ĐO DÒNG ĐIỆN DC QUA TẢI VỚI CẢM BIẾN DÒNG ACS712

Xã hội mà chúng ta đang sống luôn phát triển từng ngày, mọi khía cạnh đều đòi hỏi sự đổi mới và nâng cao hơn về chất lượng, và trong cuộc sống hàng ngày cũng thế. Từ một việc hết sức bình thường nay đã được nâng cao hơn nhờ sự phát triển của ngành điện tử, việc một kĩ sư điện không thể thiếu thiết bị khi đi làm hoặc chế tạo một món đồ nào đó là một cái đồng hồ đo đa năng. Sau đây em xin giới thiệu về thiết bị đo dòng bằng cách sử dụng arduino và cảm biến dòng ACS712 để đo dòng điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn :

Sinh viên thực hiện

Lớp :

NIÊN KHÓA 2015 - 2019

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, khoa học công nghệ phát triển với tốc độ nhanh chóng, cuộcsống của chúng ta vì vậy mà cũng thay đổi,văn minh và hiện đại hơn Sự pháttriển của ngành kỹ thuật điện tử đã tạo ra nhiều thiết bị gọn nhẹ, xử lí nhanh vàrất chính xác Cùng với sự phát triển vượt trội của cảm biến trong những nămgần đây, các thiết bị điện tử ứng dụng cảm biến cũng ra đời, với nhiều tínhnăng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống. Thấu hiểu được nhu cầu đó, em

đã nghiên cứu và làm đồ án về việc bật tắt đèn bằng tiếng vỗ tay Từ một việchết sức bình thường trong cuộc sống nay đã được nâng cao hơn nhờ sự pháttriển của ngành điện tử, việc bật tắt đèn từ giờ đã đơn giản và thuận tiện hơngấp nhiều lần nhờ mạch điều khiển sử dụng arduino và cảm biến dòngACS712_5A

Do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế, thêm vào đó đây cũng là lần đầutiên em thực hiện đề tài nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, hạnchế vì thế em rất mong có được sự góp ý để có thể hoàn thiện đề tài của mình

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến giảng viên hướng dẫn, đã dành thời gianhướng dẫn cũng như đưa ra ý kiến trao đổi giúp em sửa chữa sai sót trong suốtquá trình làm bài để em có thể hoàn thành đồ án này một cách hoàn thiện nhất

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THI CÔNG

3.1 Nội dung thực hiện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO DÒNG ĐIỆN DC

QUA TẢI VỚI CẢM BIẾN DÒNG ACS712

1.1 Đặt vấn đề

Xã hội mà chúng ta đang sống luôn phát triển từng ngày, mọi khía cạnh đều đòi hỏi sự đổi mới và nâng cao hơn về chất lượng, và trong cuộc sống hàng ngày cũng thế Từ một việc hết sức bình thường nay đã được nâng cao hơn nhờ

sự phát triển của ngành điện tử, việc một kĩ sư điện không thể thiếu thiết bị khi

đi làm hoặc chế tạo một món đồ nào đó là một cái đồng hồ đo đa năng

Sau đây em xin giới thiệu về thiết bị đo dòng bằng cách sử dụng arduino và cảm biến dòng ACS712 để đo dòng điện

1.2 Lịch sử giải quyết vấn đề

Thiết bị đo dòng có nhiều ứng dụng và cách sử dụng đa dạng cũng như sự đa dạng của các loại cảm biến mà người ta thiết kế trên mạch Chúng được ứng dụng vào nhiều công việc và hoàn cảnh khác nhau như thiết bị đo dòng dựa trênhiệu ứng Hall

1.3 Nhiệm vụ thiết kế

Thiết bị đo dòng điện qua cảm biến dòng ACS712 và đưa tín hiệu vào arduinosuất ra màn hình LCD đọc kết quả

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Arduino UNO R3

- Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta

thường nói tới chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3) Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR

là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ

xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng khác

- Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồnngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO

- Thông số kĩ thuật

trong đó 0,5 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi động

- Các chân năng lượng

 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân nàyphải được nối với nhau

 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là

 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

- Các cổng vào/ra

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có

2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết

bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

 Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

 Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài

các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

 LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

- Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với

chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng

các chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

- Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

- Lập trình cho Arduino

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình

Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment) nhưhình dưới đây.

Lưu ý khi sử dụng Arduino UNO R3:

 Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó bạn phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặn giấy mình khuyên bạn nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể

 Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích

 Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board

 Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328

 Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển

 Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển.

 Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của

Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng

2.2 Cảm biến dòng ACS12

Giới thiệu module ACS712

Module ACS712 sử dụng IC cảm biến dòng ACS712 ACS 712 là một IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall ACS xuất ra 1 tín hiệu analog, Vout

biến đổi tuyến tính theo sự thay đổi của dòng điện Ip được lấy mẫu thứ cấp DC (hoặ AC), trong phạm vi đã cho.

Ưu điểm của ACS 712

Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp

Thời gian tăng của đầu ra để đáp ứng với đầu vào là 5µs

Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ

Nguồn vận hành đơn là 5V

Độ nhạy đầu ra từ 63-190mV/A

Điện áp ra cực kỳ ổn định ACS 712 20A

Ip: -20A – 20A

Độ nhạy: 180 – 190 mV/A

Mô tả về IC cảm biến dòng ACS712

Thiết bị bao gồm mạch điện Hall tuyến tính, độ lệch thấp và chính xác với đường dây dẫn đồng được đặt gần bề mặt c vỏ Dòng điện được cung cấp đi quaphần dây đồng sẽ tạo ra một trường điện từ mà IC sẽ chuyển đổi thành điện áp ứng Thiết bị được tối ưu hóa một cách chính xác thông qua các tín hiệu từ rất gần đến bộ biến đổi Hall

Một điện áp tương ứng (proportional), chính xác được cung cấp bởi IC Hall BiCMOS độ lệch thấp, bộ tạo xung được ổ mà đã được lập trình chính xác sau khi đóng gói

Ngõ ra của thiết bị có 1 cạnh (sườn) dương (> VIOUT(Q)) khi tăng dòng điện điqua phần dây đồng thứ cấp (từ chân 1 đến chân 3 và 4), là phần được dùng để lấy mẫu dòng điện Điện trở trong của phần dẫn điện này là 1.2mΩ, tiêu thụ

thấp Bề dày của dây đồng cho phép thiết bị có thể chịu được đến 5 lần điều kiện quá dòng Các đầu của phần dẫ được cách điện với các đầu tín hiệu (chân 5đến chân 8) Điều này cho phép ACS712 được dùng trong các ứng dụng yêu cầucách điện mà không dung opto cách điện hoặc các kỹ thuật cách điện đắt tiền khác

ACS712 được cung cấp trong dạng đóng gói SOIC8 dáng bề mặt nhỏ Các khung chân của thiết bị được mạ với 100% mà nó phù hợp với tiêu chuẩn

RoSH Thiếc bị này được hiệu chuẩn đầy đủ tại nhà máy trước khi xuất xưởng

Đặc điểm IC

 cảm biến dòng tuyến tính dựa vào hiệu ứng Hall, được tích hợp đầy đủ với chất dẫn dòng điện trở thấp và độ các 2.1kV RMS

 Đường tín hiệu analog độ nhiễu thấp

 Băng thông của thiết bị được thiết định thông qua chân FILTER mới

 Thời gian tăng của ngõ ra để đáp ứng với dòng ngõ vào là 5µs

 Băng thông 80kHz

 Tổng lỗi ngỏ ra tại TA = 25°C là 1.5%

 Dạng đóng gói SOIC8 với các chân nhỏ

 Điện trở dây dẫn trong 1.2mΩ

 Điện áp cách điện tối thiểu 2.1kV RMS từ chân 1-4 đến chân 5-8

 Nguồn vận hành đơn 5V

 Độ nhạy ngõ ra từ 66 đến 185mV/A

 Điện áp ngõ ra tương ứng với dòng DC hoặc AC

 Điện áp offset (lệch) ngõ ra cực kỳ ổn định

 Sự trễ từ gần bằng zero.

 Ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với ngõ vào từ nguồn cung cấp

Dạng đóng gói

SOIC bọc chì 8 chân (thêm phía sau chữ LC)

Sơ đồ chân và chức năng

Module ACS712 có loại:

 ACS 712-05B (5Ampe): 180 – 190 mV/A

 ACS 712-20A (20Ampe): 96 – 104 mV/A

 ACS 712-30A (30Ampe): 64 – 68 mV/A

Sơ đồ chân Module ACS712

Ứng dụng 2 Mạch phát hiện đỉnh

Ứng dụng 3 Cấu hình mạch bên dưới tăng độ lợi đến 610mV/A (đã test dùng ACS712ELC – 05A)

Ứng dụng 4 Mạch chốt lỗi quá dòng 10A Ngưỡng lỗi được set bởi R1 và R2 Mạch này chốt lỗi quá dòng và giữ n trạng thái cho đến khi nguồn 5v đượcc kéoxuống.

2.3 Màn hình LCD 2004

 Điện áp hoạt động là 5 V.

 Chữ đen, nền xanh lá/ chữ trắng, nền xanh dương

 Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard

 Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối,

đi dây điện

 Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sửdụng ít điện năng hơn

 Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu.

Châ Ký hi u ệ Mô tả Giá trị

5 R/W Ch n thanh ghi đ c/vi t d  li u ọ ọ ế ữ ệ

R/W=0 thanh ghi vi t ế R/W=1 thanh ghi đ c ọ

2.4 Biến trở 1k

Biến trở volume 1K được dùng phổ biến trong nhiều mạch công suất Tên khác là potentionmeter Biến trở volume 1K có điện trở thay đổi khi điều chỉnh

Biến trở volume 1K có 3 chân, 2 chân ngoài được nối vào Vcc và Gnd, chân giữa sẽ cho ra 1 giá trị điện áp nằm trong khoảng 0(V) -> Vcc (V)

2.5 Dây cắm BUS

Dùng để kết nối các module lại với nhau và với đèn, dùng loại đực – đực và đực– cái

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THI CÔNG 3.1 Nội dung thực hiện

t có thể xác định được chiều của dòng điện

3.1.2 Thi công mạch

Khi đo DC phải mắc tải nối tiếp Ip+ và Ip- đúng chiều Điện áp đầu ra (chân Out) từ 2.5 – 5V tương ứng dòng 0 – 5A, n mắc ngược điệp áp sẽ ra điện thế 2.5V đến 0V tương ứng với 0A đến -5A

Để đổi điện áp ra dòng điện trong lập trình IDE Arduino, cần offset điện áp lúc đầu là 2.5V (lúc chưa tải) tương ứng với đây tôi lấy độ nhạy cảm biến ACS712-20A là 185mV/A Tức là tính từ mức 2.5V mỗi lần tăng lên 185mV ta được 1A Vậy thức tính dòng điện sẽ là:

ecurrent = ((Voltage – offsetvoltage) / sensitivity)

Trong đó:

 ecurrent: dòng điện đo

 Voltage: Điện áp cảm VĐK đo được từ Output cảm biến

 offsetvoltage: Điện áp offset (2.5V)

 sensitivity: độ nhạy của cảm biến (185mV/A)

Trong lập trình Arduino ta dùng công thức sau để đọc giá trị điện áp từ output:

Voltage = (adcvalue / 1024.0) * 5000; (mV)

Trong đó: adcvalue là giá trị analog VĐK đọc được.

Sơ đồ kết nối ACS712-20A với Arduino mô phỏng Proteus

3.1.3 Code cho mạch

// include the library code:

#include <LiquidCrystal.h> //library for LCD

// initialize the library with the numbers of the interface pins

LiquidCrystal lcd(8, 9, 10, 11, 12, 13);

//Measuring Current Using ACS712

const int analogchannel = 0; //Kết nối Output cảm biến với chân A0 Arduinoint sensitivity = 185; // Độ nhạy là 100 cho Module 20A và 66 cho Module 30Aint adcvalue= 0;

int offsetvoltage = 2500;

double Voltage = 0; // Giá trị điện áp

double ecurrent = 0;// Giá trị dòng

Serial.print("\t Dong dien = ");

Serial.println(ecurrent,3);//Hiển thị 3 chữ số thập phân sau dấu chấm

+ Sau quá trình nghiên cứu, thiết kế và thi công mạch dưới sự hướng dẫn

tận tình của giảng viên, em đã hoàn thành đề tài

+ Tuy trong quá trình tiến hành đề tài còn gặp nhiều khó khăn do sự nghiên cứu còn thiếu sót, ít kinh nghiệm thực tế nhưng em đã rút ra được rất nhiều kinh nghiệm trong học tập cũng như tinh thần làm việc

- Ưu – nhược điểm:

+ Ưu điểm: sản phẩm thu được nhỏ gọn, dễ sử dụng,tiện lợi, đáp ứng được nhu cầu sử dụng đề ra lúc đầu

+Nhược điểm: sản phẩm làm lần đầu nên còn nhiều sai sót như độ ổn định chưa cao, có lúc xảy ra nhiễu và tính thẩm mĩ còn chưa cao

- Kiến nghị:

+ Hướng phát triển của đề tài là có thể kết hợp khối điều khiển để sản phẩm có thêm nhiều chức năng, cũng như phát triển thêm phần cấu trúc bên ngoài sao cho thẩm mỹ hơn để đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng Hướng đến việc

có thể đưa vào phát triển kinh doanh

+ Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn giảng viên đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đề tài này

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[3] https://techmaster.vn

[4] http://arduino.vn