Đang tải... (xem toàn văn)
Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến trên thế giới, nhu cầu cuộc sống ngày càng thay đổi, hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt các thiết bị với những đặc điểm nổi bật như: độ chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ...góp phần làm cho hoạt động của con người ngày càng đạt hiệu quả hơn.Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm. Điện tử đã đáp ứng được những yêu cầu, đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến những nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hang ngày. Một trong những ứng dụng quan trọng của ngành công nghệ điện tử là kỹ thuật đo và điều khiển nhiệt độ.Vì vậy nhóm em đã thực hiện đồ án “Thiết kế và chế tạo mạch đo và điều kiển nhiệt độ ’’.Nhằm cung cấp đầy đủ thông tin về cấu tạo , nguyên tắc hoạt động và cách lắp đặt của các mạch cầu thang một cách đầy đủ và chính xác.Chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình của thầy TS. Lê Văn Chương trong suốt thời gian thực hiện báo cáo này. Với sự giúp đỡ tận tình đó kết hợp cùng sự nỗ lực cố gắng của cả nhóm, chúng em đã hoàn thành báo cáo này. Tuy nhiên, do hạn chế về chuyên môn, kiến thức chưa sâu nên báo cáo có thể sẽ không tránh khỏi những thiết sót. Chúng em xin chân thành tiếp thu những ý kiến chỉ đóng góp của thầy để bài báo cáo sẽ hoàn thiện tốt hơn.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KĨ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ======🙤🕮🙦====== ĐỒ ÁN HỌC PHẦN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ SỐ VÀ VI SỬ LÝ NGÀNH ĐIỆN TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH ĐO VÀ ĐIỀU KIỂN NHIỆT ĐỘ Giảng viên hướng dẫn: TS LÊ VĂN CHƯƠNG Nhóm thực hiện: Nhóm Ngành: CNKT Điện – Điện Tử Khóa: 2021-2026 NGHỆ AN, 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Nhóm thực hiện: Nhóm Ngành: CNKT Điện – Điện Tử Mục tiêu đồ án: Hoàn thành đề tài giao theo yêu cầu thời gian quy định, sản phẩm phải gọn nhẹ, hiệu ứng dụng cao kinh tế, dễ lắp ráp thay Qua hiểu biết thêm linh kiện ứng dụng chúng vài thực tế Nhiệm vụ: Nguyên cứu mạch Arduion Mô mạch đo điều kiển nhiệt độ Làm sản phẩm mạch điều kiển nhiệt độ Từ đưa vào thực tế hướng phát triển Ngày giao đồ án: 01/04/2023 Ngày hoàn thành đồ án: 03/06/2023 Người hướng dẫn: TS LÊ VĂN CHƯƠNG Nghệ An, ngày 24 tháng năm 2023 NGƯỜI HƯỚNG DẪN TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tên đồ án: Thiết Kế Và Chế Tạo Mạch Đo Và Điều Kiển Nhiệt Độ Nghành: CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Người hướng dẫn: Ts Lê Văn Chương STT Họ tên Trần Ngọc Phú Mã sinh viên Nhiệm vụ Đánh giá 215751030110036 Tổng hợp báo cáo, làm slide, thuyết trình, làm sản phẩm, Viết code Arduion, Vẽ mơ mạch A Nguyễn Văn Bình 215751030110035 Làm sản phẩm,một phần word B+ Nguyễn Đình Dũng 215751030110046 Làm sản phẩm, phần word B+ Nguyễn Nam Dương 215751030110025 Làm sản phẩm, phần word B+ Trần Trung Hiếu 215751030110059 Làm sản phẩm, phần word B+ Bùi Anh Quân 215751030110056 Làm sản phẩm, viết code sản phẩm B+ Lê Cơng Tồn 215751030110011 Làm sản phẩm, phần word B Nghệ An, ngày 10 tháng năm 2023 NHÓM TRƯỞNG Chữ ký thành viên LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, người với ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến giới, nhu cầu sống ngày thay đổi, đại Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm bật như: độ xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ góp phần làm cho hoạt động người ngày đạt hiệu Điện tử trở thành ngành khoa học đa nhiệm Điện tử đáp ứng u cầu, địi hỏi khơng ngừng ngành, lĩnh vực khác nhu cầu thiết yếu người sống hang ngày Một ứng dụng quan trọng ngành công nghệ điện tử kỹ thuật đo điều khiển nhiệt độ Vì nhóm em thực đồ án “Thiết kế chế tạo mạch đo điều kiển nhiệt độ ’’ Nhằm cung cấp đầy đủ thông tin cấu tạo , nguyên tắc hoạt động cách lắp đặt mạch cầu thang cách đầy đủ xác Chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy TS Lê Văn Chương suốt thời gian thực báo cáo Với giúp đỡ tận tình kết hợp nỗ lực cố gắng nhóm, chúng em hoàn thành báo cáo Tuy nhiên, hạn chế chuyên môn, kiến thức chưa sâu nên báo cáo khơng tránh khỏi thiết sót Chúng em xin chân thành tiếp thu ý kiến đóng góp thầy để báo cáo hoàn thiện tốt Xin thân thành cảm ơn ! MỤC LỤC Trang MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan phương pháp đo nhiệt độ 1.1.1 Các sở chung phân loại phương pháp đo nhiệt độ 1.1.3 Đo nhiệt độ phương pháp không tiếp xúc 14 1.2 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ 20 1.2.1 Điều khiển công tắc bật/tắt (On/Off Control) 20 1.2.3 Điều khiển hỗn hợp (Bang-Bang Control) 21 1.2.4 Điều khiển dự báo (Feedforward Control) 22 1.3 Giới thiệu số điều khiển nhiệt độ thực tế 22 1.3.1 Bộ Điều Khiển Nhiệt Độ Pt100 22 1.3.2 Thông số kỹ thuật điều khiển tín hiệu nhiệt độ Lumel – Ba Lan 23 1.3.3 Ứng dụng thực tế điều khiển nhiệt độ pt100 can K 24 1.3.4 Sử dụng dây bù nhiệt để đấu nối với hiển thị nhiệt độ pt100 25 1.3.5 Những tính trội điều khiển nhiệt độ 26 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ ĐIỀU KIỂN NHIỆT ĐỘ 28 2.1 Phân tích yêu cầu thiết kế 28 2.2 Sơ đồ khối hệ thống 29 2.3 Thiết kế phần cứng 30 2.3.1 Cảm biến nhiệt LM35 30 2.3.2 Mạch Ardruino 34 2.3.3 Màn hình LCD 1602 37 2.4 Lập trình phần mềm điều khiển 40 2.4.1 Giới thiệu Proteus professional 40 2.4.2 Cấu tạo mạch đo điều kiển nhiệt độ phần mền Proteus Professional 41 2.4.3 Nguyên lý hoạt động 42 2.4.4 Code chương trình mô 42 2.4.5 Lưu đồ thuật toán điều khiển 43 2.5 Chế tạo thử nghiệm 45 2.5.1.Nhận xét hoạt động phần tử mạch 45 2.6 Ứng dụng thực 46 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47 Kết luận 47 Hướng phát triển 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình Các dụng cụ phương pháp đo nhiệt độ với dải nhiệt độ khác Hình Cầu ba dây giảm sai số đo nhiệt độ môi trường thay đổi 11 Hình Sơ đồ nguyên lý nhiệt kế nhiệt điện trở sử dụng mạch cầu không cân bằng, thị cấu lôgômmét từ điện 11 Hình Cấu tạo nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu 12 Hình Sơ đồ mạch nguyên lý IC bán dẫn đo nhiệt độ 14 Hình Cấu tạo hỏa quang kế phát xạ 15 Hình Cấu tạo hỏa quang kế cường độ sang có chắn quang học 17 Hình So sánh mắt cường độ sang nguồn điện đèn sợi đốt trông hỏa quang kế cường độ sáng 17 Hình Sơ đồ nguyên lý hỏa quang kế màu sắc dung tế bào quang điện 18 Hình 10 Các tín hiệu điển hình hỏa quang kế màu sắc dung tế bào quang điện 20 Hình 11 Điều khiển cơng tắc bật/tắt 20 Hình 12 Điều khiển PID 21 Hình 13 Điều khiển hỗn hợp (Bang-Bang Control) 21 Hình 14 Bộ điều khiển PID mã RE72 Lumel 22 Hình 15 Bộ điều khiển PID mã RE71 – Lumel 23 Hình 16 Màn hình điều khiển PID of heating-cooling 24 Hình 17 Dây bù nhiệt cho PT100 để kết nối với hình hiển thị 25 Hình 18 Màn hình hiển thị điều khiển nhiệt độ pt100 can K 26 Hình 19 Cảm biến nhiệt độ LM35 31 Hình 20 Sơ đồ chân LM35 31 Hình 21.Cách sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35 33 Hình 22 Cơng thức chuyển đổ nhiệt độ Lm 35 33 Hình 23 Cấu trúc phần cứng Arduino Uno 36 Hình 24 Màn hình lcd 1602 37 Hình 25 Module I2C 38 Hình 26 Thơng số kĩ thuật LCD 1602 39 Hình 27 Phần mền Proteus professional 40 Hình 28 Mạch đo điều kiển nhiệt độ phần mền Proteus Professional 41 Hình 29 Hình mơ hình thực tế 45 Hình 30 Hình mơ hình nhiệt độ đặt q thời nhiệt độ thiết lập 45 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, người với ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến giới, nhu cầu sống ngày thay đổi, đại Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm bật như: độ xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ góp phần làm cho hoạt động người ngày đạt hiệu Điện tử trở thành ngành khoa học đa nhiệm Điện tử đáp ứng u cầu, địi hỏi khơng ngừng ngành, lĩnh vực khác nhu cầu thiết yếu người sống hang ngày Một ứng dụng quan trọng ngành công nghệ điện tử kỹ thuật đo điều khiển nhiệt độ Vì nhóm em thực đồ án “Thiết kế chế tạo mạch đo điều kiển nhiệt độ ’’.Nhằm cung cấp đầy đủ thông tin cấu tạo , nguyên tắc hoạt động cách lắp đặt mạch cầu thang cách đầy đủ xác Chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy TS Lê Văn Chương suốt thời gian thực báo cáo Với giúp đỡ tận tình kết hợp nỗ lực cố gắng nhóm, chúng em hồn thành báo cáo Tuy nhiên, hạn chế chuyên môn, kiến thức chưa sâu nên báo cáo khơng tránh khỏi thiết sót Chúng em xin chân thành tiếp thu ý kiến đóng góp thầy để báo cáo hoàn thiện tốt Xin thân thành cảm ơn ! CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan phương pháp đo nhiệt độ 1.1.1 Các sở chung phân loại phương pháp đo nhiệt độ Nhiệt độ thông số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính vật chất nên trình kỹ thuật đời sống ngày hay gặp yêu cầu đo nhiệt độ Ngày hầu hết trình sản xuất cơng nghiệp, nhà máy có yêu cầu đo nhiệt độ Tùy theo nhiệt độ đo dùng phương pháp khác nhau, thưởng phân loại phương pháp dựa vào đãi nhiệt độ cần đo Thông thường nhiệt độ đo chia thành ba dải nhiệt độ: thấp, nhiệt độ trung bình cao Ở nhiệt độ trung bình thấp: phương pháp thường đo phương pháp tiếp xúc nghĩa chuyển đổi đặt trực tiếp môi trường cần đo Đối với nhiệt độ cao: đo phương pháp khơng tiếp xúc, dụng cụ đặt ngồi mơi trường đo Hình cho biết dụng cụ phương pháp đo nhiệt độ với dải khác : Hình Các dụng cụ phương pháp đo nhiệt độ với dải nhiệt độ khác 1.1.1.2 Các phương pháp đo tiếp xúc Phương pháp đo nhiệt độ công nghiệp thường sử dụng nhiệt kể tiếp xúc Có loại nhiệt xúc, gồm: - Nhiệt kế nhiệt điện trở Ngoài ứng dụng đơn giản, dải nhiệt độ cỡ -55°C - 200C người ta thường ứng dụng IC bán dẫn ứng dụng tính chất nhạy nhiệt điốt tranzito để đo nhiệt độ Cấu tạo nhiệt kế nhiệt điện trở cặp nhiệt ngẫu cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt chuyển do: đổi với môi trường - Đối với môi trường nước: chuyển đổi đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy - Với vật rắn đặt nhiệt kể sát vào vật, nhiệt lượng truyền từ vật sang chuyển đổi dễ gây tổn hao vật, với vật dẫn nhiệt Do điện tiếp xúc vật đo nhiệt kể lớn tốt - Khi đo nhiệt độ chất dạng hạt (cắt đất ): cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo thường dùng nhiệt điện trở có cáp nối ngồi 1.1.2.1 Nhiệt kế nhiệt điện trở (Resistance Thermometer) Nhiệt kế nhiệt điện trở tạo thành platin đồng niken dẫn… quần lõi cách điện đặt vỏ kim loại có đầu Nhiệt kế nhiệt điện trở dùng mạch đo để đo điện trở thông thường dùng mạch cầu không cân bằng, thị lôgômmét cầu tự động cân bằng, nhánh nhiệt điện trở a) Bù sai số thay đổi điện trở đường dây nhiệt độ môi trường thay đổi: nhiệt điện trở mắc vào mạch cầu hai dây dẫn 𝑅1 𝑅2 (cầu hai dây), dụng cụ có sai số thay đổi điện trở đường dây nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi, sai số tính: Giám sát nhiệt độ pin Đo nhiệt độ cho ứng dụng HVAC 2.3.1.7 Các đặc trưng Độ nhạy: Gia số nhỏ phát Mức Dải tuyến tính: Khoảng giá trị biến đổi có hệ số biến đổi cố định biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng Ảnh hưởng ngược: Khả gây thay đổi môi trường Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng ảnh hưởng tác nhân khác lên kết 2.3.2 Mạch Ardruino 2.3.2.1 Giới thiệu mạch Arduno Arduino mã nguồn mở điện tử tạo thành từ phần cứng phần mềm Về mặt kĩ thuật coi Arduino điều khiển logic lập trình Đơn giản hơn, Arduino thiết bị tương tác với ngoại cảnh thông qua cảm biến hành vi lập trình sẵn Với thiết bị việc lắp ráp điều khiển thiết bị điện tử dễ dàng hết Hiện có nhiều loại vi điều khiển đa số lập trình ngơn ngữ C/C++ Assembly nên khó khăn cho người có kiến thức sâu điện tử lập trình Nó trở ngại cho người muốn tạo riêng cho đồ mang tính cơng nghệ Song Arduino giải vấn đề này, Arduino phát triển nhằm đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử lập trình vi điều khiển người tiếp cận dễ dàng với thiết bị điện tử mà không cần nhiều kiến thức điện tử thời gian Những mạnh Arduino so với tảng vi điều khiển khác: Chạy đa tảng: Việc lập trình Arduino thực hệ điều hành khác Windows, Mac Os, Linux Desktop, Android di động Ngơn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu Mã nguồn mở: Arduino phát triển dựa nguồn mở nên phần mềm chạy Arduino chia sẻ dễ dàng tích hợp vào tảng khác Mở rộng phần cứng: Arduino thiết kế sử dụng theo dạng modul nên việc mở rộng phần cứng dễ dàng Đơn giản nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình sử dụng thiết bị Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với mà không lo lắng ngôn ngữ hay hệ điều hành sử dụng Arduino chọn làm não xử lý nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Trong số có vài ứng dụng thực chứng tỏ khả vượt trội Arduino chúng có khả thực nhiều nhiệm vụ phức tạp Arduino biết đến nhiều phần cứng nó, phải có phần mềm để lập trình phần cứng Cả phần cứng phần mềm gọi chung Arduino 2.3.2.2 Cấu trúc mạch Arduino Arduino Uno bo mạch vi điều khiển dựa chip ATmega168 ATmega 328 Cấu trúc chung bao gồm: 14 chân vào tín hiệu số, có chân sử dụng để điều chế độ rộng xung Có chân đầu vào tín hiệu tương tự cho phép kết nối với cảm biến bên để thu thập số liệu Sử dụng dao động thạch anh tần số dao động 16MHz Có cổng kết nối chuẩn USB để nạp chương trình vào bo mạch chân cấp nguồn cho mạch, nút reset Nó chứa tất thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển, nguồn cung cấp cho Arduino từ máy tính thơng qua cổng USB từ nguồn chuyên dụng biến đổi từ xoay chiều sang chiều nguồn lấy từ pin Hình 23 Cấu trúc phần cứng Arduino Uno Thông số kỹ thuật của Uno: Khối xử lý trung tâm vi điều khiển Atmega328 Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào khuyến nghị 5-12V Điện áp đầu vào giới hạn 6-20V Dòng điện chiều chân vào 40mA Dòng điện chiều cho chân 3.3V 50mA Clock Speed 16 MHz Flash Memory 16 Kb (ATmega 168) 32 Kb (ATmega 328), SRAM Kb (ATmega 168) Kb (ATmega 328), EEPROM 512 bytes (ATmega 168) Kb (AT mega 328) 2.3.2.3 Nguồn ni Arduino hỗ trợ thông qua kết nối USB với nguồn cung cấp điện bên Các nguồn lượng lựa chọn tự động Hệ thống vi điều khiển hoạt động nguồn cung cấp bên từ 6V đến 20V Nên cung cấp với 7V, nhiên pin 5V cung cấp 5V hệ thống vi điều khiển khơng ổn định Nếu sử dụng nhiều 12V điều chỉnh điện áp nóng Phạm vi khuyến nghị 7V đến 12V Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino dùng nguồn điện bên ngồi Chúng ta cung cấp nguồn thông qua chân Chân 5V: Cung cấp nguồn vi điều khiển phận khác bo mạch cung cấp nguồn cho thiết bị ngoại vi kết nối tới bo mạch Chân 3V3: Cung cấp nguồn cho thiết bị cảm biến Chân GND : Chân nối đất 2.3.3 Màn hình LCD 1602 2.3.3.1 Giới thiệu hình 1062 Màn hình text LCD 1602 kèm module I2C sử dụng driver HD44780, có khả hiển thị dịng với dịng 16 ký tự, hình có độ bền cao, phổ biến, nhiều code mẫu dễ sử dụng thích hợp cho người học làm dự án Màn hình LCD hàn sẵn module giao tiếp I2C giúp việc giao tiếp dễ dàng nhanh chóng nhiều, người dùng tốn công hàn i2c, mà giá thành lại rẻ mua Hình 24 Màn hình lcd 1602 2.3.3.2 Thơng số kỹ thuật LCD 1602 kèm module I2C Điện áp hoạt động V Địa I2C: 0x27 (có thể thay đổi theo đơn hàng nhà sản xuất) Màu: Xanh Kích thước lỗ bắt ốc: 74mm x 30mm Kích thước mạch: 80mm x 36mm x 19m Trọng lượng 38g Hình 25 Module I2C 2.3.3.3 TÌM HIỂU THƠNG SỐ KĨ THUẬT CỦA LCD 1602 Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) sử dụng nhiều ứng dụng VĐK LCD 1602 có nhiều ưu điểm so với dạng hiển thị khác như: khả hiển thị kí tự đa dạng (chữ, số, kí tự đồ họa); dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn tài ngun hệ thống, giá thành rẻ,… Thơng số kĩ thuật sản phẩm LCD 1602: - Điện áp MAX : 7V - Điện áp MIN : - 0,3V - Hoạt động ổn định : 2.7-5.5V - Điện áp mức cao : > 2.4 - Điện áp mức thấp :