Đồ án vi mạnh: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu.

NỘI DUNG Đề Tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu. Yêu cầu: Dải đo từ: t°C = 0°C ÷ tmax = 0(100+ 15×n)°C Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp 1. U=0 ÷ 10V 2. I=0 ÷ 20mA Dùng cơ cấu đo để chỉ thị. Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t°C=0÷tmax2. Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: ﺡ = (1+0,5×a) giây. Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị: t°C=tmax2 Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân. Xây dựng bộ hiển thị số BCD. Trong đó: a: Chữ số hàng đơn vị của danh sách ( ví dụ: STT = 3 →a=3; STT=10 →a=0 n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách.

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: BÙI THỊ KHÁNH HÒA

SINH VIÊN THỰC HIỆN : NGUYỄN VĂN HOÀNG

LỚP : TỰ ĐỘNG HÓA 1 – K8

NỘI DUNG

Đề Tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ

sử dụng cặp nhiệt ngẫu

Yêu cầu:

- Dải đo từ: t°C = 0°C ÷ tmax = 0-(100+ 15×n)°C

- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp

1 U=0 ÷ 10V

2 I=0 ÷ 20mA

- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị

- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t°C=0÷tmax/2 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng:

) = ﺡ1+

0,5 ×a) giây

- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị: t°C=tmax/2

- Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân Xây dựng bộ hiển thị

Yêu cầu bố cục nội dung:

Chương 1: Tổng quan về mạch đo

Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính

Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo

- Tính toán,lựa chọn cảm biến

- Tính toán, thiết kế mạch đo

- Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp

- Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa

- Tính toán mạch nhấp nháy cho LED

- Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo

- Dùng phần mềm mô phỏng mạch

Kết luận và hướng phát triển.

Chương 1: Tổng quan về mạch đo

I.Tổng quan.

Đo lường là một quá trình đánh giá định hướng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số với đơn vị đo

Trong đo lường thì các tín hiệu thường rất nhỏ và tồn tại ở dạng vật lý Do đó muốn

xử lí chúng, ta phải có những mạch khuếch đại, mạch biến đổi để xử lý những tín hiệu đó

Đo nhiệt độ cũng như vậy, có nhiều phương pháp đo tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật

và giải nhiệt độ

Phân ra làm 2 phương pháp chính : Đo trực tiếp và đo gián tiếp

 Đo trưc tiếp là phương pháp đo trong đó các chuyển đổi nhiệt điện đươc đặt trực tiếp trong môi trường cần đo

 Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môi trường cần đo(áp dụng với trường hơp đo ở nhiệt độ cao )

Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo không phải ở quá cao

Đo nhiệt độ bằng phương pháp trưc tiếp ta lại khảo sát 2 loại nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu và nhiệt kế nhiệt điện trở

Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ như dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biến nhiệt độ Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu phương pháp thường dùng nhất đó là dùng nhiệt điện trở

Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD).

- Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo

- Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định

- Ưu điểm: độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài

II.Hình thành sơ đồ khối

1 Sơ đồ khối.

Mạch đo gồm có 8 khối cơ bản :

1 Khối cảm biến

2 Mạch khuếch đại (Mạch KĐ vi sai)

3 Mạch chuyển đổi U-I

2 Chức năng của các khối trong mạch đo

• Khối cảm biến : Khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện

thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng ở đây ta dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp

• Khối khuếch đại : Có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới,

vì tín hiệu điện do cảm biến đưa ra thường là rất bé nên ta phải khuếch đại lên

để đưa vào các mạch điện khác.Để hạn chế nhiễu thì người ta thường sử dụng mạch khuếch đại vi sai

• Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu từ dạng điện áp

sang dòng điện đưa lên các cơ cấu chỉ thị (Cơ cấu điện từ)

• Mạch so sánh : Có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa

ra khối sau Việc so sánh tín hiệu sẽ được ứng dụng cho mạch cảnh báo khi có

sự quá nhiệt độ

• Khối cánh báo : Cảnh báo cho người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so với

nhiệt độ cho phép

• Bộ ADC: Có chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số.Sau đó

đưa lên các bộ phận giải mã để hiển thị

• Khối hiển thị BCD: Có chức năng chuyển đổi đầu vào 4bit hoặc 8bit sang

bảng mã BCD để hiển thị nhiệt độ tương ứng

Đó là các khối cơ bản dùng trong mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở kim loại

Mạch KĐ điện áp

Mạch chuyển U-I

BộADC

Mạch so sánh

Khối hiển thị BCD

Mạch cảnh báo

Khối cảm biến

Cơ cấu chỉ thị

III.Tổng quan mạch đo

3.1 Mạch đo

Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý, dựa vào các đặc tính của đại lượng cần đo mà chọn ra loại cảm biến phù hợp để thực hiện việc biến đổi các thông số cần đo thành đại lượng điện hay điện áp Sau đó tín hiệu được chuyển qua bộ lọc và khuếch đại lên.Tín hiệu sau khi được hiệu chỉnh sẽ chuyển qua bộ chuyển đổi U-I để đưa vào cơ cấu chỉ thị

Tín hiệu cũng có thể được chuyển thành tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi ADC Sau đó tín hiệu số từ ADC được chuyển sang bộ mã hóa BCD và qua bộ giải mã hiển thị lên màn hình hoặc cơ cấu hiển thị tương ứng

3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ

Đo nhiệt độ là phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên của môi trường, không

có điện trong đại lượng cần đo

Nhiệt độ được phân làm nhiều dải để đo:

+ Nhiệt điện kế kim loại

+ Nhiệt điện trở kim loại

- Chiều dài can: 10 cm D=6.3 mm

- 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: 3 dây

Hình dạng Pt100(E52MY)

Cấu tạo Pt-100

1.1.Cấu tạo

Pt100 làm từ dây kim loại platinum như tên gọi của nó Pt-100 tức là khi nó đặt trong môi trường có nhiệt độ là 00C (nước đá) thì điện trở của nó là 100 ôm Cứ tăng khoảng 10C thì điện trở tăng lên khoảng 0.39 ôm

- Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT100:

Cảm biến Pt100 cấu tạo bằng dây kim loại plantium dựa trên nguyên tắc thay đổi điện trở kim loại theo nhiệt độ(Theo phương trình Callendar-vab dusen)

+ Trong khoảng nhiệt độ từ 0-1000 C ta tính như sau:

R t = R 0 (1+0,391%T)

Với:

Rt : Điện trở ở nhiệt độ T

R0 =100Ω điện trở ở 00 C

Tức là cứ tăng 10 C thì điện trở Pt100 tăng 0,391Ω Với sai số nhiệt độ là ±0,50C

Ta đo Pt100 như sau:

Ở 00C thì điện trở của Pt100 là 100 Ω nên để cầu wheatstone cân bằng thì các điện trở R1 , R2, R3 ta chọn là 100 Ω L là điện trở dây nối , Eo là điện áp cung cấp , Es là điện áp ngõ ra

2.Bộ khuếch đại thuật toán uA741

Chân 6- Chân Xuất

Chân 7- Điện Nguồn +V

Chân 8- Không Dùng

Kí hiệu:

Điện áp làm việc của OPAMP uA741 từ -5V/+5V ÷ -15V/+15V.

OpAmp là một linh kiện có nhiều chức năng:

- Khuếch đại hiệu hai điện thế nhập

Chân 5- Điện áp điều khiển

Chân 6- Điện áp ngưỡng

số xác định

Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động tốt Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của OA 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp

2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF =

[1] và FF được reset

Hình 2.2.Sơ đồ và chức năng các chân IC555

Hình 2.5 Sơ đồ chân ADC0804

Hình 2.3.Sơ đồ nguyên lý IC555

Chu kỳ xung phụ thuộc rất nhiều vào các phần tử R,C bên ngoài

• Thời gian nạp (có xung ra): tn

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)

Hinh 2.4.Nguyên lý hoạt động IC555

+ 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 cũng 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. Tần số đồng hồ được xác định bằng biểu thức: f=1,1/RC

VD: Với R = 10 kΩ, C = 150 pF và tần số 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) Các chân này được đệm ba trạng thái và dữ liệu đã được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD đưa xuống mức thấp

Để tính điện áp đầu ra ta tính theo công thức sau:

5.Điện trở, transistor.

a.Điện trở

Vout = Vin / Kích thước

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.

Kí hiệu:

Hình 2.6.Xác định giá trị điện trở bằng vòng màu

Cách đọc điện trở : Vì điện trở rất đa dạng nên để đọc chính xác điện trở ta cần xác

định đúng trị số các vòng màu

- Vòng số 4 là vòng ở cuối luôn luôn có mầu nhũ vàng hay nhũ bạc, đây là

vòng 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

Sau khi thiết kế mạch chúng ta sẽ phải lựa chọn loại điện trở phù hợp mạch đo, để hiển thì đầu ra có thể chính xác

b.Transistor.

Transitor hay còn gọi là bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược

Kí hiệu:

Nguyên lý hoạt động:

Muốn cho tranzito làm việc ta phải cung cấp cho các chân cực của nó một điện áp một chiều thích hợp Có ba chế độ làm việc của tranzito là: chế độ tích cực (hay chế độ khuếch đại), chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa Cả hai loại tranzito P-N-P và N-P-N đều có nguyên lý làm việc giống nhau, chỉ có chiều nguồn điện cung cấp vào các chân cực là ngược dấu nhau

+ Chế độ ngắt: Cung cấp nguồn điện sao cho hai tiếp xúc P-N đều phân cực ngược Tranzito có điện trở rất lớn và chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua nên tranzito coi như không dẫn điện

+ Chế độ dẫn bão hòa: Cung cấp nguồn điện sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều phân cực thuận Tranzito có điện trở rất nhỏ và dòng điện qua nó là khá lớn

Ở chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa, tranzito làm việc như một phần tử tuyến tính trong mạch điện Ở chế độ này tranzito như một khóa điện tử và nó được sử dụng trong các mạch xung, các mạch số

+ Chế độ tích cực: Ta cấp nguồn điện sao cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận, và tiếp xúc góp TC phân cực ngược Ở chế độ tích cực, tranzito làm việc với quá trình biến đổi tín hiệu dòng điện, điện áp, hay công suất và nó có khả năng tạo dao động, khuếch đại tín hiệu

6.Cơ cấu chỉ thị.

Là thiết bị hiển thị cho người dùng biết được nhiệt độ của đối tượng cần đo Có nhiều

cơ cấu chỉ thị khác nhau như: từ điện, điện động

Cụ thể trong bài ta sẽ sử dụng cơ cấu chỉ thị từ điện.Vì dòng điện ra là dòng 1 chiều

và điện áp ra cũng là 1 chiều với giá trị bé

Cấu tạo chung: phần tĩnh và phần động

• Phần tĩnh: gồm nam châm vĩnh cửu, mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6 hình thành mạch từ kín Giữa cực từ 3 và lõi sắt 6 có có khe hở không khí đều gọi

là khe hở làm việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động

• Phần động: gồm: khung dây quay 5 được quấn bắng dây đồng Khung dây được gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo) Trên trục quay có hai lò xo cản 7 mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8.

Nguyên lý làm việc chung: khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α Mômen quay được tính theo biểu thức:

M q ==B.S.I.W

B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu

S: tiết diện khung dây

W: số vòng dây của khung dây

Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I chạy qua khung dây

Các đặc tính chung: từ biểu thức suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện có các đặc tính cơ bản sau:

+ Chỉ đo được dòng điện 1 chiều

+ Đặc tính thang đo đều

+ Độ nhạy là 1 hằng số

7 Thiết bị cảnh báo

Để cảnh báo quá nhiệt ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc coài cảnh báo, hoặc

ta có thể sử dụng đồng thời cả hai để cảnh báo quá nhiệt Những thiết bị này thường hoạt động đơn giản dễ dàng lắp đặt và sử dụng được cả nguồn một chiều hay xoay chiều

8 Nguồn cấp cho mạch.

Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V, -12V/+12V tùy theo yêu cầu của mạch trên thực tế thì nguồn điện 1 chiều thường được chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều nguồn cấp của chúng ta gồm có :

Máy biến áp có chức năng hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sử dụng đó

là 5V, -12V+

Bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot, tụ điện, và điện và cuộn cảm có tác dụng chỉnh lưu từ dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều sơ đồ nguyên lý của khối chỉnh lưu:

Hình 2.7 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 1 pha với các tải khác nhau

Chương 3 : Tính toán thiết kế mạch đo

I.Tính toán, lựa chọn cảm biến.

Ở đề tài này yêu cầu dải nhiệt độ từ t°C = 0°C ÷ tmax = 0÷ (100+ 15×n)°C (với n=23) tức là khoảng 0oC÷445oC cho nên ta sẽ chọn ta sẽ chọn nhiệt điện trở pt100 cụ thể là E52MY để sử dụng trong đề tài

- Mô hình mạch đo trên proteus

Hình 3.1: Mạch cầu hoàn chỉnh với khuếch đại điện áp ra.

-Tính toán các giá trị linh kiện trong mạch

Chọn R9.9k=94k

Ở 0o C có Uv=0V

Ở 445o C có Uv=0.45V

III.Tính toán, thiết kế mạch nguồn.

Vì hầu hết các nguồn sử dụng trong mạch đều là nguồn một chiều mà trên thực tế thì nguồn lại là các nguồn xoay chiều với điện áp là 220V

=> Biến đổi dòng xoay chiều sang 1 chiều

Tính chọn máy biến áp: Ở đây chúng ta có hai nguồn đó: +5V, +12V/-12V, như vậy cần sử dụng máy biến áp có nhiều cấp điện áp để lấy ra hai cấp điện áp mình dùng Hoặc ta có thể hạ xuống 12V rồi dùng con biến trở để chỉnh xuống 5V nhưng sẽ tiêu tốn 1 lượng năng lượng vì vậy nên dùng 2 bộ chỉnh lưu điện áp Một phương pháp khác là ta có thể dùng khối ổn áp 1 chiều để có đầu ra thay đổi

Phương án thiết kế : Dùng IC ổn áp 1 chiều