Thiết kế mạch đọc nhiệt độ và điều khiển nhiệt độ cho mạch sử dụng điện áp 220VAC Hướng cần làm của đề tài: Thực hiện đọc nhiệt độ thực tế từ cảm biến, xác định hàm truyền để xây dựng bộ điều khiển PID, điều khiển điện áp cấp cho bóng đèn làm nóng(do nhóm em dùng Triac nên cần phải xác định điểm không của nguồn 220V để thực hiện điều khiển Triac.) Thiết kế mạch và mô phỏng trên phần mềm mô phỏng proteus. Lập trình cho vi điều khiển . Thiết kế mạch thực tế, kiểm tra các tính năng của mạch thật.
MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỤC TIÊU ĐỀ TÀI CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TRIỂN KHAI ĐỀ TÀI Chọn vi điều khiển .2 Cảm biến linh kiện liên quan 2.1 Cảm biến Pt100 2.2 Cảm biến LM35 .5 2.3 Triac Thiết kế mô kết .6 3.1 Khối nguồn 3.2 Điều khiển nhiệt độ: 3.3Thiết kế mạch Altium 10 3.4 Xác định hàm truyền hệ thống điều khiển PID 10 3.4 Thiết kế chương trình 11 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 12 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 12 Những điểm làm .12 Những điểm chưa làm 12 PHỤ LỤC .13 CHƯƠNG 1: MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Thiết kế mạch đọc nhiệt độ điều khiển nhiệt độ cho mạch sử dụng điện áp 220VAC Hướng cần làm đề tài: - Thực đọc nhiệt độ thực tế từ cảm biến, xác định hàm truyền để xây dựng điều khiển PID, điều khiển điện áp cấp cho bóng đèn làm nóng(do nhóm em dùng Triac nên cần phải xác định điểm không nguồn 220V để thực điều khiển Triac.) - Thiết kế mạch mô phần mềm mơ proteus - Lập trình cho vi điều khiển - Thiết kế mạch thực tế, kiểm tra tính mạch thật Các kết dự tính đề tài: - Mạch đọc nhiệt độ từ cảm biến hiển thị lên LCD LED - Có thể điều khiển độ sáng đèn (thiết bị chấp hành) để từ điều khiển nhiệt độ hộp nhiệt - Mạch có khả tự điều chỉnh nhiệt độ PID Các tiêu kỹ thuật thiết bị: - Nhiệt độ đo phải xác - Điện áp điều khiển phải ổn định đạt nhiệt độ yêu cầu CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TRIỂN KHAI ĐỀ TÀI Chọn vi điều khiển Trong tập chúng em sử dụng vi điều khiển STM32F401CCU6 Blue Pill theo gợi ý thầy giáo Nguyễn… Hình Kit STM32F401CCU6 Blue Pill Kit có ưu điểm: - Bộ xử lý ARM Cortex-M4 với tần số hoạt động tối đa 84 MHz - Bộ nhớ flash 256 KB SRAM 64 KB - Ổ đĩa USB 2.0 Full Speed, SPI, I2C, UART, CAN, điều khiển DMA - Bộ chuyển đổi ADC 12-bit với tốc độ lên đến 2.4 MSPS 16 kênh đầu vào - Chế độ tiêu thụ điện thấp tính tiết kiệm lượng khác - Tích hợp đếm thời gian, định thời đếm kiện - Đơn giản, dễ sử dụng, kit cho người lập trình - Đầy đủ chức cần thiết cho toán đặt - Dễ tìm kiếm thị trường, giá thành rẻ, hiệu cao - Công cụ lập trình Free đầy đủ tài liệu hỗ trợ Cảm biến linh kiện liên quan 2.1 Cảm biến Pt100 Hay gọi cảm biến nhiệt độ RTD (Resistance Temperature Detectors) Đây loại thiết bị dùng để đo nhiệt độ thông qua que dị cảm biến có tích hợp Platinium bên Thành phần Platinium xem thành phần quan trọng cảm biến nhiệt độ pt100 Và lý cảm biến nhiệt độ RTD (cảm biến nhiệt điện trở) thường gọi chung cảm biến nhiệt độ Pt100 Hình Cảm biến Pt100 Cảm biến nhiệt độ Pt100 có thành phần chính: Đầu dò nhiệt: thành phần quan trọng nhất, thường làm platinium nickel Dây kết nối tín hiệu với đầu dạng dây, dây, dây Chất cách điện: làm gốm giúp cách điện dây nối từ vỏ bọc bảo vệ Chất làm đầy: chứa bột alumina làm khô đổ đầy vào nhằm bảo vệ cảm biến bị rung động Vỏ bảo vệ: thành phần tiếp xúc trực tiếp với nguồn nhiệt cần đo, giúp bảo vệ đầu dị cảm biến dây tín hiệu cảm biến Đầu củ hành: thường làm vật liệu cách điện : nhựa , nhơm hay gốm Khi có thay đổi nhiệt độ đầu dị dẫn đến thay đổi điện trở ống trụ Mỗi giá trị nhiệt độ khác tương ứng với giá trị điện trở khác nhau.Ở 10 ºC đo giá trị điện trở RPT100 =107,6 Ω Khi tăng 1ºC RPT tăng sấp xỉ 0,4Ω Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ PT100: Rt = R0(1+ AT) Trong đó: A=0.004; T: nhiệt độ đo ; R0=100 (om) Hình Bảng thông số điện trở PT100 ứng với nhiệt độ đo Đọc liệu cảm biến Pt100 Cảm biến Pt100 nối với chân ADC 12bit vi xử lý Đầu ngõ vào ADC vi xử lý từ 0-3.6V, tín hiệu bit đọc tín hiệu điện áp từ Pt100 thay đổi từ 0000 0000 0000 – 1111 1111 1111 Vì vậy, điện áp thay đổi khoảng 3.6 =0.88 mV tín hiệu ADC dịch lên bit 212 Giả sử ta cấp dòng 1mA cho Pt100 qua IC LM334 Vì I ko đổi (nguồn dịng) nên U thay đổi theo R Tuy nhiên thay đổi U nhỏ nên phải cho qua mạch khuyếch đựoc ngõ theo ý muốn có ngõ 1mV/oC, 10mV/oC, 100mV/oC tùy theo hệ số khuyếch đại mạch Tra hình ta có, với thay đổi nhiệt độ từ 0-100 độ, ta có điện áp hai đầu Pt100 đưa vào vi xử lý 100mV-140mV Từ đó, lần điện áp thay đổi 0.88mV nhiệt độ đọc thay đổi 2.2 độ Chính vậy, để tăng độ xác ta phải lắp thêm mạch phân áp khuếch đại (có thể dùng OPAMP mua IC có sẵn) với hệ số khuếch đại K=2.75 Lưu ý, khuếch đại phải cách ly để đảm bảo nguồn dịng cấp khơng đổi 2.2 Cảm biến LM35 Hình LM35 Tuy vậy, để đơn giản tiết kiệm linh kiện có sẵn, nhóm em sử dụng cảm biến LM35 cho đề tài lần LM35 đo nhiệt độ từ -55 đến 150 độ C với độ xác ±0,5 độ C nhiệt độ phịng Nó thiết kế để tạo điện áp đầu tuyến tính với nhiệt độ, với tỷ lệ 10 mV/độ C.Điều có nghĩa là, với độ C tăng/giảm nhiệt độ, giá trị điện áp đầu cảm biến tăng/giảm 10mV Vì vậy, để đọc giá trị nhiệt độ,chúng ta cần đo giá trị điện áp đầu cảm biến LM35 chia cho 10 2.3 Triac Hình Triac BTA12 Triac (Triode for alternating Current) linh kiện điện tử dùng nhiều đóng cắt dịng điện xoay chiều Nói cách đơn giản Triac chuyển mạch thơi Nó cấu tạo tương đương Thyristor mắc song song với chiều ngược Tính hai chiều Triac làm cho chúng chuyển đổi thuận tiện cho dịng điện xoay chiều (AC) Ngồi ra, áp dụng kích hoạt góc pha điều khiển AC mạch cho phép điều khiển dịng điện trung bình chảy vào tải (điều khiển pha) Điều thường sử dụng để kiểm soát tốc độ động cảm ứng, đèn mờ, kiểm sốt máy sưởi điện Tuy nhiên người ta khơng sử dụng ứng dụng chuyển mạch cơng suất cao – lý đặc tính chuyển mạch khơng đối xứng Thiết kế mơ kết 3.1 Khối nguồn Nhóm chúng em sử dụng nguồn đầu vào adapter 9VDC Mạch nguồn hạ áp 9V xuống 5V dùng IC LM7805 mạch phổ biến ứng dụng điện tử, giúp cung cấp nguồn ổn định cho linh kiện điện tử cần sử dụng điện áp ổn định 5V.Mạch nguồn sử dụng IC LM7805, IC ổn áp đơn với dải điện áp đầu vào từ 7V đến 35V, dòng điện tối đa 1A đầu ổn định 5V Mạch bao gồm tụ điện bù (tụ C1) để giảm nhiễu tăng độ ổn định đầu Cấu trúc mạch nguồn hạ áp 9V xuống 5V dùng LM7805 sau: Bước 1: Kết nối đầu vào LM7805 với nguồn điện áp 9V thông qua đường dây dương âm Bước 2: Kết nối đầu LM7805 với linh kiện cần sử dụng điện áp ổn định 5V thông qua đường dây dương âm Bước 3: Nối tụ C1 với đầu vào đầu LM7805, với mục đích giảm nhiễu tăng độ ổn định đầu Đây mạch nguồn đơn giản, dễ thực sử dụng Tuy nhiên, sử dụng mạch nguồn cần ý đến tản nhiệt IC LM7805 để tránh nóng làm giảm tuổi thọ Ngồi ra, cần lưu ý đến độ xác đầu 5V để đảm bảo độ ổn định an toàn cho linh kiện điện tử 3.2 Điều khiển nhiệt độ: Hình Mạch mô bắt điểm Triac Khi dòng 220VAC 50Hz qua chỉnh lưu cầu, sóng sin chuyển thành dao động chu kỳ dương với chu kỳ nửa chu kỳ dao động dòng điện(T=10ms) Khi điện áp qua diode quang lớn 4.7V ( chiếm đa phần thời gian) , Led sáng, kích dẫn transitor nối với GND Lúc này, ngõ 0V Khi điện áp qua diode quang nhỏ 4.7V, Led khơng sáng, transitor khơng dẫn, chân tín hiệu kết nối với vi điều khiển nối xuống nguồn Dựa vào điểm này, ta sử dụng ngắt vi điều khiển để nhận biết tín hiệu đồng điện áp xoay chiều, tính góc mở triac Ta điều khiển thời gian khoảng thời gian từ 1ms tới 9ms Vì điện áp cần có khoảng thời gian trễ để tăng lên tắt led Hình Mô bắt điểm Hình Mạch mô điều khiển nhiệt độ MOC3021 : bên gồm diode phát quang ( LED) triac quang Khi có dịng qua diode quang, làm diode sáng, kích dẫn triac MOC dẫn, cho dịng AC chạy qua Mạch phát điểm phát xung đưa vào vi xử lý Vi xử lý xuất tín hiệu điều khiển mạch kích Triac từ điều khiển góc mở điện áp cấp cho bóng đèn Hình Tín hiệu điều khiển mạch kích Triac Hình 10 mơ tín hiệu điều khiển Triac 3.3Thiết kế mạch Altium Hình 11 Mạch tổng thể 3.4 Xác định hàm truyền hệ thống điều khiển PID Do thành phần nhiệt độ thay đổi khơng tuyến tính, nên để giảm sai số thành phần D ta chọn điều khiển PI Sau chọn kinh nghiệm, ta thu số Kp Ki sau: Kp= ; Ki= 10 Hình 12 Hàm truyền điều khiển PID 3.4 Thiết kế chương trình Tín hiệu từ cảm biến LM35 gửi vi xử lý, sau hiển thị lên hình LCD để người sử dụng dễ theo dõi Nhiệt độ đọc so sánh với giá trị đặt mà người sử dụng đặt thông qua UART Nếu người dùng không cài đặt giá trị nhiệt độ đặt ban đầu mặc định 40 ℃ Giá trị sai lệch đầu vào điều khiển PID số lập trình vi điều khiển Đầu điều khiển giá trị nằm khoảng thời gian lần liên tiếp điểm Triac Sử dụng ngắt ngồi để đọc tín hiệu gửi mạch phát điểm Tại lần vi điều khiển nhận ngắt thời điểm mở Triac với độ mở lớn Khi ta điều chỉnh thời gian mở Triac điều chỉnh điện áp cấp vào cho bóng đèn Bằng việc thực làm chậm trễ khoảng thời gian kích dẫn dịng điện đến chân G Triac ta điều khiển 11 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 13 Mạch hoàn thiện CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN Những điểm làm - Phân tích nguyên lý hoạt động, chọn thiết bị cho mạch đọc điều khiển nhiệt độ nguồn 220 VAC - Tìm hiểu cảm biến Pt100 cách đọc - Thiết kế làm thành công phần cứng mạch đọc nhiệt độ từ cảm biến LM35 vi điều khiển hiển thị lên LCD xác - Thiết kế mô phần điều khiển nhiệt độ tảng Proteus, lập trình chương trình bắt điểm điều khiển góc mở TRIAC điều khiển bóng đèn - Xác định hàm truyền đối tượng chỉnh định điều khiển PID - Mạch có cầu chì cách ly điện áp 220V vi điều khiển Những điểm chưa làm - Phần bảo vệ hạn chế khiến nguy hiểm thực Đặc biệt phần hàn đáy chưa bảo vệ nên hạn chế động chạm - Vấn đề tản nhiệt nên linh kiện dễ hỏng hóc( IC LM7805 ) 12 PHỤ LỤC Thư viện hiển thị LCD ( sử dụng thư viện có sẵn mạng) #include "i2c_lcd.h" extern I2C_HandleTypeDef hi2c2; // change your handler here accordingly #define SLAVE_ADDRESS_LCD 0x4E // change this according to ur setup void lcd_send_cmd (char cmd) { char data_u, data_l; uint8_t data_t[4]; data_u = (cmd&0xf0); data_l = ((cmd