BÁO CÁO THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO. Giảng viên: Nguyễn Thị Lan Hương. Đề tài: ĐO HỆ SỐ COSφ ( đã bao gồm báo cáo, file mô phỏng và file code)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO Đề Tài: ĐO HỆ SỐ COSφ, TẦN SỐ 100200Hz, NGƯỠNG 1 ĐỘ Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Thị Lan Hương Sinh viên Thực hiện: Nguyễn Khắc Quân Võ Hoàng Thi Trần Văn Hợp Bộ môn: Kỹ thuật Đo và Tin học Công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BÁO CÁO THIẾT KẾ THIẾT BỊ

ĐO

100-200Hz, TẦN SỐNGƯỠNG TẦN SỐ1 TẦN SỐĐỘ

Giảng TẦN SỐviên TẦN SỐhướng TẦN SỐdẫn: PGS TS Nguyễn Thị Lan Hương

Nhóm TẦN SỐs23: Nguyễn Khắc Quân

Võ Hoàng Thi Trần Văn Hợp

20174125 20174231 20173924

Hà Nội, 2021/7

LỜI TẦN SỐ TẦN SỐNÓI TẦN SỐĐẦU

Trong thời kì cách mạng công nghệ như hiện nay thì chúng ta đã có nhiều tiến bộ về mọi mặt ứng dụng trong công nghiệp, sản xuất và thực tiễn Và nghành

đo lường và tự động hóa chúng ta cũng không nằm ngoài xu thế đó với nhiều phương pháp đo mới và sự hoàn thiện cũng như cải tiến của nhiều phương pháp

đo cũ Trong khuôn khổ môn Thiết kế thiết bị đo này, dưới sự giảng dạy và hướng dẫn của cô Nguyễn Thị Lan Hương chúng em xin trình bày về đề tài đo cos phi, thiết kế mạch và mô phỏng

Chúng em xin cảm ơn cô – PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương và môn học Thiết kế thiết bị đo đã cho chúng em rất nhiều kiến thức bổ ích và thực tiễn Báo cáo của nhóm chúng em gồm có 4 chương:

 Chương 1: Phân tích nhiệm vụ

 Chương 2 : Thiết kế phần cứng

 Chương 3: Thiết kế phần mềm

 Chương 4: Kết quả và hướng phát triển

Do thời gian thực hiện báo cáo và kiến thức còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót Chúng em rất mong nhận được sự góp ý và chỉnh sửa của cô

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô

Nhóm SV thực hiện: Nhóm 23

Trần Văn Hợp : 201743924

Võ Hoàng Thi : 20174231

Nguyễn Khắc Quân : 20174125

MỤC TẦN SỐLỤC

CHƯƠNG TẦN SỐ1 TẦN SỐPHÂN TẦN SỐTÍCH TẦN SỐNHIỆM TẦN SỐVỤ 4

1.1 Đặt vấn đề 4

1.1.1 Yêu cầu thiết kế 4

1.1.2 Mục đích và phạm vi đề tài 4

1.2 Các phương pháp đo hệ số cosφ 4

1.2.1 Đo hệ số cosφ thông qua điện áp 4

1.2.2 Đo hệ số cosφ bằng ADE7753 4

1.2.3 Đo hệ số cosφ qua góc lệch pha 5

1.3 Lựa chọn phương pháp 5

CHƯƠNG TẦN SỐ2 TẦN SỐTHIẾT TẦN SỐKẾ TẦN SỐPHẦN TẦN SỐCỨNG 6

2.1 Sơ đồ nguyên lý 6

2.1.1 Sơ đồ khối 6

2.1.2 Mạch nguyên lý 6

2.2 Khối đầu vào 6

2.2.1 Nguồn, tải 7

2.2.2 Mạch xác định điểm không 7

2.2.3 Gate XOR 8

2.3 Khối vi xử lý 8

2.4 Khối đầu ra 9

CHƯƠNG TẦN SỐ3 TẦN SỐTHIẾT TẦN SỐKẾ TẦN SỐPHẦN TẦN SỐMỀM 11

3.1 Ý tưởng 11

3.1.1 Cách tính hệ số cosφ 11

3.1.2 Cách tính ∆T 11

3.2 Lưu đồ thuật toán 12

3.3 Code chính 13

CHƯƠNG TẦN SỐ4 TẦN SỐKẾT TẦN SỐQUẢ TẦN SỐVÀ TẦN SỐHƯỚNG TẦN SỐPHÁT TẦN SỐTRIỂN 15

4.1 Kết quả 15

DANH TẦN SỐMỤC TẦN SỐHÌNH TẦN SỐVẼ

Hình 1.1: Đo hệ số cosφ thông qua điện áp 4

Hình 1.2: Giản đồ vector điện áp 4

Hình 1.3: Vi mạch họ ADE77xx 5

Hình 2.1: Sơ đồ khối 6

Hình 2.2: Mạch nguyên lý 6

Hình 2.3: Khối đầu vào 7

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện điểm không dùng LM741 8

Hình 2.5: Nguyên lý phát hiện điểm không bằng LM741 8

Hình 2.6: Điều chế tín hiệu đầu vào 9

Hình 2.7: Vi điều khiển AT89C52 10

Hình 2.8: LCD 16x2 10

Hình 3.1: Chức năng các bit thanh ghi TMOD 12

Hình 3.2: Bộ đếm độ rộng xung 13

Hình 3.3: Lưu đồ thuật toán 14

Hình 4.1: Kết quả mô phỏng (1) 16

Hình 4.2: Kết quả mô phỏng (2) 16

Hình 4.3: Kết quả mô phỏng (3) 17

Hình 1.1: Đo hệ số cosφ thông qua điện áp

Hình 1.2: Giản đồ vector điện áp

CHƯƠNG TẦN SỐ1 TẦN SỐPHÂN TẦN SỐTÍCH TẦN SỐNHIỆM TẦN SỐVỤ 1.1 Đặt TẦN SỐvấn TẦN SỐđề

1.1.1 Yêu TẦN SỐcầu TẦN SỐthiết TẦN SỐkế

 Đối tượng: Tín hiệu xoay chiều tần số 100-200Hz đi qua tải

 Yêu cầu:đo hệ số cosφ của tải, ngưỡng 1 độ

1.1.2 Mục TẦN SỐđích TẦN SỐvà TẦN SỐphạm TẦN SỐvi TẦN SỐđề TẦN SỐtài

Tìm hiểu, nghiên cứu và thiết kế mô phỏng mạch đo hệ số cosφ sử dụng các linh kiện điện tử và vi xử lí, không sử dụng các dụng cụ đo trực tiếp

1.2 Các TẦN SỐphương TẦN SỐpháp TẦN SỐđo TẦN SỐhệ TẦN SỐsố TẦN SỐcosφ

1.2.1 Đo TẦN SỐhệ TẦN SỐsố TẦN SỐcosφ TẦN SỐthông TẦN SỐqua TẦN SỐđiện TẦN SỐáp

Phương pháp: Mắc nối tiếp một điện trở thuần

với tải Sử dụng các phương pháp đo điện áp đã học

ta đo được ba điện áp hiệu dụng ở hình 1.1 Góc

lệch pha giữa ⃗U tảivà ⃗U Rchính là φ

Ta có biểu thức:

⃗

U3=⃗U1+ ⃗U2

U32 = U12 + U22 + 2U1U2cosφ

 cosφ = U3

2

−U12−U22

2U1U2

1.2.2 Đo TẦN SỐhệ TẦN SỐsố TẦN SỐcosφ TẦN SỐbằng TẦN SỐADE7753

Hình 1.3: Vi mạch họ ADE77xx

Phương pháp: Sử dụng vi mạch ADE7753 có thể đo được các giá trị P, U, I tức thời Từ đó ta có thể tính được P, U, I hiêu dụng nhờ các công thức:

P = 1n ∑

i=1

n

P i

U = √1

n∑

i=1

n

U i2

I = √1

n∑

i=1

n

I i2

Hệ số công suất được tính: cosφ = UI P

1.2.3 Đo TẦN SỐhệ TẦN SỐsố TẦN SỐcosφ TẦN SỐqua TẦN SỐgóc TẦN SỐlệch TẦN SỐpha

Phương pháp: Đo hệ số cosφ gián tiếp qua việc đo góc lệch pha φ giữa U và I Phương pháp sẽ được mô tả kĩ hơn ở các phần sau

1.3 Lựa TẦN SỐchọn TẦN SỐphương TẦN SỐpháp

Ở trên là ba phương pháp đo hệ số cosφ khả thi nhất đã được học trong các học phần Kỹ thuật đo lường Thiết kế thiết bị đo,…Nhóm 23 quyết định lựa chọn phương pháp số 3 vì đây là phương pháp ít sai số nhất, đơn giản dễ thực hiện nhất, đặc biệt phù hợp với yêu cầu đặt ra là ngưỡng 1 độ của góc φ

5

CHƯƠNG TẦN SỐ2 TẦN SỐTHIẾT TẦN SỐKẾ TẦN SỐPHẦN TẦN SỐCỨNG 2.1 Sơ TẦN SỐđồ TẦN SỐnguyên TẦN SỐlý

2.1.1 Sơ TẦN SỐđồ TẦN SỐkhối

Hình 2.4: Sơ đồ khối

2.1.2 Mạch TẦN SỐnguyên TẦN SỐlý

3 2 6

4 5

U1:A

UA741

D2

1N4007 +12V

3 2 6

4 5

U?:A

UA741

D3

1N4007 D4

1N4007 +12V

R8

2K

L1

30

V1

1N4007

R2

220K

R3

220K

R5

220K

R6

220K

-12V

-12V

TR1

TRAN-2P2S

TR2

TRAN-2P2S

R1

1K

U3

XOR

XTAL2 18 XTAL1 19

ALE 30 EA 31 PSEN 29

RST 9

P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32

P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8

P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14

P3.7/RD 17 P3.6/WRP3.5/T1 16 15 P2.7/A15 28

P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27

U4

AT89C52

LCD1

LM016L

+5VCC

VR1

10k

C3

33pF

C2

33pF

R7

10k

SW1

RESET C1

0.01mF

X1

12MHz

2 4 6 8

1 RP1

RESPACK-8

C4

253nF

Hình 2.5: Mạch nguyên lý

2.2 Khối TẦN SỐđầu TẦN SỐvào

3 2 6

4 5

U1:A

UA741

D2

1N4007

A B C D 3

2 6

4 5

U?:A

UA741

D3

1N4007

D4

1N4007 +12V

R8

2K

L1

30

V1

1N4007

R2

220K

R3

220K

R5

220K

R6

220K

-12V

-12V

TR1

TRAN-2P2S

TR2

TRAN-2P2S

R1

1K

U3

XOR

C4

253nF

Hình 2.6: Khối đầu vào

2.2.1 Nguồn, TẦN SỐtải

Nguồn xoay chiều 100-200Hz

Mô phỏng tải bằng bộ RLC nối tiếp để dễ dàng thay đổi hệ số cosφ

2.2.2 Mạch TẦN SỐxác TẦN SỐđịnh TẦN SỐđiểm TẦN SỐkhông

Mắc nối tiếp một điện trở thuần với tải Góc lệch pha φ giữa U và I ban đầu đưa thành góc lệch pha giữa U tảivà U R

Sử dụng các máy hạ áp để cách li điện áp nguồn với mạch xác định điểm không đông thời giảm giá trị điện áp xuống

 Mạch TẦN SỐxác TẦN SỐđịnh TẦN SỐđiểm TẦN SỐkhông TẦN SỐdùng TẦN SỐLM741

 Chức năng chân LM741

 Chân 1 - Offset Null: Chân này được sử dụng để loại bỏ điện áp bù (offset) và cân bằng điện áp đầu vào

 Chân 2 - Inverting Input: Đầu vào đảo ngược của IC

 Chân 3 - Non Inverting Input: Đầu vào không đảo ngược của IC

 Chân 4 - V–: Nối mass / chân âm

 Chân 5 - Offset Null: Chân này được sử dụng để loại bỏ điện áp bù (offset) và cân bằng điện áp đầu vào

 Chân 6 - Output: Chân đầu ra của IC

 Chân 7 - V+: Chân dương của IC

 Chân 8 - NC: NC có nghĩa là chân không được nối

 Nguyên lý opamp LM741 phát hiện điểm không

7

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện điểm không dùng LM741

Như hình 2.2 ta dùng Vcc = 12V, hai diode 1N4007 để bảo vệ opamp Ta

có nguyên lý:

V¿ > V ref  V out = +V cc

V¿ < V ref  V out = −V ee

Hình 2.8: Nguyên lý phát hiện điểm không bằng LM741

Như hình 2.4, mạch phát hiện điểm không dùng LM741 biến điện áp xoay chiều thành xung vuông có cùng tần số Điểm không của điện áp xoay chiều trùng với sườn lên và sườn xuống của xung vuông

2.2.3 Gate TẦN SỐXOR

Hình 2.9: Điều chế tín hiệu đầu vào

Ta dùng cổng XOR để kết hợp hai xung vuông từ hai mạch phát hiện điểm không của U và I Độ rộng ∆T như hình 2.5 chính là khoảng thời gian lệch nhau giữa U và I Đưa tín hiệu điều chế này vào vi xử lí ta có thể tính được ∆T, t đóừ đó tính được góc lệch pha φ và hệ số cosφ.c góc l ch pha và h s cos ệch pha φ và hệ số cosφ φ và hệ số cosφ ệch pha φ và hệ số cosφ ố cosφ φ và hệ số cosφ

2.3 Khối TẦN SỐvi TẦN SỐxử TẦN SỐlý

 Vi TẦN SỐđiều TẦN SỐkhiển TẦN SỐAT89C52

Các vi điều khiển thuộc họ MCS51 có chung một số đặc tính như sau:

- 4KB ROM để nạp chương trình điều khiển

- 256 bytes RAM gồm các thanh ghi

- 4 Port vào ra 8 bits

- 2 bộ định thời 16 bits

- Một cổng giao tiếp nối tiếp chuẩn RS232

- Có thể quản lý 64KB bộ nhớ chương trình và 64KB bộ nhớ dữ liệu

- Một bộ xử lý các phép toán logic

- 210 bit RAM nội được dịa chỉ hóa

- Bộ nhân/chia thực hiện trong 4 micro giây

9

Hình 2.10: Vi điều khiển AT89C52

2.4 Khối TẦN SỐđầu TẦN SỐra

 LCD TẦN SỐ16x2

Hình 2.11: LCD 16x2

- Chân số 1 - VSS: chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch điều khiển

- Chân số 2 - VDD: chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC=5V của mạch điều khiển

- Chân số 3 - VEE: điều chỉnh độ tương phản của LCD

- Chân số 4 - RS: chân chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc logic "1": + Logic “0”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ

“ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp

- Chân số 7 đến 14 - D0 đến D7: 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này là: Chế độ 8 bit (dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7) và Chế độ 4 bit (dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7)

- Chân số 15 - A: nguồn dương cho đèn nền

- Chân số 16 - K: nguồn âm cho đèn nền

11

CHƯƠNG TẦN SỐ3 TẦN SỐTHIẾT TẦN SỐKẾ TẦN SỐPHẦN TẦN SỐMỀM 3.1 Ý TẦN SỐtưởng

3.1.1 Cách TẦN SỐtính TẦN SỐhệ TẦN SỐsố TẦN SỐcosφ

Như đã nói ở phần 2.2.3, hệ số cosφ có thể tính được qua ∆T là đ r ngộ rộng ộ rộng

m c caoức cao c a xung đ u vào theo công th c:ủa xung đầu vào theo công thức: ầu vào theo công thức: ức cao

=

φ và hệ số cosφ ∆ T T 360 (độ) đ ) ộ rộng  cosφ và hệ số cosφ

Yêu c u là tính đầu vào theo công thức: ược góc lệch pha φ và hệ số cosφ ∆T b ng Vi x lý.c ằng Vi xử lý ử lý

3.1.2 Cách TẦN SỐtính TẦN SỐ∆T

Dùng bộ định thời Timer trong vi điều khiển AT89C52 để đếm độ rộng xung đầu vào

 Các thanh ghi sử dụng

 Thanh ghi lưu trữ TH0, TL0, TH1, TL1: Dùng để lưu trữ các giá trị đếm được của bộ timer/counter

 TH0, TL0: lưu giá trị timer/counter 0

 TH1, TL1: lưu giá trị timer/counter 1

 Độ rộng mỗi thanh ghi là 8 bit

 Thanh ghi TMOD: Thiết lập chế độ hoạt động cho chân T0 và T1

 4 bit thấp: thiết lập chế độ hoạt động cho T0

 4 bit cao: thiết lập chế độ hoạt động cho T1

Hình 3.12: Chức năng các bit thanh ghi TMOD

 Thanh ghi TCON: Chứa các bit trạng thái và điều khiển cho T0 và T1 Gồm 8 bit theo thứ tự: TF1-TR1-TF0-TR0-IE1-IT1-IE0-IT0

 Bit IT1 (IT0): Bit điều khiển cho phép ngắt IT1 (IT0) tác động bằng mức hay cạnh IT1 (IT0) = 1 ngắt tác động bằng cạnh xuống IT1 (IT0)

= 0 ngắt tác động bằng mức

 Nguyên lý đo độ rộng xung với Timer1

Hình 3.13: Bộ đếm độ rộng xung

Nguyên lý: Đặt Timer1 ở chế độ timer 16 bit,, mặc định Gate1 bằng 1

B = TR1 AND (INT1 OR 1) = TR1 AND INT1 Bắt đầu đếm: B = 1 khi INT1 = 1 OR TR1 = 1

Dừng đếm: B = 0 khi INT1 = 0 AND TR1 = 0

Ở đây ta muốn đo độ rộng xung mức cao nên khi INT1 lên mức cao lần thứ hai (Vì lần đầu có thể không ở sườn lên của xung), ta sẽ đặt TR1 = 1 và bắt đầu đếm Khi đếm, vi xử lý sẽ đếm xung nội là tần số thạch anh được chia 12 là 1MHz tương ứng 1µs Số đếm sẽ được lưu vào thanh ghi TL1, TH1 tối đa không tràn là 65535µs Đây chính là ∆T

3.2 Lưu TẦN SỐđồ TẦN SỐthuật TẦN SỐtoán

13

Khai báo thư viện, chọn tần số dao động

12MHz

Khai báo biến: hệ số cosφ-PF (Power

Factor), góc φ theo độ – phi, ∆T – t, góc φ

theo radian – rad, biến trung giam temp để

in ra cosφ

Khởi tạo LCD In ra LCD ký tự như bên ở

dòng 1 và 2 tương ứng

Clear bit điều khiển thanh ghi TMOD của

Timer0 Sau đó đặt Gate = 1, M0=1

Clear thanh ghi TH0, TL0

Bỏ qua mức 1 đầu tiên

Bỏ qua mức 0

Bắt đầu đếm khi gặp mức 1

Dứng đếm khi gặp mức 0

Lấy giá trị của ∆T từ thanh ghi TH0, TL0

Tính φ theo đơn vị độ, chỉnh lấy phần

nguên vì yêu cầu ngưỡng 1 độ Đổi ra

radian và tính cosφ Temp là biến trung

gian giúp lấy 4 chữ số thập phân của cosφ

In cosφ ra dòng 1 LCD theo dạng

PF = x.xxxx

In φ ra dòng 2 LCD theo dạng

phi = xx

15

CHƯƠNG TẦN SỐ4 TẦN SỐKẾT TẦN SỐQUẢ TẦN SỐVÀ TẦN SỐHƯỚNG TẦN SỐPHÁT TẦN SỐTRIỂN

4.1 Kết TẦN SỐquả

Với yêu cầu tần số trong khoảng 100-200Hz, bọn em mặc định biết trước tần

số và sử dụng luôn trong phần code ở trên Thay vì phải làm thêm phần đo chu kì

sẽ lấn sang các đề tài khác, khi tần số thay đổi ta sẽ thay đổi chu kì trong code Sau đây là một số kết quả mô phỏng thu được trong phần mềm proteus với tần số 100Hz, tải RLC thay đổi

 Tải RLC: 2000Ω – 30H – 800nF

φ = arctan (200 π 30− 1

200 π 800 10−9

2000 ) = 83.25o

Hình 4.15: Kết quả mô phỏng (1)

 Tải RLC: 1000Ω – 15H – 200nF

φ = arctan (200 π 15− 1

200 π 200 10−9

1000 ) = 55.72o

 Tải RL: 3500Ω – 1H

φ = arctan (200 π 13500 ) = 10.18o

Hình 4.17: Kết quả mô phỏng (3)

4.2 Đánh TẦN SỐgiá

Kết quả mô phỏng thu được có sai số không quá lớn khoảng 1 đến 2 độ Tuy nhiên có một số trường hợp hợp đo có kết quả không ổn định, sai số lớn Nguyên nhân kết quả đo phụ thuộc vào xung vuông từ đầu vào đi vào vi xử lý

4.3 Hướng TẦN SỐphát TẦN SỐtriển

Tìm cách cải thiện xung đầu vào ổn định, ít sai số nhất Đo them tần số của xung để không phải sửa code khi thay đổi tần số

17

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Giáo trình kỹ thuật đo (Tập 1 – Đo điện)” - Nguyễn Ngọc Tân, Ngô Văn Ky

2 “Slide Bài giảng Thiết kế thiết bị đo” - Nguyễn Thị Lan Hương