THIẾT KẾ ĐỐI TƯỢNG CẦN ĐO LÀ LÒ NUNG 14000C. Số điểm đo là 7.Quán tính nhiệt (giây0C) 45

Yêu cầu của bài toán: Thiết kế đối tượng cần đo là Lò nung 14000C. Số điểm đo là 7.Quán tính nhiệt (giây0C) 45. 1. Tìm hiểu các loại cặp nhiệt điện (Thermocouple); 2. Chọn cảm biến phù hợp yêu cầu; 3. Thiết kế mạch chuyển đổi chuẩn hóa sử dụng vi mạch khuếch đại dụng cụ đo; 4. Thiết kế mạch dồn kênh: Phân tích và lựa chọn chu kỳ dồn kênh Ts tối ưu (Ts phụ thuộc vào số kênh cần đo, quán tính của tín hiệu tốc độ biến đổi của tín hiệu); 5. Thiết kế mạch ADC; 6. Thiết kế mạch phân kênh; 7. Thiết kế mạch tạo chu kỳ đồng hồ (clock) cho MUX và DEMUX; 8. Thiết kế mạch hiển thị thông tin; 9. Kết nối với CPU (Vi xử lý hoặc VĐK); 10. Thiết kế lựa chọn nguồn cung cấp (phù hợp với điện áp yêu cầu của các IC và đủ công suất); 11. Vẽ sơ đồ tổng thể (dùng phần mềm mô phỏng hoặc phần mềm thiết kế mạch); 12. Mô phỏng các mạch đã thiết kế.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Yêu cầu của bài toán: Thiết kế đối tượng cần đo là Lò nung 14000C Số điểm đo là 7 Quán tính nhiệt (giây/0C) 45.

1 Tìm hiểu các loại cặp nhiệt điện (Thermocouple);

2 Chọn cảm biến phù hợp yêu cầu;

3 Thiết kế mạch chuyển đổi chuẩn hóa sử dụng vi mạch khuếch đại dụng cụ đo;

4 Thiết kế mạch dồn kênh: Phân tích và lựa chọn chu kỳ dồn kênh Ts tối ưu (Ts

phụ thuộc vào số kênh cần đo, quán tính của tín hiệu - tốc độ biến đổi của tín hiệu);

5 Thiết kế mạch ADC;

6 Thiết kế mạch phân kênh;

7 Thiết kế mạch tạo chu kỳ đồng hồ (clock) cho MUX và DEMUX;

8 Thiết kế mạch hiển thị thông tin;

9 Kết nối với CPU (Vi xử lý hoặc VĐK);

10 Thiết kế / lựa chọn nguồn cung cấp (phù hợp với điện áp yêu cầu của các IC và

đủ công suất);

11 Vẽ sơ đồ tổng thể (dùng phần mềm mô phỏng hoặc phần mềm thiết kế mạch);

12 Mô phỏng các mạch đã thiết kế

Mục Lục

Vì thế, người dùng cần phải lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển chothích hợp.

Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đếnkhông chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offsettrên bộ điều khiển )

1.3.1: Kiểu cặp nhiệt loại K

Loại K là loại phổ biến nhất của cặp nhiệt điện Đó là không tốn kém, chính xác,đáng tin cậy, và có một phạm vi nhiệt độ rộng Các loại K thường được tìm thấy trong cácứng dụng hạt nhân vì độ cứng bức xạ tương đối của nó

Thành phần chính của loại này là Chromel (Ni-Cr alloy) /Alumel (Ni-Al alloy).Khoảng đo nhiệt độ từ 200 °C đến 1200 °C

1.3.2: Kiểu cặp nhiệt loại E

Các loại E có một tín hiệu mạnh hơn và độ chính xác cao hơn so với các loại Khoặc loại J ở phạm vi nhiệt độ vừa phải 1,000F và thấp hơn Các loại E cũng là ổn địnhhơn so với các loại K, mà thêm vào độ chính xác của nó

Thành phần chính của loại này là Chromel /Constantan(Cu-Ni alloy) Khoảng đonhiệt độ từ −200 °C đến 900 °C

1.3.3: Kiểu cặp nhiệt loại J

Các loại J cũng rất phổ biến Nó có một phạm vi nhiệt độ nhỏ hơn và có tuổi thọngắn hơn ở nhiệt độ cao hơn Loại K Nó tương đương với Type K về chi phí và độ tincậy

Thành phần chính của loại này là Iron /Constantan Khoảng đo nhiệt độ từ −40 °Cđến 750 °C

1.3.4: Kiểu cặp nhiệt loại N

Type N cổ phiếu chính xác và nhiệt độ giới hạn tương tự như Type K Các loại N

là hơi đắt tiền hơn Các loại N có độ lặp lại tốt hơn giữa 572F để 932F (300C đến 500C)

so với các loại K

Thành phần chính của loại này là Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy) / Nisil (Ni-Si alloy).Khoảng đo nhiệt độ từ −270 °C đến 1300 °C

1.3.5: Kiểu cặp nhiệt loại T

Các Loại T là một cặp nhiệt điện rất ổn định và thường được sử dụng trong cácứng dụng nhiệt độ rất thấp như chất làm lạnh hoặc tủ đông cực thấp Nó được tìm thấy

và ổn định Type R có một sản lượng cao hơn một chút và cải thiện sự ổn định qua cácloại S.

Thành phần chính của loại này là Platinum /Platinum with 13% Rhodium Khoảng

đo nhiệt độ từ 0 °C đến 1600 °C

1.3.7: Kiểu cặp nhiệt loại S

Type S được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ rất cao Nó thường được tìmthấy trong các ngành công nghiệp công nghệ sinh học và dược phẩm Nó đôi khi được sửdụng trong các ứng dụng nhiệt độ thấp hơn do độ chính xác cao và ổn định Các loại Sthường được sử dụng với một ống bảo vệ bằng gốm

Thành phần chính của loại này là Platinum /Platinum with 10% Rhodium Khoảng

đo nhiệt độ từ 0 °C đến 1600 °C

1.3.8 Kiểu cặp nhiệt loại B

Các cặp nhiệt điện loại B được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ rất cao Nó

có giới hạn nhiệt độ cao nhất của tất cả các cặp nhiệt điện được liệt kê ở trên Nó duy trìmột mức độ chính xác và ổn định ở nhiệt độ rất cao Loại B có một đầu ra thấp hơn sovới những kim loại khác (loại R & type S) ở nhiệt độ dưới 1,112F (600C)

Thành phần chính của loại này là Platinum-Rhodium /Pt-Rh Khoảng đo nhiệt độ

từ 50 °C đến 1800 °C

1.4: Đặc tính

Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này chúng ta lưu ý là không nênnối thêm dây ( vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều ) Cọng dây của cảm biếnnên để thông thoáng ( đừng cho cọng dây này dính vào môi trường đo ) Cuối cùng là nênkiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị.

• ΔT: Chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mối nối

Do đó, nhiệt độ cần đo được tính theo công thức T= Ttham chiếu + V/S (°C)

PHẦN II: : THIẾT KẾ CHI TIẾTCHƯƠNG 1: CHỌN CẢM BIẾN CHO LÒ NUNG 14000C

Yêu cầu của bài toán: Đối tượng cần đo là lò nung 14000C Số điểm đo là 7 Quántính nhiệt (giây/0C) 45

Chọn loại cảm biến nào chịu được khoảng đo từ 0 °C đến 1400 °C là thỏa mãnđược bài toán yêu cầu Kiểu cặp nhiệt loại R, S, đều thỏa mãn yêu cầu của bài toán Ởđây ta chọn loại cặp nhiệt loại R Ta thấy rằng R là rất giống với kiểu S về hiệu suất Nóđôi khi được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ thấp hơn do độ chính xác cao và ổnđịnh Kiểu R có một sản lượng cao hơn một chút và cải thiện sự ổn định qua các loại S

Nhiệt độ lò nung sẽ không có hiện tượng âm Đối chiếu bảng điện áp nhiệt điện

mà nhà sản xuất đưa ra ta thấy rằng Khoảng từ 0 °C đến 1400 °C tương ứng với mứcđiên áp là 0 đến 16,04 mV

CHƯƠNG 2: MẠCH CHUYỂN ĐỔI CHUẨN HÓA

2.1: Khái niệm

Trong các HTC hiện đại cùng một lúc phục vụ một khối lượng lớn các đại lượng

đo ở đầu vào Để hòa hợp với các sensor và hệ thống cần đo cần thiết phải chuẩn hó tín hiệu ra X(t) Tức là ta phải biến đổi chúng thành một đại lượng đo duy nhất với một dải

đo tín hiệu

2.2: Các dạng tín hiệu chuẩn hóa

Tín hiệu chuẩn dòng một chiều trong công nghiệp là:

I = 0 ÷ 20mA, khi truyền ở khoảng cách ngắn

I = 4 ÷ 20mA, khi phải truyền đi xa hơn

Trong đó 4mA là mức mà nhiễu tác động lớn do đó không định nghĩa Như vậy tín hiệu

đo ở đầu ra bộ CĐCH sẽ dao động trong khoảng từ 4 ÷ 20mA

• Điện áp một chiều: Chuẩn của điện áp một chiều là:

U = 0 ÷ 5V, là chuẩn để đưa vào các DAQ hay máy tính

U = 0 ÷ 10V, là chuẩn để đưa vào các thiết bị đo, tự ghi

2.2: mô phỏng proteus

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH DỒN KÊNH

4.1: Lý thuyết tính toán

• Chu kì dồn kênh Ts:

Ts bằng quán tính nhiệt chia cho số điểm đo:

Ts=

• Chu kì lấy mẫu Tlm có nhiệt độ lò nung là 14000C

Cứ 10C lấy mẫu 1 lần => với 14000C ta lấy 1400 lần

Với quán tính nhiệt là 45 (giây/0C)

 Tlm= 1.45 = 45(s)

 Tần số lấy mẫu là: flm = = = 0,0222(Hz)

4.2: Thiết kế

Theo thiết kế của hệ thu thập dữ liệu, số kênh đầu vào là 7 kênh do đó tacần lựa chọn sử dụng loại MUX có kênh lớn hơn, với 3 chân điều khiển việc lựachọn kênh đầu vào chọn IC dồn kênh 74LS153

74LS153: gồm 2 bộ ghép kênh 4:1 có 2 ngõ vào chọn chung BA mỗi bộ có ngõ cho phép riêng, ngõ vào và ngõ ra riêng Tương tự chỉ khi G ở mức 0 ngõ Y mới giống 1 trong các ngõ vào tuỳ mã chọn Kí hiệu khối, chân ra, bảng trạng thái và cấu tạo logic được minh hoạ ở những hình dưới:

Hình 4.1 Kíhiệu khối và chân ra của 74LS153

Bảng sự thật của 74LS53

Hình 4.2 Cấu tạo bên trong của 74LS153

vi xử lý Để thực hiện nhiệm vụ đó có thể có nhiều phương pháp 3 phương pháp chủyếu:

 1 Phương pháp song song: Tín hiệu đo đã chuẩn hóa dưới dạng áp một chiều(thường là 0 – 5V) đồng thời so sánh với n điện áp ra chuẩn và xác định nó đangnằm giữa hai múc nào

 2 Phương phap trọng số: Việc so sánh diễn ra cho từng bit của số nhị phân, cách

so sánh như sau: Người ta xem điện áp vào có vượt điện áp chuẩn của bit già haykhông Nếu có vượt thì kết quả có giá trị “1” và lấy điện áp vào trừ đi điện ápchuẩn phần dư đem so sánh với các bit trẻ lân cận… Rõ ràng là có bao nhiêu bittrong một số nhị phân thì cần bấy nhiêu bước so sánh và bấy nhiêu điên áp chuẩn

 3 Phương pháp số: Phương pháp đơn giản nhất là phương pháp số, ở trường hợp này ta kể đến số lượng các tổng số điện áp chuẩn của các bit trẻ dùng để diễn đạt điện áp vào Nếu số lượng cực đại dùng để mô tả bằng n thì cũng tối đa là n bước

để nhận được kết quả

5.2: Chọn bộ biến đổi ADC 0809

ADC 0809 là loại ADC 8 bit đây là loại thông dụng nhất

Bộ ADC 0809 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi từ tương tự sang số

8 bit, bộ chọn 8 kênh và một bô logic điều khiển tương thích Bộ chuyển đổi AD 8 bit nàydùng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ tiếp Bộ chọn kênh có thể truy xuất bất kềnh nào trong các ngõ vào tương tự một cánh độc lập

Thiết bị này loại trừ khả năng cần thiết điều chỉnh điểm 0 bên ngoài và khả năng điềuchỉnh tỉ số làm tròn ADC 0809 dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý

* Ý nghĩa các chân:

IN0 đến IN7 : 8 ngõ vào tương tự

A, B, C : giải mã chọn một trong 8 ngõ vào

Z-1 đến Z-8 : ngõ ra song song 8 bit

ALE : cho phép chốt địa chỉ

START : xung bắt đầu chuyển đổi

CLK : xung đồng hồ

REF (+): điện thế tham chiếu (+)

REF (-) : điện thế tham chiếu (-)

* Nguyên lý hoạt động:

ADC 0809 có 8 ngõ vào tương tự, 8 ngõ ra 8 bit có thể chọn 1 trong 8 ngõ vào tương

tự để chuyển đổi sang số 8 bit

Các ngõ vào được chọn bằng cách giải mã Chọn 1 trong 8 ngõ vào tương tự đượcthực hiện nhờ 3 chân ADDA , ADDB , ADDC như bảng trạng thái sau:

A B C Ngõ vào được chọn0

0001111

00110011

01010101

IN0IN1 IN2IN3IN4IN5IN6IN7

Sau khi kích xung start thì bộ chuyển đổi bắt đầu hoạt động ở cạnh xuống của xungstart, ngõ ra EOC sẽ xuống mức thấp sau khoảng 8 xung clock (tính từ cạnh xuống củaxung start) Lúc này bit cơ trọng số lớn nhất (MSB) được đặt lên mức 1, tất cả các bit cònlại ở mức 0, đồng thời tạo ra điện thế có giá trị Vref/2, điện thế này được so sánh với điện

Trong suốt quá trình chuyển đổi chân OE được đặt ở mức 1, muốn đọc dữ liệu ra chân

ref IN

V V

V V N

Trong đó Vin : điện áp ngõ vào hệ so sánh

Vref(+): điện áp tại chân REF(+)

Vref(-): điện áp tại chân REF(-)

Nếu chọn Vref(-) = 0 thì N = 256

) ( +

ref

in

V V

Vref(+) = Vcc = 5V thì đầy thang là 256

Ap vào lớn nhất của ADC 0809 là 5V

Hình 5.1 Hình mô phỏng

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ MẠCH DỒN KÊNH

6.1: Khái niệm

Bộ chuyển mạch phân kênh hay còn gọi là tách kênh, giải đa hợp (demultiplexer)

có chức năng ngược lại với mạch dồn kênh tức là : tách kênh truyền thành 1 trong các kênh dữ liệu song song tuỳ vào mã chọn ngõ vào Có thể xem mạch tách kênh giống như

1 công tắc cơ khí được điều khiển chuyển mạch bởi mã số Tuỳ theo mã số được áp vào ngõ chọn mà dữ liệu từ 1 đường sẽ được đưa ra đường nào trong số các đường song song

Hình 6.1 Kí hiệu khối và chân ra của 74LS155

Trong cấu trúc của nó gồm 2 bộ tách kênh 1 sang 4, chúng có 2 ngõ chọn A0A1 chung, ngõ cho phép cũng có thể chung khi nối chân 2 nối với chân 15) Một lưu ý khác là bộ tách kênh đầu có ngõ ra đảo so với ngõ vào (dữ liệu vào chân 1 không đảo) còn bộ tách kênh thứ 2 thì ngõ vào và ngõ ra như nhau khi được tác động ( dữ liệu vào chân 14 đảo).Cấu trúc logic của mạch không khác gì so với mạch đã xét ở trên ngoài trừ mạch có thêm ngõ cho phép

Bảng sự thật của 74LS155

Mạch tách kênh hoạt động như mạch giải mã

Nhiều mạch tách kênh còn có chức năng như 1 mạch giải mã Thật vậy,vào dữ liệu

S không được dùng như 1 ngõ vào dữ liệu nối tiếp mà lại dùng như ngõ vào cho phép còncác ngõ vào chọn CBA khi này lại được dùng như các ngõ vào dữ liệu và các ngõ ra vẫn giữ nguyên chức năng thì mạch đa hợp lại hoạt động như 1 mạch giải mã

Tuỳ thuộc mã dữ liệu áp vào ngõ C B A mà một trong các ngõ ra sẽ lên cao hay xuống thấp tuỳ cấu trúc mạch Như vậy mạch tách kênh 1:4 như ở trên đã trở thành mạch giải mã 2 sang 4 Thực tế ngoài ngõ S khi này trở thành ngõ cho phép giải mã, mạch trên

sẽ phải cần một số ngõ điều khiển khác để cho phép mạch hoạt động giải mã hay tách

mạch tách kênh 1 sang 4 để giải mã 2 sang 4

Hình 6.2 Mạch tách kênh hoạt động như mạch giải mã

Hình 6.3 Hình mô phỏng

7.1 Chọn thiết kế mạch dao động tạo xung vuông dùng ICNE555

- Chân số 1(GND): cho nối mase để lấy dòng cấp cho IC

- Chân số 2(TRIGGER): ngõ vào của 1 tần so áp.mạch so áp dùng các transistor PNP Mức áp chuẩn là 2*Vcc/3

- Chân số 3(OUTPUT): Ngõ ra trạng thái ngõ ra chỉ xác định theo mức volt cao(gần bằng mức áp chân 8) và thấp (gần bằng mức áp chân 1)

- Chân số 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra

ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trênchân 2 và 6

- Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối mase Tuy nhiên trong hầu hếtcác mạch ứng dụng chân số 5 nối masse qua 1 tụ từ 0.01uF ◊ 0.1uF, các tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức áp chuẩn ổn định

- Chân số 6(THRESHOLD): là ngõ vào của 1 tầng so áp khác mạch so sánh dùng các transistor NPN mức chuẩn là Vcc/3

- Chân số 7(DISCHAGER): có thể xem như 1 khóa điện và chịu điều khiển bỡi tầng logic.khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

- Chân số 8 (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC.Nguồn nuôi cấp cho IC 555 trong khoảng từ +5V đến +15V và mức tối đa là +18V

• Cấu tạo: Về bản chất thì IC 555 là 1 bộ mạch kết hợp giữa 2 con Opamp , 3 điệntrở , 1 con transistor, và 1 bộ Fipflop (ở đây dùng FFRS)

[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.

7.2 Tính toán, thiết kế mạch dao động

Mạch hiển thị thông tin dùng LCD: LCD được chọn là loại 16×2 với 2 dòng màn hình, mỗi dòng tối đa có 16 kí tự.

Các thông số cơ bản của LCD loại như sau:

Mạch gồm các phần tử: - MCU = PIC16F877A

- LCD LM016L để hiển thị giá trị nhiệt độ

Mach mô phỏng trên proteus:

CHƯƠNG 8 KẾT NỐI VỚI CPU

Ngày nay, hầu hết các thiết bị điện tử đều có thể giao tiếp với máy tính Trong bản thiết

kế này, ta sử dụng giao thức truyền thông nhận thông tin nối tiếp với máy tính qua cổng COM Ở đây ta dùng loại đầu 9 chân (DB9)

Sử dụng chuẩn truyền thông RS 232 để ghép nối máy tính thông qua mạch ghép nới MAX 232 như hình sau:

CHƯƠNG 9: KẾT NỐI VỚI MÁY TÍNH.

CHƯƠNG 10: LỰA CHỌN NGUÔN CUNG CẤP.

Thiết bị nguồn cho hệ thu thập dữ liệu ADQ từ nguồn biến động 14 – 17v Ac sau chỉnh lưu cầu 4 điot qua ổn áp l7812C cho ta mức điện áp +12V DC và sau đó qua

l7805CV cho ta mức 5V