Ứng dụng VMTT&VMS thiết kế mạch đo va cảnh báo, và hiển thị nhiệt độ

MỤC LỤC Lời nói đầu 3 Chương 1 : Tổng quan về mạch đo 4 1.1 Khái niệm về nhiệt độ 4 1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc 5 1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc 5 1.4 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ 5 Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính 8 2.1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt 8 2.3 Điện Trở 9 2.4 Các cơ cấu chỉ thị 10 2.5 các thiết bị cảnh báo 10 2.6 Giới thiệu về IC 555 10 Chương 3 : Tính toán, thiết kế mạch đo 14 3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến 14 3.3 Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa 16 3.4 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED 19 3.5 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo. 19 Chương 4: Mạch hiển thị 20 4.1 Khối chuyển đổi ADC 20 4.3 Khối LED 7 thanh 32 4.4 mạch mô phỏng trên proteus. 33 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

PHIẾU GIAO BÀI TẬP LỚN MÔN: VMTT&VMS

Số : ………

Họ và tên HS-SV : NGUYỄN ĐỨC HUY

: NGUYỄN ĐĂNG KHANH

nhiệt độ vượt quá giá trị cảnh báo: 40+10*N+ Hiển thị nhiệt độ đo được ra Led 7 thanh

N là số thứ tự sinh viên trong danh sách

II PHẦN THUYẾT MINH

Yêu cầu về bố cục nội dung:

1/ Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ

- Tìm hiểu các phương pháp đo

- Khảo sát đặc tính nhiệt độ cần đo(liên hệ thực tiễn theo nhóm)

- Tính chọn cảm biến (cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ chân, dải đo, cấp chính xác )

2/ Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng VMTT&VMS

- Xác định sơ đồ khối của hệ thống

- Tính chọn các khối 3/ Vẽ mạch mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus

4/ Phân tích và nhận xét kết quả

Hà nội ngày….tháng …9 năm 2015

MỤC LỤC

Lời nói đầu 3

Chương 1 : Tổng quan về mạch đo 4

1.1 Khái niệm về nhiệt độ 4

1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc 5

1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc 5

1.4 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ 5

Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính 8

2.1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt 8

2.3 Điện Trở 9

2.4 Các cơ cấu chỉ thị 10

2.5 các thiết bị cảnh báo 10

2.6 Giới thiệu về IC 555 10

Chương 3 : Tính toán, thiết kế mạch đo 14

3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến 14

3.3 Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa 16

3.4 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED 19

3.5 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo 19

Chương 4: Mạch hiển thị 20

4.1 Khối chuyển đổi ADC 20

4.3 Khối LED 7 thanh 32

4.4 mạch mô phỏng trên proteus 33

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 34

Lời nói đầu

Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển trở thành một nước côngnghiệp Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nângcao năng xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọngđáng để chú ý Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn đề đo và điềukhiển nhiệt độ Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, các lò luyện gang, sắt, thép

Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương tự -vi mạch số và các môn liênquan nhóm chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sửdung IC cảm biến nhiệt độ

Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của thầy giáohướng dẫn “ Tống Thị Lý ” cùng các thầy cô trong bộ môn “Đo lường điều khiển”

đã giúp đỡ em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này Do quỹ thời gian hạn hẹp cùngmột số hạn chế về kiến thức thực tế, em đã cố gắng rất nhiều để hoàn thành tốt bàitập lớn của mình, em rất mong nhận được những sự nhận xét, sửa chữa, góp ý quýbáu của quý thầy cô và các bạn giúp em hoàn thiện hơn nữa trong thời gian sắptới!

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 : Tổng quan về mạch đo

1.1 Khái niệm về nhiệt độ

1.1.1 Khái niệm:

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên

tử, phân tử của một hệ vật chất.Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất (rắn, lỏng,khí) mà chuyển động này có khác nhau Ở trạng thái lỏng, các phân tử dao độngquanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chấtlỏng không có hình dạng nhất định.Còn ở trạng thái rắn,các phần tử,nguyên tử chỉdao động xung quanh vị trí cân bằng.Các dạng vận động này của các phântử,nguyên tử được gọi chung là chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên ngoài cótrao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nóitrên gọi là sự truyền nhiệt.Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý:

Bảo toàn năng lượng :

Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp Ởtrạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt

Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyềnnhiệt bằng đối lưu Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vậnchuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch

về tỉ trọng

1 1 2 Thang đo nhiệt độ:

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độ của

nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ.Có nhiềuđơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng,từng thời kỳ phát triểncủa khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độ chính là:

1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K )

2- Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15

3- Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67

Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay.Trong đó thang đonhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vịquốc tế (SI).Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ.

1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc

Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếpxúc Có hailoại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo của nhiệt kế nhiệtđiện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chấttrao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đối với môi trường khí hoặcnước, chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắn khi đặtnhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn haonhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt

kế càng lớn càng tốt Khi đo nhiệtđộ của các chất hạt (cát, đất…), cần phải cắm sâunhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối

ra ngoài

1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc

Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấpthụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọi vậtthể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với mộtđơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng

1.4 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ

Sơ đồ khối đo :

1.4.2: Vai trò tác dụng của các khối

• Khối nguồn : làm nhiệm vụ đảm bảo nguồn cấp cho cảm biến luôn là5V theo yêu cầu đầu vào của cảm biến

• Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu ra cho các mạch so sánh,khuếch đại

• Mạch khuếch đại : khuếch đại và chuẩn hóa các điện áp, dòng điệntheo yêu cầu bài toán

• Chỉ thị : là các ammeter hoặc vonmeter hiển thị dòng hoặc áp sauchuẩn hóa

CảmBiến

Mạch

nguồn

Mạch khuếc

h đại, chuẩn hóa

Chỉ thị

Mạch

Mạch nhấp nháy cho LED

• Mạch so sánh : so sánh điện áp đầu ra của cảm biến với điện áp đặt,

để đưa ra cảnh báo hoặc để LED nhấp nháy bình thường

• Còi báo : báo động khi nhiệt độ vượt quá giá trị cho phép

• Mạch nhấp nháy : đèn LED nhấp nháy trong chố độ nhiệt độ bình thường theo yêu cầu bài toán

Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính

2.1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt

Để xác định được các thiết bị mà mình sẽ sử dụng trong quá trình tính toán thiết kếmạch đo ta đi dựa vào các khối cơ bản trong mạch đo để xác định các linh kiện mà mình sẽ dùng, sau đây ta sẽ liệt kê các linh kiện sử dụng :

1, cảm biến: nhiệt độ là 1 đai lượng vật lý mà ta có thể đo gián tiếp quá các loại cảm biến nhiệt độ dựa trên sự chuyển động của của các hạt điện tích hình thành nên dòng điện trong kim loại.

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ thông dụng hiện nay mà ta thường dùng :

2.2 bộ khuếch đại thuật toán µA 741

bộ khuếch đại này dùng nhiều trong kỹ thuật điện trở có các dụng khuếch đại các tín hiệu điện như điện áp, dòng điện, công suất trong phạm vi bài này ta sẽ sử

dụng khếch đại thuật toán để khuếch đại điện áp đưa ra từ cảm biến và dùng trong

bộ so sánh để đưa ra khối cảnh báo cho mạch đo

Hình ảnh thực tế của bộ khuếch đại thuật toán :

2.3 Điện Trở

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.

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

2.4 Các cơ cấu chỉ thị

muốn biết được nhiệt độ thì ta phải hiển thị ra thông qua cơ cấu chỉ thị Vì mục đích cuối cùng là chúng ta biết được nhiệt độ và cảnh báo

Bài này chúng ta đo dải điện áp từ 0 đến 10V và dải dòng điện từ 0 đến 20mA ta nên dùng cơ cấu chỉ thị dung led 7 thanh.

2.5 các thiết bị cảnh báo

Để cảnh báo quá nhiệt độ ta sử dụng còi để cảnh báo và bằng đèn nhấp nháy Những thiết bị này thường mang thông tin nhanh và chính xác, dễ lắp đặt và sử dụng nguồn điện một chiều hay xoay chiều

2.6 Giới thiệu về IC 555

Đây là IC loại 8 chân được sử dụng rất phổ biến để làm: mạch đơn ổn, mạchdao động đa hài, bộ chia tần, mạch trễ,… Nhưng trong mạch này, IC 555 được sửdụng làm bộ phát xung

Thời gian được xác lập theo mạch định thời R, C bên ngoài Dãy thời gian tác động hữu hiệu từ vài micrô giây đến vài giờ

IC này có thể nối trực tiếp với các loại IC: TTL/ CMOS/ DTL

2.6.1 Sơ đồ chân và chức năng các chân.

Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 555

Hình 1.2: Cấu trúc IC 555

Chức năng các chân:

+ Chân 1 : ( GND ) Nối mass.

+ Chân 2 : ( TRIGGER ) Nhận xung kích để đổi trạng thái.

+ Chân 3 : ( OUT ) Ngõ ra.

+ Chân 4 : ( RESET ) Trả về trạng thái đầu.

+ Chân 5 : ( CONTROL VOLTAGE ) Lấy điện áp điều khiển tần số dao động + Chân 6 : ( THRESHOLD ) Lập mức ngưỡng cho tầng so sánh.

+ Chân 7 : ( DISCHARGE ) Đường xả điện cho tụ trong mạch định thời

+ Chân 8 : ( Vcc ) Nối với nguồn dương.

2.6.2: Nguyên lý hoạt động.

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý tạo dao động

Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC Mạch FF làloại RS Flip-flop

Khi S = [1] thì Q = [1] và = [0]

Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và = [0]

Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0]

Tóm lại: khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0], = [1], transistor

mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6không vượt quá V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset

- Giai đoạn ngõ ra ở mức 1:

Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0 Vì điện áp ở chân 2(V-) nhỏ

hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S = [1], Q = [1] và = [0] Ngõ racủa IC ở mức 1

Khi = [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng

Khi nhả công tắc, Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1 ở

mức 0, S = [0], Q và vẫn không đổi Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơn V2, FF vẫngiữ nguyên trạng thái đó

- Giai đoạn ngõ ra ở mức 0:

Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- (= 2/3 VCC), R = [1] nên Q

= [0] và = [1] Ngõ ra của IC ở mức 0

Vì = [1], transistor mở dẫn, Op-amp2 có V+ = [0] bé hơn V-, ngõ ra của

Op-amp 2 ở mức 0 Vì vậy Q và không đổi giá trị, tụ C xả điện thông qua

transistor.Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông,

có chu kỳ ổn định

Chương 3 : Tính toán, thiết kế mạch đo

3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến

Yêu cầu đề bài :Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báonhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại

Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =tmin – tmax = 0-(50+10*N)0C

Với N là số thứ tự sinh viên trong danh sách

Số thứ tự trong danh sách là N = 30 vậy dải đo trong bài này là :

ToC = tmin-tmax= 0-(50+ 10*30)0C = 0 - 3500C

Từ yêu cầu của đề bài ta sử dụng nhiệt điện trở kim loại với dải đo từ 0 đến 400oC Nhiệt điện trở kim loại có rất nhiều loại nhưng có hai loại thường dùng lànhiệt điện trở nickel và nhiệt điện trở platin Nhiệt điện trở nickel so với platin thì

rẻ tiền hơn song độ tuyến tính chỉ từ -600C đến +2500C mà trong bài này dải đomax là 3500C nên ta không sử dụng Ta đi sử dụng nhiệt điện trở platin với dải đorộng và độ tuyến tính cao Cụ thể trong bài nay ta đi sử dụng nhiệt điện trở Pt100nhiệt điện trở có đọ tuyến tính cũng tương đối và điện trở Ro tại 00C là 100Ω sauđây là chi tiết về cảm biến nhiệt Pt100 cấu tạo can nhiệt Pt100

Là cảm biến nhiệt độ pt100 có cấu tạo là một nhiệt điện trở RTD ( Resistance Temperature Detector ):Nguyên lý hoạt động nhiệt điện trở dựa trên

RTD-sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi điện trở

Cảm biến nhiệt độ E52MY-PT15C D6.3MM SUS316

Dải đo: 0 - 400 độ C

Loại can: DIN PT 100W

Chiều dài can: 15 cm

Cấp chính xác: B

Cách điện cho dây dẫn bên trong: ceramic

Vật liệu đầu bao dây: Khuôn nhôm đúc màu xanh

Vật liệu ống bảo vệ: SUS 316 ống đúc

Nhiệt độ môi trường cho đầu đấu dây: 0 - 80 độ C

Loại dây dẫn: Hệ thống 3 dây dẫn

Tiếp xúc nhiệt: loại không nối đất

Mô hình mô phỏng trên proteus :

3.3 Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa.

3.3.1: Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp U= 0 10V

Dùng bộ khuếch đại không đảo

Mạch này có điện áp ra : Ur = (1 + ).Uv

Với Uv = 0 3,4 V để Ur = 0 10V

UImin = 0mV → Uomin = 0V

UImax = 3,4 V→ Uomax = 10V

Chọn R11= 340 Ω => R10= 160 Ω Chọn R9= 10kΩ

3.3.2 Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp 0 5V

Dùng bộ khuếch đại đảo

Mạch này có điện áp ra : Ur=(1+R11/R10).Uv

Với Uv=0 – 7,7V để Ur=0 - 5V

Uvmin=0V  Urmin=0V

Uvmax=7,7V  Urmax=5V

Chọn R12 = 10k ; R13 =340 Ω => R14 =160 Ω.

3.3.3 Chuẩn hóa đầu ra có dòng điện 0 20mA

Dùng bộ biến đổi U-I với sơ đồ không đảo

Dòng điện đầu ra IF = = và Ur = (1+ ).Uv

Với Uv= 0 – 3,4 V và IF = 0 ,

UImin = 0V → IFmin = 0mA

UImax = 3,4 V → IFmax = 20mV

R8= 170 => R18= 25 Ω Chọn R17= 10kΩ

3.3.4 Chuẩn hóa đầu ra có dòng 4 mA

Dùng mạch biến đổi U-I với phụ tải nối đất chung

Thường chọn điềukiện mạch : R7

Từ (1) và (2) U1 1 = - 0,8102 V => A = (3)

Chọn R3 = R6 = 10 k;

Từ (*) và (3) ta có R1 = 1 kΩ , R2 = 900 Ω ,R7 =185 Ω

3.4 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED

Để thời gian sáng và thời gian tối của LED bằng nhau và bằng

Theo bài ra: tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá giá trị

t C= 40+10*N Với N=30 =>Mức cảnh báo khi nhiệt độ bằng 340 C

suy ra điện áp so sánh là +3,4 V

Chương 4: Mạch hiển thị

4.1 Khối chuyển đổi ADC

4.1.1 Hình ADC trong mạch protus và sơ đồ các chân của ADC0804

Chíp ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số trong họ các loạt ADC800, nó làm việc với +5V và có độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ ADC Thời gian chuyển đổi được định nghĩa như là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân Trong ADC0804 thời gian chuyển đổi thay đổi

phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưng không thể nhanh hơn 110μs Các chân của ADC0804 được mô tả như sau:

4.1.2 Chức năng các chân ADC0804:

- Chân CS (chân số 1) – chọn chíp: Là một đầu vào tích cực mức thấp được sử

dụng để kích hoạt chíp ADC0804 Để truy cập ADC0804 thì chân này phải ở mức thấp

-Chân RD (chân số 2): Đây là một tín hiệu đầu vào được tích cực mức thấp Các

bộ ADC chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân tương đương với nó và giữ

nó trong một thanh ghi trong RD được sử dụng để nhận dữ liệu được chuyển đổi

ở đầu ra của ADC0804 Khi 0CS = nếu một xung cao – xuống – thấp được áp đến chân RD thì đầu ra số 8 bit được hiển diện ở các chân dữ liệu D0 – D7 Chân RD cũng được coi như cho phép đầu ra

- Chân ghi WR (chân số 3) Thực ra tên chính xác là “Bắt đầu chuyển đổi”: Đây

là chân đầu vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao – xuống – thấp thì bộ

ADC0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phấn 8 bit Lượng thời gian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN và CLK R Khi việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thì chân INTR được ép xuống thấp bởi ADC0804

Ngoài ra , cần tạo xung bằng IC 555 cho chân WR này