Thiết kế bộ đo và thu thập dữ liệu công tơ điện tử một pha

Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN
--
Em tên là: NGUYỄN PHÚ LÂM, sinh viên lớp 09DT2, Khoa Điện tử- Viễn
thông, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.
Em cam đoan rằng Đồ án này là do chính em thực hiện, không sao chép từ bất cứ
đồ án, đề tài nghiên cứu khoa học nào đã có từ trước. Nếu vi phạm em xin chịu mọi
hình thức kỷ luật của Khoa.
Đà nẵng, ngày 01 tháng 06 năm 2014
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Phú Lâm

Trang 1


Mục lục
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................1
MỤC LỤC................................................................................................................ 2
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT................................................................6
DANH MỤC HÌNH ẢNH.......................................................................................7
LỜI MỞ ĐẦU........................................................................................................10
PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ...................................................................................12
Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN.........................13
1.1 Giới thiệu chương............................................................................................13
1.2 Công suất và năng lượng trong mạch điện xoay chiều.................................13
1.3 Giới thiệu về công tơ điện...............................................................................14
1.3.1 Các loại công tơ điện trên thị trường..........................................................15
Công tơ cơ học 1 pha của EMIC................................................................................15
1.3.2 Các ưu, nhược điểm của công tơ cơ.............................................................16

1.4 Giới thiệu về công tơ điện tử 1 pha.................................................................16
1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý đo đếm điện năng.....................................................17
1.4.2 Ưu điểm của công tơ điện tử........................................................................18
1.5 Mục tiêu đặt ra của đề tài...............................................................................18
1.6 Ý tưởng thực hiện đề tài..................................................................................19
1.6.1 Ý tưởng thực hiện bộ đo...............................................................................19
1.6.2 Ý tưởng thực hiện bộ thu thập dữ liệu........................................................20
1.7 Lý thuyết về hiệu ứng Hall..............................................................................21
1.8 Nhiễu và các cách triệt nhiễu trong mạch điện tử.........................................22
1.8.1 Nhiễu trong mạch điện tử............................................................................22
1.8.2 Triệt nhiễu trong hệ thống điện tử..............................................................24
1.8.2.2 Triệt nhiễu cách chung...................................................................................24
1.12 Kết luận chương.............................................................................................31

Trang 2


Mục lục
Chương 2. TÌM HIỂU CÁC LINH KIỆN TRONG ĐỀ TÀI.............................33
2.1 Giới thiệu chương............................................................................................33
2.2 Vi điều khiển MSP430.....................................................................................33
2.2.1 Tổng quan về dòng vi điều khiển MSP430..................................................33
2.2.2. Không gian địa chỉ.......................................................................................34
2.2.2.1. Flash/ROM....................................................................................................35
2.2.2.2. RAM..............................................................................................................35
2.2.2.3. Những khối ngoại vi......................................................................................35
2.2.2.4. Những thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR).................................................35
2.2.3 Giới thiệu vi điều khiển MSP430F6736.......................................................36
2.3 Giới thiệu LCD 16x2........................................................................................36
2.4 Giới thiệu về EEPROM 24C64.......................................................................37

2.4.1 Các đặc điểm chính.......................................................................................37
2.4.2 Mô tả chân và chức năng.............................................................................37
Bảng 2.1 Chân và chức năng EEPROM..............................................................37
2.5 Giới thiệu IC cảm biến dòng ASC712............................................................37
Bảng 2.2 Chức năng các chân của cảm biến dòng ASC712................................38
2.5.2 Các đặc điểm chính của IC cảm biến dòng ASC712..................................38
2.6 Giới thiệu module RF24L01............................................................................39
Bảng 2.3 Chân và chức năng của module nRF24L01........................................40
Các đặc điểm chính..............................................................................................40
2.7 Kết luận chương...............................................................................................40
Chương 3. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG...............................................................42
3.1 Giới thiệu chương............................................................................................42
3.2 Thiết kế phần cứng..........................................................................................42
3.2.1 Thiết kế bộ đo công tơ điện tử một pha......................................................42

Trang 3


Mục lục
3.2.1.1 Thiết kế khối trung tâm..................................................................................42
3.2.1.2 Thiết kế khối hiển thị.....................................................................................43
3.2.1.3 Thiết kế khối EEPROM và khối RF..............................................................44
3.2.1.4 Thiết kế kênh đo điện áp................................................................................45
3.2.1.5 Thiết kế kênh dòng điện.................................................................................46
3.2.1.6 Thiết kế mạch nguồn......................................................................................47
3.2.2 Thiết kế bộ thu thập dữ liệu.........................................................................51
3.2.2.1 Sơ đồ mạch điện.............................................................................................51
3.2.2.2 Tính toán thiết kế............................................................................................51
3.3 Thiết kế phần mềm..........................................................................................53
3.3.1 Nhiệm vụ của phần mềm..............................................................................53

3.3.2 Thiết kế phần mềm cho bộ đo Công tơ điện tử...........................................54
3.3.2.1 Ý tưởng đo công suất tức thời của thiết bị điện.............................................54
3.3.2.2 Ý tưởng đo điện năng tiêu thụ của thiết bị.....................................................55
3.3.2.3 Sơ đồ thuật toán chương trình chính..............................................................57
3.3.2.4 Các chương trình con quan trọng...................................................................59
3.3.2.5 Thủ thuật phần mềm để khắc phục lỗi phần cứng.........................................65
3.3.3 Thiết kế phần mềm bộ thu thập dữ liệu......................................................66
3.4 Thi công............................................................................................................66
3.4.1 Thi công bộ đo Công tơ điện tử một pha....................................................66
3.4.2 Thi công bộ thu thập dữ liệu........................................................................67
3.5 Kết luận chương...............................................................................................68
Chương 4. KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG........................................69
4.1 Giới thiệu chương............................................................................................69
4.2 Kiểm tra hệ thống............................................................................................69

Trang 4


Mục lục
4.3 Kết luận và hướng phát triển đề tài...............................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................72
PHỤ LỤC...............................................................................................................73

Trang 5


DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ADC

Analog-to- Digital Converter

CPU

Central Processor Unit

CTĐT

Công tơ điện tử

DAC

Digital-to- Analog Converter

EEPROM

Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

I2C

Inter Intergrated Circuit

IC

Intergrated Circuit

LCD

Liquid Crystal Display

MCU

Micro Controller Unit

RAM

Random Access Memory

RF

Radio Frequency

ROM

Read Only Memory

TI

Texas Instrument

RISC

Reduce Intruction Set Computer

SD24

Sigma Delta

SPI

Serial Peripheral Interface

Trang 6


DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Công tơ cơ 1 pha...................................................................................15
Hình 1.2: Cấu tạo của công tơ cơ 1 pha...............................................................15
Hình 1.3 Công tơ điện tử 1 pha DT01P-RF.........................................................17
Hình 1.4 Sơ đồ khối cấu tạo của Công tơ điện tử 1 pha DT01P-RF..................17
Hình 1.5 Sơ đồ khối của bộ đo..............................................................................19
Hình 1.6 Sơ đồ khối của bộ thu thâp dữ liệu.......................................................20
Hình 1.7: Nguyên lý hiệu ứng Hall khi chưa có từ trường (a) và khi có từ
trường (b)...............................................................................................................21
Hình 1.8 Nhiễu trong mạch điện tử......................................................................22
Hình 1.9 Nhiễu vi sai.............................................................................................23
Hình 1.10 Nhiễu cách chung.................................................................................23
Hình 1.11 Cách sử dụng tụ lọc để triệt nhiễu vi sai.............................................24
Hình 1.12 Hoạt động và cấu tạo của cuộn cảm bẫy............................................24
Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động của nguồn ổn áp tuyến tính..............................25
Hình 1.14 Nguyên lý hoạt động của IC nguồn ổn áp xung H34063...................26
Hình 1.15 Mạch nguồn ổn áp xung sử dụng IC H34063.....................................27
Hình 1.16 Dạng tín hiệu mạch nguồn ổn áp xung ở chế độ hoạt động liên tục. 28
Hình 1.17 Mạch nguyên lý của nguồn ổn áp xung..............................................29
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc vi điều khiển MSP430F673xIPN.................................34
................................................................................................................................. 35
Hình 2.2 Tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển MSP430..........................................35
Hình 2.3 LCD 16x2................................................................................................36
Hình 2.4 Module IC cảm biến dòng ASC712.......................................................38

Hình 2.5 Cấu trúc của IC ASC712.......................................................................38
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý module nRF24L01.....................................................39
Hình 3.1 Sơ đồ mạch điện khối trung tâm...........................................................42
Hình 3.2 Mạch reset khối trung tâm....................................................................43
Hình 3.2 Sơ đồ mạch khối hiển thị......................................................................43

Trang 7


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 3.3 Sơ đồ mạch khối EEPROM và khối RF...............................................44
Hình 3.4 Sơ đồ mạch điện kênh điện áp...............................................................45
Hình 3.5 Sơ đồ cầu phân áp dùng cho kênh đo điện áp......................................45
Hình 3.6 Sơ đồ mạch kênh dòng điện...................................................................46
Hình 3.7 Mạch nguồn ổn áp xung sử dụng IC H34063.......................................48
Hình 3.8 Mạch nguồn ổn áp tuyến tính sử dụng IC LM1117.............................50
Hình 3.9 Sơ đồ mạch điện module cầm tay..........................................................51
Hình 3.10 Sơ đồ mạch điện khối nguồn bộ thu thập dữ liệu..............................51
Hình 3.11 Sơ đồ các nút ấn ngoại vi bộ thu thập dữ liệu....................................52
Hình 3.12 Ý tưởng đo điện năng tiêu thụ.............................................................54
Hình 3.13 Quan hệ lượng giác biện luận phương pháp tìm góc pha.................55
Hình 3.14 Mô hình theo thời gian của chương trình chính................................56
Hình 3.15 Sơ đồ thuật toán của chương trình chính...........................................57
Hình 3.16 Sơ đồ thuật toán của chương trình capture_sample..........................58
Hình 3.17 Sơ đồ thuật toán của chương trình system_process..........................58
Hình 3.18 Ý tưởng tìm góc lệch pha sai với tín hiệu thực tế...............................59
Hình 3.19 Cải tiến thuật toán để áp dụng ý tưởng tìm pha vào tín hiệu thực tế
................................................................................................................................. 60
Bảng 3.1 Khảo sát 100 mẫu của thuật toán tìm góc pha sau cải tiến.................61
Hình 3.20 Cách lấy 20 tọa độ đỉnh của tín hiệu điện áp.....................................61

Hình 3.21 Đồ thị kiểm tra hàm tìm góc lệch pha với máy đo chuẩn..................62
Hình 3.23 Nội suy tọa độ đỉnh sai nếu thực hiện với nửa chu kỳ nguyên vẹn...63
Hình 3.24 Phát hiện và loại bỏ bán kỳ không toàn vẹn, thực hiện nội suy trên
bán kỳ nguyên vẹn cho độ chính xác cao.............................................................64
Hình 3.25 Sơ đồ thuật toán chương trình tìm tọa độ đỉnh dòng........................64
Hình 3.26 Sơ đồ thuật toán chương trình tìm tọa độ đỉnh áp............................65
Hình 3.27 Sơ đồ thuật toán bộ thu dữ liệu...........................................................66
Hình 3.28 Mạch hoàn chỉnh bộ đo Công tơ điện tử một pha.............................67
Hình 3.29 Mạch thực tế của module thu dữ liệu.................................................67

Trang 8


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang 9


Lời mở đầu

LỜI MỞ ĐẦU
--
Hiện nay trong ngành điện lực, thiết bị đo đếm chủ yếu phục vụ cho quá
trình mua bán điện chính là công tơ cơ. Sau một thời gian dài được sử dụng,
phương án sử dụng công tơ cơ này bộc lộ khá nhiều nhược điểm như: quá trình thu
thập dữ liệu điện tiêu thụ tốn nhiều thời gian và nhân công…Trong thời gian gần
đây, đã có một vài đơn vị trong nước thiết kế và chế tạo thành công công tơ điện tử.
Bước đầu đưa vào sử dụng nó đã thể hiện được khá nhiều ưu điểm vượt trội so với
công tơ cơ. Tuy nhiên thiết bị công tơ điện tử vẫn còn rất mới mẻ và cần được hoàn
thiện hơn nữa. Mặt khác là sinh viên ngành Điện tử- Viễn thông, với mong muốn

nghiên cứu và chế tạo ra một sản phẩm có tính ứng dụng thực tế, đồng thời được sự
gợi ý của Thầy giáo hướng dẫn nên trong phạm vi đồ án tốt nghiệp này, nhóm tác
giả đã chọn đề tài “THIẾT KẾ BỘ ĐO VÀ THU THẬP DỮ LIỆU CÔNG TƠ
ĐIỆN TỬ MỘT PHA”. Nội dung đồ án gồm có 4 chương:
Chương 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN
Chương 2: TÌM HIỂU CÁC LINH KIỆN TRONG ĐỀ TÀI
Chương 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Phương pháp nghiên cứu thực hiện đề tài là tính toán thiết kế mạch, xây
dựng các lưu đồ thuật toán, thi công lắp ráp và kiểm tra hoạt động của hệ thống.
Sau quá trình thiết kế và thi công cả phần cứng lẫn phần mềm, quá trình thử nghiệm
cho thấy hệ thống hoạt động hệ thống đã hoạt động đúng theo ý tưởng thiết kế ban
đầu. Sai số của Công tơ ở mức 3%. Hệ thống Công tơ điện tử có thể truyền nhận dữ
liệu qua sóng RF ở khoảng cách khoảng 15m khi có vật cản.
Tuy đã cố gắng rất nhiều nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự
góp ý của thầy cô và các bạn để đồ án này được hoàn thiện hơn.

Trang 10


Lời mở đầu

Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Điện tử-Viễn thông,
đặc biệt là Th.S Nguyễn Văn Phòng đã hỗ trợ và tận tình hướng dẫn để chúng tôi
hoàn thành tốt đồ án này.
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Đà nẵng, ngày

tháng

năm

Sinh viên thực hiện

Trang 11


Phân công nhiệm vụ
PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ
1. Phần chung
- Tìm hiểu lý thuyết về công tơ điện tử
- Viết báo cáo, làm slide
- Đo đạc kiểm tra tổng thể
2. Phần riêng
• Nguyễn Phú Lâm
- Thiết kế thi công module thu thập dữ liệu
- Viết chương trình giao tiếp RF
- Viết chương trình cho module thu thập dữ liệu
• Trần Quốc Việt
- Tìm hiểu lý thuyết về mạch nguồn, thiết kế mạch nguồn xung Buck
- Tìm hiểu lý thuyết về nhiễu và triệt nhiễu trong hệ thống điện tử, áp dụng
vào mạch điện tử của CTĐT.
- Xây dựng và viết chương trình tìm góc lệch pha, tìm tọa độ đỉnh tín hiệu.
- Viết chương trình đo đếm điện năng và các thông số của CTĐT.
- Xử lý số liệu, khắc phục sai số hệ thống.
• Lê Công Hồng
- Tìm hiểu lý thuyết công tơ cơ, trình bày báo cáo
- Thiết kế thi công bộ đo, vẽ layout các khối
- Viết chương trình hiển thị LCD, giao tiếp EEPROM

Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN
Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN
1.1 Giới thiệu chương
Trong cuộc sống hiện nay, năng lượng điện có vai trò cực kỳ quan trọng, nó
là xương sống trong mọi lĩnh vực công nghệ hiện đại. Đi liền với nó là đo lường
điện, mà trong đó công tơ điện là một thiết bị quan trọng để đo đếm năng lượng
điện, phục vụ cho quá trình mua bán điện. Chương này chúng tôi sẽ trình lý thuyết
về công suất và năng lượng trong mạch điện xoay chiều một pha (mục 1.2), giới
thiệu tổng quan về công tơ điện (mục 1.3), khái niệm công tơ điện là gì, phân loại
và nêu ưu nhược điểm của mỗi loại công tơ điện hiện nay. Rồi từ đó đưa ra ý tưởng
thực hiện đề tài, đồng thời trình bày các lý thuyết liên quan được vận dụng trong
quá trình thiết kế.
1.2 Công suất và năng lượng trong mạch điện xoay chiều
Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi chỉ giới thiệu lý thuyết công suất và năng lượng
trong mạch điện xoay chiều một pha.
• Công suất trong mạch điện xoay chiều có thể biểu diễn bằng biểu thức sau:
S= P+ jQ
Trong đó: + S là công suất biểu kiến
+ P là công suất tác dụng
+ Q là công suất phản kháng của mạch
- Công suất tác dụng P được dùng để xác định năng lượng điện tiêu thụ trong quá
trình mua bán điện, còn thành phần công suất phản kháng Q thường được dùng để
đánh giá mức độ hiệu quả của các thiết bị điện.
- Công suất tác dụng trong mạch xoay chiều một pha được xác định như là giá trị
trung bình của công suất trong một chu kỳ T:
T

T

1
1
P = ∫ p (t ) dt = ∫ u (t ).i (t ) dt
T 0
T 0

(1.1)

Trong đó: p, u, i là các giá trị tức thời của công suất, điện áp và dòng điện trên tải.
- Trong trường hợp khi điện áp và dòng điện có hình sin thì công suất tác dụng được
tính là :
P = UI cos ϕ

Trong đó: + U, I là các giá trị điện áp và dòng điện hiệu dụng trên tải
+ cos ϕ là hệ số công suất

(1.2)


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN
- Khi hệ số công suất bằng 1(khi tải là thuần trở) => công suất tác dụng sẽ bằng với
công suất biểu kiến.
• Năng lượng trong mạch xoay chiều một pha:
- Năng lượng trong mạch xoay chiều một pha được tính theo biểu thức sau đây:
t2

t2

t1

t1

W = ∫ Pdt = ∫ UI cos ϕ dt

(1.3)

Trong đó: + P = UI cos ϕ là công suất tiêu thụ trên tải
+ t= t2- t1 là khoảng thời gian tiêu thụ điện
Hiện nay, công tơ điện là thiết bị đo năng lượng điện xoay chiều phổ biến
nhất. Nguyên lý cấu tạo của nó dựa trên cơ sở lý thuyết về công suất và năng lượng
đã được trình bày ở trên, sau đây nhóm sẽ giới thiệu kỹ hơn về các loại công tơ điện
hiện nay.
1.3 Giới thiệu về công tơ điện
• Khái niệm: Công tơ điện là chiếc cân định lượng điện năng được cung cấp và tiêu
thụ, làm cơ sở cho việc thanh toán giữa bên mua và bên bán theo các điều khoản đã
được quy định trong hợp đồng mua bán điện. Do đó, có thể nói độ chính xác, tin
cậy và ổn định trong hoạt động của các công tơ đóng vai trò hết sức quan trọng
nhằm đảm bảo quyền lợi cho cả ngành điện và khách hàng trong mua bán điện
năng.
• Phân loại công tơ điện
Dựa vào số pha, có thể chia công tơ điện làm 2 loại:
- Công tơ 1 pha
- Công tơ 3 pha
Dựa vào cấu tạo của công tơ điện, có thể chia làm 2 loại:
- Công tơ cơ học
- Công tơ điện tử


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN

1.3.1 Các loại công tơ điện trên thị trường
Công tơ cơ học 1 pha của EMIC

Hình 1.1: Công tơ cơ 1 pha

Hình 1.2: Cấu tạo của công tơ cơ 1 pha
- Cuộn điện áp: được mắc song song với phụ tải, cuộn này có số vòng dây nhiều,
tiết diện dây nhỏ.
- Cuộn dòng điện: được mắc nối tiếp với phụ tải, cuộn này có số vòng dây ít, tiết
diện dây lớn.
- Đĩa nhôm: được gắn lên trục, tỳ vào trụ có thể quay tự do giữa 2 cuộn dây và quay
tự do giữa khe hở của nam châm vĩnh cửu.
- Hộp số cơ khí: để hiển thị số vòng quay của đĩa nhôm nó được gắn với trục của
đĩa nhôm.


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN
-Nam châm vĩnh cửu: là bộ phận tạo ra mômen cản khi đĩa nhôm quay trong từ
trường của nó.
1.3.2 Các ưu, nhược điểm của công tơ cơ
•Ưu điểm:
- Độ bền cao
- Giá thành rẻ, dễ lắp đặt và sử dụng
•Nhược điểm:
- Vì cấu tạo nên từ các phần từ cơ khí nên dễ gây ma sát và sai sót do các phần tử cơ
khí gây ra.
- Khó tích hợp các công nghệ mới để đo đếm điện năng.
- Khi đọc chỉ số công tơ, nhân viên phải leo trụ do đó cần phải có nhiều nhân công
và nhiều thời gian để thu thập dữ liệu của các công tơ, năng suất lao động thấp, và
có thể xảy ra các tai nạn không mong muốn đối với nhân viên.

- Khó phát hiện được các hành vi gian lận điện năng
1.4 Giới thiệu về công tơ điện tử 1 pha
Hiện nay, trong nước có một vài đơn vị đã sản suất thành công Công tơ điện tử một
pha như Tổng công ty cổ phần Thiết bị điện Việt Nam, Công ty cổ phần Thiết bị
điện Vinasino và Công ty Công nghệ thông tin Điện lực miền Trung. Trong đó, sản
phẩm Công tơ điện tử 1 pha kiểu DT01P-RF là sản phẩm được sử dụng phổ biến
nhất.
Do vậy, trong phạm vi đồ án này chúng tôi sẽ giới thiệu Công tơ điện tử 1 pha kiểu
DT01P-RF do Công ty Công Nghệ Thông Tin Điện lực Miền trung sản xuất.


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN

Hình 1.3 Công tơ điện tử 1 pha DT01P-RF
1.4.1 Cấu tạo và nguyên lý đo đếm điện năng
Sơ đồ khối cấu tạo:

A

V

Kênh
dòng điện

Kênh
điện áp

LCD
Khối
đo

đếm
năng
lượng

Vi
điều
khiển
(MCU)

Cổng giao
tiếp RF
RS232

Khối cấp và quản lý nguồn
3V3
Hình 1.4 Sơ đồ khối cấu tạo của Công tơ điện tử 1 pha DT01P-RF
Nguyên tắc đo đếm điện năng:
- Công tơ hoạt động trên lưới điện một pha trực tiếp.


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN
- Khi công tơ làm việc thì các tín hiệu điện áp và dòng điện được lấy mẫu riêng biệt
bằng các khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. MCU sử dụng các dữ
liệu tức thời này để tính toán các giá trị điện áp, dòng điện, công suất, tính toán và
tích lũy điện năng tiêu thụ, hiển thị lên màn hình LCD, lưu trữ dữ liệu khi cần thiết.
- Điện năng tiêu thụ được lưu trữ trong bộ nhớ không xóa, không lập trình, không bị
mất dữ liệu khi mất điện.
1.4.2 Ưu điểm của công tơ điện tử
So sánh với công tơ cơ, công tơ điện tử có nhiều ưu điểm vượt trội như:
- Độ chính xác công tơ điện tử cao hơn so với công tơ điện cơ, hoạt động tin cậy, ổn

định, kết cấu nhỏ gọn, thuận tiện trong việc lắp đặt.
- Dễ dàng trong việc lưu trữ, xử lý dữ liệu
- Hỗ trợ đọc chữ số công tơ thông qua sóng RF, do đó giảm chi phí nhân công và
thời gian thu thập dữ liệu điện tiêu thụ từ các công tơ, góp phần hạn chế tai nạn lao
động, hạn chế được những sai sót phát sinh trong quá trình thu thập dữ liệu thủ
công.
1.5 Mục tiêu đặt ra của đề tài
Dựa vào phân tích các loại công tơ đã trình bày ở trên, chúng ta thấy rằng
Công tơ điện tử có những ưu điểm vượt trội so với Công tơ cơ. Do đó, với mục đích
nghiên cứu, thiết kế và thi công một thiết bị Công tơ điện tử có các tính năng nổi
trội có thể khắc phục các nhược điểm của Công tơ cơ, nhóm đặt ra mục tiêu của đề
tài “THIẾT KẾ BỘ ĐO VÀ THU THẬP DỮ LIỆU CÔNG TƠ ĐIỆN TỬ MỘT
PHA” như sau:

• Mục tiêu đối với bộ đo:
- Thiết kế bộ đo có khả năng đo công suất tải 220VAC, dòng tải nhỏ hơn 10A.
- Thiết kế bộ đo có khả năng giao tiếp không giây với bộ thu thập dữ liệu.
- Thiết kế bộ đo có khả năng gửi các thông số độ lệch pha, công suất tức thời, dòng
điện và điện áp hiệu dụng, tần số điện năng tiêu thụ đến bộ thu thập dữ liệu.
- Thiết kế bộ đo hoạt động ổn định và có sai số nhỏ hơn 3%.
- Tạo ra bộ đo công tơ điện tử có thể phục cho nghiên cứu và học tập.

• Mục tiêu đối với bộ thu thập dữ liệu


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN
- Thiết kế bộ thu thập dữ liệu giao tiếp với bộ đo, nhận các thông số độ lệch pha,
công suất tức thời, dòng điện và điện áp hiệu dụng, điện năng tiêu thụ từ bộ đo.
1.6 Ý tưởng thực hiện đề tài
1.6.1 Ý tưởng thực hiện bộ đo

Xuất phát từ công thức P=UIcos(φ), nhóm nhận thấy để tìm được công suất
P thì cần biết ba đại lượng U, I và φ. Trong đó, góc lệch pha φ có thể tính được khi
biết được dạng tín hiệu của dòng điện và điện áp. Vậy phải sử dụng vi điều khiển có
ít nhất hai kênh ADC để thực hiện lấy mẫu u(t) và i(t).
Nhu cầu giao tiếp không dây trong đề tài này có khoảng cách vừa phải nên
nhóm quyết định sử dụng module RF để thực hiện chức năng giao tiếp không giây.
Từ ý tưởng như trên nhóm đưa ra sơ đồ khối bộ đo Công tơ điện tử như sau:

Hình 1.5 Sơ đồ khối của bộ đo
Nhiệm vụ các khối:
-Kênh đo dòng điện: Khối này có nhiệm vụ biến đổi dòng diện qua tải thành mức
điện áp tương ứng để đưa vào bộ chuyển đổi tương tự sang số của MCU
- Kênh đo điện áp: Có nhiệm vụ phân áp từ điện áp lưới cung cấp cho tải để chuyển
thành mức điện áp phù hợp với thang điện áp hoạt động của bộ chuyển đổi tương tự
số của MCU
- Khối MCU: Là khối xử lý trung tâm của hệ thống, có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ
kênh dòng điện và điện áp sau đó chuyển đổi sang tín hiệu số, tính toán công suất
tiêu thụ. Giao tiếp với khối RF để truyền dữ liệu thông qua sóng RF. Giao tiếp với


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN
EEPROM để ghi và đọc giá trị điện năng tiêu thụ, chống mất dữ liệu khi mất điện.
Giao tiếp với LCD để hiển thị các thông tin cần thiết cho người sử dụng.
- Khối LCD: Hiển thị chỉ số điện năng tiêu thụ của công tơ.
- Khối RF: Là kênh giao tiếp RF của hệ thống, hoạt động ở cả 2 chế độ truyền và
nhận.
- Khối EEPROM: lưu dữ liệu điện năng tiêu thụ, đảm bảo dữ liệu không bị xóa khi
mất nguồn cung cấp.
- Khối nguồn: Có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống.
1.6.2 Ý tưởng thực hiện bộ thu thập dữ liệu

Hình 1.6 Sơ đồ khối của bộ thu thâp dữ liệu
Chức năng các khối:
-Khối Vi điều khiển: Là khối xử lý, điều khiển trung tâm của bộ thu thập dữ liệu.
Giao tiếp với khối RF để nhận dữ liệu thông qua sóng RF. Đồng thời xử lý dữ liệu,
hiển thị ra LCD. Giao tiếp với khối ngoại vi để người sử dụng có thể điều khiển các
thông tin hiển thị khác nhau.
-Khối LCD: Hiển thị các thông tin như mã số công tơ, điện năng tiêu thụ, điện áp,
dòng điện định mức, góc lệch pha, tần số điện.
-Khối RF: Là kênh giao tiếp RF với bộ đo công tơ điện, hoạt động ở chế độ nhận.


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN
-Khối nguồn: Có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho module cầm tay( sử dụng pin 9V).
1.7 Lý thuyết về hiệu ứng Hall
Trong đề tài này, ở kênh đo dòng điện chúng tôi đo dòng điện qua tải bằng cảm biến
dòng ASC712 hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, do đó sau đây chúng tôi sẽ giới
thiệu về lý thuyết hiệu ứng Hall.
• Khái niệm:
- Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ
trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn
điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó ta nhận được hiệu
điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu
thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật
liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng này được khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào
năm 1879.

Hình 1.7: Nguyên lý hiệu ứng Hall khi chưa có từ trường (a) và khi có từ trường (b)
- Hình 1.7(a) thể hiện nguyên lý cơ bản của hiệu ứng Hall. Nếu một tấm vật liệu bán
dẫn mỏng (phần tử Hall) có dòng điện chạy qua nó và ta kết nối ngõ ra vuông góc

với chiều của dòng điện, khi không có từ trường đặt vào, sự phân bố dòng sẽ không
đổi và không có sự khác biệt về điện áp ở ngõ ra.
- Khi đặt một từ trường vuông góc vào như hình (b), một lực Lorent tác dụng lên
dòng điện. Lực này sẽ làm nhiễu loạn sự phân bố dòng điện, kết quả là tạo sự khác
biệt về điện áp ở ngõ ra. Điện áp này được gọi là điện áp Hall.
Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường là:
VH= IB/(den)
Trong đó: + VH là hiệu thế Hall .
Đơn vị: Volt (V)


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN
+ I là cường độ dòng điện.
Đơn vị: Ampere (A)
+ B là cường độ từ trường .
Đơn vị : Tesla (T)
+ d là độ dày của thanh Hall .
Đơn vị : Mét (m)
+ e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall.
Đơn vị: Coulomb (C)
+ n mật độ các hạt mang điện trong thanh Hall.
Đơn vị: 1/m3
1.8 Nhiễu và các cách triệt nhiễu trong mạch điện tử
Trong bất kỳ một mạch điện tử nào, độ ổn định của mạch luôn là vấn đề
được quan tâm hàng đầu, đặc biệt là trong các hệ thống đo lường, do đó vấn đề
chống nhiễu để đảm bảo độ ổn định cho mạch là rất quan trọng. Trong phần này,
nhóm sẽ giới thiệu lý thuyết về nhiễu và các cách chống nhiễu trong mạch điện tử
để làm cơ sở cho quá trình thiết kế các mạch điện tử trong đề tài.
1.8.1 Nhiễu trong mạch điện tử
Nhiễu gồm rất nhiều loại được chia theo nhiều khía cạnh khác nhau, trong đề

tài này vì đặc điểm của thiết bị CTĐT được sử dụng trong điều kiện ngoài trời, dễ bị
tác động bởi nhiều nguồn nhiễu khác nhau, vậy nên trong đề tài này nhóm sẽ xem
xét các nguồn nhiễu dựa trên nguồn gây nhiễu và cách thức tác động của nguồn gây
nhiễu đối với hệ thống điện tử.

Hình 1.8 Nhiễu trong mạch điện tử


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN
Nếu chia theo nguồn gây nhiễu thì có thể chia nhiễu là làm hai loại như hình 1.8,
bao gồm nhiễu vi sai và nhiễu cách chung.
1.8.1.1 Nhiễu vi sai
Là loại nhiễu có cùng điểm đất với mạch điện tử, ở trong mạch điện tử nó sẽ
tạo ra dòng điện khép kín đi từ nơi có điện áp cao về nơi có điện áp thấp.

Hình 1.9 Nhiễu vi sai
Loại nhiễu này thường được gây ra bởi các thiết bị trong chính hệ thống điện tử,
hoặc là do nhiễu ở nguồn cung cấp cho hệ thống điện tử.
1.8.1.2 Nhiễu cách chung
Là loại nhiễu khác điểm đất với mạch điện tử, ở trong mạch điện tử nó không
tạo ra dòng điện khép kín mà sẽ đi cùng chiều trên tất cả các điểm của mạch về
điểm đất của nó, tức là dòng điện do nhiễu gây ra sẽ đi song song cùng chiều trên
các đường tín hiệu của hệ thống điện tử.

Hình 1.10 Nhiễu cách chung
Loại nhiễu này thường được gây ra bởi các hệ thống điện tử khác đặt lân cận hệ
thống điện tử đang xét.


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN

1.8.2 Triệt nhiễu trong hệ thống điện tử
1.8.2.1 Triệt nhiễu vi sai
Một phương pháp triệt nhiễu vi sai phổ biến mà được dùng trong hầu hết các
hệ thống điện tử đó là sử dụng tụ điện và cuộn cảm được mắc như hình 1.11.

Hình 1.11 Cách sử dụng tụ lọc để triệt nhiễu vi sai
Tụ điện C và cuộn cảm L phải được thiết kế sao cho đối với tần số làm việc bình
thường của mạch thì dung kháng tụ C rất lớn và cảm kháng của cuộn cảm L rất bé
cho nên mạch vẫn hoạt động bình thường. Đối với tần số nhiễu thì lúc này dung
kháng tụ C rất bé còn cảm kháng của cuộn cảm L lớn, lúc đó tụ C được xem như là
nối tắt nên tín hiệu nhiễu sẽ qua tụ về điểm mass, còn trở kháng cuộn cảm rất lớn để
cách ly nguồn nhiễu với tải, do đó bảo vệ hệ thống điện tử trước ảnh hưởng của
nhiễu.
1.8.2.2 Triệt nhiễu cách chung
Trong đề tài này nhóm xin giới thiệu phương pháp triệt nhiễu cách chung sử
dụng cuộn cảm bẫy. Cấu tạo của cuộn cảm bẫy gồm hai cuộn cảm được ghép cùng
chiều và chung lõi như hình sau:

Hình 1.12 Hoạt động và cấu tạo của cuộn cảm bẫy
- Khi hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu cách chung thì bên trong hai cuộn cảm
sinh ra một từ thông cùng chiều, do đó từ thông trong lõi cuộn dây bị biến thiên


Chương 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CÔNG TƠ ĐIỆN
mạnh, điều này gây ra một sức điện động lớn đặt vào hai đầu cuộn dây E = L

dφ
, có
dt

nghĩa là trở khảng của cuộn dây khi đó tăng lên rất lớn, do đó toàn bộ năng lượng
do nhiễu gây ra sẽ được đặt hết lên cuộn dây bẫy, do đó bảo vệ được hệ thống điện
tử khỏi ảnh hưởng của nhiễu cách chung.
- Khi hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu vi sai thì bên trong hai cuộn dây sẽ tạo ra
hai từ thông ngược chiều nhau có độ lớn bằng nhau, hai từ thông ngược chiều sẽ
triệt tiêu nhau bên trong lõi chung của hai cuộn dây, do đó hầu như không có sự
biến thiên từ trường nào vậy nên suất điện động đặt vào hai cuộn dây gần như bằng
không, cảm kháng hai đầu của cuộn dây bằng không, vậy nên không ảnh hưởng gì
đến hoạt động của hệ thống điện tử.
1.9 Lý thuyết về mạch nguồn
Mạch nguồn là một phần kinh điển trong hệ thống điện tử, để có một hệ
thống điện tử tốt thì nhất thiết phải có mạch nguồn ổn định. Vậy nên ở phần này
nhóm xin giới thiệu những hiểu biết của nhóm về các loại mạch nguồn để từ đó đưa
ra phương án thiết kế nguồn cho CTĐT.
1.9.1 Nguồn ổn áp tuyến tính
Đặc điểm:
- Là loại mạch nguồn sử dụng Opamp để ổn định điện áp ngõ ra, Opamp so sánh
được dùng để điều khiển một BJT làm việc ở vùng tuyến tính, khi hoạt động thì
Opamp và BJT dường như hoạt động liên lục nên điều này gây công suất tiêu tán
trên mạch lớn nhưng bù lại chất lượng điện áp ngõ ra ổn định. Nguyên lý hoạt động
của loại nguồn này được mô tả như hình dưới.

Hình 1.13 Nguyên lý hoạt động của nguồn ổn áp tuyến tính
Từ sơ đồ nguyên lý trên ta thấy điện áp ở ngõ vào phải lớn hơn điện áp ngõ ra mong
muốn, trong quá trình hoạt động lượng năng lượng ứng với lượng điện áp chênh
lệch này sẻ bị tiêu tán trên mạch regulator, nên nhược điểm của mạch này là tiêu tán