Đồ án Tính toán , thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ giàn nóng

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước. Ngành điện tử nói chung đã có những bước tiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể. Để thúc đẩy nề kinh tế của đất nước ngày càng phát triển, giàu mạnh thì phải đào tạo cho thế hệ tréco đủ kiến thức để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đào tạo thì phải đưa ra các phương tiện dạy học hiện đại vào trong giảng đường, trường học có như vậy thì trình độ của con người ngày càng cao mới đáp ứng được nhu của xã hội. Trường ĐHSPKT Hưng Yên là một trong số những trường đã rất trú trọng đến việc hiện đại hoá trang thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả trong giảng dạy cũng như giúp sinh viên có khả năng thực tế cao.Để các sinh viên có tăng khả năng tư duy và làm quen với công việc thiết kế, chế tạo chúng em đã được giao cho thực hiện đồ án: “Tính toán, thiết kế mạch điều khiển điều khiển nhiệt độ giàn nóng“ nhằm củng cố về mặt kiến thức trong quá trình thực tế.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC- BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ Ô TÔ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

 Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Xuân Hòa

 Sinh viên thực hiện : Đoàn Văn Lợi

 Lớp : 121121

Giảng viên hướng dẫn:

Nguyễn Xuân Hòa

Hưng Yên, ngày… tháng… năm 2015

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hưng yên, ngày … tháng … năm 2014

Chữ ký của giáo viên

M c l c : ục lục : ục lục :

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 : LÝ THUYẾT CHUNG VỀ HỆ THỐNG 5

1.1 Tồng quan về hệ thống điều hòa không khí trên ôtô 5

CHƯƠNG 2: LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH 7

2.1 Linh kiện mạch điện tử 7

2.2 Vi điều khiển PIC 16F877A 7

2.3 Điện trở 12

2.4 PC817 18

2.5 Mosfet IRF 540 19

2.6 Diot quang – LED 23

2.7 Tụ điện 25

2.8 IC ổn áp 7805 31

2.9 Diode (Đi ốt) Bán dẫn 32

2.10 Cảm biến nhiệt độ (LM 35) 36

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 37

3.1 Sơ đồ khối 37

3.2 Xây dựng chương trình điều khiển và sơ đồ nguyên lý của mạch 37

KẾT LUẬN 44

LỜI NÓI ĐẦU

ùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường côngnghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước Ngành điện tử nói chung đã có nhữngbước tiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể Để thúc đẩy nề kinh tế củađất nước ngày càng phát triển, giàu mạnh thì phải đào tạo cho thế hệ tréco đủ kiến thức

để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đàotạo thì phải đưa ra các phương tiện dạy học hiện đại vào trong giảng đường, trườnghọc có như vậy thì trình độ của con người ngày càng cao mới đáp ứng được nhu của xãhội Trường ĐHSPKT Hưng Yên là một trong số những trường đã rất trú trọng đếnviệc hiện đại hoá trang thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả trong giảng dạy cũng như giúpsinh viên có khả năng thực tế cao

C

Để các sinh viên có tăng khả năng tư duy và làm quen với công việc thiết kế, chế tạo

chúng em đã được giao cho thực hiện đồ án: “Tính toán, thiết kế mạch điều khiển điều khiển nhiệt độ giàn nóng“ nhằm củng cố về mặt kiến thức trong quá trình thực

tế

Sau khi nhận đề tài, nhờ sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẫn cùng với

sự lỗ lực cố gắng của bản thân, sự tìm tòi, nghiên cứu tài liệu, đến nay đồ án của em

về mặt cơ bản đã hoàn thành Trong quá trình thực hiện dù đã rất cố gắng nhưng dotrình độ còn hạn chế kinh nghiệm còn ít nên không thể tránh khỏi sai sót Chúng em

mong nhận được sự chỉ bảo giúp đỡ và đóng góp ý kiến của thầy giáo : Nguyễn Xuân Hòa trong khoa để đồ án của chúng em ngày càng hoàn thiện hơn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo cùng với các thầy giáo trong khoa đã giúpchúng em hoàn thành đồ án

CHƯƠNG 1 : LÝ THUYẾT CHUNG VỀ HỆ THỐNG

1.1 Tồ n

ô t ô 1.1.1 Công dụng

- Đưa không khí sạch vào trong xe

- Duy trì nhiệt độ không khí trong xe ở nhiệt độ thích hợp

1.1.2 Chức năng của hệ thống điều hòa không khí

Hệ thống điều hòa không khí ôtô có 3 chức năng chính:

- Làm mát : bằng cách thổi không khí qua giàn lạnh của hệ thống điều hòa trướckhi đưa vào khoang lái

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều hòa không khí

- Sưởi ấm không khí trong xe: Bằng cách thổi không khí qua két sưởi trước khivào khoang lái Két sưởi được làm nóng bằng nước làm mát động cơ

Hình 1.2 Sơ đồ điều khiển hệ thống điều hòa

- Hút ẩm không khí trong xe: Khi dòng không khí được thổi qua giàn lạnh, nhiệt độkhông khí giảm đột ngột, nước trong không khí sẽ nhưng tụ lại trong khay và được xả

2.1 Linh kiện mạch điện tử

2.2 Vi điều khiển PIC 16F877A

2.2.1 Giới thiệu chung

- PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là “máytính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên

- Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, Motorola68HC, AVR, ARM, Ngoài họ 8051 được hướng dẫn một cách căn bản ở môi trườngđại học, bản thân người viết đã chọn họ vi điều khiển PIC để mở rộng vốn kiến thức vàphát triển các ứng dụng trên công cụ này vì các nguyên nhân sau:

- Họ vi điều khiển này có thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Việt Nam

- Giá thành không quá đắt

- Có đầy đủ các tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập

- Là một sự bổ sung rất tốt về kiến thức cũng như về ứng dụng cho họ vi điềukhiển mang tính truyền thống: họ vi điều khiển 8051

- Số lượng người sử dụng họ vi điều khiển PIC Hiện nay tại Việt Nam cũng nhưtrên thế giới, họ vi điều khiển này được sử dụng khá rộng rãi Điều này tạo nhiều thuậnlợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứng dụng như: số lượng tài liệu, số lượngcác ứng dụng mở đã được phát triển thành công, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìmđược sự chỉ dẫn khi gặp khó khăn,…

- Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các công cụ lập trình, nạp chươngtrình từ đơn giản đến phức tạp,…

- Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như: 6811 của Motorola,

8051 của Intel, Z8 của Zilog, PIC 16* của Microchip Technology …Trong đề tài nàychỉ trình bày một bộ vi điều khiển trong số trên (Pic 16F877A)

Hiện nay có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần cứng, nhưngchúng ta có thể điểm qua một vài nét như sau :

- 8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Harvard

- Flash và Rom có thể tuỳ chọn 256 byte đến 256 kbybe

- Các cổng xuất/nhập (mức lôgic từ 0v đến 5v, ứng với mức logic 0 và 1)

- 8/16 bit timer

- Các chuẩn giao tiếp ngoại vi nối tiếp đồng bộ/ không đồng bộ

- Bộ chuyển đổi ADC

- Bộ so sánh điện áp

- MSSP Pripheral dùng cho các giao tiếp I2C, SPI

- Bộ nhớ nội EEPROM - có thể ghi/ xoá lên tới hàng triệu lần

- Modul điều khiển động cơ, đọc encoder

- Hỗ trợ giao tiếp USB

- Hỗ trợ điều khiển Ethernet

- Hỗ trợ giao tiếp CAN

- Hỗ trợ giao tiếp LIN

- Hỗ trợ giao tiếp IRDA

- DSP những tính năng xử lý tín hiệu số

2.2.2 Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC16F877A

Hình 2.1 Sơ đồ chân PIC16F877A

2.2.3 Một vài thông số về vi điều khiển PIC16F877A

- Chỉ có 35 cấu trúc lệnh

- Hầu hết các cấu trúc lệnh chỉ mất một chu kỳ máy, ngoại trừ lệnh rẻ nhánhchương trình mất hai chu kỳ máy

- Tốc độ làm việc: xung clock đến 20MHz, tốc độ thực thi lệnh 200ns

- 8K*14 words của bộ nhớ chương trình ( flash program memory)

- 368*8 byte bộ nhớ dữ liệu RAM

- 256*8 byte bộ nhớ dữ liệu EEPROM

Đặc điểm ngoại vi:

- Timer 0: 8 bit timer/counter với 8 bít bộ chia tỉ lệ

- Timer 1: 16 bit timer/counter với bộ chia tỉ lệ có thể tăng lên trong chế độSleep theo xung đồng hồ bên ngoài

- Timer2 : 8 bit timer/counter

- Hai Modul capture, compare, PWM

+ Capturre 16 bit có độ phân giải 12,5ns

+ Compare 16 bit có độ phân giải 200ns

+ PWM 16 bít có độ phân giải 10 bit

- Cổng giao tiếp nối tiếp đồng bộ với chế độ Master và Master/ Slave

- Bộ truyền nhận nối tiếp vạn năng

- Cổng Slave song song 8 bit được điều khiển đọc ghi từ bên ngoài

Đặc điểm tương tự:

- Độ phân giải 10 bit với 8 kênh chuyển đổi tương tự- số

- Modul so sánh tương tự gồm:

+ Hai modul so sánh tương tự

+ Modul tham chiếu điện áp trên chip(VEF) có thể lập trình được ,có thểlập trình nhiều chức năng đầu vào từ các đầu vào và điện áp bên trong

+ Hai đầu ra so sánh có thể sử dụng bên ngoài

Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:

+ Bộ nhớ Flash có khả năng ghi xoá được 100.000 lần

+ Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xoá được 1.000.000 lần

+ Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm

+ Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm

+ Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Cicuit SerialProgramming) thông qua hai chân

+ Watchdog timer với bộ dao động trong

+ Chức năng bảo mật mã chương trình

+ Chế độ SLEEP

+ Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau

2.2.4 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

Hình 2.2 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

2.3 Điện trở

2.3.1 Khái niệm điện trở

Ta hiểu một cách đơn giản - Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫnđiện, nếu một vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vậttheo

Điện trở của dây dẫn

Điện trở của dây dẫn phụ thộc vào chất liệu, độ dài và tiết diện của dây được tính

theo công thức sau:

R = ρ.L / S

 Trong đó ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu

 L là chiều dài dây dẫn

 S là tiết diện dây dẫn

 R là điện trở đơn vị là Ohm



2.3.2 Điện trở trong thiết bị điện tử.

a) Hình dáng và ký hiệu : Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà

người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau

Hình 2.3 : Điện trở trong thiết bị điện tử.

Hình 1.7 : Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý.

b) Đơn vị của điện trở

 Đơn vị điện trở là Ω (Ohm) , KΩ , MΩ

 1KΩ = 1000 Ω

1MΩ = 1000 K Ω = 1000.000 Ω

c) Cách ghi trị số của điện trở

 Các điện trở có kích thước nhỏ được ghi trị số bằng các vạch mầu theo mộtquy ước chung của thế giới.( xem hình ở trên )

 Các điện trở có kích thước lớn hơn từ 2W trở lên thường được ghi trị số trựctiếp trên thân Ví dụ như các điện trở công xuất, điện trở sứ

Hình 2.4 : Trở sứ công xuất lớn , trị số được ghi trực tiếp.

2.3.3 Cách đọc trị số điện trở

Quy ước mầu Quốc tế

Mầusắc

Điện trở thường được ký hiệu bằng 4 vòng mầu , điện trở chính xác thì ký

hiệu bằng 5 vòng mầu

* Cách đọc trị số điện trở 4 vòng màu :

Hình 2.6 : Điện trở 4 vòng màu Cách đọc điện trở 4 vòng màu

 Vòng số 4 là vòng ở cuối luôn luôn có mầu nhũ vàng hay nhũ bạc, đây làvòng chỉ sai số của điện trở, khi đọc trị số ta bỏ qua vòng này

Đối diện với vòng cuối là vòng số 1, tiếp theo đến vòng số 2, số 3

 Vòng số 1 và vòng số 2 là hàng chục và hàng đơn vị

 Vòng số 3 là bội số của cơ số 10

 Trị số = (vòng 1)(vòng 2) x 10 ( mũ vòng 3)

 Có thể tính vòng số 3 là số con số không "0" thêm vào

 Mầu nhũ chỉ có ở vòng sai số hoặc vòng số 3, nếu vòng số 3 là nhũ thì số

mũ của cơ số 10 là số âm

* Cách đọc trị số điện trở 5 vòng mầu : ( điện trở chính xác )

Hình 2.7: Điện trở 5 vòng màu

 Vòng số 5 là vòng cuối cùng , là vòng ghi sai số, trở 5 vòng mầu thì mầusai số có nhiều mầu, do đó gây khó khăn cho ta khi xác điịnh đâu là vòng cuối cùng,tuy nhiên vòng cuối luôn có khoảng cách xa hơn một chút

 Đối diện vòng cuối là vòng số 1

 Tương tự cách đọc trị số của trở 4 vòng mầu nhưng ở đây vòng số 4 làbội số của cơ số 10, vòng số 1, số 2, số 3 lần lượt là hàng trăm, hàng chục và hàng đơnvị

 Trị số = (vòng 1)(vòng 2)(vòng 3) x 10 ( mũ vòng 4)

 Có thể tính vòng số 4 là số con số không "0" thêm vào

2.3.4 Thực hành đọc trị số điện trở.

Hình 2.8 : Các điện trở khác nhau ở vòng mầu thứ 3

 Khi các điện trở khác nhau ở vòng mầu thứ 3, thì ta thấy vòng mầu bội sốnày thường thay đổi từ mầu nhũ bạc cho đến mầu xanh lá , tương đương với điện trở <

Hình 2.9 : Các điện trở có vòng mầu số 1 và số 2 thay đổi

 Ở hình trên là các giá trị điện trở ta thường gặp trong thực tế, khi vòng mầu

số 3 thay đổi thì các giá trị điện trở trên tăng giảm 10 lần

2.3.5 Các trị số điện trở thông dụng.

Ta không thể kiếm được một điện trở có trị số bất kỳ, các nhà sản xuất chỉ đưa ra khoảng 150 loại trị số điện trở thông dụng bảng dưới đây là mầu sắc và trị của các điện trở thông dụng

Hình 2.10: Các điện trở thông dụng

2.3.6 Phân loại điện trở

 Điện trở thường : Điện trở thường là các điện trở có công xuất nhỏ từ

0,125W đến 0,5W

 Điện trở công xuất : Là các điện trở có công xuất lớn hơn từ 1W, 2W,

5W, 10W

 Điện trở sứ, điện trở nhiệt : Là cách gọi khác của các điện trở công

xuất , điện trở này có vỏ bọc sứ, khi hoạt động chúng toả nhiệt

2.3.7 Công xuất của điện trở

Khi mắc điện trở vào một đoạn mạch, bản thân điện trở tiêu thụ một công xuất P tính được theo công thức

P = U I = U 2 / R = I 2 R

 Theo công thức trên ta thấy, công xuất tiêu thụ của điện trở phụ thuộc vàodòng điện đi qua điện trở hoặc phụ thuộc vào điện áp trên hai đầu điện trở

 Công xuất tiêu thụ của điện trở là hoàn toàn tính được trước khi lắp điện trởvào mạch.

 Nếu đem một điện trở có công xuất danh định nhỏ hơn công xuất nó sẽ tiêuthụ thì điện trở sẽ bị cháy

 Thông thường người ta lắp điện trở vào mạch có công xuất danh định > = 2lần công xuất mà nó sẽ tiêu thụ

Hình 2.11 Điện trở cháy do quá công xuất

 Ở sơ đồ trên cho ta thấy : Nguồn Vcc là 12V, các điện trở đều có trị số là120Ω nhưng có công xuất khác nhau, khi các công tắc K1 và K2 đóng, các điện trởđều tiêu thụ một công xuất là

P = U2 / R = (12 x 12) / 120 = 1,2WKhi K1 đóng, do điện trở có công xuất lớn hơn công xuất tiêu thụ , nên điện trở khôngcháy

Khi K2 đóng, điện trở có công xuất nhỏ hơn công xuất tiêu thụ , nên điện trở bị cháy

Gồm một diode phát quang và một photo transistor Khi có điện áp điều khiển đặt vàodiode nó phát ra quang Ánh sáng này kích hoạt cực B của photo transistor làmtransistor này dẫn Do đó mạch điện điều khiển và mạch điện công suất được cách ly.

Thông số kỹ thuật của PC817 :

Nhiệt độ hoạt động Topr -30  +100 0C

2.5.1 Cấu tạo của Mosfet

Khác với BJT, Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòngđiện điều khiển cực nhỏ

Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn , cònđiện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S

Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu ứng từtrường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ

Ký hiệu

Qua đó ta thấy Mosfet này có chân tương đương với Transitor

+ Chân G tương đương với B

+ Chân D tương đương với chân C

+ Chân S tương đương với E

2.5.2 Nguyên lý hoạt động

Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở Do là một phần tử với các hạt mang điện cơbản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao Nhưng mà để đảm bảo thời gianđóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vẫn đề quan trọng

Mạch điện tương đương của Mosfet Nhìn vào đó ta thấy cơ chế đóng cắt phụ thuộcvào các tụh điện ký sinh trên nó

Ở đây tôi không nói rõ chi tiết cấu trúc bán dẫn của nó để nó đóng hoặc mở Các pácnên hiểu nôn na là :

+ Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs0 Dòng điện sẽ đi từ S đến D

+ Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs >0 Điện áp điều khiển đóng

là Ugs<=0 Dòng điện sẽ đi từ D xuống S

Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất người ta thường : Đối với Mosfet Kênh Nđiện áp khóa là Ugs = 0 V còn Kênh P thì Ugs=~0

* Thí nghiệm về nguyên lý hoạt động của Mosfet

Mạch thí nghiệm

Cấp nguồn một chiều UD qua một bóng đèn D vào hai cực D và S của Mosfet Q (Phâncực thuận cho Mosfet ngược) ta thấy bóng đèn không sáng nghĩa là không có dòngđiện đi qua cực DS khi chân G không được cấp điện

Khi công tắc K đóng, nguồn UG cấp vào hai cực GS làm điện áp UGS > 0V => đèn

Khi công tắc K ngắt, Nguồn cấp vào hai cực GS = 0V nên Q1 khóa ==>Bóng đèn tắt

=> Từ thực nghiệm trên ta thấy rằng : điện áp đặt vào chân G không tạo ra dòng GSnhư trong Transistor thông thường mà điện áp này chỉ tạo ra từ trường => làm chođiện trở RDS giảm xuống

*Các thông số thể hiện khả năng đóng cắt của Mosfet

Thời gian trễ khi đóng/mở khóa phụ thuộc giá trị các tụ kí sinh Cgs.Cgd,Cds Tuynhiên các thông số này thường được cho dưới dạng trị số tụ Ciss, Crss,Coss Nhưngdưới điều kiện nhất đinh như là điện áp Ugs và Uds Ta có thể tính được giá trị các tụđó

2.5.3 Xác định chân, kiểm tra-Mosfet