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

Khoa: ĐiệnNỘI 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.. Mạch này chỉ mang tính chất thử nghiệm, chưa có tính thực t

Khoa: Điện

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 0 C = 0 0 C ÷ t max = 0 ÷ (100 +10* n) 0 C.

- Đầu ra: Chuẩn hóa với mức điện áp:

1. U = 0 ÷ -5V

2. I = 4 ÷ 20mA

- Dùng cơ cấu đo chỉ thị

- Khi gặp nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t 0 C = 0 ÷ t max /2 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sang tối bằng nhau và bằng: = (1+0,5*a) giây.

- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá: t 0 C = t max /2.

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

số BCD.

Trong đó:

a: Chữ số hàng đơn vị của danh sách ( VD: STT = 3→a=3; STT = 10→a=0).

n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách.

PHẦN THUYẾT MINH

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.

- Tíh toán, thiết kế mạch cảnh báo.

- ………

Kết luận và hướng phát triển.

Yêu cầu về thời gian: Ngày giao đề:………Ngày hoàn thành: 27\11\2015

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO

1. Khái niệm về nhiệt độ.

Nhiệt độ là đại 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 láng, các phân tửdao động quanh vi trí cân bằng nhưng vi trí cân bằng của nó luôn dịchchuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định Còn ở trạng tháirắn, các phần tử, nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng Cácdạng vận động này của các phân tử, nguyên tử được gọi chung là chuyểnđộng nhiệt Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng khôngsinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên 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 thất. Ở

trạng 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 cáchvận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ dochênh lệch về tỉ trọng

2. Các thang đo nhiệt độ

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giácường độ của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo củamỗi thời kỳ Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từngvùng,từng thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay chúng

ta có 3 thang đo nhiệt độ chính là:

 Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K )

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

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

đánh giá được nhiệt độ.

3. Sử dụng vi mạch tương tự để đo và cảnh báo nhiệt độ.

Vi tương tự và vi mạch số là lĩnh vực không những mang tới thời sự nóngbỏng mà còn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ, đã và đang từngngày thâm nhập vào đời sống của chúng ta Trong thực tế các dạng năng lượngthường ở dạng tương tự Do đó muốn xử lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số

ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số

Xuất phát từ ý tưởng đó, em đã thưc hiện việc xây dựng một mạch điện

đo nhiệt độ hiển thị ra đèn LED Mạch này chỉ mang tính chất thử nghiệm, chưa

có tính thực tế về vấn đề chuyển đổi ADC, vấn đề cảnh báo nhiệt độ ra đèn vàvấn đề đo lường các đại lượng không điện bằng điện

4. Biến nhiệt thành điện

Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và dảinhiệt độ

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

 Đo trực tiếp là phương pháp đo trong đó các thiết bị đo được đặt trựctiếp trong môi trường cần đo

 Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môitrường cần đo (áp dụng với trường hợp đo ở nhiệt độ cao )

Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo khôngphải ở quá cao Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 00C ÷ (100+10*n)0C (n: số thứ tựsinh viên trong danh sách): n=46 => t0C = 00C ÷ 5600C Do em được giao đề tài

số 2 là dùng cặp nhiệt ngẫu nên em sử dụng cặp nhiệt ngẫu loại J có dải đo từ:-400C ÷ 7500C

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

- Còi, Led, Led 7 thanh, trở, tụ, đi ốt

1. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

a) Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp.

Hình 1.1: Cấu tạo cặp nhiệt

1) Vỏ bảo vệ 5) Bộ phận lắp đặt

2) Mối hàn 6) Vít nối dây

3) Dây điện cực 7) Dây nối

4) Sứ cách điện 8) Đầu nối dây

– Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng tia điện tử Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng

cụ đo nhờ các vít nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8) Để cách ly các điện cực người ta dùng các ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ và nhiệt ở nhiệt độ làm việc Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt.

Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt

và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không được quá lớn Trường hợp vỏ bằng thép mối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp.

– Trên thị trường hiện nay có nhiều loại Cặp nhiệt điện khác nhau (E, J, K,

R, S, T…) đó là vì mỗi loại Cặp nhiệt điện đó được cấu tạo bởi 1 chất liệu khác nhau, từ đó sức điện động tạo ra cũng khác nhau dẫn đến dải đo

truyền đi dưới dạng điện áp mV nên nếu dây dài sẽ dẫn đến sai số nhiều).

• Thực hiện việc cài đặt giá trị bù nhiệt (Offset) để bù lại tổn thất mất mát trên đường dây Giá trị Offset lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ dài, chất liệu dây và môi trường lắp đặt.

• Không để các đầu dây nối của Cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường cần đo.

• Đấu nối đúng chiều âm, dương cho Cặp nhiệt điện.

b) Cấu tạo của cặp nhiệt ngẫu loại J.

Hình 1.2: Hình ảnh thức tế của cặp nhiệt ngẫu

– Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại Sắt và Constantan, hàn dính một đầu, đầu T1 gọi là đầu nóng, hai đầu còn lại không hàn T2 gọi là đầu lạnh hoặc đầu chuẩn.

Hình 1.3: Hình mô phỏng nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt ngẫu

– Nguyên lý: Khi có chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nóng và lạnh (T1 và T2) thì ở đầu ra của cặp nhiệt ngẫu xuất hiện một suất điện động e phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ và bản chất hai kim loại A và B.

Hình 1.4: Đường đặc tính của cặp nhiệt ngẫu

* Công thức tính suất điện động e:

e=K(T1-T2) (cặp nhiệt ngẫu J có K=0,055mV)

– Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao, dải đo rộng, rẻ.

– Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao,cần điểm tham chiếu, ít ổn định.

– Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

Chức năng các chân:

Chân 1 _ bù tần số Chân 5 _ bù tần số

Chân 2 _ cửa vào đảo Chân 6 _ cửa ra

Chân 3 _ cửa vào không đảo Chân 7 _ nguồn cấp dươngChân 4 _ nguồn cấp âm Chân 8 _ không sử dụng

- Op Amp là một công cụ có nhiều chức năng:

+ Khuếch đại hiệu hai điện thế:

• Uo= K( UI+ − UI− )

+ Khuếch đại tín hiệu điện:

• Uo= −K UI− (UI+ = 0 )

• Uo= K UI+ (UI− = 0 )

+ So sánh điện áp vào UI với điện áp chuẩn UCH:

• Nếu UI < UCH thì Uo = L ( có mức 0, tương đương điện áp thấp, cỡ 0V)

• Nếu UI > UCH thì Uo = H ( có mức 1, tương đương điện áp cao, cỡ 3,5V)

3. IC 555

Hình 3.1: Sơ đồ chân IC 555

 Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở thực hiện cácchức năng như hình :

Hình 3.2: Cấu trúc bên trong của LM 555

– Chân số 3: (Output) Ngõ ra tín hiệu ở dạng xung (mức áp không thấp thìcao)

– Chân số 4: (Reset) Xác lập trạng thái ngõ ra Khi chân số 4 cho nối mass thìchân số 3 chốt ở mức áp thấp , chỉ khi chân số 4 đặt ở mức áp cao thì ngõ rachân 3 mới được tự do và mới có thể lúc cao lúc thấp

– Chân số 5: (Control Voltage) Chân điều khiển ,chân này làm thay đổi cácmức điện áp chuẩn trên trên cầu chia volt

– Chân số 6: (Threshold) Ngõ vào của một tầng so với áp 1.Có mức áp chuẩnbằng 2/3 Vcc

– Chân số 7: (Dirchange) Chân xả điện, chân này là ngõ ra của một khóa điên(tranistor) khóa điện này đóng mở theo mức áp chân số 3 Khi chân 3 ở mức

áp cao thì khóa điện đóng lại và cho dòng chay qua, ngược lại thì khóa điện

hở và cắt dòng

– Chân số 8: (+Vcc) Chân nguồn nối vào nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC555

4. ADC 0804.

Hình 4.1: Sơ đồ chân ADC0804

– 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).

• 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 c ũng 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 =

Chọn R = 10 kΩ, C = 150 pF và tần số nhận được f = 606 kHz thì 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

 Bảng sự thật:

 Thông số:

– Sơ đồ nguyên lý: Như sơ đồ trên, trong đó:

+ A,B,C,D ( Nối với Vi xử lý, mạch số counter,…)

+ BI/RBO,RBI,LT ( chân điều khiển của 7447, tùy thuộc vào nhu cầu sẽ nối khác nhau), Chân QA,QB,QC,QD,QE,QF,QG nối lần lượt với chân a,b,c,d,e,f,g của led 7 thanh anot chung.

– Mô tả cách thức hoạt động như sau:

• PORT A,B,C,D : đầu vào của 7447, nhận các giá trị theo nhị phân (BCD)

từ 0 tới 15, tương ứng với mối giá trị nhận được sẽ giải mã ra đầu ra Q tương ứng.

• PORT QA-QG : Nối trực tiếp LED 7 thanh với

QA=a,QB=b,QC=c,QD=d,QE=e,QF=f,QG=g, giá trị hiển thị trên LED 7

thanh phụ thuộc vào giá trị đầu vào PORTA,B,C,D theo bảng sau:

• BI/RBO,RBI,LT : Chân điều khiển của 7447, để hiểu rõ bạn cần đọc và tìm hiểu mức bảng logic sau (Để kích hoạt IC 7447 hoạt động chỉ cần nối BI/RBO=LT=1 ):

7. IC ổn áp 78xx và 79xx

– Họ 78xx là họ ổn định điện áp đầu ra là dương Còn xx là giá trị điện áp đầu ra như 5V, 9V,12V

– Tùy loại IC mà nó ổn áp đầu ra là bao nhiêu.

2 : V in - Chân nguồn đầu vào

3 : V o - chân nguồn đầu ra.

8. Led 7 thanh.

 Cấu tạo:

– Trong LED 7 thanh bao gồm ít nhất là 7 con LED mắc lại với nhau , vì vậy

mà có tên là LED 7 đoạn là vậy ,7 LED đơn được mắc sao cho nó có thể hiển thị được các số từ 0 - 9 , và 1 vài chữ cái thông dụng, để

phân cách thì người ta còn dùng thêm 1 led đơn để

hiển thị dấu chấm (dot)

– Các led đơn lần lượt được gọi tên theo chữ cái A- B

-C-D-E-F-G, và dấu chấm.

– Như vậy nếu như muốn hiển thị ký tự nào thì ta chỉ

cần cấp nguồn vào chân đó là led sẽ sáng như mong

muốn

 Thông số :

LED 7 thanh dù có nhiều biến thể nhưng tựu chung thì cũng chỉ vẫn có 2 loại đó là :

+ Chân Anode chung (chân + các led mắc chung lại với nhau )

+ Chân Catode chung (Chân - các led được mắc chung với nhau )

Điện áp giữa Vcc và mass phải lớn hơn 1,3 V mới cung cấp đủ led sáng, tuy nhiên không được cao quá 3V

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐO.

• Dùng cơ cấu đo chỉ thị.

• Khi gặp nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t o C = 0 ÷ 280 o C Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng tối bằng nhau và bằng:

= 4 giây.

• Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá: t 0 C = 280 o C.

• Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân Xây dựng bộ hiện thị

số BCD.

– Sơ đồ khối hệ thống:

– Nhiệm vụ của từng khối:

• Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động , tất cả thiết bịchỉ ở một trong ba nguồn +12v hoặc - 12v hoặc +5v

• Khối cảm biến: Cảm biến nhiệt độ biến nhiệt thành điện áp ở mức vài

mV

• Khối so sánh: So sánh với một điện áp đặt trước và đưa ra tín hiệu dùng

để báo động khi quá nhiệt độ cho phép

• Khối nhấp nháy : thực hiện nhiệm vụ nhấp nháy với thời gian đặt trướckhi nhiệt độ trong mức cho phép

• Cảnh báo : thực hiện chức năng báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡngcho

• Cơ cấu đo chỉ thị: Là thiết bị hiển thị điện áp (Voltmeter), dòng điện (Ammeter) tương ứng với nhiệt độ đo Có nhiều loại cơ cấu đo chỉ thị khác nhau như: cơ điện, điện từ, cảm ứng… Vì dòng điện ra là dòng 1 chiều và điện áp ra cũng là 1 chiều với giá trị bé nên ta dùng cơ cấu chỉ thị từ điện để hiển thị giá trị dòng điện và điện áp tại thời điểm xác định.

3.2) Tính toán, lựa chọn cảm biến.

– Có dải cần đo là: t 0 C = 0 0 C ÷ 560 0 C Vì vậy em chọn cặp nhiệt ngẫu loại

3.3) Tính toán, thiết kế khối khuếch đại và khối chuẩn hóa.

a) Khối khuếch đại

– Điện áp chuẩn hóa đầu ra là : 0 ~ -5V mà điện áp ra của cảm biến là :

0 → 30,8mV

Vậy chọn mạch khuếch đại đảo có hệ số khuếch đại : ≈ -162,5

– Sơ đồ mạch:

Hình 3.31: Mạch khuếch đại đảo với KĐTT

Với : UA= Ucb => = -162,5

Chọn R1 = 1kΩ thì R2=162,5kΩ, R3 = 10kΩ.

b) Khối chuẩn hóa U-I.

– Sơ đồ mạch chuẩn hóa:

Hình 3.33: Mạch chuẩn hóa U-I

• Mạch chuẩn hóa trên có công thức tính:

– Nhiệt độ giới hạn là: tgh=tmax/2 = 560/2 = 280oC → Uss = 5/2 = 2,5V

– Khi điện áp vào UB < Uss thì điện áp ra UC ở mức thấp, nếu điện áp vào UB

> Uss thì điện áp ra UC ở mức cao

– Sơ đồ mạch:

Hình 3.4: Mạch so sánh.

3.5) Mạch cảnh báo.

– Khi nhiệt độ vượt quá: tmax/2 = 560/2 = 280oC  UB>2,5 V  điện áp ra

UC ở mức cao thì đưa tín hiệu ra còi cảnh báo

– Khi UB < 2,5 V  điện áp ra UC ở mức thấp nên mạch cảnh báo khônghoạt động Vì vậy sử dụng 1 con AND là IC 7408 với 1 chân nối +5V

• Bảng chân lý của IC 7408:

AZ

• Khi tín hiệu vào chân 1 của 7840 ở mức cao ( tương ứng Uin>2,5V) thìtín hiệu ra ở chân 3 ở mức cao nên tranzitor loại NPN dẫn nên còi cảnhbáo hoạt động

0001