THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐO CÁC THÔNG SỐ ĐIỆN

Vì vậy đề tài “ Thiết kế, chế tạo bộ đo các thông số điện” có thể đo được nhiều đại lượng như dòng điện, điện áp, công suất, hệ số công suất….. Việc sử dụng năng lượng điện không hiệu qu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ - CHẾ TẠO BỘ ĐO CÁC THÔNG SỐ ĐIỆN

Giáo viên hướng dẫn:

Th.S TRẦN KHÁNH NINH PHÂN VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ - TIN HỌC - TỰ ĐỘNG HÓA TP.HCM

Tháng 05 năm 2012

ii

LỜI CẢM ƠN

Để đạt được kết quả như ngày hôm nay, đầu tiên con xin cảm ơn cha mẹ đã sinh

ra, nuôi dưỡng, chăm sóc, động viên, thương yêu và là chỗ dựa vững chắc cho con

trong suốt những năm học vừa qua

Sau đó, em xin được gởi lời cảm ơn đến quý thầy cô trường đại học Nông Lâm

TP Hồ Chí Minh, đặc biệt là toàn thể thầy cô khoa Cơ Khí – Công Nghệ đã tận tình

dạy dỗ và truyền đạt cho em những kiến thức cần thiết trong suốt 4 năm theo học ở

trường

Em xin chân thành cảm ơn Th.S Trần Khánh Ninh – Phó phân viện trưởng phân

viện nghiên cứu điện tử, tin học, tự động hóa TP.HCM cùng các anh chị trong phân

viện đã tận tình hỗ trợ cho em rất nhiều để hoàn thành đề tài này

Em xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Ths Lê Văn Bạn – trưởng bộ môn

Điều Khiển Tự Động đã trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn em trong suốt quá trình thực

hiện đề tài

Cuối cùng, mình xin cảm ơn tập thể các bạn trong lớp DH08TD, các bạn trong

Đội Công Tác Xã Hội nói riêng và các bạn nói chung đã động viên, giúp đỡ mình

trong suốt những năm học vừa qua và trong thời gian thực hiện khóa luận

Em xin chân thành cảm ơn!

Huỳnh Ngọc Tuấn

iii

TÓM TẮT

Nước ta đang trong giai đoạn đẩy mạnh công nghiệp hóa – hiện đại hóa Điện là một thành phần không thể thiếu trong sản xuất công, nông nghiệp Các doanh nghiệp luôn muốn giảm chi phí sản xuất để tăng lợi nhuận mà vẫn đảm bảo được chất lượng sản phẩm và điện là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến việc giảm chi phí sản xuất, quan trọng hơn nữa là tiết kiệm năng lượng Trong các nhà máy xí nghiệp luôn luôn lắp các thiết bị đo để theo dõi các thông số điện năng Hiện nay trên thị trường có rất nhiều thiết bị đo cho kết quả chính xác và ổn định nhưng hầu hết là ngoại nhập, giá thành cao, chỉ đo được một hoặc hai thông số Vì vậy đề tài “ Thiết kế, chế tạo bộ đo các thông số điện” có thể đo được nhiều đại lượng như dòng điện, điện áp, công suất, hệ số công suất… nhằm mục đích ứng dụng kiến thức được trang bị trên ghế nhà trường vào thực tiễn sản xuất và có một thiết bị đo với giá thành hợp lý, đo được nhiều thông số mà kết quả đo vẫn chính xác và ổn định Đề tài có thể sử dụng rộng rãi, dễ dàng lắp đặt để theo dõi các thông số trong mạng lưới điện nhà máy hoặc mạng điện gia đình và có thể phát triển để giám sát và điều khiển

Đề tài “Thiết kế, chế tạo bộ đo các thông số điện” được tiến hành tại Phân viện

nghiên cứu Điện tử - Tin học – Tự động hóa TP.HCM và bộ môn Điều Khiển Tự Động, từ ngày 15 – 03 – 2012 đến ngày 07 – 06 – 2012

Kết quả đạt được:

 Chế tạo thành công bộ đo các thông số điện với độ chính xác ±3%:

 Đo điện áp, dòng điện

 Độ công suất biểu kiến, công suất phản kháng, hệ số công suất

 Bằng việc sử dụng IC chuyên dụng ADE7758 và vi xử lý P89V51RD2 để thiết kế mạch đo với tốc độ xử lý nhanh và kết quả đo được hiển thị lên màn hình LCD 16x2

 Các mạch đo thông số và mạch điều khiển truyền và nhận dữ liệu ổn định

Th.S Trần Khánh Ninh HUỲNH NGỌC TUẤN

iv

MỤC LỤC

Trang

Trang tựa i

Lời cảm ơn ii

Tóm Tắt iii

Mục lục v

Danh sách các hình viii

Danh sách các bảng ix

  Chương 1 1 

MỞ ĐẦU 1 

1.1.  Đặt vấn đề 1 

1.2.  Tầm quan trọng của đề tài 2 

1.3.  Mục đích của đề tài 2 

1.3.1  Mục đích chung 2 

1.3.2  Mục đích cụ thể 2 

1.4.  Giới hạn của đề tài 3 

Chương 2 4 

TỔNG QUAN – TRA CỨU TÀI LIỆU 4 

2.1.  Tổng quan 4 

2.2.  Tham khảo các mẫu máy khác 8 

2.3.  Giới thiệu IC ADE7758 11 

2.4.  Tìm hiểu vi điều khiển P89V51RD2 17 

2.5.  Nghiên cứu bộ hiển thị LCD 16x2 22 

2.6.  Tìm hiểu phần mềm KEIL – µVISION3 lập trình cho P89V51RD2 23 

2.7.  Nghiên cứu mạch nạp chương trình cho vi điều khiển 25 

2.8.  Tìm hiểu về chuẩn truyền thông SPI: 26 

2.8.1  Giới thiệu chung 26 

v

2.8.2  Hoạt động: 27 

Chương 3 29 

PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 29 

3.1.  Địa điểm và thời gian thực hiện đề tài 29 

3.1.1  Địa điểm 29 

3.1.2  Thời gian 29 

3.2.  Phương pháp nghiên cứu 29 

3.2.1  Chọn phương pháp thiết kế bộ đo 29 

3.2.2  Chọn phương pháp thiết kế phần vỏ bên ngoài của bộ đo 30 

3.2.3  Chọn phương pháp thiết kế phần điện tử 30 

3.3.  Phương tiện thực hiện 31 

Chương 4 32 

THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 32 

4.1.  Thiết kế bộ đo 32 

4.1.1  Thiết kế vỏ bên ngoài của bộ đo 32 

4.1.2  Chọn vật liệu chế tạo vỏ bên ngoài bộ đo 33 

4.2.  Thực hiện phần cơ khí 33 

4.3.  Thực hiện phần điện tử 34 

4.3.1  Làm mạch nguồn 34 

4.3.2  Mạch cảm biến ngõ vào cho dòng điện sử dụng biến dòng 34 

4.3.3  Mạch đo thông số sử dụng ADE7758 35 

4.3.4  Mạch điều khiển và hiển thị LCD 36 

4.3.5  Mạch điều khiển tổng hợp 37 

4.4.  Thực hiện phần mềm 39 

4.4.1  Sơ đồ xử lý tín hiệu trong IC ADE7758 39 

4.4.2  Lưu đồ giải thuật đọc tín hiệu từ ADE7758 về vi điều khiển 40 

4.4.3  Lưu đồ giải thuật của vi điều khiển 41 

4.4.4  Chương trình cho vi điều khiển 42 

Chương 5 43 

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 

5.1.  Kiểm tra và chạy thử 43 

vi

5.1.1  Kiểm tra thiết bị đo 43 

5.1.2  Chạy thử nghiệm bộ đo 43 

5.2.  Khảo nghiệm 44 

5.2.1  Mục đích khảo nghiệm 44 

5.2.2  Phương pháp bố trí khảo nghiệm 44 

5.2.3  Xử lý số liệu 45 

5.3.  Kết quả 45 

5.4.  Thảo luận 51 

Chương 6 52 

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 52 

6.1.  Kết luận 52 

6.2.  Đề nghị 52  TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Vai trò điện năng

Hình 2.2 Biểu đồ công suất

Hình 2.3 Đồng hồ đo hệ sô công suất cosφ M4W – P

Hình 2.4 Thông tin và sơ đồ kết nối đồng hồ M4W

Hình 2.5 Ampe kìm Wellink HL - 3398

Hình 2.6 Đồng hồ tủ điện đa năng MFM383

Hình 2.7 Bộ đo BPM – 10

Hình 2.8 IC ADE7758

Hình 2.9 Sơ đồ khối ADE7758

Hình 2.10 Sơ đồ chân ADE775

Hình 2.11 Vi điều khiển P89V51RD28

Hình 2.12 Sơ đồ chân vi điều khiển P89V51RD2

Hình 2.13 Hình dạng LCD 16x2

Hình 2.14 Sơ đồ chần LCD16x2

Hình 2.15 Giao diện KEIL – µVISION3

Hình 2.16 Cửa sổ hộp thoại Options

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý mạch nạp cho P89V51RD2

Hình 2.18 Giao diện phần mêm Flash Magic

Hình 2.19 Kết nối giao tiếp SPI

Hình 2.20 Quá trình truyền dữ liệu

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống bộ đo các thông số điện

Hình 4.1 Mặt trước của bộ đo

Hình 4.2 Mặt sau của bộ đo

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn +5V

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý mạch đo dùng IC ADE7758

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển và hiển thị LCD

viii

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển chung cho bộ đo Hình 4.7 Sơ đồ xử lý dòng điện trong ADE7758

Hình 4.8 Sơ đồ xử lý điện áp trong ADE7758

Hình 4.9 Chương trình KEIL – µVISION3 cho vi điều khiển Hình 5.1 Bộ đo thông số điện hoàn thành

Hình 5.2 Màn hình hiển thị

ix

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1: Bảng chức năng của các chân ADE7758

Bảng 2 Chức năng các thanh ghi ADE7758

Bảng 3 Chức năng riêng Port3 của vi điều khiển P89V51RD2

Bảng 4 Kết quả đo dòng điện và điện áp lần khảo nghiệm 1

Bảng 5 Kết quả đo công suất và hệ số công suất lần khảo nghiệm 1

Bảng 6 Kết quả đo dòng điện và điện áp lần khảo nghiệm 2

Bảng 7 Kết quả đo công suất và hệ số công suất lần khảo nghiệm 2

ty rất quan tâm và chú trọng thực hiện gắt gao

Trên thực tế nhiều doanh nghiệp ở nước ta, việc tiết kiệm năng lượng điện chưa được chú trọng Các doanh nghiệp chỉ chú trọng vào chi phí ban đầu mà chưa coi trọng chi phí thường xuyên Việc sử dụng năng lượng điện không hiệu quả phụ thuộc vào nhiều nguyên nhân: Công nghệ lạc hậu, các thiết bị sản xuất cũ kỹ, tỷ lệ hao hụt trong khâu truyền tải quá nhiều Công tác quản lý theo dõi chưa đúng mức

Để đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng điện cần phải xây dựng các giải pháp sử dụng điện tiết kiệm và hiệu quả, theo dõi và giám sát các thông số điện từ đó đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả như bố trí kế hoạch sản xuất hợp lý, sử dụng đúng công suất, hạn chế tối đa các thiết bị tiêu thụ công suất điện lớn vào giờ cao điểm…

Hiện nay các nhà máy xí nghiệp đều lắp đặt các thiết bị đo và theo dõi các thông số điện từ đó đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng Nhưng hầu hết các thiết

bị này đều là thiết bị ngoại nhập có giá thành cao và chỉ có chức năng riêng biệt Xuất phát từ các vấn đề nêu trên và được sự cho phép của Ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Công Nghệ, sự giúp đỡ của các thầy cô và các anh chị tại Phân viện nghiên cứu Điện

tử - Tin học - Tự động hóa TP.HCM, đề tài “ Thiết kế, chế tạo bộ đo các thông số

điện” đã được triển khai thực hiện

2

1.2 Tầm quan trọng của đề tài

Các thiết bị đo thông số điện trên thị trường hiện nay đều là các thiết bị ngoại nhập có giá thành cao, tính năng riêng lẻ và công nghệ chế tạo được giữ bí mật Việc chế tạo được một thiết bị đo các thông số điện ứng dụng vào mạng điện công nghiệp hoặc mạng điện gia đình với giá thành thấp và tích hợp đo được nhiều thông số hơn góp phần đưa ra các giải pháp sử dụng và tiết kiệm năng lượng

1.3 Mục đích của đề tài

1.3.1 Mục đích chung

 Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của bộ đo dòng điện và điện áp

 Khảo sát nguyên lý hoạt động của các thiết bị đo hệ số công suất

 Khảo sát nguyên lý về các thiết bị đo công suất

 Tìm hiểu nhu cầu và sự cần thiết của các thiết bị trên trong sinh hoạt, sản xuất

 Từ đó tiến hành thiết kế, chế tạo bộ đo các thông số điện gồm điện áp, dòng điện, công suất biểu kiến, công suất phản kháng, hệ số công suất

1.3.2 Mục đích cụ thể

 Trên cơ sở khảo sát các mẫu máy khác để từ đó tìm hiểu cấu tạo, kết cấu, mạch điều khiển, chương trình điều khiển bộ đo

 Làm chủ được việc thiết kế, giá thành thiết bị hợp lý

 Thiết bị được nhắm đến sử dụng trong các xí nghiệp, nhà máy và phát triển thêm để điều khiển tối ưu mạng điện trong nhà máy

 Thiết kế, chế tạo mạch đo các thông số dùng IC chuyên dụng ADE7758

 Thiết kế, chế tạo mạch nguồn

 Thiết kế, chế tạo mạch vi xử lý giao tiếp SPI với mạch đo để đọc và nhận dữ liệu

 Thiết kế, chế tạo cấu trúc của bộ đo

 Thiết kế mạch điều khiển chung cho bộ đo, hiển thị kết quả đo được lên màn hình LCD

 Viết chương trình KEIL - C để điều khiển, xử lý số liệu và hiển thị trên màn hình

3

1.4 Giới hạn của đề tài

 Bộ thiết bị đo sử dụng cảm biến dòng đo tối đa là 10A, chưa sử dụng các biến dòng chuyên dụng

 Sai số còn lớn – độ chính xác ±3%

 Xử lý nhiễu chưa tốt nên giá trị chưa đạt độ chính xác cao

 Không thể làm việc trong môi trường có nhiệt độ cao

 Chưa tích hợp được cổng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi như PLC hay giao tiếp máy tính

Hình 2.1 Vai trò điện năng

Năng lượng nói chung, điện năng nói riêng có vai trò rất quan trọng đối với sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Điện năng là dạng năng lượng có nhiều ưu điểm vì nó dễ dàng được chuyển hóa từ các dạng năng lượng khác; đồng thời khi sử dụng điện năng cũng dễ dàng chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác như

cơ năng, nhiệt năng, quang năng,…vì vậy việc sản xuất điện năng có ý nghĩa rất quan trọng trong chiến lược năng lượng của mỗi quốc gia

Trong thực tế, nguồn cung cấp công suất luôn đòi hỏi cao hơn so với công suất tiêu thụ của thiết bị Ví dụ một động cơ tiêu thụ công suất 15kW lại phải cần một nguồn công suất ít nhất là 17,65kVA Như vậy, dù chỉ cần một công suất nhất định nhưng chúng ta phải yêu cầu nhà cung cấp điện cung cấp một công suất lớn hơn và tất nhiên phải trả tiền cho sự lãng phí

Lý thuyết cơ sở cho thấy thiết bị ngoài tiêu tốn công suất hữu ích còn tạo ra công suất phản kháng, là một thành phần tham gia vào quá trình từ hóa các thiết bị điện và ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện năng Ngoài ra các thiết bị biến đổi AC-DC-AC thường gây ra sự lệch pha về dòng và thế dẫn tới giảm giá trị cosφ Việc giảm giá trị này dẫn tới công suất sử dụng thật sự cho thiết bị chỉ là một phần của công suất cung cấp, phần còn lại là tổn hao vô ích Nếu tăng cosφ tới =1, ta sẽ giảm tổn hao này tới zero

5

Vì vậy điện năng có vai trò rất quan trọng trong sản xuất và đời sống Việc đo, giám sát và theo dõi các thông số sẽ giúp ta quản lý và đưa ra các phương pháp nhằm tiết kiệm năng lượng

2.1.1 Dòng điện và điện thế

 Dòng điện

Trong điện học và điện từ học, dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích Vì đại lượng đặc trưng cho dòng điện là cường độ dòng điện, từ "dòng điện" thường được hiểu là cường độ dòng điện

Cường độ dòng điện qua một bề mặt được định nghĩa là lượng điện tích di

chuyển qua bề mặt đó trong một đơn vị thời gian Nó thường được ký hiệu bằng chữ I,

từ chữ tiếng Đức Intensität, nghĩa là cường độ Trong hệ SI, cường độ dòng điện có đơn vị ampe

Cường độ dòng điện trung bình trong một khoảng thời gian được định nghĩa bằng thương số giữa điện lượng chuyển qua bề mặt được xét trong khoảng thời gian đó và khoảng thời gian đang xét

Trong đó,

 I tb là cường độ dòng điện trung bình, đơn vị là A (ampe)

là C (coulomb)

Khi khoảng thời gian được xét vô cùng nhỏ, ta có cường độ dòng điện tức thời:

 Điện thế và hiệu điện thế

Trong điện học, điện thế là trường thế vô hướng của điện trường; tức là građiên của điện thế là véctơ ngược hướng và cùng độ lớn với điện trường

VM = AM∞/q

6

Cũng như mọi trường thế vô hướng, điện thế có giá trị tùy theo quy ước điện thế của điểm lấy mốc Trong kỹ thuật điện và điện tử học, khái niệm hiệu điện thế hay điện áp thường được dùng khi so sánh điện thế giữa hai điểm, hoặc nói về điện thế của một điểm khi lấy điểm kia là mốc có điện thế bằng 0

Hiệu điện thế UMN giữa hai điểm M và N là đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh công của điện trường trong sự di chuyển của điện tích q từ M đến N

UMN = VM – VN

Định luật Ohm nói rằng cường độ dòng điện chạy qua một điện trở (hoặc các thiết bị Ohm) tuân theo:

U là hiệu điện thế giữa 2 đầu điện trở, đo bằng vôn

R là điện trở, đo bằng ohm

2.1.2 Công suất dòng điện xoay chiều

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 công thức:

Trong mạch điện xoay chiều, các thành phần tích lũy năng lượng như cuộn cảm

và tụ điện có thể tạo ra sự lệch pha của dòng điện so với hiệu điện thế Có thể được biểu diễn về mặt toá học hiệu điện thế và dòng điện bằng số phức để thể hiện pha của các đại lượng này cho điện xoay chiều Lúc này công suất cũng có thể biểu diễn qua số phức, kết quả của phép nhân hai số phức là hiệu điện thế và dòng điện

7

Giá trị tuyệt đối của công suất phức là công suất biểu kiến Phần thực của công suất phức được gọi là công suất thực Nó là công suất tính trung bình theo toàn chu kỳ của dòng điện xoay chiều, tạo ra sự chuyển giao thực năng lượng theo một hướng Phần ảo của công suất phức được gọi là công suất phản kháng; do nó là công suất 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

Hình 2.2 Biểu đồ công suất

Ta có : S = P + iQ

S: công suất biểu kiến tính bằng VA

P: cống suất tiêu thụ thực tế tính bằng W

Q: công suất phản kháng tính bằng VAr

i: là đơn vị số ảo, căn bậc hai của -1

* Hiển thị hệ số công suất

* Ngõ vào: 4-20mADC (Thông số ngõ ra của Transducer hệ số công suất)

* Hiển thị : -0.50~1.00~+0.50

Hình 2.4 Thông tin và sơ đồ kết nối đồng hồ M4W

9

 Nguyên lý hoạt động : khi cấp nguồn va mắc tải vào bộ đo thông qua các biến dòng và biến áp thì Transducer hệ số công suất sẽ tính được góc lệch giữa U và

I từ đó tính được hệ số công suất

 Ưu điểm: tốc độ nhanh chỉ trong vài giây là có thể đọc được

 Nhược điểm: chỉ đo được hệ số công suất, không đo được các đại lượng khác

1

2

3

4

5

Hình 2.5 Ampe kìm Wellink HL - 3398

 Nguyên lý hoạt động: Dựa trên hiện tượng từ trường biến thiên sinh ra bởi dòng điện xoay chiều có thể gây cảm ứng điện từ lên một cuộn cảm nằm gần dòng

điện đó

 Ưu điểm: cho kết quả nhanh chỉ sau vài giây, đo được dòng lớn tới 500A

 Nhược điểm: dùng để đo kiểm tra, chỉ đo được dòng điện và điện áp

 Ưu điểm: nhanh cho kết quả với độ chính xác cao, nhỏ gọn, đo được nhiều thông số

 Nhược điểm: Giá thành cao

Hình 2.7 Bộ đo BPM – 10

1 Màn hình Led 7 đoạn hiển thị

2 Các nút nhấn chức năng

3 Cổng kết nối RS – 485

4 Domino kết nối nguồn cho bộ đo

5 Domino kết nối ngỏ vào của dòng điện và điện á

4

5

11

 Nguyên lý hoạt động: Dòng điện, điện áp được kết nối với domino ngỏ vào của

bộ đo Bên trong bộ đo có cầu phân áp để chia nhỏ điện áp và biến dòng để nhận tín hiệu đo dòng điện Sau đó các tín hiệu được đưa vào vi điều khiển để

xử lý và tính toán Cuối cùng dữ liệu sẽ được hiển thị trên màn hình Led 7 đoạn

 Ưu điểm: nhanh cho kết quả với độ chính xác cao, nhỏ gọn, đo được nhiều thông số

 Nhược điểm: Giá thành cao, màn hình hiển thị hay bị lỗi

2.3 Giới thiệu IC ADE7758

Hình 2.8 IC ADE7758

IC ADE 7758 được thiết kế tích hợp công nghệ ADCs và DSP trên cùng một vi mạch, chứa 6 bộ ADC làm nhiệm vụ số hóa các tín hiệu đầu vào I, U Mỗi bộ ADC này có độ phân giải 20 bit, tốc độ lẫy mẫu 57.6kSPS ứng với 7.3728 MHz clock in Bộ DSP thực hiện chức năng xử lý tính toán các tín hiệu số lấy ra ở đầu của các ADC Đầu ra của ADE7758 là các xung tần số của dòng điện, điện áp, công suất điện năng tác dụng, công suất điện năng phản kháng, công suất điện năng biểu kiến tải tiêu thụ cùng với giao diện nối tiếp SPI chứa các thanh ghi tỉ lệ sẽ dễ dàng ghép nối với các loại vi điều khiển, qua đó có thể đọc được các đại lượng mà ADE7758 đó được Ngoài

ra, thông qua giao tiếp SPI quá trình hiệu chỉnh ADE7758 cũng được thực hiện

12

Hình 2.9 Sơ đồ khối ADE7758

IC ADE7758 sử dụng để xử lí các tín hiệu có các ưu điểm: độ chính xác cao được sử dụng nhiều trong đo lường ADE7758 có 6 bộ chuyển đổi ADC có thể sử dụng được nhiều mục đích như đo nhiệt độ hay đo lường được tất cả các đại lượng điện ADE7758 có các thanh ghi Waveform và thanh ghi Active Energy có thể thay đổi tụ giữ điện được ít nhất là 5 giây trong các trường hợp bị mất nguồn điện cấp vào

Dữ liệu đọc ra của ADE7758 là dạng nối tiếp SPI hoặc tần số thông qua tín hiệu xung ADE7758 có thể được lập trình thay đổi các thông số hiệu chỉnh để phù hợp với các tín hiệu vào và ra Thông số thay đổi có thể là chỉnh dạng offset hoặc chặn ngưỡng bão hòa

ADE7758 có chân báo ngắt IRQ khi đã tính xong công suất ngõ vào, tín hiệu này sẽ được sử dụng kết hợp với vi điều khiển để đọc dữ liệu từ ADE7758 ADE7758

có dạng chân là SSOP20

1 APCF Active Power Calibration Frequency Logic Output Chân tín

hiệu ngõ ra với tần số công suất Hiệu chỉnh Gain thông qua thanh ghi APCFNUM và thanh ghi APCFDEN

2 DGND Chân tín hiệu đất cho ngõ ra digital sử dụng cho các tín hiệu

số ADE7758 Chân này được sử dụng làm tín hiệu đất cho tất

cả các tín hiệu số như SPI

3 DVDD Digital power supply Chân cấp nguồn cho các chân tín hiệu

số của ADE7758 như các chân SPI và chân ngõ ra khác, nguồn cung cấp khoảng 5V±5%

4 AVDD Analog power supply Chân cấp nguồn cho các chân tín hiệu

tương tự của ADE7758 như các chân ngõ vào dòng áp, nguồn cung cấp khoảng 5V±5%

5,6 IAP, IAN Analog input, kênh dòng A Chân ngõ vào ADC kênh A,

kênh này sử dụng cho ngõ vào tín hiệu dòng điện pha A, tín hiệu ngõ vào hiệu chỉnh từ ±1V, ± 0.5V, ± 0.25V tùy tỉ lệ 7,8 IBP, IBN Analog input, kênh dòng B Chân ngõ vào ADC kênh B,

14

kênh này sử dụng cho ngõ vào tín hiệu dòng điện pha B, tín hiệu ngõ vào hiệu chỉnh từ ±1V, ± 0.5V, ± 0.25V tùy tỉ lệ 9,10 ICP, ICN Analog input, kênh dòng C Chân ngõ vào ADC kênh C,

kênh này sử dụng cho ngõ vào tín hiệu dòng điện pha C, tín hiệu ngõ vào hiệu chỉnh từ ±1V, ± 0.5V, ± 0.25V tùy tỉ lệ

11 AGND Chân tín hiệu đất cho ngõ vào analog sử dụng cho bộ biến

đổi ADC Chân này được sử dụng làm tín hiệu đất cho tất cả các tín hiệu analog như các mạch lọc, cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp

12 REFIN/OUT Chân chỉnh áp ngõ vào ADE7758 có tín hiệu áp trên chân

này là 2.4V± 8% Nếu chọn áp ngoài thì áp sẽ nối đến chân REF, còn nếu chọn áp trong ADE7758 thì chon nối chân này với chân AGND qua tụ 1µF

Analog input, kênh áp Chân ngõ vào ADC cho 3 pha A, B,

C Kênh này sử dụng cho tín hiệu ngõ vào điện áp 3 pha A,

B, C Tín hiệu ngõ vào hiệu chỉnh từ ±1V, ± 0.5V, ± 0.25V tùy theo tầm scale

17 RESET Reset lại cho ADE7758 Reset là tín hiệu mức thấp

21 CS Chọn chip chế độ SPI

Bảng 1 Chức năng các chân của ADE7758

15

 Giới thiệu các thanh ghi lưu trữ dữ liệu các thông số trong ADE7758: liệu sau khi được tính toán xong sẽ được lưu vào các thanh ghi này Nhờ giao tiếp SPI vi điều khiển sẽ lấy được dữ liệu từ các thanh ghi này về sau đó tính toán, hiệu chỉnh

và hiển thị

0x01 AWATTHR Thanh ghi lưu trữ thông số cho công suất tiêu thụ của pha

A Thanh ghi này chỉ cho phép đọc giá trị về và nó có thể giữ được dữ liệu tối đa là 0.52 giây trước khi bị tràn bit 0x02 BWATTHR Thanh ghi lưu trữ thông số cho công suất tiêu thụ của pha

B

0x03 CWATTHR Thanh ghi lưu trữ thông số cho công suất tiêu thụ của pha

C

0x04 AVARHR Thanh ghi lưu trữ thông số cho công suất phản kháng của

pha A Thanh ghi này chỉ cho phép đọc giá trị về và nó

có thể giữ được dữ liệu tối đa là 0.52 giây trước khi bị tràn bit

0x05 BVARHR Thanh ghi lưu trữ thông số cho công suất phản kháng của

pha B

0x06 CVARHR Thanh ghi lưu trữ thông số cho công suất phản kháng của

pha C

0x07 AVAHR Thanh ghi lưu trữ thông số cho công suất biểu kiến của

pha A Thanh ghi này chỉ cho phép đọc giá trị về và nó

có thể giữ được dữ liệu tối đa là 0.52 giây trước khi bị tràn bit

0x08 BVAHR Thanh ghi lưu trữ thông số cho công suất biểu kiến của

pha B

0x09 CVAHR Thanh ghi lưu trữ thông số cho công suất biểu kiến của

pha C

0x0A AIRMS Thanh ghi lưu trữ thông số dòng điện cho pha A Dữ liệu

được đưa vào và tính toán ở kênh dòng pha A sau đó lưu

16

Bảng 2 Chức năng các thanh ghi ADE7758

ở thanh ghi này

0x0B BIRMS Thanh ghi lưu trữ thông số dòng điện cho pha B

0x0C CIRMS Thanh ghi lưu trữ thông số dòng điện cho pha C

0x0D AVRMS Thanh ghi lưu trữ thông số điện áp cho pha A

0x0E BVRMS Thanh ghi lưu trữ thông số điện áp cho pha B

0x0F CVRMS Thanh ghi lưu trữ thông số điện áp cho pha C

0x24 AVRMSGAIN Thanh ghi hiệu chỉnh độ khuếch đại cho điện áp pha A

Có thể hiệu chỉnh chênh lệch là ±50% với độ phân giải là 0.0244%/bit thấp Tương tự cho pha B và C

0x27 AIGAIN Thanh ghi hiệu chỉnh độ khuếch đại cho dòng điện pha

A Giá trị hiệu chỉnh cho thanh ghi này thường chọn là 0 0x2A AWG Thanh ghi hiệu chỉnh độ khuếch đại công suất tiêu thụ

của pha A Có thể hiệu chỉnh chênh lệch là ±50% với độ phân giải là 0.0244%/bit thấp Tương tự cho pha B và C 0x2D AVARG Thanh ghi hiệu chỉnh độ khuếch đại công suất phản

0x39 AWATTOS Thanh ghi hiệu chỉnh bù công suất tiêu thụ của pha A

Tương tự cho pha B và C

0x3C AVAROS Thanh ghi hiệu chỉnh bù công suất phản kháng pha A

Tương tự cho pha B và C

0x3F APHCAL Thanh ghi hiệu chỉnh pha cho pha A Tương tự cho pha B

và C

17

2.4 Tìm hiểu vi điều khiển P89V51RD2

Hình 2.11 Vi điều khiển P89V51RD2

 Khái quát : Trước tiên, ta lướt qua các tính năng của P89V51RD2:

P89V51RD2 là vi điều khiển 80C51 có 64kB Flash và 1024bytes<1kB> bộ nhớ dữ liệu RAM

Tính năng đặc biệt của P89V51RD2 là ở chế độ hoạt động mode x2 Người thiết kế chọn chạy ứng dụng của mình ở chế độ này để nâng đôi tốc độ khi hoạt động ở cùng tần số dao động<một chu kì máy=6 chu kì xung nhịp>

Bộ nhớ chương trình Flash cho phép lập trình ISP hoặc/và song song Chế độ lập trình song song được đưa ra để thích ứng với tốc độ cao, giảm thời gian và giá thành

 Giao tiếp SPI

 5 PCA với chức năng PWM/capture/compare 16bits

 Tương thích mức logic TTL và CMOS

 Phát hiện nguồn yếu <Brownout Detect>

 Chế độ Low-power, Power down, Idle

19

Hình 2.12 Sơ đồ chân vi điều khiển P89V51RD2

 Sơ đồ chân và chức năng của vi điều khiển P89V51RD2:

 Port0 (P0.1–P0.7) có hai chức năng:

o Chức năng xuất/nhập : các chân này được dùng để nhận tín hiệu từ bên

ngoài vào để xử lí, hoặc dùng để xuất tín hiệu ra bên ngoài

o Chức năng là bus dữ liệu và bus địa chỉ (AD7-AD0) : 8 chân này (hoặc Port 0) còn làm nhiệm vụ lấy dữ liệu từ ROM hoặc RAM ngoại (nếu có kết nối với bộ nhớ ngoài), đồng thời Port 0 còn được dùng để định địa chỉ của bộ nhớ ngoài

 Port 1 (P1.1 – P1.7): Ngoài chức năng làm các đường xuất nhập thì còn có các chức năng riêng của từng chân

 P1.0 - T2: Ngõ vào Counter cho Timer/Counter 2 hoặc ngõ ra cho

19

20

21 22 23 24 25 26 27 28

29 30 31

32 33 34 35 36 37 38 39

40

1 2 3 4 5 6 7 8

9

10

P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD XTAL2

XTAL1

GND

P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15

PSEN ALE/PROG EA/VPP

P0.7/AD7 P0.6/AD6 P0.5/AD5 P0.4/AD4 P0.3/AD3 P0.2/AD2 P0.1/AD1 P0.0/AD0

VCC

P1.0/T2 P1.1/T2EX P1.2 P1.3 P1.4/SS P1.5/MOSI P1.6/MISO P1.7/SCK

RST

P3.0/RXD

o CEX4: ngõ vào xung nhịp cho chức năng Capture/Compare modul 4

 Port 2 (P2.0 – P2.7): Port 2 gồm 8 chân (từ chân 21 đến chân 28) có hai chức năng:

o Chức năng xuất/nhập

o Chức năng là bus địa chỉ cao (A8-A15): khi kết nối với bộ nhớ ngoài có dung lượng lớn,cần 2 byte để định địa chỉ của bộ nhớ, byte thấp do P0 đảm nhận, byte cao do P2 này đảm nhận

 Port 3 gồm 8 chân (từ chân 10 đến 17):

Chức năng xuất/nhập

Với mỗi chân có một chức năng riêng thứ hai như trong bảng sau

P3.6 WR Ngõ điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài

21

P3.7 RD Ngõ điều khiển đọc dữ liệu từ bộ nhớ bên ngoài

Bảng 3 Chức năng riêng port3 của vi điều khiển P89V51RD2

 PSEN: Cho phép dùng bộ nhớ chương trình ngoài Khi MCU sử dụng bộ nhớ

chương trình trong chip, PSEN không tích cực Khi sử dụng bộ nhớ chương trình ngoài, PSEN thường ở mức tích cực 2 lần trong mỗi chu kì máy Sự chuyển mức cao sang thấp trên PSEN cưỡng bức từ bên ngoài khi ngõ vào

RST đang ở mức cao trong hơn 10 chu kì máy sẽ đưa MCU vào chế độ lập trình host từ bên ngoài

 RST: Khi nguồn dao động đang hoạt động, mức cao trên chân RST trong ít nhất

2 chu kì máy sẽ Reset lại hệ thống Nếu chân PSEN chuyển mức trong khi

RST vẫn còn ở mức cao, MCU sẽ vào chế độ lập trình host từ bên ngoài, nếu không, sẽ hoạt động bình thường

 ALE/PROG: Cho phép khóa địa chỉ<Như 8051 cổ điển> ngoài ra, chân này còn

được dùng để đưa vào chế độ lập trình FLASH

 XTAL 1, XTAL 2: Hai chân này có vị trí chân là 18 và 19 được sử dụng để

nhận nguồn xung clock từ bên ngoài để hoạt động, thường được ghép nối với thạch anh và các tụ để tạo nguồn xung clock ổn định

 Chân VCC: Chân số 40 là VCC cấp điện áp nguồn cho Vi điều khiển

Nguồn điện cấp là +5V±0.5

 Chân GND: Chân số 20 nối GND (hay nối Mass)

22

2.5 Nghiên cứu bộ hiển thị LCD 16x2

 Sơ đồ chân của LCD 16x2

Hình 2.13 Hình dạng LCD 16x2

Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ …

Ở đề tài này ta dùng LCD 16x2 để hiển thị các thông số đo được từ thiết bị

Hình 2.14 Sơ đồ chần LCD16x2

 Chân VSS, Vdd, Vee : Chân Vdd cấp nguồn dương 5V, chân Vss nối đất, chân Vee thường nối với biến trở để chỉnh độ tương phản của màn hình LCD

 Chân RS: Khi ở mức thấp chỉ thị được truyên đến LCD như xóa màn hình,

vị trí con trỏ Khi ở mức cao, kí tự được truyền đến LCD

23

 Chân R/W ( Read/Write): Dùng để xác định hướng truyền dữ liệu giữa LCD

và vi điều khiển Khi nó ở mức thấp dữ liệu được truyền đến LCD và khi ở mức cao thì dữ liệu được đọc từ LCD về

 Chân E (Enable): Cho phép ta truy cập hoặc xuất đến LCD thông qua chân

RS và R/W Khi chân E ở mức cao, LCD sẽ kiểm tra trạng thái hai chân RS

và R/W và đáp ứng cho phù hợp Khi dữ liệu được cấp đến chân dữ liệu thì một xung mức cao xuống thấp phải được áp xuống chân này để LCD để chốt dữ liệu trên các chân dữ liệu Xung này phải rộng tối thiểu là 450ns Còn khi chân E ở mức thấp thì LCD sẽ bị vô hiệu hóa hoặc bỏ qua tín hiệu của 2 chân RS và R/W

 Các chân D0-D7: Đây là 8 chân dữ liệu 8 bit, được dùng để gửi thông tin lên LCD hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD Các kí tự được truyền tương ứng trong bảng mã Ascii Cũng có các mã lệnh được gửi đến

để xóa màn hình, đưa con trỏ về đầu dòng hoặc nhấp nháy con trỏ

LCD có 2 chế độ giao tiếp, chế độ 4 bit ( chỉ dùng D4 đến D7 để truyền dữ liệu) và chế độ 8 bit ( dùng cả 8 bit để truyền dữ liệu) Ở chế độ 4 bit, khi truyền một byte chúng ta sẽ truyền 4 bit cao trước rồi truyền 4 bit thấp sau

2.6 Tìm hiểu phần mềm KEIL – µVISION3 lập trình cho P89V51RD2

Đây là ngôn ngữ lập trình cao cấp được sử dụng để thay thế cho chương trình hợp ngữ vì nó có tính năng tương tự, dễ lập trình hơn và hỗ trợ nhiều cho người sử dụng

 Giao diện chính của KEIL – µVISION3 gồm:

 Thanh menu bar

24

Hình 2.15 Giao diện KEIL – µVISION3

 Cách xác lập các thông số thông qua hộp thoại option:

Hình 2.16 Cửa sổ hộp thoại Options

Thanh Menu Thanh Toolbar Vùng viết chương trình

Nơi thông báo

Cửa sổ

Project

25

 Ta chỉ cần sử dụng 3 tab để viết chương trình bình thường:

 Device: chọn loại vi điều khiển

 Target: xác lập các thông số giao tiếp truyền nhận dữ liệu và bộ nhớ

 Output: trình biên dịch

2.7 Nghiên cứu mạch nạp chương trình cho vi điều khiển

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý mạch nạp cho P89V51RD2

Ở đây ta sử dụng mạch nạp nối tiếp qua cổng COM với RS232 Với mạch này thì chương trình sẽ được nạp trực tiếp từ phần mềm Flash Magic thông qua các chân TXD và RXD của vi điều khiển

Hình 2.18 Giao diện phần mêm Flash Magic