Đo điện năng từ xa qua mạng RS485

Đo điện năng từ xa qua mạng RS485

PHẦN I :

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐO LƯỜNG NĂNG

LƯỢNG TRONG CÔNG NGHIỆP

Chương 1 : Khái quát các phương pháp đo điện năng

Chương 2 : Giới thiệu IC đo điện năng AT73C540 (hãng Atmel)

Chương 3 : Giới thiệu IC đo điện năng AD7755 (hãng Analog Devices)

Chương 4 : Giới thiệu IC đo điện năng SA2002H (hãng Sames)

CHƯƠNG 1 :

KHÁI QUÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN NĂNG

LỜI GIỚI THIỆU

Những thay đổi quan trọng đã và đang xảy ra trong ngành công nghiệp đo lường năng lượng Việc bãi bỏ tính độc quyền cung cấp đã tạo ra một môi trường cạnh tranh gay gắt hơn đối với những nhà cung cấp điện năng Vì vậy nhu cầu quản lý và đo lường điện năng đòi hỏi một mức độ cao hơn trước đây Các nhà cung cấp điện năng sẽ phải cung cấp những dịch vụ tiện ích cho người sử dụng với chi phí thấp nhất có thể được Và một trong những dịch vụ đó là lắp đặt đồng hồ đo điện năng theo công nghệ mới hiện nay (công nghệ solid state)

Ngoài những lợi ích trước mắt như độ chính xác cao, gọn nhẹ đồng hồ này còn cho phép khả năng linh hoạt hơn trong lắp đặt và sửa chữa, quản lý và cập nhật thông tin nhanh và chính xác hơn thông qua mạng

CẤU TẠO MỘT ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN NĂNG

Một đồng hồ đo điện năng chủ yếu dựa trên một trong hai công nghệ chính là xử lý tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số Xử lý tín hiệu ở đây liên quan đến việc nhân và lọc để tạo ra thông tin cần thiết (ví dụ như kWh…) Đồng hồ cơ đo điện năng đang được sử dụng phổ biến hiện nay được xếp vào loại đồng hồ dạng này

NHỮNG NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN NĂNG DẠNG TƯƠNG TỰ

Xử lý tín hiệu tương tự là một kỹ thuật không linh hoạt Một đồng hồ dạng này không thể dễ dàng tái thiết lặp để phù hợp với một yêu cầu mới hoặc nhu cầu nâng cấp lên sau khi đã sử dụng

Đồng hồ dạng tương tự không có tính ổn định đối với những thay đổi lớn của điều kiện môi trường và thời gian

Đồng hồ dạng tương tự có cấu tạo phức tạp, chi phí sản xuất cũng như chuẩn hoá cao hơn so với đồng hồ dạng số

Đồng hồ dạng tương tự không có tính tích hợp cao (cốt lõi của việc giảm chi phí)

ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN N ĂNG THEO CÔNG NGHỆ MỚI

Đồng hồ số làm việc dựa trên nguyên tắc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC : Analog to Digital Converter) ADC lấy mẫu tại mỗi thời điểm tín hiệu tương tự đưa vào và sau đó chuyển chúng về dạng số

Một khi đã ở dạng tín hiệu số, các mạch xử lý tín hiệu số hoặc vi xử lý có thể dễ dàng xử lý các tín hiệu này

Chính vì cốt lõi của đồng hồ này là việc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số nên đòi hỏi ADC cần phải phù hợp với một số yêu cầu sau:

ü Độ phân giải cao, từ 16bit trở lên Chính vì tầm hoạt đôïng rộng (4%lb đến 400%lb) và yêu cầu độ chính xác cao (0.5%) nên độ phân giải của ADC phải cao Một trong những cách để đạt được điều này là sử dụng kỹ thuật Oversampling và DSP

ü Tốc độ lấy mẫu ít nhất phải từ 2 đến 4 kSPS (kilo Sample per Second) Theo định luật Nyquist tần số lấy mâãu phải gấp hai lần tần số lớn nhất của tín hiệu đo

ü Chi phí thấp Ngoài chi phí cho ADC còn phải lưu ý đến chi phí của các linh kiện đi kèm với ADC

ü Cođng suaât tieđu thú thaâp Moôt trong nhöõng thöû thaùch cụa vieôc thieât keâ ñoăng hoă la ø vieôc thieât keâ boô nguoăn cung caâp (PSU : Power Supply Unit) Boô nguoăn phại coù chi phí thaâp vaø ñoô tin caôy cao (khạ naíng hoát ñoông töø 15 ñeẫn

20 naím)

KYÕ THUAÔT OVERSAMPLING

Moôt trong nhöõng caùch ñaùp öùng ñöôïc yeđu caău ñát ñöôïc ñoô phađn giại cao cho ADC laø söû dúng lyù thuyeât löôïng töû hoaù taíng ñoô phađn giại ADC trong baíng thođng mong muoân Ñieău naøy coù theơ thöïc hieôn ñöôïc baỉng kyõ thuaôt Oversampling, ví dú nhö vieôc laây maêu tái taăn soâ cao hôn taăn soâ Nyquist Giạ söû ta söû dúng moôt IC ADC 12bit vaø laây maêu vôùi toâc ñođï 100kSPS tín hieôu coù taăn soâ toâi ña 2kHz thì ñoô phađn giại ñát ñöôïc coù theơ ñöôïc tính theo cođng thöùc







+

+

=

kHz

kHzlog

dB.bitsx

SNR

4

10010

76112

CAÂU TRUÙC ADC

ADC hieôn nay döïa tređn 5 cođng ngheô chuyeơn ñoơi chính:

ü SAR ( Successive Approximation)

ü Flash (Parallel) vaø Half Flash

ü Integrating (Dual Slope)

ü V/F (Voltage to Frequency)

ü Σ-∆ (Sigma – Delta)

SAR (SUCCESSIVE APPROXIMATION) ADC

ADC döïa tređn kyõ thuaôt xaâp xư lieđn tieâp ñöôïc söû dúng raât phoơ bieân Kyõ thuaôt naøy döïa tređn vieôc so saùnh lieđn túc tín hieôu laây maêu, sau ñoù chuyeơn ñieđïn aùp naøy thaønh giaù trò nhò phađn thích hôïp

Öu ñieơm

ü Toâc ñođï cao, coù theơ ñát ñöôïc toâc ñoô 1 trieôu maêu/1 giađy

ü Tieđu thú naíng löôïng khaù thaâp so vôùi caùc loái ADC khaùc

ü Chi phí tương đối thấp đối với ADC có độ phân giải thấp (nhỏ hơn 12bit)

Nhược điểm

ü Chi phí cao khi độ phân giải đòi hỏi cao (lớn hơn 14bit)

ü Tín hiệu ngõ ra các bộ biến đổi (biến áp hoặc biến dòng) phải được xử lý trước khi đưa đến ADC, điều này khiến cho chi phí tăng lên

FLASH (PARALLEL) VÀ HALF FLASH ADC

Kỹ thuật Flash chuyển tín hiệu lấy mẫu thành giá trị nhị phân theo một bước hoặc hai bước (đối với loại Half Flash) Vì vậy thời gian chuyển đổi rất ngắn Cấu trúc này thường được dùng cho ADC có độ phân giải thấp (8bit đến 10bit) nhưng lại có tốc độ lấy mẫu cao (từ 20 đến 50 MSPS)

Ưu điểm

ü Tốc độ chuyển đổi rất cao

Nhược điểm

ü Độ phân giải thấp

ü Tiêu thụ công suất lớn

ü Chi phí tương đối cao

ü Tín hiệu ngõ ra các bộ biến đổi (biến áp hoặc biến dòng) phải được xử lý trước khi đưa đến ADC, điều này khiến cho chi phí tăng lên

INTEGRATING (DUAL SCOPE) ADC

Công nghệ này thường được sử dụng trong việc đo lường có tốc độ chậm nhưng đòi hỏi độ chính xác cao như trong các đồng hồ số đa năng Nó có thể đạt được độ phân giải tối đa 22bit và có khả năng nén, hạn chế nhiễu cao

Ưu điểm

ü Độ chính xác cao

ü Công suất tiêu thụ khá thấp

ü Chi phí tương đối thấp

Công nghệ V/F chuyển đổi tín hiệu lấy mẫu thành giá trị nhị phân tương ứng theo hai bước : thứ nhất chuyển tín hiệu vào sang tần số rồi sử dụng một bộ đếm để chuyển tần số này sang giá trị nhị phân Vì vậy, theo lý thuyết thì độ phân giải đạt được có thể tăng lên đáng kể

Ưu điểm

ü Độ chính xác cao

ü Công suất tiêu thụ thấp

ü Chi phí tương đối thấp

Nhược điểm

ü Giống như loại Integrating ADC, loại này bị giới hạn bởi tốc độ lấy mẫu Độ chính xác của nó tỉ lệ nghịch với tốc độ lấy mẫu

ü Cần một bộ đếm ngoài (vi xử lý hoặc IC số) để chuyển đổi giá trị

Σ-∆ (SIGMA – DELTA) ADC

Trong những năm gần đây, công nghệ Sigma – Delta đã trở nên phổ biến trong việc chế tạo ADC Một trong những ưu điểm lớn nhất của loại này là có thể tích hợp chúng với DSP (Digital Signal Processing) hoặc VLSI (Very Large Scale Integration)

Về cơ bản thì Sigma – Delta có thể chuyển đổi một tín hiệu tương tự với độ phân giải cực thấp (1bit) với tốc độ cực kỳ cao Bằng cách sử dụng kỹ thuật Oversampling và loại nhiễu, nó có thể đạt đựơc độ phân giải cao

Ưu điểm

ü Độ phân giải cao, có thể đạt được 22bit

ü Tốc độ chuyển đổi tương đối cao so với hai loại Integrating ADC và V/F ADC

ü Có thể tích hợp với IC khác tạo nên một IC đơn có nhiều tính năng với chi phí thấp

ü Chính vì sử dụng kỹ thuật Oversampling nên không đòi hỏi việc xử lý tín hiệu đầu vào

Nhược điểm

ü Cần có bộ điều chế cao hơn một khi đòi hỏi tốc độ chuyển đổi cao

ü Công suất tiêu thụ tương đối cao co với loại SAR và Integrating ADC

XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ ĐÃ ĐƯỢC CHUYỂN ĐỔI

Một khi đã được chuyển đổi sang giá trị số, các giá trị điện áp và dòng điện sẽ được nhân với nhau, lọc và xử lý để đưa ra các dữ liệu yêu cầu Các bộ biến đổi dòng và áp (voltage and current transducers) có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điện lưới thành tín hiệu có biên độ nhỏ hơn phù hợp với ADC Sau khi được lấy mẫu và chuyển đổi, các tín hiệu này được xử lý bằng các mạch số để đưa ra các dữ liệu cần thiết như: công suất thực, công suất phản kháng, công suất biểu kiến… Ngoài ra đồng hồ còn có các tính năng khác như bộ nhớ để lưu các giá trị hoặc các thông số chuẩn hoá, bộ nguồn cung cấp và thiết bị hiển thị (LED hoặc LCD) để hiển thị giá trị đã đo được Thêm vào đó các tính năng như AMR (Automatic Meter Reading) có thể mở rộng việc giao tiếp và quản lý của đồng hồ

Dựa vào sơ đồ khối trên, người ta có thể phân loại đồng hồ đo điện năng thành hai loại

Đồng hồ dựa trên một DSP chuyên dụng

Đồng hồ dựa trên ADC và một DSP thông thường

ĐỘ TIN CẬY CỦA THIẾT BỊ

Trong những năm qua những đồng hồ cơ đo điêïn năng đang sử dụng rất đựơc người sử dụng tin cậy mặc dù độ chính xác của chúng chỉ đạt được 2% và tuổi thọ không thể vượt quá 30 năm Chính vì thế, để đồng hồ theo công nghệ mới có thể thay thế được thế hệ đồng hồ cũ thì chúng phải đạt được độ tin cậy qua các cuộc kiểm tra

SAI SÓT TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

Hư hỏng loại này có thể chia làm hai loại: hư hỏng bên trong và hư hỏng bên ngoài Hư hỏng bên trong như hư hỏng linh kiện, sai sót do quá trình sản xuất Hư hỏng bên ngoài phần lớn do quá trình vân chuyển vầ đóng gói gây nên

Để hạn chế hai loại hư hỏng này người ta thường tiến hành hai cuộc kiểm tra

KIỂM TRA THIẾT BỊ Ở NHIỆT ĐỘ CAO

Những cuộc kiểm tra dạng này được gọi là kiểm tra độ bền của thiết bị Chính trong những điều kiện khắc nghiệt của cuộc kiểm tra mới đánh giá đựơc mức độ hoàn hảo của thiết bị Tỉ lệ hư hỏng bên trong có thể nhận biết được qua các phản ứng hoá học theo công thức Arrhenius:

Qua công thức trên, các nhà sản xuất có thể tính được tỉ lệ hư hỏng trong một thời gian xác định

KIỂM TRA TÍNH CHỊU ĐỰNG CỦA THIẾT BỊ ĐỐI VỚI CÁC TÁC ĐỘNG BÊN NGOÀI

Chủ yếu trong cuộc kiểm tra này, nhà sản xuất sẽ kiểm tra độ tin cậy của thiết bị khi chịu các tác động về cơ khí như bị rớt, va chạm mạnh… Điều này rất quan trọng ví như thiết bị có thể hư sau vài giờ ở nhiệt độ cao nhưng có thể sẽ bị

hư hỏng ngay lập tức khi bị va chạm mạnh

HƯ HỎNG DO SHOCK ĐIỆN

Hư hỏng do shock điện phần lớn do sử dụng thiết bị ở phạm vi quá tầm hoạt động tối đa được đề cập trong tài liệu đính kèm Để hạn chế sai sót này, nhà sản xuất thường tích hợp các mạch bảo vệ chống tĩnh điện trong IC như tăng khả năng chịu ESD (Eletrostatic Discharge) Việc kiểm tra này bảo đảm rằng các IC vẫn hoạt động tốt sau khi bị shock điện trong một thời gian ngắn

KẾT LUẬN

Qua các điều đã trình bày ở trên cho thấy các công nghệ mới đã làm giảm chi phí một cách đáng kể trong việc đo lường và quản lý điện năng Các IC tích hợp chuyên dụng được sản xuất ngày càng nhiều làm giảm thời gian thiết kế và tăng tính linh hoạt cho các thiết bị đo Chính điều này đã thúc đẩy các nhà sản xuất IC không ngừng mở rộng và phát triển ngành công nghiệp đo lường

CHƯƠNG 2 :

IC ĐO ĐIỆN NĂNG AT73C540 (HÃNG ATMEL)

GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT

ü Điện áp nguồn cung cấp thấp (nguồn 3V), công suất tiêu thụ thấp

ü Điện áp so sánh nội bên trong IC

ü Độ chính xác cao: <0.2% trong phạm vi hoạt động

ü Ngõ ra phát xung hỗ trợ nhiều tốc độ: từ 10 đến 1.000.000 imp/kWh

ü Ngõ vào dòng điện có bộ khuếch đại độ lợi lập trình được (PGA: Programmable Gain Amplifier)

ü Cho phép sử dụng bộ biến dòng hoặc điện trở shunt

ü Phát hiện công suất tiêu thụ âm và giảm áp lưới

ü Chi phí thấp

AT73C540 là một IC đơn đo điện năng tiêu thụ một pha của hãng Atmel có khả năng đo công suất tiêu thụ giống như một điện năng kế một pha (công tơ mét) AT73C540 bao gồm hai bộ ADC theo công nghệ Sigma – Delta và khối xử lý tín hiệu

SƠ ĐỒ KHỐI

SƠ ĐỒCHÂN IC

VDA, VSA Cấp nguồn cho mạch xử lý tín hiệu tương tự trong IC VDA nối

với nguồn ổn định +3V và VSA nối với mass

VDD, VSS Cấp nguồn cho mạch xử lý tín hiệu số trong IC VDD nối vơi

nguồn +3V và VSS nối mass

XI, XO

Ngõ vào và ra dao động Giá trị thạch anh mặc định là 7.3728MHz Trong trường hợp dùng nguồn dao động ngoài, chân XO được bỏ trống và dao động được đưa vào chân XI XRES Chân reset của IC (tích cực mức thấp)

VIN Ngõ vào điện áp, tầm đo có thể thay đổi từ –1V đến +1V so

với điện áp chân VREF

IINN, IINP Ngõ vào dòng điện Điện áp tối đa sau bộ biến dòng là 1V

giữa hai ngõ vào

VREF Ngõ vào điện áp so sánh

EP Ngõ ra xung đếm điện năng Mối liên hệ giữa công suất tiêu

thụ và tần số xung có thể thay đổi được

NEG Ngõ ra phát hiện công suất tiêu thụ âm (tích cực mức cao) VOL Ngõ ra phát hiện sụt điện áp lưới quá ngưỡng cho phép

ZC Tích cực mức cao ít nhất 0.25mS khi áp lưới qua zero

GC Ngõ vào điều khiển độ lợi dòng điện (tích cực mức thấp)

THÔNG SỐ KỸ THUẬT

Ngõ ra xung EP cho phép tính toán được điện năng tiêu thụ theo công thức:

kWh

imp xMC kW

P ) Hz (

Trong đó, P là công suất thực (kW), MC là hằng số đo (số xung/kWh)

HẰNG SỐ ĐO

Tần số xung trên ngõ ra EP tỉ lệ với công suất tiêu thụ qua hằng số đo Hằng số đo càng lớn, số xung/kWh càng lớn

Hằng số đo MC phụ thuộc vào tần số xung clock, điện áp đo cực đại, dòng

đo cực đại, và hệ số tỷ lệ nội theo công thức :

MAX MAX

CLK

xI xU 55

xEPRATExf 2

MC =với EPRATE là hệ số tỷ lệ nội được mô tả trong phần dưới

THAY ĐỔI HỆ SỐ TỶ LỆ NỘI

Trong thời gian khởi động IC , các ngõ ra NEG, ZC và VOL được xem như ngõ vào Nếu một chân nối với điện trở kéo lên, chân đó xem như ở trạng thái tích cực (logic 1) Một chân bị bỏ trống (NC : not connected) hoặc nối với tải (LED …), sẽ được coi là đang ở trạng thái thấp (logic 0) Trạng thái này quyết định giá trị hệ số tỷ lệ nội được đề cập ở công thức trên

Bằng cách kết hợp các tần số xung clock và trạng thái ba chân NEG, VOL và ZC, người sử dụng có thể chọn lựa tần số xung phát, độ ch ính xác cũng như cấu hình phù hợp với nguồn tải tiêu thu.ï

TRẠNG THÁI CÔNG SUẤT

Ngõ ra NEG cho người sử dụng biết trạng thái của công suất Nếu ngõ ra NEG ở mức cao, công suất tiêu thụ hiện tại là âm Tuy nhiên IC vẫn tính toán công suất chính xác bất kể trạng thái công suất

Cấu hình đồng hồ đo với tốc độ 1000 xung/1kWh

Cấu hình đồng hồ đo với tốc độ 10.000 xung/1kWh

GIÁM SÁT ĐIỆN ÁP LƯỚI

Ngõ ra VOL cho phép người sử dụng giám sát nguồn điện lưới đang sử dụng Nếu nguồn điện lưới rớt xuống quá một giá trị ngưỡng đã định, IC sẽ báo động thông qua ngõ ra VOL Nguỡng giới hạn có giá trị 40% tầm áp hoạt động, tần số lấy mẫu bằng 1/150.000 tần số xung clock

CHƯƠNG 3 :

GIỚI THIỆU IC ĐO ĐIỆN NĂNG AD7755

(HÃNG ANALOG DEVICES)

GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT

ü Độ chính xác cao, hỗ trợ tần số 50 / 60 Hz

ü Nguồn cung cấp đơn 5 V, công suất thấp (15mW)

AD7755 là một IC đo điện năng có độ chính xác cao AD7755 chỉ xử lý tín hiệu tương tự trong bộ ADC và mạch so sánh điện áp, tất cả các quá trình xử lý tín hiệu khác (nhân, lọc tín hiệu …) đều được thực hiện bằng tín hiệu số Chính điều này đã tạo tính ổn định và độ chính xác cao trong những điều kiện môi trường khắc nghiệt và trong cả thời gian dài

SƠ ĐỒ KHỐI

AC/DC Ngõ vào cho phép khả năng lọc tần số cao (nằm ngoài tầm

45Hz – 65Hz) trên ngõ vào dòng điện

AVDD

Chân cấp nguồn cho phần mạch tương tự trong AD7755 Điện áp cung cấp cần phải được giữ ở mức 5V ± 5% Chân này nên được nối với AGND qua một tụ 10uF song song với một tụ gốm 100nF

V1P, V1N

Ngõ vào vi sai dòng điện Mức điện áp tối đa là ±1V so với AGND Cả hai ngõ vào đều được bảo vệ chống tĩnh điêïn ESD cho phép một điện áp ±6V có thể duy trì một thời gian mà không gây hư hỏng IC

V2N, V2P

Ngõ vào điện áp Tương tự như ngõ vào dòng điện, cả hai ngõ vào này đều được bảo vệ chống tĩnh điện ESD và có mức tín hiệu tối đa ±1V so với AGND

RESET Chân reset của IC (tích cực mức thấp)

REFIN/OUT Ngõ vào điện áp so sánh cho ADC Chân này được cấp điện

áp 2.5V ± 8% và cần phải nối với AGND qua một tụ gốm 1uF

AGND Chân mass cho phần mạch tương tự trong AD7755 Để hạn chế

nhiễu nên nối chân này với chân DGND

SCF Ngõ vào cho phép chọn lựa tần số chuẩn hoá

S1, S0 Cùng với SCF, 2 ngõ vào này cho phép người sử lựa chọn tần

số chuẩn hoá

G1, G0 Ngõ vào chọn độ khuếch đại tín hiệu của ngõ vào dòng điện

Độ khuếch đại là 1, 2, 8 và 16

CLKIN Ngõ vào xung clock cho IC Tần số của thạch anh là 3.58 MHz CLKOUT Ngõ ra xung clock của IC Ngõ ra này có thể cấp xung clock

cho 1 IC CMOS khác khi có xung clock vào tại CLKIN

REVP

Ngõ ra này tích cực mức cao khi phát hiện thấy công suất tiêu thụ là âm (ví dụ khi điện áp và dòng điện lệch pha nhau 180o) Tín hiệu này không được chốt và sẽ được reset khi công suất tiêu thụ dương trở lại

DGND Chân mass của phần mạch số trong AD7755 Để hạn chế

nhiễu, chân này nên được nối với AGND

CF Ngõ ra tần số chuẩn hoá Ngõ ra này còn cung cấp thông tin

về công suất thực tức thời, ngoài ra nó còn có mục đích chuẩn hoá

F2, F1

Ngõ ra tần số cung cấp thông tin về công suất trung bình tức thời Hai ngõ ra này có thể trực tiếp điều khiển bộ đếm cơ hoặc mô tơ bước hai pha

THÔNG SỐ KỸ THUẬT

NGÕ VÀO DÒNG ĐIỆN

Điện áp từ bộ biến dòng được nối thẳng trực tiếp đến hai ngõ vào dòng điện của AD7755 Tín hiệu điện áp cực đại trên hai ngõ vào này không được quá

±500 mV Ngoài ra, hai ngõ vào này có một bôï khuếch đại độ lợi lập trình được (PGA) với 4 lựa chọn :1, 2, 8 và 16

NGÕ VÀO ĐIỆN ÁP

Cũng như ngõ vào dòng điện, tín hiệu điện áp sau khi qua bộ biến áp có thể được nối trực tiếp đến hai ngõ vào này nếu điện áp cực đậi không vượt quá

±500 mV

SƠ ĐỒ KẾT NỐI TIÊU BIỂU

Hình dưới đây cho thấy sơ đồ kết nối tín hiệu dòng điện sau khi đã qua bộ biến dòng với AD7755 Sử dụng bộ biến dòng và biến trở Rb cho phép đạt được điện áp tối đa ±500 mV

Hình bên dưới cho thấy hai sơ đồ kết nối tiêu biểu : sử dụng bộ biến áp và dùng bộ chia trở Sử dụng biến áp có thể cách ly hoàn toàn điện áp lưới và điện áp mạch hoạt động Đối với sơ đồ sử dụng bộ chia trở, điều chỉnh Ra và Rb cho phép điều chỉnh độ lợi của thiết bị đo

CÔNG THỨC CHUYỂN ĐỔI

AD7755 tính toán công suất thực dựa trên hai tín hiệu điện áp ở các ngõ vào dòng điện và điện áp Sau đó giá trị công suất này được chuyển đổi thành tần số F1 và F2 là hai ngõõ ra cho phép tính được công suất thực trung bình dựa trên tần số và số xung mà hai ngõ ra này cung cấp Tần số được tính theo công thức :

2 REF

4 1 2

1

V

xGAINxF xV

xV 06 8

CHUẨN HOÁ TẦN SỐ

Ngõ ra xung CF được sử dụng vào mục đích chuẩn hoá Tín hiệu xung tại ngõ ra này có thể gấp 128 lần tần số tại hai ngõ ra F1 và F2 Tần số này cho phép tính được công suất thực tức thời Đó là trường hợp hai tín hiệu tại F1 và F2 vừa được nhân với nhau xong Tuy nhiên vì tần số này khá cao nên giá trị công suất này chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn

Phương pháp dễ dàng nhất để tính được giá trị công suất tiêu thụ do AD7755 xử lý được là sử dụng ngõ ra CF nối với ngõ vào bộ đếm của vi điều khiển

Để cho việc chuẩn hoá đựơc chính xác, nên chọn khoảng thời gian từ 10 đến 20 giây để xác định được công suất tiêu thụ/1 xung Tuy nhiên khi thực hiện

đo lường việc tính toán nên xử lý trong khoảng thời gian > 1 phút nhằm tránh bị nhiễu (gợn sóng) tại ngõ ra CF mặc dù tải hoạt động ổn định Vì vậy sai số đo có thể thay đổi từ 1/5570 đến 1/21,76 tuỳ thuộc vào tần số ngõ ra CF

CHƯƠNG 4 :

GIỚI THIỆU IC ĐO ĐIỆN NĂNG SA2002H

(HÃNG SAMES)

GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT :

ü Bảo vệ chống tĩnh điện ESD

ü Công suất tiêu thụ thấp <25mW

ü Phù hợp với nhiều loại biến dòng khác nhau

ü Điện áp so sánh chính xác trên IC

ü Dao động chính xác trên IC

ü Hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng

Chip SA2002H là một mạch tích hợp đo công suất và năng lượng bằng xung có tần số tỷ lệ với công suất tiêu thụ Phương pháp đo là cộng dồn các giá trị công suất Năng lượng có thể được tính bằng cách tích phân công suất theo thời gian

SƠ ĐỒ KHỐI

SƠ ĐỒCHÂN

GND Chân mass cho tín hiệu tương tự Điện áp cho chân này nên

nằm trong khoảng giữa VDD và VSS

VDD

Chân cấp nguồn dương cho IC Điện áp cung cấp cho chân này có giá trị điển hình là +2.5V, nếu sử dụng điện trở shunt để biến dòng thì có thể cung cấp điện áp lên đến +5V

VSS

Chân cấp nguồn âm cho IC Giá trị điển hình là –2.5V Nếu có sử dụng điện trở shunt thì có thể sử dụng nối mass chân này

IVP Ngõ vào điện ápï

IIN,IIP Ngõ vào dòng điện

VREF Cung cấp điêïn áp so sánh Trạng thái tối ưu có thể đạt được

bằng cách nối chân này với VSS qua một điện trở 25KΩ FOUT Ngõ ra tần số

DIR Ngõ ra trạng thái công suất

FMO Ngõ ra FMO tích cực mỗi khi điêïn áp lưới qua điểm Zero và

bắt đầu cạnh dương

THÔNG SỐ KỸ THUẬT

TÍNH TOÁN CÔNG SUA ÁT

Trong hình bên dưới, điện áp rơi trên điện trở shunt có giá trị trong khoảng

0 đến 16mV hiệu dụng (biến đổi từ dòng lưới 0 đến 80 A qua điện trở shunt

200Ω) Điện áp này được chuyển đổi sang dòng điện từ 0 đến 16uA hiệu dụng bằng điện trở R1 và R2 Ngõ vào dòng điện bão hoà ở giá trị 25µA biên độ

Đối với ngõ vào điện áp, điện áp lưới (230VAC) được chia áp bởi các điện trở (R3,R4 và P1) xuống còn khoảng 14V hiệu dụng Dòng điện tại bộ biến đổi A/D được hạn chế trong tầm 14µA hiệu dụng tại giá trị điện áp lưới thông dụng bằng điện trở R5 (1MΩ) Biến trở P1 còn được dùng để chuẩn hóa

Trong cấu hình này, với điện áp lưới khoảng 230V và dòng điện khoảng 80A, tần số ngõ ra sẽ có giá trị là 1360Hz Do đó, 1 xung ra tại ngõ ra FOUT tương ứng với 1 công suất tiêu thụ theo tỷ số (230V x 80A)/1360Hz = 13.53Ws

CẤU HÌNH CHO TÍN HIỆU VÀO TƯƠNG TỰ

Các mạch ngõ vào điện áp và dòng điện được trình bày như hình dưới Những ngõ vào này được bảo vệ chống tĩnh điện ESD bằng các các diode kẹp Nhánh hồi tiếp từ ngõ ra của 2 tầng khuếch đại AI và AV tạo ra các xung ngắn trên các tín hiệu đầu vào Vì vậy giá trị nhân đôi chính xác của tín hiệu dòng điện ngõ vào được đưa vào mạch xử lý tín hiệu tương tự

NGÕ VÀO DÒNG ĐIỆN

Như sơ đồ mạch trên, giá trị điện trở R1 và R2 xác định mức dòng điện tại ngõ vào dòng điện của SA2002H Tại giá trị dòng tối đa, giá trị các điện trở phải được chọn sao cho dòng điện đạt 16µA hiệu dụng

Giá trị của điện trở R1 và R2 có thể được tính toán như sau:

Trong đó:

IL – giá trị dòng điện lưới

RSH – giá trị điện trở shunt hay điện trở cuối nếu một biến dòng được sử dụng

NGÕ VÀO ĐIỆN ÁP

Dòng điện tại ngõ vào điện áp của bộ biến đổi A/D nên ở giá trị 14µA hiệu dụng tại giá trị điện áp lưới thông dụng Ngõ vào điện áp có giá trị bão hoà tại mức dòng điện 25µA biên độ Điện trở R3, R4 và R5 trong sơ đồ thay đổi giá trị dòng điện tại ngõ vào điện áp Điện áp lưới được chia áp xuống còn 14V hiệu dụng Dòng vào bộ biến đổi A/D được định giá trị 14µA hiệu dụng bằng điện trở R5

NGÕ RA TẦN SỐ

Tín hiệu tần số tại ngõ ra FOUT cho phép tính được công suất hay năng lượng tức thời Tần số tín hiệu ngõ ra có thể được tính toán theo công thức sau:

Trong đó:

FOUT : tần số ngõ ra điển hình (1360Hz)

II : dòng điện tại ngõ vào dòng điện

IV : dòng điện tại ngõ vào điện áp

IR : dòng điện tại VREF

TRẠNG THÁI CÔNG SUẤT

Hình bên dưới cho thấy hoạt động của DIR, khi năng lượng bị đảo chiều diễn ra Chu kỳ của tín hiệu DIR thay đổi trạng thái, tDIR, là khoảng thời gian từ

giá trị hiện thời xuống Zero Do vậy công suất tiêu thụ xác định tốc độ thay đổi trên DIR

NGÕ RA DÒ ĐIỂM KHÔNG (ZERO)

Tín hiệu xung vuông tại ngõ ra FMO cho biết cực tính của điện áp lưới Ngõ ra FMO chuyển đổi từ thấp lên cao diễn ra trong thời gian được minh hoạ như hình dưới Thời gian giữa các lần chuyển đổi từ thấp lên cao bằng với chu kỳ của điện áp chính

PHẦN II : THÔNG SỐ KỸ THUẬT CÁC LINH KIỆN

CHƯƠNG 1 :

IC VI XỬ LÝ AT89C52 (HÃNG ATMEL)

GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT

AT8951 là một trong những IC tiêu biểu của họ IC vi xử lý MCS51 do Intel sản xuất có các đặc điểm sau:

ü 4Kbyte ROM nội

ü 128 byte RAM nội

ü 4 port I/O 8 bit

ü Giao tiếp nối tiếp song công

ü 64 Kbyte không gian bộ nhớ ROM mở rộng

ü 64 Kbyte không gian bộ nhớ RAM mở rộng

ü Một bộ xử lý luận lý (thao tác trên các bit đơn)

ü 210 bit được địa chỉ hóa

ü Bộ nhân chia 4 µs

AT89C52 có thêm một số tính năng mới so với AT89C51 :

ü Thêm 4Kbyte ROM nội (tổng cộng 8Kbyte)

ü Thêm một Timer 2

ü Thêm 128byte RAM nội (tổng cộng 256byte)

SƠ ĐỒ KHỐI

Port 2 là một công dụng kép trên các chân 21-28 được dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng

Port 3

Port 3 là một port công dụng kép trên các chân 10-17 các chân của port này có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của AT89C51 như ở bảng sau:

Bit Tên Chức năng chuyển đổi

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp P3.1 TXD Dữ liệu phát cho port nối tiếp P3.2 /INTO Ngắt 0 bên ngoài

P3.3 /INTI Ngắt 1 bên ngoài P3.4 TO Ngõ vào của timer/Counter0 P3.5 TI Ngõ vào của timer/ Counter1 P3.6 /WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài P3.7 /RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

PSEN

Tín hiệu điều khiển để cho phép bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến chân /OE (Out Put Enable) của một EPROM để cho phép đọc tất cả các byte mã lệnh

ALE

Khi port 0 được dùng trong chế độ chuyển đổi của nó vừa là bus dữ liệu vừa là byte thấp của bus địa chỉ, ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ trong nửa chu kỳ đầu của bộ nhớ Sau đó, các đường port 0 dùng để xuất, nhập dữ liệu trong nửa chu kỳ sau của chu kỳ bộ nhớ Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên IC và có thể được dùng làm nguồn xung nhịp cho các phần khác của hệ thống Chỉ ngoại trừ khi thi hành lệnh MOVX, một xung ALE sẽ bị mất

EA

Ngõ vào EA trên chân 31 thường mắc lên mức cao (+5V) hoặc

ở mức thấp (GND) Nếu ở mức cao vi xử lý sẽ thi hành chương trình trong ROM nội, ở mức thấp chương trình chỉ được thi hành ở bộ nhớ ROM mở rộng Người ta còn dùng EA làm chân cấp điện áp 21V khi lập trình cho EPROM trong AT89C51

Thanh ghi Nội dung

Đếm chương trình PC 0000H Thanh ghi tích lũy ACC 00H Thanh ghi B 00H

Nội dung trong RAM trên IC không bị thay đổi bởi Reset

X1, X2 Ngõ vào và ra dao động của IC Tần số thạch anh thường là

12 MHz hoặc 11.0592 MHz VCC, GND Chân cấp nguồn và mass cho IC

TỔ CHỨC BỘ NHỚ

Bộ nhớ bên trong bao gồm ROM và RAM trên IC, RAM trên IC bao gồm nhiều thành phần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt

GIỚI THIỆU CÁC CHỨC NĂNG CỦA IC VI XỬ LÝ AT89C52

ü Tạo tốc độ baud cho port nối tiếp trong AT8951

Trong các ứng dụng định khoảng thời gian, người ta lập trình timer ở những khoảng đều đặn và đặt cờ tràn timer Cờ được dùng đồng bộ hóa chương trình để thực hiện một tác động như kiểm tra trạng thái của các ngõ vào hoặc gửi sự kiện

ra các ngõ ra Các ứng dụng khác có thể sử dụng việc tạo xung nhịp đều đặn của timer để đo thời gian trôi qua giữa hai sự kiện (ví dụ đo độ rộng xung)

Đếm sự kiện dùng để xác định số lần xảy ra của một sự kiện Một sự kiện là bất cứ tác động ngoài nào có thể cung cấp một chuyển trạng thái trên một chân

AT89C51 Các timer cũng có thể cung cấp xung nhịp tốc độ baud cho Port nối tiếp trong AT89C51

Truy xuất các timer của AT89C51 dùng sáu thanh ghi chức năng đặc biệt cho trong bảng sau:

Các thanh ghi chức năng của timer trong AT89C51 :

TCON Điều khiển timer 88H Có

TMOD Chế độ timer 89H Không

TLO Byte thấp của timer 0 90H Không

TL1 Byte thấp của timer 1 91H Không

TH0 Byte cao của timer 0 92H Không

TH1 Byte cao của timer 1 93H Không

Thanh ghi chế độ timer (TMOD)

Thanh ghi TMOD chứa hai nhóm 4 bit dùng để đặt chế độ làm việc cho Timer 0 và Timer 1

Tóm tắt thanh ghi chức năng TMOD

7 GATE 1 Bit mở cổng, khi lên 1 timer chỉ chạy khi INT1 ở

mức cao

6 C/T 1 Bit chọn chế độ Count/Timer

ü 1=bộ đếm sự kiện

ü 0=bộ định khoảng thời gian

5 M1 1 Bit 1 của chế độ mode

4 M0 1 Bit 0 của chế độ mode

3 GATE 0 Bit mở cổng, khi lên 1 timer chỉ chạy khi INT0 ở

mức cao

2 C/T 0 Bit chọn chế độ Count/Timer

ü 1=bộ đếm sự kiện

ü 0=bộ định khoảng thời gian

1 M1 0 Bit 1 của chế độ mode

0 M0 0 Bit 0 của chế độ mode

Thanh ghi điều khiển timer

Thanh ghi TCON chứa các bit trạng thái và các bit điều khiển cho Timer 1, Timer 0

Tóm tắt thanh ghi chức năng TCON:

TCON.7 TF1 8FH

Cờ báo tràn timer 1 Đặt bởi phần cứng khi tràn, được xóa bởi phần mềm, hoặc phần cứng khi bộ xử lý chỉ đến chương trình phục vụ ngắt

TCON.6 TR1 8EH Cờ điều khiển timer 1 chạy đặt xóa bằng

phần mềm để cho timer chạy ngưng

TCON.5 TF0 8DH Cờ báo tràn Timer 0

TCON.4 TR0 8CH Cờ điều khiển Timer 0 chạy

TCON.3 IE1 8BH

Cờ cạnh ngắt 1 bên ngoài Đặt bởi phần cứng khi phát hiện một cạnh xuống ở INT1 xóa bằng phần mềm hoặc phần cứng khi CPU chỉ đến chương trình phục vụ ngắt TCON.2 IT1 8AH

Cờ kiểu ngắt 1 bên ngoài Đặt xóa bằng phần mềm để ngắt ngoài tích cực cạnh xuống/ mức thấp

TCON.1 IE0 89H Cờ cạnh ngắt 0 bên ngoài

TCON.0 IT0 88H Cờ kiểu ngắt 0 bên ngoài

CỔNG NỐI TIẾP

AT89C51 có một port nối tiếp trong µP có thể hoạt động ở nhiều chế độ trên một giải tần số rộng Chức năng chủ yếu của port nối tiếp là thực hiện chuyển đổi song song sang nối tiếp với dữ liệu xuất, và chuyển đổi nối tiếp sang song song đối với dữ liệu nhập

Hai thanh ghi chức năng đặc biệt cho phép phần mềm truy xuất đến port nối tiếp là: SBUF và SCON Bộ đệm port nối tiếp (SBUF) ở địa chỉ 99H trong µP thật sự là hai bộ đệm Viết vào SBUF để nạp dữ liệu được truyền đi, và đọc SBUF để truy xuất dữ liệu thu được Đây là hai thanh ghi riêng biệt: thanh ghi truyền và thanh ghi thu

Thanh ghi điều khiển port nối tiếp (SCON) ở địc chỉ 98H là thanh ghi có địa chỉ chứa các bit thạng thái và các bit điều khiển Các bit điều khiển đặt chế độ hoạt động cho port nối tiếp, và các bit trạng thái báo kết thúc việc phát hoặc thu ký tự Các bit trạng thái có thể được kiểm tra bằng phần mềm hoặc có thể được lập trình để tạo ngắt

Tần số của port nối tiếp, còn gọi là tốc độ baud có thể cố định (lấy từ bộ dao động trên µP) Nếu sử dụng tốc độ baud thay đổi, timer 1 sẽ được lập trình để cung cấp x ung nhịp tốc độ baud

Thanh ghi điều khiển port nối tiếp (SCON)

Chế độ hoạt động của port nối tiếp được đặt bằng cách ghi vào thanh ghi chế độ port nối tiếp (SCON) ở địa chỉ 98H Dưới đây là bảng tóm tắt thanh ghi SCON và các chế độ của port nối tiếp:

SCON.7 SM0 9FH Bit 0 chọn chế độ port nối tiếp

SCON.6 SM1 9EH Bit 1 chọn chế độ port nối tiếp

Bit 2 chọn chế độport nối tiếp, cho phép truyền thông đa xử lý trong các chế độ 2, 3 RI sẽ không bị các tác động nếu như bit thứ 9 thu được là 0

SCON.4 REN 9CH Cho phép bộ thu, phải được đặt lên 1 để thu

(nhập) các ký tự

SCON.3 TB8 9BH Bit 8 phát, bit thứ 9 được phát trong chế độ 2,3;

được đặt xóa bằng phần mềm

SCON.2 RB8 9AH Bit 8 thu, bit thứ 9 thu được

SCON.1 TI 99H Cờ ngắt phát Đặt lên 1 khi kết thúc phát ký tự

Được xóa bằng phần mềm

SCON.0 RI 98H Cờ ngắt thut Đặt lên 1 khi kết thúc thu ký tự

Được xóa bằng phần mềm

0 0 0 Thanh ghi dịch Cố định (FOCS/12)

0 0 1 UART 8 bit Thay đổi (đặt bằng timer)

1 1 2 UART 9 bit Cốđịnh (FOCS/12 hoặc 24)

1 1 3 UART 9 bit Thay đổi (đặt bằng timer)

NGẮT (INTERRUPT)

Một ngắt là sự xảy ra một điều kiện, một sự kiện mà nó gây ra treo tạm thời chương trình trong khi điều khiển đó được phục vụ bởi một chương trình khác

Các ngắt đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế và cài đặt các ứng dụng vi xử lý Chúng cho phép hệ thống đáp ứng bất đồng bộ với một sự kiện và giải quyết sự kiện đó trong khi một chương trình khác đang thực thi

Tổ chức ngắt của AT89C51

Có 5 nguồn ngắt ở AT89C51 : 2 ngắt ngoài, 2 ngắt từ timer và 1 ngắt port nối tiếp Tất cả các ngắt theo mặc nhiên đều bị cấm sau khi reset hệ thống và được cho phép từng cái một bằng phần mềm

Khi có hai hoặc nhiều ngắt đồng thời, hoặc một ngắt xảy ra khi một ngắt khác đang được phục vu, có cả hai sự tuần tự hỏi vòng và sơ đồ ưu tiên hai mức dùng đề xác định việc thực hiện các ngắt Việc hỏi vòng tuần tự thì cố định nhưng

ưu tiên ngắt thì có thể lập trình được

Cho phép và cấm ngắt

Mỗi nguồn ngắt được cho phép hoặc cấm ngắt qua một thanh ghi chức năng đặc biệt có định địa chỉ bit IE (Interrupt Enable: cho phép ngắt) ở địa chỉ A8H cũng như các bit cho phép riêng biệt cho mỗi nguồn ngắt, có một bit cho phép cấm toàn bộ tất cả các ngắt hoặc được đặt lên một để cho phép tất cả các ngắt

IE.7 EA AFH Cho phép / Cấm toàn bộ

IE.6 – AEH Không được mô tả

IE.5 ET2 ADH Cho phép ngắt từ Timer 2 (8952) IE.4 ES ACH Cho phép ngắt port nối tiếp

IE.3 ET1 ABH Cho phép ngắt từ Timer 1

IE.2 EX1 AAH Cho phép ngắt ngoài 1

IE.1 ET0 A9H Cho phép ngắt từ Timer 0

IE.0 EX0 A8H Cho phép ngắt ngoài 0

Ưu tiên ngắt:

Mỗi nguồn ngắt được lập trình riêng vào một trong hai mức ưu tiên qua thanh ghi chức năng đặc biệt được địa chỉ bit IP ( Interrupt Priority: ưu tiên ngắt)

ở địa chỉ B8H

IP.7 - - Không được định nghĩa

IP.6 - - Không được định nghĩa

IP.5 PT2 BDH Ưu tiên cho ngắt từ Timer 2

IP.4 PS BCH Ưu tiên cho ngắt port nối tiếp

IP.3 PT1 BBH Ưu tiên cho ngắt từ Timer 1

IP.2 PX1 BAH Ưu tiên cho ngắt ngoài 1

IP.1 PT0 B9H Ưu tiên cho ngắt từ Timer 0

IP.0 PX0 B8H Ưu tiên cho ngắt ngoài 0

IP bị xóa sau khi reset hệ thống để mặc nhiên đặt tất cả các ngắt ở mức ưu tiên thấp hơn.Ýù tưởng “ưu tiên” cho phép một ISR sẽ bị ngắt bởi một ngắt có độ

ưu tiên cao hơn ngắt đang phục vụ Nếu một ISR có ưu tiên thấp đang thực thi khi một ngắt có ưu tiên cao hơn xảy ra thì ISR đó bị ngắt và ISR có ưu tiên cao được phục vụ

Nếu hai ngắt cùng độ ưu tiên xảy ra cùng lúc thì hỏi vòng sẽ xác định cái nào được phục vụ trước tiên Hỏi vòng tuần tự là bên ngoài 0, Timer 0, bên ngoài

1, Timer 1 và port nối tiếp

Các cờ ngắt

Khi điều kiện ngắt xảy ra thì ứng với từng loại ngắt mà loại cờ đó được đặt lên một để xác nhận ngắt

Các vectơ ngắt

Khi chấp nhận ngắt, giá trị được nạp vào PC được gọi là vector ngắt Nó là địa chỉ bắt đầu của ISR cho nguồn tạo ngắt, các vector ngắt được cho ở bảng sau:

CÁC TÍNH NĂNG MỚI CỦA AT89C52

DUNG LƯỢNG BỘ NHỚ CHƯƠNG TRÌNH 8 KBYTE

Tính năng mới rất quan trọng của AT89C52 so với AT89C51 là có thêm 4Kbyte ROM nội Điều này cho phép người sử dụng mở rộng chương trình điều khiển, không bị giới hạn bởi 4Kbyte như ở AT89C51 Vì vậy người sử dụng có thể viết những chương trình dài mà không cần phải sử dụng đến ROM ngoài, tiết kiệm được không gian cho bo mạch

DUNG LƯỢNG BỘ NHỚ DỮ LIỆU 256 BYTE

Tính năng thứ 2 của AT89C52 là 256byte RAM nội đa dụng Với AT89C51, 128byte RAM nội có thể đủ cho một chương trình ứng dụng cỡ nhỏ, nhưng khi chương trình phát triển lớn hơn thì khả năng sử dụng các biến tạm trong chương trình là rất lớn nên AT89C52 rất phù hợp với yêu cầu trên Vì 128byte trên (80H đến FFH) của AT89C51 được sử dụng làm các thanh ghi có chức năng đặc biệt nên khi mở rộng nhà sản xuất cũng định địa chỉ 128byte RAM trên của AT89C52 trùng với địa chỉ của các thanh ghi có chức năng đặc biệt Cách phân bố này đã phần nào giới hạn khả năng truy xuất các ô nhớ này Chúng chỉ được truy xuất theo cách định địa chỉ gián tiếp, không thể định địa chỉ