BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN MÔN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ, VI MẠCH SỐ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: ……………………. SINH VIÊN THỰC HIỆN: ………………………. LỚP: TỰ ĐỘNG HÓA 2 – K9 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°C = 0°C ÷ tmax = 0-(100+ 10×n)°C Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp U=0 ÷ -5V I=4 ÷ 20mA Dùng cơ cấu đo để chỉ thị. Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t°C=0÷tmax/2. Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: τ = (1+0,5×a) giây. Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị: t°C=tmax/2 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=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 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo Dùng phần mềm mô phỏng mạch Kết luận và hướng phát triển. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO I.Tổng quan. Trong đo lường thì các tín hiệu thường rất nhỏ và tồn tại ở dạng vật lý. Do đó muốn xử lí chúng, ta phải có những mạch khuếch đại, mạch biến đổi để xử lý những tín hiệu đó. Đo nhiệt độ cũng như vậy, có nhiều phương pháp đo tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và giải nhiệt độ. Phân ra làm 2 phương pháp chính : Đo trực tiếp và đo gián tiếp Đo trưc tiếp là phương pháp đo trong đó các chuyển đổi nhiệt điện đươc đặt trực tiếp trong môi trường cần đo. Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môi trường cần đo(áp dụng với trường hơp đo ở nhiệt độ cao ). Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo không phải ở quá cao. Trong nhiệt độ bằng phương pháp trưc tiếp ta chỉ khảo sát 2 loại nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu và nhiệt kế nhiệt điện trở. Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta 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. Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu phương pháp thường dùng nhất đó là dùng cặp nhiệt ngẫu. II.Hình thành sơ đồ khối Sơ đồ khối. Mạch đo gồm có 8 khối cơ bản: Khối cảm biến Mạch khuếch đại (Mạch KĐ vi sai) Mạch chuyển đổi U-I Mạch so sánh Mạch cảnh báo Bộ ADC Cơ cấu chỉ thị Khối hiển thị BCD Sơ đồ khối nguyên lý mạch đo: TEMP Chức năng của các khối trong mạch đo Khối cảm biến : Khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện. Ở đây ta dùng cảm biến cặp nhiệt ngẫu để chuyển đổi nhiệt độ sang tín hiệu điện áp. Khối khuếch đại : Có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, vì tín hiệu điện do cảm biến đưa ra thường là rất bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào các khối sau. Để hạn chế nhiễu thì người ta thường sử dụng mạch khuếch đại vi sai. Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu từ dạng điện áp sang dòng điện đưa lên các cơ cấu chỉ thị (Cơ cấu điện từ). Mạch so sánh : Có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa ra khối sau. Cụ thể việc so sánh tín hiệu sẽ được ứng dụng cho mạch cảnh báo khi có sự quá nhiệt độ. Khối cánh báo: Cảnh báo cho người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so với nhiệt độ cho phép. Bộ ADC: Có chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Sau đó đưa lên các bộ phận giải mã để hiển thị. Khối hiển thị BCD: Có chức năng chuyển đổi đầu vào 4bit hoặc 8bit sang bảng mã BCD để hiển thị nhiệt độ tương ứng lên LED 7 thanh. Đó là các khối cơ bản dùng để đo, hiển thị và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến cặp nhiệt ngẫu. III.Tổng quan mạch đo 3.1 Mạch đo Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý, dựa vào các đặc tính của đại lượng cần đo mà chọn ra loại cảm biến phù hợp để thực hiện việc biến đổi các thông số cần đo thành đại lượng điện hay điện áp. Sau đó tín hiệu được chuyển qua bộ lọc và khuếch đại lên. Tín hiệu sau khi được hiệu chỉnh sẽ chuyển qua bộ chuyển đổi U-I để đưa vào cơ cấu chỉ thị. Tín hiệu cũng có thể được chuyển thành tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi ADC. Sau đó tín hiệu số từ ADC được chuyển sang bộ mã hóa BCD và qua bộ giải mã hiển thị lên màn hình hoặc cơ cấu hiển thị tương ứng. 3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ Đo nhiệt độ là phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên của môi trường, không có điện trong đại lượng cần đo. Nhiệt độ được phân làm nhiều dải để đo: Dải mức thấp. Dải mức trung bình. Dải mức cao. Nhiệt độ được đo với các cảm biến hỗ trợ: Cặp nhiệt kế. Nhiệt điện kế kim loại. Nhiệt điện trở kim loại. Nhiệt điện trở bán dẫn. Cảm biến thạch anh. CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 1.Cặp nhiệt ngẫu TCK 1.1. Nguyên lý hoạt động. Cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện thế. Khi hai dây kim loại khác nhau được nối chung ở 2 đầu. Một đầu được coi là đầu lạnh (điểm tham chiếu), một đầu được coi là đầu nóng (điểm đo). Khi hai đầu có nhiệt độ khác nhau – một điện áp được gọi là thế điện động được hình thành. E_T=K_T (t_n+t_td ) (K_T : Hệ số hiệu ứng nhiệt) Nhiệt độ đầu lạnh (điểm tham chiếu) đươc duy trì ở nhiệt độ chuẩn 0℃. Nhưng E_t thực tế thường nhỏ hơn trên lý thuyết . Phương pháp khắc phục: Giữ ổn định nhiệt độ đầu đo. Dùng thiết bị bù nhiệt : E_T=K_T (t_n+t_td )+U_b 1.2.Cấu tạo. 1 Vỏ bảo vệ 2 Mối hàn 3 Dây điện cực 4 Sứ cách điện 5 Bộ phận lắp đặt 6 Vít nối dây 7 Dây nối 8 Đầu nối dây Hình 2.1: Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp 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. Ưu điểm và nhược điểm của cặp nhiệt ngẫu: Ưu điểm : Đơn giản. Khả năng đo nhiệt độ cao. Giá thành thấp. Đáp ứng nhanh đối với sự thay đổi nhiệt độ. Nhược điểm : Độ ổn định kém. Ít nhạy cảm với sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ. Dây dẫn nối dài phải dùng cùng loại thermocouple. Dây dẫn có thể bị nhiễu nếu không bọc chống nhiễu. Dải đo: -100 0C - 1400 0C 1.3.Phân loại cặp nhiệt ngẫu. Phân loại Loại (Type)Vật liệuDải đo(oC)Sai sốSức điện động(mV) BPlatin 30% - Rhodium (+) Platin 6% - Rhodium (-)0 - 1700±0.5%0 – 12.426 TĐồng – Constantan-270 - 370±2%-6.258 – 19.072 JSắt - Constantan-210 – 800±3%-8.095 – 45.498 KCrom - Alumel-270 - 1250±3%-5.354 – 50.633 ECrom - Constantan-276 - 870±3%-9,835 – 66.475 SPlatin – Rhodium 10%-50 - 1500±2.5%-0.236 – 15.576 RPlatin – Rhodium 13%-50 - 1500±3.4%-0.226 – 17.445 Đặc tính vào ra của một số loại cặp nhiệt điện 2.Bộ khuếch đại thuật toán uA741 Chân 1- Chỉnh không Chân 2- Cửa vào đảo Chân 3- Cửa vào không đảo Chân 4- Điện nguồn -V Chân 5- Chỉnh không Chân 6- Chân xuất Chân 7- Điện nguồn +V Chân 8- Không dùng Kí hiệu: Điện áp làm việc của OPAMP uA741 từ -5V/+5V ÷ -15V/+15V. OpAmp là một linh kiện có nhiều chức năng: Khuếch đại hiệu hai điện thế nhập Vo = A (V+ - V-) Khuếch đại điện âm hoặc dương Vo = AV+(V- = 0) Vo = -AV¬- (V + = 0) So sánh hai điện thế nhập Vo = Vs s Khi V+ > V- Vo = -Vs s Khi V+ < V- Vo = 0 Khi V+ = V- Ngoài ra ứng dụng trong mạch tích phân, vi phân, mạch cộng, mạch trừ... 3. IC555 Chân 1- Nối đất Chân 2- Ngõ vào xung Chân 3- Ngõ ra Chân 4- Hồi phục Chân 5- Điện áp điều khiển Chân 6- Điện áp ngưỡng Chân 7- Xả điện Chân 8- Nguồn cấp dương Mạch tích hợp IC555 là mạch tích hợp tương tự - số được ứng dụng rộng rãi. Khi kết hợp với các phần tử R, C bên ngoài cho phép có được mạch tạo xung đơn (mạch định thì) có độ rộng xung mong muốn, hoặc mạch dao động tạo dãy xung vuông có tần số xác định. Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động tốt. Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần. Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2. Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [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 . Chu kỳ xung phụ thuộc rất nhiều vào các phần tử R, C bên ngoài. Thời gian nạp (có xung ra): tn = 0.69(RA+RB) C Thời gian xả điện (không có xung ra): tn = 0.69RBC Chu kì: T=0.69(RA+2RB) C 4.ADC0804. Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự - số, thuộc họ ADC080X. IC có điện áp nuôi +5V và độ phân giải 8 bit. Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là một tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC. Thời gian chuyển đổi được định nghĩa là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân. Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN và không bé hơn 110µs. 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 ADC0804 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 cũng 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=1,1/RC. VD: Với R = 10 kΩ, C = 150 pF và tần số f = 606 kHz và 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 sau: 5.IC74LS83. Hình 2.11. Ký hiệu khối và chân ra 74LS83 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. 6.IC74LS47, 7SEG. IC7447 là một IC giải mã, nó làm nhiệm vụ giải mã từ mã nhị phân logic (dạng 0,1) sang mã của led 7 vạch để xuất ra led 7 vạch. Về cấu tạo nó là một tập hợp các mạch tổ hợp gồm cách linh kiện số logic như các cổng and, or ... Đầu vào của 7447, nhận các giá trị theo nhị phân (BCD) từ 0 tới 9, 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. BI/ RBO, RBI, LT : Chân điều khiển của 7447(Để kích hoạt IC 7447 hoạt động chỉ cần nối BI/RBO=LT=1). 7.Điện trở, transistor. a.Điện trở Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau. Kí hiệu: b. Transistor. Transitor hay còn gọi là bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận, nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược. Kí hiệu: Nguyên lý hoạt động: Muốn cho tranzito làm việc ta phải cung cấp cho các chân cực của nó một điện áp một chiều thích hợp. Có ba chế độ làm việc của tranzito là: Chế độ tích cực (hay chế độ khuếch đại), chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa. Cả hai loại tranzito P-N-P và N-P-N đều có nguyên lý làm việc giống nhau, chỉ có chiều nguồn điện cung cấp vào các chân cực là ngược dấu nhau. + Chế độ ngắt: Cung cấp nguồn điện sao cho hai tiếp xúc P-N đều phân cực ngược. Tranzito có điện trở rất lớn và chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua nên tranzito coi như không dẫn điện. + Chế độ dẫn bão hòa: Cung cấp nguồn điện sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều phân cực thuận. Tranzito có điện trở rất nhỏ và dòng điện qua nó là khá lớn. Ở chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa, tranzito làm việc như một phần tử tuyến tính trong mạch điện. Ở chế độ này tranzito như một khóa điện tử và nó được sử dụng trong các mạch xung, các mạch số. + Chế độ tích cực: Ta cấp nguồn điện sao cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận, và tiếp xúc góp TC phân cực ngược. Ở chế độ tích cực, tranzito làm việc với quá trình biến đổi tín hiệu dòng điện, điện áp, hay công suất và nó có khả năng tạo dao động, khuếch đại tín hiệu... 8.Cơ cấu chỉ thị. Là thiết bị hiển thị cho người dùng biết được nhiệt độ của đối tượng cần đo. Có nhiều cơ cấu chỉ thị khác nhau như: từ điện, điện động... Cấu tạo chung cơ cấu chỉ thị từ điện: phần tĩnh và phần động Phần tĩnh: Gồm nam châm vĩnh cửu, mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6 hình thành mạch từ kín. Giữa cực từ 3 và lõi sắt 6 có có khe hở không khí đều gọi là khe hở làm việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động. Phần động: Gồm khung dây quay 5 được quấn bắng dây đồng. Khung dây được gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo). Trên trục quay có hai lò xo cản 7 mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8. Nguyên lý làm việc chung: Khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α. Mômen quay được tính theo biểu thức: M q =d.Wed.ω=B.S.I.W B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu S: tiết diện khung dây W: số vòng dây của khung dây Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I chạy qua khung dây. Các đặc tính chung: Từ biểu thức suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện có các đặc tính cơ bản sau: Chỉ đo được dòng điện 1 chiều. Đặc tính thang đo đều. Độ nhạy là 1 hằng số. 9.Thiết bị cảnh báo Để cảnh báo quá nhiệt ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi cảnh báo, hoặc ta có thể sử dụng đồng thời cả hai để cảnh báo quá nhiệt. Những thiết bị này thường hoạt động đơn giản dễ dàng lắp đặt và sử dụng được cả nguồn một chiều hay xoay chiều. 10.Nguồn cấp cho mạch. Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V, -12V/+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 cấp điện áp thấp mà ta sử dụng đó là 5V, -12V/+12V. Bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot có tác dụng chỉnh lưu từ dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều. Ngoài ra mạch còn có tụ điện, cuộn cảm để san phẳng điện áp từ mạch chỉnh lưu. Sơ đồ nguyên lý của khối chỉnh lưu cầu 1 pha: Hình 2.12. Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 1 pha với các tải khác nhau CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐO I.Tính toán, lựa chọn cảm biến. Ở đề tài này yêu cầu dải nhiệt độ từ t°C = 0°C ÷ tmax = 0-(100+ 10×n)°C (với n=34) tức là khoảng 0oC÷440oC cho nên ta sẽ chọn cặp nhiệt ngẫu loại J. Vật liệu chế tạo: Sắt-Constantan. Dải đo: -210oC÷800oC. Độ chính xác: ±3%. Sức điện động (mV): -8,095mV ÷45,498mV. II.Tính toán, thiết kế mạch đo. Hình mô phỏng cặp nhiệt ngẫu trong proteus. Hình 3.1. Điện áp ra (Eđ) trên 2 đầu của cặp nhiệt ngẫu Đầu ra trên hai đầu cảm biến cặp nhiệt ngẫu là điện áp (1oC~0.0412mV) nên ở đây ta sẽ sử dụng mạch khuếch đại vi sai đơn giản với sơ đồ không đảo. Mạch dùng phản hồi âm để ổn định hệ số khuếch đại. Với đề bài này thì ta sẽ khuếch đại tín hiệu luôn ở mạch vi sai (điện áp ra từ 0÷5V tương ứng với dải nhiệt độ 0÷4400C). Sơ đồ mô phỏng trên proteus. Hình 3.2. Mạch khuếch đại vi sai đơn giản Tính toán các giá trị của kiện trong mạch. Ta có: 〖U_o=U〗_I2 R_4/(R_3+R_4 ) (1+R_2/R_1 )-U_I1 R_2/R_1 Nếu chọn điều kiện: R_3/R_4 =R_1/R_2 Suy ra: U_o=(U_I2-U_I1)R_2/R_1 Chọn: R_3=R_1,R_4=R_2 Tại T=0oC: Chọn UI1=0V và UI2=0V => Uo = 0V. Tại T=440oC : Chọn UI1=0V và Uo=5V, U_I2=18,1mV => R_2/R_1 =5/18.1mV (1) Từ (1) chọn R_1=1kΩ => R_2=276kΩ. Vậy R_3=R_1=1kΩ,R_4=R_2=276kΩ. Chú ý : Trong mạch nên mắc thêm một biến trở tinh chỉnh RV1 = 1kΩ nối tiếp với R_2 để hiệu chỉnh điện áp đầu ra chuẩn xác hơn. III.Tính toán, thiết kế mạch nguồn. Vì hầu hết các nguồn sử dụng trong mạch đều là nguồn một chiều mà trên thực tế thì nguồn sử dụng là xoay chiều với điện áp là 220V. => Biến đổi dòng xoay chiều sang 1 chiều. Tính chọn máy biến áp: Ở đây chúng ta có hai nguồn đó: +5V, +12V/-12V, như vậy cần sử dụng máy biến áp có nhiều cấp điện áp để lấy ra hai cấp điện áp mình dùng. Hoặc ta có thể hạ xuống 12V rồi dùng con biến trở để chỉnh xuống 5V nhưng sẽ tiêu tốn 1 lượng năng lượng vì vậy nên dùng 2 bộ chỉnh lưu điện áp. Một phương pháp khác là ta có thể dùng khối ổn áp 1 chiều để có đầu ra thay đổi. Phương án thiết kế: Dùng IC ổn áp 1 chiều. Biến áp: Do yêu cầu đặt ra nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào 220V và điện áp ra là 12V. Mạch chỉnh lưu: Do những ưu điểm của mạch chỉnh lưu cầu như điện áp ra ít nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ hơn so với phương pháp cân bằng nên ta sẽ chọn bộ chỉnh lưu cầu 1 pha 2 nửa chu kỳ. Bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san phẳng điện áp để dòng điện phẳng hơn. Lọc bằng tụ điện khá đơn giản và chất lượng học khá cao => dùng tụ điện. Khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp ra +5V, +12V/-12V. Ta sẽ dùng IC7805và IC7812/IC7912. Sơ đồ khối của mạch nguồn: Sơ đồ mạch nguyên lý: IV.Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa. Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp: U=0÷ -5V I=4÷20mA Chuẩn hóa đầu ra U=0÷ -5V Để chuẩn hóa U=0÷ -5V ta sẽ sử dụng mạch khuếch đại đảo với hệ số khuếch đại bằng 1(do ở trên tín hiệu điện áp đã được khuếch đại lên 5V tương ứng với 440oC bằng mạch khuếch đại vi sai). Sơ đồ mô phỏng trên Proteus. Hình 3.3. Mạch đo và mạch chuẩn hóa điện áp đầu ra Tính toán giá trị linh kiện trong mạch. Từ sơ đồ mạch chuẩn hóa ta có hệ số khuếch đại của mạch: Ku=-R_7/R_5 Ku=1 Chọn R_7=R_5=10kΩ Chọn R_6=1kΩ Kết luận: Điện áp được chuẩn hóa từ mạch đo qua mạch khuếch đại đảo. Chuẩn hóa đầu ra I=4÷20mA Để chuẩn hóa đầu ra ở dạng dòng điện từ mạch đo. Có rất nhiều mạch biến đổi từ điện áp – dòng điện với khuếch đại thuật toán. Đối với yêu cầu của bài này (đầu ra I=4÷20mA) thì ta sử dụng sơ đồ mạch biến đổi U-I với 2 bộ KĐTT. Sơ đồ mô phỏng trên Proteus. Hình 3.4. Mạch đo và mạch biến đổi U-I Tính toán các giá trị linh kiện trong mạch: Điều kiện của mạch: R_8 R_12=R_9 R_10 Biểu thức dòng điện ra: I_L=(U_I2-U_I1 ) R_9/R_8 1/R_11 (0) Với I_L=4mA,〖 U〗_I2=0V: => 4mA=(0-U_I1 ) R_9/R_8 1/R_11 (1) Với I_L=20mA,〖 U〗_I2=5V: => 20mA=(5-U_I1 ) R_9/R_8 1/R_11 (2) Lấy (2) chia (1) suy ra: U_I1= -1.25V (3) Chọn R_8=R_9=10kΩ,R_10=R_12=1kΩ,R_L=2.2Ω (4) Từ (0),(3) và (4) suy ra: R_11=312.5Ω Kết luận: Mạch cho phép thay đổi được hệ số biến đổi bằng cách thay đổi R_11. V.Tính toán mạch nhấp nháy cho LED. Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t°C=0÷tmax/2 (từ 0oC ÷ 220oC). Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: τ = (1+0,5×a) giây (với STT=34 => a=4 => τ = 3 giây). Với yêu cầu đặt ra như vậy thì giải pháp là dùng một mạch so sánh + mạch tạo xung vuông đối xứng với T=6s. Cụ thể ta sẽ dùng mạch tạo xung vuông đối xứng sử dụng IC555. Nguyên lý hoạt động chung của mạch: Khi nhiệt độ nằm trong giới hạn 0oC ÷ 220oC thì U- < U+ điện áp ra của mạch so sánh ở mức H. Khi đó chân 4 (RST) được đưa lên mức cao, IC555 hoạt động và chân 3 có xung ra làm cho LED nhấp nháy. Tương tự U- > U+ điện áp ra của mạch so sánh ở mức L, chân 4 (RST) được kéo xuống mức thấp (0V), IC555 ngừng làm việc => LED không nhấp nháy. Sơ đồ mô phỏng trên Proteus. Hình 3.5. Mạch nhấp nháy cho LED Tính toán các giá trị linh kiện trong mạch: Mạch so sánh: Khi U¬- I=((12-2.47)/2.2kΩ) = 4.3mA Vậy R14=U_+/I=2.47/4.3mA =570Ω Mạch tạo xung vuông đối xứng sử dụng IC555(nhấp nháy LED) Với chu kỳ T=6s, ta có T=0.69(R_19+R_20 ) C_2 và R19=R20 (do thời gian nạp bằng thời gian xả) Chọn C2=10uF, =>R19=R20=435kΩ Chọn R18=1kΩ, C1=0.01uF Hình mô phỏng xung ra của IC555 ứng với T=6s Hình 3.7. Xung vuông đối xứng Kết luận: Thời gian tụ được nạp chính là thời gian LED sáng và thời gian tụ xả điện là thời gian LED tắt trong một chu kỳ. VI.Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo. Khi nhiệt độ vượt quá tmax/2 =220oC thì đưa ra tín hiệu cảnh báo tới loa. Với yêu cầu như vậy thì ta sử dụng luôn mạch so sánh + một van bán dẫn đơn giản sử dụng transistor. Nguyên lý hoạt động chung của mạch: Khi nhiệt độ vượt quá tmax/2 = 220oC thì U- > U+ điện áp ra của mạch so sánh ở mức L. Chân B của transistor được kéo xuống mức 0, đồng thời transistor sẽ được phân cực thuận, xuất hiện một dòng điện IEC đi qua loa và làm loa kêu. Ngược lại thì transistor bị phân cực ngược (R=∞) và không có dòng đi qua loa. Sơ đồ mô phỏng trên Proteus. Hình 3.8. Mạch cảnh báo ra loa khi quá nhiệt độ Tính toán các giá trị linh kiện trong mạch: Ở đây để đơn giản ta sử dụng loa thạch anh với điện áp danh định là +5V. Van bán dẫn PNP có thể sử dụng 2N3906, A1015... Điện trở tương ứng trên các chân của van ta chọn như sau: RB = R16 = 10kΩ, RC = R17 = 220Ω. Để ứng dụng trong thực tế, có thể sử dụng van bán dẫn kết hợp với rơle để cảnh báo bằng chuông điện xoay chiều 220V hoặc thiết bị bạn muốn điều khiển. VII. Sử dụng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân. Xây dựng bộ hiển thị số BCD. Sử dụng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân. ADC0804 là một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. IC có điện áp nuôi +5V và độ phân giải 8 bit. Nguyên lý hoạt động chung của mạch: Để ADC0804 làm việc thì chân CS phải được đặt ở mức thấp. Chân RD nhận tín hiệu vào tích cực mức thấp, đồng thời thì chân RW phải có một xung cao xuống thấp để IC bắt đầu quá trình chuyển đổi. Cụ thể trong mạch sử dụng IC555 để tạo xung vuông. LED D1 tắt báo cho người dùng biết quá trình chuyển đổi hoàn tất. RD đang ở mức thấp, tín hiệu số được đưa ra PORT D (DB0-BD7). Quá trình cứ lặp đi lặp lại và điện áp chân V IN được chuyển đổi sang mã nhị phân. Sơ đồ mô phỏng trên Proteus. Hình 3.9. Bộ chuyển đổi điện áp sang mã nhị phân 8 bit Tính toán giá trị linh kiện trong mạch: Mạch chuyển điện áp sang mã nhị phân. Thời gian chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số được quyết định bởi bộ dao động nối với chân CLK IN và CLK R. Chọn R23 = 10 kΩ, C5 = 150 pF => tần số f = 606 kHz (f=1,1/RC) và thời gian chuyển đổi là 110 µs. Điện áp cần đo 0 – 5V nên ta dùng Vcc làm điện áp tham chiếu. Chân INTR là chân ngắt được nối với LED D1 thông qua R24 = 220 Ω. Mạch tạo xung vuông dùng IC555. Ở đây ta chọn thời gian lấy mẫu là 10ms: T=0.69(R_21+2R_22 ).C_4=10ms Chọn 〖C4 = 1uF,R〗_21=5kΩ〖=>R〗_22=4.7kΩ. Cứ sau 10ms IC lại lấy mẫu 1 lần và khi đó điện áp được chuyển đổi sang mã nhị phân liên tục. Xây dựng bộ hiển thị số BCD. Số nhị phân 8 bit có giá trị lớn nhất là 255. Vì vậy ta sẽ sử dụng 3 LED 7 đoạn để hiển thị kết quả tương ứng với hàng đơn vị, hàng chục và hàng trăm. Từ nhận xét này ta chia thành các khối mạch như sau: Khối hiển thị bằng LED 7 đoạn hàng đơn vị, khối mạch hiển thị hàng chục và khối hiển thị hàng trăm. Cách chuyển đổi số nhị phân tự nhiên 8 bit thành số BCD: Đầu tiên ta chuyển số 4 bit thành số BCD: Hai số BCD có giá trị từ 010 đến 910 khi cộng lại cho kết quả từ 010 đến 1810, để đọc được kết quả dạng BCD ta phải hiệu chỉnh kết quả có được từ mạch cộng nhị phân. Dưới đây là kết quả tương đương giữa 3 loại mã: Thập phân, nhị phân và BCD. Nhận thấy: Khi kết quả = 10 để có mã BCD ta phải cộng thêm 6 cho 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. Y=〖C''''''''〗_4+〖S''''''''〗_4 (〖S''''''''〗_(3 )+〖S''''''''〗_2 ) Bảng sự thật: Mạch cộng 2 số BCD được thực hiện theo sơ đồ: Hình 3.10. Mạch cộng 2 số nhị phân 4 bit Vận hành: IC thứ nhất cho kết quả trung gian của phép cộng hai số nhị phân. IC thứ hai dùng hiệu chỉnh để có kết quả là số BCD. Khi kết quả =10, IC 2 nhận ỡ ngõ vào A số 0110 (do Y=1) và kết quả được hiệu chỉnh như đã nói trên. Như vậy ta đã chuyển đổi được số nhị phân 4 bit thành số BCD. Tiếp theo ta sẽ đổi số 5 bit, 6 bit, 7 bit và 8 bit thành số 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. Lúc này có thể xuất hiện bit tràn ở hàng chục nên ta sẽ đưa vào khối hiển thị 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 (nếu có bit tràn thì cộng vào khối hiển thị hàng trăm) và cộng 1 vào khối hiển thị hàng trăm. Tiếp theo là phần hiển thị kết quả: ta sẽ sử dụng IC 7447 hoặc 4551 để giải mã LED 7 đoạn. Cụ thể trong mạch ta sử dụng IC 74LS47 để giải mã BCD hiển thị lên LED 7 thanh. Sơ đồ mô phỏng trên Proteus. Hình 3.11. Bộ chuyển đổi 8 bit sang BCD CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận. Với đề tài được giao em đã cố gắng hoàn thành trong thời gian quy định. Trong quá trình thiết kế, do kiến thức còn hạn hẹp và trình độ hiểu biết chuyên môn còn tương đối hạn chế nên sẽ khó tránh khỏi những sai sót, khuyết điểm. Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo nhiệt tình từ phía các thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn. 4.2 Hạn chế. Hạn chế: Sai số lớn do hệ số Ku của khối khuếch đại lớn, thực tế khó có thể chỉnh về điện áp 0V, do điện trở không thể tiến đến vô cùng. Mạch hiển thị số phức tạp. 4.3. Hướng phát triển của đề tài. Cơ cấu hiển thị và chuyển điện áp sang mã nhị phân có thể dùng vi điều khiển (8051, PIC, AVR...) để việc tính toán và thiết kế dễ dàng hơn.
Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Mơn BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN MÔN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ, VI MẠCH SỐ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: …………………… SINH VIÊN THỰC HIỆN: ……………………… LỚP: TỰ ĐỘNG HÓA – K9 NỘI DUNG Đề Tài: Dùng vi mạch tương tự tính tốn, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu Yêu cầu: - Dải đo từ: tC = 0C ữ tmax = 0-(100+ 10ìn)C - u ra: Chuẩn hóa đầu với mức điện áp U=0 ÷ -5V I=4 ÷ 20mA - Dùng cấu đo để thị Trang Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK - B ộ Môn Khi nhiệt độ giới hạn bình thường: t°C=0÷t max/2 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng tối bằng: τ = (1+0,5×a) giây - Đưa tín hiệu cảnh báo cịi nhiệt độ vượt giá trị: t°C=tmax/2 - Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân Xây dựng b ộ hi ển thị số BCD Trong đó: a: Chữ số hàng đơn vị danh sách (ví dụ: STT = →a=3; STT=10 →a=0 n: Số thứ tự sinh viên danh sách PHẦN THUYẾT MINH Yêu cầu bố cục nội dung: Chương 1: Tổng quan mạch đo Chương 2: Giới thiệu thiết bị Chương 3: Tính tốn, thiết kế mạch đo - Tính tốn, lựa chọn cảm biến - Tính tốn, thiết kế mạch đo - Tính tốn, thiết kế mạch nguồn cung cấp - Tính tốn, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa - Tính tốn mạch nhấp nháy cho LED - Tính tốn, thiết kế mạch cảnh báo - Dùng phần mềm mô mạch Kết luận hướng phát triển Trang Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO I.Tổng quan Trong đo lường tín hiệu thường nhỏ tồn dạng vật lý Do muốn xử lí chúng, ta phải có mạch khuếch đại, mạch biến đổi để xử lý tín hiệu Đo nhiệt độ vậy, có nhiều phương pháp đo tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật giải nhiệt độ Phân làm phương pháp : Đo trực tiếp đo gián tiếp Đo trưc tiếp phương pháp đo chuyển đổi nhi ệt điện đ ươc đặt trực tiếp môi trường cần đo Đo gián tiếp phương pháp đo dụng cụ đo đặt ngồi mơi tr ường cần đo(áp dụng với trường hơp đo nhiệt độ cao ) Ta khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo không ph ải cao Trong nhiệt độ phương pháp trưc tiếp ta khảo sát loại nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu nhiệt kế nhiệt điện trở Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biến nhiệt độ Sau ta tìm hi ểu phương pháp th ường dùng nh ất dùng cặp nhiệt ngẫu II.Hình thành sơ đồ khối Sơ đồ khối Mạch đo gồm có khối bản: Khối cảm biến Mạch khuếch đại (Mạch KĐ vi sai) Mạch chuyển đổi U-I Mạch so sánh Mạch cảnh báo Bộ ADC Cơ cấu thị Trang Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn Khối hiển thị BCD Sơ đồ khối nguyên lý mạch đo: Bộ ADC Khối hiển thị BCD TEMP Khối cảm Mạch KĐ điệnmáp Chức năngbiến khối ạch đo Mạch chuyển U-I Cơ cấu thị Khối cảm biến : Khối cảm biến có chức biến đổi tín hiệu khơng điện thành tín hiệu điện Ở ta dùng cảm biến cặp nhiệt ngẫu để Mạch so Mạch cảnh chuyển đổi nhiệt độ sang tínsánh hiệu điện áp báo Khối khuếch đại : Có chức khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, tín hiệu điện cảm biến đưa thường bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào khối sau Để hạn chế nhiễu người ta thường sử dụng mạch khuếch đại vi sai Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu từ dạng điện áp sang dòng điện đưa lên cấu thị (Cơ cấu điện từ) Mạch so sánh : Có tác dụng so sánh tín hiệu đưa từ khối khu ếch đ ại đ ể đưa khối sau Cụ thể việc so sánh tín hiệu ứng dụng cho mạch cảnh báo có nhiệt độ Khối cánh báo: Cảnh báo cho người biết nhiệt độ tăng cao so với nhiệt độ cho phép Bộ ADC: Có chức chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hi ệu s ố Sau đưa lên phận giải mã để hiển thị Khối hiển thị BCD: Có chức chuyển đổi đầu vào 4bit 8bit sang bảng mã BCD để hiển thị nhiệt độ tương ứng lên LED Đó khối dùng để đo, hiển thị cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến cặp nhiệt ngẫu III.Tổng quan mạch đo 3.1 Mạch đo Trang Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn Đối tượng cần đo đại lượng vật lý, dựa vào đặc tính đ ại l ượng c ần đo mà chọn loại cảm biến phù hợp để thực việc biến đổi thông s ố cần đo thành đại lượng điện hay điện áp Sau tín hiệu chuyển qua lọc khuếch đại lên Tín hiệu sau hiệu chỉnh chuyển qua chuyển đổi U-I đ ể đưa vào cấu thị Tín hiệu chuyển thành tín hiệu s ố thơng qua b ộ chuy ển đ ổi ADC Sau tín hiệu số từ ADC chuyển sang mã hóa BCD qua b ộ gi ải mã hiển thị lên hình cấu hiển thị tương ứng 3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ Đo nhiệt độ phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên c mơi tr ường, khơng có điện đại lượng cần đo Nhiệt độ phân làm nhiều dải để đo: + Dải mức thấp + Dải mức trung bình + Dải mức cao Nhiệt độ đo với cảm biến hỗ trợ: + Cặp nhiệt kế + Nhiệt điện kế kim loại + Nhiệt điện trở kim loại + Nhiệt điện trở bán dẫn + Cảm biến thạch anh Trang Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn CH ƯƠ NG II: GI Ớ I THI Ệ U CÁC THI Ế T B Ị CHÍNH 1.Cặp nhiệt ngẫu TCK 1.1 Nguyên lý hoạt động Cảm biến nhiệt ngẫu dựa sở hiệu ứng nhiệt điện Khi hai dây kim loại khác nối chung đầu Một đầu coi đầu lạnh (điểm tham chiếu), đầu coi đầu nóng (điểm đo) Khi hai đầu có nhi ệt đ ộ khác – điện áp gọi điện động hình thành ( : Hệ số hiệu ứng nhiệt) Nhiệt độ đầu lạnh (điểm tham chiếu) đươc trì nhiệt độ chuẩn Nhưng thực tế thường nhỏ lý thuyết Phương pháp khắc phục: + Giữ ổn định nhiệt độ đầu đo + Dùng thiết bị bù nhiệt : 1.2.Cấu tạo V ỏ bả o v ệ Mối hàn Dây điện cực Sứ cách điện Bộ phận lắp đặt Vít nối dây Dây nối Đầu nối dây Hình 2.1: Cấu tạo điển hình cặp nhiệt công nghiệp Trang Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn Đầu làm việc điện cực (3) hàn nối với hàn vảy, hàn khí hàn tia điện tử Đầu tự nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ vít nối (6) dây đặt đầu nối dây (8) Để cách ly điện cực người ta dùng ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ hoá học đủ độ bền nhiệt nhiệt độ làm việc Để bảo vệ điện cực, cặp nhi ệt có v ỏ b ảo v ệ (1) làm b ằng s ứ chịu nhiệt thép chịu nhiệt Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt khơng q nhỏ khơng lớn Trường hợp vỏ thép mối hàn đầu làm việc tiếp xúc với vỏ Hình 2.2 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu để giảm thời gian hồi đáp Ưu điểm nhược điểm cặp nhiệt ngẫu: Ưu điểm : + Đơn giản + Khả đo nhiệt độ cao + Giá thành thấp + Đáp ứng nhanh thay đổi nhiệt độ Nhược điểm : + Độ ổn định + Ít nhạy cảm với thay đổi nhỏ nhiệt độ + Dây dẫn nối dài phải dùng loại thermocouple + Dây dẫn bị nhiễu khơng bọc chống nhiễu Dải đo: -100 0C - 1400 0C 1.3.Phân loại cặp nhiệt ngẫu + Phân loại Loại (Type) B Vật liệu Platin 30% - Rhodium (+) Platin 6% - Rhodium (-) Dải đo(oC) Sai số - 1700 ±0.5% Sức điện động(mV) – 12.426 Trang Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn T Đồng – Constantan -270 - 370 ±2% -6.258 – 19.072 J Sắt - Constantan -210 – 800 ±3% -8.095 – 45.498 K Crom - Alumel -270 - 1250 ±3% -5.354 – 50.633 E Crom - Constantan -276 - 870 ±3% -9,835 – 66.475 S Platin – Rhodium 10% -50 - 1500 ±2.5% -0.236 – 15.576 R Platin – Rhodium 13% -50 - 1500 ±3.4% -0.226 – 17.445 + Đặc tính vào số loại cặp nhiệt điện 2.Bộ khuếch đại thuật tốn uA741 Chân 1- Chỉnh khơng Chân 2- Cửa vào đảo Chân 3- Cửa vào không đảo Chân 4- Điện nguồn -V Chân 5- Chỉnh không Chân 6- Chân xuất Chân 7- Điện nguồn +V Chân 8- Khơng dùng Hình 2.6 Sơ đồ chân OPAMP uA741 Trang Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Mơn Kí hiệu: Điện áp làm việc OPAMP uA741 từ -5V/+5V ÷ -15V/+15V OpAmp linh kiện có nhiều chức năng: - Khuếch đại hiệu hai điện nhập Vo = A (V+ - V-) - Khuếch đại điện âm dương Vo = AV+(V- = 0) Vo = -AV- (V + = 0) - So sánh hai điện nhập Vo = Vs s Khi V+ > VVo = -Vs s Khi V+ < VVo = Khi V+ = V- Ngoài ứng dụng mạch tích phân, vi phân, mạch cộng, mạch trừ IC555 Chân 1- Nối đất Chân 2- Ngõ vào xung Chân 3- Ngõ Chân 4- Hồi phục Chân 5- Điện áp điều khiển Chân 6- Điện áp ngưỡng Chân 7- Xả điện Chân 8- Nguồn cấp dương Hình 2.7 Sơ đồ chức chân IC555 Mạch tích hợp IC555 mạch tích hợp tương tự - số ứng dụng rộng rãi Khi kết hợp với phần tử R, C bên ngồi cho phép có mạch tạo xung đơn (mạch định thì) có độ rộng xung mong muốn, mạch dao động tạo dãy xung vng có tần số xác định Cấu tạo IC đơn giản hoạt động tốt Bên gồm điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành ph ần C ấu t ạo Trang Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương Op-amp điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm Op-amp Khi ện áp chân nh ỏ h ơn 1/3 VCC, chân S = [1] FF kích Khi ện áp chân l ớn h ơn 2/3 VCC, chân R FF = [1] FF reset Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý IC555 Chu kỳ xung phụ thuộc nhiều vào Hinh 2.9 Nguyên lý hoạt động IC555 phần tử R, C bên ngồi Thời gian nạp (có xung ra): tn = 0.69(RA+RB) C Thời gian xả điện (khơng có xung ra): tn = 0.69RBC Chu kì: T=0.69(RA+2RB) C 4.ADC0804 Chip ADC0804 chuyển đổi tương tự - số, thuộc họ ADC080X IC có điện áp ni +5V độ phân giải bit Ngồi độ phân giải thời gian chuyển đổi tham số quan trọng đánh giá ADC Thời gian chuyển đổi định nghĩa thời gian mà ADC cần để chuyển đầu vào tương tự thành số nhị phân Đối với Hình 2.10 Sơ đồ chân ADC0804 ADC0804 thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ cấp tới chân CLK R CLK IN không bé 110µs Các chân khác ADC0804 có chức sau: Trang 10 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn Là thiết bị hiển thị cho người dùng biết nhiệt độ đối tượng cần đo Có nhiều cấu thị khác như: từ điện, điện động Cấu tạo chung cấu thị từ điện: phần tĩnh phần động Phần tĩnh: Gồm nam châm vĩnh cửu, mạch từ cực từ lõi sắt hình thành mạch từ kín Giữa cực từ lõi sắt có có khe h khơng khí đ ều gọi khe hở làm việc, đặt khung quay chuyển động Phần động: Gồm khung dây quay quấn bắng dây đồng Khung dây gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo) Trên trục quay có hai lị xo cản mắc ngược nhau, kim thị thang đo Nguyên lý làm việc chung: Khi có dịng điện chạy qua khung dây (phần động), tác động từ trường nam châm vĩnh cửu (phần tĩnh) sinh mômen quay Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu góc α Mơmen quay tính theo biểu thức: M q ==B.S.I.W B: độ từ cảm nam châm vĩnh cửu S: tiết diện khung dây W: số vòng dây khung dây Với cấu thị cụ thể B, S, W, D s ố nên góc l ệch α tỷ lệ bậc với dòng điện I chạy qua khung dây Các đặc tính chung: Từ biểu thức suy cấu thị từ điện có đặc tính sau: + Chỉ đo dịng điện chiều + Đặc tính thang đo + Độ nhạy số 9.Thiết bị cảnh báo Để cảnh báo nhiệt ta sử dụng chng cảnh báo ho ặc cịi c ảnh báo, ta sử dụng đồng thời hai để cảnh báo nhi ệt Những thi ết bị Trang 14 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn thường hoạt động đơn giản dễ dàng lắp đặt sử dụng nguồn chiều hay xoay chiều 10.Nguồn cấp cho mạch Trong mạch sử dụng nguồn điện chiều với cấp điện áp 5V, -12V/+12V tùy theo yêu cầu mạch thực tế nguồn điện chi ều thường ch ỉnh lưu từ nguồn xoay chiều Nguồn cấp gồm có: + Máy biến áp có chức hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta s dụng 5V, -12V/+12V + Bộ chỉnh lưu cầu gồm có đio t có tác dụng chỉnh lưu từ dịng xoay chiều sang dịng chiều Ngồi mạch cịn có tụ điện, cuộn cảm để san phẳng điện áp từ mạch chỉnh lưu Sơ đồ nguyên lý khối chỉnh lưu cầu pha: Hình 2.12 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu pha với tải khác Trang 15 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Mơn CHƯƠNG III: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH ĐO I.Tính tốn, lựa chọn cảm biến Ở đề tài yêu cầu dải nhiệt độ từ t°C = 0°C ÷ t max = 0-(100+ 10×n)°C (với n=34) tức khoảng 0oC÷440oC ta chọn cặp nhiệt ngẫu loại J Vật liệu chế tạo: Sắt-Constantan Dải đo: -210oC÷800oC Độ xác: ±3% Sức điện động (mV): -8,095mV ÷45,498mV II.Tính tốn, thiết kế mạch đo - Hình mơ cặp nhiệt ngẫu proteus Hình 3.1 Điện áp (Eđ) đầu cặp nhiệt ngẫu - Đầu hai đầu cảm biến cặp nhiệt ngẫu điện áp (1 oC~0.0412mV) nên ta sử dụng mạch khuếch đại vi sai đơn giản với s đồ không đ ảo Mạch dùng phản hồi âm để ổn định hệ số khuếch đại - Với đề ta khuếch đại tín hiệu ln mạch vi sai (đi ện áp từ 0÷5V tương ứng với dải nhiệt độ 0÷4400C) - Sơ đồ mơ proteus Hình 3.2 Mạch khuếch đại vi sai đơn giản Trang 16 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Mơn T - í n h toán giá trị kiện mạch Ta có: Nếu chọn điều kiện: Suy ra: Chọn: Tại T=0oC: Chọn UI1=0V UI2=0V => Uo = 0V Tại T=440oC : Chọn UI1=0V Uo=5V, => Từ chọn => Vậy Chú ý : Trong mạch nên mắc thêm biến trở tinh chỉnh RV1 = n ối ti ếp v ới để hiệu chỉnh điện áp đầu chuẩn xác III.Tính tốn, thiết kế mạch nguồn Vì hầu hết nguồn sử dụng mạch nguồn chi ều mà thực tế nguồn sử dụng xoay chiều với điện áp 220V => Biến đổi dòng xoay chiều sang chiều Tính chọn máy biến áp: Ở có hai ngu ồn đó: +5V, +12V/-12V, nh cần sử dụng máy biến áp có nhiều cấp điện áp đ ể l hai c ấp ện áp dùng Hoặc ta hạ xuống 12V dùng bi ến tr để ch ỉnh xu ống 5V tiêu tốn lượng lượng nên dùng ch ỉnh l ưu ện áp Một phương pháp khác ta dùng khối ổn áp chi ều đ ể có đ ầu thay đổi Trang 17 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn Phương án thiết kế: Dùng IC ổn áp chiều + Biến áp: Do yêu cầu đặt nên ta sử dụng bi ến áp có ện áp vào 220V điện áp 12V + Mạch chỉnh lưu: Do ưu điểm mạch chỉnh lưu cầu điện áp nhấp nháy, điện áp ngược mà điơt phải chịu nhỏ so với phương pháp cân nên ta chọn chỉnh lưu cầu pha nửa chu kỳ + Bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san phẳng điện áp để dòng ện phẳng h ơn L ọc tụ điện đơn giản chất lượng học cao => dùng tụ điện + Khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp +5V, +12V/-12V Ta dùng IC7805và IC7812/IC7912 + Sơ đồ khối mạch nguồn: + Sơ đồ mạch ngun lý: IV.Tính tốn, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa Đầu ra: Chuẩn hóa đầu với mức điện áp: U=0÷ -5V I=4÷20mA Chuẩn hóa đầu U=0÷ -5V - Để chuẩn hóa U=0÷ -5V ta sử dụng mạch khuếch đại đảo với hệ số khuếch đại 1(do tín hiệu điện áp khuếch đại lên 5V tương ứng với 440oC mạch khuếch đại vi sai) - Sơ đồ mô Proteus Trang 18 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Mơn Hình 3.3 Mạch đo mạch chuẩn hóa điện áp đầu - Tính tốn giá trị linh kiện mạch Từ sơ đồ mạch chuẩn hóa ta có hệ số khuếch đại mạch: + Chọn + Chọn - Kết luận: Điện áp chuẩn hóa từ mạch đo qua mạch khuếch đại đảo Chuẩn hóa đầu I=4÷20mA - Để chuẩn hóa đầu dạng dịng điện từ mạch đo Có nhiều mạch bi ến đổi từ điện áp – dịng điện với khuếch đại thuật tốn - Đối với u cầu (đầu I=4÷20mA) ta sử dụng s đồ mạch biến đổi U-I với KĐTT - Sơ đồ mô Proteus Trang 19 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Mơn Hình 3.4 Mạch đo mạch biến đổi U-I - Tính tốn giá trị linh kiện mạch: Điều kiện mạch: Biểu thức dòng điện ra: + Với ,: => + Với ,: => Lấy suy ra: Chọn Từ suy ra: - Kết luận: Mạch cho phép thay đổi hệ số biến đổi cách thay đổi V.Tính tốn mạch nhấp nháy cho LED - Khi nhiệt độ giới hạn bình thường: t°C=0÷t max/2 (từ 0oC ÷ 220oC) Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng tối b ằng: τ = (1+0,5×a) giây (với STT=34 => a=4 => τ = giây) - Với yêu cầu đặt giải pháp dùng mạch so sánh + m ạch tạo xung vuông đối xứng với T=6s Cụ thể ta dùng mạch tạo xung vuông đ ối xứng sử dụng IC555 - Nguyên lý hoạt động chung mạch: Khi nhiệt độ n ằm gi ới hạn oC ÷ 220oC U- < U+ điện áp mạch so sánh mức H Khi chân (RST) đưa lên mức cao, IC555 hoạt động chân có xung làm cho LED nhấp nháy Tương tự U- > U+ điện áp mạch so sánh mức L, chân (RST) kéo xuống mức thấp (0V), IC555 ngừng làm việc => LED không nhấp nháy - Sơ đồ mô Proteus Trang 20 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Mơn Hình 3.5 Mạch nhấp nháy cho LED - Tính toán giá trị linh kiện mạch: Mạch so sánh: Khi U- = 4.3mA + Vậy =570Ω Mạch tạo xung vuông đối xứng sử dụng IC555(nhấp nháy LED) + Với chu kỳ T=6s, ta có T=0.69 R19=R20 (do thời gian nạp thời gian xả) + Chọn C2=10uF, =>R19=R20=435kΩ + Chọn R18=1kΩ, C1=0.01uF + Hình mơ xung IC555 ứng với T=6s Hình 3.7 Xung vng đối xứng Trang 21 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn Kết luận: Thời gian tụ nạp thời gian LED sáng th ời gian tụ xả điện thời gian LED tắt chu kỳ VI.Tính tốn, thiết kế mạch cảnh báo - Khi nhiệt độ vượt tmax/2 =220oC đưa tín hiệu cảnh báo tới loa Với u cầu ta sử dụng ln mạch so sánh + van bán d ẫn đ ơn giản sử dụng transistor - Nguyên lý hoạt động chung mạch: Khi nhiệt độ vượt t max/2 = 220oC U- > U+ điện áp mạch so sánh mức L Chân B transistor kéo xuống mức 0, đồng thời transistor phân cực thuận, xuất hi ện m ột dòng điện IEC qua loa làm loa kêu Ngược lại transistor bị phân cực ngược (R=∞) khơng có dịng qua loa - Sơ đồ mô Proteus Hình 3.8 Mạch cảnh báo loa nhiệt độ - Tính tốn giá trị linh kiện mạch: Ở để đơn giản ta sử dụng loa thạch anh với điện áp danh định +5V Van bán dẫn PNP sử dụng 2N3906, A1015 Điện trở tương ứng chân van ta chọn sau: R B = R16 = 10kΩ, RC = R17 = 220Ω Để ứng dụng thực tế, sử dụng van bán dẫn kết hợp với rơle để cảnh báo chuông điện xoay chiều 220V thiết bị bạn muốn ều khiển Trang 22 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn VII Sử dụng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân Xây dựng hiển thị số BCD Sử dụng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân - ADC0804 chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hi ệu số IC có điện áp nuôi +5V độ phân giải bit - Nguyên lý hoạt động chung mạch: Để ADC0804 làm việc chân CS ph ải đặt mức thấp Chân RD nhận tín hiệu vào tích cực mức thấp, đồng thời chân RW phải có xung cao xuống thấp để IC bắt đầu trình chuy ển đổi Cụ thể mạch sử dụng IC555 để tạo xung vuông LED D tắt báo cho người dùng biết q trình chuyển đổi hồn tất RD mức th ấp, tín hi ệu số đưa PORT D (DB0-BD7) Quá trình lặp lặp lại ện áp chân V IN chuyển đổi sang mã nhị phân - Sơ đồ mô Proteus Hình 3.9 Bộ chuyển đổi điện áp sang mã nhị phân bit - Tính tốn giá trị linh kiện mạch: Mạch chuyển điện áp sang mã nhị phân + Thời gian chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số định dao động nối với chân CLK IN CLK R Chọn R23 = 10 kΩ, C5 = 150 pF => tần số f = 606 kHz (f=1,1/RC) thời gian chuyển đổi 110 µs + Điện áp cần đo – 5V nên ta dùng Vcc làm điện áp tham chiếu + Chân INTR chân ngắt nối với LED D1 thông qua R24 = 220 Ω Mạch tạo xung vuông dùng IC555 + Ở ta chọn thời gian lấy mẫu 10ms: T=0.69 Trang 23 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn Chọn + Cứ sau 10ms IC lại lấy mẫu lần điện áp chuy ển đổi sang mã nhị phân liên tục Xây dựng hiển thị số BCD - Số nhị phân bit có giá trị lớn 255 Vì ta s d ụng LED đo ạn để hiển thị kết tương ứng với hàng đơn vị, hàng chục hàng trăm - Từ nhận xét ta chia thành khối mạch sau: Kh ối hi ển th ị b ằng LED đoạn hàng đơn vị, khối mạch hiển thị hàng chục khối hiển thị hàng trăm - Cách chuyển đổi số nhị phân tự nhiên bit thành số BCD: + Đầu tiên ta chuyển số bit thành số BCD: Hai số BCD có giá trị từ 10 đến 910 cộng lại cho kết từ 10 đến 1810, để đọc kết dạng BCD ta phải hiệu chỉnh kết có từ mạch cộng nhị phân + Dưới kết tương đương loại mã: Thập phân, nhị phân BCD - Nhận thấy: + Khi kết = 10 để có mã BCD ta phải cộng thêm cho mã nhị phân - Để giải vấn đề hiệu chỉnh trước tiên ta thực mạch phát kết trung gian mạch cộng s ố nhị phân bit M ạch nh ận kết trung gian phép cộng s ố nhị phân bit cho ngõ Y=1 kết >= 10, ngược lại Y=0 - Bảng thật: Trang 24 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn - Mạch cộng số BCD thực theo sơ đồ: Hình 3.10 Mạch cộng số nhị phân bit - Vận hành: IC thứ cho kết trung gian phép cộng hai số nhị phân IC thứ hai dùng hiệu chỉnh để có kết số BCD + Khi kết =10, IC nhận ỡ ngõ vào A số 0110 (do Y=1) kết hiệu chỉnh nói - Như ta chuyển đổi số nhị phân bit thành số BCD - Tiếp theo ta đổi số bit, bit, bit bit thành s ố BCD Ở bít thứ (giá trị thập phân tương ứng 16) Vì vậy, ta cộng vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng vào khối hiển thị hàng chục Ở bít thứ (giá trị thập phân tương ứng 32) Vì vậy, ta cộng vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng vào khối hiển thị hàng chục Ở bít thứ (giá trị thập phân tương ứng 64) Vì vậy, ta cộng vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng vào khối hiển thị hàng chục Lúc xuất bit tràn hàng chục nên ta đưa vào khối hiển thị hàng trăm Trang 25 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Mơn Ở bít thứ (giá trị thập phân tương ứng 128) Vì vậy, ta cộng vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng vào khối hiển thị hàng chục (nếu có bit tràn cộng vào khối hiển thị hàng trăm) cộng vào kh ối hi ển th ị hàng trăm - Tiếp theo phần hiển thị kết quả: ta sử dụng IC 7447 4551 đ ể gi ải mã LED đoạn Cụ thể mạch ta sử dụng IC 74LS47 để gi ải mã BCD hi ển thị lên LED - Sơ đồ mơ Proteus Hình 3.11 Bộ chuyển đổi bit sang BCD Trang 26 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận Với đề tài giao em cố gắng hoàn thành thời gian quy định Trong q trình thiết kế, kiến thức cịn hạn hẹp trình độ hi ểu bi ết chuyên mơn cịn tương đối hạn chế nên khó tránh khỏi sai sót, khuy ết ểm Em r ất mong nhận góp ý bảo nhiệt tình từ phía thầy đ ể đề tài hoàn thiện 4.2 Hạn chế Hạn chế: Trang 27 Trường ĐHCN Hà Nội ĐLĐK B ộ Môn - Sai số lớn hệ số Ku khối khuếch đại lớn, thực tế khó có th ể ch ỉnh v ề điện áp 0V, điện trở tiến đến vô - Mạch hiển thị số phức tạp 4.3 Hướng phát triển đề tài Cơ cấu hiển thị chuyển điện áp sang mã nhị phân có th ể dùng vi ều ển (8051, PIC, AVR ) để việc tính tốn thiết kế dễ dàng Trang 28 ... chân RD để đưa liệu Vin (+) Vin (-): Chân số chân số 7, đầu vào tương tự vi sai, Vin = Vin (+) – Vin (-) Thông thường Vin (-) n ối t ới đ ất Vin (+) dùng làm đầu vào tương tự chuyển đổi dạng số... chân IC555 Mạch tích hợp IC555 mạch tích hợp tương tự - số ứng dụng rộng rãi Khi kết hợp với phần tử R, C bên ngồi cho phép có mạch tạo xung đơn (mạch định thì) có độ rộng xung mong muốn, mạch dao... nhiệt ngẫu II.Hình thành sơ đồ khối Sơ đồ khối Mạch đo gồm có khối bản: Khối cảm biến Mạch khuếch đại (Mạch KĐ vi sai) Mạch chuyển đổi U-I Mạch so sánh Mạch cảnh báo Bộ ADC Cơ cấu thị Trang Trường