Đồ Án Cơ Sở 1 Mạch Đo Và Điều Khiển Nhiệt Độ.docx

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CƠ SỞ 1 MẠCH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Ngành CƠ ĐIỆN ĐIỆN TỬ Chuyên ngành ĐIỆN CÔNG NGHIỆP LỜI CẢM ƠN eee[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CƠ SỞ MẠCH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Ngành: CƠ - ĐIỆN- ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP LỜI CẢM ƠN eee Xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Văn Vinh giáo viên hướng dẫn đồ án giúp em hoàn thành đồ án môn học, ôn lại số kiến thức cũ bổ sung thêm kiến thức trình thực đồ án MỤC LỤC eee LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH .6 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 1.4 YÊU CẦU ĐỀ TÀI .7 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .7 1.6 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.TỤ ĐIỆN 2.2 ĐIỆN TRỞ THAN 2.3.BIẾN TRỞ 2.4 MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 2.5.CẢM BIẾN 10 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH CẢM BIẾN NHIỆT .18 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI 18 3.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ .18 3.2.1 Mạch khuếch đại tín hiệu 18 CHƯƠNG 4: THI CÔNG MẠCH 22 §4.1 THI CÔNG 22 4.1.1 Sơ đồ mạch in .22 4.1.2 Phương pháp làm mạch in 22 4.1.3 Sơ đồ thi công mạch điều khiển nhiệt độ 23 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .24 5.1.ƯU ĐIỂM VÀ GIỚI HẠN CỦA CẶP NHIỆT ĐIỆN .24 5.2 NHƯỢC ĐIỂM 24 5.3 ỨNG DỤNG .24 THAM KHẢO TÀI LIỆU 25 DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH Hình 2-1: Tụ điện phân cực Hình 2-2: Tụ khơng phân cực (tụ gốm) Hình 2-3: Cấu tạo điện trở than Hình 2-4a: Cấu tạo ký hiệu biến trở Hình 2-4b: Biến trở đơn biến trở đơi Hình 2-5: Ký hiệu OP-AMPvà cách cấp nguồn đối xứng Hình 2-6: Nguyên tắc đo cặp nhiệt có dây bù Hình 2-7a:Loại dây Hình 2-7b: Loại Hình 2-8: Hình dáng vài cặp nhiệt loại Hình 2-9: Đặc tính cặp nhiệt Hình 3.1: Sơ đồ khối Hình 3-2: Mạch khuếch đại tín hiệu Hình 3-3: Mạch mạch so sánh tín hiệu Hình 3-4: Mạch mạch giao tiếp tải Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý Hình 4-1: Sơ đồ mạch in Hình 4.2: Sơ đồ mạch in hàn board Hình 4.3: Sơ đồ mạch in bố trí linh kiện Bảng : Bảng tra đổi từ nhiệt độ (T) điện áp Bảng : Bảng tra đổi từ nhiệt độ (J) điện áp Bảng : Bảng tra đổi từ nhiệt độ (K) điện áp Bảng 4: Bảng thông số cặp nhiệt CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Với nhu cầu phát triển nay, bước cơng nghiệp hóa đại hóa sống Nên việc tự động hóa việc làm cần thiết Chỉ cần dùng nhiệt độ điều khiển thiết bị sản xuất công nghiệp theo nhu cầu phát triển 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI - Nhắc lại kiến thức môn điện tử - Khảo sát số linh kiện có mạch - Hồn thiện kỹ làm mạch - Mạch hoạt động tốt 1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI Sử dụng phẩn mềm thiết kế mạch,tìm hiểu nguyên lý hoạt động linh kiện,các khối mạch.Phương pháp làm mạch in 1.4 YÊU CẦU ĐỀ TÀI Khi có tín hiệu vào đến khối cảm biến tín hiệu nhiệt độ điều khiển ngõ theo yêu cầu cấp tín hiệu cho ngõ để điều khiển thiệt bị.Cấu tạo đơn giản,dễ dàng lắp đặt,linh kiện dễ tìm kiếm,thơng dụng 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thu thập thông tin từ bạn bè làm lĩnh vực điện tử,từ tài liệu mà trước học.Sử dụng phần mềm proteus để thiết kế mạch chạy mô 1.6 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN - Gồm chương: Chương 1: Giới thiệu đề tài Chương : Cơ sở lý thuyết Chương : Tính tốn thiết kế Chương : Thi cơng mơ hình Chương : Kết luận CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.TỤ ĐIỆN 2.1.1 Tụ điện phân cực Tụ điện phân thường sử dụng mạch nguồn DC để giảm điện áp nhấp nhô hay cho điện áp phẳng Là tụ phân cực nên điện áp DC đưa tới tụ phải cực, điện áp dương đưa vào chân dương, điện áp âm đưa vào chân âm Nếu không phân cực làm hỏng tụ Hình 2-1: Tụ điện phân cực 2.1.2 Tụ không phân cực Tụ gốm hay tụ đĩa, loại tụ không phân cực hay dùng mạch điện Tụ thường có giá trị dải từ vài pF tới hai uF Giá trị tụ mã số in thân tụ, đơn vị tính pF Hình 2-2: Tụ khơng phân cực (tụ gốm) 2.2 ĐIỆN TRỞ THAN Điện trở than sử dụng nhiều mạch điện, hỗn hợp bột than chất khác Tùy tỉ lệ pha trộn mà điện trở có trị số lớn hay nhỏ Bên điện trở than bọc lớp cách điện Trị số điện trở ghi vòng màu theo qui ước Mỹ Cấu tạo điện trở than vòng màu hình 2.3 Hình 2-3: Cấu tạo điện trở than 2.3.BIẾN TRỞ VR VR 3 Hình 2-4a: Cấu tạo ký hiệu biến trở Hình 2-4b: Biến trở đơn biến trở đôi Biến trở -còn gọi chiết áp- cấu tạo gồm điện trở màng than hay dây quấn có dạng hình cung góc quay 2700, trục xoay nối với trượt làm than cho biến trở dây quấn (hay làm kim loại cho biến trở than) Con trượt ép lên mặt điện trở để nối tiếp xúc làm thay đổi trị số điện trở xoay trục 2.4 MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN Thường gọi tắt OP-AMP (Operational-Amplifier), thiết kế để thực phép toán như: cộng, trừ, nhân, chia, vi phân, tích phân… máy tính tương tự Trong q trình phát triển OP-AMP cịn có thêm nhiều ứng dụng khác trở thành linh kiện tích cực quan trọng mạch khuếch đại AC, mạch khuếch đại DC, mạch so sánh, mạch dao động, mạch tạo xung, mạch đo… Trong loại OP-AMP sản xuất sử dụng, IC741 xem OP-AMP tiêu chuẩn, loại vi mạch đơn khối tích hợp lớn chế tạo theo công nghệ màng mỏng Nhờ khả tích hợp lớn nên IC741 ứng dụng rộng rãi đa dạng Trong chương chủ yếu giới thiệu đặc tính kỹ thuật mạch ứng dụng IC741 Các chân ra: +V In+ - Out: ngõ In - +V/-V: nối nguồn dương / âm - GND: điểm chung, điểm 0V (mass) + Out - - In- : ngõ vào đảo - In+: ngõ vào không đảo -V Hình 2-5: Ký hiệu OP-AMPvà cách cấp nguồn đối xứng 2.5.CẢM BIẾN 2.5.1 Đại cương - Trong sản xuất công nghiệp đời sống tự nhiên, đại lượng vật lý, hóa học, sinh học cần đo lường, kiểm tra, điều chỉnh, khống chế hay tự động điều khiển… thường đại lượng khơng điện Thí dụ: ánh sáng, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, từ trường, khoảng cách, lưu lượng, vận tốc… - Linh kiện cảm biến có chức chuyển đổi đại lượng khơng điện thành tín hiệu điện, hay từ đại lượng điện sang dạng đại lượng khác “Các cảm biến thường định nghĩa theo nghĩa rộng thiết bị cảm nhận đáp ứng tín hiệu kích thích” -Trong hệ thống đo lường, điều khiển tự động đại, thường có yêu cầu hồi tiếp để khống chếtrạng thái trình Việc thu nhận xử lý tín hiệu thường vi xử lý đảm nhận điều khiển tự động theo chương trình cài đặt trước 2.5.2 Vai Trị -Cảm biến vai trị quan trọng tốn điều khiển q trình nói riêng hệ thống điều khiển tự động nói chung Cảm biến thiết bị có khả cảm nhận tín hiệu điều khiển vào, ra, 2.5.3 Phân Loại Có nhiều loại linh kiện cảm biến sau: a Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi - Linh kiện cảm biến vật lý; - Linh kiện cảm biến hóa học; - Linh kiện cảm biến sinh học b Phân loại theo thông số mơ hình mạch thay - Cảm biến tích cực (có nguồn) đầu nguồn áp hay nguồn dịng; - Cảm biến thụ động (khơng có nguồn) đặt trưng bảng thông số R, L, C…, tuyến tính hay phi tuyến c Phân loại - Nhiệt điện trở kim loại; - Nhiệt trở bán dẫn; - Cặp nhiệt; - IC cảm biến nhiệt 2.5.4.CẢM BIẾN NHIỆT 2.5.4.1 Định nghĩa -Từ lâu ta biết tính chất vật chất có liên quan mật thiết tới mức độ nóng lạnh vật chất Nóng lạnh thể tình trạng giữ nhiệt vật mức độ nóng lạnh gọi nhiệt độ -Nhiệt độ đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt vật chất ảnh hưởng lớn đến nhiều tính chất vật chất, đó, đo nhiệt độ đóng vai trị quan trọng cơng nghiệp nhiều lĩnh vực khác đời sống.Theo thuyết động học phân tử động vật : E= KT T= 2E 3K Trong đó: K – số Bonltman (với K = 1,38.10−23 J/oK); E – Động trung bình chuyển động thẳng phân tử; T – Nhiệt độ tuyệt đối vật Theo định luật nhiệt động học: Nhiệt lượng nhận vào hay toả mơi chất chu trình Cácnơ tương ứng với nhiệt độ mơi chất có quan hệ: Q1 T = Q2 T Q2-Q1 Q1,Q2: nhiệt lượng Q1 T1,T2: nhiệt độ Hình cho thấy, chất nhiệt độ T để tăng lên nhiệt độ T cần nhận thêm lượng ΔQ = QQ = Q2 – Q1, ngược lại Vậy khái niệm nhiệt độ không phụ thuộc vào chất mà phụ thuộc vào nhiệt lượng nhận vào hay tỏa vật Muốn đo nhiệt độ phải tìm cách xác định đơn vị nhiệt độ để xây dựng thành thang đo nhiệt độ (có gọi thước đo nhiệt độ, nhiệt giai) Dụng cụ dùng đo nhiệt độ gọi nhiệt kế, nhiệt kế dùng đo nhiệt độ cao gọi hỏa kế 2.5.4.2 Các phương pháp đo Để đo nhiệt độ, đo kiểu tiếp xúc hay đo kiểu gián tiếp Khi đo phương pháp tiếp xúc,cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, phép đo dựa tượng: - Giản nở vật liệu; - Biến đổi trạng thái vật liệu; - Hiệu ứng nhiệt điện Khi đo phương pháp gián tiếp (không tiếp xúc), cảm biến không tiếp xúc với môi trường đo mà dựa vào phụ thuộc xạ nhiệt mơi trường đó: - Đo hỏa kế xạ; - Đo hỏa kế quang Trong đời sống tự nhiên,dụng cụ đo nhiệt độ đơn giản nhiệt kế sử dụng tượng dãn nở theo nhiệt Trong sản xuất công nghiệp, để điều khiển tự động, trình theo nhiệt độ, người ta chế tạo nhiều loại cảm biến nhiệt có ngun lí làm việc khác như: nhiệt điện trở loại,cặp nhiệt, linh kiện điện tử cảm biến nhiệt (diod, transistor, IC…) Các linh kiện nhiệt dùng làm cảm biến để đổi từ lượng nhiệt tín hiệu điện đưa vào mạch khuếch đại điện tử Đặc biệt dùng nhiệt độ cao người ta thường sử dụng cặp nhiệt (Thermo-Couple) 2.5.4.3 Các thang đo nhiệt độ Có ba thang đo nhiệt độ để xác định giá trị nhiệt độ đo  Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1848) Thang Kelvin : thang nhiệt độ dựa sở định luật nhiệt động học,đơn vị K Theo thang Kelvin, điểm chuẩn nhiệt độ điểm đơng đặc nước có giá trị 273,15K Một độ K độ chênh nhiệt độ ứng với 1% điểm nước sôi điểm tan nước đá áp suất bình thường  Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742) Thang Celsius thang nhiệt độ bách phân, đơn vị 0C Một độ Celsius độ Kelvin Điểm chuẩn thang Celsius là: điểm nước đá tan 00C, điểm nước sôi 1000C Quan hệ nhiệt độ Celsius nhiệt độ Kelvin tính theo biểu thức: θ (0C) = θ (K) -273,15K  Thang Fahrenheit (Fahrenheit -1706) Thang Fahrenheit có đơn vị nhiệt độ 0F Theo thang này, điểm chuẩn: nước đá tan 320F điểm nước sôi 2120F Quan hệ nhiệt độ Celsius Fahrenheit tính theo biểu thức: θ (0C) = [θ (0F) -32].100/180 a CẶP NHIỆT (Thermo-Couple) Cặp nhiệt chế tạo dựa hiệu ứng nhiệt điện Khi hai dây dẫn có chất hóa học khác hàn dính xuất sức điện động hai đầu thay đổi theo nhiệt độ mối hàn Hình 2-6: Nguyên tắc đo cặp nhiệt có dây bù b Cặp nhiệt T Nhiệt độ sử dụng từ -3100F đến +7500F, cấp xác ±0,8% Dưới bảng tra đổi từ nhiệt độ mối nối Thermo-Couple điện áp vài trị số Nhiệt độ (0F) Điện áp (mV) Nhiệt độ -300 -250 -200 -150 -100 -50 -5,284 -4,747 -4,111 -3,380 -2,559 -1,654 -0,670 +50 +100 +150 +200 +250 +300 +350 (0F) Điện áp 0,389 (mV) 1,517 2,711 3,967 5,280 6,647 8,064 Bảng 1: Bảng tra đổi từ nhiệt độ (T) điện áp c Cặp nhiệt J - Nhiệt độ sử dụng từ -2000F đến +8000C, cấp xác ±3% Nhiệt độ (0C) Điện áp (mV) Nhiệt độ (0C) Điện áp (mV) -200 -150 -100 -50 +50 +100 -7,89 -6,50 -4,63 -2,43 0,00 2,58 5,27 +150 +250 +300 +350 +400 +450 +500 8,00 13,56 16,33 19,09 21,85 24,61 27,39 Bảng 2: Bảng tra đổi từ nhiệt độ (J) điện áp d Cặp nhiệt K - Nhiệt độ sử dụng từ00C đến +13500C, cấp xác ±3% Nhiệt độ (0C) Điện áp (mV) Nhiệt độ (0C) 50 100 150 200 250 300 0,00 2,02 4,10 6,13 8,13 10,16 12,21 350 500 550 600 650 700 750 Điện áp (mV) 14,29 20,65 22,78 24,9 27,03 29,14 31,23 Bảng 3: Bảng tra đổi từ nhiệt độ (K) điện áp e Cặp nhiệt R - Nhiệt độ sử dụng từ 00F đến +17000C, cấp xác ±1,4% Hình 2-7a:Loại dây Hình 2-7b: Loại f Cặp nhiệt (cây) Là loại cảm biến nhiệt có điện trở thay đổi theo nhiệt độ mối nối, điện trở cặp nhiệt tăng lên nhiệt độ tăng Thí dụ: Cặp nhiệt PT100 nghĩa nhiệt độ 00C điện trở cặp nhiệt 100 Các loại cặp nhiệt có hệ số nhiệt mV/ 0C khơng tuyến tính sử dụng khoảng nhiệt độ khơng rộng coi tuyến tính Do hệ số nhiệt mV 0C nhỏ thường khoảng vài chụcV/0C nên điện áp Thermo-Couple cho phải mạch khuếch đại DC trước đưa vào mạch điều khiển, thị hay bảo vệ Hình 2-8: Hình dáng vài cặp nhiệt loại THƠNG SỐ KỸ THUẬT CẶP NHIỆT a Bảng thơng số cặp nhiệt Cặp nhiệt điện E J K R S T Chất liệu sử dụng Mã màu Chromel (+) (+) màu tía Constantan (-) (-) màu đỏ Iron (+) (+) màu trắng Constantan (-) (-) màu đỏ Chromel (+) (+) màu vàng Alumel (-) (-) màu đỏ Platium-13%Rhodium (+) Platium (-) Platium-10%Rhodium (+) Platium (-) -2000C÷ 9000C 00C÷ 7600C -2000C÷ 12500C Khơng thiết lập 00C÷ 14500C Khơng thiết lập 00C÷ 14500C Cooper (+) (+) màu xanh Constantan (-) (-) màu đỏ Bảng 4: Bảng thông số cặp nhiệt b Đặc tính cặp nhiệt: Nhiệt độ sử dụng -2000C÷ 3500C Hình 2-9: Đặc tính cặp nhiệt CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH CẢM BIẾN NHIỆT 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI 3.1.1 Sơ đồ khối BỘ NGUỒN ĐẦU DỊ NHIỆT BỘ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU MẠCH GIAO TIẾP TẢI Hình 3.1: Sơ đồ khối 3.1.2 Sơ đồ khối - Khối nguồn sử dụng điện áp 220VAC nắn điện toàn kỳ cho nguồn 12VDC đối xứng cung cấp cho mạch điều mạch giao tiếp tải; - Khối đầu dò nhiệt (cặp nhiệt) nhận tín hiệu nhiệt độ mơi trường cho điện áp thay đổi đưa tín hiệu qua khuếch đại; - Khối khuếch đại nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ môi trường cho điện áp thay đổi đưa tín hiệu với giá trị vài mV qua khuếch đại biến đổi tín hiệu lớn vài V; - Khối mạch giao tiếp nhận lệnh điều khiển từ khuếch đại tín hiệu nhiệt độ để điều khiển thiết bị làm mát (giải nhiệt) 3.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 3.2.1 Mạch khuếch đại tín hiệu Với nhiệt độ mơi trường tín hiệu cảm biến TC cho giá nhỏ vài mV đưa vào chân số (ngõ IN+) OP-AMP 1(nhiệm vụ khuếch đại) cho tín hiệu ngõ chân hồi tiếp chân số (ngõ IN-) với số lần khuếch đại tính theo công thức sau: AV= VO/VIN Hay Với R1=1M; AV= (R1+R2)/R2 R2=1k Hình 3-2: Mạch khuếch đại tín hiệu 3.2.2 Mạch mạch so sánh tín hiệu - Xét nhiệt độ 500C có giá trị điện áp 2,02mV qua khuếch đại 1001 lần cho giá trị 2,02V tiếp tục qua điện trở 1k đưa vào chân số (ngõ IN+) OP-AMP (nhiệm vụ so sánh), lúc chân số (ngõ IN-) nhận tín hiệu điện áp mẫu thơng qua cầu phân áp có điều chỉnh thay đổi giá trị đến 2V tín hiệu ngõ chân cho tín hiệu bão hịa dương (do OP-AMP sử dụng nguồn đối xứng) Hình 3-3: Mạch mạch so sánh tín hiệu 3.2.3 Mạch mạch giao tiếp tải - Khi tín hiệu bão hịa dương qua cầu phân áp R=4,7k R=1k kích cực B transistor C1815 dẫn đồng thởi mối nối CE đóng lại có dịng điện qua rơ-le RY, tiếp điểm đổi trạng thái Động quạt quay làm mát (giải nhiệt) Hình 3-4: Mạch mạch giao tiếp tải 3.2.4 Sơ đồ, nguyên lý toàn mạch điều khiển nhiệt độ +12V +12V TC + - 1kΩ -12V 1MΩ +12V +12V + - 10kΩ RY 1.5kΩ -12V 1kΩ LED 4.7kΩ 1kΩ C1815 1kΩ 5V1 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý Khi cấp nguồn cho mạch đo điều khiển nhiệt độ tín hiệu ngõ vào so với nhiệt độ môi trường nhỏ nên tín hiệu qua khuếch đại cho nhỏ tín hiệu lấy mẫu Vì vậy, tín hiệu ngõ OP-AMP bão hòa âm nên cầu phân áp không đủ phân cực ngõ vào cực B transistor C1815 vậy, ngõ khơng đổi trạng thái Khi nhiệt độ môi trường thay đổi vượt giới hạn chỉnh định mạch trạng thái ngõ đổi trạng thái RY cung cấp nguồn cho mạch công suất o Tín hiệu cảm biến TC cho giá nhỏ vài mV đưa vào chân số OPAMP1 cho tín hiệu ngõ chân hồi tiếp chân số 2; o Tín hiệu tiếp tục qua điện trở 1k đưa vào chân số OP-AMP 2, lúc chân số nhận tín hiệu điện áp mẫu thơng qua cầu phân áp có điều chỉnh thay đổi giá trị đến 2V tín hiệu ngõ chân cho tín hiệu bão hịa dương; o Khi tín hiệu bão hịa dương qua cầu phân áp R=4,7k R=1k kích cực B transistor C1815 dẫn đồng thởi mối nối CE đóng lại có dịng điện qua rơ-le RY, tiếp điểm đổi trạng thái Động quạt quay làm mát CHƯƠNG 4: THI CƠNG MẠCH §4.1 THI CƠNG 4.1.1 Sơ đồ mạch in Hình 4-1: Sơ đồ mạch in - Sơ đồ mạch in thiết kế phần mềm OrCAD 9.2 - Đường mạch 2mm - Trạm jack nối nguồn, tiếp điểm rơ-le RY