Chương 1: Tổng Quan Trình bày giới thiệu lý do chọn đề tài, mục tiêu, giới hạn và nội dung nghiên cứu của đề tài. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công đề tài. Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Trình bày tổng quan các yêu cầu của đề tài và thiết kế, tính toán hệ thống bao gồm sơ đồ nguyên lý toàn mạch và từng phần. Chương 4: Thi Công Hệ Thống Trình bày kết quả thi công phần cứng, sơ đồ mạch in PCB, lưu đồ và cách lập trình, thao tác vận hành cũng như kiểm tra các mạch của toàn bộ hệ thống.
Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Trình bày kết quả của quá trình nghiên cứu làm đề tài bao gồm thời gian nghiên cứu, kết quả đạt được, nhận xét, đánh giá về đề tài và tính ứng dụng của đề tài trong thực tiễn. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Trình bày kết quả đạt được so với mục tiêu đề ra từ ban đầu và đưa ra hướng phát triển đề tài được hoàn thiện tốt hơn, đáp ứng nhu cầu của cuộc sống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.
GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2. Biến dòng Máy biến dòng (kí hiệu CT), là một loại “công cụ đo lường dòng điện” được thiết kế nhằm mục đích tạo ra một dòng điện xoay chiều có cường độ tỷ lệ với cường độ dòng điện ban đầu. Máy biến dòng có chức năng làm giảm tải một dòng điện ở cường độ cao xuống cường độ thấp tiêu chuẩn hơn, đồng thời tạo ra chiều đối lưu an toàn nhằm kiểm soát cường độ dòng điện thực tế chạy trong đường dây dẫn. Máy biến dòng có thể làm giảm dòng điện có cường độ cao từ hàng ngàn ampe xuống một mức độ tiêu chuẩn, thông thường, mức độ này dao động trong tỷ lệ là từ 1 đến 5 ampe, nhằm giúp hệ mạch vẫn được vận hành bình thường.
Như vậy, những thiết bị điện nhỏ, thiết bị chuyên đo lường và các vi điều khiển có thể sử dụng kèm CT một cách bình thường, bởi vì chúng được cách ly hoàn toàn khỏi tác động của những dòng điện cao áp. Hiện nay có hàng loạt các thiết bị ứng dụng đo lường và sử dụng máy biến dòng, ví dụ tiêu biểu như thiết bị oát kế, máy đo hệ số công suất, đồng hồ đo chỉ số điện, rơ-le bảo vệ hoặc ví dụ như cuộn nhả trong bộ phận ngắt mạch từ.1: Cấu tạo máy biến dòng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 4 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Máy biến dòng hiện nay có 3 loại cơ bản: “ dạng dây quấn”, “dạng vòng” và “thanh khối”.2: Biến dòng dạng dây quấn Máy biến dòng dạng dây quấn Cuộn sơ cấp của máy biến dòng loại này sẽ được kết nối trực tiếp với các dây dẫn, có nhiệm vụ đo cường độ dòng điện chạy trong mạch. Cường độ dòng điện trong cuộn thứ cấp phụ thuộc vào tỷ số vòng dây quấn của máy biến dòng.
Mối quan hệ giữa tỷ số vòng dây và tỷ số dòng điện là: 𝑁𝑠 𝐼𝑡 = (2.1) 𝑁𝑡 𝐼𝑠 Trong đó: Ns: số vòng dây sơ cấp Nt :số vòng dây thứ cấp It : dòng điện thứ cấp Is : dòng điện sơ cấp Máy biến dòng dạng vòng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 5 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Cường độ dòng điện chạy trong mạch sẽ được truyền và chạy thẳng qua khe cửa hay lỗ hổng của “vòng” trong máy biến dòng. Một số máy biến dòng dạng vòng hiện nay đã được cấu tạo thêm chi tiết “chốt chẻ”, có tác dụng cho lỗ hổng hay khe cửa của máy biến dòng có thể mở ra, cài đặt và đóng lại, mà không cần phải ngắt mạch cố định.3: Biến dòng dạng vòng Máy biến dòng dạng khối Đây là một trong các loại của máy biến dòng hiện nay được ứng dụng trong các loại dây cáp, thanh cái của mạch điện chính, gần giống như cuộn sơ cấp, nhưng chỉ có một vòng dây duy nhất. Chúng hoàn toàn tách biệt với nguồn điện áp cao vận hành trong hệ mạch và luôn được kết nối với cường độ dòng điện tải trong thiết bị điện.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 6 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4: Biến dòng dạng khối 2. Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) Trong các ứng dụng đo lường và điều khiển bằng vi điều khiển bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) là một thành phần rất quan trọng. Dữ liệu trong thế giới của chúng ta là các dữ liệu tương tự (analog).
Ví dụ độ ẩm là 75% và 80%, giữa hai mức giá trị này có vô số các giá trị liên tục mà độ ẩm có được, đại lượng nhiệt độ như thế gọi là một đại lượng analog. Trong khi đó, rõ ràng vi điều khiển là một thiết bị số (digital), các giá trị mà một vi điều khiển có thể thao tác là các con số rời rạc vì thực chất chúng được tạo thành từ sự kết hợp của hai mức 0 và 1. Để vi điều khiển có thể đọc được các đại lượng analog thì chúng ta phải “số hóa” (digitalize) một dữ liệu analog thành một dữ liệu digital. Quá trình “số hóa” này thường được thực hiện bởi một thiết bị gọi là “bộ chuyển đổi tương tự - số hay đơn giản là ADC (Analog to Digital Converter).
Có rất nhiều phương pháp chuyển đổi ADC như là: phương pháp chuyển đổi trực tiếp (direct converting) hoặc flash ADC. Các bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp này được cấu thành từ một dãy các bộ so sánh (như opamp), các bộ so sánh được mắc song song và được kết nối trực tiếp với tín hiệu analog cần chuyển đổi. Một điện áp tham chiếu (reference) và một mạch chia áp được sử dụng để tạo ra các mức điện áp so sánh khác nhau cho mỗi bộ so sánh. Vin là tín hiệu analog cần chuyển đổi và giá trị sau chuyển đổi là các con số tạo thành từ sự kết hợp các mức nhị phân trên các chân Vo.
Do ảnh hưởng của mạch chia áp (các điện trở mắc nối tiếp từ điện áp +5V đến ground), điện áp trên chân âm (chân -) của các bộ so sánh sẽ khác nhau. Trong lúc chuyển đổi, giả sử điện áp Vin lớn hơn điện áp “V-“ của bộ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 7 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT so sánh 1 (opamp ở phía thấp nhất trong mạch) nhưng lại nhỏ hơn điện áp V- của các bộ so sánh khác, khi đó ngõ Vo1 ở mức 1 và các ngõ Vo khác ở mức 0, chúng ta thu được một kết quả số. Một cách tương tự, nếu tăng điện áp Vin ta thu được các tổ hợp số khác nhau.
Với mạch điện có 4 bộ so sánh sẽ có tất cả 5 trường hợp có thể xảy ra, hay nói theo cách khác điện áp analog Vin được chia thành 5 mức số khác nhau. Tuy nhiên, các ngõ Vo không phải là các bit của tín hiệu số ngõ ra, chúng chỉ là đại diện để tổ hợp thành tín hiệu số ngõ ra.5: Mạch flash ADC 2 bit. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 8 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2.1: Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã.
Giá trị nhị phân Giá trị thập phân 00 0 01 1 10 2 11 3 Độ phân giải (resolution): nếu mạch điện có 4 bộ so sánh, ngõ ra digital sẽ có 5 mức giá trị. Tương tự nếu mạch điện có 7 bộ so sánh thì sẽ có 8 mức giá trị có thể ở ngõ ra digital, khoảng cách giữa các mức tín hiệu trong trường hợp 8 mức sẽ nhỏ hơn trường hợp 4 mức. Nói cách khác, mạch chuyển đổi với 7 bộ so sánh có giá trị digital ngõ ra “mịn” hơn khi chỉ có 4 bộ, độ “mịn” càng cao tức độ phân giải (resolution) càng lớn. Khái niệm độ phân giải được dùng để chỉ số bit cần thiết để chứa hết các mức giá trị digital ngõ ra.
Trong trường hợp có 8 mức giá trị ngõ ra, chúng ta cần 3 bit nhị phân để mã hóa hết các giá trị này, vì thế mạch chuyển đổi ADC với 7 bộ so sánh sẽ có độ phân giải là 3 bit. Một cách tổng quát, nếu một mạch chuyển đổi ADC có độ phân giải n bit thì sẽ có 2n mức giá trị có thể có ở ngõ ra digital. Để tạo ra một mạch chuyển đổi flash ADC có độ phân giải n bit, chúng ta cần đến 2n-1 bộ so sánh, giá trị này rất lớn khi thiết kế bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải cao, vì thế các bộ chuyển đổi flash ADC thường có độ phân giải ít hơn 8 bit. Độ phân giải liên quan mật thiết đến chất lượng chuyển đổi ADC, việc lựa chọn độ phân giải phải phù hợp với độ chính xác yêu cầu và khả năng xử lý của bộ điều khiển.
Trong 2 mô tả một ví dụ “số hóa” một hàm sin analog thành dạng digital. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 9 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.6: Tín hiệu tương tự và lượng tử hóa Điện áp tham chiếu (reference voltage): Cùng một bộ chuyển đổi ADC nhưng có người muốn dùng cho các mức điện áp khác nhau, ví dụ người A muốn chuyển đổi điện áp trong khoảng 0-1V trong khi người B muốn dùng cho điện áp từ 0V đến 5V. Rõ ràng nếu hai người này dùng 2 bộ chuyển đổi ADC đều có khả năng chuyển đổi đến điện áp 5V thì người A đang lãng phí tính chính xác của thiết bị.
Vấn đề sẽ được giải quyết bằng một đại lượng gọi là điện áp tham chiếu - Vref (reference voltage). Điện áp tham chiếu thường là giá trị điện áp lớn nhất mà bộ ADC có thể chuyển đổi. Trong các bộ ADC, Vref thường là thông số được đặt bởi người dùng, nó là điện áp lớn nhất mà thiết bị có thể chuyển đổi. Ví dụ, một bộ ADC 10 bit (độ phân giải) có Vref=3V, nếu điện áp ở ngõ vào là 1V thì giá trị số thu được sau khi chuyển đổi sẽ là: 1023x(1/3)=314.
Trong đó 1023 là giá trị lớn nhất mà một bộ ADC 10 bit có thể tạo ra (1023=2 10-1). Vì điện áp tham chiếu ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình chuyển đổi, chúng ta cần tính toán để chọn một điện áp tham chiếu phù hợp, không được nhỏ hơn giá trị lớn nhất của input nhưng cũng đừng quá lớn.