Đồ án Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò

Sau gần 5 năm học tập tại trường đại học bách khoa hà nội, được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo cũng như sụ quan tâm chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động. Chúng em đó tớch luỹ được những kiến thức cơ bản của ngành Điều Khiển Tự Động. Để giúp cho sinh viên nắm vững kiến thức chuyên ngành một cách có hệ thống và vước đầu làm quen với công việc thực tế của người kỹ sư, sinh viên dược giao đũ ỏn tốt nghiệp với mục đích tập phân tích, tổng hợp và xây dựng một hệ thống điều khiển tự động trong thực tế.Đề tài chúng em được giao là:Xây dựng hệ thống điều chỉnh tự động nhiệt độ lò điện trở.Sau gần bốn tháng làm việc nghiêm túc với sự nỗ lực của bản thân dưới sự giúp đỡ tận tình của thầy cô giáo trong bộ môn Điều Khiển Tự Động trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Hoà, người đã hướng dẫn trực tiếp chúng em hoàn thành bản đồ án nàyVới lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, một lần nữa chúng em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn Điều Khiển Tự Động trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Hoà, người đã hướng dẫn chỉ bảo rất tận tình để chúng em hoàn thành bản đồ án này.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Nhóm sinh viên thực hiện: Khoa : Điện

Đỗ Hồng Quang Ngành : Điều khiển tự động Nguyễn Văn Phong Lớp : ĐKTĐ

Khoá : 46

1.Đề tài thiết kế:

Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò điện trở

2 Các số liệu ban đầu:

Kết quả thực tập tốt nghiệp

……….

……….

……….

3 Nội dung phần thuyết minh và tính toán

- Xây dựng hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở và khảo sát quá trình nhiệt luyện.

- Thiết kế phần cứng.

- Xác định đặc tính động học của đối tượng.

-Tổng hợp hệ thống kinh điển.

- Khảo sát quá trình nhiệt luyện của vật.

- Phần mền chương trình điều khiển

4 Các bản vẽ đồ thị (ghi rõ các loại bản vẽ và kích thước bản vẽ)

………

………

5 Cán bộ hướng dẫn

Phần Họ tên cán bộ

………

………

6 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: ………

7 Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế: ………

Ngày tháng năm 2006

Chủ nhiệm bộ môn

(Ký, ghi rõ họ tên)

Cán bộ hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

Sinh viên đã hoàn thành (và nộp toàn bộ bản thiết kế cho bộ môn) Ngày 5 tháng 6 năm 2006

(ký, ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC Lời mở đầu 5

PHẦN MỞ ĐẦU 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 7

1.1 Lò điện trở xét về mặt đối tượng điều khiển. 12

1.1.1 Đặc điểm của lò nhỉệt điện trở: 12

1.1.2 Phân loại lò điện trở 12

1.1.3 Một số yêu cầu với vật liệu làm dây đốt 13

1.2 Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở. 14 1.2.1 Phương pháp dùng biến áp: 14

1.2.2 Phương pháp dùng rơle: 15

1.2.3 Phương pháp dùng rơle kết hợp với thysistor 15

1.2.4 Phương pháp dùng hai thysistor mắc xung đối 15

1.3 Cặp nhiệt 16 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 17 2.1 Bộ khuếch đại 17 2.1.1 Khối ổn dòng 17

2.1.2 Khối bù 18

2.1.3 Khối khuếch đại 19

2.2 Bộ điều khiển công suất. 19 2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Thyristor 19

2.2.2 Bộ điều khiển công suất lò nung : 22

2.3 Card D/A, A/D 30 2.3.1 Sơ đồ địa chỉ vào ra sủ dụng cho máy tính IBM và tương thích 31

2.3.2 Các vi mạch dùng trong card 34

2.3.3 Nguyên lý hoạt động của Card 39

CHƯƠNG 3 NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 41 3.1.Những cơ sở lý thuyết 41 3.2.Xác định tham số mô hình từ đặc tính động học của đối tượng. 43 3.3.Khảo sát tính chính xác của mô hình. 45 CHƯƠNG 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BỘ PID KINH ĐIỂN51 4.1.Bộ điều khiển PID. 51 4.1.1 Sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ của đối tượng 53

4.1.2 Xác định tham số bằng thực nghiệm 55

4.1.3 Phương pháp Chien-Hrrones-Reswick 57

4.1.4 Phương pháp tổng của Kuhn 60

4.2.Bộ điều khiển tối ưu độ lớn 61 4.2.1 Nguyên lý tối ưu độ lớn 61

4.2.2 Thiết kế bộ điều khiển 62

4.3.Bộ điều khiển tối ưu đối xứng: 63

4.3.1 Nguyên lý tối ưu đối xứng 63

4.3.2 Điều khiển đối tượng tích phân- quán tính bậc hai 68

4.3.3 Điều khiển đối tượng tích phân -quán tính bậc cao 69

4.3.4 Điều khiển đối tượng bất kì 71

4.3.5 Nâng cao chất lượng hệ kín bằng bộ điều khiển tiền xử lý 73

4.4.Phương pháp phân bổ nghiệm số. 76 4.5.Bộ PID trên miền thời gian xấp xỉ liên tục. 78 4.5.1 Xấp xỉ thành phần I: 78

4.5.2 Xấp xỉ thành phần D 79

4.5.3 Xấp xỉ luật PID 80

CHƯƠNG 5 TỔNG HỢP HỆ THỐNG 81 5.1.Chất lượng quá trình điều khiển 81 5.1.1 Đánh giá chất lượng của hệ thống ở trạng thái xác lập 81

5.1.2 Chỉ tiêu chất lượng của hệ thống ở trạng thái quá độ: 82

5.1.3 Đánh giá chất lượng của hệ thống thông qua tiêu chuẩn tích phân 83

5.2.Thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng lò nhiệt điện trở 84 5.2.1 Sơ đồ khối hệ thống 84

5.2.2 Xác định thông số bộ điều khiển 85

5.2.3 Xây dựng thuật toán điều chỉnh PI số 89

5.2.4 Xây dựng bộ điều khiển PI thông số thay đổi 92

CHƯƠNG 6 GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG 99

6.1 Gíới thiệu chung về bộ phẩn mềm TCS 99

KÊT LUẬN 101

PHỤ LỤC 103

BỘ PHẦN MÊM ĐIỀU KHIỂN 103

Lời mở đầu.

Sau gần 5 năm học tập tại trường đại học bách khoa hà nội, được sự giúp đỡtận tình của các thầy cô giáo cũng như sụ quan tâm chỉ bảo tận tình của các thầy côtrong bộ môn Điều Khiển Tự Động Chúng em đó tớch luỹ được những kiến thức

cơ bản của ngành Điều Khiển Tự Động Để giúp cho sinh viên nắm vững kiến thứcchuyên ngành một cách có hệ thống và vước đầu làm quen với công việc thực tếcủa người kỹ sư, sinh viên dược giao đũ ỏn tốt nghiệp với mục đích tập phân tích,tổng hợp và xây dựng một hệ thống điều khiển tự động trong thực tế

Đề tài chúng em được giao là:

Xây dựng hệ thống điều chỉnh tự động nhiệt độ lò điện trở.

Sau gần bốn tháng làm việc nghiêm túc với sự nỗ lực của bản thân dưới sựgiúp đỡ tận tình của thầy cô giáo trong bộ môn Điều Khiển Tự Động trường Đại

Học Bách Khoa Hà Nội Đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Văn Hoà,

người đã hướng dẫn trực tiếp chúng em hoàn thành bản đồ án này

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, một lần nữa chúng em xin cảm ơn cácthầy, cô giáo trong bộ môn Điều Khiển Tự Động trường Đại Học Bách Khoa Hà

Nội Đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Văn Hoà, người đã hướng dẫn

chỉ bảo rất tận tình để chúng em hoàn thành bản đồ án này

Hà Nội, ngày 2/6/2006Nhóm sinh viên Nguyễn Văn Phong

Đỗ Hồng Quang

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong thời đại ngày nay với sự phát triển như vũ bão về khoa học kỹ thuật, bộmặt thế giới đã có những thay đổi vô cùng to lớn Có thể nói khoa học kỹ thuật hiệnđại đã, đang và gõy ảnh hưởng mạnh mẽ đến toàn nhõn loại Mọi nơi mọi lúc trongcuộc sống, con người đều trực tiếp hoặc gián tiếp có sự ứng dụng những thành tựukhoa học kỹ thuật mới Cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, việcứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật vào trong lĩnh vực tự động hoá đã manglại những chuyển biến rừ rệt, góp phần thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của nhiềulĩnh vực công nghệ, đáp ứng các chỉ tiêu về chất lượng và giá thành sản phẩmnhằm nõng cao chất lượng cuộc sống.

Trong đời sống và sản xuất, yêu cầu về sử dụng nhiệt năng rất lớn Trong cácngành công nghiệp khác nhau, nhiệt năng dùng để nung sấy, nhiệt luyện, nấu chảycác chất là một điều không thể thiếu Nguồn nhiệt năng này được dùng từ điện năngquan các lò điện rất phổ biến và thuận tiện

Từ điện năng, có thể thu được nhiệt năng bằng nhiều cách: nhờ hiệu ứngJoule( lò điện trở), nhờ phóng điện hồ quang( lò hồ quang), nhờ tác dụng nhiệt củadòng xoáy Foucault thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ ( lò cảm ứng) v…v…Trong thực tế các xí nghiệp công nghiệp nước ta thì mô hình lò điện trở là phổbiến hơn cả vì một số ưu điểm như: có kết cấu khá đơn giản, có dải công suất rộng(

từ vài KW đến hàng trăng KW), dễ lắp đặt, sửa chữa, thay thế cũng như bảo hành.Trong khuôn khổ một đồ án tốt nghiệp, chỉ giới hạn ở việc xõy dựng hệ thống

cụ thể là hệ thống điều chỉnh tự động nhiệt độ lò điện trở dùng để khảo sát quátrình nhiệt luyện

Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, đồ án này đề cập đến những vấn đề sau:Chương 1 Tổng quan về đối tượng điều khiển

Chương 2 Thiết kế phần cứng

Chương 3 Nhận dạng đối tượng điều khiển

Chương 4 Các phương pháp thiết kế bộ PID kinh điển

Chương 5 Tổng hợp hệ thống

Chương 6 Giao diện điều khiển và giám sát hệ thống

Tuy nhiên do thời gian và trình độ có hạn nên có nhiều thiếu sót, rất mongđược sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo cũng như bạn bè đề bản đồ án nàyđược hoàn thiện hơn Chúng em xin chõn thành cảm ơn những ý kiến đóng góp quýbỏu đó

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

Mục đích của bản thiết kế tốt nghiệp là xõy dựng một hệ thống điều khiểnnhiệt độ là điện trở và lấy quá trình nhiệt luyện làm thí nghiệm để khảo sát.

Nhiệt luyện là tập hợp các nguyên công nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội vớicác tốc độ khác nhau đẻ làm biến đổi tổ chức của kim loại và hợp kim do đó làmbiến đổi tớnh chất của chúng theo ý muốn

Nhiệt luyện là phương pháp gia công có những đặc điểm riêng Sau đõy lànhững phõn biệt nguyên công này với các nguyên công khác

 Khác với đúc, hàn là nó không nung núng đến trạng thái lỏng, luôn luôn chỉ

ở trạng thái rắn( tức là nhiệt độ nưng nóng phải thấp hơn nhiệt độ đông đặc)

 Khác với cắt gọt, biến dạng dẻo( rốn, dập) khi nhiệt luyện hình dạng vàkích thước các sản phẩm không thay đổi hay thay đổi không đáng kể

 Kết quả của nhiệt luyện được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và

cơ tớnh không thể kiểm tra bằng vẻ ngoài

Sơ đồ của quá trình nhiệt luyện đơn giản nhất:

Đối với quá trình nhiệt luyện, ít nhất cũng được đặc trưng bằng ba thông số quan trọng nhất:

Nhiệt độ nung nóng T0

n: nhiệt độ cao nhất mà quá trình phải đạt đến

Thời gian giữ nhiệt gn: thời gian ngưng ở nhiệt độ nung nóng

Tốc độ nguội Vnguội: sau khi giữ nhiệt

Ba thông số này đặc trưng cho ba giai đoạn nối tiếp của quá trình nhiệt luyện:nung nóng, giữ nhiệt, làm nguội

Đối với kết quả nhiệt luyện được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau:

 Tổ chức tế vi: Bao gồm các tạo pha, kích thước hạt, chiều sõu lớp hoá bền.

Có thể nói đõy là chỉ tiêu gốc, cơ bản nhất song để thực hiện khá mất thời giannên thường chỉ để kiểm tra trong từng mẻ khi sản xuất đã ổn định

 Độ cứng: Là chỉ tiêu cơ tớnh đẻ xác định và cũng có liên quán đến các chỉtiêu khác như độ bền, độ dẻo, độ dai Vì vậy bất cứ chi tiết, dụng cụ nào quanhiệt luyện cũng được quy định giá trị độ cứng( tuỳ từng trường hợp, phải lớnhơn hay nhỏ hơn giá trị quy định) và thông thường được kiểm tra theo tỉlệ( trong một số trường hợp có thể phải kiểm tra 100%)

 Độ cong vênh, biến dạng: Nói chung độ biến dang khi nhiệt luyện trongnhiều trường hợp là nhỏ hoặc không đáng kể, song một số trường hợp quantrọng yêu cầu này rất khắt khe, nếu vượt quá phạm vi cho phép cũng không thểdùng được

Nhiệt luyện thường gặp nhất chỉ dùng cách thay đổi nhiệt độ( không biến đổithành phần và biến dạng dẻo) để biến đổi tổ chức trên toàn diện Nó bao gồm nhiềuphương pháp:

Ủ : Nung nóng rồi làm nguội chậm đẻ đạt được tổ chức cõn bằng với độcứng và độ bền thấp nhất, độ dẻo cao nhất

Thường hoá: nung nóng đến tổ chức hoàn toàn Austenit, làm nguội bìnhthường trong không khí tĩnh để đạt tổ chức gần cõn bằng

Mục đích của ủ và thường hoá là làm mềm thép để dễ gia công cắt và dậpnguội

Tôi: nung nóng làm xuất hiện Austenit rồi làm nguội nhanh để đạt tổ chứckhông cõn bằng với độ cứng cao nhất ( nhưng cũng đi kốm với độ giũn cao).Nếu hiệu ứng này chỉ xảy ra ở bề mặt gọi là tôi bề mặt

Ram: nguyên công bắt buộc sau khi tôi, nung nóng lại thép toi để điều chỉnh

độ cứng, đệ bền theo đúng yêu cầu làm việc

Như vậy tôi và ram là hai nguyên công nhiệt luyện đi kốm với nhau ( khôngtiến hành riêng lẻ mà luôn kết hợp với nhau), mục đích củ tôi và ram là tạo cơ tớnhphù hợp với yêu cầu làm việc cụ thể

Hoá nhiệt luyện: dùng các thay đổi nhiệt độ và biến đỏi thành phần hoá học

ở bề mặt vùng này để biến đổi tổ chức và cơ tớnh mạnh hơn Thường tiến hànhbằng cách thấm, khếch tán một hay nhiều nguyên tố nhất định

Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí:

Nhiệt luyên là khõu quan trọng và không thể thiếu được đối với sản xuất cơkhí và nó có những tác dụng chủ yếu sau:

 Tăng độ cứng, tớnh chống mại mũn và độ bền của thép: Mục tiêu của sẳnxuất cơ khó là sản xuất ra các cơ cấu và máy bền hơn, nhẹ hơn, khoẻ hơn vớicác tớnh năng tốt hơn Để đạt được điều đó không thể không sử dụn nhữngthành quả của vật liệu kim loại và nhiệt luyện, sử dụng triệt để các tiềm năngcủa vật liệu về mặt cơ tớnh

Bằng những phương pháp nhiệt luyện thớch hợp như tôi và ram, tôi bề mặt,thấm cácbon…

 Cải thiện tớnh công nghệ: Muốn tạo thành chi tiết máy, sản phẩm thép phảiqua nhiều khõu, nguyên công gia công cơ khí: rèn dập, cắt…Để đảm bảo sảnxuất dễ dàng với năng suất lao đông coa, chi phí thõp, thép phải có cơ tớnh saocho phù hợp với điều kiện gia công tiếp theo như cần mềm để dễ cắt hoặc dẻo

để dễ biến dạng nguội

Các chuyển biến khi nung thép.

Thao tác đầu tiến của nhiệt luyện là nung nóng kim loại Phụ thuộc vào thànhphần Cácbon cổtng thép và nhiệt độ nung nóng mà trong thép có những chuyểnbiến khác nhau Cơ sở để xác định chuyển biến khi nung thép là giản đồ pha Fe_C,song chỉ giới hạn ở khu vực của thép và ở trạng thái rắn Quan sát trên giản đồ pha

ta thấy rừ ở nhiệt độ thường mọi thép đều cấu tạo bởi hai pha cơ bản: Ferit vàXementit, trong đó có Peclit là hỗn hợp cùng tích của hai pha này

Thép cung tích có tổ chức đơn giản hơn cả, chỉ có Peclit

Các thép trước và sau cùng tích cútor chức phức tạp hơn: Ngoài Peclit ra cũn

có thêm Ferit hoặc Xêmentit thứ hai

Bõy giờ khi nung nóng các thép lên nhiệt độ cao, hóy xem chúng lần lượt cónhững chuyển biến gì?

Khi nhiệt độ nung nóng thấp hơn 7000C trong đó thép vẫn chưa có chuyểnbiến gì( cho nên sau đó dù làm nguội ra sao tổ chức của thép vẫn không bị biếnđổi).

Khi nung nóng lên đến nhiệt độ 7000C phần tổ chức Peclit của mọi thépchuyển biến thành Austenit theo phản ứng sau

9000C sẽ có quá trình hoà tan Ferit và Xêmentit thứ hai cũn dư vào Austenit,làm lượng hai pha này trong tổ chức ngày càng ít đi

Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt:

Tiếp theo nung nóng là giai đoạn giữ nhiệt, tuy nhiên không xảy ra các chuyểnbiến song lại là cần thiết để:

Làm đều nhiệt độ trên thiết diện, để cho lừi cũng có chuyển biến như ở bềmặt

Có đủ thời gian để hoàn thành các chuyển biến khi nung nóng

Làm đồng đều thành phần hoá học của vì lúc đầu hạt Austenit có thành phầnkhông đồng nhất Nơi trước là Ferit sẽ nghèo cacbon, nơi trước là Xêmentit sẽgiàu cacbon Trong giai đoạn này cacbon( và nguyên tố hợp kim) sẽ sang bằngnồng độ

Thời gian giữ nhiệt chỉ cần vừa đủ không nên kéo dài quá mức cần thiết sẽ làmhạt lớn và được chọn phụ thuộc vào các công nghệ nhiệt luyện cụ thể Các côngnghệ liên quan đến khuếch tán như hoá nhiệt luyện, ủ khuếch tán thời gian này dài

Các chuyển biến xảy ra khi làm nguội chậm.

Mục tiêu của nung nóng và giữ nhiệt là để tạo nên Austenit hạt nhỏ Bõy giờhóy xem khi làm nguội, Austenit sẽ chuyển thành tổ chức nào với cơ tớnh ra sao,điều này quyết định cơ tớnh của thép khi làm việc hay gia công tiếp theo: mềm,cứng, dẻo, bền, dai…đến mức độ nào và rất khác nhau.

Khi giữ nhiệt quá nguội( trên 7000C) sau thời gian dài( khoảng 100s) nó mớibắt đầu phõn hoá và tiếp theo( sau khoảng 200s) nó mới kết thúc chuyển biến.Hỗn hợp Ferit-Xêmentit tấm tạo thành rất thô to cỡ micromet

Khi giữ nhiệt Austenit ở nhiệt độ thấp hơn trên dưới 6500C nó sẽ bắt đầu vàkết thúc phõn hoá sau một thời gian ngắn rừ rệt ( cỡ 3s đến 100s ) Hỗn hợpFerit-Xêmentit tấm tạo thành sẽ mịn nhỏ đến mức không thể phõn biệt được

Để khảo sát quá trình nhiệt luyện ta xõy dựng một hệ thống tự động điều chỉnhnhiệt độ lò điện trở như hình vẽ

Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động nhiệt độ bằng máy tính.

Trong hệ thống, đối tượng là một lò điện trở sử dụng loại dây nung Cr-Al( kíhiệu XA) có nhiệt độ làm việc dưới 12000C Tớn hiờu ra của lò được lấy ra bởi cặpnhiệt điện XA số 3 Nhiệt độ của lò được khống chế từ 0 1000 C 0 tương ứng tínhiệu ra của cặp nhiệt điện từ 0mV-41.32mV Tín hiệu này được đưa vào bộ khuếchđại có giá trị từ 0V-5V Tín hiệu từ bộ khuếch đại cũng được đưa tới máy tính qua

bộ chuyển đổi A/D Sau khi được xử lý luật điều chỉnh ở máy tính rồi qua bộchuyển đổi D/A ta thu được Udk Tín hiệu từ Udk được đưa vào bộ điều chỉnh côngsuất( ĐKCS) Nhờ tín hiệu điều khiển mà ta có thể thu được nhiờt độ đặt vào lòtheo yêu cầu

1.1 Lò điện trở xét về mặt đối tượng điều khiển.

Đối tượng đựoc điều khiển bằng máy tính được chọn là đối tượng nhiệt Ởđây đối tượng cụ thể là lò nhiệt điện trở

1.1.1 Đặc điểm của lò nhỉệt điện trở:

Quán tính nhiệt của lò lớn, sự thay đổi nhiệt độ của lò xảy ra chậm Nhiệt độcủa buồng lò không đều và cặp nhiệt cũng có quán tính khá lớn nên việc xác đinhnhiệt độ còn phụ thuộc vào vị trí đặt bộ cảm biến nhiệt độ

1.1.2 Phân loại lò điện trở.

Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thong qua hệ thốngdõy đốt(dõy điện trở).Từ dây đốt,qua bức xạ,đối lưu,truyền nhiệt và dẫn nhiệt,nhiệtnăng được truyền tới vật cần gia nhiệt.Lũ nhiệt điện trở thường dùng để nung,nhiệtluyện ,nấu chảy kim loại mầu và hợp kim màu

Phân loại lò nhiệt điện trở có nhiều cách:

 Theo nhiệt độ làm việc của lò

1.1.3 Một số yêu cầu với vật liệu làm dây đốt.

Trong lò điện trở,dõy đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệt năngthông qua hiệu ứng Joule.Dõy đốt cần phải làm từ các vật liệu thoả món cỏc yêucầu sau:

* Chịu được nhiệt độ cao

* Độ bền cơ khí lớn

* Có điện trở suất lớn(vỡ điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dẫn dài khó bốtrí trong lo hoăc tiết diện dây nhỏ, không bền).

* Hệ số nhiệt điện trở nhỏ(vi điện trở ít thay đổi thay đổi theo nhiệt độ,đảmbảo công suất)

* Chậm hoá già(tức là dây đốt ít biến đổi theo thời gian,do đó đảm bảo tuổithọ của lò)

Vật liệu làm dây đốt có thể là:

* Hợp kim:Cr-Ni,Cr-Al với lũ cú nhiệt độ làm việc dưới 1200 C0

* Hợp chất :SiC, MoSi với lũ cú nhiệt độ làm việc 2 1200 :1600 C0 0

* Đơn chất: Mo,Ư,C (graphit)…với lũ cú nhiệt độ làm việc cao hơn

Hệ sốnhiệt điệntrở ( 10  3

độ)

Điện trởsuất (

Một vài thông số cơ bản của vật liệu làm dây đốt lò điện trở

1.2 Các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ lò điện trở.

Đại lượng cần điều chỉnh là nhiệt độ buồng lũ.Việc điều khiẻn nhiệt độ buồng

lũ chớnh là điều chỉnh công suất dặt vào lò

P I R T 2

Có hai phương án để xây dưng công thức này là:

* Điều chỉnh về phía tiêu thụ tức là thay đổi điện trở của lũ.Phương phỏpnay ít được áp dụng bởi tính không liên tục và hạn chế về phạm vi điều khiển

* Điều chỉnh về phía cung cấp tức là thay đổi cường độ dòng điện chạy quathanh nung Điều này có thể thực hiện bằng biến áp, rơle hoặc thysistor

1.2.3 Phương pháp dùng rơle kết hợp với thysistor.

Khi sủ dụng phương pháp này thì khả năng điều chỉnh với các phạm vi khácnhau la tương đối tốt Tuy nhiên phương pháp này không thực hiện được bởi vì khitiếp điểm của rơle đóng ta luụn cú cả chu kì cung cấp cho tải, khi mở nguồn thìcung cấp phía diot bị ngắt, do đó việc cung cấp cho lò chi hoàn toàn là do thysistor

và như vậy công suất đưa cào lò chỉ điều khiển đươc 1/2 chu kì

1.2.4 Phương pháp dùng hai thysistor mắc xung đối.

Khi có xung điều khiển thì hai thysistor sẽ lần lượt mở cho dòng đi qua Ta cóthể điều khiển cho thysistor liên tục chuyển từ dóng sang mở tương ứngvới côngsuất lò thay đổi từ giá trị 0 đến giá trị lớn nhất

Phương pháp này cho phép điốu chỉnh trong phạm vi rộng, đáp ứng yêu cầuđiều khiển, độ chính xác điều khiển tương đối cao, độ nhạy điều chỉnh tương đốilớn, có khả năng điều chinh tương đối liên lục và đều đặn.

Phương pháp điều khiển thysistor có thể là điều biên hoặc điều khiển độ rộngxung

 Mở theo biờn:Đõy là phương pháp đơn giản hơn Khi sai lờch dưa vào

bộ điều khiển, đầu ra của nó sẽ điều khiển để mở thysistor, khi đó số(sau khi

đã chia cho 255-ADC 8bit) này sẽ đóng vai trò là điện áp điều khiển, tức làtrong toàn bộ chu kì, điện áp đưa vào dây nung là cố định Tuy nhiên như ta đã, điện áp đưa vào lò nung phụ thuộc vào góc mở  của thysistor Khi đã cóđiện áp vào lũ thỡ công suất đưa vào lò tỉ lệ với diện tich của phần hình sincòn lại Chính vì thế ma phương pháp này luôn bị phi tuyến

 Mở theo độ rộng xung:phương pháp này khắc phục được nhược điểmcủa phương pháp trên đó là sự phi tuyến, trong thưc tế với sự tuyến tính củaphương pháp này làm cho chất lượng đường điều chỉnh nhiệt độ tốt hơn Vớiphương pháp này, trong một chu kì, thời gian đưa vào dây nung thay đổi theo

sự điều khiển của độ rộng xung Còn điện áp đưa vào khi thysistor đóng hoặc

mở là cố định

1.3 Cặp nhiệt.

Cặp nhiệt thường được sử dụng ỏ đây là cặp nhiệt điện Cromen - A) : dây dương la Cromen, dõy âm là Alumen là hơp kim94%Cu+2%Al+2.5%Mn+1%Si+0.5%Fe Khi đo dài hạn cho phép nhiệt độ lên đến

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

2.1 Bộ khuếch đại.

Bộ khuếch đại dùng để khuếch đậi tín hiệu điện áp lấy từ cặp nhiệt điện cóđiện áp trong khoảng từ 0mV-41,32mV để đưa vào bộ ADC

Sơ đồ nguyên lý của mạch khuyệch đại như hình:

Trong sơ đồ trên sử dụng :IC uA741(OP1) và 2 IC 082(OP2 và OP3)

Sơ đồ gồm 3 khối:Khối ổn dòng dung IC uA 741 (OP1), khối bù nhiệt độđầu tự do cho cặp nhiệt điện và khối khuếch đại sử dụng IC 082.

2.1.1 Khối ổn dòng.

Khối ổn dồng có nhiệm vụ luôn giữ cho dòng ra là 4mA Khi đó điện áp ra chỉphụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp vào và điện trở bù ( R8: điện trở dây quấnbằng đồng)

Thông số kĩ thuật của A741:

+ Nguồn cung cấp 15V

+ Công suất tiêu tán là 50mV

+ Điện áp trôi đầu vào Uoff in=20mV

+ Dòng điện trôi đầu vào Ioff in=20nA

+ Trở kháng vào Rin=3MΩ

+ Trở kháng ra Rout=75Ω

Các giá trị điện trở :

R10=100Ω là điện trở bằng dây manganin có hệ số nhiệt điện trở rất nhỏ và

có thể xem như không đổi khi nhiệt độ môi trường thay đổi

R1=2.2KΩ ,R2=570Ω ,biến trở R3=200Ω, R4=1kΩ ,Dz là diot ổn áp 3V

2.1.2 Khối bù.

Điều kiện chuẩn khi xác định đặc tuyến của cặp nhiệt điện là nhiệt độ đầu tự

do của nó bằng 0 0C Nhưng trong công nghiệp nhiệt độ đầu tự do luụn khỏc khụng.Nghĩa là suất điện động đo được luôn nhỏ hơn sức điện động chuẩn, vì vậy phải bùảnh hưởng nhiệt độ của đầu tự do To

Theo điều kiện chuẩn, sức điện đông sinh ra của cặp nhiệt điện khi nhiệt độđầu nóng bằng t là:

E(t,0)=e(t)-e(0)

Còn khi đầu nóng nhiệt độ là t0 thì:

E(t0,0)=e(t0)-e(0)

Nếu nhiệt độ đầu nóng là t đầu lạnh là t0 thì sức điện động đo được là:

E(t,to)=e(t)-e(to)

E(t,0)-E(t,to)=e(to)-e(0)=E(to,0)

E(t,0)=E(t,to)+E(to,0)

Như vậy giá trị sức điện đông chuẩn E(t,0) bằng giá trị sức điện động đo đượcE(t,to) cộng với sức điện động bù E(t,0).

Vai trò của mạch cầu bù này là tự tạo ra một điện áp bù bằng giá trị E(t,to) đểmắc nối tiếp với cặp nhiệt điện

Trong đó R7 =4,7 Ω là điện trở manganin có hệ số nhiệt điện trở rất nhỏ và cóthể coi là không thay đổi khi nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi

R8 là điện trở bù được quấn bằng dây đồng

Biến trở R9=200 để điều chỉnh cầu cân bằng

2.1.3 Khối khuếch đại.

Tớnh toán thông số cho tầng khuếch đại:

Tín hiệu vào bộ khuếch đại từ 0mV-41,32mV (tương ứng với nhiệt độ từ

Vậy tầng OP3 có hệ số khuếch đại là K3=5.5, R15 = 10k, R17 = 49K, biếntrở R16=10K, biến trở R19 = 5K, R20 = R21 = R23 = 15K, C3 = 470 àF-16V

R18, R19, R20, R21 là bộ bù điện áp lệch không do đặc tính truyền đạt của ICkhuếch đại cho thấy khi ngắn mạch hai đầu vào thi đầu ra vẫn có một điện áp khỏckhụng Nguyên nhân gây ra là sự trôi điểm làm việc và sự không cân bằng củamạch

2.2 Bộ điều khiển công suất.

Có nhiều phương pháp điều khiển công suất nhưng phương pháp dùng haithysistor dùng tương đối nhiều Khi có xung điều khiển hai thysistor sẽ lần lượt mởcho dòng điện đi qua Ta có thể điều khiển góc mở của thysistor bảo đảm cho côngsuất lò thay đổi từ 0 đến giá trị lớn nhất.

Phương pháp này cho phép điều chỉnh trong phạm vi rộng, độ chính xác điềukhiển tương đối cao, độ nhạy điều khiển tương đối lớn,cú khả năng điều chỉnh liêntục và đều đặn

Dựa vào yêu cầu chất lượng điều khiển và trang thiết bị sẵn có ,dùng phươngpháp điều chỉnh công suất lo dùng thysistor mắc xung đối để điều khiển lò điện trở

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Thyristor.

Thyristor là thiết bị bán dẫn gồm 4 lớp bán dẫn PNPN khác nhau về chiều dày

và mật độ điện tích Giữa các lớp bán dẫn này hình thành các lớp chuyển tiếp PN J1

, J2, J3 và được lấy ra từ các cực Anod ,Catod và cực điều khiển G

Sơ đồ cấu trúc của Thyristor được biểu diễn trên hình vẽ III.3

Sơ đồ cấu trúc Thyristor Khi đặt Thyristor dưới điện áp một chiều ,Anode nối với cực dương ,Catod nốivới cực âm của nguồn điện áp ,J1 ,J3 được phân cực thuận ,J2 được phân cựcngược Gần như toàn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J2 Điện trường nội tại Eicủa J2 có chiều từ N1 hướng về P2

Điện trường ngoài tác động cùng chiều với Ei ,vùng chuyển tiếp cũng là vùngcách điện càng mở rộng ra ,không có dòng điện chạy qua Thyristor mặc dù nó đượcđặt dưới điện áp Nếu cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (Dương

so với K) các điện tử từ N2 chạy sang P2 Đến đây ,một số ớt chỳng nhảy vào nguồn

Ug và hình thành dòng điều khiển Ig chạy theo mạch G-J3-K-G Còn phần lớn điện

tử chịu sức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J2 ,lao vào vùng chuyển tiếpnày Chúng được tăng tốc độ, động năng lớn nên bẻ gãy các mối liên kết nguyên tử

Si ,tạo nên những điện tử mới Các điện tử mới được giải phóng này lại tham gia

bắn phá nguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp Kết quả của phản ứng của dâychuyền này làm xuất hiện ngày càng nhiều điện tử chạy vào N1 ,qua P1 và đến cựcdương của nguồn điện áp ngoài ,gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt J2 trở thành mặtghép dẫn điện bắt đầu từ 1 điểm nào đó xung quanh cực G rồi sau đó phát triển ratoàn bộ mặt ghép với tốc độ lớn

Điện trở thuận của Thyristor khoảng 100k khi còn ở trạng thái khoá ,trởthành 0,01 khi nó mở cho dòng chạy qua Như vậy muốn mở Thyristor thì ta cầnphải có hai điều kiện ,đó là UAK>1V và Ig> Igst Còn muốn đóng Thyristor ,ta phảiđặt điện áp ngược lờn hai đầu Anod và Catod UAK< 0; Phải chú ý là trong bất cứtrường hợp nào ,cũng không đặt được đặt Thyristor dưới điện áp thuận khiThyristor chưa bị khoá ,nếu không có thể gây nguy cơ ngắn mạch nguồn

 Đặc tính Vol-Ampe của Thyristor

Đặc tính Von-Ampe của Thyristor gồm 4 đoạn:

- Đoạn 1 ứng với trạng thái khoá ,chỉ có dòng điện dò chạy qua Khi tăng

U đến Uch (Điện áp chuyển trạng thái) ,bắt đầu quá trình tăng trưởng nhanh chóngcủa dòng điện, Thyristor chuyển trạng thái mở

- Đoạn 2 ứng với giai đoạn phân cực J2 Trong giai đoạn này mỗi lượngtăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt trên Thyristor Đoạn này còn được gọi điện trở âm

- Đoạn 3 ứng với trạng thái mở của Thyristor Lúc này cả 3 mặt ghép điệntrở thành dẫn điện Dòng chạy qua Thyristor chỉ còn hạn chế bởi điện trở mạchngoài Điện áp rơi trên Thyristor rất nhỏ khoảng 1V Thyristor giữ được trạng thái

mở chừng nào I còn lớn hơn IH(dòng duy trì)

- Đoạn 4 ứng với trạng thái Thyristor bị đặt dưới điện áp ngược .Dòngđiện ngược rất nhỏ, khoảng vài chục mA Nếu tăng U đến Uz thì dòng điện ngượctăng lên rất nhanh, mặt ghép sẽ bị đánh thủng ngay

Đặc tính V-A của Thyristor

 Các thông số của Thyristor dùng trong mạch

Loại Thyristor được dùng trong đồ án này là Thyristor KY202H do Liờn xụ

cũ sản xuất cú cỏc thông số kỹ thuật như sau :

- Điện áp làm việc :0.4 (KV)

- Dòng điện cực đại cho phép :10 (A)

- Điện áp điều khiển :10 (V)

- Dũng điện dò (ngược) :30mA

- Thời gian mở ton :15 s

- Thời gian khoá toff :30  s

Trong đó điện áp ngược cho phép là Uz Dòng điện dò là dòng điện chạy quaThyristor khi nó mở, thời gian mở là khoảng thời gian cần thiết lập dòng điện chínhchạy trong Thyristor, tính từ thời điểm phúng dũng Ig vào cực điều khiển Còn thời

gian khoá tính từ khi xuất hiện dòng điện ngược cho đến khi dòng điện ngược bằngkhông.

2.2.2 Bộ điều khiển công suất lò nung :

Sơ đồ mạch điều khiển :

Hệ thống này được dùng để điều khiển công suất lò cung cấp cho sợi đốt của

lò tức là làm thay đổi nhiệt độ của buồng lò Công suất đốt được điều khiển bằnghai van Thyristor mắc song song ngược chiều Nguồn cung cấp cho lò là nguồnxoay chiều vì vậy Thyristor được sử dụng ở chế độ khoá tự nhiên nghĩa là nó tựkhoá khi dòng điện đi qua nó bằng không

Thyristor mở khi có đáp ứng thuận, nghĩa là khi đặt điện áp dương lên anot,điện áp õm lờn katot đồng thời có tín hiệu điều khiển đặt vào cực G của nó và cúdũng:

Ig>Ist

Ig: dòng điều khiển

Ist: giá trị giới hạn dòng điều khiển

Ở đây ta mắc hai Thyristor xung đối nhau nên ở mỗi một thời điểm chỉ có mộttrong hai Thyristor được mở cho dũn g điện đi qua sợi đốt của lò  là góc mở củaThyristor, tức là góc lệch kể từ thời điểm ban đầu của nửa chu kì xoay chiều chođến thời điểm mở Thyristor, thời điểm này chính là thời điểm phát xung điều khiển

Ta có thể thay đổi thời điểm phát xung điều khiển để thay đổi góc mở  tức là thayđổi công suất cấp cho dây nung của lò

Thời điểm phát xung điều khiển

Việc điều khiển thời điểm phát xung cho Thyristor đươc thực hiện bằng bộ tạoxung như sơ đồ Sơ đồ này gồm các khối: Khối tạo xung răng cưa đồng bộ, khối sosánh, khối vi phân, khối khuếch đại và biến áp xung

 Mạch tạo xung răng cưa đồng bộ

Mạch tạo xung răng cưa đồng bộ

Để tạo xung điều khiển Thyristor trong cả hai chu kì của điện lưới thì phải cúkhõu đồng pha để khi phát xung điều khiển đạt được thời điểm mở Thyristor mongmuốn Việc tạo ra một điện áp đồng pha được thực hiện bằng một biến áp đồngpha Đầu sơ cầp lấy từ nguồn điện cấp cho lò (220V 50Hz) Đầu thứ cấp có điện ápxoay chiều 6V Sau khi qua chỉnh lưu cầu ta được điện áp một chiều, đồng pha vớiđiện áp cấp cho lũ cú tần số la 100Hz Điện áp này qua điện trở R0 đi vào cực bazơcủa transitor pnpT1, R1, R2 là các điện trở phõn ỏp cho T1 Toàn bộ mạch nà có mộtnguồn nuôi, điện áp nguồn nuôi được nạp cho tụ C1, khi T1 mở transitor npn T2 để

ổn định dũng phúng của tụ C1, khi đó khoỏ tức là đã ngừng quá trình nạp R5, R6 làcác điện trở phõn ỏp cho T2.

Như vậy điện áp răng cưa được tạo ra nhờ sự phóng nạp của tụ Tại thời điênnửa đầu chu kỳ điện áp xoay chiều, giá trị điện áp xoay chiều nhỏ hơn phõn ỏp trờn

R1, T1 mở bão hòa Tụ C1 sẽ nhanh chóng được nạp điện qua C1 và diot D1 đóng vaitrò là van mở

* Tớnh toỏn cỏc thông số:

Yêu cầu của mạch tao xung cưa có biên độ điện áp 10V Như vậy điện ápnguồn nuôi được tính theo công thức:

Ec=Emax+EDS+Ucc

Umax= 10V: Điện áp cực đại của xung.

UD5=0,5V :điện áp rơi trên Diot D5

Ucc=0.7V: UEC khi T1 bão hoà

Chọn sườn làm việc là sườn phóng xung thì Tp>>Tn

Giả sử góc mở xung tối thiểu là 20 0 thì điện áp đồng pha tại thời điểm đỉnhxung là:

U= 6 2 sin 20 0  2,9( )V

Như vậy điện trở phõn ỏp của T1 phải có giá trị đảm bảo sao cho khi điện ápđồng pha biến thiên trong khoảng từ 0 2,9 V thì T1 vẫn mở Chọn T1 là đèn M∏-41A Các điện trở phõn ỏp có giá trị như sau:

R1=1k ; R2=12kΩ; R4=3kΩ

T2 dùng để ổn dũng phúng của tụ C1 khi T1 đó khóa, đồng thời nó đảm bảo cho

C1 chỉ phóng khi T1 đó khóa Vì thế điện trở phõn ỏp cho T2 có giá trị :

Sơ đồ khối so sánh

Mạch so sánh có nhiệm vụ tạo so sánh giữa giá trị điện áp răng cưa và điện ápđiều khiển đưa ra từ máy tính Tại thời điểm hai điện áp này cân bằng nhau thì tínhiệu trong mạch khuếch đại chuyển mức

Khuếch đại thuật toán uA741 không có phản hồi được sử dụng làm bộ sosánh Điện áp xung răng cưa được đưa vào đầu õm(đầu vào đảo), còn tín hiệu điềukhiển được đưa vào đầu dương (đầu vào không đảo)

Hệ số khuếch đại điện ỏp khụng phản hồi uA741: VY0=106

Khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại lớn nên khi có sai lệch nhỏ đầu ravẫn có trạng thái bão hòa

∆U > 0 : trạng thái bão hòa dương

∆U < 0 : trạng thái bão hòa âm

Với ∆U= Udk - U1

Tín hiệu ra của bộ so sánh la xung vuông, thời điểm đảo dấu của tín hiệu ra làthời điểm cân bằng của điện áp xung răng cưa so với tín hiệu điều khiển vậy giá trịđiện áp Udk sẽ quyết định độ rộng xung vuông đươc tạo ra Do đó nó sẽ quyết địnhthời điểm tạo xung nhọn khi đi qua khâu vi phân

Các điện trở R9 = R10 =10KΩ được chọn theo kinh nghiệm R10 được dùng đểhạn chế dòng ra khuếch đại thuật toán

 Khối vi phân và khuếch đại xung

Sơ đồ khối vi phân và khuếch đại xungĐầu vào mạch vi phân là điện áp đầu ra U2 của mạch so sánh Đú chớnh là tínhiệu xung vuông Tín hiệu này đi qua tụ C2 sẽ tạo ra các xung nhọn tại thời điểmchuyển trạng khi chuyển trạng thái từ dương xuống âm sẽ có một xung âm vàngược lại khi chuyển trạng thái từ õm lờn dương sẽ có một xung dương Điot D6

(loại 206) chỉ cho xung âm đi qua Các xung vi phân dương sẽ qua tranzitor côngsuất T3 (H10-npn) T3 là khuếch đại xung để tạo ra dòng điện xung trong mạch sơcấp của biến áp xung Mạch này được tính toán dựa trên yêu cầu cần thiết của xungđiều khiển ra ở hai mạch thứ cấp của biến áp xung

Điện trở tải của tranzớtor T3 gồm có cuộn dây sơ cấp của biến áp xung và điệntrở R13=30Ω Điện trở R11=300Ω dùng để hạn chế dòng vào tranzớtor T3 và đuợcchọn căn cứ trên dòng vào của khuếch đại thuật toán

Các diot D7, D8 là loại 1N9004 để ngăn dòng nguợc vào cực điều khiển củathyristor Các điện trở hạn chế dòng R13=R14=10Ω

Như vậy, nếu điện áp điều khiển tăng thì thời điểm giao nhau của nó với xungrăng cưa càng dịch lên đỉnh xung, tức là góc lệch của nó so với điển đầu của nửachu kỳ tần số càng nhỏ Và ngược lại, nếu điện áp điều khiển giảm thì thời điểmgiao nhau của nó với xung răng cưa càng dịch ra xa đỉnh xung, tức là góc lệch của

nó so với điểm đầu của nửa chu kỳ tần số xoay chiều càng lớn Vậy khi điện áp

điều khiển càng lớn thỡ gúc lệch sẽ càng nhỏ nên công suất cung cấp cho tải sẽcàng lớn và ngược lại.

 Biến áp xung

Biến áp xung gồm một cuộn dây sơ cấp 200 vòng và hai cuộn dây thứ cấp,mỗi cuộn hai trăm vòng Hệ số biến áp bằng một Biến áp xung nhằm cách li mạchđộng lực và mạch điều khiển

Khi một xung dương đặt vào transistor T3 thỡ nú sẽ mở và phát ra một xungqua mạch sơ cấp của biến áp xung, dẫn đến mở hai cuộn biến áp của hai cuộn thứcấp của biến áp xung dùng để mở các thyristor

Nguyên lý hoạt động của mạch tạo xung:

Tín hiệu xung răng cưa được so sánh với tín hiệu điều khiển nhờ IC khuộchđại thuật toán uA741, Xung răng cưa được đưa vào đầu đảo còn tín hiệu điềukhiển Udk được đưa vào đầu vào không đảo Khi điện áp của xung răng cưa lớnhơn điện áp điều khiển thì điện áp ra của uA741 sẽ bão hòa dương.Như vậy, đầu racủa uA741 sẽ là xung vuông với tần số 100Hz

Tụ C2 và điện trở R10 là mạch vi phân tạo ra các xung nhọn khi các xungvuông đầu vào đảo dấu Kích thước của các xung này đựợc quyết định bởi điệndung của tụ C2 và giá trị của điện trở R10

Điụt D6 sẽ dùng để các xung õm tỏc dụng lên cực Bazơ của tranzistor T3 Nhưvậy, Bazơ của transistor T3 chỉ chịu tác động của các xung nhọn dương với tần số100Hz, thời điểm cú cỏc xung ngọn này là thời điển giao nhau của sườn sau xungrăng cưa với điện áp điều khiển

Nếu điện áp điều khiển tăng thì thời điển giao nhau của nó với xung răng cưacàng dịch đến đỉnh xung,tức là góc lệch của nó so vói thời điểm đầu của nửa chu kỳtần số xoay chiều càng lớn

Các điện trở R11 và R12 dùng để hạn chế dòng điều khiển đặt vào các thyristor,điện trở R13 và R14 dùng để giới hạn giá trị xung ở mạch thứ cấp Điụt D9 dùng đểxúa cỏc xung âm sinh ra trong mạch sơ cấp của biến áp xung BX, đảm bảotranzistor T3 khỏi chịu tác động của xung điện áp có giá trị lớn hơn Cỏc điụt D7 và

D8 dùng để ngăn không cho các xung âm tác động lờn cỏc điều khiển của thyristor

Như vậy, trong một nửa điện áp xoay chiều chỉ có một thyristor thông, tức là chỉ cóthyristor nào có điện áp thuận mới được phép mở.

Thông số giá trị linh kiện sau khi tính toán:

2.3 Card D/A, A/D.

Các máy tính IBM và tương thích của nó bao giờ cũng dành một số Slot của

nó nhằm mục đích cho người sử dụng khai thác chức năng của máy tính Các máytính thế hệ ngày nay cú cỏc Slot 8 bit, 12 bit, 32 bit Do tính tương thích nên đểcard điều khiển hoạt động được thì phải có phần xác định cho nó một địa chỉ cụthể Cỏc vựng địa chỉ từ 300h đến 31Fh Phần này gọi là khối giải mã địa chỉ Sơ

đồ cấu tạo của card A/D-D/A được mô tả trong phần sau Do card giao tiếp 8 bitnên ta chỉ nghiên cứu phần giao tiếp 8 bit

2.3.1 Sơ đồ địa chỉ vào ra sủ dụng cho máy tính IBM và tương thích.

Việc thiết kế card cắm trên Slot của máy tính ta cần quan tâm tín hiệu ra trênSlot, các tín hiệu này được trình bày như sau:

Trong bộ xử lý ta quan tâm đến ba phần chính:

CPU: là bộ vi xử lý trung tâm, ở dây diễn ra các lệnh điều khiển, xử lý và thuthập thông tin

Bộ nhớ trong: dùng để chứa chương trình và số liệu của chương trình hạtnhân và stack Có khả năng liên hệ trực tiếp với CPU thông qua Data bus vàAddress bus

Các thiết bị ngoại vi ghép nối với máy tính: các thiết bị ngoại vi liên hệ vớiCPU qua cổng

Sự phân chia này giúp người sủ dụng có thể mở rộng khả năng của máy tínhtrong việc bổ xung hay loại bỏ một số chức năng tuỳ theo yêu cầu của mình

Trờn hình dưới đây là sơ đồ chân slot EISA của máy tính

Đế phân biệt giữa ngoại vi và bộ nhớ người ta sử dụng các tín hiệu IOR( InputOutput Request) và MR( Memory Request).

Trong sơ đồ chân slot của máy tính ta quan tâm tới D0 D7là 8 đường dữ liệu

và việc trao đổi của vi xử lý với ngoại vi thông qua 8 đường dữ liệu này A0 A19

tương ứng với 20 đường Address 0  Address 19, các đường này tạo ra các đườngbus giúp VXL chỉ tới bộ nhớ trong hay thiết bị ngoại vi

Sử dụng DMA( Direct Memory Access) để truyền sô liệu trực tiếp giữa cácthiết bị ngoại vi với bộ nhớ trong của máy tính thông qua bus địa chỉ này mà khônglàm gián đoạn hoạt động của CPU và cho phép tăng nhanh tốc độ truyền Tín hiệuAEN( Address Enable) là tín hiệu tích cực ở mức cao được điều khiển bởi DMA.Dùng tín hiệu này để điều khiển hoạt động của IC giải mã 74LS138, cho phép đưa

ra các địa chỉ giải mã

Chân số 32, 41, 62 là chân đất mỏy tớnh(GND)

Chân số 34, 36 tương ứng với dòng điện một chiều –5V

Chân số 38 tương ứng với nguồn điện một chiều –12V.

Chân số 40 tương ứng với nguồn điện một chiều +12V

Chân số 44 là tín hiệu IOW cho phép viết số liệu ra cổng địa chỉ, tín hiệu nàytích cực ở mức thấp

Chân số 45 là tín hiệu IOR cho phép đọc số liệu vào cổng từ địa chỉ, tín hiệunày cũng tích cực ở mức thấp Hai tín hiệu này loại trừ lẫn nhau

Ngoài ra trên slot của máy tính cũn cú những tín hiệu khác nhau như:

IORQ: Yêu cầu ngoại vi

MRQ: yêu cầu bộ nhớ

OSC: tần số máy tính

IRQ: yêu cầu ngắt

Trên đây là các tín hiệu slot của máy tính mà ta phải quan tâm trong quá trìnhlắp và thiết kế card điều khiển Thêm nữa chúng ta cũng phải bố trí và phân vùngđịa chỉ cho những mục đích khác nhau Với việc phân chia vùng như vậy, ứng vớimỗi vựng cú một chức năng riêng mà các thiết bị khỏc khụng xâm phạm được.Trên thực tế máy tính có 2 hệ thống vùng nhớ Một vùng dành cho các biến vàcác hằng Còn lại là vùng địa chỉ được gọi là Ports(cổng ) Ports cho phép truy nhập

từ bên ngoài thiết bị Máy in, truyền thông nối tiếp, ổ cứng, card sound…tất cả đều

sử dụng ports để kiểm tra và điều khiển Một máy tính thông thường dùng A0đến

a Vi mạch giải mã 74LS138.

Sơ đồ chân vi mạch:

Đây là một trong những mạch tích hợp dùng để giải mã thông dụng hiện nay

Ta có bảng chân lý

Bảng chân lý chỉ ra rằng chỉ có một trong tám tín hiệu đầu ra của vi mạch giải

mã trở thành mức lụgic 0 tại một thời điểm Để cho phép vi mạch hoạt động đượctức là đầu ra của bộ giải mã ở mức thấp thì 3 đầu vào cho phép G1, G2A, G2B phảicùng tích cực Tức là G2*= G2A + G2B tích cực mức thấp, G1 tích cực mức cao

74LS138 có 3 đầu vào A, B, C để chọn đầu ra tích cực Do đó, vi mạch có 23

=8 kênh đầu ra Nguồi cung cấp chi vi mạch là Vcc = 5V

b Vi mạch chốt tín hiệu 74LS373

Sơ đồ chân vi mạch:

Để xử lý chỉ cần một khoảng thời gian rất ngắn cỡ sđế gửi số liệu ra bênngoài Vì thế cần dùng chốt để treo dữ liệu, khi nào bên ngoài có yêu cầu thì mớicho dữ liệu đi qua Vi mạch 74LS373 thực chất là một tổ hợp các Flip Flop, số liệuđầu vào D được chuyển ra đầu ra Q mỗi khi xung clock thay đổi Khi xung clockkhông thay đổi tức là đầu ra Q không thay đổi, mạch ở trạng thái chốt

74LS373 là vi mạch có 8 đầu vào và 8 đầu ra số Ngoài chân G(Latch Enable)tích cực mức thấp còn có chân OC(Output Control) Khi OC ở mức lụgic 1 thỡ cỏcđầu ra Q ở trạng thái trở kháng Khi OC ở mức lụgic 0 thì chốt hoạt động bìnhthường Các thông số của vi mạch:

Dòng điện cung cấp 24mA

Trễ tín hiệu 19ns

Điện áp cung cấp 5V5%

Bảng chân lý:

c Vi mạch đệm tín hiệu 74LS245.

Sơ đồ chân vi mạch:

Vi mạch này thường được sử dụng để xây dựng mạch vào 8 bit cho phéptruyền số liệu vào/ra theo 2 chiều nhờ chân DIR Khi chân DIR ở mức cao, chophép số liệu đi từ AB Và ngược lại, khi DIR ở mức thấp, cho phép số liệu đi từBA Hoạt động như vậy với điều kiện chân G( Enable) ở mức thấp, hoạt độngnhư trên gọi là hoạt động bình thường Nếu G ở mức cao thì mạch ở trạng thái caotrở

d Vi mạch biến đổi số-tương tự DAC 0808

Phần lớn các vi mạch D/A đều gồm các mạch chuyển đổi và điện trở Chúng

sẽ biến đổi các chuỗi dữ liệu số thành dạng điện áp liên tục dạng tương tự, cứ mỗichuyển mạch ứng với một bit cũn cú cỏc điện trở tạo thành bộ phõn ỏp để lấy điện

áp ra Thông dụng nhất là bộ biến đổi D/A R-2R mà điển hình là DAC0808 Nó là

bộ biến đổi số - tương tự 8 bit mà tín hiệu ra là dòng điện

Sơ đồ chân vi mạch:

Các thông số của mạch:

Thời gian biến đổi 150ns

Công suất tiêu thụ 33mV( ứng với VCC=5V)

Nguồn cung cấp  4,5V  18V

e Vi mạch biến đổi tương tự - số ADC 0809

Hoạt động của bộ biến đổi A/D phụ thuộc vào lụgic điều khiển được tạo từphần mềm Vi mạch gồm 28 chân, trong đó có 8 chân cho tín hiệu vào tương tự từ

IN0 đến IN7 Tỏm chân cho tín hiệu ra số D0 đến D7, ba chân A0, A1, A2 cho phépgiải mã để chọn 8 kênh đầu vào tương tự Chân CLK có tác dụng đưa nhịp xungcho quá trình lấy mẫu Chân START cho biết bắt đầu quá trình giải mã, khi nó ởmức cao( mức lụgic 1) vi mạch bắt đầu quá trình biến đổi Chân OE( OutputEnable) ở mức cao cho phép đưa số liệu ra từ D0 đến D7

Các thông số của vi mạch:

Thời gian biến đổi 100s

Công suất tiêu thụ 15mW

 Cách thư hai: tạo một clock riờng, cỏch này thường được dựng vỡ tạomột bộ phát xung không phải là khó Chúng ta có thể sử dụng vi mạch74HC14 Trong thiết kế card điều khiển ta dùng vi mạch này tạo xung clockvới tần số cỡ 700Khz và với các giá trị điện trở 1K, tụ điện là 2F

2.3.3 Nguyên lý hoạt động của Card.

 Thu thập tín hiệu.

Ban đầu máy tính phải đưa tín hiệu ra để chọn kênh cần thu thập Lúc đó chânDIR của 74LS245 và chân IOR ở mức cao Máy tính đưa ra số thứ tự của kờnh đúqua 8 đường dữ liệu từ D0 đến D7 qua bộ đệm 74LS245 Sau đó máy đưa địa chỉcủa 74LS373( trong file ADC ) là 0x30Dh ra 10 đườn địa chỉ trên slot, nhờ mạchgiải mã 74LS138 phát tín hiệu cho 74LS373 trên làm việc 74LS373 này nhận vàchuyển số thứ tự của kênh tín hiệu đo được chọn vào 3 bit địa chỉ chọn kênh củaADC0809 là A0, A1, A2 Địa chỉ này được chốt lại trong ADC do tín hiệu 0x30Dhgửi tới ALE của ADC Tiếp đú mỏy ra lệnh cho ADC biến đổi bằng tín hiệuSTART đưa vào ADC qua cổng địa chỉ 0x30Dh, sau một khoảng thời gian lớn hơn

100s, chờ cho ADC biến đổi xong, máy ra lệnh cho ADC xuất dữ liệu vào máyqua đường dữ liệu bằng cách đưa địa chỉ 0x30Dh vào chân OE( Output Enable) củaADC Đồng thời chân IOR của máy tính ở mức thấp để đọc dữ liệu vào máy thôngqua bộ đệm 74LS245( chân DIR ở mức thấp)

 Xuất dữ liệu ra

Khi xuất dữ liệu ra, chân IOR của máy tính ở mức cao tức là chân IOW ở mứcthấp Dữ liệu từ máy tính qua D0 đến D7 đưa ra bộ đệm 74LS245( chân DIR ở mứccao), một trong hai địa chỉ 0x30Eh, 0x30Fh được phát ra để nhập dữ liệu cho mộttrong hai chốt 74LS373I, 74LS373II( trong file DAC ) Từ đó dữ liệu chuyển quaDAC tương ứng xuất ra ngoài