BÀI TẬP LỚN MÔN VMTTVMS: Ứng dụng VMTTVMS thiết kế mạch đo va cảnh báo, và hiển thị nhiệt độ

Đề tài: Ứng dụng VMTTVMS thiết kế mạch đo va cảnh báo, và hiển thị nhiệt độ + Nhiệt độ cần đo: t0C = 00C đến (50+10N)0C. + Chuẩn hóa đầu ra: 010V 05V 020mA 420mA + Cảnh báo: Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng đèn nhấp nháy, còi khi nhiệt độ vượt quá giá trị cảnh báo: 40+10N + Hiển thị nhiệt độ đo được ra Led 7 thanh N là số thứ tự sinh viên trong danh sách

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

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

Yêu cầu về thời gian :

Ngày giao đề 25 /9/2015 Ngày hoàn thành : 30/11/2015

Chó ý:

1. Ngoài nội dung hướng dẫn trên lớp nếu sinh viên có câu hỏi, thắc mắc trong quá tr×nh làm bài tập lớn gửi về địa chỉ : ttly.haui@gmail.com

2 Trước khi bảo vệ bài tập lớn sinh viên phải nộp:

- File mềm gồm file trình bày bài tập lớn và file mô phỏng

- Quyển in khổ giấy A4.

Hà nội ngày….tháng …9 năm 2015

Mục lụcChương 1 Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ

………3 I.Tổng quan về phương pháp đo

………3 1.1 Khái niệm về nhệt độ

………3 1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc

………4 1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc

………4 1.4 Khảo sát đặc tính nhiệt độ cần đo (liên hệ thực tiễn nhóm)

………4 II.Tính chọn cảm biến

………5 2.1 Phân loại cảm biến

………5 2.2 Giới thiệu về cảm biến nhiệt điện trở

………5 Chương 2 Thiết kế và phân tích mạch đo và cảnh báo nhiệt độ

………8 I.Xác định sơ đồ khối của hệ thống

………8 1.1 Sơ đồ khối

………8 1.2 Vai trò và tác dụng của từng khối

………9 II.Tính chọn các khối

………9 2.1 Khối cảm biến

………9 2.2 Khối khuếch đại, chuẩn hóa đầu ra

………10 2.3 Khối cảnh báo

………12 2.4 Khối chuyển đổi ADC

………13 2.5 Khối giải mã

………18 2.6 Khối LED 7 thanh

………26 2.7 Mạch đo

………27 Đánh giá và nhận xét kết quả

………29

Chương 1 Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ

I Tổng quan về các phương pháp 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 cácnguyên 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 daođộng quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm chochất lỏng không có hình dạng nhất định.Còn ở trạng thái rắn,các phần tử,nguyên tửchỉ dao 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 truyền nhiệtbằng đối lưu Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyểncác phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉtrọng

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.Cónhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng, từng thời kỳ pháttriển của khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độchính 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 tiếp xúc

Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo của nhiệt kếnhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tínhchất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đối với môi trường khíhoặc nước, chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắnkhi đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gâytổn hao nhiệt, 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 nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất…), cần phảicắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở cócáp 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 làvật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất Bức xạ nhiệt củamọi vật thể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian vớimột đơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng

1.4 Đặc tính nhiệt độ cần đo ( liên hệ thực tiễn nhóm):

Với dải nhiệt độ của nhóm từ 0 đến 4200C, mạch được ứng dụng đo nhiệt độ

và cảnh báo trong các lò gia nhiệt, lò chân không ( xử lí nhiệt từ thấp đến cao, luyệnkim, hàn…), lò thanh lọc khí quyển nhiệt độ từ 105-7000C…

Đặc tính nhiệt độ thay đổi chậm, quá trình đo kéo dài :

+ Thời gian từ 0 lên 4200C là 40 phút

+ Thời gian từ 4200C xuống nhiệt độ môi trường là 20 phút

Mạch được lắp đặt để đo và hiển thị nhiệt độ lò trong quá trình hoạt động và cảnhbáo khi nhiệt độ lò đạt mức cho phép khi xảy ra sự cố…

II Tính chọn cảm biến

2.1 Phân loại cảm biến

- Cặp nhiệt điện ( Thermocouple )

- Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector )

- 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 dây không hạn chế

- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn Cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn Cặp nhiệt điện

- Dải đo: -200~400oC

- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất…

Hiện nay phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum

Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài

Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm (khi ở 0 oC) Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.

- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây Loại 4 dây cho kết quả đo chính xác nhất

 Cảm biến đo nhiệt độ PT100

Cảm biến nhiệt độ PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại ( RTD) PT100 được cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt

có giá trị điện trở khi ở 0oC là 100 Ohm Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định

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

Cấu tạo dây đo nhiệt PT100

1 Các thông số cơ bản và nguyên tắc hoạt động

a Các thông số cơ bản :

Dây cảm biến nhiệt PT100 bao gồm một đầu dò ống trụ có đường kính 4mm và chiều dài ống trụ là 30mm ,2 dây đầu ra có chiều dài 1m

Hình 2: hình dạng PT100

Dải nhiệt độ đo được là từ -200ºC đến 825ºC

b Sơ đồ cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ

Hình 3: cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ PT100

 Cầu đo điện trở:

Nên ta chọn R1 =R2 =R3=100Ω) để cầu cân bằng Suy ra V0/00c= 0V

Chương 2 Thiết kế và phân tích mạch đo và cảnh báo nhiệt

Sơ đồ khối đo:

1.2 Vai trò tác dụng của các khối

 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 điện theo yêu cầu bài toán

 Chỉ thị : là các ammeter hoặc vonmeter hiển thị dòng hoặc áp sau chuẩn hóa

Mạch khuếc

h đại, chuẩn hóa

Chỉ thị

LED 7 thanh

Bộ giải mã

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương

tự sang số

Cảm

Biến

LED cảnh báo nhấp nháy Mạch so

sánh,

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

để đưa ra cảnh báo và để LED nhấp nháy

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

 LED cảnh báo nhấp nháy: đèn LED nhấp nháy trong trường hợp nhiệt độ vượt quá giá trị cho phép

 Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC): để chuyển tín hiệu giá trị Volt đầu ra của cảm biến mã hóa thành hệ nhị phân

 Bộ giải mã: Để giải mã tín hiệu từ ADC ra LED 7 thanh

 LED 7 thanh: Hiển thị giá trị nhiệt độ tương ứng trên cảm biến

II Tính chọn các khối (N=37)

2.1 Khối cảm biến

Là cảm biến nhiệt độ pt100 có cấu tạo là một nhiệt điện trở RTD (

RTD-Resistance Temperature Detector ):Nguyên lý hoạt động nhiệt điện trở dựa

trên sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi điện trở

 Rt = R0 ( 1 + αT+βTt)

 Rt : Điện trở ở nhiệt độ t

 R0 : Điện trở ở 0 độ C

 αT+βT : Hệ số của nhiệt điện trở

Với PT100 1V=1oC Vậy theo yêu cầu của bài thìcần đo ở nhiệt độ 420oC tương ứng với 420V Với điện

áp ra rất lớn như vậy ta cần phải có 1 mạch phân áp sao cho đầu ra tương ứng 10mV=10oC để phù hợp với các

2.2 Khối khuếch đại, chuẩn hóa đầu ra

2.2.1 Chuẩn hóa đầu ra với điện áp 0-10V

Dùng mạch khuếch đại không đảo

Mạch này có điện áp ra : Ur=(1+R8/R7).UvVới Uv=0 – 4.2V để Ur=0 - 10V

Uvmin=0V  Urmin=0V

Uvmax=4.2V  Urmax=10V

 Chọn R8=13.9kΩ) R7=10kΩ) R6=10kΩ)

2.2.2 Chuẩn hóa đầu ra với điện áp 0 – 5V

Dùng mạch khuếch đại không đảo

Mạch này có điện áp ra : Ur=(1+R11/R10).UvVới Uv=0 – 4.2V để Ur=0 - 5V

Uvmin=0V  Urmin=0V

Uvmax=4.2V  Urmax=5V

 Chọn R11=800kΩ)

2.2.3 Chuẩn hóa đầu ra có dòng điện 0 – 20mA

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

Dòng điện đầu ra I12=Uv.1/R13

Với Uv= 0 – 4.2V và I12= 0 – 20mA

Uvmin= 0V  I12min= 0mA

Uvmax= 4.2V  I12max= 20mA

 Chọn R12=45kΩ) R13=210kΩ) R14=10kΩ)

2.2.4 Chuẩn hóa dòng điện đầu ra 4 – 20 mA

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

Thường chọn điều kiện mạch : R18(R16+R17)=R15.R19

Ta có IL=(Uv-UR18).R19/(R18.R17)

Chọn R15= R16= 10kΩ)

Khi IL= 4mA ta có Uv= 0V

Nhờ mạch tạo dao động HE555 nên đèn nhấp nhấy với

Thời gian nạp ( có xung ra): tn=0,69 𝜏n, hay tn = 0,69(R22+ R23)C4

Thời gian xả điện ( không có xung ra): tx=0,69 𝜏x , hay tx = 0,69R20C4

Ở đây ta chọn R22=R23=600Ω), C4=2uF => tn=0,18216 s và tx=0.09108 sChân vào 4 được nối chung với đầu vào của còi cảnh báo ở trên

2.4 Khối chuyển đổi ADC

2.4.1 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 làmviệc với +5V và có độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổicũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ ADC Thời gian chuyển đổiđược định nghĩa như là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tựthành một số nhị phân Trong ADC0804 thời gian chuyển đổi thay đổi phụ thuộcvào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưng không thể nhanhhơn 110μs Các chân của ADC0804 được mô tả như sau:s Các chân của ADC0804 được mô tả như sau:

2.4.2 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 mứcthấp

-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 ởđầu 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 RDcũng 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 trìnhchuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao – xuống – thấp thì bộ ADC0804bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phấn 8 bit Lượng thờigian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN vàCLK R Khi việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thì chân INTR được ép xuốngthấp bởi ADC0804

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

- Chân CLK IN (chân số 4) và CLK R (chân số 19): Chân CLK IN là một chân

đầu vào được nối tới một nguồn đồng hồ ngoài khi đồng hồ ngoài được sử dụng đểtạo ra thời gian Tuy nhiên ADC0804 cũng có một máy tạo xung đồng hồ Để sửdụng máy tạo xung đồng hồ trong của ADC0804 thì các chân CLK IN và CLK Rđược nối tới một tụ điện và một điện trở (hình 1.4) Trong trường hợp này tần sốđồng hồ được xác định bằng biểu thức:

f=1.1 RC1

Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C = 150pF và tần số nhậnđược là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là 110sμs Các chân của ADC0804 được mô tả như sau:.

- Chân ngắt INTR (chân số 5): Đây là chân đầu ra tích cực mức thấp Bình thường

nó ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó xuống thấp để báo choCPU biết là dữ liệu được chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi Sau khi INTR xuống thấp,

ta đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống – thấp tới chân RD lấy dữ liệu ra củaADC0804

-Chân VCC (chân số 20): Đây là chân nguồn nối +5V, nó cũng được dùng như

điện áp tham chiếu khi đầu vào VREF/2 (chân số 9) để hở

- Chân VREF (chân số 9): Là một điện áp đầu vào được dùng cho điện áp tham

chiếu Nếu chân này hở (không được nối) thì điện áp đầu vào tương tự choADC0804 nằm trong dãy 0-5V→(giống như chân VCC) Tuy nhiên, có nhiều ứngdụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin cần phải khác ngoài dãy 0→5V

- Các chân dữ liệu D0 – D7 (Từ chân 11 đến chân 18): Các chân dữ liệu D0 – D7

(D7 là các bit cao nhất MSB và D0 là bit thấp LSB) là các chân đầu ra dữ liệu số.Đây là những chân được đệm ba trạng thái và dữ liệu được chuyển đổi chỉ đượctruy cập khi chân CS = 0 và chân RD bị đưa xuống thấp Để tính điện áp đầu ra ta

- Chân GND (chân số 10): Đây là những chân đầu vào cấp đất chung cho cả tín

hiệu số và tương tự Đất tương tự được nối tới đất của chân Vin tương tự, còn đất sốđược nối tới đất của chân VCC Lý do mà ta phải có hai đất là để cách ly tín hiệutương tự Vin từ các điện áp ký sinh tạo ra việc chuyển mạch số được chính xác.Trong phần trình bày thì các chân được nối chung với một đất Tuy nhiên, trongthực tế thu đo dữ liệu các chân đất này được nối tách biệt

*Từ những điều trên ta kết luận rằng các bước cần phải thực hiện khi chuyển đổi dữ liệu bởi ADC0804 là:

-Bật CS = 0 và gửi một xung thấp lên cao tới chân WR để bắt đầu chuyển đổi

-Sau khi chân INTR xuống thấp, ta bật CS = 0 và gửi một xung cao xuống thấp đếnchân RD để lấy dữ liệu ra khỏi chip ADC0804.

2.4.3 Mạch tạo dao dộng cho ADC

Mạch này để tạo dao đông cho ADC0804 để cho ADC0804 thực hiện quá trình chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

Các thông số xung với phần trên ta có:

Thời gian nạp ( có xung ra): tn=0,69 𝜏n, hay tn = 0,69(R5+ R4)C2

Thời gian xả điện ( không có xung ra): tx=0,69 𝜏x , hay tx = 0,69R4C2

Ở đây ta chọn R5=R4=600Ω), C2=220uF => tn=0,18216 s và tx=0.09108 s

2.4.4 Khối ADC trong mạch

Các chân 1,2,8,10,7 được nối đất

Chân 3 được nối với chân số 3 của mạch tạo dao động HE555

Chân 19 nối với điện trở R3= 10kΩ) rồi nối vào chân 4 tiếp nối vào tụ C3=150pF rồi nối đất

Chân 20 nối với nguồn nuôi

Chân 6 là chân nhận tín hiệu từ PT100 rồi chuyển hóa tín hiệu ra các chân

11,12,13,14,15,16,17,18

2.5 Khối giải mã

2.5.1 IC74LS83