Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển thành một đất nước công nghiệp. Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năng xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọng đáng để chú ý.Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn đề đo và điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: lò sấy công nghệp,các lò luyện gang ,sắt, thép...
Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc BÀI TẬP LỚN: Vi mạch tương tự Số : 1 Họ và tên HS-SV : Lớp : Điện 1 Khoá : 7 Hoàng Văn Cường MSV : 0741040061 Khoa : Điện. NỘI DUNG Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại. Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C = 00C÷ tmax = 0 ÷ 1550C. - Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp: 1. U=0 ÷ 10V 2. U= 0 ÷ -5V 3. I=0÷20mA. 4. I=4÷20mA - Dùng cơ cấu đo để chỉ thị. - Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t 0C=0÷tmax/2. Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: τ=1,5 giây. - Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t 0C= tmax/2 ( Note : a = 1, n = 11) Nội dung bài làm có những phần chính sau : 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, mạch hiển thị Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa Tính toán mạch nhấp nháy cho LED Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 - Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo…. - Kết luận và hướng phát triển Lời Mở Đầu Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển thành một đất nước công nghiệp. Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năng xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọng đáng để chú ý.Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn đề đo và điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: lò sấy công nghệp,các lò luyện gang ,sắt, thép... Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương và các môn liên quan nhóm chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị số từ trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của thầy giáo hướng dẫn cùng các thầy cô trong bộ môn “Đo lường điều khiển” đã giúp đỡ em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này. Nhưng do lượng kiến thức còn hạn chế nên trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót. Em mong được sự đóng góp của thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn . Em xin trân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 4 tháng 12 năm 2014 ( Sinh viên thực hiện ) Hoàng Văn Cường CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Đo lường là một quá trình đánh giá định hướng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số với đơn vị đo. Kết quả đo lường là giá trị bằng số của đại lượng cần đo A x , nó bằng tỷ số của đại lượng cần đo X và đơn vị đo X0. Vậy quá trình có thể viết dưới dạng: Ax= Ax. X0 Đây là phương trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo với mẫu và cho ra kết quả bằng số. Quá trình đo được tiến hành thông qua các thao tác cơ bản về đo lường sau: -Thao tác xác định mẫu và thành lập mẫu. -Thao tác so sánh. -Thao tác biến đổi -Thao tác thể hiện kết quả hay chỉ thị. 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 nhiệt điện trở kim loại. 1, Sơ đồ nguyên lý chung của mạch đo: Mạch đo gồm có 6 khối cơ bản : 1, Khối cảm biến 2, Mạch khuếch đại 3, Mạch so sánh 4, Khối chỉ thị 5, Khối cảnh báo 6, Mạch chuyển đổi U sang I Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo : -Sơ đồ cấu trúc mạch đo Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Nguồn cấp Chuẩn hóa dòng điện , điện áp Cảm biến Khuếch đại Khối so sánh Cảm báo 2, Chức năng của các khối trong mạch đo : a, Khối cảm biến : khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng. ở đây ta dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp. Hình 1 Các loại cảm biến b, 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 mạch điện khác. Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 c, Mạch so sánh : có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa ra khối sau. Việc so sánh tín hiệu sẽ được ứng dụng cho mạch cảnh báo khi có sự quá nhiệt độ. d, Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang tín hiệu điện áp để hiển thị ra . e, Khối cánh báo : cảnh báo cho người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so với nhiệt độ cho phép. Đó là các khối cơ bản dùng trong mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở kim loại Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Chương II : Giới Thiệu Các Thiết Bị Chính Để xác định được các thiết bị mà mình sẽ sử dụng trong quá trình tính toán thiết kế mạch đo ta đi dựa vào các khối cơ bản trong mạch đo để xác định các linh kiện mà mình sẽ dùng, sau đây ta sẽ liệt kê các linh kiện sử dụng : 1.Cảm biến: Nhiệt độ là 1 đai lượng vật lý mà ta có thể đo gián tiếp quá các loại cảm biến nhiệt độ dựa trên sự chuyển động của của các hạt điện tích hình thành nên dòng điện trong kim loại. Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ thông dụng hiện nay mà ta thường dùng : - Cặp nhiệt ngẫu Nhiệt điện trở kim loại IC cảm biến nhiệt độ Trong bài này ta sẽ sử dụng cảm biến là nhiệt điện trở kim loại, loại này có 2 loại thông dụng là nhiệt điện trơ platin và nhiệt điện trở nikel. Cụ thể ta sử dụng nhiệt điện trở platin loại có độ tuyến tính theo nhiệt độ cao, điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo dài. 2.Bộ khuếch đại thuật toán µA741 : Bộ khuếch đại này dùng nhiều trong kỹ thuật điện trở có các dụng khuếch đại các tín hiệu điện như điện áp, dòng điện, công suất. trong phạm vi bài này ta sẽ sử dụng khếch đại thuật toán để khuếch đại điện áp đưa ra từ cảm biến và dùng trong bộ so sánh để đưa ra khối cảnh báo cho mạch đo. Hình ảnh thực tế của bộ khuếch đại thuật toán : Hình 2 : Bộ khuếch đại µA741 3.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. Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử. Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý. Hình 3 : Điện trở 4.Các thiết bị cảnh báo : Để cảnh báo quá nhiệt độ ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để cảnh báo, hoặc ta có thể sử dụng đồng thời cả hai để cảnh báo quá nhiệt độ. Những thiết bị này thường mang thông tin nhanh và chính xác, dễ lắp đặt và sử dụng nguồn điện một chiều hay xoay chiều. Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Hình 4 : Đèn và chuông cảnh báo 5. IC 555 Hình 5 : Sơ đồ khối, chân IC 555 • Chân 1 (GND): cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung. • Chân 2 (TRIGGER) : đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp. Mạch so sanh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3 Vcc. • Chân 3 (OUTPUT) : chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở đây là mức cáo nó tương ứng gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng trong thực tế nó không được ở mức 0V mà nó trong khoảng ( 0.35- >0,75V). • Chân 4 (RESET) : dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ ra phụ thuộc vào điện áp chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường nối chân này lên Vcc. • Chân 5 ( CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biển áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND. Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Chân này có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người tathường nối chân 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định. • Chân 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu. • Chân 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3. Khi chân 3 ở mức điện áp thấp thì khóa này đóng lại , ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho mạch R_C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động. • Chân 8 (VCC): đây là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động. không có chân này coi như IC. chết . Nó được cấp điện áp từ 2->18V 6. IC LM 358 Hình 6 : Sơ đồ khối, chân IC LM358 Chân 1 : Đầu ra A Chân 2 : Đầu vào nghịch đảo A Chân 3 : Đầu vào không nghịch đảo A Chân 4 (GND) : Cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung Chân 5 : Đầu vào không nghịch đảo B Chân 6 : Đầu vào nghịch đảo B Chân 7 : Đầu ra B Chân 8 : Chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 7.Cơ cấu chỉ thị : Muốn biết được nhiệt độ thì ta phải hiển thị ra thông qua cơ cấu chỉ thị. Vì mục đích cuối cùng là chúng ta biết được nhiệt độ và cảnh báo. Chúng ta có nhiều cơ cấu chỉ thì như điện từ. từ điện, điện động…. trong phạm vi bài này chúng ta đo dải điện áp từ 0 đến 10V và dải dòng điện từ 0 đến 20mA ta nên dùng cơ cấu chỉ thị từ điện vì cơ cấu này đo được dòng điện và điện áp 1 chiều với dải đo rộng . 8. Nguồn cấp Mạch đo và điều khiển đo sử dụng nguồn đơn DC +5V và -5V, vậy nên chúng ta thiết kế một mạch riêng cho mạch với yêu cầu nguồn ra cung cấp như thế. Ở đây, điện từ bên ngoài đưa vào là AC 220 Vac, ta cho qua bộ biến áp ở cuộn thứ cấp ngõ ra điện áp là 9 Vac, từ đây cho qua cầu Diod để tạo thành điện áp DC. Dòng điện sẽ đi vào ngõ vào của hai IC nguồn 7805 và 7905, với tính năng của hai IC này sẽ cho nguồn ra tương ứng tại chân số 3 là +5V với IC 7805 và -5V với IC 7905. Ta mắc thêm tụ điện ở ngõ ra của IC và ngõ vào của IC là để nắn dòng, làm cho dòng điện ngõ ra ổn định hơn cho hệ thống hoạt động. Hình 7 : Khối nguồn 5V Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Chương III : Tính Toán,Thiết Kế Mạch Đo Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C = 00C÷ tmax = 0 ÷ 1550C. - Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp: 1. U=0 ÷ 10V 2. U= 0 ÷ -5V 3. I=0÷20mA. 4. I=4÷20mA - Dùng cơ cấu đo để chỉ thị. - Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t 0C=0÷tmax/2. Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: τ=1,5 giây. - Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t 0C= tmax/2 ( Note : a = 1, n = 11) Từ yêu cầu của đề bài là sử dụng nhiệt điện trở kim loại và dải đo từ 0 ÷155oC ta đi tính và thiết kế mạch đo, tìm chọn cảm biến phù hợp … I. Lý thuyết tổng quan 1.Tính chọn cảm biến Cảm biến nhiệt điện trở là cảm biến có điện trở thay theo nhiệt độ. Cảm biến nhiệt điện trở có 2 loại : - Cảm biến nhiệt điện trở kim loại - Thermistor Cảm biến nhiệt điện trở kim loại có nhiều loại nhưng được dùng nhiều hơn cả là nhiệt điện trở kim loại Nikel và Platinum. Nhiệt điện trở Nikel so với Platinum thì rẻ tiền hơn song độ tuyến tính chỉ từ -60 0C đến +2500C, của Platinum thì cao hơn từ -2000C đến 8500C. Ta đi sử dụng nhiệt điện trở Platinum với dải đo rộng và độ tuyến tính cao. Cụ thể trong bài nay ta đi sử dụng nhiệt điện trở Pt100 nhiệt điện trở có đọ tuyến tính cũng tương đối và điện trở Ro tại 0oC là 100Ω sau đây là chi tiết về cảm biến nhiệt Pt100 cấu tạo can nhiệt Pt100. Cảm biến điện trở Pt100 hay còn gọi là cảm biến nhiệt điện trở kim loại RTD. Pt100 được cấu tạo từ kim loại Platinum, tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có các giá trị điện trở 0Ω đến 100Ω. Là cảm biến thụ động vì vậy nguồn cấp bên ngoài phải ổn định. Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Giá trị của điện trở thay đổi tỷ lệ thuận với sự thay đổi của nhiệt độ theo công thức R(T) = Ro (1+AT+BT2 +CT3 ) Trong đó T đo bằng o C, R(T) là nhiệt độ của cảm biến ở nhiệt độ T, R o điện trở cảm biến ở OoC, A B C là các hằng số và đã được đo bằng cách đo giá trị điện trở ở nhiệt độ đã biết trước . Ở nhiệt độ thấp phương trình chuyển về. R(T) = R0( 1+ αT ) Trong đó α hệ số nhiệt của điện trở Pt có α = 3,9.10 -3 (1/oC) Hình 8 : Hình dạng cảm biến nhiệt điện trở Pt100 Điện trở này là một dây kim loại có bọc các đoạn sứ bao quanh toàn bộ dây kim loại. Phần bao bọc này lại được đặt trong một ống bảo vệ(thermowell) thường có dạng hình tròn,chỉ đưa 2 đầu dây kim loại ra để kết nối với thiết bị chuyển đổi.Phần ống bảo vệ sẽ được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ, thông thường can nhiệt này chỉ đo được nhiệt độ tối đa là 6000C. Hai đầu dây kim loại để chừa ra ở phần ống bảo vệ được kết nối tới một thiết bị gọi là bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện phục vụ cho việc truyền tới phòng điều khiển giám sát.Thiết bị chuyển đổi có cấu tạo chẳng qua là một cầu điện trở có một nhánh chính là Pt100(có điện trở là 100Ω ở 0oC) Ðáp ứng của RTD không tuyến tính nhưng nó có độ ổn định và chính xác rất cao, do vậy hay được dùng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Nó thường được dùng trong khoảng nhiệt độ từ -250 0C đến +8500C. Can nhiệt Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 độ là kí hiệu thường được sử dụng để nói đến RTD với hệ số α= 3,9.10 -3 và Ro=100 Ω Như vậy điện trở của dải đo tương ứng trong bài tính toàn đươc là là ở 0 0C là 100Ω và ở 1550C là 160Ω . 2.Mạch cầu đo Hình dạng mạch cầu đo Rc Rb i1 Ucc Ra i2 A R cb B U ra C i1= i2= Ura=U21=i2Rb-i1Ra = Ucc( - Rcb=R0+ Ura = Ucc ( Để cầu cân bằng Ura= 0V (00C) RcRb=Ra.Rcb Thường chọn Ra=Rb=Rc = 1kΩ Ura= (∆R= 160-100 = 60Ω) U ra= vì R0 bé hơn so với ∆R nên ta lắp thêm điện trở để thỏa mãn cầu cân bằng (∆R= 60Ω) Ura= chọn Ra = R+R0 Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Với nhiệt điện trở platin Pt100 ta chọn R e= 1kΩ và có R0 = 100Ω như vậy mỗi R sẽ là 1,1k thay vì giới hạn đầu ra là từ 0-10 V nên ta chọn nguồn cung cấp Ucc= 5( V ) Rc Rb i1 Ucc Ra i2 A R cb B U ra R C Khi nhiệt độ tăng từ 0 ÷ 155 0C thì ΔR= 160-100=60 Ω Thay vào công thức : Ura= = = 75mV Vậy dải điện áp ra của U là từ 0 ÷ 75mV Tín hiệu ra này thường không chuẩn, thang giá trị quá bé nên ta cho qua bộ khuếch đại thuật toán để tăng cường tín hiệu lên về độ lớn, về thang đo được dùng chủ yếu trong công nghiệp . Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 3.Mạch khuếch đại đo lường và chuẩn hóa đầu ra điện áp 0÷2 Để tín hiệu đầu ra được chuẩn hóa ta dùng bộ khuếch đại thuật toán đảo với hệ k được tính như sau : U từ 0- 0,075V Ura từ 0- 2V k = 2/ 0,075 = 27 Vậy điện áp ra được xác định bởi biểu thức với điều kiện bình thường là R4.R7=R5.R6 U0 = Ung. .( + 1) U0 = 0 2V. Với U0= 2V và Ung=Ura= 75 mV ta có : .( + 1) = = = 27 Chọn R4= R5 = R6 = R7 = 1k Vậy ta có : + 1 =27 = 26 R2 + R3 = 26R1 Chọn R2=20kΩ ; R3= 6k Ω vậy R1=1kΩ Mạch khuếch đại có sai số lớn bởi vậy ta chọn R1 là biến trở Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Hình 9 : Mô phỏng mạch khuếch đại với Protues Như vậy với dải đo nhiệt độ từ 0 – 1550C ta sử dụng mạch cầu đo cùng với nhiệt điện trở platin đã đưa được tín hiệu không điện là nhiệt độ thành tín hiệu điện đó là điện áp. Và sử dụng bộ khuếch đại thuật toán , khuếch đại tín hiệu lên giống chuẩn yêu cầu mà đề bài đã cho . Để tiếp tục đưa ra khối hiển thị , khối so sánh để cảnh báo tín hiệu và khối chuyển đổi U sang I để đưa về chuẩn tín hiệu dòng điện. 4.Mạch chuẩn hóa đầu ra: Các ngõ vào vi sai của KĐTT không lý tưởng bao giờ cũng lệch nhau , nên phải có mạch ngoài để chỉnh bù trừ , còn gọi là phương pháp cân bằng điểm 0 . có 2 phương pháp đó là + điều chỉnh điện áp bù ở 1 ngõ vào + điều chỉnh bù hồi tiếp âm dòng điện Sau đây ta sử dụng điều chỉnh điện áp bù ở 1 ngõ vào Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Sơ đồ điều chỉnh điệp áp bù 1 ngõ vào : Mạch điều chỉnh điện áp bù ở 1 ngõ vào có sơ đồ nguyên lý như hình trên.Trong trường hợp này , điệp áp ra U0 có điện áp nhỏ ( cỡ 0,5V). nếu trượt con biến trở VR sẽ đạt được U0=0 V khi U1= 0V 5.Mạch chuyển đổi U sang I : 5.1 Chuẩn hóa dòng ra 4mA đến 20mA Sau khi chuẩn hóa đầu ra ra điện áp ta cần phải chuẩn hóa đầu ra cho dòng điện, chuẩn hóa đầu chuẩn công nghiệp là 4-20mA. Như vậy cần thiết kế mạch chuyển đổi áp-dòng. (Hình 10) Thường chọn R18(R20+R21) = R17.R19 (*1) Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Khi đó dòng tải có dạng IL = ( UI2-UI1) . (*2) Ứng với IL= 4mA thì UI2 = 0V IL = 20mA thì UI2 = 2V Giải hệ phương trình (*2) kết hợp với phương trình (*1) ta có được UI = -0,5V, R18= 1KΩ, R20=7KΩ, R21=1KΩ, R19= 1KΩ ,R17=8KΩ Như vậy ta đã tính chọn xong các điện trở cho mạch biến đổi dòng – áp Và dòng điện ra là chuẩn công nghiệp với giá tri ra từ 0 đến 20mA khi giá trị đầu vào là 0 đến 2V. sau khi chuyển đổi xong thành tín hiệu dòng điện ta sẽ tiếp tục đưa vào khối hiển thị. 5.2 Chuẩn hóa dòng ra 0mA đên 20mA Sau khi chuẩn hóa đầu ra ra điện áp ta cần phải chuẩn hóa đầu ra cho dòng điện, chuẩn hóa đầu chuẩn công nghiệp là 0-20mA. Như vậy cần thiết kế mạch chuyển đổi áp-dòng. Mạch khuếch đại không đảo IL= Tính chọn thiết bị + Uv = 0v thì IL = 0mA + Uv = 2v thì IL = 20mA R18 = 100 Ω Chọn R17 = R19 = 20kΩ (Hình 11) 5.3 Mạch chuẩn hóa đầu ra từ 0 ÷ -5V Sau khi chuẩn hóa đầu ra ra điện áp ta cần phải chuẩn hóa đầu ra cho dòng điện, chuẩn hóa đầu chuẩn công nghiệp là 0 ÷ -5v. Như vậy cần thiết kế mạch chuyển đổi U-I với sơ đồ đảo Mạch biến đổi U-I không đảo yêu cầu: + Uv = 0V ,Ura = 0V + Uv = 2V,Ura = -5V Tính chọn thiết bị Ura =- . UV == Chọn R29=2,5kΩ, R28 = 1kΩ và R27 = 500Ω (Hình 12 ) Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 5.4 Mạch chuẩn hóa điện áp 0 ÷10V Với cách làm tương tự 5.3, ta dùng mạch biến đổi điện áp – dòng điện không đảo, Ura = Uv ( 1 + ) + Uv = 0V ,Ura = 0V + Uv = 2V,Ura = 10V Tính chọn thiết bị R30 = 4kΩ, R5 = 1kΩ Chọn R31 = 100Ω (Hình 13 ) 6.Mạch cảnh báo Để có tín hiệu cảnh báo theo đúng nhiệt độ mà mình muốn ta cần phải chuyển đổi tín hiệu đó từ nhiệt độ sang điện áp. Như vậy ta cần dùng mạch so sánh để so sánh với tín hiệu mà ta đặt để đưa ra tín hiệu cảnh báo. Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh 1 điện áp vào với một điện áp chuẩn U đ trong mạch so sánh chỉ có tín hiệu ra chỉ có 2 mức, mức điện áp cao và mức điện áp thấp nghĩa là khi Ui Uđ thì điện áp ra điện áp ra : Ura gần =0 V Khi điện áp ra ở mức cao Ui> Uđ thì điện áp ra khác 0 U0 Uimax Uimin Uđ Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Dựa vào nguyên lý đó ta thiết kế mạch cảnh báo dùng bộ so sánh, khi mà điện áp vẫn chưa đủ so với điện áp đặt thì điện áp ra của bộ so sánh gần bằng 0 nên chung chưa báo, khi có quá nhiệt độ mà mình đặt thì có sự quá điện áp, nên điện áp vượt quá điện áp đặt, điện áp ra của bộ so sánh lên mức cao, cung cấp tín hiệu điện áp. Lúc này chuông báo sẽ được cấp nguồn và hoạt động báo quá nhiệt độ. Tính chọn điện áp đặt : Dựa vào điều kiện là khi nhiệt độ t0C= tmax/2 thì sẽ cảnh báo vậy ta có Nhiệt độ của giá trị cảnh báo t0C = 155/2 = 77,50C Thay vào công thức Rt = R0 ( 1 + αt) với α = 3,9.10-3thay vào biểu thức ta có : Rt= 100( 1+3,9.10-3 . 77,5)= 130,225 Ω Thay vào công thức : Ura= ta có điện áp đặt Ura= = = 0,037 V Vậy điện áp đặt cho bộ so sánh là : Uđ= Ur.k= 0,037.27 = 1 V Ta sử dụng mạch so sánh 2 điện áp trên 1 lối vào để lật trạng thái ra ở điểm mình muốn, sau đây là sơ đồ mạch: N +Ucc Ra Uđ Ura R1 Uv P+ 0V R2 Ta có : tại P thì Up= ( + ).R12 R12 = + Có UN = 0V • Nếu Up>Un thì Up > 0 vậy Ura = + Ucc ( bão hòa mức dương) Up>0 suy ra + > 0 Uv > - .Uđ • Ngược lại khi UpUn thì Ura=0 bão hòa mức âm và đi biểu thức đổi dấu Yêu cầu của đề bài là khi quá 1V thì cảnh báo vậy ta chọn 2 giá trị điện trở bằng nhau chọn R1 = 100Ω , R2= 2kΩ Ur Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 +Ucc 0 Uv Uđ Nguyên lý của mạch so sánh thể hiện trên hình Như vậy khi Uv > Uđ = 1V thì điện áp ra khác không và mạch đèn hay còi phía sau sẽ hoạt động cảnh báo. Vấn đề nữa là chọn nguồn cung cấp Ucc sao cho điện áp ra đủ để còi hoạt động. thường thì ta hay chọn Ucc=12V. Vì hầu hết các còi đều hoạt động ở 12V hoặc 24V. Mạch cảnh báo là ta phải đấu mạch còi báo động, còi báo động thì ta phải qua khâu khuếch đại công suất, mạch khuếch đại công suất như hình dưới đâ Sau khi khuếch đại công suất nối với còi để hoạt động Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Hình 14 : Mạch cảnh báo nhiệt độ mô phỏng Protues 7.Mạch tạo xung nháy cho LED Led hoạt động ở chế độ bình thường , mạch nháy có thời gian sáng tối bằng nhau cụ thể trong đề tài này thời gian Led sáng tối là τ=1,5 giây. Mô hình mạch IC 555 Hình 15 : IC 555 Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Hình 16 : Mô hình mạch mô phỏng dùng LED đơn trong protues Tính chọn điện trở : T= Tx + Tn = 1,5 + 1,5 = 3 = ln2.(Ra+Rb).C Để mạch có thời gian LED sáng tối bằng nhau thì Ra = Rb, chọn Ra = Rb =1kΩ nên C= 2mF Hình 17 :Hiển thị xung trên Oscilloscope Chương IV : Kết luận và hướng phát triển. 1. Kết luận Với đề tài được giao em đã cố gắng hoàn thành đồ án 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 Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 để đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cám ơn thầy trong thời gian qua. 2. Hướng phát triển Từ đề tài này có thể phát triển lên, xây dựng nhiều ứng dụng có hiệu quả trong thực tế. Em đề xuất một số hướng phát triển sau: - Thiết kế thêm mạch so sánh để có thể điều khiển thêm thiết bị. - Thiết kế thêm phần hiển thị trên LED 7 thanh hoặc LCD Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 [...]... hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t 0C= tmax/2 ( Note : a = 1, n = 11) Từ yêu cầu của đề bài là sử dụng nhiệt điện trở kim loại và dải đo từ 0 ÷155oC ta đi tính và thiết kế mạch đo, tìm chọn cảm biến phù hợp … I Lý thuyết tổng quan 1 .Tính chọn cảm biến Cảm biến nhiệt điện trở là cảm biến có điện trở thay theo nhiệt độ Cảm biến nhiệt điện trở có 2 loại : - Cảm biến nhiệt điện trở kim. .. Thermistor Cảm biến nhiệt điện trở kim loại có nhiều loại nhưng được dùng nhiều hơn cả là nhiệt điện trở kim loại Nikel và Platinum Nhiệt điện trở Nikel so với Platinum thì rẻ tiền hơn song độ tuyến tính chỉ từ -60 0C đến +2500C, của Platinum thì cao hơn từ -2000C đến 8500C Ta đi sử dụng nhiệt điện trở Platinum với dải đo rộng và độ tuyến tính cao Cụ thể trong bài nay ta đi sử dụng nhiệt điện trở Pt100 nhiệt. .. - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Giá trị của điện trở thay đổi tỷ lệ thuận với sự thay đổi của nhiệt độ theo công thức R(T) = Ro (1+AT+BT2 +CT3 ) Trong đó T đo bằng o C, R(T) là nhiệt độ của cảm biến ở nhiệt độ T, R o điện trở cảm biến ở OoC, A B C là các hằng số và đã được đo bằng cách đo giá trị điện trở ở nhiệt độ đã biết trước Ở nhiệt độ thấp phương trình chuyển về R(T)... nhiệt điện trở có đọ tuyến tính cũng tương đối và điện trở Ro tại 0oC là 100Ω sau đây là chi tiết về cảm biến nhiệt Pt100 cấu tạo can nhiệt Pt100 Cảm biến điện trở Pt100 hay còn gọi là cảm biến nhiệt điện trở kim loại RTD Pt100 được cấu tạo từ kim loại Platinum, tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có các giá trị điện trở 0Ω đến 100Ω Là cảm biến thụ động vì vậy nguồn cấp bên ngoài phải ổn định Khoa Điện. . .Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Chương III : Tính Toán ,Thiết Kế Mạch Đo Yêu cầu: - Dải đo t : t0C = 00C÷ tmax = 0 ÷ 1550C - Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp: 1 U=0 ÷ 10V 2 U= 0 ÷ -5V 3 I=0÷20mA 4 I=4÷20mA - Dùng cơ cấu đo để chỉ thị - Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t 0C=0÷tmax/2 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: τ=1,5 giây -... được dùng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao Nó thường được dùng trong khoảng nhiệt độ từ -250 0C đến +8500C Can nhiệt Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 độ là kí hiệu thường được sử dụng để nói đến RTD với hệ số α= 3,9.10 -3 và Ro=100 Ω Như vậy điện trở của dải đo tương ứng trong bài tính toàn đươc là là ở 0 0C là 100Ω và ở 1550C là 160Ω 2 .Mạch cầu đo Hình... Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 5.4 Mạch chuẩn hóa điện áp 0 ÷10V Với cách làm tương tự 5.3, ta dùng mạch biến đổi điện áp – dòng điện không đảo, Ura = Uv ( 1 + ) + Uv = 0V ,Ura = 0V + Uv = 2V,Ura = 10V Tính chọn thiết bị R30 = 4kΩ, R5 = 1kΩ Chọn R31 = 100Ω (Hình 13 ) 6 .Mạch cảnh báo Để có tín hiệu cảnh báo theo đúng nhiệt độ mà mình muốn ta cần phải chuyển đổi tín hiệu đó từ nhiệt độ sang điện áp... 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Dựa vào nguyên lý đó ta thiết kế mạch cảnh báo dùng bộ so sánh, khi mà điện áp vẫn chưa đủ so với điện áp đặt thì điện áp ra của bộ so sánh gần bằng 0 nên chung chưa báo, khi có quá nhiệt độ mà mình đặt thì có sự quá điện áp, nên điện áp vượt quá điện áp đặt, điện áp ra của bộ so sánh lên mức cao, cung cấp tín hiệu điện áp Lúc này chuông báo sẽ được cấp nguồn và hoạt động... đều hoạt động ở 12V hoặc 24V Mạch cảnh báo là ta phải đấu mạch còi báo động, còi báo động thì ta phải qua khâu khuếch đại công suất, mạch khuếch đại công suất như hình dưới đâ Sau khi khuếch đại công suất nối với còi để hoạt động Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Hình 14 : Mạch cảnh báo nhiệt độ mô phỏng Protues 7 .Mạch tạo xung nháy cho LED Led hoạt động ở chế độ bình... 2V và Ung=Ura= 75 mV ta có : ( + 1) = = = 27 Chọn R4= R5 = R6 = R7 = 1k Vậy ta có : + 1 =27 = 26 R2 + R3 = 26R1 Chọn R2=20kΩ ; R3= 6k Ω vậy R1=1kΩ Mạch khuếch đại có sai số lớn bởi vậy ta chọn R1 là biến trở Khoa Điện - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội 24 Vi Mạch Tương Tự ĐH Điện 1 Hình 9 : Mô phỏng mạch khuếch đại với Protues Như vậy với dải đo nhiệt độ từ 0 – 1550C ta sử dụng mạch cầu đo cùng với nhiệt điện ... đề sử dụng nhiệt điện trở kim loại dải đo từ ÷155oC ta tính thiết kế mạch đo, tìm chọn cảm biến phù hợp … I Lý thuyết tổng quan 1 .Tính chọn cảm biến Cảm biến nhiệt điện trở cảm biến có điện trở. .. theo nhiệt độ Cảm biến nhiệt điện trở có loại : - Cảm biến nhiệt điện trở kim loại - Thermistor Cảm biến nhiệt điện trở kim loại có nhiều loại dùng nhiều nhiệt điện trở kim loại Nikel Platinum Nhiệt. .. IC cảm biến nhiệt độ Trong ta sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại, loại có loại thông dụng nhiệt điện trơ platin nhiệt điện trở nikel Cụ thể ta sử dụng nhiệt điện trở platin loại có độ tuyến