BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại.

BÀI TẬP LỚN:VI MẠCH TƯƠNG TỰ Đề số : 1 Họ và tên HSSV : Lương Ngọc Hiếu Lớp : Tự động hóa 3 MSV : 0841240198 Khoá : 8 Khoa : Điện. NỘI DUNG ĐỀ TÀI Đề tài : Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại. Yêu cầu: Dải đo từ: t0C = 0÷(100+5n)0C. 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 τ=(1+0.5a) 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=10) n: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

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BÀI TẬP LỚN:VI MẠCH TƯƠNG TỰ

Đề số : 1

Họ và tên HS-SV : Lương Ngọc Hiếu

Lớp : Tự động hóa 3

MSV : 0841240198

Khoá : 8 Khoa : Điện.

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

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

độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại

1.U=0÷10V

2.I=0÷20mA

- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị

nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng

τ=(1+0.5*a) giây

BCD

Trong đó:a: chữ số hàng đơn vị của danh sách(ví dụ:STT=3→a=3;STT=10→a=10) n:số thứ tự sinh viên trong danh sách

Lời nói đầu

Đất nước ta đang trên đà phát triển thành một nước công nghiệp vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiệt bị công nghiệp nhằm nâng cao năng xuất và chất lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề rất quan trọng và vấn đề được chú ý nhiều hơn nữa là nhiệt độ.nhiệt độ được ứng dụng rất rộng rãi ví dụ như trong các lò sấy gỗ,lò luyện

gang,sắt,thép…

Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường gặp trong đời sống hằng ngày cũng như kỹ thuật và công nghiệp.Việc đo nhiệt độ cũng vì vậy là một yêu cầu thiết thực nên cảm biến đo nhiệt độ là loại cảm biến được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp kỹ thuật cũng như trong đời sống hằng ngày.Dưới đây là bài tập của em về dùng các vi mạch tương tự tính toán,thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại

MỤC LỤC

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,mạch hiển thị

- 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.

Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO

Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ 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 Nhưng phương pháp được dùng nhất hiện nay là phương pháp dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại

1, Sơ đồ nguyên lý chung của mạch đo

gồm các khối cơ bản :

1 khối cảm biến

2 khối khuếch đại

3 khối so sánh

4 khối chỉ thị

5 khối cảnh báo

6 mạch chuyển đổi U sang I

Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo :

Khối Chỉ thị

U đặt

2 Khối khuếch đại : có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới vì tín hiệu điện ra từ cảm biến thường là rất nhỏ nên ta cần dùng mạch khuếch đại để khuếch đại tín hiệu đó rồi đưa vào các mạch điện khác

3.Khối so sánh :so sánh tín hiệu vừa đưa về với tín hiệu đã cài đặt Việc so sánh tín hiệu sẽ được ứng dụng cho mạch cảnh báo khi có sự quá nhiệt độ

4 Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang tín hiệu điện áp

Chuyển đổi U sang I Cảnh báo

5 Khối cánh báo : cảnh báo cho mọi người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so với nhiệt độ cho phép

Chương II : Các thiết bị chính

Dựa vào sơ đồ nguyên lý của mạch đo gồm các khối thì ta sẽ xác định được các thiết bị được dùng cho mạch đo

1, Cảm biến

- Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có thể đo được và xử

lý được.Các đại lượng nhiệt độ cần đo thường có tính chất điện như nhiệt độ,áp suất

n-STT trong danh sách →n=23

→t°C=0÷220°C

- Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ như :

+ cặp nhiệt ngẫu

+ nhiệt điện trở kim loại

+ IC cảm biến nhiệt độ

Theo yêu cầu của đề bài ta sẽ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại.Nhiệt điện trở kim loại có 2 loại thông dụng là nhiệt điện trở platin và nhiệt điện trở nikel Do nhiệt điện trở platin có độ tuyến tính theo nhiệt độ cao, điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo dài nên ta sẽ sử dụng nhiệt điện trở platin cụ thể trong bài ta sẽ sử dụng nhiệt điện trở pt100

a,Cấu tạo

- Được làm từ kim loại platinum quấn tủy theo hình dáng của đầu dò nhiệt

- Đầu dò RTD gồm 2 loại

+ Loại dây nối : Thiết bị đơn giản,sợi dây cảm biến được quy ẩn xung quanh 1 lõi hoặc trục Lõi hình tròn hoặc phẳng phải cách điện được

khối lượng tác dụng nhiệt thấp, làm cho chúng đáp ứng nhanh và dễ dàng đặt vào các vỏ nhỏ

- Cách nối dây(3 cách)

+ loại 2 dây:cấu hình đơn giản, độ chính xác thấp

+ loại 3 dây:cấu hính phức tạp,độ chính xác không cao

+ loại 4 dây:cấu hình đơn giản,độ chính xác cao,giá thành cao

=> Để thiết bị cảm biến đơn giản và ít bị sai số thì ta sẽ chọn đầu dò loại dây nối và loại 4 dây

b,Nguyên lý hoạt động

Hoạt động nhiệt điện trở dựa trên sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi điện trở

Điện trở PT100 là một dây kim loại có bọc các đoạn sứ bao quanh toàn bộ dây kim loại.Phần bao bọc này lại được đặt trong một ống bảo vệ(thermowell) thường

có dạng trụ tròn,chỉ đưa 2 đầu dây kim loại ra để kết nối với thiết bị chuyển

đổi.Phần ống bảo vệ sẽ được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ

Hai đầu dây kim loại để chừa ra ở phần ống bảo vệ được kết nối tới một thiết

bị gọi là bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện phục vụ cho việc truyền tới phòng điều khiển giám sát.Thiết bị chuyển đổi có cấu tạo chẳng qua là một cầu điện trở có một nhánh chính là Pt100(có điện trở là 100 ôm ở 0 độ C)

Ðáp ứng của RTD không tuyến tính nhưng nó có độ ổn định và chính xác rất cao, do vậy hay được dùng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao Nó thường được dùng trong khoảng nhiệt độ từ -250 đến +850 mà can nhiệt pt100 là kí hiệu thường được sử dụng để nói đến RTD với hệ số alpha=0.00391 và R0=100Ω

2, Bộ khuếch đại thuật toán µA741 :

Dùng để khuếch đại các tín hiệu như điện áp,dòng điện,công suất Trong bài ta sẽ sử dụng khuếch 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

Hình ảnh thực tế của bộ khuếch đại thuật toán :

a,Cấu tạo:

Input - : Đầu vào đảo

Input +: Đầu vào không đảo

Vss: Nguồn cấp

Output: Ngõ ra

b,Hoạt động:

Khi cấp nguồn vào thì mạch chỉ khuếch đại hệ số điện thế giữa đầu vào đảo và

3, Điện trở :

Là linh kiện không thể thiếu trong các mạch đo

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.

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

a,Cấu tạo

Thường được làm bằng than hay các chất đặc biệt có tính dẫn điện kém Được bao bọc bởi bên ngoài bằng 1 lõi sứ hoặc ép thành khối

b,Cách đọc điện trở :

Cách đọc trị số của điện trở tùy thược vào cách biểu thị của các vòng màu và giá trị điện trở

chỉ sai số của điện trở, khi đọc trị số ta bỏ qua vòng này

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

4, Cơ cấu chỉ thị :

Muốn biết được nhiệt độ có quá tải hay không 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 Chúng ta có nhiều cơ cấu chỉ thị thường dùng như điện từ, từ điện, điện động… trong phạm vi 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 từ điện vì từ trường của cơ cấu do nam châm vĩnh cửu tạo ra mạnh,ít bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài,công suất tiêu

này đo được dòng điện, điện áp 1 chiều với dải đo rộng

5, Các thiết bị cảnh báo :

Để cảnh báo quá nhiệt độ ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để cảnh báo, hoặc ta có thể sử dụng đồng thời cả hai để cảnh báo quá nhiệt độ 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

6, Nguồn cấp cho mạch :

Vì trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V, 9V hoặc 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 điện áp 5V, 9V, 12V

» Bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot, tụ điện, và điện trở và cuộn cảm có tác dụng chỉnh lưu từ dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều

7,ADC0804

- Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 Chip có điện áp nuôi là +5V và độ phân giải 8 bit Thời gian chuyển đổi được định nghĩa là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển đổi 1 đầu vào tương tự thành 1 số nhị phân Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số dồng hồ được cấp tới chân CLK và CLK IN và không nhỏ hơn 110µs

-Chức năng của các chân

+ 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 ADC thì chân 1 phải đặt

ở mức thấp

+ RD(read),chân số 2 là chân nhận tín hiệu vào tích cực ở mức thấp Các

bộ chuyển đổi ADC se chuyển đầu vào tương tự thanh số nhị phân và giữ ở 1 thanh ghi trong Chân RD được sử dụng để cho phép đưa dữ liệu đã chuyển đổi tới đầu ra của ADC Khi CS=0 nếu có 1 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 3 là chân vào tích cực mức thấp để báo cho ADC biết

để bắt đầu quá trình biến đổi nếu CS=0 khi VR tạo ra xung cao xuống thấp thì ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin thành số nhị phân 8 bit Khi chuyển đổi xong thì chân INTR được ADC hạ xuống thấp

+CLK IN và CLKR , chân 4 và chân 19 chân 4 được nối với đồng hồ ngoài được sử dụng để tạo thời gian ADC cũng cố 1 bộ tạo xung đồng hồ riêng.Để dùng được đồng hồ riên thì chân 4 và chân 19 phải được nối với 1 tụ điện và điện trở

+Ngắt INTR,chân 5 là chân ra tích cực mức thấp,bình thường ở trạng thái cao và khi chuyển đổi hoàn tất nó xuống mức thấp để báo dộng cho CPU biết dữ liệu đã được chuyển đổi sãn sàng để lấy đi

+Chân VCC,chân 20 là chân nguồn nối +5V,được dùng như điện áp tham chiếu khi đầu vào VREF/2(chân 9) để hở

+Chân VREF/2 là 1 điện áp đầu vào dùng cho điện áp tham chiếu Nếu chân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dải 0-5V Tuy nhiên có nhiều đầu vào tương tự áp dến Vin khác với dái 0-5V Chân VREF/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0-5V

được chuyển đổi chỉ đợc truy cập khi chân CS =0 và chân RD đưa xuống mức thấp Công thức tính điện áp đầu ra

+Chân GND(chân số 10 và chân số 10) là chân nối đất

8,Led

Led là thiết bị dùng để báo sáng khi mạch đo có nhiệt đọ vượt quá ngưỡng cho phép

Chương III : Tính toán và thiết kế mạch đo

1,Tính toán lựa chọn cảm biến

120.00

E+

S+

S- E-RT1

RTD-PT100

Theo bài ta sử dụng cảm biến nhiệt độ là pt100

Tại 0 thì giá trị đầu ra của pt100 là 0V

Do sai số và cách chọn giá trị điện trở mà ta có giá trị điện áp ra sẽ khác nhau và giá trị điện áp ra rất nhỏ nên giá trị điện áp ra sẽ có sự sai số

2,Mạch đo mạch hiển thị

a,Khối ADC

Các chân 1,2,8,10,7 được nối đất

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

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

b,Khối giải mã cho 8bit đầu vào

74LS83 là IC cộng 2 số 4 bit nhị phân.

-A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4 : các chân đầu vào của 2 số nhị phân A, B

- S1,S2,S3,S4: đầu ra nhị phân

-C4 số nhớ của phép cộng

CO: số nhớ ban đầu

2

a c d

A1 S1 9 A2

8 S26 A3

3 S3 2 A4

1 S4 B1 7 B3 4 B4 C0

13 C414

U2

74LS83

A1 S1 9 A2

8 S2 6 A3

3 S32 A4

1 S4 B1 7 B3 4 B4 C0

13 C4 14

U8

74LS83

A6

OR

A1 S1 9 A2

8 S2 6 A3

3 S32 A4

1 S4 B1 7 B3 4 B4 C0

13 C414

U9

74LS83

A1 S1 9 A2

8 S2 6 A3

3 S3 2 A4

1 S4 B1 7 B3 4 B4 C0

13 C4 14

U11

74LS83

A9

OR

A1 S1 9 A2

8 S26 A3

3 S32 A4

1 S4 B1 7 B3 4 B4 C0

13 C4 14

U12

74LS83

A1 S1 9 A2

8 S2 6 A3

3 S3 2 A4

1 S4 B1 7 B3 4 B4 C0

13 C414 74LS83 OR

A1 S1 9 A2

8 S26 A3

3 S32 A4

1 S4 B1 7 B3 4 B4 C0

13 C4 14

U4

74LS83

A1 S1 9 A2

8 S2 6 A3

3 S3 2 A4

1 S4 B1 7 B3 4 B4 C0

13 C414

U5

74LS83

A3

OR

A1 S1 9 A2

8 S2 6 A3

3 S3 2 A4

1 S4 B1 7 B3 4 B4 C0

13 C414

U6

74LS83

U3

AND_2

U7

OR

U10

OR

U13

AND_2

U17

OR

U18

AND_2

U19

OR

U20

AND_2

c,Khối hiển thị

s t t s

Khối hiển thị ra led 7 thanh

3,Mạch khuếch đại chuẩn hoá

a,Mạch khuếch đại,chuẩn hoá điện áp

-Để tín hiệu đầu ra được chuẩn hóa ta dùng mạch khuếch đại vi sai cải tiến :

-Mạch khuếch đại vi sai cải tiến nâng được độ lớn tổng trở vào của mạch,có khả năng điều chỉnh được hệ số khuếch đại bằng cách điều chỉnh 1 biến trở

Ta có biểu thức cho điện áp ra là:

U O=(U I 2−U I 1)[R11 +R12

R10 +1]R16

R13

Với U I 2=0.11V,U I 1=0,U O=10V

Thay các giá trị vừa chọn vào mạch đo ta sẽ có mạch khuếch đại điện áp từ 0.11V lên 10V

b,Mạch khuếch đại chuẩn hoá dòng điện(mạch chuyển đổi U sang I)

Sau khi chuẩn hóa đầu ra ra điện áp ta cần phải chuẩn hóa đầu ra cho dòng điện, chuẩn hóa đầu chuẩn công nghiệp là 0-20mA Như vậy cần thiết kế mạch chuyển đổi áp-dòng

Sơ đồ nguyên lý chung của bộ biến đổi áp-dòng:

Với tín hiệu đầu ra từ 0 đến10V thì ta sẽ đi tính chọn điện trở cho mạch chuyển đổi tín hiệu :

Khi tín hiệu vào U=0 thì dòng điện bằng không

Khi tín hiệu vào bằng 20mA thì ta có :

R 41 Ui= 20 mA

Như vậy ta đã tính chọn xong các điện trở cho mạch biến đổi dòng – áp

Và dòng điện ra là chuẩn công nghiệp với giá tri ra từ 0 đến 20mA khi giá trị đầu vào là 0 đến 10 V, sau khi chuyển đổi xong thành tín hiệu dòng điện ta sẽ tiếp tục đưa vào khối hiển thị

mà Ui=10V

=>R6=(500/10)2.5=125 Ω

Thay các giá trị vào mạch chuyển đổi dòng áp ta sẽ thu được giá trị của dòng điện cần đo

4,Mạch nhấp nháy

R 4

DC 7

Q 3

TR

CV 5

HC555

555

RA1 10k

RA2 0.23k

C1 354uF

R7 10k

C2 0.01uF

D1 LED-RED

ta có thời gian sáng bằng thời gian tối t=1+0,5*a

mà a=3

5, Mạch cảnh báo

Để có tín hiệu cảnh báo theo đúng nhiệt độ mà mình muốn ta cần phải chuyển đổi tín hiệu đó từ nhiệt độ sang điện áp Như vậy ta cần dùng mạch so sánh để so sánh với tín hiệu mà ta đặt để đưa ra tín hiệu cảnh báo

mạch so sánh chỉ có tín hiệu ra chỉ có 2 mức, mức điện áp cao và mức điện áp thấp

Dựa vào nguyên lý đó ta thiết kế mạch cảnh báo dùng bộ so sánh, khi điện áp vẫn chưa đủ so với điện áp đặt thì điện áp ra của bộ so sánh gần bằng 0 nên chúng chưa báo, khi nhiệt độ vượt quá giới hạn thì có sự quá điện áp, nên điện áp vượt quá điện

áp đặt, điện áp ra của bộ so sánh tăng lên, cung cấp tín hiệu điện áp Lúc này

chuông báo sẽ được cấp nguồn và hoạt động báo quá nhiệt độ

Tính chọn điện áp đặt :

Nhiệt độ của giá trị cảnh báo : t =tmax/2=220/2=1100C

Ur

+Ucc

0

Uv

Nguyên lý hoạt động của mạch so sánh được thể hiện ở hình trên

vấn đề nữa là chọn nguồn cung cấp Ucc sao cho điện áp ra đủ để còi hoạt động thường thì ta hay chọn Ucc=2.5V nhưng theo bài thì ta sẽ chọn Ucc là -7.30V để mạch có thể hoạt động được

mạch cảnh báo là ta phải đấu vào đèn hoặc còi báo động, với đèn thì ta chỉ cần đấu vào nguồn còn với còi báo động thì ta phải qua khâu khuếch đại công suất, như trong bài thì ta sẽ sử dụng luôn mạch khuếch đại không đảo của bộ so sánh và nối thêm với một con diode để chỉnh lưu mạch giúp mạch chạy ổn định hơn

6, Tính toán thiết kế 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 vậy vấn đề đặt ra là phải biến đổi dòng xoay chiều sang 1 chiều

khối nguồn sẽ bao gồm: _ máy biến áp

_ bộ chỉnh lưa cầu dùng 4 điot

_ tụ điện C để lọc