Đang tải... (xem toàn văn)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO Đề Tài: ĐO HỆ SỐ COSφ, TẦN SỐ 100200Hz, NGƯỠNG 1 ĐỘ Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Thị Lan Hương Sinh viên Thực hiện: Nguyễn Khắc Quân Võ Hoàng Thi Trần Văn Hợp Bộ môn: Kỹ thuật Đo và Tin học Công nghiệp
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÁO CÁO THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO Đề 24: ĐO HỆ SỐ COSφ, TẦN SỐ 100-200Hz, NGƯỠNG ĐỘ Giảng viên hướng dẫn: Nhóm s23: PGS TS Nguyễn Thị Lan Hương Nguyễn Khắc Quân 20174125 Võ Hoàng Thi 20174231 Trần Văn Hợp 20173924 Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Hà Nội, 2021/7 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời kì cách mạng cơng nghệ có nhiều tiến mặt ứng dụng công nghiệp, sản xuất thực tiễn Và nghành đo lường tự động hóa khơng nằm ngồi xu với nhiều phương pháp đo hoàn thiện cải tiến nhiều phương pháp đo cũ Trong khuôn khổ môn Thiết kế thiết bị đo này, giảng dạy hướng dẫn cô Nguyễn Thị Lan Hương chúng em xin trình bày đề tài đo cos phi, thiết kế mạch mô Chúng em xin cảm ơn cô – PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương môn học Thiết kế thiết bị đo cho chúng em nhiều kiến thức bổ ích thực tiễn Báo cáo nhóm chúng em gồm có chương: Chương 1: Phân tích nhiệm vụ Chương : Thiết kế phần cứng Chương 3: Thiết kế phần mềm Chương 4: Kết hướng phát triển Do thời gian thực báo cáo kiến thức cịn nhiều hạn chế nên khơng thể tránh khỏi nhiều thiếu sót Chúng em mong nhận góp ý chỉnh sửa cô Chúng em xin chân thành cảm ơn Nhóm SV thực hiện: Nhóm 23 Trần Văn Hợp : 201743924 Võ Hoàng Thi : 20174231 Nguyễn Khắc Quân : 20174125 MỤC LỤC CHƯƠNG PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ 1.1 1.2 1.3 Đặt vấn đề .4 1.1.1 Yêu cầu thiết kế 1.1.2 Mục đích phạm vi đề tài Các phương pháp đo hệ số cosφ 1.2.1 Đo hệ số cosφ thông qua điện áp 1.2.2 Đo hệ số cosφ ADE7753 1.2.3 Đo hệ số cosφ qua góc lệch pha .5 Lựa chọn phương pháp CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2.1 2.2 Sơ đồ nguyên lý .6 2.1.1 Sơ đồ khối 2.1.2 Mạch nguyên lý Khối đầu vào 2.2.1 Nguồn, tải 2.2.2 Mạch xác định điểm không 2.2.3 Gate XOR 2.3 Khối vi xử lý 2.4 Khối đầu CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN MỀM 11 3.1 Ý tưởng 11 3.1.1 Cách tính hệ số cosφ .11 3.1.2 Cách tính ∆T 11 3.2 Lưu đồ thuật toán 12 3.3 Code 13 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 15 4.1 Kết 15 4.2 Đánh giá 16 4.3 Hướng phát triển 16 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đo hệ số cosφ thông qua điện áp Hình 1.2: Giản đồ vector điện áp Hình 1.3: Vi mạch họ ADE77xx Hình 2.1: Sơ đồ khối Hình 2.2: Mạch nguyên lý Hình 2.3: Khối đầu vào .7 Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch phát điểm không dùng LM741 Hình 2.5: Ngun lý phát điểm khơng LM741 Hình 2.6: Điều chế tín hiệu đầu vào Hình 2.7: Vi điều khiển AT89C52 .10 Hình 2.8: LCD 16x2 10 Hình 3.1: Chức bit ghi TMOD 12 Hình 3.2: Bộ đếm độ rộng xung 13 Hình 3.3: Lưu đồ thuật toán 14 Hình 4.1: Kết mơ (1) 16 Hình 4.2: Kết mô (2) 16 Hình 4.3: Kết mô (3) 17 CHƯƠNG PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Yêu cầu thiết kế Đối tượng: Tín hiệu xoay chiều tần số 100-200Hz qua tải Yêu cầu:đo hệ số cosφ tải, ngưỡng độ 1.1.2 Mục đích phạm vi đề tài Tìm hiểu, nghiên cứu thiết kế mơ mạch đo hệ số cosφ sử dụng linh kiện điện tử vi xử lí, khơng sử dụng dụng cụ đo trực tiếp 1.2 Các phương pháp đo hệ số cosφ 1.2.1 Đo hệ số cosφ thông qua điện áp Phương pháp: Mắc nối tiếp điện trở với tải Sử dụng phương pháp đo điện áp học ta đo ba điện áp hiệu dụng hình 1.1 Góc lệch pha φ Ta có biểu thức: = + + 2cosφ Hình 1.1: Đo hệ số cosφ thơng qua điện áp cosφ = Hình 1.2: Giản đồ vector điện áp 1.2.2 Đo hệ số cosφ ADE7753 Hình 1.3: Vi mạch họ ADE77xx Phương pháp: Sử dụng vi mạch ADE7753 đo giá trị P, U, I tức thời Từ ta tính P, U, I hiêu dụng nhờ công thức: P= U= I= Hệ số cơng suất tính: cosφ = 1.2.3 Đo hệ số cosφ qua góc lệch pha Phương pháp: Đo hệ số cosφ gián tiếp qua việc đo góc lệch pha φ U I Phương pháp mô tả kĩ phần sau 1.3 Lựa chọn phương pháp Ở ba phương pháp đo hệ số cosφ khả thi học học phần Kỹ thuật đo lường Thiết kế thiết bị đo,…Nhóm 23 định lựa chọn phương pháp số phương pháp sai số nhất, đơn giản dễ thực nhất, đặc biệt phù hợp với yêu cầu đặt ngưỡng độ góc φ CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2.1 Sơ đồ nguyên lý 2.1.1 Sơ đồ khối Hình 2.4: Sơ đồ khối 2.1.2 Mạch nguyên lý +12V TR1 2K V1 L1 VSINE 30 U1:A R2 R8 220K D1 R3 D2 1N4007 1N4007 220K UA741 C4 R1 U3 TRAN-2P2S 253nF -12V +12V 1K TR2 XOR U?:A R5 220K D3 R6 D4 1N4007 1N4007 220K UA741 TRAN-2P2S -12V LCD1 LM016L D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 10 11 12 13 14 55% VSS VDD VEE VR1 +5VCC RS RW E +5VCC 10k RP1 SW1 C1 RESET 19 18 X1 R7 XTAL1 XTAL2 RST 12MHz 10k U4 0.01mF C2 C3 33pF 33pF 29 30 31 PSEN ALE EA P1.0/T2 P1.1/T2EX P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 RESPACK-8 10 11 12 13 14 15 16 17 AT89C52 Hình 2.5: Mạch nguyên lý 2.2 Khối đầu vào +12V TR1 2K V1 L1 VSINE 30 U1:A R2 220K R3 R8 D1 D2 1N4007 1N4007 UA741 R1 C4 U3 TRAN-2P2S INT0 220K 253nF -12V +12V 1K A TR2 XOR U?:A 220K R6 D3 D4 1N4007 1N4007 C D R5 B 220K UA741 TRAN-2P2S -12V Hình 2.6: Khối đầu vào 2.2.1 Nguồn, tải Nguồn xoay chiều 100-200Hz Mô tải RLC nối tiếp để dễ dàng thay đổi hệ số cosφ 2.2.2 Mạch xác định điểm không Mắc nối tiếp điện trở với tải Góc lệch pha φ U I ban đầu đưa thành góc lệch pha Sử dụng máy hạ áp để cách li điện áp nguồn với mạch xác định điểm không đông thời giảm giá trị điện áp xuống Mạch xác định điểm không dùng LM741 Chức chân LM741 Chân - Offset Null: Chân sử dụng để loại bỏ điện áp bù (offset) cân điện áp đầu vào Chân - Inverting Input: Đầu vào đảo ngược IC Chân - Non Inverting Input: Đầu vào không đảo ngược IC Chân - V–: Nối mass / chân âm Chân - Offset Null: Chân sử dụng để loại bỏ điện áp bù (offset) cân điện áp đầu vào Chân - Output: Chân đầu IC Chân - V+: Chân dương IC Chân - NC: NC có nghĩa chân khơng nối Ngun lý opamp LM741 phát điểm khơng Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch phát điểm không dùng LM741 Như hình 2.2 ta dùng Vcc = 12V, hai diode 1N4007 để bảo vệ opamp Ta có nguyên lý: > = < = Hình 2.8: Nguyên lý phát điểm khơng LM741 Như hình 2.4, mạch phát điểm không dùng LM741 biến điện áp xoay chiều thành xung vng có tần số Điểm khơng điện áp xoay chiều trùng với sườn lên sườn xuống xung vng 2.2.3 Gate XOR Hình 2.9: Điều chế tín hiệu đầu vào Ta dùng cổng XOR để kết hợp hai xung vuông từ hai mạch phát điểm không U I Độ rộng ∆T hình 2.5 khoảng thời gian lệch U I Đưa tín hiệu điều chế vào vi xử lí ta tính ∆T, từ tính góc lệch pha φ hệ số cosφ 2.3 Khối vi xử lý Vi điều khiển AT89C52 Các vi điều khiển thuộc họ MCS51 có chung số đặc tính sau: - 4KB ROM để nạp chương trình điều khiển - 256 bytes RAM gồm ghi - Port vào bits - định thời 16 bits - Một cổng giao tiếp nối tiếp chuẩn RS232 - Có thể quản lý 64KB nhớ chương trình 64KB nhớ liệu - Một xử lý phép toán logic - 210 bit RAM nội dịa hóa - Bộ nhân/chia thực micro giây Hình 2.10: Vi điều khiển AT89C52 2.4 Khối đầu LCD 16x2 Hình 2.11: LCD 16x2 - Chân số - VSS: chân nối đất cho LCD nối với GND mạch điều khiển - Chân số - VDD: chân cấp nguồn cho LCD, nối với VCC=5V mạch điều khiển - Chân số - VEE: điều chỉnh độ tương phản LCD - Chân số - RS: chân chọn ghi, nối với logic "0" logic "1": + Logic “0”: Bus DB0 - DB7 nối với ghi lệnh IR LCD (ở chế độ “ghi” - write) nối với đếm địa LCD (ở chế độ “đọc” - read) + Logic “1”: Bus DB0 - DB7 nối với ghi liệu DR bên LCD - Chân số - R/W: chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), nối với logic “0” để ghi nối với logic “1” đọc - Chân số - E: chân cho phép (Enable) Sau tín hiệu đặt lên bus DB0-DB7, lệnh chấp nhận có xung cho phép chân sau: + Ở chế độ ghi: Dữ liệu bus LCD chuyển vào ghi bên phát xung (high-to-low transition) tín hiệu chân E 10 + Ở chế độ đọc: Dữ liệu LCD xuất DB0-DB7 phát cạnh lên (low-to-high transition) chân E LCD giữ bus đến chân E xuống mức thấp - Chân số đến 14 - D0 đến D7: đường bus liệu dùng để trao đổi thơng tin với MPU Có chế độ sử dụng đường bus là: Chế độ bit (dữ liệu truyền đường, với bit MSB bit DB7) Chế độ bit (dữ liệu truyền đường từ DB4 tới DB7, bit MSB DB7) - Chân số 15 - A: nguồn dương cho đèn - Chân số 16 - K: nguồn âm cho đèn 11 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN MỀM 3.1 Ý tưởng 3.1.1 Cách tính hệ số cosφ Như nói phần 2.2.3, hệ số cosφ tính qua ∆T độ rộng mức cao xung đầu vào theo công thức: φ = 360 (độ) cosφ Yêu cầu tính ∆T Vi xử lý 3.1.2 Cách tính ∆T Dùng định thời Timer vi điều khiển AT89C52 để đếm độ rộng xung đầu vào Các ghi sử dụng Thanh ghi lưu trữ TH0, TL0, TH1, TL1: Dùng để lưu trữ giá trị đếm timer/counter TH0, TL0: lưu giá trị timer/counter TH1, TL1: lưu giá trị timer/counter Độ rộng ghi bit Thanh ghi TMOD: Thiết lập chế độ hoạt động cho chân T0 T1 bit thấp: thiết lập chế độ hoạt động cho T0 bit cao: thiết lập chế độ hoạt động cho T1 Hình 3.12: Chức bit ghi TMOD Thanh ghi TCON: Chứa bit trạng thái điều khiển cho T0 T1 Gồm bit theo thứ tự: TF1-TR1-TF0-TR0-IE1-IT1-IE0-IT0 Bit TF1 (TF0): cờ tràn Timer (0) TF1 = đếm timer (0) bị tràn Bit TR1 (TR0): điều khiển Timer (0) đếm ngừng TR1 (TR0) = 1: cho phép Timer (0) đếm xung TR1 (TR0) = 0: cho phép Timer (0) ngừng đếm xung Bit IE1 (IE0): Cờ báo ngắt INT1 (INT0) IE1 (IE0) = có xảy ngắt xảy ngõ vào INT1 (INT0) 12 Bit IT1 (IT0): Bit điều khiển cho phép ngắt IT1 (IT0) tác động mức hay cạnh IT1 (IT0) = ngắt tác động cạnh xuống IT1 (IT0) = ngắt tác động mức Nguyên lý đo độ rộng xung với Timer1 Hình 3.13: Bộ đếm độ rộng xung Nguyên lý: Đặt Timer1 chế độ timer 16 bit,, mặc định Gate1 B = TR1 AND (INT1 OR 1) = TR1 AND INT1 Bắt đầu đếm: B = INT1 = OR TR1 = Dừng đếm: B = INT1 = AND TR1 = Ở ta muốn đo độ rộng xung mức cao nên INT1 lên mức cao lần thứ hai (Vì lần đầu không sườn lên xung), ta đặt TR1 = bắt đầu đếm Khi đếm, vi xử lý đếm xung nội tần số thạch anh chia 12 1MHz tương ứng 1µs Số đếm lưu vào ghi TL1, TH1 tối đa khơng tràn 65535µs Đây ∆T 3.2 Lưu đồ thuật tốn 13 Hình 3.14: Lưu đồ thuật tốn 3.3 Code Ta khơng sâu vào code giao tiếp LCD vi xử lí Sau chương trình đo hệ số cosφ 14 15 Khai báo thư viện, chọn tần số dao động 12MHz Khai báo biến: hệ số cosφ-PF (Power Factor), góc φ theo độ – phi, ∆T – t, góc φ theo radian – rad, biến trung giam temp để in cosφ Khởi tạo LCD In LCD ký tự bên dòng tương ứng Clear bit điều khiển ghi TMOD Timer0 Sau đặt Gate = 1, M0=1 Clear ghi TH0, TL0 Bỏ qua mức Bỏ qua mức Bắt đầu đếm gặp mức Dứng đếm gặp mức Lấy giá trị ∆T từ ghi TH0, TL0 Tính φ theo đơn vị độ, chỉnh lấy phần nguên yêu cầu ngưỡng độ Đổi radian tính cosφ Temp biến trung gian giúp lấy chữ số thập phân cosφ In cosφ dòng LCD theo dạng PF = x.xxxx In φ dòng LCD theo dạng phi = xx 16 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết Với yêu cầu tần số khoảng 100-200Hz, bọn em mặc định biết trước tần số sử dụng ln phần code Thay phải làm thêm phần đo chu kì lấn sang đề tài khác, tần số thay đổi ta thay đổi chu kì code Sau số kết mô thu phần mềm proteus với tần số 100Hz, tải RLC thay đổi Tải RLC: 2000Ω – 30H – 800nF φ = arctan = 83.25o Hình 4.15: Kết mơ (1) Tải RLC: 1000Ω – 15H – 200nF φ = arctan = 55.72o Hình 4.16: Kết mơ (2) Tải RL: 3500Ω – 1H φ = arctan = 10.18o 17 Hình 4.17: Kết mơ (3) 4.2 Đánh giá Kết mơ thu có sai số không lớn khoảng đến độ Tuy nhiên có số trường hợp hợp đo có kết không ổn định, sai số lớn Nguyên nhân kết đo phụ thuộc vào xung vuông từ đầu vào vào vi xử lý 4.3 Hướng phát triển Tìm cách cải thiện xung đầu vào ổn định, sai số Đo them tần số xung để sửa code thay đổi tần số 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình kỹ thuật đo (Tập – Đo điện)” - Nguyễn Ngọc Tân, Ngô Văn Ky “Slide Bài giảng Thiết kế thiết bị đo” - Nguyễn Thị Lan Hương https://www.youtube.com/user/thanhdangnguyen/videos https://www.youtube.com/watch?v=VWQFXExlEmc 19 ... khổ môn Thiết kế thiết bị đo này, giảng dạy hướng dẫn cô Nguyễn Thị Lan Hương chúng em xin trình bày đề tài đo cos phi, thiết kế mạch mô Chúng em xin cảm ơn cô – PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương môn... pháp đo hệ số cosφ 1.2.1 Đo hệ số cosφ thông qua điện áp 1.2.2 Đo hệ số cosφ ADE7753 1.2.3 Đo hệ số cosφ qua góc lệch pha .5 Lựa chọn phương pháp CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN... tải Yêu cầu :đo hệ số cosφ tải, ngưỡng độ 1.1.2 Mục đích phạm vi đề tài Tìm hiểu, nghiên cứu thiết kế mô mạch đo hệ số cosφ sử dụng linh kiện điện tử vi xử lí, khơng sử dụng dụng cụ đo trực tiếp