Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính 71 Nghóa là khi có yêu cầu hiển thò ra dữ liệu, 8951 chỉ cần ghi dữ liệu đó ra IC này rồi quay trở lại để thực hiện chương trình chính, còn việc hiển thò ra dữ liệu đó là hoàn toàn để cho khối hiển thò đảm nhận. Xét thấy IC nhớ là thích hợp hơn cả để đảm nhận nhiệm vụ lưu tạm dữ liệu từ 8951 đưa đến, IC nhớ này chỉ cần dung lượng 6 byte là đủ để lưu 6 byte dữ liệu tương ứng với 6 LED trong mỗi lần ghi dữ liệu của 8951. Nhưng việc tìm một bộ nhớ có dung lượng 6 byte là một điều không thực tế và cũng không bắt buộc phải làm, cho nên ta sẽ dùng một bộ nhớ rất phổ biến đó là RAM 6116 để thực hiện chức năng trên, tuy rằng bò hao phí về dung lượng nhưng rất thuận tiện trong việc sử dụng. Khi cần hiển thò một dữ liệu, 8951 sẽ gửi một lúc 6 byte vào 6 ô nhớ của 6116, 6 byte này tương ứng với 6 đèn LED 7 đoạn. Do vậy, 6116 được kết nối như một vùng nhớ 6 byte của 8951. 8951 sẽ truy xuất đến đòa chỉ của 6116 và ghi 6 byte dưới dạng mã LED 7 đoạn vào 6 ô nhớ. Sau khi 8951 không truy xuất nữa thì dữ liệu này được đưa đến các đèn LED tương ứng và nhờ phương pháp quét sẽ đưa dữ liệu đến đúng LED thích hợp. Trong mạch điện có sử dụng IC 74LS157 để chọn một trong hai bus dữ liệu 4 bit ngõ vào được nối đến các đường ra của IC. Khi 8951 muốn ghi dữ liệu vào 6116 nó sẽ làm cho chân CS3\ xuống mức 0 và do vậy sẽ làm cho bus dữ liệu vào thứ nhất của IC 74LS157 được kết nối với các ngõ ra và dữ liệu được ghi vào 6116 một cách dễ dàng. Thời gian ghi dữ liệu này rất ngắn do vậy không thể phát hiện bằng mắt. Dữ liệu khi đã ghi vào 6116, chân CS3\ lên mức 1 và do đó sẽ kết nối bus dữ liệu thứ hai của IC 74LS157 đến các đường ra để cho phép bộ nhớ xuất các byte nhớ vừa được ghi đến các LED tương ứng. IC 74LS92 được thiết kế để đếm 6, các ngõ ra được nối đến các chân chọn của 74LS138. Một trong số các ngõ ra của IC 74LS138 sẽ chọn lựa một trong 6 LED 7 đoạn nhận lấy dữ liệu xuất ra từ bộ nhớ, tần số quét được tính toán sao cho các LED không bò nhấp nháy. IC 74LS244 dùng để ngăn cách dữ liệu trên bus hệ thống với bus dữ liệu của riêng khối hiển thò. Điều này giúp cho khối hiển thò có thể hoạt động song song với khối xử lí trung tâm mà không sợ bò lẫn lộn dữ liệu. Luận văn tốt nghiệp 72 Tính toán tần số của bộ tạo xung Ck cho IC 74LS92: Gọi thời gian cho một LED sáng là t, một chu kì quét qua tất cả các LED là T = 6t. Trong một chu kì quét mỗi LED sẽ chỉ sáng một khoảng thời gian = 1t và tắt trong 5t. Tần số quét phải  25 Hz để mắt người không phát hiện ra sự nhấp nháy của các LED. f quét = 1/T = 1/6t vậy t  1 / 6x25. Gọi f là tần số của xung Ck : f = 1/t = 6x25 = 150 Để các LED ít nhấp nháy hơn, ta chọn f = 500Hz. Tính toán các giá trò R, C của mạch tạo xung Ck: f = 500 = 1.2 / RC Chọn C = 0.1 F vậy R = 1.2 / 500x0.1x10 -6 = 24K  . Ta chọn R = 22 K. Bộ phận cảnh báo là một loa nhỏ 8 , 0.25W được gắn đến ngõ ra của một IC nhạc có transistor khuyếch đại. Mạch điện được trình bày như trong sơ đồ nguyên lí, tín hiệu ra trên chân PC2 được dùng làm chân điều khiển khối cảnh báo phát ra tín hiệu. Tín hiệu điều khiển từ 8951 xuất ra làm Q8 dẫn cấp nguồn cho IC nhạc, tín hiệu âm tần được Q14 khuyếch đại và đưa ra loa. Diode zenner dùng ổn đònh điện áp cho IC nhạc khoảng 3V, tín hiệu nhạc có thể thay đổi tùy theo IC. 5) Khối giao tiếp dữ liệu song song, nối tiếp: Việc giao tiếp dữ liệu nối tiếp được thực hiện bởi các ngõ ra TXD và RXD của 8951 dưới sự điều khiển của phần mềm. Việc truyền dữ liệu song song được thực hiện qua Port B của IC 8255 thứ nhất, dưới sự điều khiển của phần mềm. Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính 73 Ta biết rằng 8255A có thể thực hiện 1 trong 3 chế độ giao tiếp với bên ngoài, trong đó chế độ 2 và 3 có sử dụng các tín hiệu bắt tay. Khi xét điều kiện thực tế của việc truyền dữ liệu song song của điện năng kế điện tử tương đối phức tạp cho nên ta phải dùng phần mềm để điều khiển việc truyền dữ liệu song song chứ không thể sử dụng chế độ hoạt động nào của 8255. Để phần mềm dễ thao tác, ta sẽ kết nối cho 8255 hoạt động ở chế độ 1 là chế độ vào ra cơ bản. Chương trình điều khiển sẽ được trình bày trong phần sau, việc kết nối phần cứng như đã trình bày trong bản vẽ nguyên lí. Việc truyền dữ liệu nối tiếp lên đường truyền cần phải qua một khối điều chế tín hiệu vì bản thân các bit dữ liệu 0 và 1 không thể truyền đi xa. Điều chế tín hiệu là quá trình lồng tín hiệu thông tin cần truyền đi vào một sóng mang có tần số cao hơn nhiều lần. Um = Am. Cos (Wmt +  o m ) Trong đề tài này ta chọn phương pháp điều chế tín hiệu bằng cách thay đổi biên độ sóng mang. Tín hiệu thông tin cần truyền đi là các xung gián đoạn tồn tại ở hai mức 0 và1 cho nên nó có dạng m(t) = p(t). Điều chế biên độ lúc này gọi là điều chế ASK (Amplitude Shift Keying). Sóng mang sau khi đã thực hiện quá trình điều chế có dạng như sau: Khi tín hiệu xung vào tồn tại ở mức 1 thì ngõ ra chính là tín hiệu sóng mang, khi xung ở mức 0 thì tín hiệu ngõ ra cũng là sóng mang nhưng có biên độ giảm đi một nửa. Như vậy, để thiết kế một mạch điều chế sóng mang ta tiến hành như sau: Thiết kế một mạch tạo dao động sin có tần số khoảng 1 Khz, tín hiệu ra của mạch dao động này chính là tín hiệu sóng mang được đưa đến một chuyển mạch điện tử để thực hiện công việc điều chế, có thể sử dụng 4066 làm nhiệm vụ này như trong sơ đồ nguyên lí đã trình bày. Mạch tạo sóng sin được trình bày như sau: Luận văn tốt nghiệp 74 Ta sử dụng mạch dao động cầu Wien. Để đơn giản ta chọn : R1 = R2 = R C1 = C2 = C Vậy Z1 = R + Xc Z2 = R / Xc .Với Xc = 1/2 fC Nhận xét, ở vùng tần số thấp do Z1 có trở kháng lớn nên điện áp ra Vo thấp, ở vùng tần số cao do Z2 có trở kháng nhỏ nên điện áp ra Vo cũng không cao. Người ta chứng minh được rằng : Tại tần số fo = 1/2 RC mạch chọn tần cho ra biên độ lớn nhất. Lúc đó  max = Vo/Vi = 1/3. Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính 75 Trong mạch trên Q1, Q2 là hai tầng khuyếch đại đảo pha, tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào ở ngõ vào là mạch chọn tần, khi góc lệch pha là 0 o thì fo = 1/2 RC cho tín hiệu ra với biên độ cực đại nên mạch đã dao động ở tần số này: fo = 1 Khz Độ suy giảm là 1/3 nên yêu cầu độ khuyếch đại của hai tầng = 3 lần là đủ. Rf là điện trở lấy hồi tiếp nghòch dùng để ổn đònh dao động và giảm méo. 6) Khối đóng ngắt nguồn: Được thiết kế đơn giản bằng một relay đóng ngắt 4 tiếp điểm, thực hiện việc đóng ngắt trên cả hai dây pha và trung tính. Relay thực hiện việc đóng ngắt dưới sự điều khiền của khối xử lí. 7) Khối giao tiếp người sử dụng: Thông qua 5 phím nhấn người sử dụng có thể tác động vào điện năng kế điện tử. Trong đó chỉ có 2 phím nằm ở bên ngoài là phím đóng ngắt nguồn (ON\OFF) và phím chọn lựa (SELECT) thông tin hiển thò. Ba phím còn lại dành cho nhân viên điện lực điều chỉnh các thông số ban đầu khi lắp đặt điện kế. Ngoài ra còn 1 phím Reset nằm bên trong điện kế được dùng cho người thiết kế. Vì số lượng phím nhấn ít cho nên ta không cần dùng phần mềm để quét phím mà kết nối trực tiếp mỗi phím với một ngõ vào của Port A của IC 8255 thứ nhất. Khi có một phím nào đó được nhấn thì sẽ tạo ra một ngắt cứng tác động đến 8951 và lúc đó 8951 sẽ thực hiện một chương trình quét dò phím đã nhấn. 8) Khối nguồn cung cấp: Khối nguồn được thiết kế để tạo ra năng lượng ổn đònh cung cấp cho toàn thiết Luận văn tốt nghiệp 76 bò. IC 7805 loại trung chỉ có thể cung cấp một dòng điện tối đa1A. Trong thực tế, tải có lúc đòi hỏi một dòng điện cao hơn nhiều, ngoài ra ta không thể thiết kế cho 7805 chạy ở dòng Imax này vì lúc đó 7805 hoạt động không ổn đònh và có thể bò hư hỏng. Để khắc phục nhược điểm trên ta dùng một sò công suất để gánh dòng phụ cho 7805 đáp ứng cho tải yêu cầu một dòng điện lớn. Muốn vậy, ta thiết kế cho 7805 dẫn phần lớn dòng cho tải khi hoạt động bình thường. Khi tải yêu cầu dòng lớn hơn giá trò đã thiết kế trước thì 7805 sẽ phát tín hiệu cho sò công suất gánh dòng phụ. Dó nhiên dòng điện cung cấp cho tải được tăng thêm nhưng không làm cho điện áp ngõ ra thay đổi. Việc thiết kế cụ thể được trình bày như sau: Giả sử tải yêu cầu I Lmax = 3A do đó để hoạt động đảm bảo ta phải chọn một transistor có thông số I Cmax = (3  5) I L Chọn Q loại PNP là 2955 có  = 80 Vậy I Bmax = I Cmax /  = I L /80 = 3/80 = 37.5 (mA) Để 7805 làm việc lâu dài ta chọn dòng qua 7805 = 1/5 Imax = 0.2 (A) IRs = I – I B = 200 mA – 37.5 mA = 162.5 mA Như vậy, khi dòng qua 7805 đạt khoảng từ 200 mA trở lên thì Q phải dẫn dòng phụ, muốn vậy vào thời điểm này Q cần được phân cực thuận mối nối BE, V BE = 0.7 V Rs = V BE / IRs = 0.6/162.5 = 3.7  Tính công suất của Q : P Q = ( V IN max - V O ) . I L max = 9 x 3 = 27 W P Rs = I 2 Rs = V 2 /Rs = 0.7 2 /3.7 = 0.13 W Chọn loại 0.5W Một điều cần thiết khác là phải thiết kết một bộ nguồn dự phòng nhằm đảm bảo cho toàn thiết bò hoạt động ổn đònh ngay khi nguồn bò mất. Để có thể hoạt động bình thường trong một thời gian tương đối dài chúng ta sử dụng một acqui có độ trữ điện tương đối lớn và một mạch nạp tự động khi acqui hết điện và tự động ngắt nguồn khi đã nạp đầy điện nhằm tránh làm hư hỏng bình acqui. Trong mạch điện trên, dòng điện nạp vào acqui được khống chế bởi sự dẫn mạnh hay yếu của hai transistor Q10 và Q11. Hai transistor này lại được điều khiển bởi dòng chạy vào cực B của Q11. Khi dòng nạp qua acqui lớn, nó sẽ tạo sụt áp trên điện trở 3.3 ohm và điện áp này đủ để làm Q3 dẫn khiến cho Q4 ngưng nên điện áp trên cực B Q11 xuất hiện và kích cho hai transistor này dẫn mạnh. Khi acqui đã nạp Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính 77 gần đầy làm cho dòng chạy qua R3.3 ohm nhỏ nên sụt áp trên điện trở này cũng giảm theo, kết quả là Q3 bò tắt và Q4 dẫn sẽ kéo cực B của Q11 xuống thấp làm cho Q11 tắt, dòng không nạp vào bình acqui nữa. PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 8951: Việc viết chương trình để điều khiển 8951 phải dựa trên cấu trúc phần cứng của thiết bò và biết đặt ra các yêu cầu thích hợp, sau đó dựa vào tập lệnh của 8951 để viết ra chương trình đáp ứng tất cả các yêu cầu ban đầu. Bản thân người làm đề tài rất mong muốn viết ra một chương trình để thực hiện điều khiển 8951 đáp ứng các yêu cầu đã đề ra nhưng lại gặp trở ngại lớn về thời gian làm đề tài không nhiều nên đã không thể thực hiện được, đây cũng là một điều đáng tiếc cho bản thân. Nhưng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, người làm cũng đã suy nghó nhiều về các yêu cầu có thể đặt ra cho điện kế khi được đưa vào sử dụng và phương cách để đáp ứng các yêu cầu đó. Các phương cách đó sẽ được trình bày trong phần sau mong rằng có thể là những ý kiến để những người có thích thú về đề tài này có thể tham khảo. A. Xử lí sự cố quá tải: Giả sử tải đang hoạt động bình thường nhưng đột nhiên bò quá tải hoặc bò ngắn mạch thì do qui đònh dòng điện tối đa cho phép I max = 30A nên khi dòng tải vượt qua giá trò này, lập tức khối xử lí sẽ phát hiện ra và điều khiển cho bộ đóng ngắt phải hở mạch để ngắt nguồn ngay lập tức. Vì sự cố điện nhiều khi do chính con người gây ra và thường là sẽ được khắc phục ngay sau đó, cho nên nếu ta viết chương trình để ngắt mạch luôn thì sẽ gây phiền phức cho người sử dụng. Để có thể khéo léo hơn ta sẽ viết chương trình chờ 4s sau khi đã ngắt mạch điện thì tự động đóng lại. Nếu sự cố đã khắc phục thì mạch tiếp tục hoạt động bình thường và các LED vẫn hiển thò ra giờ của đồng hồ số. Nếu sự cố chưa khắc phục thì lập tức ngắt điện ngay đồng thời sẽ điều khiển cho loa phát ra tiếng bip bip (trong khoảng thời gian 3s) và trên mặt hiển thò các đèn LED sẽ hiển thò ra chữ short. Người sử dụng khi đọc được thông tin này sẽ tra một bảng sự cố điện được phát cho người sử dụng khi lắp đặt điện kế và biết mạng điện đang bò quá tải Luận văn tốt nghiệp 78 Sau khi xem xét lại mạch điện, và nhấn vào nút ON/OFF để đóng điện lại. Nếu sự cố thực sự đã thực sự được khắc phục thì mạch hoạt động lại bình thường, tiếng bip bip bò làm tắt (nếu như chưa tới 3 phút) và mặt hiển thò sẽ lại xuất thời gian, điện kế hoạt động lại bình thường Trường hợp nặng hơn tức là sự cố vẫn chưa được khắc phục xong thì lại phát ra tiếng bip bip trong 3 phút, trên mặt hiển thò lúc này hiện ra chữ CALL trên các LED. Người sử dụng khi nhìn thấy thông tin này và tra bảng sự cố sẽ biết được cần phải gọi nhân viên điện lực đến. Khi mạch điện đã được sửa chữa xong, tiếp tục nhấn vào nút ON\OFF mạch điện lại hoạt động bình thường nếu như mạch đã thực sự được khắc phục xong, nếu không điện kế lại phát ra tiếng bip bip. Và mạch chỉ trở lại hoạt động bình thường khi sự cố đã khắc phục hoàn toàn. Khối xử lí sẽ lưu trữ thông tin sự cố để sau này truyền về trung tâm giúp cho điện lực có thể phát hiện và sửa chữa điện cho các hộ thường xuyên xảy ra sự cố. B. Xử lí sự cố điện giựt hoặc rò rỉ điện: Trong quá trình sử dụng điện, thiết bò điện có thể bò rò rỉ hoặc người sử dụng bò điện giựt. Trong cả hai trường hợp này đều dẫn đến dòng điện đi và về trên dây pha và trung tính không bằng nhau. Quá trình xử lí sự cố khá giống như xử lí ngắn mạch ngoài ra do hiện tượng rò điện có thể vẫn được duy trì nếu như dòng điện rò không quá lớn và tạm thời chấp nhận trong một thời gian tương đối ngắn nên việc xử lí có khác chút ít. Khi phát hiện ra có dòng rò vượt trò số đã thiết kế (20mA), điện kế lập tức ngắt điện sau 4s sẽ tự động đóng trở lại, khi sự cố đã tự khắc phục (dòng rò nhỏ hơn giá trò cho phép) thì điện kế hoạt động bình thường, ngược lại điện kế tiếp tục ngắt điện và phát ra tiếng bip bip trong khoảng 3 phút để gây sự chú ý và trên mặt hiển thò lúc này hiện ra chữ leak. Muốn có điện lại thì cần nhấn vào nút ON/OFF, nếu dòng rò đã nhỏ hơn giá trò giới hạn thì mạch trở lại hoạt động bình thường nhưng nếu vẫn còn vượt giá trò giới hạn thì lại ngắt điện. Nói chung các thao tác hoạt động cũng như trong trường hợp quá tải, chỉ khác là mạch có thể vẫn cho phép cấp điện tạm thời khi dòng rò không quá lớn nhưng chỉ là tạm thời sau đó khối xử lí sẽ dò lại dòng điện này và nếu như vẫn lớn hơn giá trò cho phép thì lại ngắt điện để yêu cầu được khắc phục. Thời gian dò lại tùy thuộc vào phần mềm. QUÁ TRÌNH TRUYỀN DỮ LIỆU: Điện năng kế điện tử giao tiếp máy tính 79 Khi trung tâm có yêu cầu thu thập dữ liệu từ các điện năng kế nó sẽ phát ra mã số series của điện kế đó và trong từng thời điểm chỉ duy nhất có một điện năng kế được kết nối với đường truyền. Dữ liệu từ điện kế trước khi được phát lên đường truyền tới trung tâm cần phải qua một bộ điều chế tín hiệu với tần số thích hợp. Trung tâm được quyền truy xuất điện kế vào bất kì thời điểm nào và chỉ được phép thu nhận dữ liệu mà không được quyền thay đổi thông tin của điện kế, điền này nhằm bảo vệ quyền lợi của người tiêu dùng. LƯU ĐỒ CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH: BẮT ĐẦU Đọc giá trò U tải Ngắt nguồn. Hiển thò và cảnh báo. GT > X Lưu GT vào X GT  U max Kích timer đếm Đọc giá trò I tải Đọc giá trò dòng rò GT  15mA So sánh GT với X Đònh nghóa ngắt INT0\ , INT1\ Đònh nghóa timer T0, T1. Khởi tạo 8255(1) và 8255(2). Xuất giờ hiện tại ra 6 LED. Xóa hai ô nhớ X, Y. Timer đang đếm Đ Đ Đ Đ S Đ Luận văn tốt nghiệp 80 Đ Đ S S Đ GT  I max So sánh GT với Y GT > Y Lưu GT vào Y Stop timer Đọc giá trò timer Tính cos  Ttính công suất điện năng tiêu thụ Cộng dồn giá trò vào vùng nhớ . đến các đường ra để cho phép bộ nhớ xuất các byte nhớ vừa được ghi đến các LED tương ứng. IC 74LS92 được thiết kế để đếm 6, các ngõ ra được nối đến các chân chọn của 74LS138. Một trong số các. bày trong phần sau, việc kết nối phần cứng như đã trình bày trong bản vẽ nguyên lí. Việc truyền dữ liệu nối tiếp lên đường truyền cần phải qua một khối điều chế tín hiệu vì bản thân các bit. tất cả các LED là T = 6t. Trong một chu kì quét mỗi LED sẽ chỉ sáng một khoảng thời gian = 1t và tắt trong 5t. Tần số quét phải  25 Hz để mắt người không phát hiện ra sự nhấp nháy của các LED.