Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ðẠI HỌC MỞ HÀ NỘI ðộc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Chu Thị Hương Ngày sinh:10/08/1981 Nơi Sinh: Hà Nội Khoá: 02 Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: Kỹ thuật điện tử 1. ðầu ñề luận văn: Nghiên cứu, thiết kế Bộ ngắt dòng dò 2. Các số liệu và dữ liệu ban ñầu: Khi sử dụng trang thiết bị điện luôn tiềm ẩn nguy cơ giật điện, gây tổn thương, thậm chí dẫn đến tử vong cho nạn nhận. Cường độ dòng điện cực đại chưa gây nguy hiểm khi chạy qua cơ thể người là 5mA. Việc thiết kế chế tạo các thiết bị đảm bảo an toàn điện và thiết bị phục vụ thí nghiệm an toàn điện là rất cần thiết. 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Nghiên cứu tìm hiểu về ảnh hưởng của dòng điện lên cơ thể người, các biện pháp phòng tránh giật điện. Áp dụng lý thuyết cảm ứng điện từ, lý thuyết về điện tử để tính toán, thiết kế các sản phẩm. 4. Các bản vẽ, ñồ thị: Bản vẽ sơ đồ nguyên lý các mạch điện, bản vẽ thiết kế khung vỏ, thiết kế mặt của các sản phẩm trong luận văn 5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: PGS.TS.Nguyễn Văn Khang 6. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 17 tháng 02 năm 2011 7. Ngày hoàn thành luận văn: 30 tháng 10 năm 2011 Ngày tháng năm 2011 Giảng viên hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Văn Khang Học viên thực hiện Chu Thị Hương Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò 2 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò 3 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Chu Thị Hương Số hiệu sinh viên: Ngành: Điện tử Khoá: 02 Giảng viên hướng dẫn: Cán bộ phản biện : 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: Ngày tháng năm 2011 Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò 4 LỜI NÓI ðẦU Điện giật là nguy cơ gây thương tổn chết người xếp ở mức cao. Ở Việt Nam hàng năm có 450 -500 vụ tai nạn do điện giật làm chết 350 – 400 người, bị thương hàng trăm người, đó là một con số đáng lo ngại. Những thương tổn và tử vong này luôn có thể phòng tránh được. Tuy nhiên hầu hết các lĩnh vực người sử dụng thiết bị điện không lắp đặt các thiết bị an toàn điện, bảo vệ chống rò điện, không nối đất các thiết bị điện theo yêu cầu của các nhà chế tạo. Gần đây nhất là sự việc hàng loạt các máy ATM gây giật điện, thậm chí dẫn đến tử vong làm xôn xao dư luận, và hoang mang cho người sử dụng về mức độ an toàn của các thiết bị điện công cộng. Trong lĩnh vực y tế, môi trường ẩm ướt do nước, dịch, máu…luôn tiềm ẩn nguy cơ giật điện cho những người sử dụng thiết bị điện. Điều này càng nguy hiểm hơn với các bệnh nhân trước những nguy cơ giật vĩ mô và giật vi mô. Việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và ứng dụng các thiết bị đảm bảo an toàn điện là rất cần thiết. Chế tạo thành công bộ ngắt dòng dò thông minh với những ưu điểm như phát hiện dòng dò cỡ nhỏ từ 0.5mA, tính năng cảnh báo thông minh, tự động ngắt mạch khi dòng dò vượt ngưỡng 5mA là một sản phẩn an toàn điện hiệu quả và dễ sử dụng trong thực tế. Trong quá trình thực hiện, luận văn đã nhận được nhiều sự giúp đỡ cũng như sự động viên khích lệ của gia đình, bạn bè và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của PGS TS. Nguyễn Văn Khang . Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn cùng những người đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Tôi hy vọng thầy, cô và bạn bè sẽ tiếp tục giúp đỡ tôi hoàn thiện tốt hơn luận văn này trong tương lai. Hà nội, ngày tháng năm 2011 Học viên thực hiện Chu Thị Hương Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò 5 MỤC LỤC LỜI NÓI ðẦU 3 MỤC LỤC 5 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 7 DANH SÁCH CÁC BẢNG 9 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT CHƯƠNG 1 MỞ ðẦU 11 1.1.Giới thiệu 11 1.2 Tinh hình an tòan ñiện trong thực tế 12 1.3 Nội dung luận văn CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT AN TOÀN ðIỆN 14 2.1 Tác ñộng dòng ñiện lên cơ thể người và các yếu tố liên quan 14 2.1.1 Nguy cơ giật ñiện khi tiếp xúc với vật mang ñiện 14 2.1.2 Tác hại của dòng ñiện ñối với cơ thể con người 19 2.1.2.1 Ngưỡng cảm nhận 19 2.1.2.2 Dòng thả lỏng 20 2.1.2.3 Chứng tê liệt hệ hô hấp, ñau và mệt mỏi 20 2.1.2.4 Hiện tượng rung tâm thất 20 2.1.2.5 Cơn co tim duy trì 21 2.1.2.6 Bỏng và tổn thương thực thể 21 2.1.2.7 Tác hại của dòng ñiện với một số cơ quan, tổ chức trên cơ thể người 21 2.1.3 Những yếu tố liên quan ñến mức ñộ tác ñộng của dòng ñiện lên cơ thể. 23 2.2 Các phương pháp hạn chế nguy cơ giật ñiện 25 2.2.1 An toàn trong hệ thống cung cấp ñiện 26 2.2.1.1 Hệ thống khuếch ñại ñiện tim ñạo trình chân phải 26 2.2.1.2 Hệ thống tiếp ñất ñẳng thế 26 2.2.1.3 Hệ thống phân phối ñiện cách ly 28 2.2.1.4 Bộ GFCI (Ground –Fault Circuit Interrupter ) 28 2.2.2 An toàn trong thiết kế thiết bị 29 2.3 Cơ sở bộ ngắt dòng dò khi nối ñất gặp sự cố 33 2.3.1 Cơ sở cảm ứng ñiện từ, áp dụng ño cường ñộ dòng ñiện 33 2.3.1.1 Các ñịnh luật, hiện tượng cảm ứng ñiện từ 33 2.3.1.2 Áp dụng chế tạo cảm biến dòng ñiện dò 35 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CÁC KHỐI CHỨC NĂNG 3.1. Giới thiệu một số linh kiện dùng trong thiết kế 38 3.1.1 Cảm biến dòng điện dò ……………………………………… ………………………37 3.1.2. Vi điều khiển AVR ATmega 16…………………………………… …………………38 3.1.3. IC khuếch đại thuật toán TL084……………………… ………………………………50 3.2 Yêu cầu của sản phẩm cần ñạt ñược 53 3.3 Sơ ñồ khối chức năng và sự phối hợp hoạt ñộng giữa các khối 54 3.3.1 Sơ ñồ khối chức năng 54 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò 6 3.3.2. Nguyên lý hoạt ñộng…………………………………… ……………………55 3.4. Thiết kế sơ đồ nguyên lý của bộ ngắt dòng dò……………………… …………………55 3.4.1. Thiết kế phần cứng……………………………………………… ……………………55 3.4.2. Mạch nguyên lý cảm biến dòng và khuếch đại vi sai……………….…………………56 3.4.3. Sơ đồ nguyên lý khối chỉnh lưu và lọc thông thấp……………….…………………….58 3.4.4. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm và khối chấp hành.………………………….58 3.4.5. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn……………………………………………………………59 3.4.6. Sơ đồ nguyên lý của bộ ngắt dòng dò………….……… ………………………………60 3.5. Thiết kế phần mềm nhúng điều khiển……………………….……………………………60 3.7. Thiết kế kiểu dáng sản phẩm…………………………………………………………… 67 Kết quả đạt được………………………………………………………………………………69 Kết luận……………………………………………………………………………………… 71 Tài liệu tham khảo………………………………………………………………………… 72 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò 7 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Chú chim đậu chân trần trên dây điện cao thế nhưng vẫn không bị giật 15 Hình 2.2 Người đứng trên mặt đất, chạm tay vào dây lửa của lưới điện 15 Hình 2.3 Người đứng trên mặt đất, chạm tay vào dây nối đất nên không bị giật điện 16 Hình 2.4 Dòng dò từ dây lửa ra vỏ, do lỗi lớp cách điện, hay chập dây với vỏ. 17 Hình 2.5 Dòng dò tụ kí sinh, hoặc tụ lọc nhiễu nguồn. 17 Hình 2.6 Nguy cơ giật điện khi tiếp xúc với vỏ thiết bị điện 18 Hình 2.7 Dòng điện giật vi mô chạy thẳng qua tim, nếu dây nối đất bị đứt thì nguy cơ giật điện sẽ cao hơn 19 Hình 2.8 Mô hình trở kháng bên trong cơ thể người. 25 Hình 2.9 Bộ khuếch đại điện tim tham chiếu đất [1] 26 Hình 2.10 Hệ thống tiếp đất đẳng thế [1] 27 Hình 2.11 Hệ thống phân phối điện cách ly [1] 28 Hình 2.12 GFCI – Bộ ngắt điện khi nối đất gặp sự cố [1] 29 Hình 2.13 Bốn cách bố trí nguồn và dây nối đất hiệu quả. 32 Hình 2.14 Thí nghiệm của Michael Faraday về tác dụng từ trường biến thiên 33 Hình 2.15 Từ thông biến thiên sinh ra suất điện động cảm ứng khi dịch chuyển vòng dây dẫn trong từ trường 34 Hình 2.16 Tác động hỗ cảm của dòng điện trên hai vòng dây dẫn đặt cạnh nhau 34 Hình 2.17 Nguyên lý cảm biến dòng dò Hình 3.1 Cảm biến dòng điện dò 38 Hình 3.2 Đồ thị kết quả test. 38 Hình 3.3 Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega16 loại 40 chân và 44 chân [8] 41 Hình 3.4 Cấu trúc bên trong vi điều khiển Atmega16 [8] 41 Hình 3.5 Cấu trúc bộ ADC của ATmega16 [8] 42 Hinh 3.6 Thanh ghi ADMUX [8] 43 Hình 3.7 Thanh ghi ADCSRA [8] 44 Hình 3.8 Thanh ghi dữ liệu ADC [8] 46 Hình 3.9 Bộ đếm gộp trước của ADC [8] 47 Hình 3.10 Sai số bù của bộ biến đổi ADC 49 Hình 3.11 Sai số khuếch đại của bộ biến đổi ADC 49 Hình 3.12 Độ không tuyến tính của bộ biến đổi ADC 50 Hình 3.13 Độ không tuyến tính vi sai của bộ biến đổi ADC 50 Hình 3.14 Sơ đồ chân, nguyên lý bên trong IC khuếch đại thuật toán TL084 [9] 51 Hình 3.15 Sơ đồ mạch khuếch đại đảo áp dụng IC TL084. 52 Hình 3.16 Đồ thị quan hệ điện áp đỉnh tối đa của tín hiệu ra và tần số tín hiệu 52 Hình 3.17 Đồ thị quan hệ hệ số khuếch đại vi sai tối đa của mạch……….…………… ……52 Hình 4.15 với tần số tín hiệu 53 Hình 3.18 Giao điện phần mềm Orcad 9.2 thiết kế mạch nguyên lý và mạch in 57 Hình 3.19 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến dòng và khuếch đại vi sai 58 Hình 3.20 sơ đồ nguyên lý khối chỉnh lưu và lọc thông thấp bậc 2 59 Hình 3.21 Đáp ứng tần số và pha của mạch lọc 59 Hình 3.22 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển trung tâm và khối chấp hành 60 Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 60 Hình 3.24 Mạch nạp STK500, nạp phần mềm nhúng cho vi điều khiển 62 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò 8 Hình 3.25 Giao diện chương trình biên dịch CodevesionAVR 2.04.4a 63 Hình 3.26 Lưu đồ thuật toán điền khiển bộ ngắt dòng dò 64 Hình 3.27 Thiết kế hộp sản phẩm bộ ngắt dòng dò 69 Hình 3.28 Mặt trên của bộ ngắt dòng dò 69 Sản phẩm bộ ngắt dòng dò Error! Bookmark not defined. Ghép nối bộ ngắt dòng dò vào hệ thống điện. 71 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò 9 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1 Tác động của dòng điện 60 Hz lên cơ thể người tuổi trung niên [1] 24 Bàng 3.1 Chọn kênh đầu vào bộ ADC của Atmega16 [8] 43 Bảng 3.2 Chọn giá trị điện áp tham chiếu cho bộ ADC [8] 44 Bảng 3.3 Chọn số chia cho bộ chia tần [8] 45 Bảng 3.4 Mô tả thời gian một chu kỳ chuyển đổi ADC [8] 48 Chu Thị Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò 10 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ gốc Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển ñổi tương tự sang số ATM Automatic Teller Machine Máy rút tiền tự ñộng CPU Central Processing Unit Khối xử lý trung tâm ECG Electrocardiogram ðiện tâm ñồ GFCI Ground –Fault Circuit Interrupter Bộ ngắt mạch khi nối ñất gặp sự cố LED Light Emitting Diode ði ốt phát quang LSB Least significant bit Bit có trọng số thấp nhất MIPS Millions of instructions per second Triệu phép tính trên giây Op-amp Operational amplifier Bộ khuếch ñại thuật toán PWM Pulse Width Modulation ðiều chế ñộ rộng xung RISC Reduced Instructions Set Computer Máy tính với tập lệnh ñơn giản hóa SPI Serial peripheral interface Chuẩn truyền thông ngoại vi nối tiếp UART Universal Asynchronous serial Reveiver and Transmitter Bộ truyền nhận nối tiếp không ñồng bộ V REF Voltage Reference ðiện áp tham chiếu [...]... ủi n cỏch ly gi i quy t tri t ủ nh h ng c a dũng ti p ủ t ng i ta dựng h th ng phõn ph i ủi n cach ly nh hỡnh d i Chuông báo Biến áp nguồn cách ly Dây Nguồn điện xoay chiều Thiết bị theo dõi cách ly đờng dây Trung tính Đất Các thiết bị điện Hỡnh 2.11 H th ng phõn ph i ủi n cỏch ly [1] Cỏc bi n ỏp cỏch ly t o ra cỏc h th ng cỏch ly ủ ng dõy b ng cỏch lm giỏn ủo n cỏc ủ ng n i tr c ti p v i ủ t trung . Hương Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Ngắt Dòng Dò 6 3.3.2. Nguyên lý hoạt ñộng…………………………………… ……………………55 3.4. Thiết kế sơ đồ nguyên lý của bộ ngắt dòng dò …………………… …………………55 3.4.1. Thiết kế phần. cấp thiết đó, luận văn đã thực hiện nghiên cứu, chế tạo bộ ngắt dòng dò. Thiết bị có thể cảnh báo người sử dụng về nguy cơ dò điện khi dòng dò >500µA, và ngắt mạch khi dòng dò vượt ngưỡng 5mA của bộ ngắt dòng dò 69 Sản phẩm bộ ngắt dòng dò Error! Bookmark not defined. Ghép nối bộ ngắt dòng dò vào hệ thống điện. 71 Chu Thị Hương Nghiên