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.

Đề Tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độsử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại.. Xây dựng bộ hiển thị Yêu cầu bố cục nội dung: Chương 1: Tổng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN

MÔN : VI MẠCH TƯƠNG TỰ, VI MẠCH SỐ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : BÙI THỊ KHÁNH HÒA

LỚP : TỰ ĐỘNG HÓA 1 – K8

SINH VIÊN THỰC HIỆN : LÊ ẤT HỢI

MÃ SV : 0841240047

Hà Nội: 2015

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: t°C = 0°C ÷ tmax = 0-(100+ 50×n)°C

- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp

1 U=0 ÷ -5V

2 I=0 ÷ 20mA

- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị

- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t°C=0÷tmax/2 Thiết kế mạchnhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng:

ﺡ = (0,5 ×a) giây.+1

- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị: t°C=tmax/2

- Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân Xây dựng bộ hiển thị

Yêu cầu bố cục nội dung:

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

- Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp

- Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa

- Tính toán mạch nhấp nháy cho LED

- Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo

- Dùng phần mềm mô phỏng mạchKết luận và hướng phát triển

Chương 1: Tổng quan về mạch đo

I.Tổng quan.

Trong đo lường thì các tín hiệu thường rất nhỏ và tồn tại ở dạng vật lý Do đó muốn

xử lí chúng, ta phải có những mạch khuếch đại, mạch biến đổi để xử lý những tín hiệuđó

Đo nhiệt độ cũng như vậy, có nhiều phương pháp đo tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật

và giải nhiệt độ

Phân ra làm 2 phương pháp chính : Đo trực tiếp và đo gián tiếp

 Đo trưc tiếp là phương pháp đo trong đó các chuyển đổi nhiệt điện đươc đặttrực tiếp trong môi trường cần đo

 Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môi trường cầnđo(áp dụng với trường hơp đo ở nhiệt độ cao )

Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo không phải ở quácao

Đo nhiệt độ bằng phương pháp trưc tiếp ta lại khảo sát 2 loại nhiệt kế cặp nhiệtngẫu và nhiệt kế nhiệt điện trở

Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ như dùngcảm 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 cặp nhiệt ngẫu

Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD).

- Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo

- Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽthay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định

- Ưu điểm: độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài

II.Hình thành sơ đồ khối

1 Sơ đồ khối.

Mạch đo gồm có 8 khối cơ bản :

1 Khối cảm biến

2 Mạch khuếch đại (Mạch KĐ vi sai)

3 Mạch chuyển đổi U-I

2 Chức năng của các khối trong mạch đo

 Khối cảm biến : Khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điệnthành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng ở đây ta dùng cảm biến nhiệtđiện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp

 Khối khuếch đại : Có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, vìtín hiệu điện do cảm biến đưa ra thường là rất bé nên ta phải khuếch đại lên đểđưa vào các mạch điện khác.Để hạn chế nhiễu thì người ta thường sử dụngmạch khuếch đại vi sai

 Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu từ dạng điện ápsang dòng điện đưa lên các cơ cấu chỉ thị (Cơ cấu điện từ)

 Mạch so sánh : Có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa rakhối sau Việc so sánh tín hiệu sẽ được ứng dụng cho mạch cảnh báo khi có sựquá nhiệt độ

 Khối cánh báo : Cảnh báo cho người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so vớinhiệt độ cho phép

 Bộ ADC: Có chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số.Sau đóđưa lên các bộ phận giải mã để hiển thị

 Khối hiển thị BCD: Có chức năng chuyển đổi đầu vào 4bit hoặc 8bit sang bảng

mã BCD để hiển thị nhiệt độ tương ứng

Mạch KĐ điện áp

Mạch chuyển U-I

BộADC

Mạch so sánh

Khối hiển thị BCD

Mạch cảnh báo

Khối cảm biến

Cơ cấu chỉ thị

Đó là các khối cơ bản dùng trong mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng nhiệt điện trởkim loại.

III.Tổng quan mạch đo

3.1 Mạch đo

Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý, dựa vào các đặc tính của đại lượng cần đo màchọn ra loại cảm biến phù hợp để thực hiện việc biến đổi các thông số cần đo thành đạilượng điện hay điện áp Sau đó tín hiệu được chuyển qua bộ lọc và khuếch đại lên.Tín hiệu sau khi được hiệu chỉnh sẽ chuyển qua bộ chuyển đổi U-I để đưa vào cơ cấuchỉ thị

Tín hiệu cũng có thể được chuyển thành tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi ADC.Sau đó tín hiệu số từ ADC được chuyển sang bộ mã hóa BCD và qua bộ giải mã hiểnthị lên màn hình hoặc cơ cấu hiển thị tương ứng

3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ

Đo nhiệt độ là phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên của môi trường, không

có điện trong đại lượng cần đo

Nhiệt độ được phân làm nhiều dải để đo:

+ Nhiệt điện kế kim loại

+ Nhiệt điện trở kim loại

- Chiều dài can: 10 cm D=6.3 mm

- Cách điện cho dây dẫn bên trong: ceramic

- Vật liệu đầu bao dây: Khuôn nhôm đúc màu xanh

- Vật liệu ống bảo vệ: SUS 316 ống đúc

- Nhiệt độ môi trường cho đầu đấu dây: 0 - 80 độ C

- Loại dây dẫn: 3 dây

- Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT100:

Cảm biến Pt100 cấu tạo bằng dây kim loại plantium dựa trên nguyên tắc thay đổi điện trở kim loại theo nhiệt độ(Theo phương trình Callendar-vab dusen).

+ Trong khoảng nhiệt độ từ 0-1000 C ta tính như sau:

R t = R 0 (1+0,391%T)

Với:

Rt : Điện trở ở nhiệt độ T

R0 =100Ω điện trở ở 00 C

Tức là cứ tăng 10 C thì điện trở Pt100 tăng 0,391Ω Với sai số nhiệt độ là ±0,50C

Ta đo Pt100 như sau:

Ở 00C thì điện trở của Pt100 là 100 Ω nên để cầu wheatstone cân bằng thì các điện trở R1 , R2, R3 ta chọn là 100 Ω L là điện trở dây nối , Eo là điện áp cung cấp , Es làđiện áp ngõ ra

2.Bộ khuếch đại thuật toán uA741

Chân 6- Chân Xuất

Chân 7- Điện Nguồn +V

Chân 8- Không Dùng

Kí hiệu:

Điện áp làm việc của OPAMP uA741 từ -5V/+5V ÷ -15V/+15V.

OpAmp là một linh kiện có nhiều chức năng:

- Khuếch đại hiệu hai điện thế nhập

Chân 1- Nối đất

Chân 2- Ngõ vào xung

Chân 3- Ngõ ra

Chân 4- Hồi phục

Chân 5- Điện áp điều khiển

Chân 6- Điện áp ngưỡng

số xác định

Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động tốt Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối

tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3VCC nối vào chân dương của OA 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp

2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích Khi điện áp ởchân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset

Hình 2.8.Sơ đồ nguyên lý IC555

Chu kỳ xung phụ thuộc rất nhiều vào các phần tử R,C bên ngoài

 Thời gian nạp (có xung ra): tn = 0.69(RA+RB)C

 Thời gian xả điện (không có xung ra): tn = 0.69RBC

 Chu kì: T=0.69(RA+2RB)C

Hình 2.7.S đ và ch c năng các chân IC555 ơ đồ chân OPAMP uA741 ồ chân OPAMP uA741 ức năng các chân IC555

Hinh 2.9.Nguyên lý ho t đ ng IC555 ạt động IC555 ộng IC555

Hình 2.10 Sơ đồ chân ADC0804

4.ADC0804

Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC080X Chip có điện ápnuôi +5V và độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng làmột tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC Thời gian chuyển đổi được định nghĩa

là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân.Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới

chân CLK và CLK IN và không bé hơn 110µs Các chân khác của ADC0804 có chứcnăng như sau:

+ CS (Chip select): Chân số

1, là chân chọn chip, đầu

vào tích cực mức thấp được

sử dụng để kích hoạt Chip

ADC0804 Để truy cập tới

ADC0804 thì chân này phải

được đặt ở mức thấp

+ RD (Read): Chân số 2, là

chân nhận tín hiệu vào tích

cực ở mức thấp Các bộ

chuyển đổi của 0804 sẽ

chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân và giữ

nó ở một thanh ghi trong Chân RD được sử dụng để cho phép đưa dữ liệu đã đượcchyển đổi tới đầu ra của ADC0804 Khi CS = 0 nếu có một xung cao xuống thấp

áp đến chân RD thì dữ liệu ra dạng số 8 bit được đưa tới các chân dữ liệu (DB0 –DB7)

+ WR (Write): Chân số 3, đây là chân vào tích cực mức thấp được dùng báo choADC biết để bắt đầu quá trình chuyển đổi.Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung caoxuống thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tựVin thành số nhị phân 8 bit Khi việc chuyển đổi hoàn tất thì chân INTR đượcADC hạ xuống thấp

+ CLK IN và CLK R: CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tới đồng hồ ngoài được

sử dụng để tạo thời gian Tuy nhiên ADC0804 cũng có một bộ tạo xung đồng hồriêng Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK R (chân số 19) đượcnối với một tụ điện và một điện trở. Tần số đồng hồ được xác định bằng biểu thức:f=1,1/RC

VD: Với R = 10 kΩ, C = 150 pF và tần số f = 606 kHz và thời gian chuyển đổi

là 110 µs

Ngắt INTR (Interupt): Chân số 5, là chân ra tích cực mức thấp Bình thường chânnày ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi tương tự số hoàn tất thì nó chuyểnxuống mức thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi Saukhi INTR xuống thấp, cần đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống thấp tới chân

RD để đưa dữ liệu ra

Vin (+) và Vin (-): Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương tự vi sai, trong

đó Vin = Vin(+) – Vin(-) Thông thường Vin(-) được nối tới đất và Vin(+) đượcdùng làm đầu vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số

Vcc: Chân số 20, là chân nguồn nuôi +5V Chân này còn được dùng làm điện áptham chiếu khi đầu vào Vref/2 để hở

Vref/2: Chân số 9, là chân điện áp đầu vào được dùng làm điện áp tham chiếu.Nếu chân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dải 0 đến +5V Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác vớidải 0 đến +5V Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0 đến+5V

D0 – D7, chân số 18 – 11, là các chân ra dữ liệu số (D7 là bit cao nhất MSB và D0

là bit thấp nhất LSB) Các chân này được đệm ba trạng thái và dữ liệu đã đượcchuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD đưa xuống mức thấp

Để tính điện áp đầu ra ta tính theo công thức sau:

5.Điện trở, transistor.

a.Điện trở

Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợpchất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điệntrở có trị số khác nhau

Kí hiệu:

Vout = Vin / Kích thước bước

Hình 2.11.Xác định giá trị điện trở bằng vòng màu

Cách đọc điện trở : Vì điện trở rất đa dạng nên để đọc chính xác điện trở ta cần xác

định đúng trị số các vòng màu

- Vòng số 4 là vòng ở cuối luôn luôn có mầu nhũ vàng hay nhũ bạc, đây là

vòng chỉ sai số của điện trở, khi đọc trị số ta bỏ qua vòng này

- Đối diện với vòng cuối là vòng số 1, tiếp theo đến vòng số 2, số 3

- Vòng số 1 và vòng số 2 là hàng chục và hàng đơn vị

- Vòng số 3 là bội số của cơ số 10

Sau khi thiết kế mạch chúng ta sẽ phải lựa chọn loại điện trở phù hợp mạch đo, đểhiển thì đầu ra có thể chính xác

e.Transistor.

Transitor hay còn gọi là bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành haimối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép theothứ tự NPN ta được Transistor ngược

Kí hiệu:

Nguyên lý hoạt động:

Muốn cho tranzito làm việc ta phải cung cấp cho các chân cực của nó một điện ápmột chiều thích hợp Có ba chế độ làm việc của tranzito là: chế độ tích cực (hay chế độkhuếch đại), chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa Cả hai loại tranzito P-N-P và N-P-Nđều có nguyên lý làm việc giống nhau, chỉ có chiều nguồn điện cung cấp vào các châncực là ngược dấu nhau

+ Chế độ ngắt: Cung cấp nguồn điện sao cho hai tiếp xúc P-N đều phân cực ngược.Tranzito có điện trở rất lớn và chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua nên tranzito coinhư không dẫn điện.

+ Chế độ dẫn bão hòa: Cung cấp nguồn điện sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều phâncực thuận Tranzito có điện trở rất nhỏ và dòng điện qua nó là khá lớn

Ở chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa, tranzito làm việc như một phần tử tuyến tínhtrong mạch điện Ở chế độ này tranzito như một khóa điện tử và nó được sử dụngtrong các mạch xung, các mạch số

+ Chế độ tích cực: Ta cấp nguồn điện sao cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận, vàtiếp xúc góp TC phân cực ngược Ở chế độ tích cực, tranzito làm việc với quá trìnhbiến đổi tín hiệu dòng điện, điện áp, hay công suất và nó có khả năng tạo dao động,khuếch đại tín hiệu

6.Cơ cấu chỉ thị.

Là thiết bị hiển thị cho người dùng biết được nhiệt độ của đối tượng cần đo Có nhiều

cơ cấu chỉ thị khác nhau như: từ điện, điện động

Cụ thể trong bài ta sẽ sử dụng cơ cấu chỉ thị từ điện.Vì dòng điện ra là dòng 1 chiều

và điện áp ra cũng là 1 chiều với giá trị bé

Cấu tạo chung: phần tĩnh và phần động

 Phần tĩnh: gồm nam châm vĩnh cửu, mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6 hìnhthành mạch từ kín Giữa cực từ 3 và lõi sắt 6 có có khe hở không khí đều gọi

là khe hở làm việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động

 Phần động: gồm: khung dây quay 5 được quấn bắng dây đồng Khung dâyđược gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo) Trên trục quay có hai lò xocản 7 mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8

Nguyên lý làm việc chung: khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động),

dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay Mq

làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α Mômen quay được tính theo biểuthức:

M q ==B.S.I.WB: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu

S: tiết diện khung dây

W: số vòng dây của khung dây

Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệ bậc nhấtvới dòng điện I chạy qua khung dây

Các đặc tính chung: từ biểu thức suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện có các đặc tính cơ bảnsau:

+ Chỉ đo được dòng điện 1 chiều

+ Đặc tính thang đo đều

+ Độ nhạy là 1 hằng số

7.Thiết bị cảnh báo

Để cảnh báo quá nhiệt ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc coài cảnh báo, hoặc

ta có thể sử dụng đồng thời cả hai để cảnh báo quá nhiệt Những thiết bị này thườnghoạt động đơn giản dễ dàng lắp đặt và sử dụng được cả nguồn một chiều hay xoaychiều

8.Nguồn cấp cho mạch.

Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V, -12V/+12V tùy theoyêu cầu của mạch trên thực tế thì nguồn điện 1 chiều thường được chỉnh lưu từ nguồnxoay chiều nguồn cấp của chúng ta gồm có :

Máy biến áp có chức năng hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sử dụng đó

Chương 3 : Tính toán thiết kế mạch đo

I.Tính toán, lựa chọn cảm biến.

Ở đề tài này yêu cầu dải nhiệt độ từ t°C = 0°C ÷ tmax = 0÷ (100+ 15×n)°C (với n=24)tức là khoảng 0oC÷460oC cho nên ta sẽ chọn ta sẽ chọn nhiệt điện trở pt100 cụ thể làE52MY để sử dụng trong đề tài

- Mô hình mạch đo trên proteus

Hình 3.1: mạch cầu hoàn chỉnh với khuếch đại điện áp ra.

-Tính toán các giá trị linh kiện trong mạch.

III.Tính toán, thiết kế mạch nguồn.

Vì hầu hết các nguồn sử dụng trong mạch đều là nguồn một chiều mà trên thực tế thìnguồn lại là các nguồn xoay chiều với điện áp là 220V

=> Biến đổi dòng xoay chiều sang 1 chiều

Tính chọn máy biến áp: Ở đây chúng ta có hai nguồn đó: +5V, +12V/-12V, như vậycần sử dụng máy biến áp có nhiều cấp điện áp để lấy ra hai cấp điện áp mình dùng.Hoặc ta có thể hạ xuống 12V rồi dùng con biến trở để chỉnh xuống 5V nhưng sẽ tiêutốn 1 lượng năng lượng vì vậy nên dùng 2 bộ chỉnh lưu điện áp Một phương phápkhác là ta có thể dùng khối ổn áp 1 chiều để có đầu ra thay đổi

Phương án thiết kế : Dùng IC ổn áp 1 chiều

+ Biến áp : Do yêu cầu đặt ra nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào 220V và điện

áp ra là 12V

+ Mạch chỉnh lưu : do những ưu điểm của mạch chỉnh lưu cầu như điện áp ra ítnhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ hơn so với phương pháp cânbằng nên ta sẽ chọn bộ chỉnh lưu cầu 1 pha 2 nửa chu kỳ

+ Bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san bằng điện áp để dòng điện phẳng hơn, lọc bằng tụđiện khá đơn giản và chất lượng học khá cao Nên ta dùng tụ điện