Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống cung cấp và tiêu thụ điện năng dân dụng cũng như công nghiệp, việc giám sát liên tục, chính xác các thông số kỹ thuật điện đóng vai trò then chốt nhằm phát hiện sớm các hiện tượng bất thường như quá áp, quá dòng hay dòng rò, từ đó đưa ra biện pháp xử lý kịp thời để bảo vệ thiết bị. Tại thời điểm nghiên cứu (năm 2001), các thiết bị đo lường truyền thống tại hiện trường phần lớn là các dụng cụ đo chỉ thị kim hoặc chỉ thị số đơn chức năng (chỉ đo riêng rẽ điện áp, dòng điện, tần số hoặc hệ số công suất tại một thời điểm). Đối với điện năng tiêu thụ, thiết bị phổ biến vẫn là công tơ điện cơ khí hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ, không có khả năng phân tách hay lưu trữ điện năng tiêu thụ theo các khung giờ cao điểm và thấp điểm trong ngày.

Từ yêu cầu thực tiễn đó, tác giả Trần Thị Chi Lan đã thực hiện đề tài nhằm xây dựng một thiết bị đo tích hợp số, có khả năng đo lường, tính toán và hiển thị đồng thời nhiều đại lượng điện trên cùng một thiết bị thông qua xử lý phần mềm trên vi điều khiển.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định theo 5 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết kỹ thuật đo và các phương pháp đo lường các đại lượng điện: dòng điện, điện áp, tần số, hệ số công suất ($\cos\varphi$), công suất và điện năng tiêu thụ.
  2. Khảo sát cấu trúc phần cứng, nguyên lý hoạt động và tập lệnh của vi điều khiển Siemens SAB 80535 cùng các vi mạch phụ trợ (IC 8279, LM324, 74HC14, 74LS138, 74LS86, EPROM, RAM).
  3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý và tính toán thông số cho các khối phần cứng: khối chuyển đổi tín hiệu đo, mạch xử lý tín hiệu tương tự, mạch dao động tạo ngắt, mạch vi điều khiển, mạch nhớ và khối giải mã hiển thị.
  4. Xây dựng lưu đồ giải thuật và lập trình toàn bộ hệ thống bằng hợp ngữ (Assembly) trên vi điều khiển 80535 để thu thập dữ liệu từ bộ A/D và bộ đếm, tính toán thông số và điều khiển quét hiển thị.
  5. Thi công lắp ráp phần cứng, thử nghiệm chức năng và đánh giá khả năng hoạt động của thiết bị đo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Lưới điện xoay chiều một pha và các đại lượng điện đặc trưng bao gồm: điện áp hiệu dụng ($U$), dòng điện hiệu dụng ($I$), tần số công nghiệp ($f$), hệ số công suất ($\cos\varphi$) và điện năng tiêu thụ tích lũy ($P_w$).
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm tại Khoa Điện - Bộ môn Điện Tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được thực hiện trong thời gian giới hạn 10 tuần, từ ngày 02/12/2000 đến ngày 03/03/2001.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận được xây dựng trên nền tảng lý thuyết kỹ thuật đo lường điện và các mô hình xử lý tín hiệu điện tử:

  • Phương trình cơ bản của phép đo: $X = A_x \cdot X_0$ (trong đó $X$ là đại lượng cần đo, $X_0$ là mẫu hoặc đơn vị đo chuẩn, $A_x$ là giá trị bằng số thu được). Tác giả hệ thống hóa các cách đo: đo trực tiếp, đo gián tiếp, đo hợp bộ và đo thống kê; phân loại các phương pháp đo thành phương pháp biến đổi thẳng và phương pháp so sánh (so sánh cân bằng, bất cân bằng, đồng thời và không đồng thời).
  • Lý thuyết sai số: Phân loại sai số hệ thống (do thiết bị, môi trường, phương pháp), sai số ngẫu nhiên (phân tích theo phân bố chuẩn Gauss, tính giá trị trung bình $\bar{X}$, độ lệch chuẩn $\sigma$ và giới hạn sai số ngẫu nhiên $4{,}5\sigma$), sai số tuyệt đối ($e_y = |X - X_A|$), sai số tương đối ($e_r$) và xác định cấp chính xác của dụng cụ chỉ thị.
  • Nguyên lý đo lường tín hiệu tương tự và số:
    • Đo điện áp và dòng điện AC: Sử dụng mạch biến đổi trung bình kết hợp khuếch đại thuật toán (Op-Amp) tạo thành mạch chỉnh lưu toàn sóng chính xác, khắc phục triệt để sụt áp ngưỡng $V_D \approx 0{,}6\text{ V}$ của diode bán dẫn thông thường.
    • Đo hệ số công suất $\cos\varphi$: Ứng dụng phương pháp đo khoảng thời gian lệch pha $\Delta t$ giữa tín hiệu dòng điện và điện áp khi đi qua điểm không (zero-crossing), kết hợp cổng logic XOR và bộ đếm xung chuẩn.
    • Đo tần số: Ứng dụng phương pháp đếm xung chuẩn, sử dụng tín hiệu cần đo làm xung mở cổng cho mạch đếm tần số chuẩn tần số cao $f_{ref} = 68\text{ kHz}$ nhằm giảm thiểu sai số đối với tín hiệu tần số thấp ($50\text{ Hz}$).
    • Đo điện năng tiêu thụ: Tích lũy công suất theo công thức $P_w = U \cdot I \cdot \cos\varphi \cdot \Delta t$, rời rạc hóa các phép đo tức thời theo thời gian thực được định thời bởi mạch dao động.

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập, so sánh các phương pháp đo lường truyền thống và kỹ thuật số để chọn phương pháp tối ưu tương thích với vi điều khiển.
  • Phương pháp thiết kế kỹ thuật - thực nghiệm phần cứng: Thiết kế từng module phần cứng rời rạc, tính toán giá trị linh kiện, thi công mạch in và phối hợp trở kháng ngõ vào.
  • Phương pháp mô hình hóa giải thuật và lập trình nhúng: Xây dựng các lưu đồ thuật toán tính toán số học trên hệ nhị phân/thập lục phân, kỹ thuật tra bảng (lookup table) và lập trình bằng hợp ngữ ASM-51.

Nguồn dữ liệu và tài liệu kỹ thuật tham khảo gồm tài liệu tra cứu vi mạch SAB 80535 của hãng Siemens, sổ tay IC số TTL/CMOS, giáo trình Kỹ thuật đo (Nguyễn Ngọc Tân) và tài liệu Vi xử lý trong đo lường và điều khiển (Ngô Diên Tập).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module phần cứng kết hợp chương trình điều khiển thời gian thực trên vi điều khiển.

Kiến trúc phần cứng

Hệ thống phần cứng bao gồm các khối chức năng chính sau:

  1. Khối chuyển đổi điện áp (Khối chuyển đổi 1): Sử dụng máy biến áp hạ áp biến đổi điện áp lưới xoay chiều về mức tín hiệu nhỏ, qua mạch chỉnh lưu toàn sóng chính xác dùng Op-Amp LM324 để đưa về dải điện áp $0 - 2{,}5\text{ V}$ tương thích với ngõ vào kênh A/D tích hợp sẵn của vi điều khiển.
  2. Khối chuyển đổi dòng điện (Khối chuyển đổi 2): Sử dụng biến dòng hạ dòng điện tải (tỉ số biến dòng danh định $200/5\text{ A}$) hoặc điện trở Shunt đối với dòng nhỏ. Tín hiệu dòng được chuyển đổi thành điện áp xoay chiều, qua mạch chỉnh lưu toàn sóng chính xác Op-Amp để đưa vào kênh chuyển đổi A/D.
  3. Khối xử lý tín hiệu lệch pha và tần số: Gồm mạch so sánh qua điểm 0 sử dụng Op-Amp LM324, mạch sửa dạng xung dùng IC Schmitt Trigger 74HC14 tạo tín hiệu xung vuông đồng pha với điện áp ($V_u$) và dòng điện ($V_i$). Hai tín hiệu này được đưa qua cổng logic XOR của IC 74LS86 để tạo ra chuỗi xung có độ rộng tương ứng với khoảng thời gian lệch pha $\Delta t$ giữa dòng và áp.
  4. Khối dao động tạo xung kích ngắt: Sử dụng IC định thời NE555 mắc theo sơ đồ dao động đa hài tạo chuỗi xung chu kỳ $100\text{ ms}$ đưa vào chân ngắt ngoài INT0 của vi điều khiển để cập nhật thời gian thực (giây, phút, giờ).
  5. Khối vi điều khiển trung tâm: Vi điều khiển Siemens SAB 80535 đóng vai trò trung tâm tính toán, lấy mẫu ngõ vào A/D, điều khiển các bộ định thời (Timer 0, Timer 1, Timer 2) để đếm xung và xử lý các chương trình ngắt.
  6. Khối bộ nhớ mở rộng: Do yêu cầu lưu trữ bảng dữ liệu tra cứu và số liệu tiêu thụ điện, hệ thống mở rộng bộ nhớ chương trình ngoài qua chip EPROM và bộ nhớ dữ liệu tĩnh SRAM, kết hợp IC chốt và IC giải mã địa chỉ 74LS138.
  7. Khối hiển thị và bàn phím: Sử dụng vi mạch điều khiển hiển thị/bàn phím chuyên dụng Intel 8279 kết hợp các mạch đệm giải mã để quét và điều khiển 16 LED 7 đoạn, hiển thị đồng thời các đại lượng đo lường.
Tên linh kiện / Khối chức năng Mã hiệu IC Vai trò và thông số kỹ thuật trong hệ thống
Vi điều khiển trung tâm SAB 80535 (Siemens) Xử lý logic, tích hợp bộ A/D $0 - 2{,}5\text{ V}$ (độ phân giải $9{,}8\text{ mV/bit}$), quản lý Timer và ngắt
Mạch tiền xử lý tương tự LM324 Mạch so sánh qua điểm 0 và chỉnh lưu toàn sóng chính xác
Mạch tạo xung vuông đảo 74HC14 Schmitt Trigger sửa dạng sườn xung cho tín hiệu góc pha và tần số
Mạch phát hiện lệch pha 74LS86 Cổng XOR tạo xung độ rộng $\Delta t$ từ hai tín hiệu $V_u$ và $V_i$
Mạch giải mã địa chỉ 74LS138 Giải mã chọn chip cho bộ nhớ mở rộng và IC ngoại vi
Mạch định thời gian thực NE555 Dao động đa hài phát xung $100\text{ ms}$ kích ngắt INT0 đếm giờ - phút - giây
Mạch điều khiển hiển thị Intel 8279 Quét tự động 16 LED 7 đoạn qua địa chỉ điều khiển $8001\text{H}$ và dữ liệu $8000\text{H}$

Cấu trúc chương trình và thuật toán xử lý

Chương trình điều khiển được viết hoàn toàn bằng hợp ngữ ASM-51, tuân thủ các quy tắc toán học số nguyên trên vi xử lý:

  • Thuật toán đo áp: Đọc kết quả từ thanh ghi ADDAT sau khi chuyển đổi A/D kênh 1. Giá trị điện áp hiệu dụng được tính theo tỷ lệ: $$V_1(t) = \frac{4\text{EH} \cdot KQ}{2\text{D}}$$ (trong đó $KQ$ là giá trị số nguyên đọc từ bộ A/D).
  • Thuật toán đo dòng điện: Hệ thống tự động phân tầm. Với dòng điện lớn (kênh 2), giá trị được tính bằng phép nhân hệ số $31\text{H}$ và chia cho $\text{E}1\text{H}$. Với dòng điện nhỏ (kênh 3, độ phân giải $4{,}5\text{ mV/bit}$), hệ thống tính toán theo tỷ lệ điện áp trên miliampe và hiển thị trực tiếp giá trị $\text{mA}$.
  • Thuật toán đo tần số: Bộ định thời Timer 0 hoạt động ở chế độ đếm xung. Tín hiệu chu kỳ của điện áp đóng vai trò tín hiệu mở cổng đếm cho nguồn xung chuẩn $f_{ref} = 68\text{ kHz}$ ($\text{FDE8H}$). Tần số được suy ra từ công thức: $$f_x = \frac{f_{ref}}{N}$$ với $N$ là kết quả đếm của Timer 0.
  • Thuật toán đo $\cos\varphi$: Sử dụng Timer 1 đếm số xung chuẩn trong khoảng thời gian mức cao của ngõ ra cổng XOR. Góc lệch pha cực đại $\varphi = 90^\circ$ tương ứng với số đếm $n = 325$. Sau khi tính góc $\varphi = 90^\circ \cdot \frac{N_x}{325}$, chương trình thực hiện lệnh tra bảng tại vùng nhớ EPROM từ địa chỉ $0300\text{H}$ đến $035\text{AH}$ (chứa 91 giá trị $\cos\varphi$ đã tính sẵn từ $0^\circ$ đến $90^\circ$).
  • Thuật toán tính điện năng: Tích lũy điện năng tiêu thụ dựa trên công thức $P_w = U \cdot I \cdot \cos\varphi \cdot \Delta t$. Do $\cos\varphi$ được lưu dưới dạng số nguyên nhân với 100, kết quả tính được chia tỷ lệ trước khi cộng dồn vào các ô nhớ RAM ngoài:
    • Địa chỉ $7000\text{H} - 7001\text{H}$: Lưu trữ số $\text{kWh}$ trong giờ cao điểm.
    • Địa chỉ $7002\text{H} - 7003\text{H}$: Lưu trữ số $\text{kWh}$ trong giờ thấp điểm.
  • Phân bổ ngắt hệ thống:
    • Ngắt 0 (INT0): Nhận xung từ IC 555 chu kỳ $100\text{ ms}$, phục vụ chương trình con đếm thời gian thực CTDEMGIO (giây - phút - giờ).
    • Ngắt 1 (INT1): Tác động bằng phím ấn, phục vụ chương trình CTMODHTHI để chuyển đổi chế độ xem điện năng giờ cao điểm hoặc thấp điểm trong vòng $5\text{ giây}$.
    • Ngắt 2 (INT2): Tác động bằng phím ấn, phục vụ chương trình CTCHINHGIO để hiệu chỉnh giá trị đồng hồ thời gian thực.

Nội dung chính theo từng chương

Chương dẫn nhập

Tác giả trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa thu thập và hiển thị các đại lượng điện trong dân dụng và sản xuất công nghiệp. Khẳng định xu hướng kết hợp kỹ thuật đo lường với vi điều khiển nhằm tính toán thông số bằng phần mềm. Đặt ra giới hạn đề tài thực hiện trong phạm vi 10 tuần, xác định mục tiêu thiết kế và thi công thiết bị đo hiển thị đồng thời các đại lượng: dòng điện, điện áp, tần số, $\cos\varphi$, điện năng tiêu thụ (tổng hợp và theo giờ cao/thấp điểm). Quy trình nghiên cứu gồm 4 giai đoạn cụ thể: nhận đề tài, thu thập dữ kiện, xử lý dữ kiện và viết báo cáo.

Phần I: Lý thuyết kỹ thuật đo

  • I. Cơ sở lý thuyết của kỹ thuật đo: Phân tích định nghĩa, phương trình cơ bản của phép đo; phân loại các hệ thống đo lường và cách đo (trực tiếp, gián tiếp, hợp bộ, thống kê); so sánh ưu nhược điểm của phương pháp đo biến đổi thẳng và phương pháp đo so sánh (cân bằng, bất cân bằng, đồng thời, không đồng thời). Trình bày cơ sở lý thuyết sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên, phương pháp xử lý thống kê sai số đo lường và định nghĩa cấp chính xác.
  • II. Các cơ cấu chỉ thị trong kỹ thuật đo: Khảo sát nguyên lý hoạt động của chỉ thị cơ điện dựa trên sự cân bằng giữa moment quay $M_q$ và moment cản lò xo $M_c = D \cdot \alpha$; giới thiệu chỉ thị điện tử bằng ống tia điện tử (CRT) và chỉ thị số thông qua mã hóa tín hiệu xung, hiển thị bằng LED 7 đoạn và màn hình tinh thể lỏng (LCD).
  • III. Các hệ thống đo lường: Trình bày cấu trúc tổng quát của hệ thống đo lường tương tự (Analog) và hệ thống đo lường số (Digital), làm rõ vai trò của cảm biến, mạch chế biến tín hiệu, bộ dồn kênh (Multiplexer), bộ biến đổi tương tự - số (ADC) và vi xử lý.

Phần II - Chương I: Giới thiệu một số nguyên lý đo

  • I. Nguyên lý đo dòng, áp DC, AC: Phân tích nguyên lý đo bằng cơ cấu cơ điện (dùng điện trở Shunt cho dòng DC, mạch chỉnh lưu nửa sóng/toàn sóng hoặc cặp nhiệt điện cho dòng AC, biến dòng, biến áp). Phân tích mạch đo số: mạch đo áp DC dùng transistor BJT, JFET, Op-Amp (khuếch đại không đảo, vi sai, chopper quang học); mạch đo áp AC dùng phương pháp chỉnh lưu bán kỳ, toàn kỳ và chỉnh lưu chính xác dùng Op-Amp.
  • II. Các phương pháp đo $\cos\varphi$: Khảo sát các phương pháp đo gián tiếp và trực tiếp: phương pháp 3 Vôn kế, phương pháp phối hợp Vôn kế - Ampe kế - Watt kế, cơ cấu tỉ số kế điện động, phương pháp dùng dao động ký, phương pháp đo khoảng thời gian (kiểu Trigger, kiểu đa hài đồng bộ, phương pháp bù) và phương pháp đếm xung chuẩn.
  • III. Nguyên lý đo tần số: Trình bày nguyên lý cộng hưởng cơ học, cơ cấu từ điện có chỉnh lưu, cầu Wien, cầu "T đôi", phương pháp đếm xung trực tiếp qua cổng AND và phương pháp đếm xung chuẩn $f_{ref} / N$.
  • IV. Nguyên lý đo công suất và điện năng tiêu thụ: Phân tích phương pháp đo công suất DC trực tiếp và gián tiếp; đo công suất xoay chiều một pha bằng Watt kế điện động kết hợp biến dòng và biến áp; cấu tạo và nguyên lý cảm ứng điện từ của công tơ điện cơ truyền thống.

Phần II - Chương II: Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong đề tài

Trình bày sơ đồ chân, sơ đồ khối chức năng và thông số kỹ thuật chi tiết của vi điều khiển Siemens SAB 80535 (kiến trúc MCS-51 mở rộng, tích hợp 8 kênh A/D 8-bit, 3 bộ Timer/Counter, hệ thống ngắt đa dạng). Khảo sát thông số các vi mạch hỗ trợ: vi mạch đảo Schmitt Trigger 74HC14, IC giải mã địa chỉ 3 sang 8 đường 74LS138, vi mạch khuếch đại thuật toán 4 kênh LM324, vi mạch cổng logic XOR 74LS86.

Phần II - Chương III: Cấu trúc khối của thiết bị đo

Mô tả sơ đồ khối chức năng tổng thể của thiết bị. Phân tích chi tiết nhiệm vụ của từng khối: Khối chuyển đổi 1 (áp), Khối chuyển đổi 2 (dòng), Mạch xử lý tín hiệu 1 (chỉnh lưu áp), Mạch xử lý tín hiệu 2 (chỉnh lưu dòng), Mạch xử lý tín hiệu 3 (phát hiện lệch pha và tần số), Mạch dao động tạo xung kích ngắt NE555, và Khối vi điều khiển trung tâm 80535.

Phần II - Chương IV: Thiết kế các khối

Trình bày sơ đồ nguyên lý chi tiết và tính toán linh kiện cho từng khối mạch thực tế:

  • Mạch hạ áp và chỉnh lưu toàn sóng chính xác dùng Op-Amp.
  • Mạch chuyển đổi dòng điện dùng biến dòng/điện trở Shunt và chỉnh lưu chính xác.
  • Mạch so sánh qua điểm 0 và cổng logic XOR tạo xung lệch pha.
  • Mạch dao động tạo xung kích ngắt chu kỳ $100\text{ ms}$ dùng IC 555.
  • Mạch giải đa hợp đường truyền địa chỉ/dữ liệu, thiết kế ghép nối bộ nhớ EPROM và RAM tĩnh.
  • Khối giải mã hiển thị kết nối IC Intel 8279 với giàn 16 LED 7 đoạn (sử dụng 2 chế độ nạp dữ liệu: dịch chuyển tuần tự qua địa chỉ $8000\text{H}$ hoặc ghi trực tiếp từng LED qua byte điều khiển $8001\text{H}$ tương ứng các địa chỉ từ $80\text{H}$ đến $8F\text{H}$).
  • Toàn văn mã nguồn chương trình điều khiển: chương trình chính, chương trình con đo áp, đo dòng ($\text{A}$ và $\text{mA}$), đo tần số, đo $\cos\varphi$, tính điện năng và các chương trình con giải mã BCD, quét LED hiển thị.

Chương kết luận

Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ của thiết bị đo kỹ thuật số; so sánh tính năng với các thiết bị đo truyền thống; nêu rõ các tồn tại về phần cứng và đề xuất các hướng phát triển kỹ thuật trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Chế tạo thành công thiết bị đo đa năng tích hợp trên nền vi điều khiển 80535, cho phép đo lường và hiển thị đồng thời 5 đại lượng điện trên cùng một giàn 16 LED 7 đoạn: điện áp hiệu dụng ($U$), dòng điện hiệu dụng ($I$), tần số ($f$), hệ số công suất ($\cos\varphi$) và điện năng tiêu thụ ($P_w$).
  • Thiết lập và vận hành thành công bộ chuyển đổi A/D nội của vi điều khiển SAB 80535 với dải điện áp đầu vào chuẩn $0 - 2{,}5\text{ V}$, đạt độ phân giải điện áp $9{,}8\text{ mV/bit}$ (cho kênh đo điện áp và dòng lớn) và $4{,}5\text{ mV/bit}$ (cho kênh đo dòng nhỏ).
  • Ứng dụng thành công phương pháp đếm xung chuẩn với tần số nguồn dao động $f_{ref} = 68\text{ kHz}$ ($\text{FDE8H}$) để đo tần số tín hiệu $50\text{ Hz}$, khắc phục triệt để sai số lớn của phương pháp đếm xung trực tiếp ở dải tần số thấp.
  • Số hóa phương pháp đo hệ số công suất: kết hợp phần cứng cổng XOR phát hiện lệch pha với bộ đếm xung chuẩn, đạt độ phân giải $n = 325$ xung tại góc lệch cực đại $\varphi = 90^\circ$, kết hợp bảng tra cứu 91 giá trị $\cos\varphi$ lưu sẵn trong EPROM tại dải địa chỉ $0300\text{H} - 035\text{AH}$.
  • Xây dựng thành công chức năng tính toán và phân loại điện năng tiêu thụ theo 2 biểu giá: giờ cao điểm (lưu tại RAM $7000\text{H} - 7001\text{H}$) và giờ thấp điểm (lưu tại RAM $7002\text{H} - 7003\text{H}$), cho phép người dùng kiểm tra qua phím bấm ngắt ngoài với thời gian hiển thị duy trì $5\text{ giây}$.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Sử dụng giải pháp tiền xử lý tín hiệu tương tự bằng mạch chỉnh lưu toàn sóng chính xác dùng Op-Amp nhằm loại bỏ hoàn toàn sai số phi tuyến do điện áp rơi trên diode.
  • Phối hợp mạch ngoại vi chuyên dụng Intel 8279 để quét hiển thị LED 7 đoạn tự động, giúp giảm tải tối đa chu kỳ xử lý của CPU dành cho các thuật toán tính toán.
  • Sử dụng bảng dữ liệu tính sẵn lưu trong bộ nhớ chỉ đọc (ROM/EPROM) để chuyển đổi từ góc lệch pha $\varphi$ sang $\cos\varphi$, giải quyết bài toán tính hàm lượng giác phức tạp trên vi điều khiển 8-bit mà không cần thư viện toán học nặng.

Đóng góp so với các thiết bị trước

  • Vượt qua giới hạn của các thiết bị đo kim cơ khí và đồng hồ số cổ điển vốn chỉ đo một đại lượng duy nhất tại một thời điểm.
  • Thay thế cơ cấu công tơ điện cơ khí quay đĩa nhôm truyền thống bằng hệ thống đo lường và tính toán điện năng tiêu thụ hoàn toàn bằng bán dẫn và kỹ thuật số, có khả năng phân biệt điện năng tiêu thụ theo khung giờ trong ngày.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được văn bản đề cập

  • Thiết bị chỉ mới làm việc được với điện áp và dòng điện của lưới điện xoay chiều một pha hạ áp, chưa thiết kế để đo hệ thống điện xoay chiều ba pha.
  • Khối hiển thị sử dụng 16 LED 7 đoạn rời rạc làm mạch điện cồng kềnh, kích thước thiết bị lớn và công suất tiêu tán trên mạch hiển thị còn cao.
  • Thiết bị chưa tích hợp các cơ cấu bảo vệ phần cứng tự động như ngắt tải khi xảy ra sự cố quá dòng, quá áp hoặc dòng rò.
  • Thời gian lưu giữ số liệu điện năng và duy trì xung nhịp đồng hồ thời gian thực khi mất điện lưới còn phụ thuộc vào dung lượng nguồn pin dự phòng nhỏ.
  • Giá thành chế tạo phần cứng còn tương đối cao do sử dụng nhiều vi mạch rời và bộ nhớ ngoài (EPROM, SRAM).

Hướng mở rộng nghiên cứu

  • Thiết kế tích hợp thêm module bảo vệ quá dòng, quá áp và mạch tự động đóng lại tải (auto-reclosing) khi các sự cố trên đường dây đã được giải tỏa.
  • Cải tiến bộ đếm thời gian thực sang vi mạch chuyên dụng công suất siêu thấp để duy trì dữ liệu lâu dài khi mất điện nguồn chính.
  • Thay thế toàn bộ giàn LED 7 đoạn bằng màn hình tinh thể lỏng (LCD) nhằm thu nhỏ kích thước vỏ hộp, tăng lượng thông tin hiển thị và tiết kiệm điện năng tiêu thụ của thiết bị.
  • Mở rộng dung lượng bộ nhớ lưu trữ dữ liệu đo đạc nhiều tháng và tích hợp module truyền thông dữ liệu từ xa về trung tâm quản lý của Sở Điện Lực qua sóng mang đường dây điện lực ($50\text{ Hz}$) hoặc mạng truyền số liệu.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận là tài liệu học thuật có giá trị thực tiễn đối với:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Máy tính, Tự động hóa: Tài liệu tham khảo hữu ích cho các đề tài đồ án tốt nghiệp về thiết kế hệ thống nhúng đo lường, thiết bị đo đạc điện tử và các bài toán ghép nối ngoại vi của vi điều khiển họ 8051/80535.
  • Kỹ sư thiết kế phần cứng đo lường công nghiệp: Cung cấp phương pháp thiết kế chi tiết các mạch tiền xử lý tín hiệu tương tự:
    • Sơ đồ nguyên lý và cách tính toán mạch chỉnh lưu toàn sóng chính xác dùng Op-Amp LM324 (Mục IV, Chương IV).
    • Mạch phát hiện lệch pha không dùng biến áp xung mà sử dụng so sánh qua điểm 0 kết hợp cổng logic XOR 74LS86 (Mục VI, Chương IV).
  • Người lập trình hệ thống nhúng 8-bit: Đáng tham khảo về mặt giải thuật hợp ngữ (Assembly) tối ưu:
    • Giải thuật nhân, chia số nguyên đa byte không dấu kết hợp xử lý số dư (Chương IV, phần chương trình).
    • Thuật toán chuyển đổi hệ số Hex sang mã BCD để điều khiển LED 7 đoạn.
    • Kỹ thuật điều khiển và cấu hình vi mạch ngoại vi Intel 8279 ở cả hai chế độ ghi dữ liệu dịch chuyển và ghi trực tiếp theo địa chỉ LED.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển SAB 80535 sử dụng trong đề tài có cấu hình bộ chuyển đổi A/D như thế nào để đọc điện áp và dòng điện?

Bộ chuyển đổi A/D tích hợp của SAB 80535 được tác giả cấu hình làm việc với dải điện áp ngõ vào chuẩn từ $0\text{ V}$ đến $2{,}5\text{ V}$ thông qua thanh ghi DAPR (nạp giá trị $80\text{H}$) và chọn kênh qua thanh ghi ADCON. Tại kênh 1 (đo áp) và kênh 2 (đo dòng điện lớn), độ phân giải của bộ chuyển đổi đạt $9{,}8\text{ mV/bit}$. Khi chuyển sang kênh 3 để đo dòng điện nhỏ ($\text{mA}$), thanh ghi DAPR được cấu hình lại với giá trị $04\text{H}$ để đạt độ phân giải $4{,}5\text{ mV/bit}$. Quá trình chuyển đổi kết thúc khi cờ BUSY được kiểm tra về trạng thái hoàn tất, kết quả được đọc trực tiếp từ thanh ghi ADDAT.

2. Thiết bị thực hiện đo hệ số công suất $\cos\varphi$ bằng phương pháp phần cứng và phần mềm nào?

Về phần cứng, tín hiệu điện áp ($V_u$) và dòng điện ($V_i$) sau khi hạ áp được đưa qua mạch so sánh LM324 và mạch đảo Schmitt Trigger 74HC14 để tạo thành hai xung vuông qua điểm 0. Hai xung vuông này được đưa vào hai ngõ vào của cổng logic XOR (IC 74LS86). Ngõ ra cổng XOR tạo ra một xung dương có độ rộng tỷ lệ thuận với khoảng thời gian lệch pha $\Delta t$. Về phần mềm, xung dương này đóng vai trò tín hiệu mở cổng cho bộ đếm Timer 1 của vi điều khiển 80535 đếm xung chuẩn. Với độ lệch cực đại $\varphi = 90^\circ$, số xung đếm được là $n = 325$. Vi điều khiển tính góc $\varphi = 90^\circ \cdot \frac{N_x}{325}$, sau đó dùng lệnh MOVC A, @A+DPTR để tra giá trị $\cos\varphi$ tương ứng được nạp sẵn trong EPROM tại vùng địa chỉ từ $0300\text{H}$ đến $035\text{AH}$.

3. Tại sao tác giả sử dụng tần số đếm chuẩn $f_{ref} = 68\text{ kHz}$ thay vì đếm số chu kỳ của tín hiệu để đo tần số lưới điện?

Nếu đo tần số bằng phương pháp đếm xung tín hiệu trực tiếp trong thời gian mở cổng $1\text{ giây}$, với tần số công nghiệp $f = 50\text{ Hz}$, sai số $\pm 1$ xung của bộ đếm sẽ dẫn đến sai số tương đối lên tới $2%$. Để khắc phục nhược điểm này, tác giả đảo ngược nguyên lý: sử dụng chu kỳ của tín hiệu cần đo làm tín hiệu mở cổng và đưa chuỗi xung chuẩn có tần số cao $f_{ref} = 68\text{ kHz}$ ($\text{FDE8H}$) vào đếm. Số đếm $N$ thu được rất lớn, do đó khi tính toán $f_x = \frac{f_{ref}}{N}$, độ không chính xác giảm xuống chỉ còn khoảng $\pm 0{,}000025$, giúp phép đo tần số thấp đạt độ chính xác cao.

4. Hệ thống phân chia và quản lý các ngắt ngoài trên vi điều khiển SAB 80535 như thế nào?

Vi điều khiển 80535 được thiết lập cho phép cả 3 ngắt tác động theo cạnh xuống:

  • Ngắt 0 (Địa chỉ $0003\text{H}$): Được kích liên tục từ mạch dao động đa hài NE555 với chu kỳ $100\text{ ms}$, điều khiển chương trình con đếm giờ - phút - giây (CTDEMGIO), cập nhật thời gian thực vào các ô nhớ từ $52\text{H}$ đến $57\text{H}$.
  • Ngắt 1 (Địa chỉ $0013\text{H}$): Tác động bằng phím ấn bên ngoài để thực hiện chương trình CTMODHTHI. Khi nhấn phím, giá trị ô nhớ $50\text{H}$ tăng lên để chọn hiển thị số điện năng tiêu thụ trong giờ cao điểm (nếu biến đếm $= 1$) hoặc giờ thấp điểm (nếu biến đếm $= 2$) trong khoảng thời gian $5\text{ giây}$.
  • Ngắt 2 (Địa chỉ $0011\text{H}$): Tác động bằng phím ấn để thực hiện chương trình con CTCHINHGIO, cho phép người vận hành chỉnh tăng giá trị thời gian thực trực tiếp trên thiết bị.

5. Khối hiển thị 16 LED 7 đoạn được vi mạch Intel 8279 quản lý theo những phương thức nào?

IC 8279 được kết nối với hệ thống vi điều khiển qua cổng địa chỉ điều khiển $8001\text{H}$ và cổng dữ liệu $8000\text{H}$. Tác giả thiết kế 2 chế độ hiển thị:

  1. Dịch chuyển tuần tự: Gửi dữ liệu mới ra địa chỉ $8000\text{H}$, dữ liệu sẽ hiển thị tại LED 1 và dịch chuyển tuần tự dữ liệu cũ sang các LED tiếp theo (LED 16 bị dịch bỏ).
  2. Ghi trực tiếp: Gửi byte địa chỉ điều khiển của từng LED ra địa chỉ $8001\text{H}$ trước khi gửi mã hiển thị ra địa chỉ $8000\text{H}$. Địa chỉ điều khiển của 16 LED được định vị chính xác từ $80\text{H}$ (LED 1) đến $8F\text{H}$ (LED 16), cho phép cập nhật tức thời thông số của từng đại lượng đo mà không làm ảnh hưởng đến các LED khác.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Trần Thị Chi Lan đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp đo lường nhiều thông số điện xoay chiều một pha trên nền tảng vi điều khiển Siemens SAB 80535. Thông qua việc kết hợp mạch tiền xử lý tương tự chính xác (chỉnh lưu Op-Amp, tách pha logic XOR) với các thuật toán hợp ngữ tối ưu, hệ thống cho phép đo và hiển thị đồng thời điện áp, dòng điện, tần số, hệ số công suất và điện năng tiêu thụ phân chia theo khung giờ. Mặc dù còn hạn chế về quy mô một pha và kích thước giàn LED 7 đoạn, công trình thể hiện tư duy thiết kế hệ thống nhúng đo lường hoàn chỉnh, có giá trị học thuật và ứng dụng kỹ thuật thực chất ở thời điểm nghiên cứu.