thiết kế thiết bị đo dòng điện điện áp Đại học Bách Khoa Hà Nội. Thiết kế mạch đo dòng và áp Thang đo: Dòng điện 0200mA, 200400mA, 400600 mA; Thang đo áp: 010V, 0100V Ngành KT Điều khiển Tự động hóa Chuyên ngành Kỹ thuật Đo và Tin học Công nghiệp
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Thiết kế mạch đo dòng và áp Thang đo: Dòng điện 0-200mA, 200-400mA, 400-
600 mA;
Thang đo áp: 0-10V, 0-100V
Sinh viên thực hiện: Lê Di Đan 20173720
Nguyễn Tiến Hoàng 20173900
Đỗ Quốc Đáng 20173721
Ngành KT Điều khiển & Tự động hóa Chuyên ngành Kỹ thuật Đo và Tin học Công nghiệp
Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương
Bộ môn: Kỹ thuật Đo và Tin học Công nghiệp
HÀ NỘI 7/2021
Chữ ký của GVHD
Trang 2MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH 1
Lời mở đầu 2
Chương 1 Cơ sở lí thuyết 3
1.1 Phương pháp đo 3
1.2 Nguyên lí đo dòng điện và điện áp 3
1.2.1 Nguyên lí đo dòng điện 3
1.2.2 Nguyên lí đo điện áp 4
Chương 2 Phương pháp tính toán và xây dựng mạch 5
2.1 Sơ đồ khối 5
2.2 Lưu đồ thuật toán 6
2.3 Lựa chọn linh kiện 8
2.3.1 Khối chọn mode hoạt động 8
2.3.2 Khối tính toán, xử lí 9
2.3.3 Khối chọn thang cho và ADC 9
2.3.4 Khối hiển thị 10
2.3.5 Mạch nguồn 5V 11
2.3.6 Mạch nạp 11
2.3.7 Mạch reset 11
2.3.8 Khối bảo vệ quá áp 11
2.3.9 Khối bảo vệ quá dòng 12
2.4 Vẽ mạch nguyên lí trên proteus 13
2.5 Vẽ mặt máy trên Altium 13
Chương 3 Kết quả mô phỏng và đánh giá 14
3.1 Kết quả đo 14
3.2 Đánh giá 16
Chương 4 Kết luận 19
Tài liệu tham khảo 20
Trang 3DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1 Hệ số mở rộng thang đo
Hình 1-2 Các khoảng đo của Ampemet
Hình 1-3 Công thức tính điện trở Shunt
Hình 1-4 Mở rộng thang đo
Hình 2-1 Sơ đồ khối
Hình 2-2 Lưu đồ thuật toán
Hình 2-3 Khối chọn mode hoạt động
Hình 2-4 Khối tính toán, xử lí
Hình 2-5 Khối chọn thang đo và ADC
Hình 2-6 Khối hiển thị
Hình 2-7 Mạch nguồn 5V
Hình 2-8 Mạch nạp code cho 8051
Hình 2-9 Mạch Reset
Hình 2-10 Khối bảo vệ quá áp
Hình 2-11 Mạch nguyên lí trên proteus
Hình 2-13 Mặt máy trên Altium
Hình 3-1 Kết quả đo với điện áp 1.3V
Hình 3-2 Kết quả đo với điện áp 3.7V
Hình 3-3 Kết quả đo với điện áp 12V
Hình 3-4 Kết quả đo với điện áp 24V
Hình 3-5 Kết quả đo với dòng 10 mA
Hình 3-6 Kết quả đo với dòng 45 mA
Hình 3-7 Kết quả đo với dòng 205 mA
Hình 3-8 Kết quả đo với dòng 255 mA
Hình 3-9 Kết quả đo với dòng 400 mA
Hình 3-10 Kết quả đo với dòng 450 mA
Trang 4Lời mở đầu
Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành Kỹthuật Điện tử, đời sống xã hội ngày càng phát triển hơn dựa trên những ứng dụngcủa khoa học vào đời sống Vì vậy mà những công nghệ điện tử mang tính tựđộng ngày càng được ứng dụng rộng rãi Trong đó có sự đóng góp không nhỏcủa kỹ thuật vi điều khiển Các bộ vi điều khiển đang đựơc ứng dụng rộng rãi vàthâm nhập ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội Hầuhết là các thiết bị được điều khiển tự động từ các thiết bị văn phòng cho đến cácthiết bị trong gia đình đều dùng các bộ vi điều khiển nhằm đem lại sự tiện ghicho con người trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa
Điện áp và dòng điện là hai đại lượng rất quan trọng trong kĩ thuật Điện điện tử, muốn điều khiển một thiết bị hay một linh kiện điện tử nào đó ta phảiquan tâm đến điện áp, dòng điện để điều khiển nó đầu tiên Thị trường đã sảnxuất ra loại đồng hồ cơ, tuy có thể đo điện áp nhưng không thực sự chính xác, dovậy việc chế tạo ra một loại thiết bị đo có độ chính xác cao là rất cần thiết
Do đó nhóm chúng em đã chọn đề tài:” Thiết kế mạch đo dòng và ápvớiThang đo: Dòng điện 0-200mA,200-400mA, 400-600mA; Thang đo áp: 0-10V, 0-100V” Mục đích chính của đề tài là thiết kế được một bộ đo điện áp sửdụng 8051, có thể cho ra được kết quả hiển thị trực quan với độ chính xác cao Mặc dù cố gắng nhưng do còn thiếu kinh nghiệm nên trong bài viết khó tránhkhỏi sai sót, chúng em rất mong được sự hướng dẫn chỉ bảo thêm của cô
Nhóm sinh viên thực hiện
Trang 5Chương 1 Cơ sở lí thuyết 1.1 Phương pháp đo
Sử dụng ADC 8 bit
1.2 Nguyên lí đo dòng điện và điện áp
1.2.1 Nguyên lí đo dòng điện
•Yêu cầu phải có điện trở nhỏ, mắc nối tiếp với tải
• Khi dòng điện lớn hơn dòng định mức của cơ cấu phải mở rộng thang đo
• Hệ số mở rộng thang đo
Hình 1-1 Hệ số mở rộng thang đo
• Có nhiều khoảng đo
Hình 1-2 Các khoảng đo của Ampemet
Trang 6Hình 1-3 Công thức tính điện trở Shunt
1.2.2 Nguyên lí đo điện áp
Yêu cầu điện trở lớn và mắc song song với tải
Điện áp định mức của cơ cấu từ điện
Ucc = Icc.RCC
Icc: dòng điện định mức của cơ cấu
Rcc : điện trở của cơ cấu
Có thể dùng các điện trở chuyển mạch để mở rộng thang đo
Hình 1-4 Mở rộng thang đo
Trang 7Chương 2 Phương pháp tính toán và xây dựng mạch
2.1 Sơ đồ khối
Hình 2-5 Sơ đồ khối
Trang 82.2 Lưu đồ thuật toán
Hình 2-6 Lưu đồ thuật toán
Chi tiết tính toán cho dải đo 0 – 10V
Thực hiện phân áp đưa dải điện áp về dải 0 – 5V đầu vào ADC 8 bit
Trang 9N / 5 = a dư b Lưu giá trị của a vào 50H
2N5 = 5a+b5 .2=2a+ 2b5
2b
5 = m dư n ( ta bỏ qua giá trị của n lưu m vào 51H )
Lấy giá trị của a tại 50H cộng với m tại 50H ta thu được giá trị của 10U đo
Giá trị 10U đo được biểu diễn bởi 4 digit có dạng 0a1a2a3
Độ phân giải lấy đến 0,1V
Dải điện áp 0 – 100V
Ta thực hiện tương tự các bước như trên với U đo=319799N ≈ 2N5
Tuy nhiên kết quả đo được hiển thị bởi 4 digit với dạng a0a1a2,0 với độphân giải đến 1V
Dải điện dòng điện 0 – 200mA
Thực hiện biến đổi dòng – ap đưa về dải điện áp 0 – 10V sau đó đượcphân áp đưa về dải điện áp đầu vào ADC 0 – 5V
Theo sơ đồ mạch ta có: N= I đo R12R3
Trang 10 Lấy a từ ô nhớ 50H và m từ ô nhớ 51H ta được giá trị
Giá trị cái digit lần lượt được lưu trong các ô nhớ 40H, 41H, 42H và 43H
để thực hiện quét led 7 thanh trong chương trình ngắt
Giá trị đo thu được có độ phân giải tới 1mA
Dải đo 200 – 400mA và 400 – 600mA
Ta thực hiện tương tự cách tính đối với dải đo 0 – 200mA cho 2 dải đo
200 – 400mA và 400 – 600mA Tuy nhiên giá trị N không được lấy từ 0đến 255 mà ta thực hiện trừ đi giá trị offset do dải đo chỉ đo từ 200 và400mA
o Đối với dải đo 200 – 400mA
Giá trị cái digit lần lượt được lưu trong các ô nhớ 40H, 41H, 42H và 43H
để thực hiện quét led 7 thanh trong chương trình ngắt
2.3 Lựa chọn linh kiện
2.3.1 Khối chọn mode hoạt động
Sử dụng 3 nút bấm để chọn các mode hoạt động cho thiết bị đo
Trang 11Hình 2-7 Khối chọn mode hoạt động
2.3.2 Khối tính toán, xử lí
Sử dụng vi điều khiển 8051 để lập trình, tính toán các giá trị đầu vào vàđưa tín hiệu đầu ra vào khối hiển thị
Hình 2-8 Khối tính toán, xử lí
2.3.3 Khối chọn thang cho và ADC
Sử dụng 2 switch chuyển mạch để chọn thang đo điện áp và dòng điện
Trang 12Hình 2-9 Khối chọn thang đo và ADC
- SW1 là switch dùng cho thang đo điện áp Do thang đo điện áp là 0-10 V, 0-100 V vì vậy trước khi đi vào đầu vào của ADC chúng ta cần phân áp vìđiện áp đầu vào tối đa của ADC là 5V
Thang đo 0-200mA: R12 = : 0.210 = 50 Ω
Thang đo 200-400mA: R14 = : 0.410 = 25 Ω
Thang đo 400-600mA: R15 = : 0.610 = 16.6 Ω
Chọn giá trị điện trở trong thực tế như sau:
R12= 47 Ω ; R14= 24 Ω ; R15= 16 Ω
- Ngoài ra, R20 = 47k Ω có tác dụng bật tắt thang đo dòng Khi SW2 nối với R20 thì mạch coi như hở, thiết bị sẽ làm việc ở thang đo điện áp Khi SW2nối với R12, R14, R15 thì thiết bị sẽ làm việc ở thang đo dòng điện
ADC 8 bit: ADC0804
- Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 của hãng National Semiconductor Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất Chip
có điện áp nuôi +5V và độ phân giải 8 bit
- D0 – D7, chân số 18 – 11, là các chân ra dữ liệu số (D7 là bit cao nhất MSB
và D0 là bit thấp nhất LSB) Các chân này được đệm ba trạng thái và dữ liệu
đã được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD đưa xuốngmức thấp Để tính điện áp đầu ra ta tính theo công thức sau:
Dout = Kíchthước bước Vin
Trang 132.3.4 Khối hiển thị
Sử dụng 4 led 7 thanh để hiển thị giá trị dòng điện và điện áp đo được
Hình 2-10 Khối hiển thị
Trang 142.3.7 Mạch reset
Hình 2-13 Mạch Reset
2.3.8 Khối bảo vệ quá áp
Varistor là một linh kiện điện tử thường dùng trong các mạch bảo vệ quá
áp như chống cắm nhầm điện hoặc chống sét lan truyền cho các thiết bị điện tử Các varistor thường được ký hiệu trên mạch điện là RV, MOV , RDV, VR
Hình 2-14 Khối bảo vệ quá áp
Varistor được mắc song song với mạch điện cần bảo vệ và nối với hai cựcnguồn nuôi thông qua một cầu chì Khi ở mức điện áp cho phép thì varistor cómột trở kháng vô cùng lớn hàng Mega ôm , có thể nói là cách điện hoàn toàn.Khi điện áp dâng cao thì đặc tính của varistor là sẽ dẫn điện hoàn toàn khi điện
áp nguồn vào cao hơn giá trị sản xuất của nó , lúc đó dòng điện sẽ không đi quamạch điện mà đi qua varistor làm ngắn mạch và cầu chì sẽ bị đứt Khi cầu chìđứt thì mạch điện sẽ không bị ảnh hưởng của nguồn điện và nhớ đó được bảo vệ
an toàn khi áp dâng cao Muốn khôi phục lại mạch điện chỉ cần thay lại cầu chì
và Varistor mới
2.3.9 Khối bảo vệ quá dòng
Sử dụng cầu chì sứ 1A 5x20mm
Trang 15 Chức năng: bảo vệ thiết bị khi dòng điện lên mức quá tải có thể xảy ra tình trạng hỏng, cháy nổ.
2.4 Vẽ mạch nguyên lí trên proteus
Hình 2-15 Mạch nguyên lí trên proteus
2.5 Vẽ mặt máy trên Altium
Trang 16Hình 2-13 Mặt máy trên Altium
Chương 3 Kết quả mô phỏng và đánh giá 3.1 Kết quả đo
Đo điện áp dải 0 – 10V
Hình 3-16 Kết quả đo với điện áp 1.3V
Hình 3-17 Kết quả đo với điện áp 3.7V
Trang 17 Đo điện áp dải 0 – 100V
Hình 3-18 Kết quả đo với điện áp 12V
Hình 3-19 Kết quả đo với điện áp 24V
Dải 0 – 200mA
Hình 3-20 Kết quả đo với dòng 10 mA
Hình 3-21 Kết quả đo với dòng 45 mA
Trang 18 Dải 200 – 400 mA
Hình 3-22 Kết quả đo với dòng 205 mA
Hình 3-23 Kết quả đo với dòng 255 mA
Dải 400 – 600mA
Hình 3-24 Kết quả đo với dòng 400 mA
Hình 3-25 Kết quả đo với dòng 450 mA
3.2 Đánh giá
Trang 19 Đo điện áp dải 0 – 10V
Trang 21Chương 4 Kết luận
Mạch đo thực hiện tốt, sai số nhỏ.Sơ đồ mặt máy đầy đủ các khối chứcnăng của một thiết bị đo Qua đó, nhóm chúng em đã rút ra được những bài học,kinh nghiệm trong việc thiết kế các thiết bị đo các đại lượng sao cho đúng vàhiệu quả với yêu cầu bài toán đề ra Mặc dù cố gắng nhưng do còn thiếu kinhnghiệm nên trong bài viết khó tránh khỏi sai sót, chúng em rất mong được sựhướng dẫn chỉ bảo thêm của cô!
Trang 22Tài liệu tham khảo
[1] PGS TS Nguyễn Thị Lan Hương, Slide bài giảng Thiết kế thiết bị PGS TS Nguyễn Thị Lan Hương
https://www.bachkhoadientu.com/2017/08/varistor-la-gi-tu-chong-set-hay-tu-bao-ve-qua-ap.html