogowski, hay các cảm biến dòng điện khác như điện trở Shunt hoặc các máy biến dòng (CT).Các đầu vào này hoàn toàn là điện áp vi sai,các đầu vào với tín hiệu vào vi sai cực đại ở các mức ± 0.5V, ± 0.25V và ± 0.125V phụ thuộc vào quy mô lựa chọn Kênh 1 cũng có một hệ số khuếch đại PGA với các mức: 1, 2, 4, 8 hoặc 16 Mức tín hiệu tối đa tại các chốt đối với AGND là ± 0.5V.
N Đầu vào tương tự cho kênh 2 Kênh này được thiết kế để sử dụng với máy biến áp Những đầu vào này hoàn toàn là điện áp vi sai Những đầu vào với tín hiệu vào vi sai cực đại ở mức ± 0.5V Kênh 2 cũng có một PGA với các lựa chọn như 1, 2, 4, 8 hoặc 16 Mức tín hiệu tối đa tại các chốt đối với AGND là ± 0.5V.Cả hai yếu tố đầu vào đều có mạch nội bộ bảo vệ ESD, và một quá áp bằng ± 6V có thể được duy trì trên các yếu tố đầu vào mà không có nguy cơ bị hại tới mạch
Chân này cung cấp chân đất chuẩn cho các mạch tương tự trong ADE7753 tương tự trong các ADC và các thiết bị chuẩn.Chân này cần được nối với mặt phẳng tiếp đất hoặc mặt đất tham chiếu trong hệ thống….
Chân này cung cấp sự truy nhập tới chuẩn điện áp trên chíp Các tham chiếu trên chip có giá trị định mức là 2.4V ±8% và 1 hệ số nhiệt độ thông thường 20ppm / ° C Một nguồn tham chiếu bên ngoài cũng có thể được kết nối tại chân này Trong cả hai trường hợp chân này nên được cách
Chân này cung cấp chân đất chuẩn cho các mạch kỹ thuật số trong ADE7753 cũng như trong các bộ nhân, các bộ lọc và bộ chuyển đổi từ số sang tần số Bởi vì dòng dò dạng số trong ADE7753 nhỏ, nên nó được chấp nhận để kết nối chân này cho mặt đất của hệ thống.Tuy nhiên, điện dung cao trên DOUT có thể gây nhiễu dòng điện số có thể ảnh hưởng đến hiệu suất.
Hiệu chuẩn tần số logic đầu ra Giá trị logic đầu ra của CF cung cấp hoạt thông tin về công suất hữu công.Đầu ra này được định để sử dụng (cho) những mục đích hoạt động và xác định kích cỡ Tần số đầu ra thật có thể được điều chỉnh bằng việc lập trình cho 2 thanh ghi CFDEN và CFNUM.
12 ZX Đầu ra của điểm về không của điện áp dạng sóng Đầu ra này lật trạng thái bit cao và thấp tại qua của điểm về không của tín hiệu vi phân trên Kênh 2.
13 SAG Lôgic rãnh mở đầu ra này được tích cực thấp khi không có điểm về không được phát hiện hoặc điện áp ngưỡng thấp (Channel 2) vượt qua cho một thời hạn quy định.
Yêu cầu ngắt đầu ra Đây là một đầu ra lôgic rãnh mở tích cực thấp Các ngắt có thể che bao gồm: thanh ghi năng lượng hữu công cuộn ngang, thanh ghi năng lượng hữu công tại nửa mức, và sự tới của những mẫu sóng mới.
Là 2 đầu vào của thạch anh 3.58 Mh
17 CS Chip Select.Một trong 4 phần của dây SPI Serial
Interface (giao tiếp nối tiếp) Đầu vào tích cực thấp này cho phép ADE chia sẻ nối tiếp bus với các thiết bị khác.
Xung đầu vào nối tiếp cho giao diện nối tiếp đồng bộ.
Tất cả các dữ liệu truyền nối tiếp đều đồng bộ với đồng hồ này.SCLK có một đầu vào là bộ khởi động Schmitt để sử dụng với một nguồn xung clock mà có sườn xung xuống ví dụ như là đầu ra của bộ ghép sợi quang.
Dữ liệu đầu ra cho giao diện nối tiếp Dữ liệu được chuyển ra cổng ra của chân này trên sườn lên của SCLK. Đầu ra logic này thường ở trong trạng thái trở kháng cao,trừ khi nó phải truyền dữ liệu trên các bus dữ liệu nối tiếp.
Mạch cung cấp đầu vào dòng và áp cho ADE7753
Hình 3.5: Mạch cung cấp đầu vào dòng và áp cho ADE7753 Tính toán đầu vào dòng: a Nguyên tắc hiển thị ký tự trên LCD
- LCD (Liquist Crystal Display) là một loại màn hình hiển thị thông tin tiêu tốn ít năng lượng Bình thường một LCD có loại 2, 4,… dòng Mạch này có nhiệm vụ chuyển tín hiệu dòng điện xoay chiều từ 0 - 5A thành điện áp 1 chiều từ 0 – 0.25 V
- Dòng điện lưới được qua BI và thông qua mạch lọc mới được đưa vào ADE.
- Mạch lọc ghép đôi RC với các thông số: R2=R5=1k, R3=R40/2W.
- Hai tụ dùng trong mạch khá lớn cho dòng bằng phẳng là C9=C103nF
- U in max i tc max( R 3 R 4 ) 5 V max 5
Tính toán đầu vào áp:
- Mạch lọc gồm tụ C14 này có tác dụng chặn lại những tín hiệu có tần số cao làm méo tín hiệu hình sin.
- Đầu vào máy biến áp cũng là nguồn điện lưới 220V qua máy biến áp điện áp xuống ±6V xoay chiều, sử dụng tiếp bộ lọc.
- Theo công thức phân áp ta có:
Khối hiển thị màn hình LCD
16 cột, 80 ký tự trên mỗi dòng và kích thước mỗi ký tự là 5x7 dots hoặc 5x10dots.
LCD có cách điều khiển và giao thức điều khiển được tương thích với chuẩn TTL
Trong hệ thống LCD hoạt động theo chuyển đổi Port dùng dữ liệu là 7 bit LCD gồm 16 chân:
Một chương trình hiển thị ký tự trên LCD sẽ đi theo bốn bước sau:
- Xóa toàn bộ màn hình- Đặt chế độ hiển thị- Đặt vị trí con trỏ (nơi bắt đầu của ký tự hiển thị)- Hiển thị ký tự
+ Các bước 3, 4 có thể lặp lại nhiều lần nếu cần hiển thị nhiều ký tự.
+ Mỗi khi thực hiện ghi lệnh hoặc ghi dữ liệu hiển thị lên LCD cần phải kiểm tra cờ bận trước Vì vậy, cần phải chủ động phân phối thời gian khi ra lệnh cho LCD (ví dụ: Sau khi xóa màn hình sau khoảng 2ms mới ra lệnh khác vì thời gian để LCD xóa màn hình là 1,64ms).
+ Chế độ hiển thị mặc định sẽ là hiển thị dịch, vị trí con trỏ mặc định sẽ là đầu dòng thứ nhất.
Bảng 3.7: Bảng mã lệnh của LCD HD4480
Xóa màn hình 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 Xóa màn hình đưa con trỏ về vị trí đầu 1.64ms Đưa con trỏ về vị trí đầu 0 0 0 0 0 0 0 0 1 x Đưa con trỏ về vị trí đầu 1.64ms
Thiết lập hướng dịch chuyển con trỏ(I/D), dịch hiển thị(S)
Bật tắt hiển thị, con trỏ; bật tắt chế độ nhấp nháy con trỏ
Dịch con trỏ hiển thị 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *
Thiết lập chiều dịch chuyển của con trỏ và hiển thị
Thiết lập chức năng 0 0 0 0 1 DL N F * *
Thiết lập độ dài của dữ liệu, số dòng và font chữ
Thiết lập địa chỉ CGRAM 0 0 0 1 CGRAM address Thiết lập địa chỉ
Thiết lập địa chỉ DDRAM 0 0 1 DDRAM address Thiết lập địa chỉ
DDRAM 40us Đọc cờ báo bận và địa chỉ
CGRAM/ 0 1 BF CGRAM/ DDRAM address Đọc cờ báo bận và địa chỉ của CGRAM hoặc DDRAM( tùy 40us
Ghi dữ liệu vào CGRAM hoặc
1 1 Read data Đọc dữ liệu từ CGRAM hoặc
Bảng 3.8: Các bit viết tắt trong mã lệnh LCD
I/D 0=không dịch chuyển vị trí con trỏ 1=dịch chuyển vị trí con trỏ
S 0 = không dịch chuyển hiển thị 1 = dịch chuyển hiển thị
D 0=tắt hiển thị 1 = bật hiển thị
C 0=tắt con trỏ 1 = bật con trỏ
B 0=con trỏ không nháy 1 = con trỏ nhấp nháy
S/C 0=di chuyển con trỏ 1 = dịch chuyển hiển thị
DL 0=chế độ 4bit dữ liệu 1 = chế độ 8bit dữ liệu
BF 0= không bận 1= đang bận b Sơ đồ nguyên lý hiển thị LCD
Hình 3.6: Hình ảnh thực tế của LCD2x16
Hình 3.7: Sơ đồ ghép nối LCD
Bảng 3.9: Chức năng chân của LCD
Chân số Ký hiệu Mức logic I/O Chức năng
1 Vss - - Nguồn cung cấp(GND)
Lựa chọn thanh ghi 0= thanh ghi lệnh 1=thanh ghi dữ liệu
7 DB1 0/1 I/O Data bus line 0(LSB)
14 DB8 0/1 I/O Data bus line7(MSB)
Khối nguồn
- Khối nguồn là những khối quan trọng của trong một hệ thống đo lường, nó có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện cho toàn mạch điện. em đã sử dụng một máy biến áp xuống 12v xoay chiều, sau đó qua chỉnh lưu cầu để được nguồn điện một chiều, để có được điện áp 5v một chiều ta dùng tiếp con IC ổn áp7805 để có điện áp +5v
Module chuyển đổi USB – USART
Mạch chuyển USB UART CP2102 sử dụng chip CP2102 của hãng SILICON LABS được dùng để chuyển giao tiếp từ USB sang UART TTL và ngược lại.
Mạch chuyển USB UART CP2102 có thể nhận trên tất cả các hệ điều hành Windows, Mac, Linux, Android, rất dễ sử dụng và giao tiếp.
Hỗ trợ các tốc độ truyền như: 300, 600, 1200, 1800, 2400, 4000, 4800, 7200, 9600 , 14400, 16000, 19200, 28800, 38400, 51200, 56000, 57600, 64000, 76800, 115200 , 128.000, 153.600, 230.400 , 250.000, 256.000, 460.800, 500.000, 576.000, 921.600 và các loại tốc độ khác.
CP2102 không sử dụng thạch anh ngoài như các chip PL2303 Module có sẵn ngõ ra điện áp 3.3V.
Trên mạch có 6 cổng đầu ra: 3.3V DTR 5V Tx Rx Gnd Trong đó chân DTR được sử dụng để reset vi điều khiển trong quá trình nạp (tương thích với Arduino Promini).
LED nguồn sáng khi gắn vô máy tính và LED báo hiệu Tx / Rx, LED này sẽ sáng khi module nhận, gửi dữ liệu
Mô tả chân như sau:
TXD: chân truyền dữ liệu UART, dùng kết nối đến chân Rx của các module khác, không kết nối trực tiếp đến mức của RS232
RXD: chân nhận dữ liệu UART, dùng kết nối đến chân Tx của các module khác, không kết nối trực tiếp đến mức của RS232
GND: chân mass hoặc nối đất.
5V: nguồn điện áp dương (tối đa 500mA).
DTR: Chân reset để nạp cho vi điều khiển
Hình 3.11 Module chuyển đổi USB – UART CP2102
Hình ảnh thực tế của sản phẩm
Hình 3.12: Hình ảnh thực tế của sản phẩm
THIẾT KẾ PHẦN MỀM
Giới thiệu phần mềm Codevision AVR
Codevision AVR là môi trường phát triển tích hợp và biên dịch ngôn ngữ C cho họ AVR Giao diện dễ dử dụng, Codevision AVR sẽ tạo cho người dùng một sườn code bằng giao diện CodeWizard AVR do người dùng thiết lập trước đó Theo đó người sử dụng sẽ thêm các dòng code tùy mục đích sử dụng.
4.2 Khởi tạo và viết chương trình trên Codevision AVR
Hình 4.1 : Giao diện khởi động Codevision AVR
Khởi động chương trình xong ta sẽ thiết lập project mới để viết code Thao tác thực hiện:
Vào File chọn New- tích chọn ô Project - Ok
Hình 4.2 : Tạo thư mục mới trong Codevision AVR khi đó máy sẽ hỏi chúng ta có muốn thiết lập bằng CodeWizard AVR không
Hình 4.3 : Xác nhận tạo file mới.
Và dòng chip chúng ta sử dụng là Atmega16 nên sẽ tích ô trên:
Hình 4.4 : Chọn loại vi xử lý.
Sau đó ta sẽ nhận được giao diện CodeWizard AVR như sau:
Hình 4.5: Giao diện CodeWizard AVR.
Tại đây ta sẽ thiết đặt để CodeWizard AVR tạo sườn code cho chúng ta.
Trong phần chip ta chọn loại chip là Atmega 16.
Phần clock chính là tần số thạch anh, ta sử dụng thạch anh 16Mhz.
Tiếp theo đến phần Ports ta thiết đặt như sau : Port A là cổng out để hiển thị lên LCD
Hình 4.6 : Khởi tạo các Port cho vi xử lý trong Codevision AVR.
Tiếp đến ta thiết đặt cho phần hiển thị LCD
Hình 4.7 : Thiết lập LCD trong Codevision AVR
Sau khi thiết lập như trên xong ta sẽ vào program chọn dòng Genarate, Save and Exit, sau đó ta sẽ lưu 3 file thu được vào cùng 1 thư mục
Hình 4.8 : Hoàn thành tạo thư mục mới.
- Lưu đồ thuật toán đọc ADE:
Timer 1 – Interput Đọc U rms = Read_ADE(U rms ) Đọc I rms = Read_ADE(I rms ) Đọc P = Read_ADE(ANERGY) Đọc Q = Read_ADE(LANERGY)
- Lưu đồ thuật toán mạch chính:
Nhập giá trị cần đo từ bàn phím máy tính Đọc ADE Đo U, I, P, Q, Cosphi
Hiển thị U, I, P, Q, Cosphi lên màn hình máy tính và LCD
Hình 4.10 : Lưu đồ thuật toán mạch chính.
Phần lập trình
// Declare your global variables here unsigned char trangthai=0; unsigned char n=0;
/////////////////////////// unsigned char nhanlenh; unsigned char CMD;
////////////////////////////////////////////////////////////////// unsigned char lenh1[]=""; // do ap unsigned char lenh2[]=""; // do dong unsigned char lenh3[]=""; // do cosphi unsigned char lenh4[]=""; // do cong suat tac dung unsigned char lenh5[]=""; // do cs phan khang //////////////////////////////////////////////////////////////////
#define CS PORTA.0 //Dia chi cac thanh ghi SPI_ADE7753
#define RX_BUFFER_SIZE 6 unsigned char rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE]; unsigned char malenh[RX_BUFFER_SIZE];
#if RX_BUFFER_SIZE có 256-6%0 chu ky ==> Ttran = 250.4 = 1(ms) moi lan timer tran, xay ra ngat và bien dem++. bien dem tang dc 1000 lan thi dc 1s (thuc te tang 3700 xap xi 1 min)
} ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void lcd_putnumfl(float giatri) { char tram, chuc, donvi, phan10, phan100, phan1000, phan10000; tram =(int)giatri%1000/100; chuc =(int)giatri%100/10; donvi=(int)giatri%10; phan10=(int)((int)(10*giatri)%10); phan10000=(int)((int)(10000*giatri)%10); lcd_putchar(48+tram); lcd_putchar(48+chuc); lcd_putchar(48+donvi); lcd_putchar('.'); lcd_putchar(48+phan10); lcd_putchar(48+phan100);
} void tx5(float giatri){ char tram, chuc, donvi, phan10, phan100, phan1000; char i; tram = (int)giatri%1000/100; chuc = (int)giatri%100/10; donvi = (int)giatri%10; phan10 = (int)((int)(10*giatri)%10); phan100 = (int)((int)(100*giatri)%10); putchar(tram+48); putchar(chuc+48); putchar(donvi+48); putchar('.'); putchar(phan10+48); putchar(phan100+48);
} ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////// void spi_t(unsigned char data7753); unsigned char spi_r(void); void ade7753_write(char addr,char sobyte,char data1,char data2,char data3); unsigned long int ade7753_read(char addr, char sobyte); void ade7753_init(void);
//////////////////////////ADE7753/////////////////////////////////////////// unsigned char read[10]; void spi_t(unsigned char data7753) //truyen 8bit vao ade{ for(i=0;i 1) cosPhi = 1; tx5(cosPhi); lcd_gotoxy(0,1); lcd_puts("COSphi="); lcd_putnumfl(cosPhi);
// reset cac bien dem bo nhan ' rx_wr_index=rx_rd_index=rx_counter=0; for(i=0;i');
// in ma lenh ra LCD lcd_gotoxy(0,1); lcd_putsf("KO CO TIN HIEU");
} // reset cac bien dem bo nhan ' rx_wr_index=rx_rd_index=rx_counter=0; for(i=0;i
