CHƯƠNG 1. THIẾT KẾ MẠCH ĐO ĐIỆN NĂNG 1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch đo Sơ đồ khối chức năng của ổ cắm thông minh như hình 1.1 Sơ đồ khối chức năng mạch đo 1.2 Khối nguồn Điện áp 220 VAC từ jack cắm P1 đi qua module HLK 5M05 biến đổi nguồn 220VAC/5VDC sẽ cho điện áp ra 5VDC. Điện áp 5VDC tiếp tục đi qua ic AMS1117 biến đổi điện áp 5V/3.3V để có được điện áp ra là 3. 1 Downloaded by YEN YEN (nguyenyen.com) lOMoARcPSD|38839596 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn Ngoài ra còn có các linh kiện cầu chì (0.2A), varistor (300V) dùng để bảo vệ quá tải, ngắn mạch, chống sét cho nguồn.
Các tụ điện và cuộn cảm còn lại dùng để lọc nhiễu cho nguồn DC đầu ra. Thông số của các linh kiện này được lựa chọn theo khuyến nghị của nhà sản suất module HLK5M05, IC AMS1117. Dòng tiêu thụ tối đa của atmega328 là 42mA; LCD5110 là 50mA; ADE7753 là 7mA; module ESP32 là 500mA. Như vây với module HLK5M05 công suất ra 5V/5W, và IC AMS1117 3.3W đáp ứng được yêu cầu các khối chức năng còn lại.
Thông số cơ bản của module HLK5M05 và AMS1117/3.3V như bảng bên dưới: Điện áp vào: 100V ~ 240V AC / 50 ~ 60Hz - Điện áp ra: 5V DC - Dòng vào lớn nhất: 200mA - Công suất: 5W - Độ gợn điện áp và nhiễu thấp - Mạch bảo vệ quá tải và ngắn mạch - Nhiệt độ hoạt động : -20℃ ~ +80℃ 2 Downloaded by YEN YEN (nguyenyen.com) lOMoARcPSD|38839596 • Điện áp ngõ ra: 3.3V • Dòng ra tối đa: 1A • Áp ngõ vào: 1.7VDC) • Dạng chân: SOT-223 • Nhiệt độ hoạt động: -40 đến 125 độ C 1.3 Khối đo lường Thông số dòng điện, điện áp, công suất, năng lượng của tải được xác định bằng cách cho tín hiệu điện AC mà tải sử dụng đi qua bộ biến đổi dòng điện, điện áp để đưa vào đầu vào kênh dòng điện, điện áp của ADE7753 để tính toán, xác định thông số dòng điện.1 Khối biến đổi dòng điện Hình 1.3 sơ đồ nguyên lý khối biến đổi dòng điện Dòng điện AC mà tải sử dụng đi qua biến dòng CT1 để hạ giá xuống cỡ Ampe xuống mili Ampe. Dòng điện đầu ra của biến dòng CT1 đi qua điện trở R3 để biến đổi tín hiệu dòng điện hành tín hiệu điện áp trước khi đưa vào đầu vào kênh dòng điện của ADE7753 3 Downloaded by YEN YEN (nguyenyen.com) lOMoARcPSD|38839596 là V1P và V1N. Điện trở, tụ điện còn lại đóng vai trò như mạch lọc thông thấp và giá trị của chúng được lựa chọn theo sơ đồ mẫu trong datasheet của ADE7753 (hình 1. Do hạn chế về thiết bị, tải kiểm chứng nên biến dòng CT của em lựa chọn là loại điến dòng 10A, biến đổi tuyến tính nhất trong pham vi 5A với tỷ số biến đổi là 1000 (5A/5mA).5𝑉 10𝐴 Điện trở 𝑅3 = ÷ = ÷ ≈ 35 𝑜ℎ𝑚, Chọn Điện trở R3 = 33 ohm √2 1000 √2 1000 1/4 W.
Thông số biến dòng ZMCT103C 5A/5mA như bảng bên dưới: Tỷ lệ: 1000 : 1 Sai số góc pha: <20' (100Ω) Dải tuyến tính: 0~10A(100Ω) Điện áp cách ly: 3000V Sai số tuyến tính: ≤0.2 Khối biến đổi điện áp Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý biến đổi điện áp Điện áp AC của tải sử dụng được biến đổi tỉ lệ, hạ áp xuống thông qua biến dòng ZMPT101b và 2 điện trở R4 và R5 trước khi đưa vào kênh điện áp của ADE7753 là V2P 4 Downloaded by YEN YEN (nguyenyen.com) lOMoARcPSD|38839596 và V2N. Các giá trị điện trở, tụ điện còn lại đóng vai trò như mạch lọc thông thấp và giá trị của chúng được lựa chọn theo sơ đồ mẫu trong datasheet của ADE7753. Chọn biến dòng ZMPT101b có cách điện 3000VAC, hệ số biến đổi 2mA:2mA (tỉ lệ 1:1 và tuyến tính nhất khi dòng điện đầu vào là 2mA), tính chọn R5, R4. 𝑉𝑖𝑛 𝐼𝑖𝑛 = 𝑅5 Với điện áp Vin tối đa là 1000V để đảm bảo dòng sơ cấp Iin <10mA thì R5>100k ohm; Đối tượng đo là dòng khoảng 220VRMS, để công suất phía sơ cấp nhỏ nhất và tuyến tính nhất thì chọn dòng định mức Iin = 1.1mA => R5=200k ohm;Công suất tiêu thụ phía sơ cấp là 0.242W nên chọn điện trở R5 có công suất gấp 4 lần = 1W.5 ≤ 𝑅5 √2 R4 theo công thức trên ta sẽ có R4<636 ohm, ta nên chọn R4 nhỏ hơn giá trị này để đảm báo ko vượt quá 0.5 V đầu vào ADE, đồng thời R4<<R2 nên chọn R4=100 ohm (công suất rất nhỏ nên chọn loại 1/4W).
Thông số cơ bản của ZMPT101B như bảng bên dưới Tỉ lệ 1:1 Dải điện áp vào 0-1000V Điện áp cách ly 3000VAC Sai số tuyến tính <0.2% Nhiệt độ hoạt động -40 đến 80 độ C 5 Downloaded by YEN YEN (nguyenyen.3 IC tính toán thông số điện Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý mạch đo thông số điện sử dụng ADE7753 Đầu ra của khối biến đổi đòng điện sẽ đưa vào đầu vào kênh dòng V1P, V1N và đầu ra khối biến đổi điện áp sẽ đưa vào đầu vào kênh áp V2P, V2N của ADE7753. Khi đó ADE7753 sẽ tính toán các thông số như giá trị hiệu dụng của dòng điện, điện áp, công suất tiêu thụ, công suất biểu kiển, tần số… Các thông số điện tính toán được sẽ được lưu vào các thanh ghi bên trong ADE7753 và có thể đọc ra thông qua giao tiếp SPI tương ứng với các trên DIN, DOUT, SCLK, CS [1]. Chân AVDD và AVDD được kết nối với nguồn 5V. Các tụ điện C14, C15 được sử dụng để lọc nhiễu tần số thấp có thể đặt xa IC, tụ C11, C12 để lọc tần số cao nên được đặt gần chân nguồn IC, đảm bảo việc cung cấp đủ dòng điện, tránh sụt áp khi ADE7753 tính toán ở tần số xung nhịp cao.
Cuộn cảm L4 dùng để lọc nhiễu của nguồn cấp digital với nguồn cấp analog. Giá trị của tụ điện C11, C12, C14, C15 được chọn theo sơ đồ mẫu trong datasheet ADE7753. DGND và AGND được ngăn cách bởi ferrit bead để tránh nhiễu của GND digital ảnh hưởng đến GND analog (hình 1. Mạch dao động ngoài gồm X1, C9, C16 cấp cho ADE7753 qua chân CLKOUT, CLKIN được lựa chọn theo sơ đồ mẫu trong datasheet ADE7753.
Tương tự C20, C21 6 Downloaded by YEN YEN (nguyenyen.com) lOMoARcPSD|38839596 kết nối với chân tham chiếu REF cũng được chọn theo sơ đồ mẫu trong datasheet ADE7753. Chân RESET tích cực mức thấp của ADE7753 được nối với nút nhân SW1, điện trở R18. Ngoài ra để giảm xung dao động khi nhấn nút reset thì nút nhấn SW1 được mắc song song với tụ điện C19. Các chân tín hiệu ra DIN, DOUT, CLK, CS, IRQ, SAG, ZX, CF được kết nối với vi điều khiển thông qua các đầu jumper mục đích để tiện cho qua trình nạp code, debug cho vi điều khiển cũng như sử dụng các công cụ như logic analyzer hay osilocode để phân tích tín hiệu SPI.
Điện trở kéo có thể có hoặc không. Các thông số cơ bản của ADE7753 như bảng dưới - Trở kháng đầu vào: 390kω. - Cung cấp hiện tại: 3mA. - Cung cấp điện áp: 4.
- Nhiệt độ hoạt động: -40 ÷ 85 độ C. - Truyền thông nối tiếp SPI.4 Khối xử lý dữ liệu đo Vi điều khiển ATMEA328 sẽ đọc dữ liệu liên quan đến dòng điện, điện áp hiệu dụng, công suất từ thanh ghi ADE7753 thông qua giao tiếp SPI. Sau đó giá trị thanh ghi đọc được sẽ được nhân với hệ số, bù giá trị offset để được kết quả chính xác hơn. Chân RESET của vi điều khiển cũng được nối chung với nút nhấn của mạch RESET ADE7753.
Chân XTAL1,2 nối với thạch anh 16MHz, tụ điện 22pF để cung cấp giao động ngoài. Các chân AVCC, VCC, GND, AREF cung cấp nguồn, điện áp tham chiếu 5V cho vi điều khiển, ngoài ra cũng sử dụng thêm tụ 10uF, 100nF để đảm bảo sự ổn định của nguồn cấp (hình 1. 7 Downloaded by YEN YEN (nguyenyen.com) lOMoARcPSD|38839596 Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý dữ liệu đo Các GPIO còn lại (bao gồm cả chân Analog) được kết nối với các chân giao tiếp SPI của ADE7753 (ngoài ra chân MISO, MOSI, CLK, RST được sử dụng để nạp chương trình bootloader), các chân điều khiển hiển thị LCD5110, các chân TX, RX để giao tiếp với khối wifi (cũng có thể dùng để nạp chương trình người dùng). Để cho mạch đơn gian để cho việc chuyển sử dụng nguồn cấp từ DVCC dùng nguồn 5V (chuyển đổi từ HLK5M05) hay từ 5V USB nạp code thì ta sẽ dùng jumper[2] (hình 1.
Thông số cơ bản của vi điều khiển ATMEGA328P-AU TQFP-32 Core: AVR 8-bit Program Memory Size: 32 KB Flash Data RAM Size: 2 KB EEPROM Size: 1 KB Maximum Clock Frequency: 20 MHz Interface Type: I²C, SPI, UART/USART Number of Programmable I/Os: 23 Number of Timers: 3 Operating Supply Voltage: 1.5V 8 Downloaded by YEN YEN (nguyenyen.com) lOMoARcPSD|38839596 Data Converters: A/D 8x10b Operating Temperature: -40C to + 85C Hình dưới là mạch đo lường điện năng và vi xử lý tính toán điện điện năng (hình 1.7 Mạch đo lường điện năng 1.5 Khối hiển thị LCD5110 Màn hình LCD Graphic Nokia 5110 là loại LCD Graphic đơn sắc với số điểm ảnh 84x84 Pixel được sử dụng trong vô số các ứng dụng hiển thị hình ảnh, text,. được điều khiển bởi vi điều khiển ATMEGA328 sẽ hiểu thị đồng thời các kết quả đo thông số điện hiệu dụng, công suất, điện năng trên màn hình. Ngoài ra do LCD5110 hoạt động với điện áp 3.3V nên khi giao tiếp với các GPIO của ATMEGA328 hoạt động với điện áp 5V thì phải mắc thêm điện trở hạn dòng 1-10k Ohm (hình 1. Các chân chức năng của LCD5110 như bảng bên dưới.
9 Downloaded by YEN YEN (nguyenyen. CE: Chip Enable (Chip Select). DC: Data / Command. DIN: Data In.
VCC: Cấp nguồn 3v3 - 5 Vdc. LIGHT: Chân điều khiển đèn nền. GND: chân Mass, 0Vdc.1 Các chân chức năng LCD5110 1.6 Khối truyền tin qua wifi Sử dụng module ESP32 để giao tiếp, đọc dữ liệu điện năng tính toán được từ vi điều khiển thông qua giao tiếp UART, và điều khiển, giám sát từ xa thông qua wifi. Các thông số cơ bản của esp32 devkit-V1 như bảng bên dưới.
• CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor. Chạy hệ 32 bit • Tốc độ xử lý 160MHZ up to 240 MHz • Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40mhz • RAM: 520 KByte SRAM; 520 KB SRAM liền chip • Wi-Fi: 802.2 BR/EDR and BLE • UART – 3 cổng • Nhiệt độ hoạt động -40 + 85C • Điện áp hoạt động: 2.6V • Số cổng GPIOs : 34 1.7 Khối relay Khi khối truyền tin không dây nhận được tín hiệu điều khiển bật/tắt từ điện thoại qua sóng wifi sẽ thiết lập tín hiệu để điều khiển đóng/cắt relay để bật/tắt tải. Thông số cơ bản của Module 1 Relay 5V Với Opto Cách Ly như bảng bên dưới: 10 Downloaded by YEN YEN (nguyenyen.
