Một thiết bị đồng hồ đa năng có thể đo được điện áp, dòng điện, công suất, năng lượng tiêu thụ, tần số và hệ sốcông suất là một giải pháp hữu ích cho các hệ thống điện dân dụng và công n
TỔNG QUAN CHUNG
Đặt vấn đề
Hiện nay, thị trường có nhiều thiết bị đo lường điện năng, nhưng chúng thường đắt đỏ hoặc không linh hoạt cho các ứng dụng giám sát và nghiên cứu Một giải pháp hiệu quả cho các hệ thống điện dân dụng và công nghiệp quy mô nhỏ là sử dụng đồng hồ đa năng, có khả năng đo điện áp, dòng điện, công suất, năng lượng tiêu thụ, tần số và hệ số công suất.
Việc sử dụng đồng hồ đa năng để đo các thông số mạch điện thay thế cho đồng hồ đo truyền thống đang trở thành một nhu cầu thiết yếu trong xã hội Do đó, nghiên cứu và thiết kế “đồng hồ đa năng đo các thông số mạch điện 1 pha” đã được triển khai Thiết bị này có kích thước nhỏ gọn, an toàn, dễ sử dụng, đảm bảo độ chính xác cao với mức giá hợp lý.
Cơ sở lý thuyết chung
1.2.1 Khái quát chung về đồng hồ đa năng đo các thông số mạch điện 1 pha Đồng hồ đa năng đo các thông số mạch điện 1 pha (hay còn gọi là đồng hồ đo điện đa năng 1 pha) là một thiết bị điện tử có khả năng đo lường và hiển thị nhiều đại lượng điện quan trọng trong hệ thống điện xoay chiều một pha Đây là công cụ quan trọng trong việc giám sát hoạt động của mạng điện nhằm đảm bảo tính ổn định, an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.
Thông thường, một đồng hồ đo đa năng sẽ có khả năng đo và hiển thị các thông số sau:
Điện áp (V): Hiệu điện thế giữa dây pha và dây trung tính.
Dòng điện (A): Cường độ dòng điện chạy trong mạch.
Công suất tiêu thụ (W): Bao gồm công suất tác dụng, phản kháng, và biểu kiến.
Điện năng tiêu thụ (kWh): Tổng năng lượng mà thiết bị tiêu thụ trong một khoảng thời gian.
Tần số (Hz): Số chu kỳ dao động của dòng điện trong một giây.
Hệ số công suất (cosφ): So sánh độ lệch pha giữa U và I
Công suất phản kháng (Q) là thành phần quan trọng trong công suất của mạch điện xoay chiều, thể hiện năng lượng được trao đổi giữa nguồn và các phần tử như cuộn cảm và tụ điện.
Công suất biểu kiến (S) là công suất tổng hợp, đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế thiết bị điện Bên cạnh đó, nhiều loại đồng hồ hiện đại còn được trang bị thêm các tính năng thông minh.
Cảnh báo quá dòng/quá áp
Kết nối truyền thông (RS-485, Wi-Fi, Bluetooth ) Đồng hồ đo đa năng 1 pha được ứng dụng rộng rãi trong:
Tủ điện công nghiệp, dân dụng
Giám sát tiêu thụ điện năng trong hộ gia đình, nhà xưởng
Hệ thống điện mặt trời hòa lưới
Bảo trì và kiểm tra hệ thống điện
Với sự tiến bộ của công nghệ vi điều khiển và cảm biến, đồng hồ đa năng hiện nay có kích thước nhỏ gọn, giá thành hợp lý, khả năng đo lường chính xác và dễ dàng tích hợp vào các hệ thống tự động hóa.
1.2.2 Giới thiệu về một số đồng hồ đa năng
Đồng hồ đo điện đa năng Selec MFM384-C 96x96mm được trang bị 6 nút ấn, giúp người vận hành dễ dàng kiểm tra các thông số mạng điện Mỗi nút có chức năng riêng biệt, hỗ trợ tối đa trong việc theo dõi và quản lý điện năng.
- Nút V (Volt): Khi ấn nút này, người vận hành sẽ thu được thông số về điện áp của 3 pha.
- Nút I (Ampe): Ấn nút này người vận hành sẽ thu được dòng điện của 3 pha
Nút VAF (Volt, Ampe, Frequence) cho phép người vận hành thu thập đồng thời ba thông số quan trọng: điện áp, dòng điện của từng pha và tần số.
- Nút PF (Power Factor): Ấn nút này người vận hành sẽ thu được hệ số công suất của 3 pha
- Nút P (Power): Ấn nút này người vận hành thu được giá trị công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến của 3 pha.
- Nút E (Energy): Ấn nút này người vận hành thu được giá trị năng lượng (điện năng) tác
Đồng hồ đo Selec MX300
Đồng hồ đo MX300 của hãng Selec là thiết bị đa chức năng, cho phép đo các thông số điện như dòng điện, điện áp, công suất, tần số, hệ số công suất và năng lượng tiêu thụ Sản phẩm này phù hợp cho các ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp, dân dụng và thương mại Với màn hình LCD rộng, MX300 hiển thị đầy đủ thông tin dễ đọc và có khả năng lưu trữ dữ liệu, giúp người dùng xem lại các thông số đo trong một khoảng thời gian nhất định Tính năng cảnh báo của đồng hồ cũng hỗ trợ người sử dụng phát hiện kịp thời các vấn đề trong hệ thống điện.
Đồng hồ đo đa chức năng Selec MX300 với màn hình LED có khả năng cài đặt và điều chỉnh dễ dàng thông qua các phím bấm hoặc phần mềm Selec trên máy tính Thiết bị này cũng hỗ trợ kết nối với nhiều thiết bị khác thông qua các cổng giao tiếp như RS485, Modbus RTU, Profibus DP, DeviceNet, CANopen, EtherCAT, PROFINET IO và Ethernet/IP.
Đo đa thông số: Có khả năng đo đồng thời điện áp, dòng điện, công suất, tần số và hệ số công suất.
Hỗ trợ nhiều cấu hình mạng: 1 pha, 3 pha 3 dây và 3 pha 4 dây.
Cảnh báo rơ-le (tuỳ chọn): Có thể tích hợp ngõ ra cảnh báo để kích hoạt thiết bị bảo vệ khi xảy ra sự cố điện.
Truyền thông RS485 (tuỳ chọn): Hỗ trợ giao thức Modbus RTU để kết nối với các hệ thống SCADA/BMS (tuỳ phiên bản).
Hiển thị rõ ràng: Màn hình LED sáng, dễ đọc trong điều kiện ánh sáng mạnh hoặc trong tủ kín.
Thông số kỹ thuật chính
1 pha / 3 pha (3 dây hoặc 4 dây)
Thông số đo được Điện áp (V), dòng điện (A), tần số (Hz), hệ số công suất (Pf), công suất (kW/kVA/kVAr)
Hiển thị LED 3 hàng (4 chữ số mỗi hàng), độ sáng cao, dễ quan sát
Qua biến dòng (CT) sơ cấp lập trình được (thường từ
5A đến 10.000A) Độ chính xác ±0.5% đối với điện áp, dòng điện; ±1% cho công suất và năng lượng
Kiểu lắp đặt Gắn mặt tủ (Panel Mount)
Bảng 1 1Thông số kỹ thuật chính của đồng hồ đo đa chức năng Selec MX300
1.2.3 Tiến hành thiết kế đo lường Để thiết kế một thiết bị đo lường đa năng cho mạch điện 1 pha, cần nắm rõ nguyên lý và phương pháp đo lường các thông số điện cơ bản, bao gồm: điện áp, dòng điện, công suất, năng lượng, tần số và hệ số công suất Dưới đây là cơ sở lý thuyết liên quan đến từng thông số:
Mạch điện xoay chiều 1 pha
Mạch điện 1 pha sử dụng điện áp xoay chiều với hai dây dẫn: dây pha (L) và dây trung tính (N), thường cung cấp điện áp 220V – 50Hz tại Việt Nam Sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch 1 pha có thể ảnh hưởng đến công suất truyền tải và gây tổn hao năng lượng.
Điện áp là hiệu điện thế giữa hai điểm trong hệ thống đo lường Để đảm bảo an toàn khi đo điện áp cao phù hợp với ADC (0-5V hoặc 0-3.3V), cần sử dụng mạch chia áp, thường kèm theo diode Zener và tụ lọc nhiễu.
Vin: điện áp đầu vào (220V AC)
R1,R2: điện trở trong mạch chia áp
Dòng điện trong mạch được đo bằng các cảm biến dòng:
ACS712: cảm biến hiệu ứng Hall, đo được dòng 0-20A (AC hoặc DC)
SCT-013-000: biến dòng (current transformer), cho điện áp tỉ lệ với dòng
Việc sử dụng cảm biến dòng giúp cách ly mạch điện áp cao khỏi vi điều khiển, đồng thời đo được giá trị dòng tức thời.
Công suất thực trong mạch xoay chiều được tính bằng tích tức thời của điện áp và dòng điện:
Giá trị trung bình trên một chu kỳ cho công suất thực:
Nếu chỉ đo giá trị RMS, có thể ước lượng:
Năng lượng tiêu thụ (Energy)
Năng lượng tiêu thụ được tính bằng tích của công suất và thời gian sử dụng:
Vi điều khiển sẽ tích lũy năng lượng theo từng khoảng thời gian bằng cách:
Kết quả thường được hiển thị theo đơn vị Wh (watt-hour) hoặc kWh.
Hệ số công suất (Power Factor - PF)
Hệ số công suất là tỷ lệ giữa công suất thực và công suất biểu kiến, đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp Hệ số công suất thấp có thể dẫn đến tổn thất năng lượng, và nó phản ánh góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện Hệ số này có thể được tính toán bằng nhiều phương pháp khác nhau.
So sánh thời điểm đỉnh tín hiệu V và I (qua zero-cross detection)
Tính toán qua FFT hoặc phân tích pha mẫu ADC
Tần số là số chu kỳ dao động trong một giây, và trong điện xoay chiều, tần số là thông số cơ bản, thường là 50Hz tại Việt Nam Tần số có thể được đo bằng cách đếm số lần tín hiệu vượt qua mức zero trong một khoảng thời gian nhất định.
T: chu kỳ đo được của tín hiệu
Công suất phản kháng (Reactive Power - Q)
Công suất phản kháng là phần công suất không thực hiện công, mà chỉ trao đổi giữa nguồn và tải cảm hoặc tải dung, dẫn đến dòng điện không cần thiết trong hệ thống.
Công suất biểu kiến (Apparent Power - S)
Là tổng công suất truyền từ nguồn đến tải, bao gồm cả phần thực và phản kháng:
Vi điều khiển là trung tâm xử lý tín hiệu đo từ cảm biến và tính toán các thông số điện Một số yêu cầu:
Tốc độ đủ nhanh (ít nhất 16 MHz)
Có khả năng giao tiếp I2C/SPI để điều khiển màn hình hiển thị
Các loại LCD thông dụng:
LCD 16x2: hiển thị được 2 dòng thông tin đơn giản
OLED 0.96”: độ phân giải cao, giao tiếp I2C
TFT LCD: dùng khi cần giao diện đẹp hoặc cảm ứng
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG
Sơ đồ khối của hệ thống
Bộ Điều khiển
AT89S52 là vi điều khiển 8-bit thuộc dòng 8051, do Atmel (nay là Microchip Technology) sản xuất Với tính ổn định, chi phí thấp và khả năng lập trình dễ dàng, AT89S52 rất phù hợp cho các ứng dụng điều khiển tự động, nhúng, giám sát đơn giản và giáo dục.
Hình 2 2 Vi Điều Khiển AT89S52 24PU DIP40 (8051) 89S52
Năm 1980, Intel giới thiệu dòng vi điều khiển 8051 đầu tiên, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực điều khiển nhúng Sản phẩm này nổi bật với khả năng tích hợp CPU, RAM, ROM và các cổng I/O trên một chip duy nhất.
Trong những năm 1990, các công ty thứ ba như Atmel, Philips và Silicon Labs đã phát triển nhiều biến thể tương thích với vi điều khiển 8051 Atmel đã giới thiệu dòng sản phẩm AT89C51 sử dụng ROM EEPROM, tiếp theo là phiên bản nâng cấp AT89S52 với bộ nhớ Flash và tính năng nạp trong mạch (ISP - In-System Programming).
Mặc dù có nhiều dòng vi điều khiển mạnh mẽ hơn như AVR, PIC, ARM, AT89S52 vẫn được ưa chuộng trong đào tạo và các ứng dụng đơn giản nhờ vào tính dễ tiếp cận và tài liệu phong phú.
2.2.3 Khái niệm và chức năng chính
AT89S52 là vi điều khiển 8-bit tích hợp nhiều chức năng như bộ xử lý, bộ nhớ, cổng giao tiếp, và các ngoại vi như Timer, UART, và ngắt ngoài, cho phép hoạt động độc lập trong việc điều khiển hoặc giám sát các thiết bị khác.
Thực thi chương trình điều khiển được lập trình sẵn (trong bộ nhớ Flash).
Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi (I/O, cảm biến, module khác).
Xử lý tín hiệu số, điều khiển thời gian thực nhờ bộ định thời (Timer), ngắt (Interrupt), UART,
Điều khiển các thiết bị điện như LED, motor, relay,
Hình 2 3 Sơ đồ chân của AT89S52
Chi tiết cấu hình chân được đề cập dưới đây:
32-39 Port 0 8 chân Địa chỉ và Dữ liệu / GPIO
18 XTAL2 Chân đầu ra của bộ tạo dao động bên ngoài
19 XTAL1 Chân đầu vào bộ tạo dao động bên ngoài
31 EA / VPP Kích hoạt truy xuất bên ngoài / chân cấp nguồn kích hoạt
Chân chốt địa chỉ / Chân lập trình flash
29 PSEN Chân cho phép lưu chương trình
Bảng 2 1 Cấu hình chân và chức năng của các chân
4 Các tính năng và thông số kỹ thuật của AT89S52
Các tính năng và ngoại vi Khả dụng Kiến trúc vi xử lý PIC 8 bit
Bộ nhớ chương trình 8 KBytes
Bộ tạo dao động bên trong Không
Số lượng chân I / O có thể lập trình 32
Bộ hẹn giờ Watchdog Không
Tần số dao động bên ngoài 23 MHz (tối đa) Độ phân giải của PWM Không
Số bộ hẹn giờ 16 bit 3
Loại bộ nhớ chương trình Flash
Cặp con trỏ dữ liệu Có Điện áp hoạt động 4V - 5,5 V
Bảng 2 2 Tính năng và thông số kỹ thuật của AT89S5
Một số tính năng chi tiết nổi bật được liệt kê dưới đây:
Là bộ vi điều khiển công nghệ CMOS hiệu suất cao tích hợp công nghệ Flash
Hoạt động ở dải điện áp rộng 4 - 5.5V, vì vậy nó là một IC công suất thấp.
Thiết bị hỗ trợ lập trình bên trong ở cả chế độ page và byte của bộ nhớ Flash.
Tần số hoạt động lên đến 33MHz nhưng có thể thay đổi để tiết kiệm năng lượng.
Module có thời gian lập trình nhanh với 10.000 chu kỳ đọc / ghi.
Giao tiếp nối tiếp thông qua module UART song công.
Nó có một chân reset, ba bộ định thời 16 bit và tám bộ ngắt.
AT89S52 có hai chế độ nguồn: chế độ nhàn rỗi, trong đó thiết bị xử lý ngừng hoạt động nhưng các ngoại vi vẫn tiếp tục hoạt động, và chế độ tắt nguồn, trong đó bộ dao động và các chức năng khác sẽ tạm dừng, đồng thời lưu trữ nội dung RAM.
Bộ đếm thời gian Watchdog có chức năng khởi động thiết bị từ chế độ ngủ, đồng thời cho phép người dùng kích hoạt hoặc hủy kích hoạt thông qua lập trình.
Hình bên dưới là sơ đồ kết nối để lập trình bộ điều khiển AT89S52:
Hình 2 4 Sơ đồ kết nối lập trình AT89S52
Các đầu vào của hệ thống
ADE7753 là vi mạch đo năng lượng chuyên dụng do Analog Devices sản xuất, được thiết kế để đo lường năng lượng tiêu thụ trong hệ thống điện xoay chiều một pha.
IC này chuyển đổi tín hiệu dòng và áp suất từ các cảm biến, đồng thời thực hiện các phép tính nội bộ để cung cấp các giá trị cần thiết.
Năng lượng tiêu thụ (Wh),
Hệ số công suất (PF),
Tần số lưới điện (Hz),
Và các cảnh báo như quá áp, quá dòng.
Hình 2 5 Linh kiện điện tử ADE7753ARSZ
Sơ đồ chân ADE7753ARSZ
Hình 2 6 Sơ đồ chân ADE7753ARSZ
Các chức năng của chân trong ADE7753ARSZ:
Nhóm nguồn và tham chiếu:
RESET (chân 1): Dùng để khởi động lại IC, kích hoạt bằng mức thấp.
DVDD (chân 2): Nguồn cấp cho khối digital (thường là 3.3V hoặc 5V).
AVDD (chân 3): Nguồn cấp cho khối analog (cần nguồn ổn định, ít nhiễu).
AGND (chân 8): Mass cho phần analog.
DGND (chân 10): Mass cho phần digital.
REFIN/OUT (chân 9): Chân tham chiếu điện áp cho ADC; có thể dùng điện áp nội hoặc gắn nguồn ngoài chính xác.
Nhóm đầu vào tín hiệu:
V1P, V1N (chân 4, 5): Cặp vi sai kênh 1 – thường dùng để đo tín hiệu dòng từ CT hoặc shunt resistor.
V2P, V2N (chân 7, 6): Cặp vi sai kênh 2 – thường dùng để đo tín hiệu điện áp sau mạch chia áp.
CS (chân 17): Chip Select – mức thấp để chọn IC khi giao tiếp SPI.
SCLK (chân 18): Xung clock SPI – do vi điều khiển tạo.
DOUT (chân 19): Dữ liệu từ ADE7753 gửi đến vi điều khiển.
DIN (chân 20): Dữ liệu từ vi điều khiển gửi đến ADE7753.
CLKIN (chân 15): Clock đầu vào – có thể gắn thạch anh 3.579 MHz hoặc xung ngoài.
CLKOUT (chân 16): Xuất clock nội của IC – có thể dùng chia sẻ cho vi điều khiển hoặc hệ thống khác.
Nhóm tín hiệu cảnh báo và chức năng phụ:
IRQ (chân 14): Ngắt – bật mức thấp khi có sự kiện như quá dòng, lỗi ADC
SAG (chân 13): Báo sụt áp – dùng để phát hiện điện áp thấp bất thường.
ZX (chân 12): Phát hiện điểm zero-cross của tín hiệu điện áp – dùng để đồng bộ pha, đo tần số.
CF (chân 11): Chân xuất xung tỷ lệ với công suất – thường dùng để hiệu chuẩn hoặc đo năng lượng.
Đặc điểm chính của ADE7753:
Chuyên dùng để đo điện năng 1 pha, thích hợp cho đồng hồ điện tử, công tơ thông minh.
Tích hợp 2 bộ ADC 16-bit cho phép đo điện áp và dòng điện đồng thời, với độ chính xác cao.
Tính toán trực tiếp công suất thực (P), công suất biểu kiến (S), năng lượng tiêu thụ (Wh), dòng RMS, áp RMS.
Hỗ trợ đo công suất phản kháng (Q) và tính năng hiệu chuẩn phần cứng lẫn phần mềm.
Giao tiếp bằng SPI, dễ dàng kết nối với vi điều khiển như Arduino, STM32,
Có các ngõ ra xung CF, ZX, IRQ để hỗ trợ phát hiện sự kiện, tạo xung đo năng lượng, phát hiện zero-cross
Phát hiện lỗi như sụt áp (SAG), mất pha, dòng bất thường, hỗ trợ cảnh báo và bảo vệ tải.
Tích hợp mạch lấy mẫu điện áp và dòng cách ly, giúp bảo đảm an toàn điện cho hệ thống đo lường.
Sử dụng nguồn điện kép: analog (AVDD) và digital (DVDD) giúp tách biệt xử lý tín hiệu và truyền thông.
Tích hợp bộ tạo xung (clock nội) hoặc hỗ trợ dùng thạch anh ngoài để tăng độ linh hoạt trong thiết kế.
ADE7753 nhận tín hiệu dòng điện từ cảm biến CT (Current Transformer) hoặc shunt resistor, và tín hiệu điện áp từ mạch chia áp.
Các tín hiệu này được khuếch đại, đưa vào bộ ADC 16-bit tích hợp trong chip.
IC xử lý số liệu nội bộ, tính toán các đại lượng điện như:
Dữ liệu kết quả được lưu trữ trong các thanh ghi, có thể đọc qua giao tiếp SPI bởi vi điều khiển (như Arduino, ESP32).
Sơ đồ khối chức năng chính
Các khối chức năng bên trong ADE7753 bao gồm:
ADC 16-bit cho tín hiệu dòng và áp.
DSP (Digital Signal Processor) để tính toán công suất, năng lượng.
Bộ phát hiện lỗi (interrupt logic) cho các cảnh báo như quá dòng, không tải.
SPI interface để giao tiếp với vi điều khiển.
Tập các thanh ghi (register) chứa dữ liệu đo, hệ số hiệu chỉnh, cấu hình.
2.3.2 Đầu vào điện áp xoay chiều (AC ~220V)
Là nguồn điện xoay chiều 1 pha từ lưới điện dân dụng.
Được cấp trực tiếp cho tải và đồng thời được chia một nhánh để đo điện áp.
2.3.3 Biến dòng (Current Transformer - CT)
Biến dòng (CT) là thiết bị đo lường dòng điện, thường được sử dụng để theo dõi dòng điện từ nguồn cấp đến tải CT dòng có mặt trong tất cả các tủ điện, giúp giám sát dòng điện cung cấp cho từng thiết bị.
Hình 2 7 Cấu tạo cơ bản của máy biến dòng
Biến dòng bao gồm các thành phần chính sau:
- Primary current: Dòng điện sơ cấp.
- Secondary Winding: Cuộn dây thứ cấp.
- Ammeter: Đồng hồ đo dòng.
Nguyên lý hoạt động và thông số cơ bản: a Nguyên lý hoạt động
Biến dòng hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, khi dòng điện xoay chiều chạy qua dây dẫn, nó tạo ra một điện trường xung quanh Điện trường này sẽ cảm ứng lên cuộn dây, dẫn đến sự xuất hiện của dòng điện trong cuộn dây đó.
Tỷ lệ dòng điện này được căn cứ vào số vòng dây được cuốn trong cuộn dây biến dòng.
Hình 2 8 Nguyên lý hoạt động của biến dòng
Biến dòng có 2 chế độ làm việc cơ bản: Chế độ hở mạch và chế độ ngắn mạch.
Chế độ hở mạch thứ cấp gây ra điện áp cảm ứng cao, tiềm ẩn nguy hiểm cho con người và thiết bị Để ngăn chặn hiện tượng bão hòa trong mạch từ, biến dòng tuyến tính, hay biến dòng có khe hở không khí, đã được phát triển.
Chế độ ngắn mạch của dòng sơ cấp liên quan đến tỷ số giữa dòng ngắn mạch sơ cấp và dòng định mức, được gọi là bội số dòng của máy biến dòng Khi bội số này cao, sai số của CT sẽ tăng và còn phụ thuộc vào dòng thứ cấp hoặc tải Đối với mạch bảo vệ, bội số dòng điện của CT cần đạt giá trị để đảm bảo sai số dưới 10%.
Biến dòng có tỷ số dòng điện tỷ lệ nghịch với số vòng dây quấn, do đó, tỷ số biến dòng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi số vòng dây quấn ở cả phía sơ cấp và thứ cấp.
Thông số cơ bản của biến dòng
Hiện nay, hầu như các biến dòng đều có tiêu chuẩn là 5 ampe (5A) và 1 ampe (1A) , Chúng ta thường bắt gặp các thông số này trên CT: 100/5A, 100/1A hay 500/5A.
Thông số 100/5A chỉ ra rằng khi 100 ampe chạy qua cuộn biến dòng, nó sẽ chuyển đổi thành 5 ampe (5A) ở cuộn thứ cấp Tương tự, với tỷ lệ 500/5, cuộn thứ cấp cũng nhận được dòng điện 5 ampe, trong khi cuộn sơ cấp có dòng điện 500 ampe.
Tín hiệu dòng từ CT sẽ được chuyển đổi thành điện áp nhỏ thông qua điện trở tải (burden resistor) để đưa vào vi mạch đo (như ADE7753).
Đầu ra của biến dòng thường được đưa qua một mạch lọc thấp tần để loại bỏ nhiễu và chỉ giữ lại thành phần chính xác cần đo.
Biến dòng cung cấp sự cách ly an toàn giữa mạch đo và dòng tải thực tế, giúp bảo vệ người dùng và vi điều khiển khỏi tiếp xúc trực tiếp với dòng điện lớn.
2.3.4 Biến áp (Voltage Transformer - VT)
Biến áp đo áp (VT) là thiết bị chuyên dụng để hạ thấp điện áp xoay chiều cao (thường là 220V) xuống mức điện áp an toàn, phù hợp cho các vi mạch xử lý tín hiệu như ADE7753.
Hình 2 9 Máy biến điện áp ( Voltage Transformers)
Cấu tạo chung của máy biến áp
Mọi máy biến áp đều có cấu tạo chung gồm 3 thành phần chính: lõi thép, dây quấn và vỏ máy.
Hình 2 10 Cấu tạo máy biến áp
Lõi thép dẫn từ được chế tạo từ vật liệu dẫn từ chất lượng cao Nó được cấu thành từ các lá thép kỹ thuật điện, ghép thành mạch vòng khép kín Các lá thép mỏng bên ngoài được sơn cách điện, có độ dày từ 0,3 đến 0,5mm.
Lõi thép bao gồm hai phần chính: Trụ và Gông Trụ là phần dùng để đặt dây quấn, trong khi Gông là phần kết nối giữa các trụ, giúp tạo thành mạch từ kín.
Dây quấn có nhiệm vụ nhận năng lượng vào và truyền năng lượng ra.
Dây quấn của máy biến áp thường được làm từ dây nhôm hoặc đồng, có tiết diện hình tròn hoặc chữ nhật và được bọc cách điện bên ngoài Nó bao gồm nhiều vòng dây được lồng vào trụ thép, với cách điện giữa các vòng dây, giữa các dây quấn và giữa dây quấn với lõi ép Máy biến áp thường có hai hoặc nhiều dây quấn với số vòng dây khác nhau, tùy thuộc vào chức năng của thiết bị.
Hình 2 12 Dây quấn của máy biến áp
Dây quấn gồm 2 loại: sơ cấp và thứ cấp, trong đó:
Dây quấn sơ cấp là dây quấn nhận năng lượng từ lưới.
Dây quấn thứ cấp là dây quấn cung cấp năng lượng cho phụ tải.
Máy biến áp hạ thế có số vòng dây cuộn sơ cấp nhiều hơn cuộn thứ cấp, trong khi máy biến áp tăng thế có số vòng dây cuộn sơ cấp ít hơn cuộn thứ cấp Ngoài ra, dây quấn có thể được phân loại thành dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp.
Dây quấn cao áp là dây quấn có điện áp cao.
Dây quấn hạ áp là dây quấn có điện áp thấp hơn.
Xét về mặt cấu tạo, dây quấn được chia thành 2 loại: dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ:
Dây quấn đồng tâm: có tiết diện ngang là những vòng tròn đồng tâm, với những kiểu dây quấn chính:
Dây quấn hình trụ, dùng cho cả dây quấn hạ áp và cao áp.
Dây quấn hình xoắn, dùng cho dây quấn hạ áp có nhiều sợi chập.
Dây quấn xen kẽ: các bánh dây cao áp và hạ áp lần lượt xen kẽ nhau dọc theo trụ ghép.
Hình 2 13 Các loại dây quấn của máy biến áp
Vỏ máy biến áp được chế tạo từ nhiều chất liệu khác nhau như nhựa, gỗ, thép, gang hoặc tôn mỏng, tùy thuộc vào từng loại máy biến áp Chức năng chính của vỏ là bảo vệ các bộ phận bên trong, bao gồm nắp thùng và thùng máy biến áp.
Nắp thùng là bộ phận được dùng để đậy trên thùng và trên đó có các bộ phận quan trọng:
Bình dãn dầu (bình dầu phụ) có ống thủy tinh để xem mức dầu.
Sứ ra (cách điện) của dây quấn cao áp và dây quấn hạ áp.
Lỗ nhỏ đặt nhiệt kế.
Bộ truyền động cầu dao đổi nối các đầu điều chỉnh điện áp của dây quấn cao áp.
Các cơ cấu chấp hành sử dụng trong hệ thống
Màn hình LCD (Liquid Crystal Display) sử dụng tinh thể lỏng để hiển thị hình ảnh bằng cách điều chỉnh ánh sáng đi qua Cấu trúc của màn hình LCD bao gồm nhiều lớp, trong đó có hai lớp kính kẹp lớp tinh thể lỏng ở giữa, cùng với hệ thống đèn nền để tạo ra hình ảnh rõ nét.
Chức năng của màn hình LCD
Hiển thị thông tin: Văn bản, hình ảnh, video, đồ thị,
Giao tiếp người - máy: Trong các thiết bị như máy tính, điện thoại, thiết bị đo lường, máy ATM,
Thể hiện trạng thái hoặc dữ liệu cảm biến: Trong các hệ thống nhúng, vi điều khiển,
Giao diện điều khiển: Cho các hệ thống tự động, thiết bị điện tử dân dụng hoặc công nghiệp.
Cấu tạo màn hình LCD
Một màn hình LCD cơ bản thường có các thành phần sau:
Lớp đèn nền (Backlight): Cung cấp ánh sáng để hình ảnh hiển thị rõ.
Hai lớp phân cực (Polarizer): Điều chỉnh hướng ánh sáng.
Hai lớp kính: Bao bọc lớp tinh thể lỏng.
Lớp tinh thể lỏng (Liquid Crystal Layer): Thay đổi trạng thái khi có điện áp, điều khiển ánh sáng đi qua.
Lớp điện cực (ITO – Indium Tin Oxide): Điều khiển các điểm ảnh.
Bộ điều khiển (LCD Driver): Điều khiển tín hiệu truyền đến LCD.
Ma trận điểm ảnh (Pixel Matrix): Gồm các điểm ảnh con (sub-pixels) màu đỏ, xanh lá và xanh dương (RGB).
Hình 2 17 Sơ đồ chân LCD
LCD được ghép nối với AT89S52 để đưa ra màn hình hiển thị tín hiệu đo.
Nguyên lý hoạt động của LCD
Khi không có điện áp: tinh thể lỏng giữ ánh sáng phân cực đi qua→điểm ảnh sáng.
Khi có điện áp: tinh thể lỏng thay đổi hướng phân cực → ánh sáng bị chặn lại → điểm ảnh tối.
Việc thay đổi điện áp theo từng điểm ảnh giúp tạo ra hình ảnh hiển thị.
Phân loại màn hình LCD
Dựa vào kích thước và độ phân giải:
LCD đơn sắc (1 dòng, 2 dòng – như LCD 16x2)
LCD đồ họa (Graphic LCD – GLCD)
LCD ma trận điểm (Dot Matrix)
LCD TFT (Thin Film Transistor) – dùng trong điện thoại, tivi.
Dựa theo kỹ thuật điều khiển:
Passive Matrix LCD: điều khiển từng hàng cột, chậm, rẻ.
Active Matrix LCD (TFT): mỗi điểm ảnh có transistor riêng, hiển thị nhanh và sắc nét hơn.
LCD đơn sắc: chỉ hiển thị một màu.
LCD màu (Color LCD): hiển thị màu RGB thông qua các pixel phụ.
Tiết kiệm năng lượng: So với CRT hoặc OLED (trong điều kiện nền sáng vừa phải).
Độ phân giải cao, hình ảnh sắc nét.
Không phát xạ từ (EM) mạnh, an toàn cho mắt.
Không bị cháy ảnh (burn-in) như OLED.
Góc nhìn hạn chế hơn OLED.
Hiển thị màu đen không sâu hoàn toàn (do đèn nền).
Tốc độ phản hồi thấp hơn so với OLED, LED.
2.5 Sơ đồ nguyên lý tổng thể
THIẾT KẾ PHẦN MỀM
Các phần mềm sử dụng
Trong quá trình nghiên cứu, tìm hiểu thiết kế đồng hồ đa năng đo các thông số mạch điện 1 pha, chúng em đã sử dụng phần mềm đó là:
- Proteus: được dùng để thiết kế, mô phỏng phần cứng cho mô hình
3.1.1 Giới thiệu về phần mềm Proteus
Proteus là phần mềm mô phỏng và thiết kế mạch điện tử phổ biến, đặc biệt trong học tập và nghiên cứu về điện – điện tử và vi điều khiển Phát triển bởi Labcenter Electronics (Anh), phần mềm cung cấp môi trường tích hợp để vẽ sơ đồ mạch nguyên lý (ISIS), mô phỏng hoạt động mạch điện, thiết kế mạch in PCB (ARES), và mô phỏng phần mềm kết hợp phần cứng (VSM) Điểm mạnh lớn nhất của Proteus là khả năng mô phỏng thời gian thực các vi điều khiển như Arduino, PIC, AVR, STM32, 8051, nhờ tích hợp trực tiếp các tệp chương trình dưới dạng hex hoặc elf.
Proteus là một phần mềm thiết yếu cho sinh viên, kỹ sư và giảng viên, cho phép thử nghiệm và mô phỏng mạch điện mà không cần phần cứng thực tế Với giao diện thân thiện và thư viện linh kiện phong phú, Proteus giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong thiết kế mạch số và mạch tương tự Mặc dù phiên bản đầy đủ yêu cầu phí và một số linh kiện hiện đại cần được thêm vào thủ công, nhưng Proteus vẫn là công cụ quan trọng trong việc học tập và phát triển sản phẩm điện tử.
3.1.2 Ứng dụng của proteus trong nghiên cứu thiết kế đồng hồ đa năng đo các thông số mạch điện 1 pha Ứng dụng của Proteus trong nghiên cứu thiết kế đồng hồ đa năng đo các thông số mạch điện 1 pha rất quan trọng, giúp sinh viên và kỹ sư kiểm tra, mô phỏng mạch trước khi thực hiện phần cứng thực tế Dưới đây là các ứng dụng cụ thể:
1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý (Schematic Design)
Proteus cung cấp khả năng vẽ sơ đồ nguyên lý một cách dễ dàng nhờ vào thư viện linh kiện phong phú, bao gồm vi điều khiển như ATmega328P và PIC, cùng với các linh kiện khác như LCD, điện trở, tụ điện, biến dòng (CT) và mạch chia áp.
Có thể bố trí và kết nối các linh kiện đúng theo sơ đồ mạch đồng hồ đo điện áp, dòng, công suất, hệ số công suất.
2 Mô phỏng hoạt động mạch điện
Mô phỏng hoạt động mạch 1 pha khi có dòng điện chạy qua.
Quan sát được các giá trị thay đổi theo thời gian của điện áp và dòng.
Mô phỏng dữ liệu vào ADC, xử lý trên vi điều khiển, và hiển thị kết quả lên LCD hoặc LED.
3 Kiểm tra chương trình nhúng (Firmware Simulation)
Proteus cho phép nạp chương trình viết bằng C hoặc Asembly file vào vi điều khiển.
Có thể mô phỏng code thực tế (ví dụ: đo điện áp, tính toán công suất, cập nhật LCD), nhờ đó:
Kiểm tra logic thuật toán
Phát hiện lỗi code trước khi nạp thật
4 Đánh giá tương tác giữa phần cứng và phần mềm
Proteus mô phỏng tốt sự tương tác giữa mạch đo và vi điều khiển.
Kiểm tra khả năng đọc tín hiệu từ cảm biến dòng (ACS712/SCT-013), xử lý tính toán điện năng tiêu thụ, tần số, công suất
5 Tiết kiệm chi phí và thời gian
Giúp giảm sai sót khi thiết kế mạch thật.
Không cần mua linh kiện thật trong giai đoạn đầu.
Tăng hiệu quả thiết kế nhờ khả năng kiểm tra và sửa lỗi nhanh chóng.
6 Chuẩn bị cho thiết kế PCB
Sau khi mô phỏng thành công, có thể chuyển sang thiết kế mạch in (PCB Layout) ngay trong Proteus.
Giúp định hình kích thước, vị trí linh kiện, đường đi dây trước khi sản xuất mạch in.
Code chương trình
ADC AD7763 xuất 24-bit signed → lấy MSB 16-bit.
Giao tiếp SPI qua bit-banging:
LCD 16x2: P2 (dữ liệu), P3.0-RS, P3.2-EN
; ====================; Mảng mẫu U/I: 40H–5FH (32 mẫu mỗi bên)
ACALL SAMPLE_32 ; Lấy 32 mẫu từ ADC
ACALL CALC_PARAMS ; Tính P, S, Q, cosφ, f ACALL DISPLAY_LCD ; Hiển thị LCD
ACALL ADD_TO_62 ; Cộng vào U² tổng
ACALL ADD_TO_60 ; Tổng công suất
; Ví dụ: chỉ hiển thị tổng công suất (P)
; Chuyển 8-bit nhị phân thành hàng trăm, chục, đơn vị ; Kết quả lưu tại R5, R6, R7
