THIẾT KẾ BỘ ĐO TẦN SỐ SỬ DỤNG AT89C51 (070HZ) ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Ứng dụng họ vi điều khiển 8051, đo và cảnh báo tần số lưới điện công nghiệp, có dải đo 0 ÷ 70HZ•Tần số lưới điện công nghiệp ở nước ta là 50HZ. Vì vậy ta cần đặt khoảng cảnh báo từ 45 ÷ 55HZ. Tức là tần số lưới điện dưới 45HZ, đèn báo mức thấp và còi cảnh báo bật. Tần số lưới điện trên 55HZ, đèn báo mức cao và còi cảnh báo bật.•Dãi đo từ 0 ÷ 70HZ nên khi tần số lưới điện lớn hơn 70HZ thì hệ thống sẽ báo quá ngưỡng đo và còi cảnh báo bật.•Để đo tần số lưới điện công nghiệp, ta phải đếm số giao động của dòng điện trong 1 giây. Số giao động đấy chính là tần số của lưới điện.•Vì dòng điện là giao động liên tục, nên sau 1 giây ta phải cập nhật tần số 1 lần để đảm bảo tính chính xác của tần số.•Sử dụng ngắt ngoài INT0 theo sườn xuống để đếm số giao động của tần số.•Sử dụng ngắt Timer 0 để đếm số giao động sau 1 giây.

ĐỀ TÀI: Ứng dụng họ vi điều khiển 8051, đo và cảnh báo tần số lưới

điện công nghiệp, có dải đo [0 ÷ 70]HZ

GV HƯỚNG DẪN: ĐỖ DUY PHÚ

LỚP: ĐIỆN 1 K10

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

Mục lục

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Mục đích và yêu cầu 3

1.2 Các linh kiện được sử dụng 4

1.3 Khái quát về họ Vi điều khiển 8051 4

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 9

2.1 Sơ đồ khối hệ thống và mạch nguyên lý 9

2.2 Xây dựng thuật toán 13

2.3 Xây dựng phần mềm 17

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 24

3.1 Nhận xét 24

3.2 Thực nghiệm 24

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mục đích và yêu cầu

Ứng dụng họ vi điều khiển 8051, đo và cảnh báo tần số lưới điện công nghiệp,

có dải đo [0 ÷ 70]HZ Dựa vào nội dung đề tài ta thấy:

 Tần số là số giao động trong 1 giây Đơn vị: HZ

 Hệ thống điện công nghiệp là mạng lưới các thành phần điệndùng để cung cấp truyền tải hoặc sử dụng điện năng Điện

áp đối với nguồn xoay chiều 1 pha là 220V và 3 pha là 380V.Đây là những mức điện áp lớn, các vi điều khiển không thểhoạt động ở mức điện áp này Vì vậy ta cần 1 máy biến áp

để hạ điện áp của lưới điện xuống mức mà vi điều khiển cóthể hoạt động được mà không thay đổi tần số của lưới điện

 Tần số lưới điện công nghiệp ở nước ta là 50HZ Vì vậy ta cầnđặt khoảng cảnh báo từ [45 ÷ 55]HZ Tức là tần số lưới điện dưới45HZ, đèn báo mức thấp và còi cảnh báo bật Tần số lưới điện trên 55HZ,đèn báo mức cao và còi cảnh báo bật

 Dãi đo từ [0 ÷ 70]HZ nên khi tần số lưới điện lớn hơn 70HZ thì hệ thống

sẽ báo quá ngưỡng đo và còi cảnh báo bật

 Vi điều khiển chỉ hoạt động với xung vuông 1 chiều mà điện

áp của lưới điện lại là xung hình Sin xoay chiều, nên ta cần

bộ chuyển đổi xung hình Sin thành xung vuông để vi điềukhiển có thể hoạt động được

 Ta sẽ sử dụng 1 màn hình LCD để hiển thị các cảnh báo vàtần số của lưới điện

Phương pháp đo:

 Để đo tần số lưới điện công nghiệp, ta phải đếm số giao độngcủa dòng điện trong 1 giây Số giao động đấy chính là tần sốcủa lưới điện

 Vì dòng điện là giao động liên tục, nên sau 1 giây ta phải cậpnhật tần số 1 lần để đảm bảo tính chính xác của tần số.

 Sử dụng ngắt ngoài INT0 theo sườn xuống để đếm số giaođộng của tần số

 Sử dụng ngắt Timer 0 để đếm số giao động sau 1 giây

1.2 Các linh kiện được sử dụng

Từ yêu cầu của bài toán, ta sử dụng các linh kiện sau:

1.3 Khái quát về họ Vi điều khiển 8051

AT89C51 là một vi điều khiển 8 bit, chế tạo theo công nghệCMOS chất lượng cao, công suất thấp với 4 KB PEROM (FlashProgrameable and erasable read only memory)

Các đặc điểm của 8051 được tóm tắt như sau:

- 4KB bộ nhớ, có thể lập trình lại nhanh, có khả năng ghixóa tới 1000 chu kỳ

- Tần số hoat động từ 0 Hz đến 24 MHz

- 3 mức khóa bộ nhớ lập trình

- 2 bộ Timer/Counter 16 bit

- 128 Byte RAM nội

- 4 Port xuất/nhập (I/O) 8 bit

- 64 KB vùng nhớ mã ngoài

- 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoài

- Xử lý Boolean (hoạt động trên bit đơn)

- 210 vị trí nhớ có thể định vị bit

 Sơ đồ khối và sơ đồ chân của AT89C51

Hình 1.1 Sơ đồ khối của AT89C51

OTHER REGISTER

Hình 1.2 Sơ đồ chân của AT89C51

 Chức năng các chân của AT89C51

+ Port 0 (P0.0 – P0.7 hay chân 32 – 39): Ngoài chức năng

xuất nhập ra, port 0 còn là bus đa hợp dữ liệu và địa chỉ (AD0 –AD7), chức năng này sẽ được sử dụng khi AT89C51 giao tiếp vớithiết bị ngoài có kiến trúc bus

Hình 1.3 Port 0

+ Port 1 (P1.0 – P1.7 hay chân 1 – 8): có chức năng xuất

nhập theo bit và byte Ngoài ra, 3 chân P1.5, P1.6, P1.7 đượcdùng để nạp ROM theo chuẩn ISP, 2 chân P1.0 và P1.1 được dùngcho bộ Timer 2

Hình 1.4 Port 1

+ Port 2 (P2.0 – P2.7 hay chân 21 – 28): là một port có

công dụng kép Là đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địachỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng

Hình 1.5 Port 2

+ Port 3 (P3.0 – P3.7 hay chân 10 – 17): mỗi chân trên

port 3 ngoài chức năng xuất nhập ra còn có một số chức năng đặcbiệt sau:

Bit Tên Chức năng chuyển đổi

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối

tiếpP3.1 TXD Dữ liệu truyền cho port nối

tiếpP3.2 INT0 Ngắt bên ngoài 0P3.3 INT1 Ngắt bên ngoài 1P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/Counter

0P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/Counter

1P3.6 WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu

ngoàiP3.7 RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu

ngoài

Hình 1.6 Port 3

+ RST (Reset – chân 9): mức tích cực của chân này là mức 1,

để reset ta phải đưa mức 1 (5V) đến chân này với thời gian tốithiểu 2 chu kỳ máy (tương đương 2µs đối với thạch anh 12MHz

+ XTAL 1, XTAL 2: AT89S52 có một bộ dao động trên chip, nó

thường được nối với một bộ dao động thạch anh có tần số lớnnhất là 33MHz, thôn thường là 12MHz

+ EA (External Access): EA thường được mắc lên mức cao

(+5V) hoặc mức thấp (GND) Nếu ở mức cao, bộ vi điều khiển thihành chương trình từ ROM nội Nếu ở mức thấp, chương trình chỉđược thi hành từ bộ nhớ mở rộng

+ ALE (Address Latch Enable): ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ

vào một thanh ghi bên ngoài trong nửa đầu của chu kỳ bộ nhớ.Sau đó các đường port 0 dùng để xuất hoặc nhập dữ liệu trongnửa chu kỳ sau của bộ nhớ

+ PSEN (Program Store Enable): PSEN là điều khiển để cho

phép bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối với đếnchân /OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc cácbytes mã lệnh PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian đọc lệnh Các

mã nhị phân của chương trình được đọc từ EPROM qua Bus vàđược chốt vào thanh ghi lệnh của bộ vi điều khiển để giải mãlệnh Khi thi hành chương trình trong ROM nội, PSEN sẽ ở mức thụđộng (mức cao)

+ Vcc, GND: AT89S52 dùng nguồn một chiều có dải điện áp từ

4V – 5.5V được cấp qua chân 40 (Vcc) và chân 20 (GND)

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối hệ thống và mạch nguyên lý

Từ chương 1, ta xây dựng được sơ đồ khối sau:

KHỐI BIẾN ÁP

KHỐI TẠO XUNG VUÔNG

AT89C51

CT ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN

KHỐI HIỂN THỊ VÀ CẢNH BÁO

Hình 2.1 Sơ đồ khổi hệ thống

 Khối biến áp:

Hình 2.2 Khối biến ápNguồn điện ban đầu là dòng điện xoay chiều có điện áp lớn là 220V Vì thế ta cần sử dụng 1 máy biến áp để giảm điện áp của dòng điện xuống mức vi xử lý có thể hoạt động được mà không làm biến đổi tần số của lưới điện

 Khối tạo xung vuông

Hình 2.3 Khối tạo xung vuông+ Opamp LM741 chân 7 được nối Vcc và chân 4 được nối Mass

 Opamp LM741 thực hiện chức năng so sánh:

- Khi Vin+ > Vin- thì Vout ở mức cao

- Khi Vin+ < Vin- thì Vout ở mức thấp

+ Xung của Vout là xung vuông xoay chiều nên ta cần dùng 1 con NOT để biến đổi thành xung vuông 1 chiều để vi xử lý có thể đọc được mà không làm thay đổi tần số

 AT89C51

Hình 2.4 AT89C51

Vi xử lý AT89C51 sẽ thực hiện các lệnh được cài đặt sẵn trong chương trình, từ đó điều khiển và cảnh báo hệ thống

 Khối hiển thị và cảnh báo

Ta sử dụng 1 màn hình LCD để hiển thị tần số của lưới điện và các cảnh báo

Hình 2.5 Màn hình LCD

Sử dụng còi Buzz và đèn LED để báo các cảnh báo đang diễn ra

Hình 2.5 Đèn cảnh báo và Còi cảnh báo+ Transistor PNP: Khi chân B của transistor có mức thấp thì sẽ chothông mạch, từ đấy dễ dàng điều khiển các đèn báo và còi hiệu.+ Sử dụng còi BUZZ 6V và các đèn LED để hiển thị cảnh báo

Từ các khối ở trên, ta xây dụng được sơ đồ mô phỏng của

hệ thống.

Hình 2.6 Toàn bộ hệ thống

2.2 Xây dựng thuật toán

Sơ đồ thuật toán hệ thống:

ĐO TẦN SỐ

HIỂN THỊ VÀ CẢNH BÁO

RETI

Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán hệ thống

 Thuật toán chương trình đo tần số

+ Ta sử dụng ngắt ngoài INT0 để đếm số giao động và sử dụng ngắt trong Timer 0 để cứ 1 giây thì sẽ gán số giao động

F=DemDem=0T= 0

RETI

Yes

No

Hình 2.8 Thuật toán chương trình ngắt ngoài INT0

 Thuật toán chương trình ngắt Timer 0

Hình 2.9 Thuật toán chương trình ngắt Timer 0

 Thuật toán chương trình hiển thị và cảnh báo

 Thuật toán chương trình hiển thị

Hình 2.10 Thuật toán chương trình hiển thị

 Thuật toán chương trình cảnh báo

Hình 2.11 Thuật toán chương trình cảnh báo

2.3 Xây dựng phần mềm

 Gán chân và sử dụng các thư viện cho chương trình

 Khai báo biến toàn cục

 Hàm khởi tạo ngắt

 Hàm ngắt ngoài INT0

 Hàm ngắt trong Timer 0

 Hàm main

 Nếu tần số > 70HZ thì quá ngưỡng đo

 Nếu 55< F < 70 thì cảnh báo mức tần số cao

 Nếu 45<= F <=55 thì hiển thị tần số đo được

 Nếu F<45 thì cảnh báo mức tần số thấp

 Hàm hiển thị LCD

 Dễ sử dụng, tiện lợi.

 Nhược điểm

 Còn có sai số về giá trị đo được do sai số linh kiện và những sai số trong khi tính toán thiết kế mạch nhưng chấp nhận được

 Mạch chưa có chức năng bảo vệ ngắn mạch

 Chưa có các khối nguồn tạo điện áp ra cho IC rõ ràng

 Độ tin cậy của mạch chưa được cao do hạn chế về kinh

nghiệm cũng như giới hạn về trình độ chuyên môn còn yếu

3.2 Thực nghiệm

 Khi F=30HZ  Cảnh báo tần số ngưỡng thấp.

 Khi F=50HZ  Hiển thị tần số F=50HZ.

 Khi F=60HZ  Cảnh báo tần số ngưỡng cao.

 Khi F=80HZ  Cảnh báo quá ngưỡng đo.