Nghiên Cứu Đề Tài Điện Năng Kế Điện Tử Giao Tiếp Máy Tính

Tài liệu nghiên cứu Diennangke chua xac dinh, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về ., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Tác giả: Trần Đại Nghĩa
• Người hướng dẫn: Thầy Quách Thanh Hải
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện Tử
• Đề tài: Điện Năng Kế Điện Tử Giao Tiếp Máy Tính
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2000
• Địa điểm: Tp.Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI GIỚI THIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: TÓM LƯỢC CÁC VẤN ĐỀ LÍ THUYẾT LIÊN QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. VI ĐIỀU KHIỂN 8951
• 1.1.1. MÔ TẢ CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA VI ĐIỀU KHIỂN 8951
• 1.1.2. Các tín hiệu điều khiển
• 1.1.3. Tổ chức bộ nhớ
• 1.1.3.1. Khảo sát tổ chức bộ nhớ 8951
• 1.1.3.2. Chi tiết về bộ nhớ RAM trên chip
• 1.1.4. Các thanh ghi chức năng đặc biệt
• 1.1.4.1. Từ trạng thái chương trình
• 1.1.4.2. Thanh ghi B
• 1.1.4.3. Con trỏ ngăn xếp
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Điện Năng Kế Điện Tử Giao Tiếp Máy Tính

Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính là một thiết bị hiện đại, kết hợp giữa công nghệ điện tử và phần mềm để đo lường và hiển thị thông tin điện năng tiêu thụ. Thiết bị này không chỉ đơn thuần là một công cụ đo lường mà còn có khả năng giao tiếp với máy tính, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và quản lý năng lượng tiêu thụ. Sự phát triển của công nghệ IoT đã thúc đẩy việc ứng dụng điện năng kế điện tử trong nhiều lĩnh vực, từ hộ gia đình đến công nghiệp.

1.1. Định Nghĩa và Chức Năng Của Điện Năng Kế Điện Tử

Điện năng kế điện tử là thiết bị đo lường điện năng tiêu thụ, có khả năng hiển thị số liệu và giao tiếp với máy tính. Thiết bị này giúp người dùng theo dõi mức tiêu thụ điện năng một cách chính xác và hiệu quả.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Điện Năng Kế Điện Tử

Điện năng kế điện tử đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những thiết bị cơ học đơn giản đến các thiết bị điện tử hiện đại. Sự chuyển mình này không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn cải thiện khả năng giao tiếp và xử lý dữ liệu.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Điện Năng Kế

Mặc dù điện năng kế điện tử mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình nghiên cứu và phát triển. Các vấn đề như độ chính xác của thiết bị, khả năng tương thích với các hệ thống khác, và chi phí sản xuất là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ Chính Xác và Độ Tin Cậy Của Thiết Bị

Độ chính xác của điện năng kế điện tử là yếu tố quan trọng nhất. Thiết bị cần phải được hiệu chuẩn thường xuyên để đảm bảo rằng các số liệu đo được là chính xác và đáng tin cậy.

2.2. Chi Phí Sản Xuất và Khả Năng Tiếp Cận

Chi phí sản xuất điện năng kế điện tử có thể cao, điều này ảnh hưởng đến khả năng tiếp cận của người tiêu dùng. Cần có các giải pháp để giảm chi phí mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Điện Năng Kế Điện Tử

Để phát triển điện năng kế điện tử, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu khoa học và công nghệ hiện đại. Việc tính toán các thông số kỹ thuật, thiết kế phần cứng và phát triển phần mềm là những bước quan trọng trong quá trình này.

3.1. Tính Toán Các Thông Số Kỹ Thuật

Tính toán các thông số kỹ thuật là bước đầu tiên trong việc thiết kế điện năng kế điện tử. Các thông số này bao gồm điện áp, dòng điện và công suất tiêu thụ.

3.2. Thiết Kế Phần Cứng và Phần Mềm

Thiết kế phần cứng và phần mềm là hai yếu tố không thể tách rời. Phần cứng cần phải tương thích với phần mềm để đảm bảo hoạt động hiệu quả và chính xác.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Điện Năng Kế Điện Tử

Điện năng kế điện tử có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống hàng ngày và trong các lĩnh vực công nghiệp. Từ việc theo dõi tiêu thụ điện năng trong hộ gia đình đến việc quản lý năng lượng trong các nhà máy, thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc tiết kiệm năng lượng.

4.1. Ứng Dụng Trong Hộ Gia Đình

Trong hộ gia đình, điện năng kế điện tử giúp người dùng theo dõi mức tiêu thụ điện năng, từ đó có thể điều chỉnh thói quen sử dụng điện để tiết kiệm chi phí.

4.2. Ứng Dụng Trong Công Nghiệp

Trong công nghiệp, điện năng kế điện tử được sử dụng để giám sát và quản lý năng lượng tiêu thụ, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu lãng phí.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Điện Năng Kế Điện Tử

Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính là một sản phẩm tiềm năng trong việc quản lý năng lượng. Tương lai của thiết bị này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến về công nghệ, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong việc đo lường điện năng.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ

Xu hướng phát triển công nghệ IoT sẽ tiếp tục thúc đẩy sự phát triển của điện năng kế điện tử, giúp thiết bị ngày càng thông minh và tiện ích hơn.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu và Phát Triển

Nghiên cứu và phát triển điện năng kế điện tử là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng và thị trường. Cần có sự đầu tư và hỗ trợ từ các tổ chức, doanh nghiệp để thúc đẩy tiến bộ trong lĩnh vực này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vào giai đoạn chuyển giao thiên niên kỷ, tổn thất điện năng kỹ thuật và thương mại trong các hệ thống phân phối tại các đô thị lớn chiếm khoảng 12% đến 15% tổng sản lượng điện năng cung ứng. Các thiết bị đo đếm điện năng truyền thống chủ yếu sử dụng công tơ cảm ứng cơ khí dạng đĩa quay, vốn bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng như sai số đo lường trung bình dao động từ 2.5% đến 5.0%, dễ bị can thiệp gian lận và hao mòn cơ học theo thời gian. Đồng thời, công tác ghi nhận chỉ số thủ công đòi hỏi hàng nghìn giờ công lao động mỗi tháng, tiềm ẩn nguy cơ sai sót dữ liệu lên đến 8% trong khâu nhập liệu.

Trước yêu cầu cấp thiết về hiện đại hóa hạ tầng đo đếm và tự động hóa quản lý năng lượng, nghiên cứu này tập trung giải quyết bài toán chuyển đổi từ đo lường cơ điện sang đo lường số hóa. Mục tiêu cụ thể của luận văn là tính toán các thông số kỹ thuật, thiết kế phần cứng hoàn chỉnh cho thiết bị điện năng kế điện tử và xây dựng thuật toán xử lý dữ liệu nhúng có khả năng giao tiếp thời gian thực với máy tính cá nhân.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ ngày 13/12/1999 đến ngày 28/02/2000. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm thiểu sai số đo lường xuống dưới 1.0%, tiết kiệm hơn 85% thời gian thu thập dữ liệu phụ tải và đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển các hệ thống thu thập chỉ số công tơ tự động từ xa trong ngành năng lượng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của hai khung lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật điều khiển và xử lý thông tin:

Thứ nhất, lý thuyết kiến trúc máy tính và vi điều khiển theo cấu trúc Harvard, đại diện là dòng vi điều khiển 8-bit MCS51 mà tiêu biểu là vi điều khiển 8951 của hãng Intel. Kiến trúc này tổ chức không gian bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu hoàn toàn tách biệt, cho phép mở rộng linh hoạt lên tới 64 Kbytes ROM chương trình và 64 Kbytes RAM dữ liệu. Vi điều khiển 8951 hoạt động với thạch anh 12 MHz, chu kỳ máy chuẩn 1 µs, tích hợp 4 Kbytes bộ nhớ flash EEPROM nội, 128 bytes RAM trên chip, 2 bộ định thời 16-bit và 210 bit được địa chỉ hóa riêng biệt, giúp tối ưu hóa khả năng điều khiển bit đơn và xử lý tín hiệu ngoại vi nhanh chóng.

Thứ hai, lý thuyết truyền thông dữ liệu số và định lý lấy mẫu Nyquist-Shannon. Để thu thập và tái tạo chính xác tín hiệu dòng điện và điện áp xoay chiều tần số 50 Hz, tần số lấy mẫu của hệ thống phải thỏa mãn điều kiện lớn hơn ít nhất 2 lần tần số tín hiệu cực đại. Đồng thời, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian được áp dụng thông qua các vi mạch chuyển mạch điện tử như CMOS 4066, giúp thay thế các cơ cấu lọc dải phức tạp của kỹ thuật dồn kênh theo tần số, giảm thiểu 40% chi phí phần cứng và triệt tiêu độ trễ pha.

Nghiên cứu vận dụng 4 khái niệm nền tảng:

• Điện năng hữu công: Tích phân năng lượng tiêu thụ theo thời gian thực dựa trên điện áp và dòng điện tức thời.
• Lấy mẫu và số hóa tín hiệu: Quá trình chuyển đổi tín hiệu tương tự liên tục từ biến áp và biến dòng thành các giá trị số rời rạc.
• Giao tiếp nối tiếp dị bộ UART: Cơ chế truyền nhận dữ liệu từng bit nối tiếp qua thanh ghi SBUF và chân dữ liệu RxD, TxD.
• Bộ nhớ bán dẫn không bay hơi: Ứng dụng công nghệ EEPROM 2864 để duy trì toàn vẹn dữ liệu đo đếm khi mất nguồn điện lưới.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm sơ cấp thu thập trực tiếp từ mô hình đo kiểm phụ tải thực tế với nguồn điện áp danh định 220V xoay chiều và dải dòng điện khảo sát từ 0.5A đến 20A. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 120 chu kỳ đo lường liên tục dưới nhiều trạng thái phụ tải mô phỏng khác nhau, bao gồm tải thuần trở, tải dung và tải cảm có góc lệch pha biến thiên từ 0 đến 60 độ. Phương pháp lấy mẫu phân tầng có chủ đích được lựa chọn nhằm đảm bảo mọi dải công suất tiêu thụ thực tế của hộ gia đình và xí nghiệp nhỏ đều được kiểm chứng với độ tin cậy cao.

Phương pháp phân tích dựa trên thuật toán tích phân số rời rạc kết hợp với việc lập trình trực tiếp bằng tập lệnh hợp ngữ ASM51 trên vi điều khiển 8951. Lý do lựa chọn tập hợp lệnh hợp ngữ thay vì các ngôn ngữ bậc cao là nhằm tận dụng tối đa 255 mã lệnh tối ưu của vi điều khiển, trong đó có 139 lệnh thực thi chỉ trong 1 chu kỳ máy 1 µs và các lệnh nhân chia 4 µs. Điều này giúp bộ xử lý tính toán công suất tức thời theo thời gian thực mà không gây trễ chu kỳ quét tín hiệu từ các đầu dò cảm biến. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu phần cứng, lập trình phần mềm và hiệu chuẩn hệ thống được thực hiện nghiêm ngặt trong khung thời gian 11 tuần.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình chế tạo thử nghiệm và đo kiểm mô hình điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính đã ghi nhận các kết quả kỹ thuật nổi bật:

Thứ nhất, tính ổn định và chuẩn xác của khối vi xử lý trung tâm. Với việc sử dụng thạch anh dao động 12 MHz, xung nhịp điều khiển ALE đạt tần số cố định 2 MHz, đảm bảo khả năng giải đa hợp bus địa chỉ và dữ liệu trên Port 0 thông qua vi mạch chốt 74HC373 với độ trễ chốt dưới 25 ns. Hệ thống không xảy ra hiện tượng mất xung nhịp hay xung đột dữ liệu trong suốt 72 giờ hoạt động liên tục.

Thứ hai, hiệu suất lưu trữ và bảo toàn dữ liệu vượt trội. Việc ứng dụng bộ nhớ EEPROM 2864 dung lượng 8 Kbytes kết hợp với SRAM 6264 dung lượng 8 Kbytes có thời gian truy xuất cực nhanh từ 70 ns đến 100 ns đã mang lại khả năng ghi nhận dữ liệu tin cậy. Thời gian ghi xóa của EEPROM đạt 10 ms cho mỗi từ nhớ, nhanh gấp 5 lần so với thời gian nạp 50 ms của dòng chip EPROM 2764 truyền thống, đồng thời đảm bảo bảo lưu dữ liệu chỉ số điện năng 100% khi ngắt nguồn điện đột ngột.

Thứ ba, tốc độ và chất lượng truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp. Thông qua việc thiết lập thanh ghi điều khiển công suất PCON với bit nhân đôi tốc độ baud SMOD, hệ thống duy trì tốc độ truyền dữ liệu nối tiếp ổn định ở mức 9600 bps. Tỷ lệ lỗi bit thực nghiệm đo được ở mức dưới 0.001% trên cự ly đường truyền hữu tuyến 15 mét nối trực tiếp về cổng COM của máy tính cá nhân.

Thứ tư, nâng cao độ chính xác đo lường điện năng. Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số tổng hợp của thiết bị duy trì ổn định trong khoảng từ 0.8% đến 1.2% trên toàn bộ dải tải từ 100W đến 4400W. So với mức sai số từ 3.0% đến 5.0% của công tơ cơ khí hiện hành, hệ thống đo lường điện tử đã cải thiện độ chính xác hơn 65%, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng tự quay không tải khi điện áp dao động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự vượt trội về độ chính xác của điện năng kế điện tử là việc triệt tiêu hoàn toàn các yếu tố ma sát cơ học của trục quay và lực cản không khí vốn có trong công tơ đĩa cảm ứng. Mọi phép tính tích phân năng lượng đều được số hóa và xử lý trực tiếp bởi các lệnh số học chính xác của vi điều khiển 8951, kết hợp các thanh ghi chức năng chuyên dụng như thanh ghi tích lũy A và thanh ghi B.

Khi so sánh với các nghiên cứu cùng thời kỳ về thiết bị đo số, kết quả của luận văn khẳng định tính khả thi cao trong việc kết hợp giữa phần cứng kinh tế và phần mềm điều khiển tối ưu. Toàn bộ chuỗi dữ liệu thực nghiệm có thể được trực quan hóa thông qua bảng thống kê sai số đo lường theo từng cấp công suất tải và biểu đồ đường biểu diễn sự tương quan tuyến tính giữa năng lượng đo đếm thực tế và dữ liệu hiển thị trên giao diện máy tính với hệ số tương quan tuyến tính R bình phương đạt mức 0.998.

Tuy nhiên, do các linh kiện phần cứng được xây dựng từ các khối rời rạc và cảm biến chế tạo thủ công, độ ổn định của mạch vẫn chịu ảnh hưởng nhỏ bởi nhiệt độ môi trường khi hoạt động kéo dài. Điều này đòi hỏi các giải pháp chuẩn hóa mạch in chuyên dụng và bổ sung thuật toán bù nhiệt trong phần mềm ở các giai đoạn phát triển tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu và những hạn chế thực tế đã được phân tích, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị then chốt nhằm hoàn thiện và ứng dụng mô hình:

• Tích hợp vi mạch chuyên dụng ASIC cho khối đo lường: Thay thế các linh kiện rời bằng vi mạch đo điện năng chuyên dụng kết hợp bộ vi điều khiển hiệu năng cao nhằm giảm kích thước bo mạch phần cứng khoảng 45%, nâng cao độ bền hoạt động với chỉ số thời gian trung bình giữa các lỗi đạt trên 50.000 giờ, lộ trình thực hiện trong vòng 12 tháng do các đơn vị nghiên cứu phát triển phần cứng đảm nhiệm.
• Phát triển giao thức truyền thông tự động tầm xa: Nâng cấp cổng giao tiếp từ chuẩn nối tiếp RS232 điểm - điểm lên mạng công nghiệp RS485 đa điểm hoặc tích hợp module truyền thông vô tuyến sóng ngắn, mở rộng cự ly truyền số liệu từ 15 mét lên 1.200 mét với độ tin cậy truyền gói tin đạt trên 99.5%, triển khai trong 6 tháng bởi đội ngũ kỹ sư nhúng và truyền thông.
• Hoàn thiện thuật toán lọc số và bù sai số phi tuyến: Bổ sung các chương trình con xử lý lọc tín hiệu số trong bộ nhớ ROM nhằm tự động hiệu chỉnh độ lệch pha của biến dòng ở vùng tải thấp dưới 1A, hướng đến mục tiêu giảm sai số đo lường xuống dưới ngưỡng 0.5%, thực hiện trong thời gian 3 tháng bởi các kỹ sư thuật toán.
• Thiết lập quy chuẩn kiểm định và chuyển giao sản xuất hàng loạt: Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật kiểm định đo lường cho công tơ điện tử, đề xuất lộ trình 24 tháng thử nghiệm thực địa trên lưới điện hạ thế và từng bước thay thế công tơ cơ khí theo chỉ đạo của Tập đoàn Điện lực và các cơ quan quản lý tiêu chuẩn đo lường chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng và phần cứng: Tiếp cận phương pháp thiết kế chi tiết về ghép nối bus dữ liệu, bus địa chỉ, giải mã IC nhớ 74HC138 và kỹ thuật chốt địa chỉ qua 74HC373 để ứng dụng vào các thiết bị đo lường số công nghiệp.
• Cán bộ kỹ thuật và quản lý tại các công ty điện lực: Nắm vững nguyên lý hoạt động của hệ thống công tơ điện tử và phương thức truyền thông số liệu nhằm xây dựng phương án hiện đại hóa lưới điện và giảm tổn thất thương mại.
• Giảng viên và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử: Sử dụng làm tài liệu học tập mẫu mực về kiến trúc vi điều khiển dòng MCS51, kỹ thuật dồn kênh thời gian TDM và phương pháp lập trình vi xử lý thời gian thực bằng hợp ngữ.
• Doanh nghiệp sản xuất thiết bị đo lường điện: Tham khảo cơ sở lý thuyết tính toán và sơ đồ nguyên lý mạch để nghiên cứu thương mại hóa các dòng sản phẩm đo đếm thông minh phục vụ thị trường trong nước.

Câu hỏi thường gặp

Vi điều khiển 8951 đóng vai trò gì trong cấu trúc của điện năng kế điện tử? Vi điều khiển 8951 đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm, tiếp nhận tín hiệu số từ khối đầu dò, thực thi các thuật toán tích phân năng lượng theo thời gian thực với chu kỳ máy 1 µs, điều khiển lưu trữ chỉ số vào bộ nhớ và quản lý giao tiếp truyền thông nối tiếp với máy tính qua cổng UART.

Tại sao việc sử dụng bộ nhớ EEPROM 2864 lại vượt trội hơn so với EPROM 2764 truyền thống? Bộ nhớ EEPROM 2864 cho phép xóa và ghi dữ liệu trực tiếp bằng điện ngay trong mạch với độ rộng xung ghi chỉ 10 ms cho mỗi từ nhớ. Điều này vượt trội hoàn toàn so với EPROM 2764 đòi hỏi phải tháo rời khỏi bo mạch và chiếu tia cực tím từ 15 đến 30 phút để xóa toàn bộ dữ liệu.

Kỹ thuật dồn kênh phân chia theo thời gian TDM mang lại ưu thế gì cho hệ thống? Kỹ thuật TDM giúp phân chia đường truyền vật lý cho nhiều kênh tín hiệu thông qua các khe thời gian rời rạc bằng vi mạch chuyển mạch điện tử 4066. Giải pháp này giúp cắt giảm 40% chi phí phần cứng lọc dải phức tạp của phương pháp FDM và đáp ứng chính xác định lý lấy mẫu tín hiệu đo lường.

Hệ thống giải quyết bài toán giao tiếp giữa thiết bị đo và máy tính như thế nào? Hệ thống sử dụng cổng truyền thông nối tiếp dị bộ UART tích hợp sẵn trên chip 8951 qua thanh ghi SBUF và các chân dữ liệu RxD, TxD. Dữ liệu đo đếm được đóng gói và truyền với tốc độ baud 9600 bps, cho phép phần mềm máy tính đọc chỉ số và giám sát phụ tải liên tục theo thời gian thực.

Giải pháp nào giúp khắc phục hiện tượng mất dữ liệu khi xảy ra sự cố mất điện lưới? Hệ thống kết hợp bộ nhớ tĩnh SRAM 6264 có nguồn pin dự phòng và chip EEPROM 2864 lưu trữ không bay hơi. Khi phát hiện sụt áp, vi điều khiển kích hoạt chu trình ngắt ưu tiên để ghi toàn bộ chỉ số điện năng tích lũy vào EEPROM trong vòng dưới 10 ms, bảo toàn dữ liệu an toàn tuyệt đối.

Kết luận

• Luận văn đã hoàn thành toàn diện việc tính toán thông số, thiết kế phần cứng và lập trình hệ thống điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính trên nền tảng vi điều khiển 8951.
• Giải pháp đo lường số hóa giúp nâng cao độ chính xác lên 65% so với công tơ cơ khí truyền thống, khống chế sai số hệ thống ở mức 0.8% đến 1.2%.
• Ứng dụng thành công kỹ thuật dồn kênh thời gian và giao tiếp nối tiếp tốc độ cao 9600 bps, bảo đảm dữ liệu phụ tải được truyền dẫn liên tục và chính xác về máy tính trung tâm.
• Thiết kế hệ thống bộ nhớ kết hợp giữa SRAM và EEPROM giúp loại bỏ 100% rủi ro mất mát dữ liệu chỉ số khi xảy ra sự cố gián đoạn nguồn điện lưới.
• Đóng góp của đề tài tạo tiền đề kỹ thuật quan trọng cho lộ trình số hóa hạ tầng đo đếm năng lượng quốc gia trong giai đoạn 24 tháng tới. Quý độc giả và các đơn vị nghiên cứu hãy tham khảo toàn văn tài liệu kỹ thuật để ứng dụng và phát triển các hệ thống đo lường thông minh tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TÓM LƯỢC CÁC VẤN ĐỀ LÍ THUYẾT LIÊN QUAN ĐỀ TÀI Đề tài : “Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính” có liên quan đến nhiều vấn đề lí thuyết. Nhưng trong phạm vi của một Luận Văn Tốt Nghiệp, người làm đề tài không thể trình bày chi tiết từng vấn đề được, mà chỉ đề cập đến một cách tóm lược nhằm làm cơ sở cho các lí luận sau này. Do vậy nếu các bạn sinh viên nếu có nhu cầu tìm hiểu sâu hơn hãy nên tham khảo trong các tài liệu chuyên môn của ngành. VI ĐIỀU KHIỂN 8951 I.

MÔ TẢ CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA VI ĐIỀU KHIỂN 8951. 1/ Giới thiệu họ MCS51: MCS51 là một họ IC vi điều khiển (Microcontroller ) do hãng Intel sản xuất. Các IC tiêu biểu cho họ MCS51 là 8051 và 8031. Đặc biệt, vi điều khiển 8951 được sản xuất gần đây mang các đặc điểm sau: § 4 Kbytes EEPROM.

§ 2 bộ định thời (timer) 16 bits. § Giao tiếp nối tiếp. § 64 Kbytes không gian bộ nhớ chương trình mở rộng. § 64 Kbytes không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng.

§ Một bộ xử lí luận lí (thao tác trên các bit đơn). § 210 bits được địa chỉ hóa. § Bộ nhân chia 4 ms. 2/ Sơ lược về các chân của 8951: mC 8951 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập.

Trong đó có 24 chân có công dụng kép, mỗi đường có thể hoạt động như đường xuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của bus dữ liệu và bus địa chỉ.1/ Hệ thống giao tiếp port: a/ Port 0: Port 0 là một port hai chức năng trên các chân 32 – 39. Trong các thiết kế cỡ nhỏ (không dùng bộ nhớ mở rộng) nó có chức năng như các đường I/O. Đối với các thiết kế lớn với bộ nhớ mở rộng, nó được hợp kênh giữa bus dữ liệu và byte thấp của bus địa chỉ. b/ Port 1: Port 1 là một port I/O trên các chân 1 – 8.

Các chân được kí hiệu: P1.2 … có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần. Port 1 không có chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài. c/ Port 2: Port 2 là một port công dụng kép trên các chân 21 – 28 được dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng. d/ Port 3: Port 3 là một port công dụng kép trên các chân 10 – 17.

Các chân của port này có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của 8951 như ở bảng sau: Bit Tên Chức năng chuyển đổi P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp P3.1 TXD Dữ liệu phát cho port nối tiếp P3.2 INT0\ Ngắt 0 bên ngoài P3.3 INT1\ Ngắt 1 bên ngoài P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/counter 0 P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/counter 1 P3.6 WR\ Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài P3.7 RD\ Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài 2.2/ Các tín hiệu điều khiển: mC 8951 có 4 tín hiệu điều khiển: a/ PSEN\ (Program Store Enable): PSEN\ là tín hiệu ra trên chân 29. Nó là tín hiệu điều khiển cho phép bộ nhớ chương trình mở rộng, PSEN\ thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc các byte mã lệnh. PSEN\ sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhị phân của chương trình được đọc từ EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8951 để giải mã lệnh.

Nếu thi hành chương trình trong ROM nội (8951) thì PSEN\ sẽ ở mức thụ động (mức cao). b/ ALE (Address Latch Enable): Tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương hợp với các thiết bị làm việc với các vi xử lí 8085, 8088, 8086. mC 8951 dùng ALE một cách tương tự cho việc giải kênh các bus địa chỉ và dữ liệu. Khi port 0 được dùng trong chế độ chuyển đổi: vừa là bus dữ liệu vừa là byte thấp của bus địa chỉ, ALE là tín hiệu để chốt byte thấp địa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nửa đầu chu kì bộ nhớ.

Sau đó, các đường port 0 dùng để xuất nhập dữ liệu trong nửa sau của chu kì bộ nhớ. Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng làm nguồn xung nhịp cho các phần khác của hệ thống. Nếu xung nhịp trên 8951 là 12 Mhz thì ALE có tần số 2 Mhz. Chỉ ngoại trừ khi thi hành lệnh MOVX, một xung ALE sẽ bị mất.

Trong trường hợp là 8051 thì chân này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong chip. Nếu ở mức cao, 8951 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp (4K). Nếu ở mức thấp, chương trình chỉ được thi hành từ bộ nhớ mở rộng. Khi dùng 8031, EA\ luôn được nối mức thấp vì 8031 không có bộ nhớ chương trình trên chip.

Nếu EA\ được nối mức thấp thì bộ nhớ chương trình bên trong 8951 sẽ bị cấm và chương trình chỉ được thi hành từ EPROM mở rộng. Người ta còn dùng EA\ làm chân cấp điện áp 21V khi lập trình cho EEPROM trong 8051. d/ RST (Reset): Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 8951. Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao (trong ít nhất 2 chu kì máy), các thanh ghi bên trong 8951 được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống.

e/ Các ngõ vào bộ dao động trên chip: Như đã thấy trong các hình trên, 8951 có một bộ dao động trên chip. Nó thường được nối với một thạch anh giữa hai chân 18 và 19. Các tụ giữ cũng cần thiết như đã vẽ. Tần số thạch anh thông thường là 12 Mhz.

f/ Các chân nguồn: 8951 hoạt động với nguồn đơn +5V. Vcc được nối vào chân 40 và Vss (GND) được nối vào chân 20. 3/ Tổ chức bộ nhớ: 3.1/ Khảo sát tổ chức bộ nhớ 8951: mC 8951 có bộ nhớ được tổ chức theo cấu trúc Harvard : có những vùng bộ nhớ riêng biệt cho chương trình và dữ liệu. Như đã nói ở trên, cả chương trình và dữ liệu có thể ở bên trong (8951); dù vậy chúng có thể được mở rộng bằng các thành phần ngoài lên đến tối đa 64 Kbytes bộ nhớ chương trình và 64 Kbytes bộ nhớ dữ liệu.

Bộ nhớ bên trong bao gồm ROM (8951) và RAM trên chip bao gồm nhiều thành phần: Phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt. FFFF Bộ nhớ Bộ nhớ chương FFFF dữ liệu trình được chọn FF được qua WR\ và 0000 chọn RD\ 00 qua 0000 PSEN\ Bộ nhớ trên chip Bộ nhớ mở rộng Tóm tắt các vùng bộ nhớ của 8951. Hai đặc tính cần lưu ý là: § Các thanh ghi và các port xuất nhập đã được xếp trong bộ nhớ và có thể được truy xuất trực tiếp giống như các địa chỉ bộ nhớ khác. § Ngăn xếp bên trong RAM nội nhỏ hơn so với RAM ngoài so với bộ xử lí khác.2/ Chi tiết về bộ nhớ RAM trên chip: Như sẽ thấy trong hình sau, RAM bên trong 8951 được phân chia thành các bank thanh ghi (00H – 1FH), RAM địa chỉ hóa bit (20H – 2FH), RAM đa dụng (30H – 7FH) và các thanh ghi chức năng đặc biệt trong khoảng (80H – FFH).

v RAM đa dụng: Mặc dù trên hình cho thấy 80 bytes RAM đa dụng chiếm các địa chỉ từ 30H – 7FH, 32 bytes dưới cùng từ 00H – 1FH cũng có thể được dùng với mục đích tương tự (mặc dù các địa chỉ này đã có mục đích khác). Địa chỉ Địa chỉ byte Địa chỉ bit byte Địa chỉ bit 7F FF RAM đa dụng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ặc định cho R0 – R7 ) 80 87 86 RAM CÁC THANH GHI CHỨC NĂNG ĐẶC BIỆT Tóm tắt bộ nhớ dữ liệu trên chip Mọi địa chỉ trong vùng RAM đa dụng đều có thể được truy xuất tự do dùng cách đánh địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp. Ví dụ, để đọc nội dung ở địa chỉ 5FH của RAM nội vào thanh ghi tích lũy, lệnh sau sẽ được dùng: MOV A, 5FH Lệnh này di chuyển 1 byte dữ liệu dùng cách đánh địa chỉ trực tiếp để xác định “địa chỉ nguồn” (5FH). Đích nhận dữ liệu được ngầm xác định trong mã lệnh là thanh ghi tích lũy A.

RAM bên trong cũng có thể được truy xuất dùng cách đánh địa chỉ gián tiếp qua R0 hay R1. Ví dụ, hai lệnh sau thi hành cùng nhiệm vụ như lệnh đơn ở trên: MOV R0, #5FH MOV A, @R0 Lệnh đầu dùng địa chỉ tức thời để di chuyển giá trị 5FH vào thanh ghi R0, và lệnh thứ hai dùng địa chỉ gián tiếp để di chuyển dữ liệu “được trỏ bởi R0” vào thanh ghi tích lũy. v RAM địa chỉ hóa từng bit: mC 8951 chứa 210 bits được địa chỉ hóa, trong đó 128 bits là ở các địa chỉ byte 20H đến 2FH, và phần còn lại là trong các thanh ghi chức năng đặc biệt. Ý tưởng truy xuất từng bit riêng rẽ bằng phần mềm là một đặc tính tiện lợi của vi điều khiển nói chung.

Các bit có thể được đặt, xóa, AND, OR, … với một lệnh đơn. Trong khi đó, đa số các vi xử lí đòi hỏi một chuỗi lệnh đọc – sửa – ghi để đạt được hiệu quả tương tự. Hơn nữa, các port I/O cũng được địa chỉ hóa từng bit làm đơn giản phần mềm xuất nhập từng bit.