TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN II
Thiết kế công tơ điện tử một pha
thu thập, lưu trữ giám sát dữ liệu
Trần Đình Tuyên


Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Chun ngành Tin học và đo lường cơng nghiệp

Giảng viên hướng dẫn:

Nguyễn Tuấn Ninh

Bộ môn:
Viện:

Đồ án II
Điện

HÀ NỘI, 1/2022

Chữ ký của GVHD


TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Nội dung của đồ án gồm các phần chính: Lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch nguyên
lý, đi dây mạch PCB, thiết kế vỏ hộp sản phẩm.” Công tơ điện tử một pha thu thập, lưu trữ
và giám sát dữ liệu ” sử dụng chip chính là Atmega328p với các kênh đo ADC là dịng điện

và điện áp, từ đó mà tính tốn ra cơng suất. Mạch được thiết kế cùng với đó là các khối
RTC, bộ nhớ EEPROM, thẻ nhớ SDCard để lưu trữ dữ liệu, màn hình LCD5110, và đi kèm
với module ESP8266 trao đổi dữ liệu không dây để phát triển ứng dụng sau này.Về phần
cứng, em sử dụng trong đồ án này là Altium designer để thiết kế mạch, Sketchup để thiết kế
vỏ hộp. Trong khuôn khổ đồ án này, em tập trung đi vào thiết kế mạch phần cứng, tuy nhiên
qua đó cũng sử dụng một số cung cụ để lập trình để thực hiện kiểm tra , mơ phỏng như
Protues, Atmel Studio, VsCode. Kết quả thu được phù hợp với yêu cầu bài toán đặt ra.
Qua đồ án này, em thấy mình đã tổng hợp được kiến thức mà mình đã học được để
áp dụng vào một bài tốn cụ thể, các kỹ năng cần thiết cho một kĩ sư điều khiển, tự động
hóa nói chung và ngành tin học và đo lường nói riêng. Mạch có tính ứng dụng cao, có định
hướng phát triển mở rộng của đồ án. Sau đồ án này, em hướng đến một sản phẩm có thể
phát hiện các thiết bị điện trong nhà bật hay tắt bằng việc thu thập dữ liệu về điện áp, dịng
điện về mạch đo để xử lý, tính tốn cơng suất kết hợp các kiến thức của máy học để từ đó, ta
có sự điều chỉnh sử dụng điện trong nhà cho phù hợp.

MỤC LỤ


CHƯƠNG I. MÔ TẢ CHUNG VỀ THIẾT BỊ.......................................................................5
1.1

Khái quát chung của thiết bị......................................................................................5

CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.......................................................................................6
2.1 Nguyên lý đo dịng điện....................................................................................................6
2.2 Ngun lý đo cơng suất bằng phương pháp nhân tức thời................................................7
2.3 Các linh kiện cơ bản được sử dụng...................................................................................8
2.3.1 Điện trở..................................................................................................................................................8
2.3.2 Tụ điện....................................................................................................................................................8
2.3.3 Thạch anh...............................................................................................................................................9


2.4 Tìm hiểu và chip ATMEGA328P trong mạch.................................................................10
2.5 Tìm hiểu về LM324.........................................................................................................11
2.6 Tìm hiểu về ASM1117....................................................................................................12
2.7 Tìm hiểu về DS1307.......................................................................................................13
2.8 Tìm hiểu về IC nguồn LM2576......................................................................................14
2.9 Tìm hiểu về REF5025.....................................................................................................14
CHƯƠNG III. THIẾT KẾ CHI TIẾT MẠCH......................................................................15
3.1 Thiết kế chi tiết các khối phần cứng...............................................................................15
3.1.1 Thiết kế kênh đo điện áp......................................................................................................................15
3.1.2 Thiết kế kênh đo dòng điện..................................................................................................................18
3.1.3 Thiết kế khối xử lý trung tâm và khối RTC,RTC & EEPROM.................................................................23
3.1.4 Khối hiển thị.........................................................................................................................................24
3.1.5 Thiết kế khối truyền phát không dây...................................................................................................25
3.1.6 Thiết kế khối nguồn..............................................................................................................................28
3.1.7 Thiết kế khối Sdcard.............................................................................................................................30

3.2 Tính tốn cơng suất tiêu thụ của công tơ điện tử............................................................30
3.3 Đi dây mạch PCB............................................................................................................32
3.4 Thiết kế vỏ hộp và mặt máy............................................................................................33
CHƯƠNG IV. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ..................................................................35
Tài liệu tham khảo.................................................................................................................37


DANH MỤC HÌNH V

Hình 1 Sơ đồ khối thiết bị đo ,lưu trữ giám sát điện năng..........................................7
Hình 2 Định luật ampere............................................................................................8
Hình 3 Dịng xoay chiều.............................................................................................8



Hình 4 Định luật Faraday...........................................................................................9
Hình 5 Điện trở........................................................................................................10
Hình 6 Tụ điện..........................................................................................................11
Hình 7 Thạch anh.....................................................................................................11
Hình 8 Atmega328p.................................................................................................12
Hình 9 Sơ đồ chân....................................................................................................13
Hình 10 LM324........................................................................................................14
Hình 11 ASM1117....................................................................................................15
Hình 12 IC thời gian thực-DS1307..........................................................................15
Hình 13 IC nguồn LM2576......................................................................................16
Hình 14 REF5025 và sơ đồ chân..............................................................................16
Hình 15 REF50xx Family........................................................................................17
Hình 16 Sơ đồ nguyên lý kênh đo điện áp................................................................17
Hình 17 Sơ đồ điện áp sau khi đã cộng offset..........................................................18
Hình 18 HWCT 20A/20mA (trái) và SCT-013-030 ( phải)..................................20
Hình 19 Sơ đồ kênh đo dịng điện............................................................................20
Hình 20 Khối xử lý trung tâm..................................................................................25
Hình 21 EEPROM
Hình 22 RTC- DS1307........................................................26
Hình 23 LCD 5110 (trái) sơ đồ chân CD4050B (phải)............................................27
Hình 24 Sơ đồ nguyên lí khối hiển thị......................................................................27
Hình 25 Thơng số kỹ thuật chính ESP8266-12E......................................................28
Hình 26 Sơ đồ cấu tạo ESP8266-12E.......................................................................28
Hình 27 Sơ đồ kết nối giữa Atmega328p và Esp8266-12E......................................29
Hình 28 Mơ hình lập trình Esp8266.........................................................................29
Hình 29 Biến áp HUIZI 220V/9V 2.25VA...............................................................30
Hình 30 Sơ đồ cấu tạo khối nguồn...........................................................................30
Hình 31 LM2576 và sơ đồ chân...............................................................................31
Hình 32 AMS1117 và sơ đồ chân.............................................................................31

Hình 33 Thẻ nhớ Sdcard...........................................................................................32
Hình 34 Sơ đồ khối SDCard.....................................................................................32
Hình 35 Đi dây mạch PCB.......................................................................................35
Hình 36 Hình 3D sản phẩm......................................................................................35
Hình 37 Vỏ hộp thiết bị............................................................................................36
Hình 38 Nắp thiết bị.................................................................................................36

CHƯƠNG I. MƠ TẢ CHUNG VỀ THIẾT BỊ
1.1 Khái quát chung của thiết bị
Công tơ điện tử được xây dựng theo mơ hình được thể hiện trong sơ đồ khối Hình
1.1 dưới đây :


Hình 1 Sơ đồ khối thiết bị đo ,lưu trữ giám sát điện năng

Cấu tạo thiết bị bao gồm 6 khối chính. Thiết bị sử dụng nguồn điện xoay chiều một pha cấp
trực tiếp từ lưới điện dân dụng. Khối nguồn sẽ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1
chiều với các mức điện áp phù hợp cấp cho các linh kiện trong thiết bị hoạt động, cụ thể là tạo ra các
mức điện áp là 5V và 3.3V, đồng thời do đặc thù của mạch đo dòng và áp mà tạo ra mức điện áp
tham chiếu 2.5V. Khối MCU (Micro- Controller Unit) là khối xử lý trung tâm được xây dựng dựa
trên chip ATMEGA328P làm nhiệm vụ xử lý tín hiệu đo cung cấp bởi khối mạch đo, tính tốn đưa ra
kết quả đo để lưu trữ và hiển thị và truyền phát thông qua khối hiển thị và khối truyền phát.Thiết bị
được tích hợp thêm khối Sdcard dùng để lưu trữ thơng tin về dịng điện, điện áp , công suất khi mà
giới hạn số lần đọc ghi trên EEPROM đạt giới hạn.


CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Nguyên lý đo dòng điện
Để đo dòng điện mà khồng cần tiếp xúc với mạch, cảm biến dòng điện xoay chiều
này sử dụng đặc tính từ của dịng điện.

Định luật Ampere: Định luật Ampere nói rằng mọi dây dẫn mà dịng điện chạy qua
đều tạo ra xung quanh nó một từ trường tỷ lệ với cường độ dịng điện.

Hình 2 Định luật ampere

Dịng điện xoay chiều: Dịng điện xoay chiều có đặc điểm là hoạt động giống như
một sóng sin, do đó cường độ của nó thay đổi theo thời gian, từ cực đại dương đến cực đại
âm. Dao động này có tần số có thể là 50Hz hoặc 60Hz tùy thuộc vào quốc gia hoặc khu vực.

Hình 3 Dịng xoay chiều

Vì từ trường tỷ lệ với giá trị dòng điện, nên từ trường tạo ra xung quanh vật dẫn do
dòng điện xoay chiều mang theo sẽ thay đổi theo thời gian tùy theo sự biến thiên của nó.
Định luật Faraday – định luật cảm ứng điện từ:
Định luật Faraday nói rằng từ trường biến thiên theo thời gian tạo ra suất điện động
trong cuộn dây tạo ra dòng điện tỷ lệ với cường độ của từ trường.


Hình 4 Định luật Faraday

Trong hình trên, chúng ta có thể hiểu luật này trong thực tế. Lưu ý rằng khi tiếp cận
nam châm đến các vòng, chúng ta đang thay đổi từ trường và điện áp trên vôn kế (suất điện
động) đang được chỉ ra đạt gần 20V. Khi kéo nam châm ra xa, ta có hiệu điện thế đi dần về
0V.
Tóm tắt:
Từ ba đặc tính ta có thể hiểu được nguyên lý làm việc của cảm biến:
Khi dòng điện chạy qua một dây dẫn, nó tạo ra một từ trường tỷ lệ xung quanh dây
dẫn. Máy biến dòng sử dụng từ trường này để đo dòng điện.Dòng điện xoay chiều thay đổi,
khiến từ trường thay đổi liên tục. Trong một cảm biến dòng xoay chiều, dây được quấn
quanh lõi. Từ trường được tạo ra bởi dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra một dòng điện hoặc

điện áp tỷ lệ trong dây nằm trong cảm biến dòng. Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra một điện áp
hoặc dịng điện nhất định mà một đồng hồ được kết nối với cảm biến có thể đọc và chuyển
thành dịng điện chạy qua dây dẫn.
2.2 Nguyên lý đo công suất bằng phương pháp nhân tức thời.
Để tính tốn đo cơng suất, ta tính tốn qua các giá trị tức thời của dòng điện và điện
áp , tức là i(t) và u(t). Sau đây là các cơng thức tính tốn theo lý thuyết :
Cơng thức tính điện áp hiệu dụng:

Cơng thức tính dịng điện hiệu dụng:

Cơng thức tính cơng suất hiệu dụng như sau :

Trong đó : u(t) là giá trị điện áp tức thời tại thời điểm t
i(t) là giá trị dòng điện tức thời tại thời điểm t


N là số giá trị lấy mẫu
Cơng thức tính hệ số cos :

Giá trị N càng lớn, độ chính xác của phép đo càng cao. Tuy nhiên mạch đo công tơ
điện tử sử dụng trái tim là vi điều khiển Atmega328p, vì vậy lựa chọn N phải phù hợp với
bộ nhớ của vi điều khiển.Ở đây ta chọn N =2000, tức tốc độ lấy mẫu là 2000 điểm/s.

2.3 Các linh kiện cơ bản được sử dụng
2.3.1 Điện trở

Hình 5 Điện trở

Điện trở là một linh kiện điện tử có cơng dụng dễ hiểu nhất là để giảm dòng điện
chảy trong mạch (hạn chế cường độ dòng điện). Trong tiếng Anh, resistor là điện trở.

Khả năng giảm dòng điện của điện trở được gọi là điện trở suất và được đo bằng đơn
vị ohms (đơn vị điện trở). Nếu chúng ta tạo ra sự tương tự với dòng nước chảy qua các
đường ống, thì điện trở là một ống mỏng làm giảm lưu lượng nước.
Dòng điện I của ampe kế (A) bằng điện áp V của điện trở tính bằng vơn (V) chia cho
điện trở R tính bằng ohms (Ω):

(5)
2.3.2 Tụ điện

Hình 6 Tụ điện

Tụ điện là một trong những linh kiện quan trọng trong số 5 linh kiện của thiết bị điện
tử. Tụ điện không thể thiếu trong các mạch lọc, mạch dao động và các loại mạch truyền dẫn


tín hiệu xoay chiều. Cấu tạo và hoạt động cũng như ứng dụng của tụ điện là điều rất cần
thiết.

Ứng dụng tụ điện:
Tụ điện cho phép điện áp xoay chiều đi qua, đồng thời ngăn điện áp một chiều lại. Vì
thế nó được dùng để truyền tín hiệu giữa các tầng khuếch đại có điện áp chênh lệch.
Lọc điện áp xoay chiều sau khi đã loại bỏ pha âm thành điện áp một chiều bằng
phẳng.
Với điện xoay chiều thì tụ sẽ dẫn điện cịn với điện một chiều thì tụ lại trở thành tụ
lọc.
2.3.3 Thạch anh

Hình 7 Thạch anh

Thạch anh là một trong những nguyên tố quan trọng trong các sản phẩm linh kiện

điện tử. Đặc biệt trong IC điều khiển, chúng được ví như một trái tim của linh kiện này
Thạch anh là bộ dao động khá ổn định để tạo ra tần số dao động cho các vi điều
khiển. Đa số các mạch điều khiển đèn Led đều dùng thạch anh có thể là thạch anh 12Mhz,
16Mhz, 24Mhz… mỗi loại linh kiện sẽ cho ra một xung nhịp khác nhau.
Thạch anh sử dụng trong điện tử đa phần để tạo ra tần số được ổn định vì tần số của
thạch anh tạo ra rất ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là các mạch dao động RC
khác….Trong vi điều khiển bắt buộc phải có thạch anh (trừ các loại có dao động nội) vì xét
chi tiết thì vi điều khiển có CPU, timer, … CPU bao gồm các mạch logic và mạch logic
muốn hoạt động cũng cần có xung clock, cịn timer thì gồm các dãy FF cũng cần phải có
xung để đếm. Tùy loại vi điều khiển mà bao nhiêu xung clock thì ứng với một chu kì máy,
và với mỗi xung clock vi điều khiển sẽ đi làm một công việc nhỏ ứng với lệnh đang thực
thi.Để chạy các câu lệnh trong IC vi điều khiển, bạn cần tạo ra xung nhịp. Tần số xung nhịp
phụ thuộc vào thạch anh gắn trên chân kết nối thạch anh của vi điều khiển.


2.4 Tìm hiểu và chip ATMEGA328P trong mạch

Hình 8 Atmega328p

Atmega 328 là một bộ vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương
trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô
cùng lớn trong thế giới vi xử lý 8 bit (2KB SRAM)
Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra I/O, 32 thanh ghi, 3 bộ
timer/counter có thể lập trình, có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao
thức truyền thơng nối tiếp USART, SPI, I2C. Ngồi ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương
tự 10 bit (ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt
động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ
bootloader.
Sơ đồ chân ATMEGA328


Hình 9 Sơ đồ chân

Đặc tính / Thơng số kỹ thuật của ATmega328P

















Thiết kế hiệu suất cao
Tiêu thụ ít điện năng
Tổng số chân ngõ vào Analog là 6
Chứa 32 kilobyte bộ nhớ flash
Chứa 2 kilobyte SRAM
Chứa 1 kilobyte EEPROM
Tốc độ xung nhịp 16Mhz
Nhiệt độ tối thiểu và tối đa -40 độ C đến 105 độ C.
Tổng số chân I / O kỹ thuật số là 14 chân
Khóa chức năng chương trình để bảo mật mã lập trình

Chứa tổng cộng ba bộ định thời, hai 8 bit và một 16 bit
Tổng số chân I / O là 23 chân
Tổng số kênh PWM là 6
Điện áp hoạt động tối thiểu và tối đa từ 1.8V DC đến 5.5V DC

2.5 Tìm hiểu về LM324

Hình 10 LM324

LM324 là một IC khuếch đại chứa bốn op-amp có độ lợi cao độc lập với nhau. Bạn
có thể sử dụng một hoặc hai op-amp trong bốn hoặc bạn cũng có thể sử dụng cả bốn cùng
một lúc. Đầu vào cung cấp điện cho tất cả bốn op-amp chân 4 (nguồn dương) và chân 11
(nối đất / nguồn âm). Với điện áp hoạt động tối thiểu chỉ 3VDC và mức tiêu thụ dòng điện
tối thiểu chỉ từ 0.7mA đến 0.8mA, IC này có thể được sử dụng ở những nơi cần có mạch
cơng suất tiêu thụ dịng điện thấp và độ lợi cao.
Các tính năng / thơng số kỹ thuật của IC LM324





Bốn op-amp có độ lợi cao trong một gói duy nhất.
Độ lợi DC của mỗi op-amp là 100dB.
Tất cả bốn op-amp có thể được vận hành từ một nguồn cấp duy nhất.
Hoạt động với điện áp cấp rộng từ 3V đến 32V.










Đầu vào và đầu ra được bảo vệ khỏi quá tải.
Dịng điện hoạt động rất thấp 700uA đến 800uA
Băng thơng tối đa là 1MHz.
IC có thể dễ dàng sử dụng với các thiết bị logic và vi điều khiển.
Bảo vệ ngắn mạch bên trong.
Và nhiều tính năng khác…

2.6 Tìm hiểu về ASM1117
AMS1117 là IC ổn áp 3 chân gói SMD phổ biến có nhiều model cho các yêu cầu
điện áp cố định và có thể điều chỉnh. IC có thể cung cấp dòng điện tối đa 1A và điện áp đầu
ra có thể thay đổi từ 1,5V đến 5V. Nó cũng có điện áp sụt thấp là 1,3V khi hoạt động ở dịng
điện tối đa.

Hình 11 ASM1117

Một vài thơng số kỹ thuật :











Bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính 3 cực có thể điều chỉnh hoặc cố định
Bộ điều chỉnh điện áp sụt thấp (LDO)
Loại điện áp cố định: 1.5V, 1.8V, 2.5V, 2.85V, 3.3V và 5V
Phạm vi điện áp thay đổi: 1,25V đến 13,8V
Dòng điện đầu ra là 1000mA
Điện áp sụt tối đa: 1.3V
Giới hạn dịng điện tích hợp và bảo vệ nhiệt.
Nhiệt độ hoạt động lớp tiếp giáp là 125 ° C
Gói SOT-223, TO-252 và SO-8

2.7 Tìm hiểu về DS1307
DS1307 là chip đồng hồ thời gian thực (RTC : Real-time clock), khái niệm thời gian
thực ở đây được dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con người đang sử dụng, tình bằng
giây, phút, giờ…DS1307 là một sản phẩm của Dallas Semiconductor (một công ty thuộc
Maxim Integrated Products). Chip này có 7 thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ,
thứ (trong tuần), ngày, tháng, năm. Ngoài ra DS1307 cịn có 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra
phụ và 56 thanh ghi trống có thể dùng như RAM. DS1307 được đọc và ghi thông qua giao
diện nối tiếp I2C (TWI của AVR) nên cấu tạo bên ngoài rất đơn giản.


Hình 12 IC thời gian thực-DS1307

2.8 Tìm hiểu về IC nguồn LM2576

Hình 13 IC nguồn LM2576

LM2576 là một IC nguồn tích hợp của mạch nguồn xung theo nguyên lý nguồn
Buck. Với dòng điện định mức đầu ra tải là 3A và có các đầu điện áp đầu ra cố định 3.3V,
5V, 12V, 15V và điện áp biến đổi tùy từng loại Serial của LM2576. Đây là loại IC nguồn
cung cấp điện áp đầu ra ổn định, hoạt động ổn định với đầu tản nhiệt tốt giúp IC hoạt động

tốt trong nhiệt độ cho phép.
Một số thơng số và tính năng chính :









Điện áp đầu ra của các Serial là 3.3V, 5V, 12V, 15V và điện áp điều chỉnh
Điện áp điều chỉnh được từ 1.25V đến 37V với điện áp đầu vào là lớn nhất
Dòng đầu ra định mức :3A
Điện áp đầu vào định mức: 40V (có thể >60 tùy tuwgf dòng Serial)
Chỉ giao tiếp với 5 chân đuầ vào ra
Tần số đóng cắt chuẩn : 52Khz
Hiệu suất cao, bảo vệ q dịng và q nhiệt tốt

2.9 Tìm hiểu về REF5025

Hình 14 REF5025 và sơ đồ chân


REF5025 là IC tạo mức điện áp 2.5V với giải điện áp đầu vào rộng từ 2.7V đến 18V
với độ chính xác cao và tiêu thụ năng lượng thấp thuộc họ REF50xx Family. Sau đây là
bảng liệt kê những IC trong họ này :

Hình 15 REF50xx Family


CHƯƠNG III. THIẾT KẾ CHI TIẾT MẠCH
3.1 Thiết kế chi tiết các khối phần cứng
Sau khi đã có cái nhìn tổng quan về các linh kiện điện tử, sơ đồ khối của hệ thống
cũng như ngun lý đo dịng điện, điện áp, từ đó đưa ra công suất, em sẽ thiết kế chi tiết
từng khối như sau :
3.1.1 Thiết kế kênh đo điện áp
Công tơ điện tử EM-03a được thiết kế để sử dụng phương pháp đo điện áp hiệu dụng
bằng mạch điện trở phân áp. Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp được thể hiện trong Hình 16
dưới đây.

Hình 16 Sơ đồ nguyên lý kênh đo điện áp


Mạch đo điện áp được thiết kế để đo điện áp xoay chiều 1 pha bình thường trong dải đo
từ 176-253V AC. Để nâng cao độ chính xác cho phép đo, thiết bị sử dụng IC chuyên dụng
tạo điện áp tham chiếu độ chính xác cao REF5025 do Texas Instrument sản xuất để tạo điện
áp tham chiếu Uref = 2.5V ± 0.1%. cho bộ ADC của vi điều khiển. Vì vậy, cần chọn thông
số các điện trở phân áp R2, R3, R4 và R7 để đảm bảo biên độ của tín hiệu điện áp đầu ra tức
thời phải nằm trong dải điện áp từ 0-2.5V để đưa vào khối xử lý trung tâm.
Do bộ ADC của khối xử lý trung tâm chỉ hoạt động trong dải điện áp từ 0-5V DC nên
với giá trị điện áp tham chiếu này, tín hiệu được đưa vào khối xử lý trung tâm không được
có thành phần điện áp âm. Tín hiệu điện áp này sẽ phải bao gồm 2 thành phần: thành phần
xoay chiều cùng tần số khác biên độ với tín hiệu điện áp gốc và thành phần 1 chiều cộng
thêm vào tín hiệu gốc sau đó nhằm loại bỏ giá trị điện áp âm. Thành phần xoay chiều sẽ
phải có biên độ nằm trong dải từ 0-1.25V và thành phần 1 chiều có biên độ từ 0-1.25V.
Hình dưới đây minh họa cho việc cộng điện áp tham chiếu để loại bỏ phần điện áp âm.

Đối với tín hiệu xoay chiều, giá trị biên độ tức thời lớn nhất của tín hiệu điện áp xoay
chiều được tính theo cơng thức :
(6)

Giá trị điện áp hiệu dụng đầu ra trở phân áp được tính theo cơng thức dưới đây :

Trong đó:




Uout là giá trị điện áp ra sau điện trở phân áp.
Urms là giá trị điện áp xoay chiều hiệu dụng 1 pha cần đo.
là giá trị điện trở của mạch điện trở phân áp.

Từ phương trình (6) , (7) ta chọn được . Khi đó, với mức điện áp tối đa 253V đưa vào
mạch đo, ta tính tốn lại biên độ của tín hiệu xoay chiều đầu ra có giá trị lớn nhất là :

Tín hiệu xoay chiều đi vào vi điều khiển cần phải được lọc bỏ các nhiễu điện áp 1
chiều (DC) gây sai lệch điểm gốc tọa độ ban đầu bằng khâu lọc thông cao. Mạch lọc thông
cao được tạo ra bởi 2 thành phần tụ C và điện trở R. Tần số cắt của mạch lọc thông cao
được tính theo cơng thức (8). Tần số cắt càng gần với tần số dải thơng, biên độ và pha của

Hình 17 Sơ đồ điện áp sau khi đã cộng offset


tín hiệu sẽ càng dễ bị méo, vì vậy nên chọn tần số cắt nhỏ hơn ít nhất 100 lần so với tín hiệu
dải thơng.

Trong đó : là tần số cắt của mạch lọc thông cao
C, R là giá trị tụ điện và điện trở của mạch lọc thông cao và R =
Sau khâu lọc, tín hiệu xoay chiều đầu ra sẽ được cộng với một điện áp DC (tạo
offset) trước khi vào bộ chuyển đổi ADC để loại bỏ điện áp âm như đã trình bày ở trên. Từ
giá trị điện áp tham chiếu ,ta tạo được điện áp offset bằng cách sử dụng công thức trở phân

áp, ta chọn :

Và tần số cắt của mạch lọc thông cao sẽ có giá trị :

Như vậy, theo các tính tốn và lựa chọn, ta có biên độ lớn nhất của tín hiệu đo đưa
vào khối xử lý trung tâm (bao gồm cả thành phần xoay chiều và một chiều) tương ứng với
giá trị điện áp tức thời lớn nhất mà công tơ phải đo được là:

Sau khâu giảm áp và cộng offset, tín hiệu đo được đưa qua mạch lặp điện áp không
đảo (Non-inverting Voltage Follower) sử dụng Op-amp LM324 giúp làm tăng trở kháng cho
phần mạch đo trước khi đi vào ADC, giảm tổn hao năng lượng và bảo vệ mạch vi điều khiển
phía sau khi có sự cố xảy ra.
Cuối cùng, tín hiệu được đi qua khâu lọc thơng thấp RC nhằm lọc nhiễu sóng hài
trong tín hiệu. Tần số cắt của mạch lọc được tính theo cơng thức (8). Theo tiêu chuẩn về đo
lường của công tơ điện tử IEC 62053-21, công tơ điện tử cần đo được giá trị điện áp và
dịng điện với các tín hiệu điện có thành phần sóng hài đến bậc 20. Vì vậy, tần số cắt của
mạch đo nên được đặt với = 1000Hz. Với lựa chọn R = 3.3kΩ, C = 47nF, ta có tần số cắt
của mạch lọc thơng thấp:

Ngoài ra, tụ chống sét (Varistor) C7 14D471K (Urmsmax = 300V AC) cũng được lắp
ở đầu mạch đo nhằm bảo vệ an tồn cho cơng tơ khi xảy ra q áp và 2 cuộn lọc ferrit bead
cũng được đặt vào 2 dây AC Line và Neutral nhằm lọc nhiễu trước khi đi vào khâu phân áp.
Các diode D1 và D2 cũng được sử dụng nhằm bảo vệ quá áp cho đầu vào ADC của khối xử
lý trung tâm.
3.1.2 Thiết kế kênh đo dòng điện
Mạch được thiết kế với tùy chọn sử dụng 2 loại biến dòng khác nhau là HWCT
20A/20mA và SCT-013-030 tùy vào điều kiện lắp đặt và sử dụng.

Hình 18 HWCT 20A/20mA (trái) và SCT-013-030 ( phải)



Công tơ điện tử sẽ chỉ cho phép một biến dòng làm việc tại một thời điểm. Hai chân
kết nối JP2 và JP4 trong sơ đồ nguyên lý giúp lựa chọn biến dòng HWCT 20A/20mA hoặc
SCT-013-030 hoạt động trong mạch. Sơ đồ nguyên lý của mạch đo dòng điện xoay chiều
được thể hiện trong sơ đồ dưới đây :

Hình 19 Sơ đồ kênh đo dòng điện

* Biến dòng HWCT 20A/20mA
Biến dịng HWCT 20A/20mA có tỉ lệ biến đổi NHWCT = 1000 nên tương ứng với
giá trị dòng vào 20A là dòng ra 20mA. Quan hệ giữa giá trị dòng điện đầu vào và đầu ra của
biến dịng được tính theo cơng thức dưới đây:

Trong đó :
là giá trị dịng điện hiệu dụng được đưa vào biến dòng (dòng điện qua điện
trở gánh tạo ra điện áp tương ứng ).
 là giá trị dòng điện hiệu dụng được đưa ra từ biến dòng.
 N là tỉ lệ biến đổi của biến dịng.


Tín hiệu ra từ biến dịng, là dịng điện, được đưa qua điện trở gánh (Burden) nhằm
chuyển đổi từ dòng điện ra điện áp. Tương tự tín hiệu ở mạch đo điện áp, tín hiệu ra từ mạch
đo dịng điện này cần phải có biên độ phù hợp với dải đo của ADC từ 0-2.5V DC. Như vậy,
giá trị trở gánh được chọn cần thỏa mãn điều kiện đầu ra từ biến dòng tối đa 20mA sẽ tương
ứng với điện áp 2.5V đưa vào bộ ADC của khối xử lý trung tâm. Tín hiệu này cũng sẽ bao
gồm thành phần xoay chiều và thành phần offset 1 chiều để loại bỏ giá trị điện áp âm. Ở
đây, ta lựa chọn = 1.25V để tín hiệu điện áp đưa ra từ cảm biến sẽ có biên độ tối ưu = 1.25V.
Điện áp hiệu dụng của tín hiệu ra từ cảm biến được tính theo cơng thức dưới đây:



Trong đó :
 là giá trị điện áp hiệu dụng đưa ra từ biến dòng.
 là giá trị dòng điện hiệu dụng đưa ra từ biến dòng.
 là giá trị điện trở gánh.
Với dòng điện hiệu dụng lớn nhất là 20mA từ biến dòng và giá trị điện áp tức thời
lớn nhất đưa vào ADC có thể đạt được là 1.25V, ta có giá trị điện áp hiệu dụng lớn nhất mà
đầu ra có thể đạt được tính theo cơng thức (6).

Từ đó, ta tính được giá trị điện trở gánh theo lý thuyết :

Với các giá trị điện trở có thể sử dụng, lựa chọn 2 điện trở R14 và R15 lần lượt là
120Ω và 68Ω mắc song song như sơ đồ ngun lý Hình 19, ta có được giá trị điện trở gánh
xấp xỉ:

Như vậy, đối với thành phần xoay chiều, tính tốn lại giá trị điện áp đỉnh tối đa của tín
hiệu xoay chiều đầu ra theo công thức (6) và (12) ta được:

Tương tự, tại giá trị Iprimary = 5A, ta có được giá trị Upeak của thành phần xoay chiều
theo các công thức :

Quan hệ giữa hệ số khuếch đại G, điện áp tham chiếu Uref và điện áp tức thời đầu
vào Upeak được thể hiện trong cơng thức (13) dưới đây:

Trong đó: là giá trị điện áp tức thời của thành phần xoay chiều của tín hiệu đo.
là giá trị điện áp tham chiếu tạo ra bởi IC REF5025, = 2.5V.
G là hệ số khuếch đại của mạch Op-amp.
Với Upeak ≈ 0.31V, ta tính được hệ số khuếch đại theo (13):

Như vậy, để tăng độ chính xác đối với thang đo từ 0-5A, tín hiệu đo cần được khuếch
đại biên độ với hệ số G = 4. Việc khuếch đại tín hiệu sẽ được thực hiện bởi mạch Op-amp

phía sau biến dịng.


* Biến dòng SCT-013-030
Biến dòng SCT-013-030 là 1 tùy chọn sử dụng của cơng tơ điện tử trong việc đo
dịng điện. Biến dịng này có tỉ lệ biến đổi NSCT = 1800, bên trong biến dịng này được tích
hợp một điện trở gánh 64Ω để điện áp hiệu dụng đầu ra nằm trong dải từ 0-1V tương ứng
với dòng điện đầu vào 0-30A. Vì vậy, ta khơng cần sử dụng thêm điện trở gánh trong mạch
sử dụng biến dòng SCT-013-030. SCT-013-030 có khả năng đo dịng điện hiệu dụng tối đa
là 30A, tuy nhiên để phù hợp với thông số yêu cầu của mạch đo là thành phần xoay chiều
trong mạch chỉ có biên độ tối đa là 1.25V giống như ở mạch đo sử dụng HWCT 20A/20mA
nên giá trị hiệu dụng tối đa của tín hiệu tạo ra bởi SCT-013-030 đưa vào khối xử lý trung
tâm sẽ chỉ từ 0-0.88V. Như vậy, cường độ dòng điện hiệu dụng tối đa tương ứng mà cơng tơ
điện tử có thể đo được với SCT-013-030 tính theo cơng thức (10) và (11) là:

Với hệ số khuếch đại bằng 4, ta tính tốn cường độ dòng hiệu dụng mà mạch đo dòng
sử dụng SCT-013-030 sẽ đo được theo công thức :

Tổng kết lại: mạch đo dịng điện của cơng tơ điện tử khi sử dụng biến dòng HWCT
20A/20mA sẽ đo dòng điện ở thang đo 0-5A với hệ số khuếch đại G=4, thang đo 5-20A
với hệ số khuếch đại G=1. Khi sử dụng biến dịng SCT-013-030, cơng tơ điện tử đo cường
độ dịng điện ở thang đo 0-6A với hệ số khuếch đại G=4 và thang đo 6-24A với hệ số
khuếch đại G=1.
* Tính tốn thơng số mạch Op-amp
Do dải đo dịng điện là tương đối rộng từ 0.25-20A, do đó, để tăng độ chính xác,
mạch đo được thiết kế để đo 2 thang đo dòng điện với 2 hệ số khuếch đại (Gain) khác nhau.
Với thang đo từ 0.25-5A, tín hiệu đo sẽ được khuếch đại lên 4 lần. Với thang đo từ 5-20A,
tín hiệu đo sẽ được giữ nguyên biên độ gốc. Việc khuếch đại tín hiệu đo sẽ do Op-amp
LM324 xử lý. Mạch Op-amp được lắp theo kiểu mạch khuếch đại đảo cộng điện áp xoay
chiều (AC Coupled Inverting Amplifier).

Với thiết kế mạch Op-amp như Hình 19, giá trị điện áp tức thời của tín hiệu đưa vào
khối xử lý trung tâm được tính theo cơng thức :

Trong đó:





Upeakmax là giá trị điện áp tức thời của tín hiệu đưa vào khối xử lý trung tâm.
Upeak là giá trị điện áp tức thời của thành phần xoay chiều của tín hiệu đo.
Uref là giá trị điện áp tham chiếu tạo ra bởi IC REF5025, Uref = 2.5V.
RA, RB là các điện trở của mạch Op-amp.

Khâu lọc thông cao ở mạch Op-amp được lựa chọn với tần số cắt nhỏ hơn ít nhất 100
lần so với tần số tín hiệu dải thơng như đã trình bày ở phần trước. Tần số cắt của khâu lọc


thơng cao RC được tính theo cơng thức (8). Bên cạnh đó, giá trị điện trở trong khâu lọc
thơng cao này cũng phải đảm bảo để tạo ra được điện áp /2.
**Tính tốn với khối có hệ số G=1
Ta chọn R7 = R5 = 1MΩ và C7 = 1µ F. Khi đó, ta có tần số cắt của khâu lọc thơng
cao:

Chọn C11 = 2.2µ F, R13 = 330kΩ, ta tính được tần số cắt khâu lọc thông cao thứ 2 :

Hệ số khuếch đại của mạch Op-amp được chọn thông qua giá trị của điện trở và .
Theo sơ đồ nguyên lý Hình 19, G=1, RA là R14 và RB là R13, ta chọn thông số: R14 = R13 =
330kΩ, khi đó, giá trị điện áp tức thời của tín hiệu đưa vào khối xử lý trung tâm có độ lớn
tính theo cơng thức (14) là:


(với được tính tốn ở phần trên)
**Tính tốn với khối có hệ số G=4
Tương tự như G=1, chọn R20 = R22 = 1MΩ và C17 = 1µ F. Khi đó, ta có tần số cắt
của khâu lọc thơng cao:

Chọn C19 = 4.7µ F, R23 = 82kΩ, ta tính được tần số cắt khâu lọc thơng cao thứ 2 :

Hệ số khuếch đại của mạch Op-amp được chọn thông qua giá trị của điện trở và .
Theo sơ đồ nguyên lý Hình 19, tương tự với G=4, RA là R24 và RB là R23, ta chọn thơng số:
R24 =330kΩ, R23 = 82kΩ, khi đó, giá trị điện áp tức thời của tín hiệu đưa vào khối xử lý
trung tâm có độ lớn tính theo cơng thức (14) là:

(với được tính tốn ở phần trên)
Cuối cùng , với cả hai thang đo, sau khâu khuếch đại, tín hiệu cũng được đưa qua
khâu lọc thông thấp giống như ở mạch đo áp. Tần số cắt của mạch lọc này cũng được chọn
giống như tần số cắt ở khâu lọc thông thấp của mạch đo áp là = 1000Hz. Với các giá trị điện
trở và tụ điện có thể chọn được là R = 3.3kΩ và C = 47n F, ta tính lại tần số cắt của khâu lọc
thơng thấp theo công thức(8):


3.1.3 Thiết kế khối xử lý trung tâm và khối RTC,RTC & EEPROM
Ở khối xử lý trung tâm, trái tim của mạch em sử dụng Atmega328p thuộc dòng vi
điều khiển 8-bit khá quen thuộc, dễ dàng lập trình, có khả năng xử lý, tính tốn tốt, có cấu
trúc tiết kiệm điện năng, giá thành không cao nên phù hợp để xây dựng các thiết bị đo giá
rẻ, nhỏ gọn nhưng đáp ứng được các yêu cầu thiết kế. Khối xử lý trung tâm của công tơ điện
tử sử dụng nguồn xung nhịp từ thạch anh ngoại 16MHz, kết nối với khối cảm biến thông
qua 3 chân analog: ADC0 cho mạch đo điện áp; ADC1 và ADC2 cho mạch đo dòng điện.
Bộ ADC của vi điều khiển sử dụng điện áp tham chiếu = 2.5V DC do IC REF5025 cung
cấp. Chương trình nhúng được nạp vào cho ATmega328p thơng qua giao tiếp UART hoặc

nạp qua mạch nạp ISP. Sơ đồ nguyên lý của khối được thể hiện trong hình 20 dưới đây :

Hình 20 Khối xử lý trung tâm

Cơng tơ điện tử sử dụng IC thời gian thực (Real Time Clock – RTC) khá phổ biến
trên thị trường hiện nay là DS1307 do hãng Dallas sản xuất. Mạch có khả năng lưu dữ liệu
ra bộ nhớ ngoài là EEPROM AT24C08 do Atmel sản xuất. EERPOM này có dung lượng lưu
trữ 8KB và có khả năng ghi/xóa đến 1000000 lần. DS1307 và AT24C08 giao tiếp với vi điều
khiển thông qua chuẩn giao tiếp I2C. Sơ đồ nguyên lý của khối RTC & EEPROM được thể
hiện trong Hình 21 và 22 dưới đây.

Hình 21 EEPROM

Hình 22 RTC- DS1307


3.1.4 Khối hiển thị
Màn hình LCD Nokia 5110 sử dụng IC điều khiển Philips PCD8544. Là loại LCD
Graphic đơn sắc với số điểm ảnh 84x84 Pixel được sử dụng trong vơ số các ứng dụng hiển
thị hình ảnh, text,..., với ưu điểm giá thành rẻ, nhỏ gọn, tích hợp đèn nền, sử dụng giao tiếp
SPI dễ dàng lập trình và kết nối với vô số code mẫu và bộ thư viện khác nhau (đặc biệt trên
Arduino) và khả năng tiết kiệm năng lượng cao, LCD Graphic Nokia 5110 là sự lựa chọn
hợp lý để thực hiện vô số các ứng dụng hiển thị hình ảnh khác nhau. Với màn hình này, ta
có thể hiển thị đầy đủ các thơng số đo và tính tốn trên 6 dịng của màn hình. Màn hình
cũng hỗ trợ chức năng hiển thị các ảnh dạng bitmap kích cỡ tối đa là 84x48 pixels, vì thế mà
hiển thị cũng đa dạng hơn các loại LCD thơng thường.

Một vài thơng số kỹ thuật








Loại màn hình: LCD Graphic đơn sắc.
Mã sản phẩm: Nokia 5110 LCD
Đèn nền: màu trắng.
Điện áp sử dụng: 3V3 - 5V.
Giao tiếp: SPI mức TTL.
Kích thước: 45x45mm.

Hình 23 LCD 5110 (trái) sơ đồ chân CD4050B (phải)

Màn hình LCD 84x48 pixels sử dụng nguồn cấp 3.3V, kết nối với khối xử lý trung
tâm theo chuẩn giao tiếp SPI. Một IC dịch mức điện áp (Level Shifter) được sử dụng để
chuyển đổi mức điện áp của tín hiệu sao cho phù hợp với mức điện áp của tín hiệu của LCD
5110 và vi điều khiển. Ở đây, IC CD4050BE do Texas Instrument được sử dụng để thực
hiện nhiệm vụ này. Sơ đồ kết nối màn hình LCD với khối xử lý trung tâm được thể hiện
trong Hình 24 dưới đây :


Hình 24 Sơ đồ ngun lí khối hiển thị

3.1.5 Thiết kế khối truyền phát không dây
Khối truyền phát không dây của công tơ điện tử sử dụng module truyền thông
Esp8266-12E được sản xuất bởi hãng Espressif Systems. Đây là một vi mạch Wifi giá rẻ
tích hợp phần mềm mạng TCP / IP và khả năng vi điều khiển. Một số thơng số kỹ thuật
chính của Esp8266 được thể hiện trong Bảng 25 và sơ đồ khối cấu tạo của nó được thể hiện
trong Hình 26 dưới đây :


Hình 25 Thơng số kỹ thuật chính ESP8266-12E


Hình 26 Sơ đồ cấu tạo ESP8266-12E

Trong mạch cơng tơ điện tử ,Esp8266-12E sẽ đóng vai trị như một bộ vi xử lý mạng,
điều hành các tác vụ liên quan đến kết nối mạng, truyền nhận dữ liệu trong mạng theo chuẩn
Wifi, còn vi điều khiển ATmega328p làm nhiệm vụ đo lường, hiển thị và lưu trữ dữ liệu
trong thiết bị. Atmega328p giao tiếp với Esp8266-12E thông qua giao tiếp UART để nhận
và gửi dữ liệu sau đó truyền lên internet. Esp8266-12E được nạp chương trình nhúng nằm
trong gói phần mềm Esp8266 Arduino do Arduino cung cấp. Các API được dùng để điều
khiển Esp8266-12E phải tuân theo cấu trúc bản tin do Arduino quy định. Sơ đồ kết nối giữa
ATmega328p và Esp8266-12E được thể hiện trong Hình 27 và mơ hình lập trình của khối
truyền phát khơng dây của cơng tơ điện tử được thể hiện trong Hình 28 dưới đây.

Hình 27 Sơ đồ kết nối giữa Atmega328p và Esp8266-12E