báo cáo đồ án mạch chống rò

Đề tài: Nghiên cưu chế tạo mạch chống rò điện cho mạng điện
1 pha
Thầy giáo hướng dẫn : Vũ Đức Trọng
Bộ môn: Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp
Nhóm D:
Họ và 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 ra …………………………………………………………………. _8_
2.1. Phương án 1: sử dụng IC cảm biến dòng và vi điều khiển ………. _8_
2.2. Phương án 2: sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ ………………. _8_
Chương 3: Thiết kế mạch theo phương án đã chọn ……………………………………. _9_

3.1. Chọn phương án thực hiện ……………………………………………………… _9_
3.2. Thiết kế chi tiết mạch theo phương án đã chọn ……………………… _9_
3.3. Sơ đồ thiết kế mạch ………………………………………………………………… _ _
Chương 4: Kết luận …………………………………………………………………………………….. _ _
4.1.

Kết quả …………………………………………………………………………………… _ _

4.2.

Phương hướng phát triển ……………………………………………………… _ _


Chương 1: Tổng quan chung.
1.1.

Lời mở đầu.

Trong cuộc sống ngày nay, việc sử dụng các thiết bị điện là điều gần như tất yếu đối
với mỗi gia đình. Nhưng việc chỉ lắp cầu dao điện, cầu chì, aptomat,... là chưa đủ an
toàn. Như chúng ta đã biết các thiết bị ở trên chỉ có tác dụng ngắt mạch khi xảy ra sự cố
chập, cháy mạch điện hay quá tải nhưng hiện tượng rò điện thì các thiết bị trên không
có tác dụng. Hiện tượng rò điện có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các thiết bị
điện và người sử dụng, đặc biệt nếu dòng rò I ro  25mA thì sẽ nguy hiểm đến tính mạng
con người. Vì vậy để bảo vệ con người và các thiết bị điện khỏi hiện tượng này thì chúng
em đã nghiên cứu và chế tạo mạch chống rò, chống giật điện cho mạng điện xoay chiều
một pha.

1.2. Lý thuyết chung
1.2.1. IC cảm biến dòng ACS712

IC ASC712 là 1 IC cảm biến dòng tuyến tính dựa trên hiệu ứng Hall ASC xuất ra 1 tín
hiệu analog, Vout biến đổi tuyến tính theo sự biến đổi tuyến tính theo sự biến đổi của
dòng điện IP được lấy mẫu trong phạm vi cho phép.
Một số hình ảnh minh họa:

Các thông số của 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 bộ chuyển đổi ADC thuộc những thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất để thu dữ
liệu. Các máy tính số sử dụng các giá trị nhị phân, nhưng trong thế giới vật lý thì mọi đại
lượng ở dạng tương tự (liên tục). Nhiệt độ, áp suất (khí hoặc chất lỏng), độ ẩm và vận
tốc và một số ít những đại lượng vật lý của thế giới thực mà ta gặp hằng ngày. Một đại
lượng vật lý được chuyển về dòng điện hoặc điện áp qua một thiết bị được gọi là các bộ
biến đổi. Các bộ biến đổi cũng có thể coi như các bộ cảm biến. Mặc dù chỉ có các bộ cảm
biến nhiệt, tốc độ, áp suất, ánh sáng và nhiều đại lượng tự nhiên khác nhưng chúng đều
cho ra các tín hiệu dạng dòng điện hoặc điên áp ở dạng liên tục. Do vậy, ta cần một bộ
chuyển đổi tương tự số sao cho bộ vi điều khiển có thể đọc được chúng. Một chip ADC
được sử dụng rộng rãi là ADC0804.
Một số hình ảnh minh họa:

Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 của hãng National
Semiconductor. Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất. Chip có điện áp nuôi +5V
và độ phân giải 8 bit. Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là một tham số
quan trọng khi đánh giá bộ ADC. Thời gian chuyển đổi được định nghĩa là thời gian mà
bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân. Đối với ADC0804
thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK và CLK IN
và không bé hơn 110µs. Các chân khác của ADC0804 có chức năng như sau:
CS (Chip select): Chân số 1, là chân chọn chip, đầu vào tích cực mức thấp được sử
dụng để kích hoạt Chip ADC0804. Để truy cập tới ADC0804 thì chân này phải được đặt ở
mức thấp.
RD (Read): Chân số 2, là chân nhận tín hiệu vào tích cực ở mức thấp. Các bộ chuyển
đổi của 0804 sẽ chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân và giữ nó ở một thanh
ghi trong. Chân RD được sử dụng để cho phép đưa dữ liệu đã được chyển đổi tới đầu ra
của ADC0804. Khi CS = 0 nếu có một xung cao xuống thấp áp đến chân RD thì dữ liệu ra
dạng số 8 bit được đưa tới các chân dữ liệu (DB0 – DB7).
WR (Write): Chân số 3, đây là chân vào tích cực mức thấp được dùng báo cho ADC
biết để bắt đầu quá trình chuyển đổi. Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao xuống thấp thì
bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin thành số nhị phân
8 bit. Khi việc chuyển đổi hoàn tất thì chân INTR được ADC hạ xuống thấp
CLK IN và CLK R: CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tới đồng hồ ngoài được sử dụng
để tạo thời gian. Tuy nhiên ADC0804 c ũng có một bộ tạo xung đồng hồ riêng. Để dùng
đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK R (chân số 19) được nối với một tụ điện và một
điện trở. Khi đó tần số được xác định bằng biểu thức:
f 

1
1,1RC

Với R  10 k , C  150 pF  f  606 kHz và thời gian chuyển đổi là 110 µs .
Ngắt INTR (Interupt): Chân số 5, là chân ra tích cực mức thấp. Bình thường chân này
ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi tương tự số hoàn tất thì nó chuyển xuống mức
thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi. Sau khi INTR xuống
thấp, cần đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống thấp tới chân RD để đưa dữ liệu ra.


Vin (+) và Vin (-): Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương tự vi sai, trong đó
Vin = Vin (+) – Vin (-). Thông thường Vin(-) được nối tới đất và Vin(+) được dùng làm đầu
vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số.
Vcc: Chân số 20, là chân nguồn nuôi +5V. Chân này còn được dùng làm điện áp tham
chiếu khi đầu vào Vref/2 để hở.
Vref/2: Chân số 9, là chân điện áp đầu vào được dùng làm điện áp tham chiếu. Nếu
chân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dải 0 đến +5V. Tuy
nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác với dải 0 đến +5V. Chân
Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0 đến +5V.
D0 – D7, chân số 18 – 11, là các chân ra dữ liệu số (D7 là bit cao nhất MSB và D0 là
bit thấp nhất LSB). chân RD đưa xuống mức thấp. Để tính điện áp đầu ra 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 một số bộ vi điều khiển được gọi là 8051. Bộ vi
điều khiển này có 128 byte RAM, 4K byte ROM trên chíp, hai bộ định thời, một cổng nối
tiếp và 4 cổng (đều rộng 8 bit) vào ra tất cả được đặt trên một chíp. Lúc ấy nó được coi
là một “hệ thống trên chíp”. 8051 là một bộ xử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm
việc với 8 bit dữ liệu tại một thời điểm. Dữ liệu lớn hơn 8 bit được chia ra thành các dữ
liệu 8 bit để cho xử lý. 8051 có tất cả 4 cổng vào - ra I/O mỗi cổng rộng 8 bit.
Bộ vi điều khiển 8051 là thành viên đầu tiên của họ 8051. Hãng Intel ký hiệu nó như
là MCS51. Có hai bộ vi điều khiển thành viên khác của họ 8051 là 8052 và 8031.
Một số hình ảnh cho IC 8051:

Ta thấy rằng trong 40 chân thì có 32 chân dành cho các cổng P0, P1, P2 và P3 với mỗi
cổng có 8 chân. Các chân còn lại được dành cho nguồn VCC, đất GND, các chân dao
động XTAL1 và XTAL2, chân Reset RST, chân cho phép chốt địa chỉ ALE, chân truy cập
địa chỉ ngoài EA, cho phép cất chương trình PSEN. Trong 8 chân này thì 6 chân VCC, GND, XTAL1, XTAL2, RST và EAđược các họ 8051 sử dụng. Hay nói cách khác là chúng
phải được nối để cho hệ thống làm việc. Còn hai chân khác là PSEN và ALE được sử dụng
chủ yếu trong các họ 8031.
Chân số 40 là VCC , có chức năng cấp điện áp nguồn cho chíp. Nguồn điện áp là+5V.
Chân số 20 là GND, được nối với đất.
8051 có một bộ dao động trên chíp nhưng nó yêu cầu có một xung đồng hồ ngoài để
chạy nó. Một bộ dao động thạch anh sẽ được nối tới các chân đầu vào XTAL1 (chân 19)
và XTAL2 (chân 18). Bộ dao động thạch anh được nối tới XTAL1 và XTAL2 cũng cần hai
tụ gốm giá trị khoảng 30pF. Một phía của tụ điện được nối xuống đất.
RST là chân số 9 - Reset. Nó là một chân đầu vào có mức tích cực cao (bình thường ở
mức thấp). Khi cấp xung cao tới chân này thì bộ vi điều khiển sẽ được Reset và kết thúc
mọi hoạt động. Điều này thường được coi như là sự tái bật nguồn. Khi kích hoạt tái bật
nguồn sẽ làm mất mọi giá trị trên các thanh ghi.
EA có nghĩa là truy cập ngoài (External Access): là chân số 31 trên vỏ kiểu DIP. Nó là
một chân đầu vào và phải được nối hoặc với Vcc hoặc GND. Hay nói cách khác là nó
không được để hở.
PSEN là chân đầu ra cho phép cất chương trình (Program Store Enable) trong hệ
thống. Trên vi điều khiển 8031, chương trình được cất ở bộ nhớ ROM ngoài thì chân này
được nối tới chân OE của ROM.
Chân cho phép chốt địa chỉ ALE là chân đầu ra tích cực cao. Khi nối 8031 tới bộ nhớ
ngoài thì cổng P0 dùng để trao đổi cả địa chỉ và dữ liệu. Hay nói cách khác 8031 dồn cả
địa chỉ và dữ liệu qua cổng P0 để tiết kiệm số chân. Chân ALE được sử dụng để phân
kênh địa chỉ và dữ liệu.
Cổng P0 chiếm tất cả 8 chân (từ chân 32 đến 39). Nó có thể được dùng như cổng
đầu ra, để sử dụng các chân của cổng P0 vừa làm đầu ra, vừa làm đầu vào thì mỗi chân

phải được nối tới một điện trở kéo bên ngoài 10kW. Điều này là do một thực tế là
cổngP0 là một máng mở khác với các cổng P1, P2 và P3. Khái niệm máng mở được sử


dụng trong các chíp MOS về chừng mực nào đó nó giống như collector hở đối với các
chíp TTL.
Cổng P1 cũng chiếm tất cả 8 chân (từ chân 1 đến chân 8) nó có thể được sử dụng
như đầu vào hoặc đầu ra. So với cổng P0 thì cổng này không cần đến điện trở kéo vì nó
đã có các điện trở kéo bên trong. Trong quá trình Reset thì cổng P1 được cấu hình như
một cổng đầu ra. Cổng P1 là đầu vào: Tương tự P0, để biến cổng P1 thành đầu vào thì
nó phải được lập trình bằng cách ghi 1 đến tất cả các bit của nó.
Cổng P2 cũng chiếm 8 chân (các chân từ 21 đến 28). Nó có thể được sử dụng như
đầu vào hoặc đầu ra, giống như cổng P1, cổng P2 cũng không cần điện trở kéo vì nó đã
có các điện trở kéo bên trong. Khi Reset, thì cổng P2 được cấu hình như một cổng đầu
ra. Cổng P2 là đầu vào: Để tạo cổng P2 như đầu vào thì nó phải được lập trình bằng
cách ghi các số 1 tới tất cả các chân của nó.
Cổng P3 chiếm tổng cộng là 8 chân từ chân 10 đến chân 17. Nó có thể được sử
dụng như đầu vào hoặc đầu ra. Cống P3 không cần các điện trở kéo cũng như P1 và P2.
Mặc dù cổng P3 được cấu hình như một cống đầu ra khi Reset, nhưng đây không phải là
cách nó được sử dụng phổ biến nhất. Cống P3 được bổ sung các chức năng quan trọng,
đặc biệt.
Bít của cống P3

Chức năng

chân số

P3.0

Nhận dữ liệu (RXD)

10

P3.1

Phát dữ liệu (TXD)

11

P3.2

Ngắt 0(INT0)

12

P3.3

Ngắt 1(INT1)

13

P3.4

Bộ định thời 0 (TO)

14

P3.5

Bộ định thời 1 (T1)

15

P3.6

Ghi (WR)

16

P3.7

Đọc (RD)

17


Chương 2: Các phương án đề ra.
2.1.

Phương án 1: sử dụng IC cảm biến dòng và vi điều khiển.

Khi mạng điện hoạt động bình thường, dòng điện trong dây pha và dây trung tính
luôn bằng nhau.
Khi xảy ra hiện tượng rò điện, giật điện; dòng điện sẽ đi từ dây pha xuống đất dẫn
đến hiện tượng dây pha và dây trung tính không bằng nhau.
Dựa vào hiện tượng trên ta thiết kế mạch điện có thể so sánh cường độ dòng điện
trong 2 dây pha và dây trung tính bằng IC cảm biến dòng và vi điều khiển. Nếu độ lệch
cường độ dòng điện I  25mA (chuẩn công nghiệp) thì đưa ra cảnh báo rò điện bằng
đèn và tự động cắt cầu dao.

2.2.

Phương án 2: sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ.

Khi mạng điện hoạt động bình thường, dòng điện trong dây pha và dây trung tính
luôn bằng nhau.
Khi xảy ra hiện tượng rò điện, giật điện; dòng điện sẽ đi từ dây pha xuống đất dẫn
đến hiện tượng dây pha và dây trung tính không bằng nhau.
Dựa vào hiện tượng trên ta thiết kế mạch điện sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ
để so sánh dòng giữa 2 dây pha và dây trung tính. Khi mạng điện hoạt động bình
thường, từ trường sinh ra trong hai cuộn dây pha và dây trung tính cân bằng với nhau và
triệt tiêu lẫn nhau khiến từ thông trong lõi thép bằng 0, không có dòng cảm ứng sinh ra
trong cuộn cảm ứng dòng rò. Khi có hiện tượng rò xảy ra, từ trường sinh ra trong hai
cuộn dây pha và dây trung tính khác nhau khiến từ thông trong lõi thép khác 0, có dòng
cảm ứng sinh ra trong cuộn cảm ứng dòng rò, nếu dòng cảm ứng này gây ra từ trường
đủ lớn trong cuộn ngắt thì có tác dụng ngắt mạch điện.
Nguyên lý mạch:


Chương 3: Chọn và thiết kế mạch thep phương án đã chọn.
3.1.

Chọn phương án thực hiện.

Chọn thiết kế mạch theo phương án 1: sử dụng IC cảm biến dòng và vi điều khiển để
thiết kế mạch chống rò, chống giật. Nếu thiết kế theo phương án 1, ta sẽ có nhiều
hướng phát triển thêm ứng dụng cho mạch.

3.2.

Thiết kế chi tiết mạch theo phương án đã chọn.

Dùng module ASC712 để làm cảm biến dòng đo cường độ dòng điện.
ASC712-30A có khoảng giá trị đo là 30A và độ nhạy 66  3mV / A .
 Nếu xảy ra dò điện và chênh lệch dòng điện là I ro  25mA thì tín hiệu ra của 2 cảm
biến sẽ chênh lệch là 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 ra của ACS712 với mạch khuếch đại so sánh để tránh hiện tượng sụt điện áp
trên đầu vào Opamp.


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 ra của 2 con ACS712 là
U  1, 65  0, 075mV  U vao  19, 61mV nên phải đưa tín hiệu của 2 cảm biến ACS712
vào bộ khuếch đại vi sai để khuếch đại chênh lệch giữa tín hiệu của 2 cảm biến
ACS712 lên  U 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  21, 45  0,975mV .
3
10.10
10

Ta sử dụng vi điều khiển AT89C52 để điều khiển các chân RD, WR, INTR nhằm đọc tín
hiệu chuyển đổi qua ADC0804 vào vi điều khiển qua cổng P2. Nếu tín hiệu vào
 0x01 thì AT89C52 sẽ đưa ra tín hiệu mức logic 0 nhằm 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 điện và điện trở
 Không xác định được thông số chính xác của các cảm biến cũng như bộ chuyển
đổi.
 Gặp khó khăn trong 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.