(Đồ án tốt nghiệp) đo lường và giám sát hệ thống điện trong hộ gia đình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐO LƯỜNG VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG
ĐIỆN TRONG HỘ GIA ĐÌNH

GVHD: NGUYỄN MẠNH HÙNG
SVTH: TRẦN VĂN TUẤN
MSSV: 13141415

SKL006523

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2018


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

ĐO LƯỜNG VÀ GIÁM SÁT HỆ
THỐNG ĐIỆN TRONG HỘ GIA

ĐÌNH
GVHD: TS.Nguyễn Mạnh Hùng
SVTH: Trần Văn Tuấn


Tp. Hồ Chí Minh – 01/2018


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

ĐO LƯỜNG VÀ GIÁM SÁT HỆ
THỐNG ĐIỆN TRONG HỘ GIA ĐÌNH

GVHD: TS.Nguyễn Mạnh Hùng
SVTH: Trần Văn Tuấn

Tp. Hồ Chí Minh – 01/2018


LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dựa vào
một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình nghiên
cứu đã có trước đó. Nếu không đúng như đã nêu trên, chúng tôi xin hoàn toàn
chịu trách nhiệm về đề tài của mình.

Người thực hiện đề tài
Huỳnh Níc Pho
Trần Văn Tuấn

i


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, chúng em đã nhận được nhiều sự giúp
đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.Nguyễn Mạnh Hùng, giảng viên
khoa Điện – Điện Tử người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo chúng em trong suốt
quá trình làm khoá luận.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung, các thầy cô trong Bộ môn Điện Tử Công
Nghiệp -Y Sinh nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng
như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo
điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo
điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn
thành khoá luận tốt nghiệp.

Người thực hiện đề tài
Huỳnh Níc Pho
Trần Văn Tuấn

ii


MỤC LỤC
NỘI DUNG

Trang

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..................................................................................
LỊCH TRÌNH LÀM ĐỒ ÁN TỐTNGHIỆP.......................................................................
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................................................... ii
MỤC LỤC........................................................................................................................................................ iii
DANH MỤC HÌNH........................................................................................................................................ v
DANH MỤC BẢNG................................................................................................................................... vii
TĨM TẮT ĐỀ TÀI..................................................................................................................................... viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..................................................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề............................................................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu.................................................................................................................................................. 2
1.3 Nội dung nghiên cứu.......................................................................................................................... 2
1.4 Giới hạn................................................................................................................................................... 2
1.5 Bố cục...................................................................................................................................................... 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................................... 4
2.1. Giới thiệu phần cứng......................................................................................................................... 4
2.1.1. Biến dòng..................................................................................................................................... 4
2.1.2. Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang sớ.................................................................... 7
2.1.3. Các chuẩn giao tiếp................................................................................................................ 11
2.1.3.1 Giao tiếp IC ghi dịch 74HC595................................................................................ 11
2.1.3.2 Giao thức I2C................................................................................................................... 12

2.2. Khái quát về công cụ trong machine learning...................................................................... 13
2.2.1. Giới thiệu về machine learning......................................................................................... 13
2.2.2. Giảm chiều dữ liệu................................................................................................................. 13
2.2.3. Chuẩn hóa dữ liệu................................................................................................................... 18
2.2.4. Phát hiện điểm bất thường.................................................................................................. 19
2.2.5. Đọc một bảng excel vào mợt pandas DataFram......................................................... 22
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ........................................................................................... 24
3.1. Giới thiệu............................................................................................................................................ 24
iii


3.2. Tính toán và thiết kế hệ thớng.................................................................................................... 24
3.2.1. Thiết kế sơ đồ khới hệ thớng.............................................................................................. 24
3.2.2. Tính toán và thiết kế mạch.................................................................................................. 26
3.2.2.1 Thiết kế khối đo lường.................................................................................................. 26
3.2.2.2 Khảo sát khới chuyển đổi tín hiệu............................................................................ 35
3.2.2.3 Khảo sát khới máy tính nhúng................................................................................... 41
3.2.2.4 Khảo sát khới hiển thị................................................................................................... 44
3.2.2.5 Thiết kế khối cảnh báo.................................................................................................. 48
3.2.2.6 Thiết kế khối bảo vệ...................................................................................................... 49
3.2.2.7 Thiết kế khối nguồn....................................................................................................... 51
3.2.3. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch................................................................................................. 52
CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG........................................................................................... 53
4.1. Giới thiệu............................................................................................................................................ 53
4.2. Thi công hệ thống............................................................................................................................ 53
4.2.1. Thi công bo mạch................................................................................................................... 53
4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra................................................................................................................ 54
4.2.2.1 Lắp ráp................................................................................................................................ 55
4.2.2.2 Kiểm tra mạch đo........................................................................................................... 55
4.3. Đóng gói và thi công mô hình.................................................................................................... 56

4.4.Lập trình hệ thống............................................................................................................................. 56
4.4.1. Lưu đồ giải thuật..................................................................................................................... 56
4.4.2. Phần mềm lập trình cho máy tính nhúng....................................................................... 59
4.5. Quy trình đào tạo và phân loại dữ liệu.................................................................................... 61
4.5.1 Quá trình thu thập dữ liệu chuẩn........................................................................................ 62
4.5.2 Quá trình đào tạo hệ thống.................................................................................................. 62
4.5.3 Quá trình kiểm tra bộ nhận dạng …………………………………………….63

4.5.4 Kết luận độ chính xác của bợ nhận dạng....................................................................... 63
4.6. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác................................................................................ 65
4.6.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng........................................................................................ 65
4.6.2. Quy trình thao tác................................................................................................................... 66
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ-NHẬN XÉT-ĐÁNH GIÁ................................................................... 67
iv


5.1. Kết quả................................................................................................................................................. 67
5.2. Nhận xét- đánh giá.......................................................................................................................... 72
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN-HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................. 73
6.1. Kết luận............................................................................................................................................... 73
6.2. Hướng phát triển.............................................................................................................................. 73
CHƯƠNG 7: TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 74

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Cấu tạo máy biến dịng.............................................................................................................. 4
Hình 2.2: Máy biến dòng dạng dây quấn................................................................................................ 5
Hình 2.3. Máy biến dòng dạng vòng........................................................................................................ 6

Hình 2.4. Máy biến dòng dạng khối......................................................................................................... 7
Hình 2.5. Mạch flash ADC 2 bit................................................................................................................. 8
Hình 2.6. Tín hiệu tương tự và lượng tử hóa...................................................................................... 10
Hình 2.7: Hình ảnh thực tế của 74HC595............................................................................................ 11
Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch đo các thông số của nguồn điện........................................................ 25
Hình 3.2: Mạch đo điện áp......................................................................................................................... 26
Hình 3.3: Mạch đo dòng điện................................................................................................................... 28
Hình 3.4: Mạch khuếch đại không đảo................................................................................................. 29
Hình 3.5: Dạng sóng mạch khuếch đại không đảo........................................................................... 29
Hình 3.6: Mạch khuếch đại đảo............................................................................................................... 30
Hình 3.7: Dạng sóng mạch khuếch đại đảo......................................................................................... 30
Hình 3.8: Mạch ghim điện áp................................................................................................................... 31
Hình 3.9: Dạng sóng mạch ghim điện áp............................................................................................. 31
Hình 3.10: Giản đồ hệ sớ cơng suất........................................................................................................ 33
Hình 3.11: Dạng sóng điện áp, dịng điện trước và sau khi qua mạch so sánh...................... 34
Hình 3.12: Cos φ biểu diễn theo vòng tròn lượng giác................................................................... 34
Hình 3.13: Mạch đo hệ số công suất...................................................................................................... 35
Hình 3.14 : Hình ảnh thực tế của ADS1115........................................................................................ 36
Hình 3.15: Hình ảnh thực tế của Raspberry Pi................................................................................... 42
Hình 3.16 : Các chân của Raspberry Pi 3............................................................................................. 43
Hình 3.17: Hình dạng và sơ đồ chân GLCD....................................................................................... 45
Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lý khới cịi báo............................................................................................. 48
Hình 3.19: Cịi báo........................................................................................................................................ 49
Hình 3.20: Sơ đồ nguyên lý khối relay................................................................................................. 49
Hình 3.21. Hình dáng relay....................................................................................................................... 50
Hình 3.22: Hình dạng contactor.............................................................................................................. 50
Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đôi..................................................................................... 51
vi

Hình 3.24: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch................................................................................................. 52
Hình 4.1: Sơ đồ mạch in............................................................................................................................. 54
Hình 4.2: Lưu đồ chương trình................................................................................................................ 56
Hình 4.3: Giao diện của Pycharm........................................................................................................... 57
Hình 4.4: Giao diện để lập trình Python............................................................................................... 58
Hình 4.4: Mô hình của mạch thực tế...................................................................................................... 65
Hình 4.5: Lưu đồ thao tác hoạt động của mạch................................................................................. 66
Hình 5.1:Mạch cắm trên test board........................................................................................................ 67
Hình 5.2: Hình ảnh thực tế của đề tài.................................................................................................... 68
Hình 5.3: Giá trị điện áp mà mạch đo được........................................................................................ 69
Hình 5.4: Giá trị điện áp khi đo bằng đồng hồ đo............................................................................. 69
Hình 5.5: Hình ảnh dữ liệu chuẩn sau khi được huấn luyện......................................................... 70
Hình 5.6: Hình ảnh một mẫu test bình thường................................................................................... 71
Hình 5.7:Hình ảnh một mẫu test bất thường....................................................................................... 71
Hình 5.8: Hình ảnh hệ số công suất của các loại tải........................................................................ 72

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã............................................................................................ 9
Bảng 2.2. Các thông số và thuộc tính của hàm giảm chiều dữ liệu............................................ 14
Bảng 2.3: Các thơng sớ và tḥc tính của hàm chuẩn hóa dữ liệu............................................. 18
Bảng 2.4: Các thơng sớ và tḥc tính của hàm phát hiện Outlier............................................... 19
Bảng 2.5: Các thông số của hàm đọc định dạng excel.................................................................... 22
Bảng 3.1: Mô tả chân của ADS 1115..................................................................................................... 37
Bảng 3.2: Cấu hình 1 byte của thanh ghi (Write-Only).................................................................. 38
Bảng 3.3: Thanh ghi chuyển đổi (Read-Only..................................................................................... 38
Bảng 3.4: Cấu hình thanh ghi (Read/Write)........................................................................................ 38
Bảng 3.5: Các bit cấu hình bộ ghép kênh đầu vào............................................................................ 39

Bảng 3.6: Các chân của GLCD................................................................................................................ 46
Bảng 3.7: Tập lệnh điều khiển cơ bản của GLCD............................................................................ 47
Bảng 3.8: Dòng điện tiêu thụ của các linh kiện................................................................................. 51
Bảng 4.1: Danh sách các linh kiện......................................................................................................... 53
Bảng 4.2: So sánh mạch đo và thiết bị kiểm tra (TBKT)............................................................... 55
Bảng 4.3: Thớng kê tính chính xác của bộ phân loại....................................................................... 64
Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật của mạch................................................................................................. 68

viii


TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Sự ổn định của nguồn điện giúp cho các thiết bị điện hoạt động tốt và kéo dài tuổi
thọ, đồng thời giảm nguy cơ cháy nổ, hỏa hoạn do các vấn đề về điện gây ra, tạo sự an
tâm và an toàn cho con người. Đo lường và giám sát điện năng tiêu thụ là hệ thống cung
cấp cho con người biết được trạng thái hoạt động, sự ổn định của hệ thống điện và đưa ra
các cảnh báo về mức sử dụng năng lượng nhằm tiết kiệm điện năng.
Hệ thống thực hiện giám sát điện áp mợt pha 220V AC dân dụng sử dụng máy tính
nhúng đo các thơng sớ điện áp, dịng điện, hệ sớ công suất của nguồn điện, từ những
thông số đo được có thể tính toán được cơng suất tiêu thụ và chạy thuật toán machine
learning để học hỏi. Từ đó có thể dự đoán được độ ổn định của nguồn điện và mức sử
dụng năng lượng hiện tại có gì bất ổn để có những biện pháp tốt nhằm ổn định và tiết
kiệm điện, đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị điện hoạt động tốt, khi có những
bất ổn được phát hiện, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh và có những điều khiển nhằm ổn
định, ngăn chặn và tiết kiệm điện năng.

ix

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ
Điện năng đang trở thành một phần năng lượng thiết yếu trong đời sống con

người. Nó góp phần tạo nên sự văn minh của nhân loại, giúp cuộc sống của con
người tiện nghi và hiện đại hơn. Chính vì thế việc duy trì sự ổn định và tiết kiệm
điện năng là một vấn đề cần được chú ý và đầu tư.
Sự ổn định của nguồn điện giúp cho các thiết bị điện hoạt động tốt và kéo dài tuổi
thọ, đồng thời giảm nguy cơ cháy nổ, hỏa hoạn do các vấn đề về điện gây ra, tạo sự an
tâm và an toàn cho con người. Đo lường và giám sát điện năng tiêu thụ là hệ thống
cung cấp cho con người biết được trạng thái hoạt động, sự ổn định của hệ thống điện và
đưa ra các cảnh báo về mức sử dụng năng lượng nhằm tiết kiệm điện năng.

Hiện nay trên thị trường có nhiều thiết bị điện nhằm bảo vệ và ổn định nguồn
điện như ổn áp, các loại CB chớng dịng rị, chớng giật…và nhiều loại khác. Nhưng
chủ ́u chỉ hoạt động ngắt nguồn điện tự động mà không có khả năng tự động
đóng điện lại khi hết sự cố, cũng như không báo cho người dùng biết được trạng
thái hoạt động của nguồn điện. Đo lường và giám sát điện năng tiêu thụ trong gia
đình là hệ thống có thể đáp ứng các nhu cầu, chức năng của các loại khí cụ điện và
có khả năng khởi đợng lại hệ thống khi sự cố qua đi. Đặt biệt với thuật toán
machine learning có thể dự đoán linh hoạt được các sự cố của hệ thống. Ngoài ra
machine learning còn học hỏi theo thói quen của con người để có những dự đoán
chính xác nhất nhằm bảo vệ và giúp đỡ con người tiết kiệm năng lượng hơn.
Mạch sử dụng máy tính nhúng đo các thơng sớ cơ bản của nguồn điện bao
gồm: đo dòng điện, điện áp, hệ số công suất, từ những thông số đo được có thể tính
toán được cơng suất tiêu thụ. Từ đó có thể dự đoán được độ ổn định của nguồn điện

và mức sử dụng năng lượng hiện tại có gì bất ổn để có những biện pháp tốt nhằm
ổn định và tiết kiệm điện, đảm bảo an toàn cho con người và thiết bị điện hoạt động
tốt, khi có những bất ổn được phát hiện, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh và có
những điều khiển nhằm ổn định, ngăn chặn và tiết kiệm điện năng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH

Trang 1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.2.

MỤC TIÊU
Hệ thống thực hiện giám sát điện áp một pha 220V AC dân dụng sử dụng máy

tính nhúng đo các thơng sớ điện áp, dịng điện, hệ sớ cơng suất của nguồn điện. Sử
dụng máy tính nhúng để lấy các thông số của nguồn điện và chạy thuật toán
machine learning để học hỏi, đưa ra các dự đoán nhằm ổn định nguồn điện và tiết
kiệm năng lượng.

1.3.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
NỘI DUNG 1: Các giải pháp thiết kế hệ thống, mô hình đo lường thông số
nguồn điện.
NỘI DUNG 2: Thu thập dữ liệu các thông số của nguồn điện như: điện áp,
dịng điện, hệ sớ cơng suất,…

NỘI DUNG 3: Thiết kế hệ thống điều khiển.

NỘI DUNG 4: Lập trình thuật toán machine learning cho máy tính nhúng.
NỘI DUNG 5: Thiết kế mô hình và hoàn thiện sản phẩm.
NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện.

1.4.

GIỚI HẠN

Sử dụng bộ chuyển đổi tương tự thành số để đo các giá trị dạng tương tự của
nguồn điện như điện áp, dịng điện, hệ sớ cơng suất. Máy tính nhúng đọc các thông
số của nguồn điện để từ đó chạy các thuật toán machine learning để nhận biết được
sự ổn định của nguồn điện và mức sử dụng điện năng của gia đình. Tín hiệu xử lý ở
máy tính nhúng được gửi về để thực hiện đóng ngắt hệ thống khi có sự cố, hiển thị
trạng thái và các thông sớ của nguồn điện.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.5.

BỐ CỤC

Chương 1: Tổng Quan
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán
Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Chương 7: Tài Liệu Tham Khảo

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
2.1.1. Biến dịng
Máy biến dịng (kí hiệu CT), là mợt loại “cơng cụ đo lường dịng điện” được
thiết kế nhằm mục đích tạo ra mợt dịng điện xoay chiều có cường độ tỷ lệ với
cường độ dòng điện ban đầu. Máy biến dòng có chức năng làm giảm tải mợt dịng
điện ở cường đợ cao x́ng cường độ thấp tiêu chuẩn hơn, đồng thời tạo ra chiều
đới lưu an toàn nhằm kiểm soát cường đợ dịng điện thực tế chạy trong đường dây
dẫn.
Máy biến dòng có thể làm giảm dịng điện có cường đợ 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 dịng, 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 c̣n nhả trong bợ
phận ngắt mạch từ.

Hình 2.1: Cấu tạo máy biến dịng
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Máy biến dòng hiện nay có 3 loại cơ bản: “ dạng dây quấn”, “dạng vịng” và
“thanh khới”.

Hình 2.2: Máy biến dịng dạng dây quấn
 Máy biến dịng dạng dây quấn

C̣n sơ cấp của máy biến dịng loại này sẽ được kết nới trực tiếp với các
dây dẫn, có nhiệm vụ đo cường đợ dịng điện chạy trong mạch. Cường đợ
dịng điện trong c̣n thứ cấp phụ tḥc vào tỷ sớ vịng dây quấn của máy biến
dịng.
Mới quan hệ giữa tỷ sớ vịng dây và tỷ sớ dịng điện là:

Trong đó: Ns: sớ vịng dây sơ cấp
Nt :sớ vịng dây thứ cấp
It : dịng điện thứ cấp
Is : dịng điện sơ cấp

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 5

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Máy biến dòng dạng vịng

Cường đợ dịng điện chạy trong mạch sẽ được trùn và chạy thẳng qua
khe cửa hay lỡ hổng của “vịng” trong máy biến dịng. Mợt sớ máy biến dịng
dạng vịng hiện nay đã được cấu tạo thêm chi tiết “chốt chẻ”, có tác dụng

Hình 2.3: Máy biến dịng dạng vịng
cho lỡ hổng hay khe cửa của máy biến dịng có thể mở ra, cài đặt và đóng lại,
mà không cần phải ngắt mạch cớ định.
 Máy biến dịng dạng khối

Đây là mợt trong các loại của máy biến dịng hiện nay được ứng dụng
trong các loại dây cáp, thanh cái của mạch điện chính, gần giớng như c̣n sơ
cấp, nhưng chỉ có mợt vịng dây duy nhất. Chúng hoàn toàn tách biệt với
nguồn điện áp cao vận hành trong hệ mạch và ln được kết nới với cường đợ
dịng điện tải trong thiết bị điện.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.4: Máy biến dịng dạng khới

2.1.2. 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 đợ 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.
Mợt 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 mỡi bợ 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 bợ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 7


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 sớ ngõ ra, chúng chỉ
là đại diện để tổ hợp thành tín hiệu sớ ngõ ra.

Hình 2.5: Mạch flash ADC 2 bit.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bảng 2.1: Giá trị số ngõ ra sau khi giải mã.
Giá trị nhị phân

00
01
10
11
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 2 n 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 đợ phân giải ít hơn 8
bit. Đợ phân giải liên quan mật thiết đến chất lượng chuyển đổi ADC, việc lựa chọn
độ phân giải phải phù hợp với đợ chính xác u cầu và khả năng xử lý của bơ điều
khiển. Trong 2 mơ tả mợt ví dụ “sớ hóa” mợt hàm sin analog thành dạng digital.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 9


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, mợt bợ
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 đợ chính xác của quá trình chuyển đổi, chúng ta cần tính toán để
chọn mợt điện áp tham chiếu phù hợp, không được nhỏ hơn giá trị lớn nhất của input

nhưng cũng đừng quá lớn.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.3. Các chuẩn giao tiếp
2.1.3.1 Giao tiếp IC ghi dịch 74HC 595
Là IC ghi dịch 8bit kết hợp chốt dữ liệu, đầu vào nối tiếp đầu ra song song.
Chức năng: Thường dùng trong các mạch quét led 7 đoạn, led matrix …để tiết kiệm
số chân vi điều khiển (VĐK) tối đa (3 chân). Có thể mở rợng sớ chân vi điều khiển
bao nhiêu tùy thích mà không linh kiện nào có thể làm được bằng việc mắc nối tiếp
đầu vào dữ liệu các IC với nhau. Cách mở rộng ta chỉ việc nối Q7' của IC trước với
chân DATA (chân 14) của IC sau, với IC đầu tiên nhận dữ liệu từ VĐK.

Hình 2.7: Hình ảnh thực tế của 74HC595
Giao tiếp SPI với IC74HC595 gồm 3 đường:
 DATA: (14) – Dữ liệu từ MCU sẽ đưa vào chân này, dữ liệu được đưa vào

theo kiểu nối tiếp. Tức dữ liệu sẽ được đẩy dồn vào các ngăn nhớ của
IC74HC595.

 CLK: (11) – Đây là tín hiệu đồng bộ quá trình giao tiếp giữa MCU và

IC74HC595. Cứ mỗi bit dữ liệu được gửi đi đồng nghĩa với việc gửi đi 1
xung clock. Tức khi có 1 xung tích cực ở sườn dương (từ 0 lên 1) thì 1 bit sẽ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 11


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

được dịch vào IC.
 SCK: (12) – Là chân Shift Clock, dùng để chốt dữ liệu. Khi có 1 xung tích

cực ở sườn dương thì dữ liệu ở trong IC74HC595 sẽ được đẩy ra các chân
Output tương ứng, và bạn có thể đẩy dữ liệu ra bất cứ lúc nào.
Một số chân chức năng khác trên IC74HC595:
 OE (13): Output Enable – Dữ liệu được phép xuất ra khi chân này ở mức

tích cực thấp.

 MR (10): Memory Clear – Khi chân này ở mức tích cực thấp sẽ xóa dữ liệu

đã đưa vào IC.

 Q7′ (9): Chân dữ liệu nối tiếp, chân này sẽ nối với chân DATA của

IC74HC595 tiếp theo trong trường hợp mắc nối tiếp nhiều IC. Dữ liệu sẽ
được dịch qua chân này khi đã dịch đủ 8bits cho IC trước đó.
2.1.3.2 Giao thức I2C:
Một giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL).
SDA là đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ để
đồng bộ và chỉ theo một hướng. Như ta thấy trên hình vẽ trên, khi một thiết bị ngoại
vi kết nối vào đường bus I2C thì chân SDA của nó sẽ nối với dây SDA của bus,

chân SCL sẽ nối với dây SCL.
Có rất nhiều thiết bị có thể cùng được kết nối vào một bus I2C, tuy nhiên sẽ
không xảy ra chuyện nhầm lẫn giữa các thiết bị, bởi mỗi thiết bị sẽ được nhận ra
bởi một địa chỉ duy nhất với một quan hệ chủ / tớ tồn tại trong suốt thời gian kết
nối. Mỗi thiết bị có thể hoạt động như là thiết bị nhận hoặc truyền dữ liệu hay có
thể vừa truyền vừa nhận. Hoạt đợng trùn hay nhận cịn tùy tḥc vào việc thiết bị
đó là chủ (master) hãy tớ (slave). Điểm mạnh của I²C chính là hiệu suất và sự đơn
giản của nó: một khối điều khiển trung tâm có thể điều khiển cả một mạng thiết bị
mà chỉ cần hai lối ra điều khiển.
Các bus I2C có thể hoạt động ở ba chế độ, hay nói cách khác các dữ liệu trên
bus I2C có thể được truyền trong ba chế độ khác nhau:
 Chế độ tiêu chuẩn (Standard mode) :
-

Đây là chế độ tiêu chuẩn ban đầu được phát hành vào đầu những năm 80

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 12