Đồ Án Cơ Sở 1 Mạch Đo Và Điều Khiển Nhiệt Độ.docx

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CƠ SỞ 1 MẠCH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Ngành CƠ ĐIỆN ĐIỆN TỬ Chuyên ngành ĐIỆN CÔNG NGHIỆP LỜI CẢM ƠN eee[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN CƠ SỞ 1

MẠCH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

LỜI CẢM ƠN

eee

Xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Văn Vinh là giáo viên hướng dẫn đồ án đãgiúp em hoàn thành đồ án môn học, ôn lại một số kiến thức cũ và bổ sung thêm kiếnthức mới trong quá trình thực hiện đồ án

MỤC LỤC

eee

LỜI CẢM ƠN 4

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH 6

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 7

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 7

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 7

1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 7

1.4 YÊU CẦU ĐỀ TÀI 7

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 7

1.6 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN 7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1.TỤ ĐIỆN 8

2.2 ĐIỆN TRỞ THAN 8

2.3.BIẾN TRỞ 9

2.4 MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 9

2.5.CẢM BIẾN 10

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH CẢM BIẾN NHIỆT 18

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI 18

3.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 18

3.2.1 Mạch khuếch đại tín hiệu 18

CHƯƠNG 4: THI CÔNG MẠCH 22

§4.1 THI CÔNG 22

4.1.1 Sơ đồ mạch in 22

4.1.2 Phương pháp làm mạch in 22

4.1.3 Sơ đồ thi công mạch điều khiển nhiệt độ 23

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 24

5.1.ƯU ĐIỂM VÀ GIỚI HẠN CỦA CẶP NHIỆT ĐIỆN 24

5.2 NHƯỢC ĐIỂM 24

5.3 ỨNG DỤNG 24

THAM KHẢO TÀI LIỆU 25

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 2-1: Tụ điện phân cực

Hình 2-2: Tụ không phân cực (tụ gốm)

Hình 2-3: Cấu tạo của điện trở than

Hình 2-4a: Cấu tạo và ký hiệu của biến trở

Hình 2-4b: Biến trở đơn và biến trở đôi

Hình 2-5: Ký hiệu của OP-AMPvà cách cấp nguồn đối xứng

Hình 2-6: Nguyên tắc đo của cặp nhiệt có dây bù

Hình 4.3: Sơ đồ mạch in bố trí linh kiện

Bảng 1 : Bảng tra đổi từ nhiệt độ (T) ra điện áp

Bảng 2 : Bảng tra đổi từ nhiệt độ (J) ra điện áp

Bảng 3 : Bảng tra đổi từ nhiệt độ (K) ra điện áp

Bảng 4: Bảng thông số cặp nhiệt

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Với nhu cầu phát triển hiện nay, chúng ta đang từng bước công nghiệp hóa và hiện đạihóa cuộc sống Nên việc tự động hóa các việc làm hiện nay là cần thiết Chỉ cần dùngnhiệt độ điều khiển các thiết bị trong sản xuất công nghiệp theo nhu cầu phát triển nhưhiện nay

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

- Nhắc lại kiến thức căn bản của môn điện tử

- Khảo sát một số linh kiện có trong mạch

- Hoàn thiện kỹ năng làm mạch

- Mạch hoạt động tốt

1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Sử dụng phẩn mềm thiết kế mạch,tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của các linhkiện,các khối trong mạch.Phương pháp làm mạch in

1.4 YÊU CẦU ĐỀ TÀI

Khi có tín hiệu vào đến khối cảm biến là một tín hiệu nhiệt độ sẽ điều khiển được ngõ

ra theo yêu cầu và cấp tín hiệu cho ngõ ra để có thể điều khiển các thiệt bị.Cấu tạo đơngiản,dễ dàng lắp đặt,linh kiện dễ tìm kiếm,thông dụng

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thu thập thông tin từ những bạn bè đang làm trong lĩnh vực điện tử,từ những tài liệu

mà trước đây đã học.Sử dụng phần mềm proteus để thiết kế mạch và chạy mô phỏng

1.6 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN

- Gồm 5 chương:

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết

Chương 3 : Tính toán và thiết kế

Chương 4 : Thi công mô hình

Trị số của điện trở được ghi bằng các vòng màu theo qui ước của Mỹ Cấu tạo của điệntrở than và các vòng màu như hình 2.3

Hình 2-3: Cấu tạo của điện trở than

2.4 MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

Thường được gọi tắt là OP-AMP (Operational-Amplifier), được thiết kế để thực hiệncác phép toán như: cộng, trừ, nhân, chia, vi phân, tích phân… trong các máy tính tương

tự Trong quá trình phát triển OP-AMP còn có thêm nhiều ứng dụng khác và trở thànhlinh kiện tích cực quan trọng nhất trong các mạch khuếch đại AC, mạch khuếch đại DC,mạch so sánh, mạch dao động, mạch tạo xung, mạch đo…

Trong các loại OP-AMP đã được sản xuất và sử dụng, IC741 được xem là OP-AMP tiêuchuẩn, là loại vi mạch đơn khối tích hợp lớn được chế tạo theo công nghệ màng mỏng.Nhờ khả năng tích hợp lớn nên IC741 được ứng dụng rất rộng rãi đa dạng

Trong chương này chủ yếu chỉ giới thiệu đặc tính kỹ thuật và các mạch ứng dụng cơbản của IC741

3

Các chân ra:

- In+: ngõ vào không đảo

- In- : ngõ vào đảo

- Out: ngõ ra

- +V/-V: nối nguồn dương / âm

- GND: điểm chung, điểm 0V (mass)

Hình 2-5: Ký hiệu của OP-AMPvà cách cấp nguồn đối xứng

2.5.CẢM BIẾN

2.5.1 Đại cương

- Trong sản xuất công nghiệp cũng như trong đời sống tự nhiên, các đại lượng vật lý, hóahọc, sinh học cần đo lường, kiểm tra, điều chỉnh, khống chế hay tự động điều khiển…thường là các đại lượng không điện Thí dụ: ánh sáng, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, từ trường,khoảng cách, lưu lượng, vận tốc…

- Linh kiện cảm biến có chức năng chuyển đổi các đại lượng không điện thành tín hiệuđiện, hay từ đại lượng điện nay sang dạng đại lượng khác

“Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp

ứng đối với các tín hiệu và kích thích”

-Trong các hệ thống đo lường, điều khiển tự động hiện đại, thường có yêu cầu hồi tiếp đểkhống chếtrạng thái của quá trình Việc thu nhận và xử lý tín hiệu thường do bộ vi xử lýđảm nhận và điều khiển tự động theo chương trình cài đặt trước

2.5.2 Vai Trò

-Cảm biến vai trò rất quan trọng trong các bài toán điều khiển quá trình nói riêng và trongcác hệ thống điều khiển tự động nói chung Cảm biến là thiết bị có khả năng cảm nhậncác tín hiệu điều khiển vào, ra,

+ V

O u t

+ 3

+

V

I n

I n

2.5.3 Phân Loại

Có nhiều loại linh kiện cảm biến như sau:

a Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi

- Linh kiện cảm biến vật lý;

- Linh kiện cảm biến hóa học;

- Linh kiện cảm biến sinh học

b Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế

- Cảm biến tích cực (có nguồn) đầu ra là nguồn áp hay nguồn dòng;

- Cảm biến thụ động (không có nguồn) được đặt trưng bảng các thông số R, L, C…,tuyến tính hay phi tuyến

đó được gọi là nhiệt độ

-Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt của vật chất ảnh hưởng rất lớnđến nhiều tính chất của vật chất, do đó, đo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong côngnghiệp và nhiều lĩnh vực khác trong đời sống.Theo thuyết động học phân tử thì độngnăng của vật là :

E = 32 KT T = 23 E KTrong đó: K – hằng số Bonltman (với K = 1,38.10−23J/oK);

E – Động năng trung bình chuyển động thẳng của các phân tử;

T – Nhiệt độ tuyệt đối của vật

Theo định luật nhiệt động học: Nhiệt lượng nhận vào hay toả ra của môi chất trong chutrình Cácnô tương ứng với nhiệt độ của môi chất và có quan hệ:

Muốn đo nhiệt độ thì phải tìm cách xác định đơn vị nhiệt độ để xây dựng thành thang

đo nhiệt độ (có khi gọi là thước đo nhiệt độ, nhiệt giai) Dụng cụ dùng đo nhiệt độ gọi lànhiệt kế, nhiệt kế dùng đo nhiệt độ cao gọi là hỏa kế

2.5.4.2 Các phương pháp đo

Để đo nhiệt độ, có thể đo kiểu tiếp xúc hay đo kiểu gián tiếp Khi đo bằng phươngpháp tiếp xúc,cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, phép đo dựa trên các hiện tượng:

- Giản nở của vật liệu;

- Biến đổi trạng thái của vật liệu;

- Hiệu ứng nhiệt điện

Khi đo bằng phương pháp gián tiếp (không tiếp xúc), cảm biến không tiếp xúc vớimôi trường đo mà dựa vào sự phụ thuộc của bức xạ nhiệt của môi trường đó:

Q1 Q2-Q1

- Đo bằng hỏa kế bức xạ;

- Đo bằng hỏa kế quang

Trong đời sống tự nhiên,dụng cụ đo nhiệt độ đơn giản nhất là nhiệt kế sử dụng hiệntượng dãn nở theo nhiệt Trong sản xuất công nghiệp, để điều khiển tự động, quá trìnhtheo nhiệt độ, người ta chế tạo ra nhiều loại cảm biến nhiệt có nguyên lí làm việc khácnhau như: nhiệt điện trở các loại,cặp nhiệt, linh kiện điện tử cảm biến nhiệt (diod,transistor, IC…)

Các linh kiện nhiệt được dùng làm bộ cảm biến để đổi từ năng lượng nhiệt ra tín hiệuđiện đưa vào các mạch khuếch đại điện tử Đặc biệt khi dùng ở nhiệt độ cao người tathường sử dụng cặp nhiệt (Thermo-Couple)

2.5.4.3 Các thang đo nhiệt độ

Có ba thang đo nhiệt độ để xác định giá trị nhiệt độ đo được

 Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1848)

Thang Kelvin : thang nhiệt độ dựa trên cơ sở định luật nhiệt động học,đơn vị là K

Theo thang Kelvin, điểm chuẩn là nhiệt độ điểm đông đặc của nước có giá trị là 273,15K.Một độ K bằng độ chênh nhiệt độ ứng với 1% giữa điểm nước sôi và điểm tan của nước

đá ở áp suất bình thường

 Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742)

Thang Celsius là thang nhiệt độ bách phân, đơn vị là 0C Một độ Celsius bằng một độKelvin

Điểm chuẩn các thang Celsius là: điểm nước đá tan là 00C, điểm nước sôi là 1000C Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được tính theo biểu thức:

θ ( 0 C) = θ (K) -273,15K

 Thang Fahrenheit (Fahrenheit -1706)

Thang Fahrenheit có đơn vị nhiệt độ là 0F Theo thang này, điểm chuẩn: nước đá tan là

320F và điểm nước sôi là 2120F

Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và Fahrenheit tính theo biểu thức:

θ ( 0 C) = [θ ( 0 F) -32].100/180

a CẶP NHIỆT (Thermo-Couple)

Cặp nhiệt được chế tạo dựa trên hiệu ứng nhiệt điện Khi hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau được hàn dính sẽ xuất hiện sức điện động ở hai đầu thay đổi theo nhiệt độ của mối hàn

Hình 2-6: Nguyên tắc đo của cặp nhiệt có dây bù

f Cặp nhiệt thanh (cây)

Là loại cảm biến nhiệt có điện trở thay đổi theo nhiệt độ của mối nối, điện trở của cặp nhiệt tăng lên khi nhiệt độ tăng.

Thí dụ: Cặp nhiệt thanh PT100 nghĩa là khi ở nhiệt độ 0 0 C thì điện trở của cặp nhiệt là 100.

Các loại cặp nhiệt trên có hệ số nhiệt mV/ 0 C không tuyến tính nhưng nếu sử dụng trong một khoảng nhiệt độ không rộng thì có thể coi như tuyến tính Do hệ số nhiệt mV 0 C rất nhỏ thường khoảng vài chụcV/ 0 C nên điện áp do Thermo-Couple cho ra phải mạch khuếch đại DC trước khi đưa vào mạch điều khiển, chỉ thị hay bảo vệ.

Hình 2-8: Hình dáng một vài cặp nhiệt loại thanh

THÔNG SỐ KỸ THUẬT CẶP NHIỆT

a Bảng thông số cặp nhiệt

Cặp nhiệt

Nhiệt độ sử dụng

BỘ NGUỒN

Hình 3.1: Sơ đồ khối

3.1.2 Sơ đồ khối

- Khối bộ nguồn sử dụng điện áp 220VAC nắn điện toàn kỳ cho ra nguồn 12VDC đối

xứng cung cấp cho mạch điều và mạch giao tiếp tải;

- Khối đầu dò nhiệt (cặp nhiệt) nhận tín hiệu nhiệt độ môi trường cho ra điện áp thay đổi

đưa tín hiệu qua bộ khuếch đại;

- Khối bộ khuếch đại nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ môi trường cho ra điện áp thay

đổi đưa tín hiệu với giá trị vài mV qua bộ khuếch đại biến đổi tín hiệu lớn hơn vài V;

- Khối mạch giao tiếp nhận lệnh điều khiển từ bộ khuếch đại tín hiệu nhiệt độ để điều

khiển thiết bị làm mát (giải nhiệt)

3.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

3.2.1 Mạch khuếch đại tín hiệu

Với nhiệt độ môi trường ở hiện tại thì tín hiệu cảm biến TC cho ra giá rất nhỏ vài mV được đưa vào chân số 3 (ngõ IN+) của OP-AMP 1(nhiệm vụ khuếch đại) cho ra tín hiệu ởngõ ra chân 6 và được hồi tiếp về chân số 2 (ngõ IN-) với số lần khuếch đại được tính theo công thức sau:

Hình 3-3: Mạch mạch so sánh tín hiệu

3.2.3 Mạch mạch giao tiếp tải

- Khi tín hiệu bão hòa dương qua cầu phân áp R=4,7k và R=1k kích cực Btransistor C1815 dẫn đồng thởi mối nối CE đóng lại có dòng điện qua rơ-le RY, cáctiếp điểm đổi trạng thái Động cơ quạt quay làm mát (giải nhiệt)

Hình 3-4: Mạch mạch giao tiếp tải

3.2.4 Sơ đồ, nguyên lý toàn mạch điều khiển nhiệt độ

2 7

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý

Khi cấp nguồn cho mạch đo và điều khiển nhiệt độ thì tín hiệu ngõ vào so với nhiệt độmôi trường quá nhỏ nên tín hiệu qua bộ khuếch đại cho ra nhỏ hơn tín hiệu lấy mẫu Vìvậy, tín hiệu ngõ ra OP-AMP 2 bão hòa âm nên cầu phân áp không đủ phân cực tại ngõvào cực B transistor C1815 vì vậy, ngõ ra vẫn không đổi trạng thái

Khi nhiệt độ môi trường thay đổi vượt quá giới hạn chỉnh định của mạch thì trạng thái ngõ ra đổi trạng thái RY cung cấp nguồn cho mạch công suất

o Tín hiệu cảm biến TC cho ra giá rất nhỏ vài mV được đưa vào chân số 3 của AMP1 cho ra tín hiệu ở ngõ ra chân 6 và được hồi tiếp về chân số 2;

OP-o Tín hiệu tiếp tục qua điện trở 1k đưa vàOP-o chân số 3 của OP-AMP 2, lúc này chân

số 2 nhận tín hiệu điện áp mẫu thông qua cầu phân áp có điều chỉnh thay đổi giátrị đến 2V thì tín hiệu ngõ ra chân 6 cho ra tín hiệu bão hòa dương;

o Khi tín hiệu bão hòa dương qua cầu phân áp R=4,7k và R=1k kích cực Btransistor C1815 dẫn đồng thởi mối nối CE đóng lại có dòng điện qua rơ-le RY,các tiếp điểm đổi trạng thái Động cơ quạt quay làm mát

CHƯƠNG 4: THI CÔNG MẠCH

4.1.2 Phương pháp làm mạch in

- Thiết kế mạch trên phần mềm protues;

- Mua linh kiện;;

- Ủi mạch in ra mạch đồng=>ngâm hóa chất tẩy mạch;

- Khoan lổ =>quét nhựa thông;

- Lắp linh kiện vào =>hàn chì;

- Lắp nguồn chạy thử=>mạch chạy được

4.1.3 Sơ đồ thi công mạch điều khiển nhiệt độ

Hình 4.2: Sơ đồ mạch in hàn board Hình 4.3: Sơ đồ mạch in bố trí linh kiện

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

5.1.ƯU ĐIỂM VÀ GIỚI HẠN CỦA CẶP NHIỆT ĐIỆN

- Cặp nhiệt điện rẻ tiền, kích thước nhỏ, chắc chắn, tiện lợi và linh hoạt, khoảng đorộng, khả năng ổn định có thể chấp nhận, có thể tái sản xuất, chính xác và nhanh Điện

áp do chúng tạo ra độc lập với chiều dài và đường kính dây

5.2 NHƯỢC ĐIỂM

- Cặp nhiệt điện là tín hiệu ra nhỏ Điều này làm cho nó nhạy với nhiễu điện và bị giớihạn đối với những ứng dụng khoảng đo tương đối rộng Nó không tuyến tính, và việcchuyển đổi điện áp ngõ thành giá trị nhiệt độ không đơn giản như những thiết bị đotrực tiếp Các cặp nhiệt điện luôn luôn cần đến bộ khuếch đại, và việc hiệu chuẩnchúng có thể thay đổi bởi vì sự nhiễm bẩn, sự thay đổi thành phần do quá trình ôxi hóabên trong Cặp nhiệt điện không thể sử dụng ở trạng thái dây trần trong chất lỏng dẫnđiện, và nếu dây của nó không đồng nhất, điều này có thể tạo ra những điện áp mà rấtkhó phát hiện

5.3 ỨNG DỤNG

- Hình sơ đồ nguyên lý mạch đo và điều khiển nhiệt độ dùng cặp nhiệt loại K cho ra tínhiệu điện để điều khiển OP-AMP và transistor đóng ngắt điện cấp cho rơ-le RY.Thường dùng trong nhiều lĩnh vực như:sản xuất công nghiệp, luyện kim, giáo dục haygia công vật liệu…

THAM KHẢO TÀI LIỆU

eee[1] Nguyễn Thị Ngọc Anh (2014) Điện tử tương tự 1, Giáo trình Hutech, TP.HCM

[2] Võ Thị Bích Ngọc (2015) Kỹ thuật số, Giáo trình Hutech, TP.HCM

[3] Nguyễn Hữu Phương (2004) Mạch số, NXB Thống Kê, Việt Nam, 297/317 / 328 /

368 – 374

[4] Linh kiện điện tử, Nguyễn Tấn Phước, NXB Hồng Đức

[5] Cảm biến đo lường và điều khiển, Nguyễn Tấn Phước, NXB Hồng Đức