Thiết kế mạch đo điện áp xoay chiều hiển thị kết quả trên LED 7 đoạn

Chương 1. Tổng quan về mạch đo điện áp 1.1. Cơ sở chung Khi đo điện áp, vôn mét được nối song song với tải trong mạch đo. Khi sử dụng vôn mét để đo điện áp cần lưu ý các sai số sinh ra trong quá trình đo bao gồm: - Sai số do ảnh hưởng của vôn mét khi mắc vào mạch đo - Sai số do tần số.

Mục lục

Chương 1 Tổng quan về mạch đo điện áp 1.1 Cơ sở chung

Khi đo điện áp, vôn mét được nối song song với tải trong mạch đo Khi sử dụngvôn mét để đo điện áp cần lưu ý các sai số sinh ra trong quá trình đo bao gồm:

- Sai số do ảnh hưởng của vôn mét khi mắc vào mạch đo

- Sai số do tần số

Sai số của phép đo do ảnh hưởng của vôn mét lên mạch đo

Khi mắc vào mạch đo, vôn mét đã lấy một phần năng lượng của đối tượng đo nên

đã gây nên sai số

Khi chưa mắc Vôn mét vào điện áp rơi trên tải là:

t ng t

R R

E





với: Rng là điện trở trong của nguồn cấp cho tải

Lúc Vôn mét vào mạch, vôn mét sẽ đo điện áp rơi trên tải:

V V e

t

R R

ng t

R R

R R



.

; Rv là điện trở trong của vôn métVậy sai số của phép đo điện áp bằng Vôn mét là:

e V e

e t

V t u

R

R R R

R U

U U

R

R 

với:  là cấp chính xác của vôn mét

Nếu không thoả mãn yêu cầu này thì sai số hệ thống do vônmét gây ra

sẽ lớn hơn sai số của bản thân dụng cụ Lúc đó muốn kết quả đo chính xác,phải dùng công thức hiệu chỉnh:

Ut = (1 + u).Uv

Điều này rất quan trọng đối với phép đo điện áp của nguồn có điện trở trong lớn

Vì vậy trên các dụng cụ đo điện áp chính xác hoặc dụng cụ vạn năg thường ghigiá trị điện trở trong của nó

1.2 Vôn mét sử dụng vi xử lí

NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Để nâng cao các tính năng của vônmét chỉ thị số người ta sử dụng µP

Xét một vônmét có vi xử lý được thực hiện theo phương pháp thời gian xung,

có sơ đồ khối như hình :

Gồm các phần cơ bản:

- Bộ vào của vônmét: có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu vào Ux(t): có thể suy giảm

hay khuếch đại,biến áp xoay chiều thành một chiều

- Các đầu vào: đầu vào 2 của bộ đổi nối MUX (Multiplexcor): điện áp

cần đo được đưa đến đầu này; đầu vào 1 được nối với đất; đầu vào 3 đượcnối với một nguồn điện áp mẫu U0 có giá trị bằng Uxmax (điện áp cần đo cựcđại)

- Đầu ra của bộ đổi nối: được nối với đầu vào 1 của bộ so sánh

(Comparator) Việc đổi nối được thực hiện bởi hệ thống được xử lýthông qua bộ ghép nối (Interface) với thiết bị ngoài Tín hiệu từ đầu ra của

bộ tích phân được đưa đến đầu vào 2 của hệ so sánh

- Bộ tích phân: làm nhiệm vụ tạo tín hiệu răng cưa Nó được liên hệ

với bộ vi xử lý để cho phép trong bất kỳ thời điểm nào cũng có thể cho ra cácxung khởi đầu tạo xung răng cưa

Xung răng cưa sau bộ tích phân sẽ được so sánh với một trong 3 điện áp:điện áp “không”, điện áp cần đo Ux và điện áp chuẩn cực đại Uxmax (tùythuộc vào trạng thái của bộ đổi nối MUX đưa tín hiệu vào bộ so sánh) Khi có

sự cân bằng điện áp giữa hai đầu vào của bộ so sánh thì đầu ra xuất hiện xung.Xung này sẽ đưa đến mở khoá “timer” cho phép xung ở máy phát chuẩn điqua Bộ vi xử lý sẽ điều khiển đếm số xung chuẩn đó

Quá trình đo được minh họa như hình 5.27 khi có xung từ bộ vi xử lýphát lệnh “bắt đầu đo” (thời điểm t* ở hình 9.25), bộ vi xử lý cho ra tín hiệuthông qua bộ tích phân Bộ đổi nối MUX sẽ nối đầu vào 1 của bộ so sánh vớicửa vào 1 của nó (tức là nối đất) Như vậy khi đó điện thế của đầu vào

1 của hệ so sánh bằng “không” Bộ vi xử lý đợi khi bắt đầu xung răng cưa.Khi xung răng cưa bằng điện áp “không” sẽ có tín hiệu ở đầu ra so sánh Nhờ

có khoá timer tạo khoảng thời gian ∆t1 và bộ xử lý đo nó bằng cách đếm sốxung chuẩn trong khoảng thời gian đó là N1 Kết quả được ghi vào bộ nhớ của

hệ thống vi xử lý Sau đó theo lệnh của vi xử lý, đầu vào 2 của đổi nối đưatín hiệu cần đo Ux vào so sánh với tín hiệu răng cưa Tại thời điểm bằng nhau

hệ so sánh cho ra tín hiệu tạo khoảng thời gian ∆t2 và bộ vi xử lý đếm sốxung N2 mà xung chuẩn đi qua timer trong khoảng thời gian ∆t2 Kết quảcũng được nhớ lại

Tiếp theo vi xử lý nối đầu vào 1 của bộ so sánh với đầu vào 3 của bộ đổinối, tức điện áp mẫu U0, nó xác định giá trị lớn nhất của toàn thang đo Tạithời điểm bằng nhau với tín hiệu răng cưa của đầu ra của bộ so sánh xuấthiện xung và tạo ra khoảng thời gian ∆t3 và tương ứng bộ vi xử lý sẽ đếm số

xung N3 Kết quả sẽ được nhớ vào bộ nhớ.

1.3 Nguyên lí của mạch đo điện áp xoay chiều

Để đo điện áp xoay chiều ta cần phối hợp mạch chỉnh lưu với mạch đo điện ápmột chiều

Điện áp xoay chiều được chỉnh lưu thành điện áp một chiều qua mạch chỉnh lưu

sử dụng cầu chỉnh lưu

Điện áp sau chỉnh lưu được đưa qua mach phân áp để được điện áp tỉ lệ mongmuốn

Chương 2 Thiết kế phần cứng

Sơ đồ chức năng:

   

2.1 Khối công suất

Khối này dùng để cấp nguồn cho mạch đo

- Biến áp có điểm trung tính nhận điện áp xoay chiều

- Chỉnh lưu cầu diode đưa điên áp về 1 chiều

- IC 7805: ic ổn áp +5v

- IC 7905: ic ổn áp -5v

- C1,C2,C3,C4: tụ có điện dung cao để lọc nhiễu

2.2 Khối chia điện áp

Khối chia điện áp: điện áp xoay chiều sau khi được chỉnh lưu thành điện áp mộtchiều sẽ được đưa vào mạch chia áp 0 ~ 220V thành 0 ~ 4.3V

Khối

công suất Khuếch đạithuật toán ADC0804 AT89C51Vi xử lý

LED

2.3 Bộ chuyển đổi ADC:

a) Tổng quan về ADC0804:

Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 của hãngNationalSemiconductor Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất Chip cóđiện áp nuôi +5V và độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổicũng là một tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC Thời gian chuyển đổi đượcđịnh nghĩa là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một

số nhị phân Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng

hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN và không bé hơn 110s Các chân kháccủa ADC0804 có chức năng như sau:

- Chân CS (Chip select):Chân số 1, là chân chọn Chip, đầu vào tích cựcmức thấp được sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập ADC0804 thìchân này phải ở mức thấp

- Chân RD (Read):Chân số 2, là một tín hiệu vào, tích cực ở mức thấp Các

bộ chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân và giữ nó ở một thanh ghi trong

RD được sử dụng để có dữ liệu đã được chyển đổi tới đầu ra của ADC0804 Khi

CS = 0 nếu có một xung cao xuống thấp áp đến chân RD thì dữ liệu ra dạng số 8 bitđược đưa tới các chân dữ liệu (DB0 – DB7)

- Chân WR (Write): Chân số 3, đây là chân vào tích cực mức thấp được dùng

để báo cho ADC biết bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xungcao xuống thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương

tự Vin về số nhị phân 8 bit Lượng thời gian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụthuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN và CLK R Khi việc chuyển đổi dữ liệuđược hoàn tất thì chân INTR được ép xuống thấp bởi ADC804

- Chân CLK IN và chân CLK R:CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tớiđồng hồ ngoài được sử dụng để tạo thời gian.Tuy nhiên ADC0804 cũng có một bộtạo xung đồng hồ riêng Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK R(chân số 19) được nối với một tụ điện và một điện trở (như hình vẽ) Khi ấy tần sốđược xác định bằng biểu thức:

f RC

1 , 1

- Chân Vin(+) và Vin(-): Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương tự

vi sai, trong đó Vin = Vin(+) – Vin(-) Thông thường Vin(-) được nối tới đất vàVin(+) được dùng làm đầu vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số

- Chân Vcc: Chân số 20, là chân nguồn nuôi +5V Chân này còn được dùnglàm điện áp tham chiếu khi đầu vào Vref/2 để hở

- Chân Vref/2: Chân số 9, là chân điện áp đầu vào được dùng làm điện áp tham chiếu Nếu chân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dải 0

- +5V Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác với dải

0 - +5V Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0 - +5V

- Bảng quan hệ điện áp Vref/2 với Vin:

b) Tính toán linh kiện:

- Chân Vin(+) được nối với cầu phân áp tạo bởi R2 và R3, sao cho VDC = 0 220V tương ứng với Vin(+)

-Ta có điện áp đầu ra cần đo là: 220 V

Theo công thức:

buoc thuoc kich

3

) (

R R

R VDC

Nhưng thực tế, các giá trị điện trở đều có sai số nên ngõ vào của ADC0804 khôngnhư tính toán Sai số trên điện trở cộng với sai số trong quá trình tính toán chọn

linh kiện sẽ tạo ra sai số không nhỏ đối với ADC0804 Điều này sẽ tạo ra sai lệchgiữa giá trị hiển thị trên Led 7 đoạn và giá trị thực tế (ở đây là giá trị VDC thực tế).

- Tốc độ chuyển đổi ADC0804 (TC):

f

T

CLK C

1 66

8951 là IC vi điều khiển (Microcontroller) do hãng Intel sản xuất IC này cóđặc điểm như sau:

- 4k byte ROM,128 byte RAM

- 4 Port I/O 8 bit

- 2 bộ đếm/ định thời 16 bit

- Giao tiếp nối tiếp

- 64k byte không gian bộ nhớ chương trình mở rộng

- 64k byte không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng

- Một bộ xử lý luận lý (thao tác trên các bít đơn)

- 210 bit được địa chỉ hóa

- Bộ nhân / chia trong 4µs

-Tổ chức bộ nhớ RAM: Ram bên trong 8051 được phân chia như sau:

- Các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H đến 1Fh

- Ram địa chỉ hóa từng bit có địa chỉ từ 20H đến 2FH

- Ram đa dụng từ 30H đến 7FH

- Các thanh ghi chức năng đặc biệt từ 80H đến FFH

b) Tính toán linh kiện:

- Bộ phận dao động của vi xử lý được kết nối như hình dưới: IC 89C51 vớitần số làm việc là 12 MHz Chân 18, 19 của 89C51 được nối với thạch anh (cũng

có thể thay thế thạch anh bằng tín hiệu xung clock) 1 chu kỳ máy của 89C51 là1µs

s s

10 12



- Bộ phận Reset được kết nối như hình dưới: khi cấp nguồn, áp trên R2 (chân

9 của 89C51) lên mức cao 5V ( = VCC ) sau đó sẽ xuống 0V do tụ C nạp Nếu ấnnút Reset, thì áp trên R2 sẽ tăng gần bằng VCC nhờ cầu phân áp R1 và R2

c) Sơ đồ các chân của AT89C51

2.5 Led 7 vạch

Trong các thiết bị, để báo trạng thái hoạt động của thiết bị đó cho người sử dụng

với thông số chỉ là các dãy số đơn thuần, thường người ta sử dụng "led 7 đoạn".

Led 7 đoạn được sử dụng khi các dãy số không đòi hỏi quá phức tạp, chỉ cần hiệnthị số là đủ, chẳng hạn led 7 đoạn được dùng để hiển thị nhiệt độ phòng, trong cácđồng hồ treo tường bằng điện tử, hiển thị số lượng sản phẩm được kiểm tra sau mộtcông đoạn nào đó

Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình và có thêmmột led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải của led 7đoạn

8 led đơn trên led 7 đoạn có Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -) được nối chung vớinhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện 8 cực còn lại

trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng, cũng được đưa ra ngoài để kết nốivới mạch điện Nếu led 7 đoạn có Anode(cực +) chung, đầu chung này được nốivới +Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn,led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0 Nếu led 7 đoạn cóCathode(cực -) chung, đầu chung này được nối xuống Ground (hay Mass), các châncòn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tínhiệu đặt vào các chân này ở mức 1.

Vì led 7 đoạn chứa bên trong nó các led đơn, do đó khi kết nối cần đảm bảo dòngqua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led Nếu kết nối với nguồn5V có thể hạn dòng bằng điện trở 330Ω trước các chân nhận tín hiệu điều khiển

Sơ đồ vị trí các led được trình bày như hình dưới:

Các điện trở 330Ω là các điện trở bên ngoài được kết nối để giới hạn dòng điện qualed nếu led 7 đoạn được nối với nguồn 5V.

Chân nhận tín hiệu a điều khiển led a sáng tắt, ngõ vào b để điều khiển led b.Tương tự với các chân và các led còn lại

2.6 Kết nối với Vi điều khiển

Ngõ nhận tín hiệu điều khiển của led 7 đoạn có 8 đường, vì vậy có thể dùng 1 Portnào đó của Vi điều khiển để điều khiển led 7 đoạn Như vậy led 7 đoạn nhận một

dữ liệu 8 bit từ Vi điều khiển để điều khiển hoạt động sáng tắt của từng led đơntrong nó, dữ liệu được xuất ra điều khiển led 7 đoạn thường được gọi là "mã hiểnthị led 7 đoạn" Có hai kiểu mã hiển thị led 7 đoạn: mã dành cho led 7 đoạn cóAnode(cực +) chung và mã dành cho led 7 đoạn có Cathode(cực -) chung Chẳnghạn, để hiện thị số 1 cần làm cho các led ở vị trí b và c sáng, nếu sử dụng led 7đoạn có Anode chung thì phải đặt vào hai chân b và c điện áp là 0V(mức 0) cácchân còn lại được đặt điện áp là 5V(mức 1), nếu sử dụng led 7 đoạn có Cathode

chung thì điện áp(hay mức logic) hoàn toàn ngược lại, tức là phải đặt vào chân b

Chương 3 Thiết kế phần mềm 3.1 Thuật toán điều khiển

3.2 Code lệnh điều khiển

#include <sfr51.inc>

ORG 0000H

;bat dau chuyen doi ADC

x:

;hien thi gia tri hang tram

MOV B,#100; nap thanh ghi B voi gia tri 100

DIV AB; chia du lieu trong thanh ghi A cho 100

MOV DPTR,#MALED; nap dia chi maled vao thanh ghi DPTR

MOVC A,@A+DPTR; chuyen du trong thanh DPTR vao A

MOV P2,A; gui du lieu A nhan duoc den cong P2, hien thi hang tram

+ Không hiển thị được giá trị điện áp có phần nguyên và phần thập phân

+ Sai số của phép đo còn lớn, độ chính xác thấp, sai lệch tương đối lớn

+ Hiển thị một Led cần một cổng P riêng biệt do đó tốn tài nguyên của vi điềukhiển Hiệu quả không cao.

+ Khi đo các giá trị điện áp nhỏ thì khả năng đo của mạch không thực hiện được.

Tài liệu tham khảo:

1 Bài giảng kĩ thuật đo lường

2 Cấu trúc và tập lệnh họ vi điều khiển 8051 [ Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốcthắng]