Thiết kế mạch đo tần số và công suất điện dân dụng 220VAC

Thiết kế mạch đo tần số và công suất điện dân dụng 220VAC

0 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN Báo cáo đồ án II Đề tài: Thiết kế mạch đo tần số và công suất điên dân dụng 220VAC. Sinh viên thực hiện: Lê Tiến Sự SHSV: 20092287 Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Tuấn Ninh Hà Nội,2812/2012 1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 LỜI NÓI ĐẦU 2 I. GIỚI THIỆU CHUNG 3 II. ĐẶC ĐIỂM KĨ THUẬT 3 III. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN 3 III.1 Mô tả phần cứng CPU……………………………………………………………3 III.2 Mô tả chip AD7755…………………………………………………………… 13 III.3 Phương pháp tạo xung vuông từ xung hình sin……………………………… 16 III.4 Giới thiệu về giao tiếp truyền thông RS232 nối tiếp……………………… … 17 III.5 Phương pháp thiết kế mạch nguyên lý và mạch in………………………… ….25 III.6 Thiết kế phần mềm và lưu đồ thuật toán…………………………………… …29 III.7 Quá trình hoàn thiện sản phẩm và kiểm tra……………………………… 31 IV. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 33 V. KẾT LUẬN 33 VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 2 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay những ứng dụng của vi điều khiển đã đi sâu vào đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người, là một phần tất yếu không thể thiếu trong đời sống hiện đại. Thế kỉ 21 được xem là thế kỉ của khoa học công nghệ, là thế kỉ mà máy móc được thiết kế và điều khiển một cách tự động để thay thế các hoạt động của con người trong sản xuất, cũng như để phục vụ các công việc trong sinh hoạt. Trong tự động hóa thì các mạch vi xử lí như là một công cụ đắc lực, quan trọng, hỗ trợ con người thực hiện những nhu cầu của mình. Đang là sinh viên đang ngồi trên ghế nhà trường, cơ hội tiếp cận, học tập với những công nghệ tiên tiến, hiện đại chưa nhiều, nên trong quá trình tự học và tìm tòi, em đã tìm hiểu về PIC16F877A cũng như các ứng dụng của nó trong các hệ VXL. Với những gì tìm hiểu được, em đã thực hành thiết kế ứng dụng sử dụng VXL để thiết kế mạch đo tần số và công suất của lưới điện 220VAC. Đây là cơ hội tốt cho em trau dồi kiến thức thực tế, áp dụng những lí thuyết đã học và rèn luyện bản thân. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Tuấn Ninh đã nhiệt tình hướng dẫn và cho những góp ý kịp thời đến em trong suốt quá trình học tập và làm sản phẩm này. Sinh viên thực hiện LÊ TIẾN SỰ 3 I. GIỚI THIỆU CHUNG Đề tài: Thiết kế mạch đo tần số và công suất của lưới điện 220VAC Thời gian nhận đề tài : tuần 6. Thời gian nộp sản phẩm: tuần 21. Yêu cầu: Đo công suất thiết bị và tần số của lưới điện 220Vdc II. ĐẶC ĐIỂM KĨ THUẬT 1. Sử dụng Vi điều khiển PIC16F877A. 2. Sử dụng LCD 16x2 hiển thị kết quả đo được. 3. Giao tiếp với máy tính qua cổng COM với chuẩn truyền thông RS232. III. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN III.1 Mô tả phần cứng CPU PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là “máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ: PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600. Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay. Các kí hiệu của vi điều khiển PIC: - PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit - PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit - PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM) F: PIC có bộ nhớ flash LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp LV: tương tự như LF, đây là kí hiệu cũ Bên cạnh đó một số vi điệu khiển có kí hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có thêm chữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, c.n PIC16F877A là flash). Ngoài ra còn có thêm một dạng vi điều khiển PIC mới là dsPIC. Ở Việt Nam phổ biến nhất là các họ vi điều khiển PIC do hãng Microchip sản xuất. Cách lựa chọn một vi điều khiển PIC phù hợp: - Trước hết cần chú ý đến số chân của vi điều khiển cần thiết cho ứng dụng. Có nhiều vi điều khiển PIC với số lượng chân khác nhau, thậm chí có vi điều khiển chỉ có 8 chân, ngoài ra c.n có các vi điều khiển 28, 40, 44, … chân. - Cần chọn vi điều khiển PIC có bộ nhớ flash để có thể nạp xóa chương trình 4 được nhiều lần hơn. Tiếp theo cần chú ý đến các khối chức năng được tích hợp sẵn trong vi điều khiển, các chuẩn giao tiếp bên trong. - Sau cùng cần chú ý đến bộ nhớ chương trình mà vi điều khiển cho phép. - Ngoài ra mọi thông tin về cách lựa chọn vi điều khiển PIC có thể được tìm thấy trong cuốn sách “Select PIC guide” do nhà sản xuất Microchip cung cấp. Ngôn ngữ lập trình cho PIC rất đa dạng. Ngôn ngữ lập trình cấp thấp có MPLAB (được cung cấp miễn phí bởi nhà sản xuất Microchip), các ngôn ngữ lập trình cấp cao hơn bao gồm C, Basic, Pascal, … Ngoài ra còn có một số ngôn ngữ lập trình được phát triển dành riêng cho PIC như PICBasic, MikroBasic,… III.1.1 CÁC DẠNG SƠ ĐỒ CHÂN Hình 2.1 Vi điều khiển PIC16F877A/PIC16F874A và các dạng sơ đồ chân III.1.2 SƠ ĐỒ KHỐI VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A 5 Hình 2.2 Sơ đồ khối của vi diều khiển PIC16F877A. 6 Hình 2.2 là sơ đồ khối của PIC 16F877A, gồm các khối: - Khối ALU – Arithmetic Logic Unit. - Khối bộ nhớ chứa chương trình – Flash Program Memory. - Khối bộ nhớ chứa dữ liệu EPROM – Data EPROM. - Khối bộ nhớ file thanh ghi RAM – RAM file Register. - Khối giải mã lệnh và điều khiển – Instruction Decode Control. - Khối thanh ghi đặc biệt. - Khối ngoại vi timer. - Khối giao tiếp nối tiếp. - Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số - ADC. - Khối các port xuất nhập. III.1.3 CHỨC NĂNG CÁC CHÂN CỦA PIC16F877A Chân OSC1/CLK1(13): ngõ vào kết nối với dao động thạch anh hoặc ngõ vào nhận xung clock từ bên ngoài. � Chân OSC2/CLK2(14): ngõ ra dao động thạch anh hoặc ngõ ra cấp xung clock. � Chân           (1) có 2 chức năng -          : ngõ vào reset tích cực ở mức thấp. - Vpp: ngõ vào nhận điện áp lập trình khi lập trình cho PIC. � Chân RA0/AN0(2), RA1/AN1(3), RA2/AN2(3): có 2 chức năng - RA0,1,2: xuất/ nhập số. - AN 0,1,2: ngõ vào tương tự của kênh thứ 0,1,2. � Chân RA2/AN2/VREF-/CVREF+(4): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự của kênh thứ 2/ ngõ vào điện áp chuẩn thấp của bộ AD/ ngõ vào điện áp chẩn cao của bộ AD. � Chân RA3/AN3/VREF+(5): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 3/ ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộ AD. � Chân RA4/TOCK1/C1OUT(6): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoài cho Timer 0/ ngõ ra bộ so sánh 1. � Chân RA5/AN4/ / C2OUT(7): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 4/ ngõ vào chọn lựa SPI phụ/ ngõ ra bộ so sánh 2. � Chân RB0/INT (33): xuất nhập số/ ngõ vào tín hiệu ngắt ngoài. � Chân RB1(34), RB2(35): xuất nhập số. � Chân RB3/PGM(36): xuất nhập số/ cho phép lập trình điện áp thấp ICSP. � Chân RB4(37), RB5(38): xuất nhập số. � Chân RB6/PGC(39): xuất nhấp số/ mạch gỡ rối và xung clock lập trình ICSP. � Chân RB7/PGD(40): xuất nhập số/ mạch gỡ rối và dữ liệu lập trình ICSP. � Chân RC0/T1OCO/T1CKI(15): xuất nhập số/ ngõ vào bộ giao động Timer1/ 7 ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1. � Chân RC1/T1OSI/CCP2(16) : xuất nhập số/ ngõ vào bộ dao động Timer 1/ ngõ vào Capture2, ngõ ra Compare2, ngõ ra PWM2. � Chân RC2/CCP1(17): xuất nhập số/ ngõ vào Capture1 ,ngõ ra compare1, ngõ ra PWM1. � Chân RC3/SCK/SCL(18): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra chế độ SPI./ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra của chế độ I2C. � Chân RC4/SDI/SDA(23): xuất nhập số/ dữ liệu vào SPI/ xuất nhập dữ liệu I2C. � Chân RC5/SDO(24): xuất nhập số/ dữ liệu ra SPI. � Chân RC6/TX/CK(25): xuất nhập số/ truyền bất đồng bộ USART/ xung đồng bộ USART. � Chân RC7/RX/DT(26): xuất nhập số/ nhận bất đồng bộ USART. � Chân RD0-7/PSP0-7(19-30): xuất nhập số/ dữ liệu port song song. � Chân RE0/ /AN5(8): xuất nhập số/ điều khiển port song song/ ngõ vào tương tự 5. � Chân RE1/ /AN6(9): xuất nhập số/ điều khiển ghi port song song/ ngõ vào tương tự kênh thứ 6. � Chân RE2/ /AN7(10): xuất nhấp số/ Chân chọn lụa điều khiển port song song/ ngõ vào tương tự kênh thứ 7. � Chân VDD(11, 32) và VSS(12, 31): là các chân nguồn của PIC. III.1.4 ĐẶC ĐIỂM VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte. Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O. Có 8 kênh chuyển đổi A/D � Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau: - Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit. - Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep. - Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler. - Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rông xung. - Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C. - Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ. - Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD, WR, 8 � Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như: - Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần. - Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần. - Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm. - Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm. - Nạp được chương tr.nh ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân. - Watchdog Timer với bộ dao động trong. - Chức năng bảo mật mã chương trình. - Chế độ Sleep. - Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau. Bảng 2.3: Tóm tắt đặc điểm của VDK PIC 16F877A III.1.5 TỔ CHỨC BỘ NHỚ 9 Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A bao gồm bộ nhớ chương trình (Program memory) và bộ nhớ dữ liệu (Data Memory). III.1.5.1 BỘ NHỚ CHƯƠNG TRÌNH Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ flash, dung lượng bộ nhớ 8K word (1 word = 14 bit) và được phân thành nhiều trang (từ page0 đến page 3) . Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chứa được 8*1024 = 8192 lệnh (vì một lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14 bit). Để mã hóa được địa chỉ của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương trình có dung lượng 13 bit (PC<12:0>). Khi vi điều khiển được reset, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h (Reset vector). Khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h (Interrupt vector). Hình 2.4 Bộ nhớ chương trình Bộ nhớ chương trình không bao PIC16F877A gồm bộ nhớ stack và không được địa chỉ hóa bởi bộ đếm chương trình. Bộ nhớ stack sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau. III.1.5.2 BỘ NHỚ DỮ LIỆU [...]... phút thì công suất đo được sẽ không có “gợn sóng” Trên hình 3 là sơ đồ khối đo công suất tác dụng Hình 3 Sơ đồ khối đo công suất tác dụng Giới thiệu chức năng các khối: Khối chuẩn hóa có tác dụng biến đổi điện áp và dòng điện của tải cần đo về giá trị chuẩn để đưa vào khối đo công suất Đối với kênh dòng V1, khối chuẩn hóa chuyển đổi dòng điện tải thành điện áp phù hợp với giá trị điện áp vào lớn nhất... giá trị công suất tác dụng cần đo. Tín hiệu từ lối ra tần số cao CF của AD7755 được đưa tới đầu vào bộ đếm của VĐK IC AD7755 cấp giá trị công suất đo được dưới dạng xung tới đầu ra CF VĐK sẽ đếm số xung này và hiển thị lên màn hình LCD Giá trị công suất P là tỉ số giữa số xung đếm được và khoảng thời gian đếm III.3 Phương pháp tạo xung vuông từ xung hình sin Tín hiệu đầu vào là tín hiệu hình sin và yêu... xuất phát từ tín hiệu công suất tức thời Tín hiệu công suất tức thời được xác định bằng một phép nhân trực tiếp của tín hiệu dòng và áp Để tách ra thành phần công suất tác dụng (thành phần một chiều), tín hiệu công suất tức thời được đưa tới bộ lọc thông thấp LPF Đầu ra tần số thấp F1 và F2 của AD7755 được tính bằng tích thông tin công suất tác dụng này Bản thân tần số F1 và F2 có nghĩa là một khoảng... tiếp) vào thanh ghi SBUF (thanh ghi đệm), đến khi thanh ghi đệm đầy thì cờ RI trong thanh ghi điều khiển sẽ tự động Set lên 1 và lúc này CPU sẽ gọi chương trình con phục vụ ngắt và dữ liệu sẽ được đưa vào để xử lý III.5 Phương pháp thiết kế mạch nguyên lý và mạch in a, Thiết kế mạch nguyên lý: Vấn đề: Để thiết kế một mạch nguyên lý cho đề tài ta đặt ra các bước thực hiện như sau: - Thiết kế mạch nguyên... cho thiết kế theo nguyên lý? Thiết kế các khối cho mạch nguyên lý: � Khối nguồn: Việc sử dụng điện áp xoay chiều để lấy tín hiệu vào nên ta đồng thời làm bộ nguồn cho mạch sẽ đạt tối ưu hóa điện năng sử dụng Để lấy nguồn từ nguồn xoay chiều ta dùng bộ biến áp nhiều đầu ra với các mức: Điện áp đầu vào là điện áp xoay chiều 220Vac Điện áp đầu ra ta lấy các mức điện áp xoay chiều 0Vdc, 6Vdc, 15Vdc Mạch. .. với VĐK là dùng đầu ra tần số cao CF với tỷ lệ tần số được đặt lên tới 2048 x F1,F2 (SCF = 0 và S0 = S1 = 1) Với các tín hiệu xoay chiều tỷ lệ thật trên các đầu vào tương tự, tần số trên CF xấp xỉ 5,5 kHz Đầu ra CF được nối với bộ đếm bên trong khối VĐK VĐK sẽ đếm số xung trong một thời gian định trước T0 Công suất trung bình tỷ lệ với tần số trung bình: Tần số trung bình = Công suất trung bình = Counter/Time... điều khiển và mạch tạo tần số yêu cầu cấp nguồn 5Vdc và 9Vdc Như vậy để tạo điện áp một chiều từ các mức xoay chiều ta thực hiện chỉnh lưu hai nửa chu kỳ và sử dụng IC 7809 và 7805 ổn áp điện áp đâu ra cấp cho mạch Sơ đồ nguyên lý cho khối nguồn: 25 � Khối vi điều khiển và tạo tín hiệu đo tần số: Khối vi điều khiển gồm chip PIC16f877a, bộ giao động thạch anh 20MHz, bộ reset và cổng ISCP sử dụng để nạp... phương pháp mới đo công suất tác dụng có sử dụng vi mạch (IC) chuyên dụng AD7755 của hãng Analog Devices kết hợp dùng Vi điều khiển (VĐK) AD7755 là IC đo công suất và năng lượng điện với độ chính xác cao Mạch tương tự duy nhất được dùng trong AD7755 là trong các bộ bộ chuyển đổi tương tự số ADC Tất cả các quá trình xử lý tín hiệu khác như nhân, lọc đều được thực hiện miền tín hiệu số Điều này sẽ đảm... xung ra Tần số ra vì thế tỷ lệ với công suất tác dụng trung bình Thông tin về công suất tác dụng trung bình có thể được tích trữ bằng một bộ đếm để tổng hợp thông tin về năng lượng thực Đầu ra tần số cao CF tỷ lệ với công suất tác dụng tức thời và cần thời gian tích phân ngắn hơn Điều này là có lợi cho mục đích điều chỉnh dưới điều kiện tải ổn định Ghép nối AD7755 với VĐK: Cách đơn giản nhất để kết nối... lọc đều được thực hiện miền tín hiệu số Điều này sẽ đảm bảo độ ổn định và chính xác ngay trong điều kiện môi trường khắc nghiệt và trong thời gian dài AD7755 đưa ra thông tin về giá trị công suất tác dụng trung bình trên đầu ra tần số thấp F1 và F2 Đầu ra tần số CF đưa ra thông tin về công suất tác dụng tức thời Đầu ra này được sử dụng cho mục đích hiệu chỉnh, hay để ghép nối tới một khối VĐK Hình 2 . thực hành thiết kế ứng dụng sử dụng VXL để thiết kế mạch đo tần số và công suất của lưới điện 220VAC. Đây là cơ hội tốt cho em trau dồi kiến thức thực tế, áp dụng những lí thuyết đã học và rèn. ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN Báo cáo đồ án II Đề tài: Thiết kế mạch đo tần số và công suất điên dân dụng 220VAC. Sinh viên thực hiện: Lê Tiến Sự SHSV: 20092287 Giảng viên. tin công suất tác dụng này. Bản thân tần số F1 và F2 có nghĩa là một khoảng thời gian tích trữ giữa các xung ra. Tần số ra vì thế tỷ lệ với công suất tác dụng trung bình. Thông tin về công suất