báo cáo đồ án mạch chống rò

Đề tài: Nghiên cưu chế tạo mạch chống rò điện cho mạng điện pha Thầy giáo hướng dẫn : Vũ Đức Trọng Bộ môn: Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Nhóm D: Họ tên : MSSV: Ngô Việt Sơn 20133316 Thái Huy Tuấn 20134332 Mục lục Trang Mục lục ………………………………………………………………………………………………………… _1_ Chương 1: Tổng quan chung ……………………………………………………………………… _2_ 1.1 Lời mở đầu … ………………………………………………………………………… _2_ 1.2 Lý thuyết chung ……………………………………………………………………… _2_ 1.2.1 IC cảm biến dòng ACS712 _2_ 1.2.2 Bộ chuyển đổi IC ADC0804 _3_ 1.2.3 Các họ vi điều khiển IC 8051 _5_ Chương 2: Các phương án đề ………………………………………………………………… _8_ 2.1 Phương án 1: sử dụng IC cảm biến dòng vi điều khiển ……… _8_ 2.2 Phương án 2: sử dụng tượng cảm ứng điện từ ……………… _8_ Chương 3: Thiết kế mạch theo phương án chọn …………………………………… _9_ 3.1 Chọn phương án thực ……………………………………………………… _9_ 3.2 Thiết kế chi tiết mạch theo phương án chọn ……………………… _9_ 3.3 Sơ đồ thiết kế mạch ………………………………………………………………… _ _ Chương 4: Kết luận …………………………………………………………………………………… _ _ 4.1 Kết …………………………………………………………………………………… _ _ 4.2 Phương hướng phát triển ……………………………………………………… _ _ Chương 1: Tổng quan chung 1.1 Lời mở đầu Trong sống ngày nay, việc sử dụng thiết bị điện điều gần tất yếu gia đình Nhưng việc lắp cầu dao điện, cầu chì, aptomat, chưa đủ an toàn Như biết thiết bị có tác dụng ngắt mạch xảy cố chập, cháy mạch điện hay tải tượng rò điện thiết bị tác dụng Hiện tượng rò điện gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến thiết bị điện người sử dụng, đặc biệt dòng rò I ro  25mA nguy hiểm đến tính mạng người Vì để bảo vệ người thiết bị điện khỏi tượng chúng em nghiên cứu chế tạo mạch chống rò, chống giật điện cho mạng điện xoay chiều pha 1.2 Lý thuyết chung 1.2.1 IC cảm biến dòng ACS712 IC ASC712 IC cảm biến dòng tuyến tính dựa hiệu ứng Hall ASC xuất tín hiệu analog, Vout biến đổi tuyến tính theo biến đổi tuyến tính theo biến đổi dòng điện IP lấy mẫu phạm vi cho phép Một số hình ảnh minh họa: Các thông số IC cảm biến dòng ACS712-30A:     Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp Nguồn : 5V DC Ip: 30A đến - 30A Độ nhạy: 63-69 mV/A 1.2.2 Bộ chuyển đổi IC ADC0804 Các chuyển đổi ADC thuộc thiết bị sử dụng rộng rãi để thu liệu Các máy tính số sử dụng giá trị nhị phân, giới vật lý đại lượng dạng tương tự (liên tục) Nhiệt độ, áp suất (khí chất lỏng), độ ẩm vận tốc số đại lượng vật lý giới thực mà ta gặp ngày Một đại lượng vật lý chuyển dòng điện điện áp qua thiết bị gọi biến đổi Các biến đổi coi cảm biến Mặc dù có cảm biến nhiệt, tốc độ, áp suất, ánh sáng nhiều đại lượng tự nhiên khác chúng cho tín hiệu dạng dòng điện điên áp dạng liên tục Do vậy, ta cần chuyển đổi tương tự số cho vi điều khiển đọc chúng Một chip ADC sử dụng rộng rãi ADC0804 Một số hình ảnh minh họa: Chip ADC0804 chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 hãng National Semiconductor Chip nhiều hãng khác sản xuất Chip có điện áp nuôi +5V độ phân giải bit Ngoài độ phân giải thời gian chuyển đổi tham số quan trọng đánh giá ADC Thời gian chuyển đổi định nghĩa thời gian mà ADC cần để chuyển đầu vào tương tự thành số nhị phân Đối với ADC0804 thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ cấp tới chân CLK CLK IN không bé 110µs Các chân khác ADC0804 có chức sau: CS (Chip select): Chân số 1, chân chọn chip, đầu vào tích cực mức thấp sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập tới ADC0804 chân phải đặt mức thấp RD (Read): Chân số 2, chân nhận tín hiệu vào tích cực mức thấp Các chuyển đổi 0804 chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân giữ ghi Chân RD sử dụng phép đưa liệu chyển đổi tới đầu ADC0804 Khi CS = có xung cao xuống thấp áp đến chân RD liệu dạng số bit đưa tới chân liệu (DB0 – DB7) WR (Write): Chân số 3, chân vào tích cực mức thấp dùng báo cho ADC biết để bắt đầu trình chuyển đổi Nếu CS = WR tạo xung cao xuống thấp ADC0804 bắt đầu trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin thành số nhị phân bit Khi việc chuyển đổi hoàn tất chân INTR ADC hạ xuống thấp CLK IN CLK R: CLK IN (chân số 4), chân vào nối tới đồng hồ sử dụng để tạo thời gian Tuy nhiên ADC0804 c ũng có tạo xung đồng hồ riêng Để dùng đồng hồ riêng chân CLK IN CLK R (chân số 19) nối với tụ điện điện trở Khi tần số xác định biểu thức: f  1,1RC Với R  10 k , C  150 pF  f  606 kHz thời gian chuyển đổi 110 µs Ngắt INTR (Interupt): Chân số 5, chân tích cực mức thấp Bình thường chân trạng thái cao việc chuyển đổi tương tự số hoàn tất chuyển xuống mức thấp để báo cho CPU biết liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy Sau INTR xuống thấp, cần đặt CS = gửi xung cao xuống thấp tới chân RD để đưa liệu Vin (+) Vin (-): Chân số chân số 7, đầu vào tương tự vi sai, Vin = Vin (+) – Vin (-) Thông thường Vin(-) nối tới đất Vin(+) dùng làm đầu vào tương tự chuyển đổi dạng số Vcc: Chân số 20, chân nguồn nuôi +5V Chân dùng làm điện áp tham chiếu đầu vào Vref/2 để hở Vref/2: Chân số 9, chân điện áp đầu vào dùng làm điện áp tham chiếu Nếu chân hở điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm dải đến +5V Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác với dải đến +5V Chân Vref/2 dùng để thực điện áp đầu khác đến +5V D0 – D7, chân số 18 – 11, chân liệu số (D7 bit cao MSB D0 bit thấp LSB) chân RD đưa xuống mức thấp Để tính điện áp đầu ta tính theo công thức sau: Dout = Vin / Kích thước bước 1.2.3 Các họ vi điều khiển IC 8051 Vào năm 1981, Hãng Intel giới thiệu số vi điều khiển gọi 8051 Bộ vi điều khiển có 128 byte RAM, 4K byte ROM chíp, hai định thời, cổng nối tiếp cổng (đều rộng bit) vào tất đặt chíp Lúc coi “hệ thống chíp” 8051 xử lý bit có nghĩa CPU làm việc với bit liệu thời điểm Dữ liệu lớn bit chia thành liệu bit xử lý 8051 có tất cổng vào - I/O cổng rộng bit Bộ vi điều khiển 8051 thành viên họ 8051 Hãng Intel ký hiệu MCS51 Có hai vi điều khiển thành viên khác họ 8051 8052 8031 Một số hình ảnh cho IC 8051: Ta thấy 40 chân có 32 chân dành cho cổng P0, P1, P2 P3 với cổng có chân Các chân lại dành cho nguồn VCC, đất GND, chân dao động XTAL1 XTAL2, chân Reset RST, chân cho phép chốt địa ALE, chân truy cập địa EA, cho phép cất chương trình PSEN Trong chân chân VCC, GND, XTAL1, XTAL2, RST EAđược họ 8051 sử dụng Hay nói cách khác chúng phải nối hệ thống làm việc Còn hai chân khác PSEN ALE sử dụng chủ yếu họ 8031 Chân số 40 VCC , có chức cấp điện áp nguồn cho chíp Nguồn điện áp là+5V Chân số 20 GND, nối với đất 8051 có dao động chíp yêu cầu có xung đồng hồ để chạy Một dao động thạch anh nối tới chân đầu vào XTAL1 (chân 19) XTAL2 (chân 18) Bộ dao động thạch anh nối tới XTAL1 XTAL2 cần hai tụ gốm giá trị khoảng 30pF Một phía tụ điện nối xuống đất RST chân số - Reset Nó chân đầu vào có mức tích cực cao (bình thường mức thấp) Khi cấp xung cao tới chân vi điều khiển Reset kết thúc hoạt động Điều thường coi tái bật nguồn Khi kích hoạt tái bật nguồn làm giá trị ghi EA có nghĩa truy cập (External Access): chân số 31 vỏ kiểu DIP Nó chân đầu vào phải nối với Vcc GND Hay nói cách khác không để hở PSEN chân đầu cho phép cất chương trình (Program Store Enable) hệ thống Trên vi điều khiển 8031, chương trình cất nhớ ROM chân nối tới chân OE ROM Chân cho phép chốt địa ALE chân đầu tích cực cao Khi nối 8031 tới nhớ cổng P0 dùng để trao đổi địa liệu Hay nói cách khác 8031 dồn địa liệu qua cổng P0 để tiết kiệm số chân Chân ALE sử dụng để phân kênh địa liệu Cổng P0 chiếm tất chân (từ chân 32 đến 39) Nó dùng cổng đầu ra, để sử dụng chân cổng P0 vừa làm đầu ra, vừa làm đầu vào chân phải nối tới điện trở kéo bên 10kW Điều thực tế cổngP0 máng mở khác với cổng P1, P2 P3 Khái niệm máng mở sử dụng chíp MOS chừng mực giống collector hở chíp TTL Cổng P1 chiếm tất chân (từ chân đến chân 8) sử dụng đầu vào đầu So với cổng P0 cổng không cần đến điện trở kéo có điện trở kéo bên Trong trình Reset cổng P1 cấu cổng đầu Cổng P1 đầu vào: Tương tự P0, để biến cổng P1 thành đầu vào phải lập trình cách ghi đến tất bit Cổng P2 chiếm chân (các chân từ 21 đến 28) Nó sử dụng đầu vào đầu ra, giống cổng P1, cổng P2 không cần điện trở kéo có điện trở kéo bên Khi Reset, cổng P2 cấu cổng đầu Cổng P2 đầu vào: Để tạo cổng P2 đầu vào phải lập trình cách ghi số tới tất chân Cổng P3 chiếm tổng cộng chân từ chân 10 đến chân 17 Nó sử dụng đầu vào đầu Cống P3 không cần điện trở kéo P1 P2 Mặc dù cổng P3 cấu cống đầu Reset, cách sử dụng phổ biến Cống P3 bổ sung chức quan trọng, đặc biệt Bít cống P3 Chức chân số P3.0 Nhận liệu (RXD) 10 P3.1 Phát liệu (TXD) 11 P3.2 Ngắt 0(INT0) 12 P3.3 Ngắt 1(INT1) 13 P3.4 Bộ định thời (TO) 14 P3.5 Bộ định thời (T1) 15 P3.6 Ghi (WR) 16 P3.7 Đọc (RD) 17 Chương 2: Các phương án đề 2.1 Phương án 1: sử dụng IC cảm biến dòng vi điều khiển Khi mạng điện hoạt động bình thường, dòng điện dây pha dây trung tính Khi xảy tượng rò điện, giật điện; dòng điện từ dây pha xuống đất dẫn đến tượng dây pha dây trung tính không Dựa vào tượng ta thiết kế mạch điện so sánh cường độ dòng điện dây pha dây trung tính IC cảm biến dòng vi điều khiển Nếu độ lệch cường độ dòng điện I  25mA (chuẩn công nghiệp) đưa cảnh báo rò điện đèn tự động cắt cầu dao 2.2 Phương án 2: sử dụng tượng cảm ứng điện từ Khi mạng điện hoạt động bình thường, dòng điện dây pha dây trung tính Khi xảy tượng rò điện, giật điện; dòng điện từ dây pha xuống đất dẫn đến tượng dây pha dây trung tính không Dựa vào tượng ta thiết kế mạch điện sử dụng tượng cảm ứng điện từ để so sánh dòng dây pha dây trung tính Khi mạng điện hoạt động bình thường, từ trường sinh hai cuộn dây pha dây trung tính cân với triệt tiêu lẫn khiến từ thông lõi thép 0, dòng cảm ứng sinh cuộn cảm ứng dòng rò Khi có tượng rò xảy ra, từ trường sinh hai cuộn dây pha dây trung tính khác khiến từ thông lõi thép khác 0, có dòng cảm ứng sinh cuộn cảm ứng dòng rò, dòng cảm ứng gây từ trường đủ lớn cuộn ngắt có tác dụng ngắt mạch điện Nguyên lý mạch: Chương 3: Chọn thiết kế mạch thep phương án chọn 3.1 Chọn phương án thực Chọn thiết kế mạch theo phương án 1: sử dụng IC cảm biến dòng vi điều khiển để thiết kế mạch chống rò, chống giật Nếu thiết kế theo phương án 1, ta có nhiều hướng phát triển thêm ứng dụng cho mạch 3.2 Thiết kế chi tiết mạch theo phương án chọn Dùng module ASC712 để làm cảm biến dòng đo cường độ dòng điện ASC712-30A có khoảng giá trị đo 30A độ nhạy 66  3mV / A  Nếu xảy dò điện chênh lệch dòng điện I ro  25mA tín hiệu cảm biến chênh lệch U  25*103 *(66  3)  1, 65  0, 075mV  Dùng khuếch đại thuật toán Opamp tạo mạch lặp điện áp để ngăn cách điện áp đầu ACS712 với mạch khuếch đại so sánh để tránh tượng sụt điện áp đầu vào Opamp Dùng IC ADC0804 để đọc tín hiệu so sánh dòng cảm biến ACS712 với điều kiện tín hiệu đầu vào tăng khoảng U vao   19, 61.103V  19, 61mV tín hiệu 255 đầu ADC0804 tăng lên đơn vị Nhưng độ chênh lệch tín hiệu ACS712 U  1, 65  0, 075mV  U vao  19, 61mV nên phải đưa tín hiệu cảm biến ACS712 vào khuếch đại vi sai để khuếch đại chênh lệch tín hiệu cảm biến ACS712 lên  U vao IC ADC0804 để độ lệch dòng điện dây pha dây trung tính I ro  25mA tín hiệu đầu IC ADC0804 tăng lên đơn vị Ta đưa tín hiệu cảm biến vào khuếch đại thuật toán với hệ số R5 R4  = 13 R3 R2  Chọn R2  R3  10k ; R5  R4  130k ; Sau đưa tín hiệu cảm biến ACS712-30A vào trừ khuếch đại ta U  130.103 130 (U vao )  1, 65  0, 075mV  21, 45  0,975mV 10.10 10 Ta sử dụng vi điều khiển AT89C52 để điều khiển chân RD, WR, INTR nhằm đọc tín hiệu chuyển đổi qua ADC0804 vào vi điều khiển qua cổng P2 Nếu tín hiệu vào  0x01 AT89C52 đưa tín hiệu mức logic nhằm điều khiển đèn LED sáng điều khiển cắt RELAY 3.3 Sơ đồ thiết kế mạch Chương 4: Kết luận 4.1 Kết Đã thiết kế mạch theo phương pháp đề Đã thiết kế mạch chống tải chưa tích hợp - Ưu điểm: + Có thể tích hợp thêm nhiều chức cho vi điều khiển Nhược điểm: + Giá thành cao + Khoảng hoạt động nhỏ Khó khăn:  Gặp khó khăn trình tính toán thông số cho tụ điện điện trở  Không xác định thông số xác cảm biến chuyển đổi  Gặp khó khăn trình tích hợp thêm tính 4.2 Phương hướng phát triển Do vi điều khiển nhiều chân để trống nên chúng em có ý định phát triển thêm với việc hiển thị dòng điện mạch LCD việc ngắt mạch tải xảy [...]... điều khiển đèn LED sáng và điều khiển cắt RELAY 3.3 Sơ đồ thiết kế mạch Chương 4: Kết luận 4.1 Kết quả Đã thiết kế được mạch theo phương pháp đề ra Đã thiết kế được mạch chống quá tải nhưng chưa tích hợp được - Ưu điểm: + Có thể tích hợp thêm nhiều chức năng cho bộ vi điều khiển Nhược điểm: + Giá thành cao + Khoảng hoạt động nhỏ Khó khăn:  Gặp khó khăn trong quá trình tính toán các thông số cho tụ... quá trình tích hợp thêm các tính năng 4.2 Phương hướng phát triển Do trên vi điều khiển vẫn còn nhiều chân để trống nên chúng em có ý định phát triển thêm với việc hiển thị dòng điện trong mạch bằng LCD và việc ngắt mạch khi quá tải xảy ra ...Dùng IC ADC0804 để đọc tín hiệu so sánh dòng của 2 cảm biến ACS712 với điều kiện khi tín hiệu đầu vào tăng một khoảng U vao  5  19, 61.103V  19, 61mV thì tín hiệu 255 đầu ra của ADC0804 tăng lên 1 đơn vị Nhưng độ chênh lệch tín hiệu... vao của IC ADC0804 để khi độ lệch giữa 2 dòng điện của dây pha và dây trung tính I ro  25mA thì tín hiệu đầu ra của IC ADC0804 tăng lên 1 đơn vị Ta đưa tín hiệu của 2 cảm biến vào bộ khuếch đại thuật toán với hệ số R5 R4  = 13 R3 R2  Chọn R2  R3  10k ; R5  R4  130k ; Sau khi đưa tín hiệu ra của 2 cảm biến ACS712-30A vào bộ trừ khuếch đại ta được U ra  130.103 130 (U vao )  1, 65  0, 075mV