Đối với điện áp DC , tín hiệu áp DC được đưa qua mạch khuyếch đại vi sai ( 1 :1 ) rồi chia áp xuống mức logic thích hợp trước khi đưa đến ngõ vào analog của ADC0809.
Để đo điện áp AC , ta chuyển đổi điện áp AC sang điện áp DC bằng 3 phương pháp sau :
Phương pháp chỉnh lưu dùng diod .
Phương pháp trị hiệu dụng thực .
Phương pháp trị đỉnh .
Trong đề án này , em dùng phương pháp trị đỉnh để đo điện áp AC . Tín hiệu áp AC sau khi qua mạch khuyếch đại vi sai (1 : 1) sẽ đến mạch nhân đơi điện áp . Mạch biến đổi trị số tín hiệu đo cĩ thành phần xoay chiều thành tín hiệu DC cĩ trị số bằng trị đỉnh. Tín hiệu này được qua cầu phân áp để cĩ mức logic thích hợp để đến ngõ vào analog của ADC0809.
Vì đo điện áp DC và AC đều dùng chung mạch khuyếch đại vi sai, nên em sử dụng rơ le để chuyển kênh mạch đệm cho thích hợp .
Vac C1 Vdc C2 D1 1 2 D2 1 2
2.Đo dịng điện :
Đo dịng DC :
Việc đo dịng điện được tiến hành bằng cách áp dụng định luật Ohm, trong đĩ ta đo sụt áp trên một điện trở do dịng điện đi qua gây nên.
Ta chuyển dịng điện đo thành điện áp đo bằng cách cho dịng điện đo qua điện trở shunt Rs , sau đĩ đưa qua mạch khuyếch đại vi sai để đo áp DC .
Phân tầm đo dịng điện bằng cách phân áp cho điện áp đo ( tầm đo càng lớn thì điện trở shunt càng giảm ) .
Đo dịng AC :
Ta chuyển dịng điện AC thành điện áp AC bằng điện trở shunt Rs , sau đĩ chuyển điện áp đo AC thành điện áp DC bằng những phương pháp đo điện áp AC (ở đây em dùng phương pháp trị đỉnh) . R R U R I out * * 2 1 = Mạch đo dịng điện:
Tầm đo thay đổi bằng cách thay đổi điện trở shunt. Trong mạch cứng, Rs cĩ 2 giá trị là 1Ω (với tầm đo nhỏ hơn 0.1A) và 10Ω (với tầm đo nhỏ hơn 10 mA) .
3. Đo điện dung :
Nguyên lý :
Tổng trở cuả điện dung Cx được xác định bởi vơn kế và ampe kế ( nếu sự hao mất do điện mơi của tụ điện khơng đáng kể ).
Z VI C1ω x cx= = Suy ra : Vω I = x C
Nguồn tín hiệu cung cấp cho mạch đo phải là tín hiệu hình sin cĩ độ méo dạng nhỏ hoạ tần được coi là khơng đáng kể ) . Biên độ và tần số của tín hiệu phải ổn định ( khơng thay đổi ) . Nếu hoạ tần của tín hiệu lớn thì sẽ tạo ra sai số đáng kể cho kết quả đo .
Trong trường hợp mạch đo dùng thêm Watt – kế, điện trở rỉ Rx của điện dung Cx được xác định bởi biểu thức sau .
Rx = P / I
SV : TRIỆU QUANG MINH Trang 57
I+ I- R1 - + U2 LM741 3 2 6 R2 R1 R2 R Vs C
Tổng trở của điện dung :
Z =V /I = Rx2 +(1/Cxω)2 Và điện dung cần đo : Cx =1/(ω Z2 −Rx2)
4.Đo điện cảm :
Nguyên lý :
Tổng trở của điện cảm Lx được xác định : Z =V /I = Rx2 +L2xω2 Và điện cảm Lx được xác định : 1 2 2
x
x Z R
L = −
ω
Z được xác định bởi vơn kế và ampe kế , Rx được xác định trước .
Trong luận văn, tổng trở Z được xác định bởi biểu thức theo điện áp nguồn 6V với tần số 50Hz và điện áp đo trên điện kháng :
Vs R L Vs R C Vdo Vs Vdo R Z − = * Giá trị gần đúng là : Z C ω 1 = và ω Z
L= , cĩ sai số theo điện trở rị Rx .
Trong mạch cứng, với R = 1K thì tầm đo của tụ điện C là : (2µ ; 100µ). và tầm đo của điện cảm là : (5H ; 200H).
5. Đo điện trở :
Cĩ nhiều cách đo điện trở :
− Đo điện trở bằng vơn kế và ampe kế , đây là cách xác định “ phần tử điện trở” đang hoạt động(“đo nĩng”) theo yêu cầu . Khi đĩ điện trở cần đo Rx được xác định :
I V Rx =
− Trong máy đo vạn năng , dùng ohm kế để đo điện trở thì trạng thái đo là phần tử điện trở đo (Rx) khơng cĩ năng lượng ( đo “nguội”) , mạch đo sẽ là nguồn năng lượng riêng .
Vs
L
Mạch thay đổi tầm đo gồm cĩ các điện trở chuẩn nối tiếp với Rx , tầm đo điện trở càng lớn thì điện trở chuẩn càng tăng .
Khi Rx = 0 Ω thì Vđo = 0 V . Khi Rx -> ∝Ω thì Vđo= Vng .
Trường hợp Rx bất kỳ với tầm đo tương ứng cĩ điện trở chuẩn R :
i x x ng do R R R V V + × = Vdo R1 Rx Vng 2 1 3 R2
Trong đề tài này , em dùng phương pháp đo “nguội” . Dùng mạch đo điện trở dạng nối tiếp cùng với nguồn năng lượng 12V , em chuyển đại lượng điện trở sang đại lượng điện áp sau đĩ phân tầm áp thành mức logic thích hợp để đưa đến ngõ vào analog của ADC0809 .
Với R1 = 1K, ta cĩ tầm đo R nhỏ hơn 10K. Với R2 = 10K, ta cĩ tầm đo R nhỏ hơn 100K.
Tầm đo được chọn bằng cách đĩng ngắt rơ le từ chân port 1.
II. ĐO TẦN SỐ, COS ϕ , CƠNG SUẤT : 1. Đo tần số :
Tín hiệu cần đo được đi qua mạch so sánh để lấy tín hiệu xung vuơng, và được chuyển xuống mức logic thích hợp ở chân P1.7. Ta lần lượt đo độ rộng xung T_on và T_off dựa vào timer 0, số liệu được truyền về máy tính để xử lý và hiển thị .
2. Đo cos ϕ :
Để đo hệ số cơng suất cosϕ, ta cần đo độ lệch pha giữa tín hiệu áp và dịng trên tải. Tín hiệu áp và dịng tải được đưa qua mạch so sánh để ta cĩ được tín hiệu xung vuơng. Tín hiệu xung áp được đưa đến chân P1.6 của AT89C51 với mức logic phù hợp, vi xử lý sẽ đo độ rộng xung áp và truyền về máy tính. Tín hiệu xung dịng được đưa qua cổng logic AND cùng với tín hiệu xung áp, khi đĩ ngõ ra ta sẽ cĩ tín hiệu xung lệch pha. Tín hiệu xung lệch pha được đưa đến chân P1.5 với mức logic phù hợp, vi xử lý sẽ đo độ rộng xung lệch pha và truyền vè máy tính. Để nhận biết sớm hay trễ pha, ta cần xét tín hiệu xung lệch pha cĩ cạnh lên cùng với cạnh lên xung áp hay cĩ trễ hơn, ta dùng cờ và truyền về máy tính. Máy tính sẽ lấy độ rộng xung áp trừ đi độ rộng xung lệch pha, ta cĩ được thời gian lệch pha. Giá trị cosϕ sẽ được máy tính xử lý và hiển thị cùng ghi chú sớm hay trễ pha.
Xung áp :
SV : TRIỆU QUANG MINH Trang 59
+5V P15 XAP XDO P16 U39A SN7408 1 2 3 14 7
Xung dịng : Xung lệch pha :
3.Đo cơng suất :
Để đo cơng suất, ta cần biết trước là tín hiệu xoay chiều hay một chiều. Khi đĩ máy tính sẽ báo cho vi xử lý để chọn kênh đo tương ứng.
o Đối với tín hiệu DC : vi xử lý sẽ lần lượt đọc giá trị áp và dịng DC sau khi qua mạch đo đến kênh tương ứng. Số liệu được truyền về máy tính và được xử lý để hiển thị :
P = U * I .
o Đối với tín hiệu AC : vi xử lý sẽ lần lượt đo độ rộng xung áp, độ rộng xung lệch pha và nhận biết sớm, trễ pha. Giá trị áp và dịng AC cũng được đọc về. Tất cả số liệu đều được truyền về máy tính để xử lý và hiển thị :
P = U*I*cosϕ . Q = U*I*sinϕ .
III. BỘ NGUỒN LẬP TRÌNH DAC :
Ngồi một số bộ nguồn cung cấp tín hiệu DC , AC cĩ biên độ ±12V được tạo sẵn trên mạch cứng dể cung cấp cho mạch thí nghiệm, em cịn thiết kế thêm bộ nguồn cĩ tần số được chọn từ máy tính.
Mạch cứng gồm 2 IC 8951 hoạt động độc lập, một để đọc các giá trị đo theo yêu cầu, một kết hợp DAC0808 tạo nguồn theo yêu cầu từ máy tính.
Tín hiệu tạo từ DAC cĩ biên độ từ 0V đến 5V được qua mạch khuyếch đại 2 lần sau đĩ được cộng với –5V, ta sẽ cĩ bộ nguồn AC hoặc Dc theo yêu cầu. Các tín hiệu nguồn cung cấp là sin, tam giac, xung vuơng cĩ biên độ ±5V với tần số thay đổi được, tín hiệu DC cĩ biên độ thay đổi.
B. GIỚI THIỆU CÁC IC TRÊN KIT :
1. µCAT89C51 :
Bộ xử lý chính là IC AT89C51 với tần số làm việc là 11.059 MHz. Chân 18, 19 của AT89C51 được nối với thạch anh (cũng cĩ thể thay thế thạch anh bằng tín hiệu xung clock), chân /EA được mắc lên mức cao. Boar mạch gồm 2 IC AT89C51, một cĩ nhiệm vụ nhận lệnh từ máy tính và thực hiện lệnh chọn kênh, đọc tín hiệu từ ADC rồi gửi về máy tính, cịn IC kia kết hợp DAC0808 tạo bộ nguồn theo yêu cầu máy tính. Vi xử lý làm việc truyền nhận dữ liệu với máy tính với tốc độ baud là 19200 .
2. Vi mạch MAX 232 :
Vi mạch này nhận mức RS 232 được gửi từ máy tính PC và biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu TTL, sau đĩ dẫn đến bộ vi xử lý AT89C51. Tín hiệu từ bộ vi xử lý đến Max 232 sẽ được biến đổi thành mức +12V/-12V và gửi tới máy tính PC. Theo cách này khoảng cách giữa máy tính và mơ đun cơ sở cĩ thể đạt đến trên 20m .
3. ADC0809 :
Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số này cĩ nhiệm vụ đọc tín hiệu analog ở ngõ vào được chọn bởi vi xử lý. Sau đĩ chuyển đổi thành tín hiệu số và xuất ra ngồi ở dạng song song 8 bit khi ngõ cho phép ra (OE) tích cực .
4. DAC0808 :
DAC0808 kết hợp với AT89C51 tạo nên bộ nguồn cĩ biên độ và tần số được điều khiển bằng máy tính. Các tín hiệu số 8 bit song song được xuất ra port 0 của AT8951 đi đến ngõ vào 8 bit của DAC0808 (từ D0 -> D7). Sau đĩ được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự ờ ngõ ra tương ứng với tín hiệu số ở ngõ vào .
5. LM741 và LF353 :
Đặc tính chế tạo, các trị số cực đại của LM741HC :
o Nguồn nuơi : ±18V
o Cơng suất tiêu tán bên trong : 500mW
o Chênh lệch áp ngõ vào : ±30V
o Nhiệt độ làm việc : 0-700C
Các thơng số cần thiết :
o Dịng phân cực ngõ vào : 800nA
SV : TRIỆU QUANG MINH Trang 61
MAX232 13 8 11 10 1 3 4 5 2 6 12 9 14 7 R1IN R2IN T1IN T2IN C+ C1- C2+ C2- V+ V- R1OUT R2OUT T1OUT T2OUT
o Tổng trở nhập : 0.3 – 2MΩ
o Tầm điện áp vào : ±13V, điển hình
o Hệ số loại trừ cách chung CMRR (RS ≤10K) : 90dB, điển hình
o Tổng trở ra : 75Ω
o Dịng ngõ ra ngắn mạch : 25mA
o Dịng cung cấp : 2.8mA, điển hình
o Độ lợi áp (RL ≥2K) và Vout =±10V : 15000
o Cơng suất tiêu thụ : 8.5mW, điển hình
IC LF353 : Là IC gồm 2 Op Amp đơn, sơ đồ chân như hình dưới :
LM741HC
LF353
Trong boar mạch, 2 loại IC này được sử dụng với chức năng so sánh (khi đo tần số), đệm phối hợp trở kháng và làm mạch khuyếch đại vi sai .
6. IC 74HC573 : Đệm dịng
Qio : Giữ nguyên trạng thái trước đĩ.
HiZ : Tổng trở cao (hở mạch).
IC cĩ nhiệm vụ đệm dịng cho port 1 của AT89C51 để kích BJT cho phép đĩng rơ le để chuyển mạch. Ngõ C được nối lên Vcc, ngõ OC được nối mass .
7. Rơ le :
Rơ le là khí cụ điện phát hiện mức năng lượng của mạch điện đầu vào và điều khiển sự chuyển mạch của mạch điện đầu ra .
Cĩ nhiều loại rơ le :
Rơ le điện từ ( rơ le tiếp điểm ) .
Rơ le mạch rắn (khơng tiếp điểm) .
Rơ le đặc biệt (rơ le bước) .
SV : TRIỆU QUANG MINH Trang 63
OCCQi 1 XHiZ 0 1 Di 0 0 Qio U 3 7 4 H C 5 7 3 1 1 12 3 4 5 6 7 8 9 1 9 1 8 1 7 1 6 1 5 1 4 1 3 1 2 O C C 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 D 8 D 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 Q 7 Q 8 Q
a. Rơ le điện từ cơ bản gồm lõi sắt và cuộn dây sẽ thành nam châm điện khi cĩ dịng qua .
b. Chức năng của rơ le điện từ :
o Khuyếch đại .
o Cho phép nối cuộn dây và tiếp điểm ở 2 mạch điện áp khác nhau . Ví dụ : đầu vào là áp một chiều _ đầu ra là áp xoay chiều và ngược lại .
o Nhân số mạch điện đầu ra (ví dụ : rơ le cực kép …).
o Dùng làm tác động logic (và, hoặc, khơng) .
Để mở rộng tầm các giá trị đo, trong đề tài này em đã sử dụng loại rơ le cực đơn, hành trình kép, ngắt mạch đơn, với điện áp chuyển mạch định mức là 12V. Mạch được thiết kế như hình vẽ dưới .
Cuộn dây được nối với nguồn 12V và transistor, trong đĩ transistor làm nhiệm vụ đĩng ngắt dịng từ nguồn qua cuộn dây. Transistor được kích dẫn bởi vi xử lý. Diod mắc ngược lên nguồn nhằm xả dịng về nguồn để dịng qua cuộn khơng thay đổi nhanh tránh quá áp khi transistor ngưng dẫn.
Khi transistor dẫn, cuộn dây trở thành nam châm điện hút lõi thép làm chuyển mạch :
+12V in1 in2 P1.0 out R Q1 1 2 3 D19 1 2 K1 RELAY SPDT 1 4 3 5 2 = 0
C. GIAO DIỆN TRÊN MÁY TÍNH VÀ SỬ DỤNG :
o Cĩ thể chọn giao tiếp nối tiếp bằng COM 1 hoặc COM 2 từ các option.
o Các đặc tính khung truyền cố định : 19200 baud, 0 bit chẵn lẻ, 8 bit dữ liệu, 1 bit dừng .
Phần cứng cĩ thiết kế một bộ nguồn lập trình bằng vi xử lý kết hợp với DAC0808, và được tuỳ chọn từ máy tính.
o Chọn nguồn DC, cĩ biên độ thay đổi từng mức từ –5V -> +5V.
o Chọn nguồn AC, cĩ tần số 50Hz, 100Hz, 200Hz với các dạng sĩng sin, tam giác, răng cưa, xung vuơng cĩ biên độ –5V, +5V.
Giá trị đo được hiển thị ở trên. Ta cĩ thể đo hoặc dừng đo bằng cách kích vào nút lệnh tương ứng.
o Tín hiệu đo là AC hoặc DC .
o Đại lượng cần đo được chọn : áp (V), dịng (A), điện trở ( R ), điện dung (C), điện cảm (L), cơng suất và hệ số cơng suất (P), tần số (f) .
o Để lấy số liệu báo cáo, trong khi đo ta kích vào nút “Nhận” để đưa số liệu vào danh sách.
o Dạng sĩng tín hiệu đo được vẽ ra trên giản đồ với tỷ lệ thời gian hoặc độ lớn áp trên 1 ơ tuỳ chọn.
Ta cĩ thể đo hoặc dừng khi kích trên cùng một nút lệnh.
Báo cáo gồm các giá trị đo được và dạng sĩng tín hiệu đo, và được in ra . Sau đây là một số ví dụ về kết quả đo được :
o Số liệu lấy về cĩ thể được chú thích thêm.
o Dạng sĩng cĩ thể thêm chú thích.
o Số liệu và dạng sĩng được xem thử trên một trang riêng bằng nút preview , và được in khi nhấn nút in.
D. LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH VI XỬ LÝ : I. LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT :
1. Chương trình chính :
SV : TRIỆU QUANG MINH Trang 71
Bắt đầu
Khởi động cổng nối tiếp làm việc ở chế độ UART 8 bit, 19200 baud : SCON #52H
TMOD #21H TH1 #-3
Đặt SMOD lên 1 . Khởi động timer 1 .
Đợi lệnh (ký tự) truyền từ máy tính .
Ký tự là “ V “ ? Ký tự là “ A “ ? Ký tự là “ R “ ? Ký tự là “ C “ ? Ký tự là “ L “ ? Ký tự là “ P “ ? Ký tự là “ F “ ? doV doA doR doCL doCL doP dof 1 Ký tự là “ S “ ? Dsong 1
o Lưu đồ đo cơng suất :
SV : TRIỆU QUANG MINH Trang 72
(B) = 1 doP Inchar (A) = ‘d’