Dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại (ví dụ pt, cu, zn)

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚCBÀI TẬP: VMTT- VMS Đề Số:1 Họ và tên SV: Nguyễn Văn An Nhóm: 1 Lớp: TDH2 –K9 NỘI

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BÀI TẬP: VMTT- VMS

Đề Số:1

Họ và tên SV: Nguyễn Văn An Nhóm: 1 Lớp: TDH2 –K9

NỘI DUNG

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

cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại (ví dụ: Pt, Cu, Zn)

Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C = 00C÷ tmax = 0 ÷ (100+2*n)0

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

1 U=0 ÷ 10V

2 U= 0 ÷ -5V

3 I=0÷20mA

4 I=4÷20mA

- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị hoặc LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ

- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷2tmax/3 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: T0=(1+0,5*a)

- Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C= 2*tmax/3 Đóng điện cho động cơ điện

PHẦN THUYẾT MINH

Yêu cầu về bố cục nội dung: (đóng quyển <20 trang)

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

- Lựa chọn nguồn 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

Sinh Viên: Nguyễn Văn An

Chương 1: Tổng quan về mạch đo

1 Tầm quan trọng của việc kiểm soát nhiệt độ trong công nghiệp

Có thể nói, nhiệt độ là một đại lượng vật lý được quan tâm nhiều khôngnhững trong lĩnh vực đời sống sinh hoạt mà còn trong sản xuất công nghiệp.Trong công nghiệp sản xuất nói chung, nhiệt độ là yếu tố quan trọng quết địnhđến chất lượng của sản phẩm công nghiệp Do đó, con người lun muốn kiểmtra và kiểm soát đại lượng vật lý này Để giải quyết điều này đã có nhiềuphương pháp đo nhiệt độ khác nhau được đưa ra như: phương pháp đo nhiệt

độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu, điện trở kiêm loại, IC cảm biến nhiệt độ…

2 Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ sử dụng ic

Mạch đo gồm 6 khối cơ bản sau:

Chức năng chính của từng khối:

 Khối nguồn: cấp nguồn chuẩn cho các khối còn lại làm việc

 Khối cảm biến: biến đổi tiến hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện áp

 Khối chuẩn hóa: điện áp vào lấy từ khối cảm biến được chuẩn hóa thành chuẩn công nghiệp với: tín hiệu điện áp U: 0 ÷ -5V, tín hiệu dòng điện: 4÷20mA

 Khối so sánh: giám sát sự thay đổi của nhiệt độ, phát tín hiệu điều khiển cho khôi cảnh báo

 Khối cảnh báo: cảnh báo bằng đèn led khi nhiệt độ ở trong giới hạn cho phép, phát tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt ngưỡng giới hạn

 Khối hiển thi: hiển thị nhiệt độ…

Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính

I Các linh kiện có trong mạch

1: RTD – PT100

Hình 1 : RTD – PT100Cảm 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 Giá trị điện trở thay đổi

tỉ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ được tính theo công thức dưới đây

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

2: Bộ khuếch đại thuật toán µA741 :

Trong kỹ thuật đo lường và cảm biến KĐTT được sử dụng nhiều với các chứcnăng chính: khuếch đại điện áp, dòng điện, khuếch đại công suất, … Trong

phạm vi đề tài này ta sử dụng KĐTT µA741 có hình ảnh thực tế như sau:

Hình 2.2: Khuếch đại thuật toán µA741

Tên gọi và chức năng của các chân:

 – Offset null: bù tần số

 Inverting Input: cửa vào đảo

 Non Inverting Input: cửa vào không đảo

 – Vee : chân cấp nguồn âm

 + Offset null: bù tần số

 Output: cửa ra

 +Vcc: chân cấp nguồn dương

điện áp ra một chiều ổn định khi mức điện áp đầu vào thay đổi, với xx là điện

áp ra tương ứng vd: LM7812 có Vout=+12V; LM7912 có Vout=-12V

Hình ảnh thực tế: về hình dạng cũng như kích thước, khoảng cách chân thì

cả 3 IC kể trên gần giống nhau

Hình 2.3: IC ổn áp LM7912

4: IC tạo xung vuong NE555

Chức năng : IC 555 là một mạch tích hợp, được sử dụng khá phổ biến trong

việc tạo ra xung vuông điện áp không yêu cầu về độ chính xác cao cũng như tần

số lớn

Sơ đ ồ các khối, chân NE555:

Hình 2.4: Hình ảnh thực tế, sơ đồ chân và sơ đồ khối của NE555

 chân 1:(GND) cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC.hay còn gọi là chânchung

 Chân 2(TRIGGER):Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và đượcdùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở đâydùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3Vcc

 Chân 3(OUTPUT): là chân để lấy tín hiệu ra logic trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 _ở đây là mức tương ứng gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương ứng với 0V,nhưng trong thực tế nó không ở mức 0V mà nó trong khoảng 0.35->0.75V

 Chân 4(RESET): dùng xác lập định mức trạng thái ra khi chân số 4 nối Masset thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ ra phụ thuộc vào điện áp chân 2 và 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường nối chân này lên Vcc

 Chân 5(CANTROLVOLTAGE): Dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn ổn định.

 Chân 6(THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu

 Chân 7(DISCHAGER):có thể xem chân này như 1 khoá điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức điện áp thấp thì khoá này đóng lại, ngược lại thì nó mở Chân 7 tự nạp xả điện cho mạch RC lúc IC555 dùng như một tầng dao động

 Chân8(VCC):Đây là chân cung cấp áp và dòng chi IC hoạt động

Thông số kỹ thuật:

5 - Nguồn hỗ trợ: +18V

6 - Công suất tiêu thụ: 600mW

7 - Nhiệt độ hoạt động: 0 o C ÷70 o C

5: Bộ chuyển đổi tương tự số ADC0804

Chức năng: biến đổi tín hiệu điện áp tương tự đầu vào thành tín hiệu số với

độ phân giải 8bit

Hình 2.5: Sơ đồ chân ADC0804 Tên và chức năng của từng chân:

1 Chip select Chân trọn chip, đầu vào tích cực mức thấp để kích

hoạt chíp

2 Read Tín hiều đầu vào chuyển từ cao xuống thấp để xuất

dữ liệu đã được chuyển đổi tới các chân đầu ra

3 Write Tín hiệu đầu vào chuyển từ thấp lên cao để bắt đầu

quá trình chuyển đổi

4 Clock IN Chân đầu vào để kết nối với đồng hồ bên ngoài

5 Interrupt Chân ra: tín hiệu ra ở mức thấp khi quá trình

chuyển đổi kết thúc

6 Vin (+) Điện áp đầu vào mức cao của tín hiệu Analog

7 Vin (-) Điện áp đầu vào mức thấp của tín hiệu Analog

8 Analog

Ground

Chân nối đất cho tín hiệu Analog

9 Vref/2 Chân đầu vào đặt giá trị điện áp tham chiếu cho tín

hiệu Analog

10 Digital

Ground

Chân nối đất cho tín hiệu Digital

11÷18 D7÷D0 Chân ra của tín hiệu Digital

19 Clock R Sử dụng cùng với chân Clock IN khi sử dụng đồng

hồ bên trong của ADC

20 Vcc Chân cấp dương nguồn, hỗ trợ 5V

6: Bộ cộng nhị phân 4 bit 74LS83

Chức năng: tương tự như các bộ cộng nhị phân khác, IC số 74LS83 có là mạch

tích hợp với khả năng cộng hai số nhị phân 4 bit cho ra kết quả tương đối nhanh

Sơ đồ chân 74LS83:

 A1÷A4: các chân đầu vào số 4 bit thứ nhất

 B1÷B4: các chân đầu vào số 4 bit thứ hai

 C0: số nhớ đầu vào.

 ∑1÷∑4: các chân đầu ra của phép cộng

 C4: chân đầu ra của số nhớ

 Vcc: chân cấp nguồn 5V

 GND: chân nối đất

Hình 2.6: Sơ đồ chân 74LS83

Hình 2.7: Sơ đồ khối 74LS83 7: Bộ giải mã LED 7 thanh Anot chung 74LS247

Chức năng: từ số BCD đầu vào chuyển đổi thành tín hiệu đầu ra phục vụ hiển thị cho Led 7 thanh

Sơ đồ chân:

Hình 2.8: Sơ đồ chân 74LS247

Hình 2.9: Bảng trạng thái 74LS247 8: Led 7 thanh Anot chung

Chức năng: Led 7 thanh là một linh kiện được sử dụng khá là phổ biến trong cácmạch điện tử hiển thị số Tùy vào nhu cầu hiển thị mà người ta chia thành các loại led khác nhau: led đơn, led đôi, led ba,… theo cách kết nối: led 7 thanh kiểuAnot chung, led 7 thanh kiểu Catot chung

Sơ đồ chân led 7 thanh đơn:

Hình 2.10: Sơ đồ chân led 7 thanh 9: Bộ cộng logic DM74LS32

Chức năng: IC DM74LS32 là mạch tích hợp dùng để cộng logic hai tín hiệu đầu vào và trả về kết quả cộng ở chân đầu ra

Sơ đồ chân:

 1A-1B÷4A-4B: đầu vào tín hiệu logic cần cộng

 Y1÷Y4: kết quả của phép cộng logic tương ưng

 Vcc: chân cấp nguồn cho IC hoạt động, hỗ trợ nguồn 5V

 Dòng điện ra mức cao/thấp: 0.4/8 mA

 Nhiệt độ môi trường làm việc: 00C÷70oC

10: Bộ nhân logic SN74LS08

Chức năng: IC SN74LS08 là mạch tích hợp dùng để nhân logic hai tín hiệu đầu vào và trả về kết quả nhân ở chân đầu ra

Sơ đồ chân:

 1A-1B÷4A-4B: đầu vào tín hiệu logic cần nhân

 Y1÷Y4: kết quả của phép nhân logic tương ưng

 Vcc: chân cấp nguồn cho IC hoạt động, hỗ trợ nguồn 5V

 Nhiệt độ môi trường làm việc: 00C÷70oC

11: Trong bài này còn sử dụng đến các linh kiện khác như: điện trở, biến trở,

tụ không phân cực, tụ phân cực, diode, cầu diode chỉnh lưu, … do những linh kiện kể trên đã quá quen thuộc với bất cứ ai đã tìm hiểu về điện tử nói riêng và điện nói chung nên trong phạm vi nội dung báo cáo này tôi xin phépkhông đề cập lại để chánh mất thời gian của quý thầy cô và các bạn đọc

Chương 3: Tính toán mạch thiết kế mạch cần đo3.1: Tính toán, thiết kế mạch nguồn.

a) Tính toán, lựa chọn linh kiện

Do các bộ khuếch đại thuật toán dùng trong mạch sử dụng nguồn đối xứng DC

±12V và các IC số sử dụng nguồn DC 5V nên mạch nguồn được thiết kế như sau:

 Sử dụng 2 IC ổn áp LM7812 và LM7912 để tạo nguồn đối xứng DC

Chọn hệ số biến đổi của biến áp: 220V/20V;

Sử dụng cầu diode 2W005G để tạo điện áp DC: khi đó điện áp trên cửa ra của cầu sẽ là:

Chọn K=0.02(để được phẳng nhất)Khi đó C1= 3970µF ta chọn C1=4700µF gần thực tế nhất, và C2 ta chọn tụ gốm bằng 104 để lọc các hài cao, bởi tụ gốm lọc được các tần số cao

 Kết quả ta được các điện áp DC ở cửa ra la: -12V DC, +12V DC, +5V DC

b) Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 3.2: Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn

3.2: Tính toán mạch chuẩn hóa U-I.

a) Tính toán mạch chuẩn hóa ra U= 0 ÷ -5V

E+

S+

E-

b) Tính toán mạch chuẩn hóa ra U= 0 ÷ 10V (trang 92 giáo trình)

Từ điều kiện: Ura=(1+R22/R23)Ucb

Cảnh báo bằng còi khi khi nhiệt độ lớn hơn 68oC.

e)Tính toán, thiết kế mạch so sánh phát hiện ngưỡng nhiệt độ.

Với yêu cầu trên ta thực hiện thiết kế mạch so sánh sử KĐTT µA741

Tại 68oC điện áp đầu ra của cảm biến: Ucb=0.01×68=0.68 mV

Do đó mạch chuẩn hóa: Uch= -3,32V

Do mạch so sánh không thể làm việc so sánh ở điện áp âm nên ta khuếchđại đảo điện áp Uch với hệ số K=-1, cho ra nguồn Uch>0 để mang đi so sánh

Khi T=68oC thì mạch chuẩn hóa ra U=3,32V

Vậy muốn chuông kêu khi vươt quá 68oC thì Uch=3,32 để so sánh

f)Tính toán khối cảnh báo

Theo đề yêu cầu thì đèn phải nháy 1.5s và còi kêu khi t>68oC

- Tính toán khối so sánh

+ Ở đây ta không tính toán nhiều, mà chỉ là so sánh điện áp Uch khi nhiệt

độ vượt qua mức 68oC khi đó ta dùng mộtnguồn chuẩn là pin (cell) để có

1 nguồn ổn định và chuẩn để so sánh với áp khi nhiệt độ cần cảnh báo là 3,32V đã được khuếch đại tính toán ở trên

- Khi nhiệt độ vượt qua mức cảnh báo thì lập tức điện áp từ khối chuẩn hóa U sẽ vượt qua mốc 3,32V (3,32V ở đây tương ứng với 68oC) thì mạch

so sánh lập tức đẩy xuống điện áp thấp  khi đó chân số 4 của IC555 bị cấp điện áp thấp nên IC555 ngừng tạo xung và dừng, đồng thời điện áp thấp này đi qua NOT ( tương tự như tín hiệu 0 và 1) điện áp này sẽ bị đảokhi qua con NOT này và cũng là nguồn cấp cho chuông báo kêu

- Tính toán khối IC 555 để cảnh báo và cho led nháy 3s

- Động cơ 1 chiều được nuôi nguồn 15V thông qua Transistor PNP,khi nhiệt độ lớn hơn 2/3Tmax =68oC thì điện áp dương kích vào chân B thì nguồn nuôi được cấp vào motor làm mát,motor làm mát quay

Ở đây ta tính 1.5s= R×C (trang 66 giáo trình)

Tôi chọn R=10k vậy C = 15uF

Thông số kỹ thuật của đèn Led sử dụng trong mạch:

 Màu sắc: Đỏ

 Kích thước: 0.5mm

 Điện áp định mức: 1.8÷2V

 Dòng định mức 10÷25mA

Chọn điện trở hạn dòng cho led R13=220Ω

g)Tính toán điện áp so sánh của chân VREF/2 để hiển thị ra Led 7 đoạn

Do điện áp đầu ra của cảm biến thay đổi 0.05mV/oC nên ta thực hiện tính toán điện áp cấp vào chân VREF/2 sao cho một bước nhảy của ADC tương

ứng với 10mV để giá trị số nhị phân đầu ra ADC tương ứng là giá trị nhiệt

h)Chuyển mã nhị phân 8 bit thành mã BCD và hiển thị trên led 7 thanh.

Để thực hiện việc chuyển đồi mã nhị phân 8 bit sang mã BCD ta dùng IC 74LS83

để thực hiện cộng các số nhị phân tương ứng Nhưng trước hết để làm được điều này, cần xét tới sự tương quan giữa loại mã: mã thập phân, mã nhị phân

và mã BCD Ta có bảng sau:

Nhận thấy:

 Khi giá trị <10 thì mã nhị phân và mã BCD hoàn toàn giống nhau

 Khi giá trị ≥10 để có mã BCD ta phải cộng thêm 6 vào mã nhị phân

Để giải quyết vấn đề hiệu chỉnh này trước tiên ta sẽ thực hiện một mạch phát hiện kết quả trung gian của mạch cộng 2 số nhị phân 4 bit Mạch này nhận kết quả trung gian của phép cộng 2 số nhị phân 4 bit và cho ở ngõ ra Y=1 khi kết quả này ≥ 10, ngược lại Y=0

Ta có bảng sự thật:

Ta không dùng ngõ vào S’1 vì từng cặp trị có C’4S’4S’3S’2 giống nhau thì

S’1 = 0 và S’1 = 1

Dùng bảng Karnaugh xác định được:

' ' ' '

4( 3 2)

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch cộng hai số nhị phân 4 bit

Như vậy ta đã chuyển được số nhị phân 4 bit thanh mã BCD

Ở bít thứ 5: (giá trị thập phân tương ứng là 16) Vì vậy, ta sẽ cộng 6 vào khối mạch hiển thị đơn vị, và cộng 1 vào khối hiển thị hàng chục

Ở bít thứ 6: (giá trị thập phân tương ứng là 32) Vì vậy, ta sẽ cộng 2 vào khối mạch hiển thị đơn vị, và cộng 3 vào khối hiển thị hàng chục

Ở bít thứ 7: (giá trị thập phân tương ứng là 64) Vì vậy, ta sẽ cộng 4 vào khối mạch hiển thị đơn vị, và cộng 6 vào khối hiển thị hàng chục Đến đây có thể sẽ xuất hiện chàn biết ở hàng chục vì thế ta dùng mạch trung gian để cộng 1 vào hàng trăm

Ở bít thứ 8: (giá trị thập phân tương ứng là 128) Vì vậy, ta sẽ cộng 8 vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng 2 vào khối hiển thị hàng chục và cộng 1 vào khối hiển hàng trăm

Đến đây việc chuyển đổi mã nhị phân 8 bit thành mã BCD đã hoàn thành Tiếp đến là việc hiển thị mã BCD lên Led 7 thanh Để hiển thị số thập phân tương ứng với mã BCD vừa chuyển đổi ta chỉ việc kết nối đầu ra của bộ cộng hàng đơn

vị, hàng chục và hàng trăm với IC 74LS247 và Led 7 thanh

Nhận xét: Do em còn kém hiểu biết nên còn hạn chế và không tránh khỏi sự sai sót mong thầy cô chỉ ra sai sót của bài, và em chân thành cảm ơn thầy cô và cácbạn đã giúp đỡ trong quá trình làm bài