Đồ Án Tốt Nghiệp Về Thiết Bị Đo Các Đại Lượng Điện Dùng Vi Điều Khiển 80535

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Đồ Án Tốt Nghiệp: Thiết Bị Đo Các Đại Lượng Điện Dùng Vi Điều Khiển 80535
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG DẪN NHẬP
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 2. PHẦN I: LÝ THUYẾT KỸ THUẬT ĐO
• 2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA KỸ THUẬT ĐO
• 3. PHẦN II: LÝ THUYẾT THIẾT KẾ
• 4. CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI
• 4.1. Vi điều khiển 80535
• 4.2. IC 74HC14
• 4.3. IC 74LS 138
• 4.4. IC LM324
• 4.5. IC 74LS86
• 5. CHƯƠNG II: CẤU TRÚC KHỐI CỦA THIẾT BỊ ĐO
• 5.1. Mô tả chức năng hoạt động của thiết bị đo
• 5.2. Cấu trúc khối của thiết bị đo
• 5.2.1. Khối chuyển đổi 1
• 5.2.2. Khối chuyển đổi 2
• 5.2.3. Mạch xử lý tín hiệu 2
• 5.2.4. Mạch xử lý tín hiệu 1
• 5.2.5. Mạch xử lý tín hiệu 3
• 5.2.6. Mạch dao động tạo kích cho ngắt
• 5.2.7. Vi điều khiển
• 6. CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ CÁC KHỐI
• 6.1. Khối chuyển đổi 1
• 6.2. Mạch chỉnh lưu
• 6.3. Mạch chuyển đổi 2
• 6.4. Mạch xử lý tín hiệu 3
• 6.5. Mạch xử lý tín hiệu 2
• 6.6. Mạch xử lý tín hiệu 3
• 6.7. Mạch dao động tạo xung kích cho ngắt
• 6.8. Giải đã hợp các đường địa chỉ và dữ liệu
• 6.9. Thiết kế bộ nhớ ROM, RAM
• 6.10. Mạch giải mã hiển thị dùng 8279
• 7. CHƯƠNG TÍNH
• 8. CHƯƠNG KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan Đồ án Thiết bị đo các đại lượng điện VĐK 80535

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và tự động hóa, việc giám sát các thông số điện năng trở nên vô cùng quan trọng. Các thiết bị đo lường truyền thống thường cồng kềnh, chỉ thực hiện được một chức năng duy nhất và thiếu khả năng xử lý, lưu trữ dữ liệu. Đồ án tốt nghiệp “Thiết Bị Đo Các Đại Lượng Điện Dùng Vi Điều Khiển 80535” của sinh viên Trần Thị Chi Lan (2001) ra đời nhằm giải quyết những thách thức này. Đề tài tập trung vào việc ứng dụng kỹ thuật vi xử lý để tạo ra một hệ thống đo lường nhỏ gọn, đa năng và thông minh. Mục tiêu chính là chế tạo một thiết bị có khả năng đo đồng thời nhiều đại lượng điện cơ bản như điện áp, dòng điện, tần số, hệ số công suất và tính toán điện năng tiêu thụ. Trái tim của hệ thống là vi điều khiển 80535, một thành viên mạnh mẽ của họ vi điều khiển 8051 từ Siemens, nổi bật với bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) tích hợp sẵn. Việc sử dụng VĐK cho phép tự động hóa quá trình đo lường và điều khiển, xử lý số liệu bằng phần mềm và hiển thị kết quả một cách trực quan. Đây là một bước tiến so với các phương pháp đo cơ học hoặc analog truyền thống, mở ra xu hướng phát triển các thiết bị đo lường kỹ thuật số hiện đại. Tài liệu gốc nhấn mạnh: "...khâu cơ bản của đề tài là đo lường các đại lượng điện bằng các phương pháp truyền thống nhưng vì các bộ phận xử lý phía sau là thiết bị số cho nên... phương pháp đã có khác đi chút ít nhằm làm tương hợp với thiết bị điện tử."

1.1. Bối cảnh và sự cần thiết của hệ thống đo lường tự động

Nhu cầu giám sát năng lượng trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp đòi hỏi các thông số điện phải được cập nhật tự động, nhanh chóng và chính xác. Các phương pháp đo thủ công không đáp ứng được yêu cầu về tốc độ và khả năng xử lý dữ liệu theo thời gian thực. Đồ án chỉ ra rằng, một hệ thống đo lường điện tự động dựa trên lập trình nhúng có thể giải quyết các vấn đề như xử lý quá áp, quá dòng, phát hiện dòng rò và lưu trữ dữ liệu tiêu thụ. Việc này không chỉ giúp tránh các sự cố bất ngờ mà còn tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, đặc biệt là trong việc ghi nhận điện năng tiêu thụ vào giờ cao điểm và thấp điểm.

1.2. Mục tiêu và giới hạn của đề tài đo lường điện tử

Mục đích chính của đề tài là "thiết kế và thi công một thiết bị đo các đại lượng điện như: dòng, áp, tần số, cosø và điện năng tiêu thụ tại mỗi thời điểm mà các đại lượng này có thể hiển thị cùng một lúc". Thiết bị này hướng tới việc nâng cao tính năng so với các sản phẩm trước đó bằng khả năng tính toán số liệu thu thập được thông qua phần mềm. Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian và kiến thức, đề tài chỉ tập trung vào các chức năng đo lường và hiển thị cơ bản, chưa phát triển các tính năng nâng cao như bảo vệ quá tải hay giao tiếp với máy tính, đây là những hướng phát triển tiềm năng cho tương lai.

II. Phân tích vi điều khiển 80535 Trái tim của thiết bị đo

Lựa chọn linh kiện trung tâm là một quyết định then chốt trong mọi thiết kế hệ thống nhúng. Đối với đồ án này, vi điều khiển 80535 (một sản phẩm của Siemens/Infineon) đã được chọn làm bộ não xử lý. Đây là một vi điều khiển thuộc họ vi điều khiển 8051 nổi tiếng, nhưng được cải tiến với nhiều tính năng vượt trội, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng đo lường và điều khiển. Một trong những ưu điểm lớn nhất của 80535 là việc tích hợp sẵn một bộ chuyển đổi A/D 8 kênh, 8-bit. Điều này giúp đơn giản hóa đáng kể thiết kế phần cứng, giảm chi phí và kích thước mạch, vì không cần sử dụng ADC rời bên ngoài. Bộ ADC này có khả năng chuyển đổi tín hiệu analog từ các cảm biến điện áp và cảm biến dòng điện thành dữ liệu số mà vi điều khiển có thể xử lý. Ngoài ra, 80535 còn có nhiều bộ định thời/bộ đếm (Timer/Counter), các port I/O mở rộng (P4, P5) và bộ xử lý luận lý mạnh mẽ, cho phép thực hiện các phép toán phức tạp để tính toán công suất, hệ số công suất, và điện năng tiêu thụ. Toàn bộ chương trình được phát triển bằng ngôn ngữ Keil C, một môi trường lập trình chuyên nghiệp cho họ 8051, giúp tối ưu hóa mã lệnh và quản lý tài nguyên phần cứng hiệu quả.

2.1. Đặc tính kỹ thuật của VĐK Siemens 80535 và họ 8051

Vi điều khiển 80535 kế thừa toàn bộ kiến trúc và tập lệnh của 8051 nhưng được nâng cấp mạnh mẽ. Các đặc tính nổi bật bao gồm: 256 byte RAM nội, ROM tích hợp (ở phiên bản 80515), 6 port I/O, 4 bộ định thời 16-bit, và 12 nguồn ngắt. Đặc biệt, theo tài liệu, nó có "1 bộ biến đổi A/D 8 bit với 8 ngõ vào đa hợp và điện áp chuẩn có thể lập trình được", cho phép linh hoạt trong việc đo các dải tín hiệu khác nhau. Khả năng tương thích hoàn toàn với SAB 8051 giúp tận dụng được hệ sinh thái công cụ và tài liệu sẵn có.

2.2. Vai trò của bộ chuyển đổi ADC tích hợp trong đo lường

ADC (Analog to Digital Converter) là cầu nối giữa thế giới analog (tín hiệu từ cảm biến) và thế giới số (bộ vi xử lý). Tín hiệu điện áp và dòng điện sau khi qua các khối chuyển đổi vẫn là dạng sóng analog. Bộ ADC tích hợp trong 80535 lấy mẫu các tín hiệu này và chuyển đổi chúng thành các giá trị số. Các giá trị này sau đó được sử dụng trong các thuật toán xử lý tín hiệu số để tính toán ra giá trị hiệu dụng, tần số và độ lệch pha. Việc tích hợp sẵn ADC giúp giảm độ phức tạp của mạch nguyên lý và tăng độ tin cậy cho toàn hệ thống.

III. Hướng dẫn thiết kế phần cứng cho thiết bị đo lường điện

Thiết kế phần cứng là nền tảng vật lý cho toàn bộ thiết bị, quyết định độ chính xác và ổn định của phép đo. Quá trình này bao gồm việc lựa chọn linh kiện, thiết kế sơ đồ nguyên lý, và thi công mạch in. Cấu trúc phần cứng của đồ án được chia thành các khối chức năng rõ ràng để dễ dàng thiết kế và kiểm tra. Khối trung tâm là vi điều khiển 80535, kết nối với các khối phụ trợ. Khối đầu vào bao gồm các mạch chuyển đổi dùng biến áp và biến dòng để hạ áp và giảm dòng từ lưới điện 220V xuống mức an toàn cho vi mạch. Các tín hiệu sau đó được đưa qua khối chỉnh lưu chính xác dùng Op-Amp (IC LM324) để chuyển tín hiệu AC thành DC trước khi đưa vào ADC. Để đo tần số và hệ số công suất, tín hiệu sin được đưa qua mạch sửa dạng sóng để tạo thành xung vuông. Toàn bộ hệ thống được cấp nguồn bởi một mạch nguồn ổn áp 7805. Giao diện người dùng được thực hiện thông qua IC 8279, chuyên dùng để quét bàn phím và điều khiển hiển thị LED 7 đoạn, giúp giảm tải xử lý cho CPU. Quá trình thiết kế mạch in PCB được thực hiện cẩn thận để giảm nhiễu và đảm bảo tín hiệu ổn định.

3.1. Sơ đồ khối tổng quan và chức năng từng thành phần

Sơ đồ khối của thiết bị bao gồm: Khối chuyển đổi (biến áp, biến dòng), khối chỉnh lưu, khối xử lý tín hiệu (sửa dạng sóng, so sánh pha), khối vi điều khiển trung tâm (80535), bộ nhớ ngoài (RAM, ROM), và khối giải mã hiển thị (8279 và LED). Mỗi khối đảm nhiệm một chức năng riêng biệt: khối chuyển đổi lấy tín hiệu từ lưới, khối xử lý chuẩn hóa tín hiệu cho VĐK, VĐK thực hiện tính toán, và khối hiển thị giao tiếp với người dùng. Sự phân chia này giúp hệ thống hoạt động một cách module hóa và hiệu quả.

3.2. Thiết kế mạch nguyên lý và các khối chuyển đổi tín hiệu

Để đo điện áp AC, một biến áp hạ áp được sử dụng. Để đo dòng điện, một biến dòng được mắc nối tiếp với tải. Tín hiệu điện áp và dòng điện sau biến đổi được đưa vào các mạch phân áp và mạch chỉnh lưu chính xác. Tài liệu mô tả chi tiết việc sử dụng Op-Amp LM324 để xây dựng mạch chỉnh lưu toàn sóng chính xác, khắc phục nhược điểm sụt áp trên diode thông thường. Điều này đảm bảo tín hiệu DC đưa vào ADC tỉ lệ tuyến tính với tín hiệu AC đầu vào, tăng độ chính xác của phép đo.

IV. Bí quyết lập trình nhúng cho vi điều khiển 80535 đo lường

Phần mềm là linh hồn của thiết bị, quyết định khả năng tính toán và các tính năng thông minh. Chương trình cho vi điều khiển 80535 được phát triển để thực hiện bốn nhiệm vụ chính: thu thập dữ liệu, xử lý tính toán, quản lý hiển thị và xử lý ngắt. Quá trình thu thập dữ liệu bao gồm việc đọc giá trị từ các kênh ADC để lấy thông tin về biên độ điện áp và dòng điện, đồng thời sử dụng các bộ đếm (Timer) để đo chu kỳ tín hiệu (từ đó suy ra tần số) và đo độ trễ pha giữa dòng và áp (từ đó suy ra hệ số công suất). Sau khi có dữ liệu thô, các thuật toán xử lý tín hiệu số được áp dụng. Ví dụ, giá trị đọc từ ADC là giá trị tức thời, chương trình phải lấy nhiều mẫu và tính toán để tìm ra giá trị hiệu dụng. Điện năng tiêu thụ được tính bằng cách tích lũy công suất theo thời gian, sử dụng một bộ đếm thời gian thực được kích hoạt bởi ngắt. Ngôn ngữ lập trình được sử dụng là Assembly và Keil C, cho phép can thiệp sâu vào phần cứng và tối ưu tốc độ thực thi. Việc mô phỏng Proteus có thể được sử dụng để kiểm tra thuật toán trước khi nạp vào vi điều khiển thực tế.

4.1. Xây dựng lưu đồ thuật toán xử lý tín hiệu số

Lưu đồ chương trình chính được thiết kế theo một vòng lặp vô tận. Trong mỗi vòng lặp, vi điều khiển sẽ lần lượt gọi các chương trình con để đo áp, đo dòng, đo tần số và đo cosφ. Sau khi có đủ các đại lượng, nó sẽ tính toán công suất tức thời và cộng dồn vào biến lưu trữ điện năng tiêu thụ. Lưu đồ cũng bao gồm các nhánh xử lý ngắt. Ví dụ, một ngắt từ bộ định thời được dùng để cập nhật đồng hồ thời gian thực, phục vụ cho việc tính điện năng một cách chính xác.

4.2. Kỹ thuật đọc giá trị ADC và đếm xung đo tần số cosφ

Để đo tần số lưới điện, chương trình cấu hình một bộ đếm (Timer) để đếm số xung clock của vi điều khiển trong một chu kỳ của tín hiệu lưới (sau khi đã được chuyển thành xung vuông). Tần số được tính bằng cách lấy tần số clock chia cho số đếm được. Tương tự, để đo cosφ, chương trình đo khoảng thời gian trễ (Δt) giữa hai thời điểm đi qua điểm 0 của sóng áp và sóng dòng. Góc lệch pha φ được tính từ Δt, và cosφ được tra cứu từ bảng hoặc tính toán trực tiếp, đây là một ứng dụng quan trọng của các bộ định thời trong vi điều khiển 8051.

V. Ứng dụng và kết quả thực tiễn của thiết bị đo điện năng

Sau quá trình thiết kế và thi công, thiết bị đã chứng tỏ được khả năng hoạt động đúng với các mục tiêu đề ra. Sản phẩm cuối cùng là một bộ mạch nhỏ gọn, có khả năng đo và hiển thị đồng thời năm đại lượng điện quan trọng trên màn hình LED 7 đoạn. Thiết bị có thể đo chính xác điện áp AC trong dải lưới điện dân dụng, đo dòng điện qua tải, xác định tần số lưới điện (thường là 50Hz), tính toán hệ số công suất và quan trọng nhất là đo lường điện năng tiêu thụ. Một trong những tính năng nổi bật được đề cập trong tài liệu là khả năng phân biệt và lưu trữ điện năng tiêu thụ trong giờ cao điểm và giờ thấp điểm, một yêu cầu thực tế trong quản lý năng lượng hiện đại. Kết quả đo được so sánh với các thiết bị đo chuyên dụng cho thấy độ chính xác cao, sai số nằm trong giới hạn cho phép. Thành công của đồ án không chỉ tạo ra một sản phẩm hữu ích mà còn là một minh chứng cho tiềm năng ứng dụng của họ vi điều khiển 8051 trong lĩnh vực đo lường, mở đường cho các thiết bị giám sát năng lượng thông minh sau này.

5.1. Hiển thị đa thông số trên màn hình LED 7 đoạn

Giao diện người dùng của thiết bị được thiết kế để hiển thị đồng thời các kết quả đo. Bằng cách sử dụng phương pháp quét LED với IC 8279, vi điều khiển có thể hiển thị các giá trị điện áp (V), dòng điện (A), tần số (Hz), hệ số công suất (cosφ) và điện năng (kWh) trên cùng một dãy hiển thị LED 7 đoạn. Mặc dù không trực quan bằng màn hình LCD hiện đại, giải pháp này rất hiệu quả về chi phí và phù hợp với công nghệ thời điểm đó.

5.2. Phương pháp đo công suất tiêu thụ và điện năng chính xác

Công suất (P) được tính toán bằng phần mềm theo công thức P = U * I * cosφ. Vi điều khiển thực hiện phép nhân các giá trị hiệu dụng của điện áp, dòng điện và hệ số công suất đã đo được. Điện năng tiêu thụ (W) là tích phân của công suất theo thời gian (W = ∫P.dt). Trong môi trường số, phép tích phân này được xấp xỉ bằng một phép cộng dồn: W = Σ(P * Δt). Vi điều khiển liên tục tính công suất và cộng dồn vào một biến đếm sau mỗi khoảng thời gian Δt rất nhỏ, được định thời chính xác bằng ngắt, từ đó cho ra kết quả đo công suất tiêu thụ và điện năng chính xác.

VI. Đánh giá Đồ án và hướng phát triển cho thiết bị đo lường

Đồ án "Thiết bị đo các đại lượng điện dùng vi điều khiển 80535" đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra, là một công trình nghiên cứu khoa học nghiêm túc và có giá trị thực tiễn. Thiết bị đã tích hợp thành công nhiều chức năng đo lường vào một hệ thống duy nhất, nhỏ gọn và tự động hóa, điều mà các thiết bị đo riêng lẻ trước đây không làm được. Ưu điểm lớn nhất của thiết bị là sự linh hoạt nhờ vào lập trình nhúng: các thuật toán đo lường và tính toán có thể dễ dàng được cập nhật và cải tiến mà không cần thay đổi phần cứng. Tuy nhiên, như chính tác giả đã đề cập trong phần kết luận, đề tài vẫn còn một số hạn chế. Thiết bị chưa có các chức năng bảo vệ như tự động ngắt khi quá dòng, quá áp. Khả năng lưu trữ dữ liệu khi mất điện còn phụ thuộc vào nguồn pin dự phòng cho RAM, và chưa có giao thức để truyền dữ liệu đến máy tính hay hệ thống giám sát trung tâm. Những hạn chế này chính là những hướng phát triển quý báu cho các đề tài kế tiếp, mở ra tiềm năng thương mại hóa sản phẩm thành một công tơ điện tử thông minh, đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của lưới điện hiện đại.

6.1. Tổng kết ưu điểm và hạn chế của mô hình thiết kế

Ưu điểm của mô hình là tính tích hợp cao, chi phí hợp lý, độ chính xác đảm bảo và khả năng xử lý số liệu tự động. Việc sử dụng vi điều khiển 80535 với ADC tích hợp là một lựa chọn thiết kế thông minh, giúp tối giản hóa mạch điện. Hạn chế chính nằm ở việc thiếu các cơ chế bảo vệ và khả năng kết nối ngoại vi. Giao diện hiển thị LED 7 đoạn cũng có thể được nâng cấp lên màn hình LCD 16x2 để hiển thị thông tin chi tiết và thân thiện hơn.

6.2. Tiềm năng mở rộng Bảo vệ quá dòng và giao tiếp máy tính

Dựa trên nền tảng của đồ án, các tính năng nâng cao có thể được phát triển. Bằng cách thêm một rơ-le và lập trình logic so sánh, thiết bị có thể tự động ngắt mạch khi phát hiện dòng điện hoặc điện áp vượt ngưỡng an toàn. Thêm vào đó, việc tích hợp một cổng giao tiếp nối tiếp (sẵn có trên họ vi điều khiển 8051) sẽ cho phép thiết bị gởi dữ liệu đo lường đến một máy tính hoặc hệ thống SCADA để giám sát và phân tích từ xa. Đây là những bước đi cần thiết để biến một đồ án sinh viên thành một sản phẩm công nghiệp hoàn chỉnh.