1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
2.3.1.2 Áp dụng chế tạo cảm biến dòng ựiện dò
Trong hình 2.17 là nguyên lý cấu tạo của cảm biến dòng dò. Dòng ựiện trên dây lửa IH và dòng ựiện trên dây trung tắnh là IN.
Suất ựiện ựộng cảm ứng gây ra trên cuộn thứ cấp là:
( H N) ( IH IN ) H N d d d d n M M dt dt dt dt φ φ ξ = − + = − + (2.5) Trong ựó:
- φH, φN là từ thông do dây lửa và dây trung tắnh gây ra trên cuộn thứ cấp.
- MH và MN lần lượt là hệ số hỗ cảm của dây lửa và dây trung tắnh ựối với cuộn
dây sơ cấp. Có thể coi MH = MN = M.
- n là số vòng dây trên cuộn thứ cấp.
Nếu không có dòng ựiện dò thì dòng ựiện trên dây lửa và dây trung tắnh sẽ có cùng ựộ lớn nhưng ngược chiều, tức là :
0
H N
I I
d +d = (2.6)
Nếu có dòng ựiện dò Id thì dòng ựiện trên dây lửa và dây trung tắnh sẽ khác nhau một lượng ựúng bằng Id. Khi ựó:
H N d
I I I
d +d = d (2.7)
Thay vào công thức (2.5) ta có công thức tắnh suất ựiện ựộng cảm ứng trên cuộn dây thứ cấp theo dòng ựiện dò:
* (dId)
n M dt
ξ = −
Trong ựó:
- ξ là suất ựiện ựộng cảm ứng xuất hiện trên hai ựầu cuộn dây thứ cấp do dòng ựiện dò Id gây ra chênh lệch trên hai dây lửa và dây trung tắnh.
- n là số vòng dây trên cuộn sơ cấp
- M là hệ số hỗ cảm của hai dây lửa và dây trung tắnh lên cuộn dây thứ cấp, trong
giá trị của M là hệ số chứa các tham số như số vòng dây cuốn của dây lửa và dây trung tắnh, cũng như chất liệu dây, kắch thước vòng dây, các hệ số này có thể coi là hằng sô.
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ BỘ NGẮT DÒNG DÒ
3.1 Giới thiệu một số linh kiện cho thiết kế mạch 3.1.1 Cảm biến dòng ựiện dò
Cảm biến dòng ựiện chênh lệch trên dây lửa và dây trung tắnh. Cấu tạo gồm 1 lõi sắt từ, dây lửa và dây trung tắnh ựược quấn 2 vòng trên cuộn sắt từ (gọi là 2 cuộn sơ cấp), cuộn thứ cấp gồm 100 vòng dây ựồng quấn trên lõi sắt từ.
Hình 3.1 Cảm biến dòng ựiện dò Hình 3.2 đồ thị kết quả test. Dây lửa Dây Trung tinh Cuộn dây thư cấp Lõi Sắt từ 20-08-2011
đồ thị test thể hiện qua hệ giữa dòng ựiện I chênh lệch trên dây lửa và dây trung tắnh và suất ựiện ựộng cảm ứng Volt trên cuộn dây sơ cấp. đồ thị ựược xây dựng từ quá trình thực nghiệm thay ựổi dòng ựiện dò và ựo suất ựiện ựộng cảm ứng. Từ kết quả ựo ựạc và ựồ thị thể hiện quan hệ giữa Volt và I trong phạm vi từ dòng dò từ 0.0005 A ựến 0.1A là tuyến tắnh.
3.1.2 Vi ựiều khiển AVR atmega16
ATmega16 là một vi ựiều khiển 8 bit thuộc dòng vi ựiều khiển AVR của hãng Amelt. đây là một vi ựiều khiển khá mạnh ựáp ứng ựầy ựủ các yêu cầu ựặt ra của sản phẩm cả về tắnh năng và giá thành.
3.1.2.1 Cấu trúc vi ựiều khiển ATmega16
Là vi ựiều khiển 8 bit thuộc dòng AVR có hiệu suất cao, công suất tiêu thụ thấp
Ớ Kiến trúc RISC cao cấp
-Tập lệnh gồm 131 lệnh, nhiều lệnh thực thi trong một chu kỳ - 32 thanh ghi làm việc ựa năng
- Tốc ựộ thực thi là 16MIPS ở tần số 16MHZ - Lệnh nhân trên chip mất 2 chu kỳ máy
Ớ Bộ nhớ chương trình và dữ liệu
- Bộ nhớ chương trình lên tới 16K byte chịu ựược 10.000 lần ghi xoá - 512 byte eeprom chịu ựược 100000 lần ghi xoá
- 1K byte Sram
- Chế ựộ bảo vệ bộ nhớ
Ớ Ngoại vi
- 2 Timer 8 bắt với các bộ chia tần riêng biệt và chế ựộ so sánh - 1 Timer 16 bit với các bộ chia tần riêng biệt và chế ựộ so sánh - RTC với thạch anh ngoài
- 4 kênh ựiều chế ựộ rộng xung PWM - 8 kênh ADC , 10 bit
- 8 kênh ựầu vào ựơn
- Chuẩn giao tiếp I2C, SPI, UART Ớ I/O và đóng gói - 32 ựường I/O - 40-chân Ớ điện áp hoạt ựộng - 2.7v - 5.5v với Atmega16L - 4.5v Ờ 5.5v với Atmega16 Sơ ựồ chân
Hình 3.3 Sơ ựồ chân vi ựiều khiển Atmega16 loại 40 chân và 44 chân [8]
4.1.2.2 Bộ chuyển ựổi ADC
Vi ựiều khiểnATmega16 có một bộ biến ựổi ADC tắch hợp trong chip với các ựặc ựiểm:
- độ phân giải 10 bit
- Sai số tuyến tắnh: 0.5LSB
- độ chắnh xác +/-2LSB
- Thời gian chuyển ựổi:65-260ộs
- 8 Kênh ựầu vào có thể ựược lựa chọn
- Có nguồn báo ngắt khi hoàn thành chuyển ựổi
- Loại bỏ nhiễu trong chế ựộ ngủ
Tám ựầu vào của ADC là tám chân của PORTA và chúng ựược chọn thông qua một MUX.
để ựiều khiển hoạt ựộng vào ra dữ liệu của ADC và CPU chúng ta có 3 thanh ghi: ADMUX là thanh ghi ựiều khiển lựa chọn kênh ựầu vào cho ADC, ADCSRA là thanh ghi ựiều khiển và thanh ghi trạng thái của ADC, ADCH và ADCL là 2 thanh ghi dữ liệụ
- ADMUX: Multiplexer select register
đây là thanh ghi ựiều khiển 8 bit.
Hinh 3.6 Thanh ghi ADMUX [8]
Với 4 bit ựược ựịnh nghĩa là MUX3, MUX2, MUX1,và MUX0, ứng với các tổ hợp logic ta có thể chọn kênh ựầu vàọ
Bàng 3.1 Chọn kênh ựầu vào bộ ADC của Atmega16 [8]
Các bit REFS1 và REFS0 dùng ựể chọn giá trị ựiện áp tham chiếu cho ADC, như sau:
Bảng 3.2 Chọn giá trị ựiện áp tham chiếu cho bộ ADC [8]
Chú ý rằng nếu như ta thay ựổi kênh trong thời ựiểm mà ADC ựang chuyển ựổi thì khi quá trình chuyển ựổi ựã hoàn thành thì kênh vào mới ựược thay ựổị
- ADCSR: ADC control and status register
đây là thanh ghi ựiều khiển và lưu trạng thái của ADC
Hình 3.7 Thanh ghi ADCSRA [8]
- Bit 7-ADEN:ADC enable
đây là bit ựiều khiển hoạt ựộng của ADC. Khi bit này ựược set 1 thì ADC có thể hoạt ựộng và ngược lạị Nếu như ta ngừng hoạt ựộng của ADC trong khi nó ựang chuyển ựổi thì nó sẽ kết thúc quá trình chuyển ựổị Mặc dù chưa chuyển ựổi xong.
- Bit 6-ADSC: ADC start conversion
Trong chế ựộ chuyển ựổi ựơn thì bit này phải ựược set lên 1 ựể bắt ựầu chuyển ựổị Trong chế ựộ chuyển ựổi tự do thì ADSC =1 ựể bắt ựầu lần chuyển ựổi ựầu tiên. Bit này ựược giữ sốt trong quá trình chuyển ựổi và ựược xóa khi mà chuyển ựổi xong.
Khi bit này ựược set thì ADC sẽ bắt ựầu chuyển ựổi mỗi khi có một nguồn kắch hoạt xuất hiện. Việc lựa chọn nguồn kắch hoạt ựược thực hiện bằng cách thiết lập các bit trong thanh ghi SFIOR.
- Bit 4-ADIF: ADC interrupt Flag
Bit này ựược set lên 1 bởi phần cứng khi quá trình chuyển ựổi ựã hoàn thành và thanh ghi dữ liệu ựã ựược cập nhật. Bit này ựược xóa bằng phần cứng nếu như ngắt này ựược phép và ựược phục vụ. Hoặc nó có thể ựược xóa bằng cách ghi giá trị logic Ộ0Ợvào cờ nàỵ Cụ thể khi ngắt bị cấm ta có thể sử dụng các lệnh sbi và cbi ựể tác dụng lên bit nàỵ
- Bit 3-ADIE:ACD interrupt Enable
Nếu bit này set 1 và ngắt toàn cục ựược cho phép thì ngắt này ựược phép phục vụ (khi chuyển ựổi xong dữ liệu) và nếu bị xóa thì ngược lạị
- Bit 2.1.0-ADPS2ẦADPS0: Bit lựa chọn xung nhịp(Tốc ựộ)
Nguồn xung ựược lấy từ nguồn xung của Vi ựiều khiển(XTAL) và ựược chia tần thông qua bộ chia tần.
Các bit ADPS có nhiệm vụ chọn số chia cho bộ chia tần theo bảng sau:
Bảng 3.3 Chọn số chia cho bộ chia tần [8]
- Thanh ghi dữ liệu ACDH và ADCL
Thanh ghi này chứa dữ liệu chuyển ựổi từ tương tự sang số, ựược sắp xếp như
Hình 3.8 Thanh ghi dữ liệu ADC [8]
Nguyên tắc hoạt ựộng và lập trình ựiều khiển
ADC có nhiệm vụ chuyển ựổi tắn hiệu ựiện áp tương tự thành tắn hiệu số có ựộ
phân giải 10 bit. Với giá trị nhỏ nhất của ựiện áp ựặt ở chân AGND và giá trị cực ựại của ựiện áp tương tự ựược mắc vào chân AREF. Tám kênh tương tự ựầu vào ựược chọn lựa thông qua ADMUX và ADMUX này ựược ựiều khiển bởi thanh ghi ADMUX.
ADC này có thể hoạt ựộng ựược ở hai chế ựộ. đó là chuyển ựổi ựơn: chỉ chuyển
ựổi một lần khi có lệnh chuyển ựổị Và chế ựộ tự chuyển ựổi ựây là chế ựộ mà ADC tự ựộng chuyển ựổi khi ựược hoạt ựộng và công việc chuyển ựổi có tắnh tuần hoàn (chỉ cần khởi ựộng một lần).
ADC ựược phép hoạt ựộng nhờ thiết lập bit ADEN. Quá trình chuyển ựổi ựược
bắt ựầu bằng việc ghi vào bit ADSC mức logic 1 và trong suốt quá trình chuyển ựổi bit này luôn ựược giữ ở mức caọ Khi quá trình chuyển ựổi hoàn thành thì bit này ựược xóa bằng phần cứng và cờ AIDF ựược bật lên.
Dữ liệu sau khi chuyển ựổi ựược ựưa ra thanh ghi dữ liệu ADCL và ADCH, khi
ựọc dữ liệu từ hai thanh ghi này thì ựọc ADCL trước rồi ựọc ADCH. để ựiều khiển vào ra dữ liệu với ADC, các bước thực hiện như sau:
- Bước 1: định nghĩa các cổng vào cho tắn hiệu tương tự. Xóa bit tương ứng với chân ựó trong thanh ghi ĐRẠ Sau ựó loại bỏ ựiện trở treo bằng cách xóa bit tương ứng ở thanh ghi PRTẠ
- Bước 2: Chọn kênh tương tự vào (chọn chân vào cho ADC) thông qua thanh ghi ADMUX (có thể thay ựổi trong quá trình hoạt ựộng).
- Bước 3: Thiết lập các thông số cho ADC
Tốc ựộ chuyển ựổi thông qua xung nhip chuyển ựổị Chế ựộ chuyển ựổi : ựơn hoặc tự ựộng.
Sử dụng ngắt hoặc không.
- Bước 4: Bắt ựầu chuyển ựổi và ựọc dữ liệụ Chia tần và thời gian biến ựổi của bộ ADC:
Hình 3.9 Bộ ựếm gộp trước của ADC [8]
Theo mặc ựịnh thì mạch biến ựổi xấp xỉ liên tiếp yêu cầu một tần số xung nhịp
ựầu vào là khoảng 50kHz ựến 200kH ựể ựạt ựộ phân giải tối ựạ Nếu ựộ phân giải thấp hơn 10bit thì tần số xung nhịp vào của bộ ADC có thể cao hơn 200kHz ựể ựược tốc ựộ lấy mẫu cao hơn.
Chế ựộ biến ựổi bình thường mất 13 chu kì xung nhịp ADC, trong ựó lần biến
ựổi ựầu tiên mất 25 chu kì xung nhịp ựể khởi ựầu mạch tương tự. Lấy mẫu và giữ mẫu mất 1.5 chu kì xung nhịp sau khi bắt ựầu biến ựổi bình thường và 13.5 chu kì xung nhịp ADC sau khi lần biến ựổi lần ựầu tiên. Ở chế ựộ chạy tự do thì một biến ựổi mới sẽ ựược bắt ựầu ngay lập tức sau khi biến ựổi phắa trước kết thúc.
Thời gian một chu kỳ biến ựổi ADC ựược mô tả như sau:
Bảng 3.4 Mô tả thời gian một chu kỳ chuyển ựổi ADC [8]
Kết quả biến ựổi:
điện áp tham chiếu ADC (VREF) chỉ ra dải biến ựổi cho ADC. Với chế ựộ biến
ựổi kênh ựơn thì thì giá trị vượt quá VREF sẽ sinh ra kết quả ựầu ra là 0x3FF. VREF có thể lựa chọn là AVCC, ựiện áp tham chiếu trong 2.56V, hoặc ựiện áp ngoài thông qua chân AREF.
Sau khi một biến ựổi hoàn thành , kết quả sẽ ựược chứa trong thanh ghi dữ liệụ Với biến ựổi ựơn kết quả là [8]:
(4.1)
Trong ựó: VIN là ựiện áp ựầu vào và VREF là ựiện áp tham chiếụ 0x000 là giá trị ựất và 0x3FF là giá trị ựiện áp tham chiếu trừ ựi 1 LSB.
Nếu kênh khuếch ựại vi sai ựược sử dụng thì kết quả là [8]:
(4.2)
Trong ựó: VPOS là ựiện áp ựầu dương, VNEG là ựiện áp ựầu âm, GAIN là hệ số khuếch
độ chắnh xác của ADC:
Với biến ựổi ựơn n bit một ựiện áp tuyến tắnh giữa GND và VREF trong 2n bước thì giá trị thấp nhất ở ựầu ra là 0 và cao nhất là 2^n -1.
Vài thông số mô tả ựộ lệch từ trạng thái lắ tưởng:
Offset (bù) : ựộ lệch của biến ựổi ựầu tiên (0x000 tới 0x001) so với biến ựổi lý tưởng (ở 0.5 LSB). Giá trị lý tưởng: 0 LSB.
Hình 3.10 Sai số bù của bộ biến ựổi ADC
Sai số khuếch ựại: Sau khi ựiều chỉnh ựộ lệch (Offset), sai số khuếch ựại làm lệch chuyển ựổi cuối cùng (0x3FE tới 0xFF) so với chuyển ựổi lý tưởng (ở 1.5 LSB dưới giá trị cực ựại). Giá trị cực ựại: 0 LSB.
độ không tuyến tắnh tắch phân: Sau khi ựiều chỉnh cho giá trị ựộ lệch và sai số khuếch ựại, thì ựộ không tuyến tắnh tắch phân là ựộ lệch cực ựại của một chuyển ựổi thực so với chuyển ựổi lý tưởng. Giá trị lý tưởng là: 0 LSB.
Hình 3.12 độ không tuyến tắnh của bộ biến ựổi ADC
độ không tuyến tắnh vi sai (DNL): ựộ sai lệch cực ựại của ựộ rộng giá trị thật (khoảng cách giữa hai lần chuyển ựổi liền kề ) từ ựộ rộng giá trị lý tưởng (1 LSB). Giá trị lý tưởng: 0 LSB.
Hình 3.13 độ không tuyến tắnh vi sai của bộ biến ựổi ADC
Sai số lượng tử: do lượng tử của ựiện áp ựầu vào là một số xác ựịnh, một dải ựiện áp ựầu vào (rộng 1 LSB) sẽ có cùng giá trị. Luôn luôn là ổ0.5 LSB.
độ chắnh xác tuyệt ựối: Sai số cực ựại của một chuyển ựổi thực (không ựiều chỉnh ) so với chuyển ựổi thực, ựó là sự kết hợp của tất cả sai số các yếu tố trên. Giá trị lý tưởng: ổ0.5 LSB.
3.1.3 IC khuếch ựại thuật toán TL084
Hình 3.14 Sơ ựồ chân và nguyên lý bên trong IC khuếch ựại thuật toán TL084 [9]
Họ TL08x họ IC khuếch ựại thuật toán ựầu vào JFET ựược thiết kế ựáp ứng yêu cầu rộng rãi hơn bất cứ họ IC khuếch ựại thuật toán nào trước ựâỵ Các ựặc ựiểm của học IC này ựược mô tả dưới ựây:
- Có ựáp ứng tần số lớn.
- điện áp và dòng ựiện lệch không nhỏ.
- đầu vào có mạch bảo vệ ngắn mạch
- Trở kháng ựầu vào lớn
- Dải nhiệt ựộ hoạt ựộng lớn, TL08x loại C hoạt ựộng ở nhiệt ựộ từ 0ồC ựến 70ồ,
loại I là từ Ờ40ồC ựến 85ồC, loại Q là từ Ờ40ồC ựến 125ồC, loại M là từ Ờ55ồC ựến 125ồC
Hình 3.15 Sơ ựồ mạch khuếch ựại ựảo áp dụng IC TL084.
Hình 3.16 đồ thị quan hệ ựiện áp ựỉnh tối ựa của tắn hiệu ra và tần số của tắn hiệụ
Trên hình 3.16 thể hiện quan hệ giữa ựiện áp ựỉnh tối ựa của tắn hiệu ra và tần số của tắn hiệu vào trên mạch ựiện trong hình 3.15.
Hình 3.17 đồ thị quan hệ hệ số khuếch ựại vi sai tối ựa của mạch hình 3.15 với tần số tắn hiệụ
Trong hình 3.17 thể hiện quan hệ giữa hệ số khuếch ựại vi sai, ựộ dịch pha của tắn hiêu với tần số của tắn hiệu vào mạch trên hình 3.15.
Từ ựồ thị quan hế ựó ta thấy, tại tần số f=50Hz (tần số ựiện lưới) thì hệ số khuếch ựại vi sai vào khoảng 104 ựến 105 lần.
3.2. Yêu cầu của sản phẩm cần ựạt ựược
Từ cơ sở về tác hại của dòng ựiện với cơ thể người, chúng ta nhận thấy dòng ựiện xoay chiều dân dụng có nhiều nguy cơ gây nguy hiểm cho người sử dụng. Nguy cơ giật ựiện khi tiếp xúc với thiết bị ựiện có dòng dò ra vỏ máy là rất cao và rất nguy hiểm, ựặc biệt là các thiếp bị ựiện không áp dụng các biện pháp về an toàn ựiện, không có dây nối ựất, hoặc dây nối ựất bị ựứt, hoặc dòng ựiện dò quá lớn. Từ ựó ta có cơ sở ựể ựề ra các tiêu chắ cho dòng sản phẩm về thiết bị an toàn ựiện.
- Phạm vi áp dụng: Cho các thiết bị ựiện công suất ựến 1000W, sự cố dây nối ựất