Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính 61 Khối này có chức năng hiển thò ra các thông tin cần thiết cho người sử dụng, hoạt động dưới sự điều khiển của khối trung tâm xử lí. Ngoài ra, trong suốt quá trình sử dụng nếu có sự cố điện xảy ra thì khối xử lí sẽ báo hiệu cho người sử dụng biết thông qua khối hiển thò cảnh báo. 5. Khối giao tiếp dữ liệu song song, nối tiếp: Nhằm tạo thuận lợi cho việc thu nhận dữ liệu từ các điện năng kế điện tử mà khối giao tiếp dữ liệu được thiết kế để phát dữ liệu nối tiếp lên đường truyền về trung tâm điều hành. Trung tâm này có nhiệm vụ thu nhận dữ liệu từ tất cả các điện kế điện tử, sau đó sẽ xử lí tiếp để cho ra số tiền mà mỗi hộ sử dụng điện phải trả cho Công ty điện lực. Khi có sự trục trặc trên đường truyền nối tiếp thì nhân viên điện lực có thể dùng một thiết bò khác để thực hiện truy xuất dữ liệu từ điện năng kế theo phương pháp giao tiếp song song. 6. Khối đóng ngắt nguồn 220V/50Hz: Nhằm tăng tính hữu hiệu của điện năng kế mà chức năng đóng ngắt nguồn cũng được thiết kế, khối đóng ngắt này nhận lệnh từ khối xử lí để đóng ngắt nguồn theo đúng như chương trình điều khiển đã cài đặt. 7. Khối giao tiếp người sử dụng: Khối này tạo sự giao tiếp phần cứng với người sử dụng, nhờ vây có thể quan sát được các thông tin cần thiết trên các LED hiển thò và có thể tác động đóng ngắt nguồn, tất nhiên còn phụ thuộc vào trạng thái hiện tại của khối xử lí có cho phép đóng ngắt nguồn hay không. 8. Khối nguồn cung cấp: Khối này chỉ có nhiệm vụ duy nhất là cung cấp năng lượng ổn đònh để thiết bò hoạt động bình thường ngay cả khi bò mất điện lưới vì bên trong đã thiết kế một bộ nguồn dự phòng. C/ TRÌNH BÀY CHI TIẾT CÁC KHỐI: 1) Khối cảm biến các đại lượng điện thành phần: Luận văn tốt nghiệp 62 Sơ đồ mạch : Theo công thức tính công suất điện năng tiêu thụ: P = U. I. cos Ta phải có ba đại lượng thành phần : U, I, và cos. Như vậy, cần thiết kế cảm biến dòng và áp còn riêng đại lượng cos sẽ được suy ra bằng phần mềm. Thiết kế cảm biến dòng tải: Trong sơ đồ trên, CBDT là cảm biến dòng tải có nhiệm vụ cảm nhận độ lớn của dòng điện tiêu thụ của tải, dựa trên nguyên lí của máy biến áp: Khi có sự biến thiên về dòng điện trên cuộn sơ cấp sẽ sinh ra trên cuộn thứ cấp một điện áp cảm ứng và nếu thứ cấp kín mạch thì sẽ có dòng điện cảm ứng chạy qua. Độ lớn của điện áp thứ cấp phụ thuộc vào dòng điện chạy trên cuộn sơ cấp và tỉ lệ số vòng dây quấn. Cảm biến trên chính là một biến dòng vì nó cảm nhận được sự biến thiên về dòng điện trên phần sơ cấp để tạo ra một điện áp trên phần thứ cấp. Phải có sự cân bằng của lực từ động phần sơ cấp và phần thứ cấp của biến dòng : n1.i1 = n2.i2 Trong đó : n1 là số vòng dây quấn trên cuộn sơ cấp. n2 là số vòng dây quấn trên cuộn thứ cấp. i1 là dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp. i2 là dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp. Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính 63 Do vậy cần lưu ý khi sử dụng biến dòng là không được để hở phần thứ cấp khi phần sơ cấp đã có điện. Khi thiết kế nhất thiết phải chọn một số giá trò ban đầu. Giá trò thích hợp được chọn căn cứ vào độ phân giải của bộ chuyển đổi ADC. Do điều kiện thực tế, đề tài đã chọn ADC8089 làm bộ chuyển đổi tương tự sang số. Các tính toán được trình bày như sau: Trong sơ đồ trên, cuộn sơ cấp được thiết kế để chòu được dòng tải cực đại là: 30 A và được quấn 3 vòng trên lõi sắt từ phần sơ cấp: Như vậy theo công thức trên ta có: 3 vòng x 30A = n2.i2 Do ta cần chuyển đổi dòng điện phần thứ cấp thành điện áp cho nên có một điện trở R1 được mắc vào mạch thứ cấp. Giá trò điện trở này được chọn nhỏ khoảng 50. Ta chọn dòng chạy qua mạch thứ cấp là 100mA ứng với lúc dòng điện bên sơ cấp đạt giá trò max, số vòng dây thứ cấp phải là: n2 = 30 x 3 / 100 x 10 -3 = 900 vòng. Công suất mà R1 phải chòu khi có dòng hiệu dụng cực đại chạy qua là : P R1 = 50 x I 2 max / 2 = 50 x 10 -2 / 2 = 0.25 W Để có thể hoạt động lâu dài, ta chọn công suất của điện trở R1 = 1W Điện áp xoay chiều trên điện trở R1 cần qua một bộ nắn điện là một cầu chỉnh lưu gồm 4 diode 1N4007. Sau khi qua cầu chỉnh lưu dạng sóng điện áp đã thành một chiều thích hợp cho bộ biến đổi ADC, nhưng trước khi đưa vào ngõ analog của ADC thì điện áp này cần qua một bộ phân áp gồm 3 điện trở mắc nối tiếp nhau nhằm điều chỉnh điện áp cho thích hợp. Vì 3 điện trở này chỉ có tác dụng phân áp cho nên ta có thể chọn giá trò tương đối dễ dàng và chỉ quan tâm đến tỉ lệ giữa chúng. Cụ thể như sau: R2 = 1K , R3 = 3K , VR1 = 0.5K Tỉ lệ này có ảnh hưởng đến sai số của điện kế, nên chọn sao cho giá trò max của điện áp ngõ vào càng gần giới hạn của ADC thì càng chính xác. Thiết kế cảm biến dòng điện rò: Cấu tạo: Luận văn tốt nghiệp 64 Người ta dùng một vòng xuyến mạch từ loại sắt Ferrit có độ từ thẩm cao. Trên đó có quấn hai cuộn dây có số vòng bằng nhau sao cho khi có dòng điện đi qua thì từ thông tổng của hai từ thông sinh ra bởi hai dòng điện đi và về qua hai cuộn dây này có trò số = 0. Một cuộn dây cảm biến quấn nhiều vòng có tiết diện bé để tiếp nhận dòng cảm ứng nếu như có xuất hiện. Khi xảy ra sự cố rò điện (chạm mass) trên đường dây của hộ tiêu thụ thì do dòng điện đi và về trên dây pha và dây trung tính không bằng nhau dẫn đến dòng tổng bằng của hai dòng điện trên dây pha và dây trung tính 0. Dòng điện này tạo ra từ thông t trong vòng xuyến sắt từ Ferrit làm phát sinh sức điện động cảm ứng trên cuộn dây cảm ứng. Phương pháp quấn hai dây pha và dây trung tính: Quấn đồng thời hai dây quanh lõi sắt từ, trong đề tài này ta thực hiện quấn khoảng 5 vòng. Cuộn dây cảm ứng cũng được quấn trên cùng một lõi Ferrit nhưng được quấn riêng thành một cuộn và số vòng thực tế cần quấn khoảng 300 vòng. Khi đó ta có thể phát hiện ra dòng rò khoảng 20 mA. Trong thiết kế thực tế nếu như dòng điện cảm ứng quá bé thì có thể tăng số vòng dây của cuộn dây cảm ứng hoặc lắp một bộ khuyếch đại bằng Op-amp tại đầu ra của cuộn dây cảm ứng. Tín hiệu tại ngõ ra này được đưa vào một bộ phân áp có cách mắc và trò số như bộ phân áp của cảm biến dòng. Thiết kế cảm biến điện áp: Trong 3 cảm biến cần phải thiết kế để đo các đại lượng điện thì cảm biến điện áp là đơn giản nhất vì thực chất nó chỉ là một biến áp. Do vậy, ta không cần phải thiết kế riêng một biến áp dùng cho việc cảm biến điện áp mà sẽ tận dụng ngay biến áp nguồn. Để ngăn ảnh hưởng của tụ lọc nguồn lên dạng sóng điện áp đưa đến khối ADC, ta cần gắn một diode có cực tính như trên hình vẽ. Ngõ ra của biến áp được đưa đến một cầu phân áp để lấy ra mức điện áp thích hợp trước khi đưa tới ADC. Do mức điện áp này khá lớn cho nên giá trò của các điện trở phân áp và tỉ lệ giữa chúng được chọn khác với cầu phân áp của hai cảm biến trên. Cụ thể là: R4 = R5 = 10K , VR2 = 22K . Điện năng kế do có sự kết nối trực tiếp với lưới điện cho nên sẽ dễ bò ảnh hưởng của các tín hiệu nhiễu phát sinh trên đường truyền cho nên nhất thiết phải có một bộ phận lọc các nhiễu này, đồng thời khi có hiện tượng quá áp Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính 65 đột ngột thì cũng phải có một bộ phận tác động kòp thời để bảo vệ cho các thiết bò phía sau. Điều này được thực hiện nhờ vào cuộn dây lọc nguồn LF ( Line Filter ), tụ C 1 có giá trò 0.47uF và cầu chì tác động nhanh Fuse. Khi có quá áp đột ngột thì tụ C 1 sẽ nối tắt hai dây nguồn và dòng điện lớn đủ để làm cho cầu chì đứt. Khi có tín hiệu nhiễu trên đường truyền thì hoặc sẽ bò tụ nối tắt hoặc sẽ tự triệt tiêu khi đi qua hai cuộn dây được quấn ngược chiều nhau của cuộn lọc LF. Mạch điện này thường được sử dụng trong thiết kế nguồn của các TV màu. Như ta đã biết, tín hiệu tại các đầu dò là tín hiệu tương tự cho nên trước khi được đưa vào xử lí bằng các linh kiện số thì phải được chuyển đổi thành tín hiệu số, điều này được thực hiện bằng ADC0809, IC này là có độ phân giải không cao nhưng bù lại nó rất thông dụng vì có nhiều đặc tính hay như có tới 8 ngõ vào tương tự được chọn bằng các chân chọn lựa. Sau đây sẽ trình bày về các đặc tính quan trọng của ADC trước khi tìm hiểu về cách kết nối trong mạch điện. ADC0809 là một IC có chức năng chuyển đổi tương tự sang số, có một số đặc tính sau: Độ phân giải : 8 bit. Thời gian chuyển đổi : 100 s. Nguồn cung cấp : +5V. Giới hạn điện áp ngõ vào 0V 5V (khi nguồn cung cấp là nguồn đơn +5V). Ngõ ra tương thích với mức logic của các IC TTL. Luận văn tốt nghiệp 66 8 đường tín hiệu analog ngõ vào được chọn lựa bằng một bộ chọn kênh và một tín hiệu dùng để chốt đòa chỉ của kênh đó. Mức tiêu tán công suất thấp : 15mW. Ngõ ra 3 trạng thái có chốt. Giới hạn nhiệt độ – 40 o C +85 o C. Dòng tiêu thụ : 0.3mA khi hoạt động bình thường. Tần số hoạt động f 640 KHz. Giới hạn áp vào analog : - 0.1V VCC+0.1V (DC). ADC0809 tạo sự giao tiếp dễ dàng với các thiết bò số nói chung thông qua 28 chân có chức năng như sau: 8 ngõ vào analog (IN 0 IN 7 ). 8 ngõ ra dữ liệu ( D 0 D 7 ). 3 đường đòa chỉ phân kênh cho 8 ngõ vào analog (A, B, C). 1 tín hiệu chốt đòa chỉ vào bộ giải mã bên trong (ALE). 1 tín hiệu cho phép bắt đầu quá trình chuyển đổi bên trong IC (START). 1 tín hiệu báo kết thúc chuyển đổi (EOC). 1 tín hiệu cho phép ngõ ra xuất dữ liệu đã chuyển đổi xong (OE). 2 chân tạo điện áp tham chiếu (VREF+ và VREF-). 2 chân cấp nguồn và mass cho IC hoạt động (VCC và GRN). Bảng chức năng của ADC0809: INPUTS ADDRESS C B A ALE SELECTED ANALOG CHANNEL L L L 0 L L H 1 L H L 2 L H H 3 H L L 4 H L H 5 H H L 6 H H H 7 Trong sơ đồ trên ADC0809 có 3 ngõ vào analog được kết nối với 3 tín hiệu ra từ các cảm biến. Ba chân chọn A, B, C được nối với PC0, PC1, PC2 của Port C (8255-2). Chân ALE và chân STR được nối chung với nhau và nối với PC3 của Port C (8255-2). 8 đường dữ liệu ngõ ra từ D0 D7 được nối với PB0 PB7 của Port B (8255-2). Chân OE được nối sẵn lên mức cao để luôn cho phép dữ liệu được xuất ra ngoài. Chân VREF+ được nối lên nguồn +5V. Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính 67 Chân VREF- được nối xuống mass. Chân EOC được nối với P11 của 8951. Xung cấp cho ADC 0809 được lấy từ ngõ ra của cổng 74HC14. Tính toán tần số xung Ck cấp cho ADC0809 : ADC0809 có thể hoạt động ở tần số 640 KHz, nhưng để đảm bảo ta sẽ thiết kế một bộ cấp xung khoảng 500 KHz. Sơ đồ trên, sử dụng 74HC14 nên f = 1.2 / RC. f = 500 KHz Chọn C = 100pF Vậy R = 1.2/ 500 x 10 3 x 100 x 10 -12 = 24 K. Chọn R = 22 K. Hoạt động của khối cảm biến các đại lượng điện thành phần được trình bày như sau : Các cảm biến có nhiệm vụ thu nhận các tín hiệu điện với một biên độ thích hợp cho khối chuyển đổi ADC. Các tín hiệu này đang ở trạng thái analog được đưa đến các ngõ vào analog của ADC0809. Vi điều khiển 8951 sẽ lần lượt xuất các đòa chỉ tương ứng với ngõ vào tín hiệu analog nào mà nó cần đọc thông qua 3 đường PC0, PC1, PC2 của 8255 thứ 2. Khi đòa chỉ đã được đưa đến các chân A, B, C của ADC 0809 thì 8951 xuất tiếp xung chốt đòa chỉ này vào thanh ghi bên trong của ADC 0809. Do chân ALE được nối chung với chân STR cho nên đồng thời với việc chốt đòa chỉ ADC0809 sẽ bắt đầu thực hiện quá trình chuyển đổi tương tự sang số đối với kênh tương tự đã được chọn. Khi thực hiện chuyển đổi xong, ADC0809 sẽ báo cho 8951 biết bằng cách đưa chân EOC lên mức 1. Khi 8951 nhận thấy EOC = 1 thì lập tức thu nhận dữ liệu đó và tiếp tục quá trình tương tự đối với kênh truyền tiếp theo. Trên sơ đồ, chân OE là chân cho phép xuất dữ liệu ngõ ra đã được nối sẵn lên mức cao điều này hoàn toàn không ảnh hưởng gì đến dữ liệu mà 8951 thu được vì 8951 chỉ đọc dữ liệu khi nhận thấy chân EOC của ADC 0809 lên mức 1 tức là đã chuyển đổi xong. Luận văn tốt nghiệp 68 2) Khối trung tâm xử lí: Khối xử lí trung tâm chính là vi điều khiển 8951. Nó có nhiệm vụ quản lí tất cả các hoạt động của thiết bò. Chương trình cài đặt sẽ được thực thi bởi 8951 trong suốt quá trình hoạt động của điện năng kế điện tử. 8951 thu thập các dữ liệu dưới dạng các bit nhò phân do ADC0809 cung cấp sau đó nó sẽ tính toán để cho ra điện năng tiêu thụ trong giờ cao điểm và thấp điểm của hộ sử dụng điện. Dữ liệu sau khi đã xử lí sẽ được xuất ra các LED nếu như có yêu cầu của người sử dụng. Trong quá trình sử dụng, có thể xảy ra các sự cố điện như ngắn mạch, quá tải…lúc đó 8951 cũng căn cứ trên số liệu của các đầu dò đưa về và so sánh với một giá trò giới hạn đã được nạp vào bởi người lập trình để quyết đònh cách thức điều khiển khối đóng ngắt và khối hiển thò - cảnh báo hoạt động. Khi Trung tâm điều hành tại Công ty điện lực cần các số liệu từ điện năng kế thì 8951 sẽ nhanh chóng đáp ứng để gửi dữ liệu lên đường truyền theo một trong hai cách nối tiếp hoặc song song. Trong hệ thống, 8951 đóng vai trò của chủ đạo vì tất cả các hoạt động của các bộ phận bên trong đều đặt dưới quyền kiểm soát của nó. Tuy nhiên, nếu để 8951 giải quyết tất cả các đòi hỏi đáp ứng của thiết bò ngoài thì việc viết phần mềm điều khiển sẽ trở nên phức tạp và làm chậm tốc độ chung của toàn thiết bò. Do vậy trong những trường hợp cần thiết ta phải thiết kế phần cứng để hỗ trợ cho 8951, điều này được thể hiện rõ trong việc thiết kế khối hiển thò cảnh báo. Sơ đồ nguyên lí đã trình bày rõ cách thức nối các chân vào, ra của 8951 với các thiết bò ngoài như thế nào để có thể thực hiện được chức năng đo đạc và hiển thò Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính 69 điện năng tiêu thụ của hộ sử dụng và điều này sẽ được trình bày rõ hơn trong phần giới thiệu phần mềm điều khiển 8951. 3) Khối lưu trữ dữ liệu: Khối lưu trữ là một EEPROM 2864 có dung lượng 8 KBytes để chứa chương trình và dữ liệu. Việc sử dụng bộ nhớ bên ngoài để thiết kế cho khối lưu trữ dữ liệu nhằm tạo sự thuận lợi trong việc nạp chương trình điều khiển bằng các bộ nạp và nhất là khi cần thay đổi chương trình cũng dễ dàng hơn. EEPROM 2864 là một ROM điện có thể đọc/ghi thuận tiện giống như RAM tónh, nhưng nó đặc điểm không bò mất dữ liệu khi bò mất nguồn do vậy chương trình, cũng như các dữ liệu đã lưu vào không bò thay đổi. Điều này rất quan trọng đối với điện năng kế. Chương trình điều khiển sau khi đã nạp vào 2864 sẽ được dùng để điều khiển 8951 thực hiện đúng tất cả các yêu cầu đã đặt ra. Trong khi hoạt động, 8951 sẽ dùng một phần bộ nhớ để lưu các dữ liệu đã xử lí. Tóm lại việc sử dụng EEPROM 2864 vừa dễ dàng cho việc nạp trình vừa đảm bảo cho việc an toàn cho dữ liệu đã lưu trữ. Luận văn tốt nghiệp 70 4) Khối hiển thò – cảnh báo: Thay vì dùng một chương trình để điều khiển 8951 quét các LED 7 đoạn để hiển thò ra dữ liệu mong muốn, ta có thể thiết kế một khối riêng chuyên về hiển thò các dữ liệu được gửi ra từ 8951. Điều này nhằm một mục đích duy nhất là làm giảm công việc cho 8951 để nó thực hiện chương trình chính một cách liên tục hơn mà không bò ngắt quãng bởi yêu cầu hiển thò thông tin ra các LED. Nhờ đó sẽ giảm nhỏ sai số trong việc thu nhận và xử lí dữ liệu, ngoài ra việc viết một chương trình để bắt 8951 thực hiện xen kẽ nhiều công việc như vậy sẽ trở nên phức tạp hơn nhiều. Khối hiển thò gồm có 6 đèn LED 7 đoạn thuộc loại anode chung. Chân anode của 6 đèn được nối đến cực C của 6 transistor loại PNP, cực E của 6 transistor này được nối lên nguồn +5V. Cực B của chúng nối đến 6 ngõ ra tác động mức thấp của IC giải mã 74LS138 từ Y 0 đến Y 7 . Dữ liệu cần hiển thò phải được chuyển thành mã của LED 7 đoạn và dấu chấm thập phân. Ta cần đến một IC có khả năng lưu tạm dữ liệu từ 8951 gửi ra và nó phải ở tình trạng chờ nhận dữ liệu tiếp theo từ 8951, đồng thời trong quá trình chờ dữ liệu mới này nó sẽ xuất dữ liệu trước đó ra các chân a, b, c, …p của các led 7 đoạn. . hiện rõ trong việc thiết kế khối hiển thò cảnh báo. Sơ đồ nguyên lí đã trình bày rõ cách thức nối các chân vào, ra của 8951 với các thiết bò ngoài như thế nào để có thể thực hiện được chức năng. của khối cảm biến các đại lượng điện thành phần được trình bày như sau : Các cảm biến có nhiệm vụ thu nhận các tín hiệu điện với một biên độ thích hợp cho khối chuyển đổi ADC. Các tín hiệu này. tất cả các hoạt động của thiết bò. Chương trình cài đặt sẽ được thực thi bởi 8951 trong suốt quá trình hoạt động của điện năng kế điện tử. 8951 thu thập các dữ liệu dưới dạng các bit nhò