Đồ Án Vi Điều Khiển

Thiết kế thi công mạch đo dòng điện AC dùng
cảm biến ACS712 hiển thị LCD sử dụng
PIC16F877A.

Người Thực Hiện
Đặng Hồng Tài

MSSV: 0309181072

Bộ Mơn Tự Động Hóa
Khoa Điện-Điện Tử
Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng


Đồ Án Vi Điều Khiển

Thiết kế thi công mạch đo dòng điện AC dùng
cảm biến ACS712 hiển thị LCD sử dụng
PIC16F877A.

Giáo viên hướng dẫn:
T.S Đặng Đắc Chi

Người Thực Hiện
Đặng Hoàng Tài

MSSV: 0309181072

Bộ Mơn Tự Động Hóa

Khoa Điện-Điện Tử
Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng


Lời Nhận Xét Của Giáo Viên Phản Biện

.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................
.......................................................................................................................


Lời cảm ơn

Trong suốt thời gian thực hiện đồ án này, em đã nhận được sự giúp đỡ, đóng
góp ý kiến, chỉ bảo tận tình của thầy cơ và bạn bè.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa điện- điện tử đã tận tình giúp em
trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Đặt biệt, em xin gửi lời cảm ơn
chân thành đến thầy TS. Đặng Đắc Chi đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn em
hoàn thành đồ án này.
Trong q trình thực hiện khơng thể tránh khỏi sai sót nhất định rất mong nhận
được sựu phê bình, đóng góp ý kiến cảu thầy cơ để đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !


Mục lục
Giới thiệu tổng quan về đề tài

5

1.1 Tổng quan về đề tài .................................................................. 5
1.2 Mục tiêu của đề tài ................................................................... 5
1.3 Cấu trúc quyển đồ án................................................................ 5

Lý Thuyết Cơ Bản

7

2.1 Lý thuyết cơ bản ....................................................................... 7
2.1.1 Vi điều khiển PIC16F877A ................................................................7
2.1.2 module cảm biến ACS712 ..................................................................9
2.1.3 IC ổn áp LM7805 ..............................................................................11
2.1.4 Màn hình LCD1602 ..........................................................................13
2.1.5 Loa buzz ............................................................................................14

Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý


15

3.1 Sơ đồ khối của hệ thống ......................................................... 15
3.2 Sơ đồ nguyên lý ...................................................................... 16
3.2.1 Khối nguồn .......................................................................................16
3.2.2 Khối cảm biến ...................................................................................17
3.2.3 Khối hiển thị .....................................................................................18

1


3.2.4 Khối xử lý trung tâm .........................................................................19
3.2.5 Khối công suất ..................................................................................20
3.2.6 Khối nút nhấn....................................................................................21

3.3 Sơ đồ mạch in ......................................................................... 22

Chương trình điều khiển

24

4.1 Lưu đồ giải thuật .................................................................... 24
4.1.1 Chương trình chính ...........................................................................24
4.1.2 Chương trình con đo dịng ................................................................25
4.1.3 Chương trình con nút nhấn ...............................................................26
4.1.4 Chương trình con cảnh báo ...............................................................27

4.2 Chương trình điều khiển......................................................... 27


kết quả đạt được và hướng phát triển

34

5.1 Kết luận .................................................................................. 34
5.1.1 Kết quả đạt được ...............................................................................34
5.1.2 Hạn chế .............................................................................................34

5.2 Hướng phát triển .................................................................... 34

2


Hình 2.1 PIC16F877A

7

Hình 2.2 Sơ đồ chân PIC6F877A

8

Hình 2.3 Cảm biến ACS712

9

Hình 2.4 Sơ đồ chân cảm biến ACS712

10

Hình 2.5 IC ổn áp LM7805


11

Hình 2.6 Sơ đồ chân IC7805

12

Hình 2.7 Màn hình LCD1602

13

Hình 2.8 Loa buzz

14

Hình 3.1 Sơ đồ khối

15

Hình 3.2 Khối nguồn

16

Hình 3.3 Cảm biến ACS712

17

Hình 3.4 Khối hiển thị

18


Hình 3.5 Khối xử lý trung tâm

19

Hình 3.6 Khối cơng suất

20

Hình 3.7 Khối nút nhấn

21

Hình 3.8 Sơ đồ mạch in

22

Hình 4.1 Chương trình chính

24

Hình 4.2 chương trình con đo dịng

25

Hình 4.3 Chương trình con nút nhấn

26

3



Thiết kế thi cơng mạch đo dịng điện AC dùng cảm biến
ACS712 hiển thị LCD sử dụng PIC16F877A.

Đặng Hoàng Tài
MSSV:0309181072
Bộ Mơn Tự Động Hóa
Khoa Điện-Điện Tử
Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng

Tóm Tắt
Đồ án đo dịng điện AC là một đề tài có tính áp dụng trong thực tế. trong
xu hướng cơng nghiệp hóa – hiện đại hóa hiện nay, việc phát triển các thiết bị
đo để phù hợp với nhu cầu của mọi người là rất cần thiết.
Với đồ án này em sẽ tìm hiểu và sử dụng cảm biến ACS712 để đo dòng
điện AC và hiển thị kết quả đo được lên LCD 16x2, thông qua lập lập trình và
điều khiển bằng vi điều khiển PIC16F877A.
Có cảnh báo bằng đèn và loa để cảnh báo quá dòng cho người sử dụng.
Sử dụng phần mềm PIC C Compiler để lập trình cho vi điều khiển và phần
mềm Altium designer để thiết kế mạch kết nối các linh kiện.
Các phần mềm liên quan:
 Protues để chạy mô phỏng.
 PICkit để nạp chương trình cho vi điều khiển.
4


Giới thiệu tổng quan về đề tài

1.1 Tổng quan về đề tài

Ngày nay, khi đời sống ngày càng được nâng cao, trong xu hướng cơng
nghiệp hóa – hiện đại hóa hiện nay, các thiết bị ngày càng hiện đại và có nhiều
thơng số khác nhau, việc phát triển các thiết bị đo để đo kiểm các thiết trước
khi sữa chữa là rất cần thiết phù hợp với nhu cầu của người sử dụng.
Đo điện áp và dịng điện sẽ ln hữu ích trong khi tạo hoặc gỡ lỗi bất kỳ hệ
thống điện nào. Trong dự án này, em sẽ chế tạo Ampe kế kỹ thuật số của riêng
mình bằng Vi điều khiển PIC16F877A và cảm biến dòng ACS712-5A. Nên
em đã chọn đề tài thiết kế mạch đo dòng điện AC dùng cảm biến ACS712 hiển
thị lên màn hình LCD sử dụng vi điều khiển PIC16F877A, em cảm thấy đề tài
này là phù hợp với chuyên ngành Điều Khiển và Tự Động Hóa.
Thiết bị đo dịng AC là một mạch điện có thể đo được các địng điện xoay
chiều như quạt, đèn, các thiết bị điện, điện mạch điện… Bằng cách mắc nối
tiếp với các thiết bị cần đo, mạch đo dịng điện này có thể đo được các thiết bị
có dòng điện cao đến vài Ampe.

1.2 Mục tiêu của đề tài
Có thể đo được dịng điện xoay chiều, hiển thị thơng số đo được lên
màn hình LCD.
 Hiểu được ngun lý của cảm biến ACS712, PIC16F877A, màn hình
LCD.
 Giao tiếp được với nút nhấn.
 Có hệ thống cảnh báo bằng loa và đèn.


1.3 Cấu trúc quyển đồ án
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài.
5


- Giới thiệu về đề tài.

- Mục tiêu đề tài.
Chương 2: Lý thuyết cơ bản.

- Giới thiệu các thiết bị sử dụng trong đề tài.
Chương 3: Sơ đồ khối và sơ dồ nguyên lý.
Chương 4: Chương trình điều khiển
Chương 5: Kết quả đạt được và hướng phát triển.

6


Lý Thuyết Cơ Bản
2.1 Lý thuyết cơ bản
2.1.1 Vi điều khiển PIC16F877A

Hình 2.1 PIC16F877A

Thơng số kỹ thuật


Nguồn cung cấp dương từ 2V đến 5V.



Tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit.



Tốc độ hoạt dộng cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 20ms.




Bộ nhớ 368x8 byte RAM.



Số port I/O là 5 với 33 chân I/O.



Có kênh chuyển đổi ADC 10 bit.

7


Sơ đồ chân

Hình 2.2 Sơ đồ chân PIC6F877A

PIC16F877A có các thông số chân bao gồm:


2 chân GND



2 chân 5V




1 chân reset



33 chân xuất nhập trong đó có 2 chân có thể sử dụng như PWM
8




2 chân ngõ vào ra dao động thạch anh hoặc xung clock bên ngoài

2.1.2 module cảm biến ACS712
Cảm biến ACS712 (Hall Effect Current Sensor) dùng để đo dòng điện dựa
trên hiệu ứng Hall để đo dòng điện AC/DC, cảm biến có kích thước nhỏ gọn,
dễ kết nối, giá trị trả ra là điện áp Analog tuyến tính theo cường độ dòng điện
cần đo nên rất dễ kết nối và lập trình với Vi điều khiển, thích hợp với các ứng
dụng cần đo dịng AC/DC với độ chính xác cao.
Module cảm biến dòng điện hall ACS712 5A, 20A, 30A sử dụng ic
ACS712ELC tương ứng dựa trên hiệu ứng Hall chuyển dòng điện cần đo thành
giá trị điện thế.
Cảm biến dòng điện Hall 5A ACS712 là ic cảm biến dịng tuyến tính dựa
trên hiệu ứng Hall. chân ACS712 sẽ xuất ra một tín hiệu analog ở chân Vout
biến đổi tuyến tính theo Ip (dòng điện cần đo) được lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc
AC) trong phạm vi cho phép.

Hình 2.3 Cảm biến ACS712

Thông số kỹ thuật của cảm biến ACS712



Điện áp hoạt động: 5VDC.



Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp.
9




Thời gian tăng của đầu ra để đáp ứng với đầu vào là 5µs.



Điện trở dây dẫn trong là 1.2mΩ.



ACS 712 5A, ACS 712 20A, ACS 712 30A



Ip: 5A, 20A, 30A



Nhiệt độ hoạt động: -40 đến 85 độ C




Độ phân giải của cảm biến:
 ACS 712-05B (5Ampe):
 180 – 190 mV/A
 Ip: -5A đến - 5A.
 ACS 712-20A (20Ampe):
 96 – 104 mV/A
 Ip: -20A đến - 20A.
 ACS 712-30A (30Ampe
 64 – 68 mV/A
 Ip: -30A đến - 30A.

Sơ đồ chân

Hình 2.4 Sơ đồ chân cảm biến ACS712

Nguyên lý hoạt động
10


Khi đo dịng điện AC, do dịng điện AC khơng có chiều nên khơng cần quan
tâm chiều.
Cấp nguồn 5v cho module khi chưa có dịng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp với
domino hoặt thiết bị chưa có điện), thì Vout=2.5v. khi có dịng xoay chiều đi
qua Ip (dịng AC) do dòng xoay chiều độ lớn thay đổi liên tục theo hàm sin,
nên điện thế Vout truyền cho vi điều khiển sẽ là điện thế xoay chiều hình sin
có độ lớn tuyến tính với dịng điện AC, 0 đến 5V (điện thế xoay chiều) tương
ứng với -5A đến 5A (dòng xoay chiều).
Vì cảm biến đọc về giá trị tuyến tính với giá trị điện áp trả về. Nên sau khi
đọc được giá trị ADC tức giá trị điện áp, chỉ cần đem chia cho độ phân giải của

các loại cảm biến thì sẽ tìm được dịng điện tương ứng

2.1.3 IC ổn áp LM7805
IC LM7805 là loại IC cung cấp điện áp ngõ ra với giá trị ổn định mặc dù
trong lúc đó điện áp ngõ vào IC thay đổi liên tục và thiếu sự ổn định.
IC LM7805 được phân loại là một loại IC điều chế điện áp DC dương vì
ngõ ra của IC này ln có mức điện áp dương so với mức điện áp nối
mass(GND).

Hình 2.5 IC ổn áp LM7805
11


Thông số kỹ thuật


Điện áp vào lớn nhất: 20V.



Điện áp vào nhỏ nhất: 7V.



Kiểu đóng vỏ: TO-220.



Nhiệt độ hoạt động lớn nhất: 85°C.




Nhiệt độ hoạt động nhỏ nhất: -20°C.



Dòng cực đại có thể duy trì: 1A.



Điện áp ổn định: 5V.



Cơng suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W.



Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W.

Sơ đồ chân

Hình 2.6 Sơ đồ chân IC7805


Chân 1 là chân Iput dùng để cung cấp điện áp DC đầu vào, điện áp cung
cấp từ 7V đến 20v.




Chân thứ 2 là chân Ground để đấu với mass (chân GND).



Chân thứ 3 chân Output là chân ngõ ra cung cấp điện áp ổn định là 5V.

Nguyên lý hoạt động
IC LM7805 là IC với một điện áp đầu ra cố định là 5V, yêu cầu điện áp đầu
vào tối thiếu là 7V. IC LM7805 có thế cung cấp điện áp đầu ra với dòng điện
lên đến 1A
12


2.1.4 Màn hình LCD1602
Màn hình LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị
2 dịng với mỗi dịng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều
code mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án.

Hình 2.7 Màn hình LCD1602

Thơng số kỹ thuật


Điện áp hoạt động là 5 V.



Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm




Chữ đen, nền xanh lá



Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với
Breadboard.



Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi
dây điện.



Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử
dụng ít điện năng hơn.



Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu



Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật
13


Kết nối LCD



Trong 16 chân của LCD được chia ra làm 3 dạng tín hiệu như sau:



Các chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối mass (0V), chân thứ 2 là Vcc
nối với nguồn+5V. Chân thứ 3 dùng để chỉnh contrast thường nối với biến
trở.



Các chân điều khiển: Chân số 4 là chân RS dùng để điều khiển lựa chọn
thanh ghi. Chân RW dùng để điều khiển quá trình đọc và ghi. Chân EN là
chân cho phép dạng xung chốt.



Các chân dữ liệu D0 đến D7: Chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để
trao đổi dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và LCD

2.1.5 Loa buzz
Loa có kích thước nhỏ gọn giúp trong việc lắp đặt cũng như sử dụng.
Mục đích tạo âm thanh cảnh báo.

Hình 2.8 Loa buzz

Thơng số kỹ thuật


Điện áp đầu vào 5V.




Dịng hoạt động 12mA.



Âm thanh đầu ra: tít tít.



Màu sắc: đen.
14


Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý

3.1 Sơ đồ khối của hệ thống
5V

5V

Khối nguồn

5V
Khối cảm biến

Analog

Digital


Thiết bị AC

Digital

Khối xử lý trung
tâm

Khối nút nhấn

Khối hiển thị

Digital

Khối cơng suất

Hình 3.1 Sơ đồ khối

Phân tích sơ đồ khối:


Khối nguồn: cấp nguồn 5VDC cho khối xử lí trung tâm, khối cảm biến và
khối hiển thị.



Khối xử lí trung tâm: nhận tín hiệu analog từ cảm biến ACS712 và hiển thị
giá trị dịng điện lên LCD. Ngồi ra khối xử lí trung tâm cịn nhận tín hiệu
digital từ nút nhấn để cài giá trị dịng điện khối xử lí sẽ hiển thị dòg điện
được cài và cấp nguồn ngược lại cho nút nhấn.




Khối cảm biến: đọc giá trị dòng điện từ thiết bị AC, gửi tín hiệu analog
xuống cho khối xử lí.



Khối hiển thị: hiển thị dong điện, các thông số cài đặt dịng điện.



Khối cơng suất: nhận tính digital từ khối xử lí.



Thiết bị AC: là các thiết bị điện sử dụng điện áp xoay chiều
15




Khối nút nhấn: sử dụng nút nhấn để cài giới hạn.

3.2 Sơ đồ nguyên lý
3.2.1 Khối nguồn

Hình 3.2 Khối nguồn

Linh kiện sử dụng



LM7805



2 tụ phân cực 470uF



2 tụ 104



1 trở 2200



1 led nguồn

Chức năng
Khối nguồn: cấp nguồn 5VDC cho khối xử lí trung tâm, khối cảm biến và khối
hiển thị

Nguyên lý hoạt động
Chúng ta sẽ cung cấp điện áp đầu vào sẽ từ 7-12v và thông qua IC ổn áp
LM7805 điện áp ổn định ở ngõ ra sẽ là 5V.
Tụ C1 và C2 để lọc điện áp đầu vào cấp cho chân Vi của IC 7805, tụ C1 có
tác dụng cung cấp điện áp tạm thời cho chân Vi khi nguồn đột ngột bị sụt áp,
tụ C2 là tụ gốm nên trở kháng lớn, C2 có tác dụng ngăn nguồn đầu vào tăng

áp đột ngột làm dạng sóng điện áp đầu vào có hình răng cưa.
16


Tụ C3 và C4 để lọc điện áp cấp cho tải tiêu thụ lấy từ chân Vo của IC 7805,
tụ C3 có các dụng cung cấp điện áp tạm thời cho tải khi điện áp tải đột ngột bị
sụt áp, tụ C4 trở kháng lớn, C4 có tác dụng lọc nhiễu điện áp đầu ra (nhiễu là
các điện áp không mong muốn làm cho dạng sóng điện áp ngõ ra có hình răng
cưa).

3.2.2 Khối cảm biến

Hình 3.3 Cảm biến ACS712

Linh kiện sử dụng
 1 cảm biến ACS712

Chức năng
Khối cảm biến: đọc giá trị dòng điện từ thiết bị AC, gửi tín hiệu analog
xuống cho khối xử lí.

Nguyên lý hoạt động khi đo dòng điện AC
Khi đo dòng điện AC, nối trực tiếp cảm biến vào thiết bị đo, do dòng điện
AC khơng có chiều nên khơng cần quan tâm chiều.

17


Cấp nguồn 5v cho module khi chưa có dịng Ip (chưa có tải mắc nối tiếp với
domino hoặt thiết bị chưa có điện), thì Vout=2.5v. khi có dịng xoay chiều đi

qua Ip (dòng AC) do dòng xoay chiều độ lớn thay đổi liên tục theo hàm sin,
nên điện thế Vout truyền cho vi điều khiển sẽ là điện thế xoay chiều hình sin
có độ lớn tuyến tính với dịng điện AC, 0 đến 5V (điện thế xoay chiều) tương
ứng với -5A đến 5A (dịng xoay chiều).
Vì cảm biến đọc về giá trị tuyến tính với giá trị điện áp trả về. Nên sau khi
đọc được giá trị ADC tức giá trị điện áp, chỉ cần đem chia cho độ phân giải của
các loại cảm biến thì sẽ tìm được dịng điện tương ứng

3.2.3 Khối hiển thị

Hình 3.4 Khối hiển thị

Linh kiện sử dụng
 1 LCD 16x2.
 1 biến trở 10k.

Chức năng
Khối hiển thị: hiển thị giá trị dòng điện, các thơng số cài đặt dịng điện.

Ngun lý hoạt động

18


Màn hình LCD sử ụng chế độ 4 bit nhận giá trị tín hiệu Digital từ khối xử
lý trung tâm để hiển thị giá trị lên màn hình

3.2.4 Khối xử lý trung tâm

Hình 3.5 Khối xử lý trung tâm


Linh kiện sử dụng
 1 Pic16F877a
 1 thạch anh 4MHZ
 1 nút nhấn
 1 trở 10k
 2 tụ 22p

Chức năng
19


Chức năng khối xử lý trung tâm: tính tốn giá trị nhận được từ cảm biến và
điều khiển các thiết bị

Nguyên lý hoạt động
Khối xử lí trung tâm: nhận tín hiệu analog từ cảm biến ACS712 và hiển thị
giá trị dịng điện lên LCD. Ngồi ra khối xử lí trung tâm cịn nhận tín hiệu
digital từ nút nhấn để cài giá trị dịng điện khối xử lí sẽ hiển thị dòg điện được
cài và cấp nguồn ngược lại cho nút nhấn.

3.2.5 Khối cơng suất

Hình 3.6 Khối cơng suất

Linh kiện sử dụng
 1 còi buzz
 1 trở 1k
 1 trở 330
 1 led báo

 1 transistor A1015
20


Chức năng
Thiết bị AC: là các thiết bị điện sử dụng điện áp xoay chiều

Nguyên lý hoạt động
Cài sẵn cho thiết bị một giới hạn cho phép đo được. khi giá trị dòng điện đo
được vượt quá giới hạn cho phép, bộ xử lý trung tâm sẽ suất tín hiệu làm cho
đèn cảnh báo chớp tắt, và loa bắt đầu kêu.

3.2.6 Khối nút nhấn

Hình 3.7 Khối nút nhấn

Linh kiện sử dụng
 2 nút nhấn
 1 tở thanh 4k7

Chức năng
Khối nút nhấn: sử dụng nút nhấn để cài giới hạn.

Nguyên lý hoạt động
Cài một giá trị giới hạn dòng điện đo được, khi dịng điện vượt q giới hạn
sẽ kích khối công suất hoạt động

21