II. PHẦN THUYẾT MINH Yêu cầu về bố cục nội dung: 1 Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ Tìm hiểu các phương pháp đo Khảo sát đặc tính nhiệt độ cần đo(liên hệ thực tiễn theo nhóm) Tính chọn cảm biến (cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ chân, dải đo, cấp chính xác..) 2 Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng VMTTVMS Xác định sơ đồ khối của hệ thống Tính chọn các khối 3 Vẽ mạch mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus 4 Phân tích và nhận xét kết quả
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
PHIẾU GIAO BÀI TẬP LỚN MÔN: VMTT&VMS
Số : ………
Họ và tên HS-SV :ĐỖ TUẤN TRƯỜNG – 0841040054
NGUYỂN THANH TUÂN – 0841040030
NGUYỄN HỮU TUỆ – 0841040062
quá giá trị cảnh báo: 40+10*N + Hiển thị nhiệt độ đo được ra Led 7 thanh
II PHẦN THUYẾT MINH
Yêu cầu về bố cục nội dung:
1/ Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ
- Tìm hiểu các phương pháp đo
- Khảo sát đặc tính nhiệt độ cần đo(liên hệ thực tiễn theo nhóm)
- Tính chọn cảm biến (cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ chân, dải đo, cấp chính xác ) 2/ Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng VMTT&VMS
- Xác định sơ đồ khối của hệ thống
- Tính chọn các khối 3/ Vẽ mạch mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus
4/ Phân tích và nhận xét kết quả
Yêu cầu về thời gian :
Ngày giao đề 25 /9/2015 Ngày hoàn thành : 30/11/2015
Chó ý:
Trang 2lớn sinh viên phải nộp:
LỜI NÓI ĐẦU
Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển trở thành một nước công nghiệp.Vìvậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năngxuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọng đáng đểchú ý.Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn đề đo và điều khiểnnhiệt độ.Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, các lò luyện gang, sắt,thép Ngày nay xuất hiện nhiều phương pháp đo nhiệt độ sử dụng cảm biến loại cặpnhiệt, nhiệt điện trở hay bán dẫn hoặc sử dụng phương pháp phân tích phổ để xácđịnh nhiệt độ đối với những nơi không trực tiếp đặt được các đầu đo nhiệt độ (nơi
có nhiệt độ quá cao) Nhìn chung các phương pháp đo nhiệt độ có nhiều nét giốngnhau nhưng cách xử thì có thể khác nhau, tuỳ vào mục đích và yêu cầu kỹ thuật đốivới từng công việc cụ thể nhưng mục đích cuối cùng của phép đo là thể hiện giá trịnhiệt độ với khoảng sai số cho phép có thể chấp nhận được
Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương tự -vi mạch số và các môn liên quan nhóm chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dung cảm biến nhiệt ngẫu
Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của thầy giáo hướng dẫn “ Tống Thị Lý ” cùng các thầy cô trong bộ môn “Đo lường điều khiển” số 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 chân thành cảm ơn
Trang 3Mục lục
Chương 1 : Tổng quan về mạch đo
Chương 2 : Giới thiệu các thiết bị, linh kiện cần cho hệ thống
Chương 3 : Tính toán, thiết kế mạch đo.
3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến.
3.2 Tính toán, thiết kế mạch nguồn cấp.
3.3 Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa.
3.4 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED.
3.5 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo.
3.6 Sơ đồ tổng thể mạch và dùng phần mềm mô phỏng mạch.
3.7 Bộ giải mã BCD.
Kết luận và phương hướng phát triển
Trang 41.1 Khái niệm về nhiệt độ
1.1.1 Khái niệm:
Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của cácnguyên tử, phân tử của một hệ vật chất.Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất (rắn,lỏng, khí) mà chuyển động này có khác nhau Ở trạng thái lỏng, các phân tử daođộng quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm chochất lỏng không có hình dạng nhất định.Còn ở trạng thái rắn,các phần tử,nguyên tửchỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng.Các dạng vận động này của các phântử,nguyên tử được gọi chung là chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên ngoài cótrao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nóitrên gọi là sự truyền nhiệt.Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý:
Bảo toàn năng lượng :
trạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt
Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyền nhiệtbằng đối lưu Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyểncác phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉtrọng
1 1 2 Thang đo nhiệt độ:
Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường
độ của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ.Cónhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng,từng thời kỳ pháttriển của khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độchính là:
1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K )
Trang 5Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay.Trong đó thang đonhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vịquốc tế (SI).Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ.
1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc
Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếpxúc
Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo của nhiệt kếnhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tínhchất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đối với môi trường khíhoặc nước, chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắnkhi đặt nhiệt kế sát vào vật,nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gâytổn hao nhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo
và nhiệt kế càng lớn càng tốt.Khi đo nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất…),cần phảicắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở cócáp nối ra ngoài
1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc:
Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối,tức là vậthấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọivật thể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với mộtđơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng
1.4 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ
Trang 6Sơ đồ khối của hệ thống đo:
1.4.2: Vai trò tác dụng của các khối:
luôn là +5V nguồn nuôi cảm biến
khuếch đại, vào ADC
điện theo yêu cầu bài toán
Mạch khuếch đại, chuẩn hóa
Chỉ thị
Biến
Mạch so sánh
Còi báo
Hiển thị BCD
Trang 7 Chỉ thị: là các Ampmeter hoặc Volmeter hiển thị dòng hoặc áp vịtrí cần đo và trước sau chuẩn hóa.
đặt, để đưa ra cảnh báo hoặc để LED nhấp nháy bình thường
thường, tắt khi vượt quá nhiệt theo yêu cầu bài toán
Trang 8Chương 2 : Giới thiệu về các linh kiện và thiết bị
sử dụng trong hệ thống đo.
2.1 Giới thiệu về IC cảm biến nhiệt PT100 :
Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ PT100
- Môi trường sử dụng đo nhiệt độ:
Không khí, nước, dầu, gỗ, gạo, xi măng …
Trang 9– Độ chính xác: 0.5
Pt (Platinum resistance thermometers) có nghĩa là nhiệt điện trở bạch kim Vì Bạch kim có tính chất thay đổi điện trở theo nhiệt độ tốt hơn các loại kim loại khác nên chúng được sử dụng rộng rãi trong các nhiệt điện trở Pt100 là một đầu dò cảm biến nhiệt bên trong có các lõi được làm bằng Bạch kim Bên ngoài có bọc một số lớp bảo vệ cho phần lõi bên trong nhưng vẫn truyền nhiệt tốt cho phần lõi.
Cấu tạo cảm biến nhiệt độ pt100:
Cảm biến nhiệt độ pt100 không phải hoàn toàn bằng Bạch kim Việcchế tạo bằng Bạch kim là khá tốn kém cho một thiết bị đo thông dụng Vì thếchỉ có thành phần cảm biến nhiệt mới thật sự là Bạch kim Nhằm giảm thiềuchi phí sản suất các thành phần khác của cảm biến nhiệt độ pt100 có thể đượclàm bằng thép không gỉ, đồng, chất bán dẫn, tấm thủy tinh siêu mỏng…
Trang 10Nguyên lý hoạt động của Pt100 đơn giản dựa trên mối quan hệ mật thiếtgiữa kim loại và nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, điện trở của kim loại cũng tăng.Bạch kim cũng tương tự như vậy Theo tiêu chuẩn thì khi nhiệt độ là 00C điệntrở của Pt-100 sẽ là 100Ω Bạch kim được sử dụng rộng rãi là do các yếu tốsau Trơ về mặt hóa học có nghĩa là nó rất ít hoặc không tác dụng với nhữngchất ăn mòn hay phá hủy Điện trở có quan hệ gần như tuyến tính với nhiệt độ.
Hệ số tăng nhiệt độ của điện trở đủ lớn để cho việc lấy kết quả đo dễ dàng Có
độ ổn định cao Độ tuyến tính của điện trở Bạch kim theo nhiệt độ Kết nối và
sử dụng Vì Pt-100 chỉ là một loại điện trở biến đổi theo nhiệt độ nên ta khôngthể đọc nhiệt độ trực tiếp trên chúng Do vậy muốn đọc nhiệt độ ta phải thôngqua các bộ chuyển đổi tín hiệu Pt-100 thường kết nối với các bộ chuyền đổitín hiệu qua 2, 3 hoặc 4 sợi dây dẫn Nhưng vì dây dẫn được làm bằng đồng,
và chúng cũng có điện trở riêng nên dây càng dài thì kết quả đo càng khôngchính xác Vì thế các bộ chuyền đổi tín hiệu thường kết nối với cảm biến saocho khoảng cách giữa chúng càng ngắn càng tốt Khi sử dụng thì đầu dò phảitiếp xúc trực tiếp với môi trường cần đo để có kết quả chính xác Các kiểu lắpthiết bị trên đường ống
Trong công nghiệp, các Pt-100 thường được tích hợp các bộ chuyển đổitín hiệu để hiệu suất của chúng là cao nhất và đơng giản hơn trong việc lắpđặt, vận hành Các ngõ ra của bộ chuyển đồi theo tiêu chuẩn công nghiệp là4mA-20mA và 0V-10V vì vậy ta thường dùng Bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt
độ PT100 sang 4-20ma ở đây mình ví dụ bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt
độ pt100-Muesen (Đức) loại gắn ở đầu cảm biến pt100, ngoài ra còn có loạigắn tủ điện nhưng chi phí cao hơn nhiều
2.2 Giới thiệu về IC 7805 ( IC ổn áp 5V)
Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao,sử dụng
IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản.Cácloại ổn áp thường được sử dụng là IC 78xx,với xx là điện áp cần ổn áp.Ví dụ
7805 ổn áp 5V, 7912 ổn áp -12V Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tựnhau
Trang 11LM7805 ( kiểu chân TO220: 1-IN, 2-GND, 3-OUT)Ngõ ra OUT luôn ổn định ở +5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi.Mạch này dùng để bảo vệ những linh kiện chỉ hoạt động ở điện áp +5V (cácloại IC, vi điều khiển thường hoạt động ở điện áp này) Mạch trên lấy nguồn một chiều từ một nguồn ngoài với điện áp trên 5V vànhỏ hơn 20V để đưa vào ngõ IN 7805 Khi kết nối mạch điện, do nhiềunguyên nhân người dùng dễ nhầm lẫn cực tính của nguồn cung cấp khi đấunối vào mạch, trong trường hợp này rất dễ ảnh hưởng đến các linh kiện trênboard mạch.Vì lí do đó gắn nối tiếp 1 diode có dòng phù hợp trước chân INcủa LM7805 để tránh gây hư hại các linh kiện phía sau khi lắp ngược cực.
Trang 122.3.1 Sơ đồ chân và chức năng các chân.
Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 555
Hình 1.2: Cấu trúc IC 555
Chức năng các chân:
+ Chân 1 : ( GND ) Nối mass.
+ Chân 2 : ( TRIGGER ) Nhận xung kích để đổi trạng thái.
+ Chân 3 : ( OUT ) Ngõ ra.
+ Chân 4 : ( RESET ) Trả về trạng thái đầu.
+ Chân 5 : ( CONTROL VOLTAGE ) Lấy điện áp điều khiển tần số dao
động
+ Chân 6 : ( THRESHOLD ) Lập mức ngưỡng cho tầng so sánh.
+ Chân 7 : ( DISCHARGE ) Đường xả điện cho tụ trong mạch định thời + Chân 8 : ( Vcc ) Nối với nguồn dương.
2.3.2: Nguyên lý hoạt động.
Trang 13Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý tạo dao động
mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vượt quá V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset
- Giai đoạn ngõ ra ở mức 1:
Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0
Vì điện áp ở chân 2(V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1
Khi nhả công tắc, Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1
FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó
- Giai đoạn ngõ ra ở mức 0:
Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- (= 2/3 VCC), R = [1]
Trang 14nên Q = [0] và Q´= [1] Ngõ ra của IC ở mức 0.
qua transistor
Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu
kỳ ổn định
1.Bộ chuyển đổi tương tự số 8 bit ADC0804
a Giới thiệu chung.
Chíp ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số trong họ các loạt ADC800,
nó làm việc với +5V và có độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thờigian chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộADC Thời gian chuyển đổi được định nghĩa như là thời gian mà bộ ADCcần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân Trong ADC0804thời gian chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tớichân CLK R và CLK IN nhưng không thể nhanh hơn 110μs.s
Hình 3: IC chuyển đổi tương tự - số 8 bit ADC0804
Trang 15b Nguyên lý làm việc.
Chức năng các chân ADC0804:
được sử dụng để kích hoạt chíp ADC0804 Để truy cập ADC0804thì chân này phải ở mức thấp
mức thấp Các bộ ADC chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhịphân tương đương với nó và giữ nó trong một thanh ghi trong RDđược sử dụng để nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra củaADC0804 Khi 0CS = nếu một xung cao – xuống – thấp được áp đếnchân RD thì đầu ra số 8 bit được hiển diện ở các chân dữ liệu D0 –D7 Chân RD cũng được coi như cho phép đầu ra
chuyển đổi”): Đây là chân đầu vào tích cực mức thấp được dùng đểbáo cho ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi
WR tạo ra xung cao – xuống – thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu chuyểnđổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phấn 8 bit Lượng thờigian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đếnchân CLK IN và CLK R Khi việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tấtthì chân INTR được ép xuống thấp bởi ADC0804
Ngoài ra , cần tạo xung bằng IC 555 cho chân WR này
Trang 16Hình 4 : Sơ đồ khảo sát ADC0804
là một chân đầu vào được nối tới một nguồn đồng hồ ngoài khi đồng
hồ ngoài được sử dụng để tạo ra thời gian Tuy nhiên ADC0804cũng có một máy tạo xung đồng hồ Để sử dụng máy tạo xung đồng
hồ trong của ADC0804 thì các chân CLK IN và CLK R được nối tớimột tụ điện và một điện trở Trong trường hợp này tần số đồng hồđược xác định bằng biểu thức:
Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C = 150pF
và tần số nhận được là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là110sμs
thấp Bình thường nó ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn
Trang 17tất thì nó xuống thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu được chuyểnđổi sẵn sàng để lấy đi Sau khi INTR xuống thấp, ta đặt CS = 0 vàgửi một xung cao xuống – thấp tới chân RD lấy dữ liệu ra củaADC0804.
được dùng như điện áp tham chiếu khi đầu vào REFV/2 (chân số 9)
để hở
điện áp tham chiếu Nếu chân này hở (không được nối) thì điện ápđầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dãy 0-5V→(giống nhưchân VCC) Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự ápđến Vin cần phải khác ngoài dãy 0→5V Chân /2REFV được dùng
để thực thi các điện áp đầu vào khác ngoài dãy 0→5V Ví dụ: Nếudãy đầu vào tương tự cần phải là 0 →4V thì REFV/2 được nối với+2V
liệu D0 – D7 (D7 là các bit cao nhất MSB và D0 là bit thấp LSB) làcác chân đầu ra dữ liệu số Đây là những chân được đệm ba trạngthái và dữ liệu được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0
và chân RD bị đưa xuống thấp Để tính điện áp đầu ra ta có thể sửdụng công thức sau:
Dout= V¿
k í c ht hướ cb ướ c
Với Dout là đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân) Vin là điện áp đầuvào tương tự và độ phân dãy là sự thay đổi nhỏ nhất được tính như
là (2x/2REFV) chia cho 256 đối với ADC 8 bit
cho cả tín hiệu số và tương tự Đất tương tự được nối tới đất củachân Vin tương tự, còn đất số được nối tới đất của chân VCC Lý do
mà ta phải có hai đất là để cách ly tín hiệu tương tự Vin từ các điện
Trang 18áp ký sinh tạo ra việc chuyển mạch số được chính xác Trong phầntrình bày thì các chân được nối chung với một đất Tuy nhiên, trongthực tế thu đo dữ liệu các chân đất này được nối tách biệt.
Trang 19Tại khối hiển thị ta dùng IC giải mã 4 ngõ vào thành 7 ngõ ra để xâydựng bộ hiển thị số BCD
* Nguyên lý hoạt động:
Mạch sẽ hiển thị giá trị nhiệt độ đo được tại mọi thời điểm hệ thống hoạtđộng, giá trị hiện thị sẽ được đưa đến ngõ vào của IC giải mã 74LS47 qua cácInput, với tính năng giải mã của vi mạch này, sẽ cho ra dữ liệu song song trêncác Bus đến các LED song song Chương trình sẽ chọn LED nào và hiển thịnhiệt độ lên LED
Khi có 1 sự biến đổi điện áp từ cảm biến, tức sự thay đổi nhiệt độ môitrường cần đo thì mã của 74LS47 cũng sẽ thay đổi phù hợp, tần số quét LEDđược thiết kế hợp lý để tránh mắt thường quan sát được
* Tính toán thiết kế:
Để LED sang 1 cách bình thường thì trên mỗi đoạn của LED cần cungcấp giá trị dòng điện khoảng 10mA Điện áp rơi trên mỗi LED vào khoảng2mV Nguồn cung cấp điện áp cho mạch Vcc= 5V
Với IC 74LS47 ta có các thông số ngõ ra như sau:
Trường hợp ta thiết kế cho LED sang với dòng điện 10mA Như vậy:
Tại ngõ ra của IC 74LS47, ta mắc thêm điện trở hạn dòng cho IC này
vậy nên phải có điện trở hạn dòng cho IC này để không sảy ra cháy IC mãhóa