NÔI 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 =tmin tmax = 0(100+5n)0C. • Đầu ra: + Chuẩn hóa đầu ra: U=010V và I=020mA. + Dùng cơ cấu đo để chỉ thị. • khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: toC=0tmax2.thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng t=(1+0.5a) • đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá toC=tmax2. • dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân. Xây dựng bộ hiển thị số BCD Trong đó a: chữ số hàng đơn vị của danh sách n: số thứ tự trong danh sách
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BÀI TẬP LỚN MÔN Vi Mạch Tương Tự Và Vi Mạch Số Đề số : NÔI DUNG Đề tài: Dùng vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =tmin - tmax = 0-(100+5*n)0C • Đầu ra: + Chuẩn hóa đầu ra: U=0-10V I=0-20mA + Dùng cấu đo để thị • nhiệt độ giới hạn bình thường: t oC=0-tmax/2.thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng tối t=(1+0.5*a) • đưa tín hiệu cảnh báo còi nhiệt độ vượt toC=tmax/2 • dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân Xây dựng hiển thị số BCD Trong a: chữ số hàng đơn vị danh sách n: số thứ tự danh sách Nhiệt độ tín hiệu vật lý mà ta thường gặp đời sống ngày kỹ thuật công nghiệp Việc đo nhiệt độ Vi mạch tương tự vi mạch số Trang yêu cầu thiết thực Hiện cảm biến đo nhiệt độ loại cảm biến sử dụng nhiều công nghiệp dân dụng Bài tập lớn nghiên cứu dùng vi mạch tương tự tinh toán,thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại Nội dung làm có phần sau : Chương 1: Tổng quan mạch đo Chương 2: Giới thiệu thiết bị 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 • Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo • Kết luận hướng phát triển • Nhiệt độ tín hiệu vật lý mà ta thường gặp đời sống ngày kỹ thuật công nghiệp Việc đo nhiệt độ Vi mạch tương tự vi mạch số Trang yêu cầu thiết thực Hiện cảm biến đo nhiệt độ loại cảm biến sử dụng nhiều công nghiệp • dân dụng Bài tập lớn nghiên cứu dùng vi mạch tương tự tinh toán,thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại Chương 1:TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO I.Xác định sơ đồ khối hệ thống Để thực phép đo đại lượng phụ thuộc vào đặc tính đại lượng cần đo, điều kiện đo, độ xác yêu cầu phép đo mà ta thực nhiều cách khác sở hệ thống đo lường khác Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biến nhiệt độ Sau ta tìm hiểu phương pháp thường dùng dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại 1.1, Sơ đồ khối chung mạch đo: Vi mạch tương tự vi mạch số Trang Sơ đồ khối đo: Chỉ thị Mạch khuếch đại, chuẩn hóa LED cảnh báo nhấp nháy Mạch so sánh, cảnh báo Cảm Biến Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số Bộ giải mã Còi báo LED 1.2 Vai trò tác dụng khối • Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu cho mạch so sánh, khuếch đại • Mạch khuếch đại : khuếch đại chuẩn hóa điện áp, dòng điện theo yêu cầu toán • Chỉ thị : ammeter vonmeter hiển thị dòng áp sau chuẩn hóa Vi mạch tương tự vi mạch số Trang • Mạch so sánh : so sánh điện áp đầu cảm biến với điện áp đặt, để đưa cảnh báo để LED nhấp nháy • Còi báo : báo động nhiệt độ vượt giá trị cho phép • LED cảnh báo nhấp nháy: đèn LED nhấp nháy trường hợp nhiệt độ vượt giá trị cho phép • Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC): để chuyển tín hiệu giá trị Volt đầu cảm biến mã hóa thành hệ nhị phân • Bộ giải mã: Để giải mã tín hiệu từ ADC LED • LED thanh: Hiển thị giá trị nhiệt độ tương ứng cảm biến Chương II: CÁC THIẾT BỊ CHÍNH Để xác định thiết bị mà sử dụng trình tính toán thiết kế mạch đo ta dựa vào khối mạch đo để xác định linh kiện mà dùng, sau ta liệt kê linh kiện sử dụng : II Tính chọn cảm biến 2.1 Phân loại cảm biến - Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ) - Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ) Vi mạch tương tự vi mạch số Trang - Thermistor - Bán dẫn ( Diode, IC ,….) - Ngoài có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ) Dùng hồng ngoại hay lazer 2.2 Giới thiệu cảm biến nhiệt điện trở • Hình1:hình dạng cấu tạo RTD - Cấu tạo RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng đầu đo - Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở hai đầu dây kim loại thay đổi, tùy chất liệu kim loại có độ tuyến tính khoảng nhiệt độ định - Ưu điểm: độ xác cao Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế - Khuyết điểm: Dải đo bé Cặp nhiệt điện, giá thành cao Cặp nhiệt điện - Dải đo: -200~400oC - Ứng dụng: Trong ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất… Vi mạch tương tự vi mạch số Trang Hiện phổ biến RTD loại cảm biến Pt, làm từ Platinum Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo dài Thường có loại: 100, 200, 500, 1000 ohm (khi oC) Điện trở cao độ nhạy nhiệt cao - RTD thường có loại dây, dây dây Loại dây cho kết đo xác • Cảm biến đo nhiệt độ PT100 Cảm biến nhiệt độ PT100 hay gọi nhiệt điện trở kim loại ( RTD) PT100 cấu tạo từ kim loại Platinum quấn tùy theo hình dáng đầu dò nhiệt có giá trị điện trở 0oC 100 Ohm Đây loại cảm biến thụ động nên sử dụng cần phải cấp nguồn ổn định -Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ PT100: Rt = R0( 1+ αT+βT2+C(T-100)T3) Trong đó: Rt : điện trở nhiệt độ T R0 : điện trở 00C(=100Ω) α=3.9083x10-3 β=-5.775x10-7 C=-4.183x10-12( t00C) Với nhiệt độ từ 00C đến 1000C dùng công thức : Rt = R0( 1+ αT) Cấu tạo dây đo nhiệt PT100 Các thông số nguyên tắc hoạt động Vi mạch tương tự vi mạch số Trang a Các thông số : Dây cảm biến nhiệt PT100 bao gồm đầu dò ống trụ có đường kính 4mm chiều dài ống trụ 30mm ,2 dây đầu có chiều dài 1m Hình 2: hình dạng PT100 Dải nhiệt độ đo từ -200ºC đến 850ºC b Sơ đồ cấu tạo bên đầu dò hình trụ Hình 3: cấu tạo bên đầu dò hình trụ PT100 Điện trở ống trụ RPT100 = RPT + R3 + R2 L2,L3 nối với dây đầu • Nguyên tắc hoạt động Vi mạch tương tự vi mạch số Trang Khi có thay đổi nhiệt độ đầu dò dẫn đến thay đổi điện trở ống trụ Mỗi giá trị nhiệt độ khác tương ứng với giá trị điện trở khác nhau.Ở 10 ºC đo giá trị điện trở RPT100 =107,6 Ω Khi tăng 1ºC RPT tăng sấp xỉ 0,4Ω • Cầu đo điện trở: Hình 4: mạch nối dây Pt100 Ta sử dụng mạch cầu để đo điện trở, PT nhánh cầu Vo=E*() Khi 00C RPT=100Ω Nên ta chọn R1 =R2 =R3=100Ω để cầu cân Suy V0/00c= 0V 2, khuếch đại thuật toán ^A 741 : khuếch đại dùng nhiều kỹ thuật điện trở có dụng khuếch đại tín hiệu điện điện áp, dòng điện, công suất phạm vi ta sử dụng khếch đại thuật toán để khuếch đại điện áp đưa từ cảm biến dùng so sánh để đưa khối cảnh báo cho mạch đo Hình ảnh thực tế khuếch đại thuật toán : Vi mạch tương tự vi mạch số Trang 3, điện trở :Trong thiết bị điện tử điện trở linh kiện quan trọng, chúng làm từ hợp chất cacbon kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo loại điện trở có trị số khác Hình dạng điện trở thiết bị điện tử Ký hiệu điện trở sơ đồ nguyên lý a,Cấu tạo Thường làm than hay chất đặc biệt có tính dẫn điện Được bao bọc bên lõi sứ ép thành khối b,Cách đọc điện trở : Cách đọc trị số điện trở tùy thược vào cách biểu thị vòng màu giá trị điện trở Vi mạch tương tự vi mạch số Trang 10 e,tính toán thiết kế LED theo yêu cầu đề bài, ta phải thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng tối t=(1+0.5*a) “ với a chữ số hàng đơn vị danh sách” Nên a=8 suy t=(1+0.5*8)=5s Ta dung mạch tạo xung vuông IC555 hình vẽ: Chen hinh Vi mạch tương tự vi mạch số Trang 19 Tính toán lựa chọn R,C Vì thời gian sáng thời gian tối nên ts=tt=5s Mà ts=0.69RA C Tt= 0.69.RB C Suy chọn R4=R1=20Ω,C1=362.32uF,C2=1nF Them điện trở R5=10K để ổn định mạch cung cấp dãy xung đối xứng f, Tính toán thiết kế nguồn : hầu hết nguồn sử dụng mạch nguồn chiều mà thực tế nguồn lại nguồn xoay chiều với điện áp 220V vấn đề đặt phải biến đổi dòng xoay chiều sang chiều khối nguồn bao gồm: + máy biến áp + chỉnh lưa cầu dùng điot tụ điện C để lọc + cuộn cảm L để dàn phẳng dòng điện Sơ đồ nguyên lý: + Tính chọn máy biến áp: có hai nguồn nguồn cho điện áp đặt so sánh 5V nguồn cấp cho OA 12V cần sử dụng máy biến áp có nhiều cấp điện áp để lấy hai cấp điện áp dùng Hoặc ta hạ xuống 12V dùng biến trở để chỉnh xuống V tiêu tốn lượng lượng nên dùng chỉnh lưu điện áp phương pháp khác ta dùng khối ổn áp chiều để có đầu thay đổi Vi mạch tương tự vi mạch số Trang 20 Tối ưu nên dùng phương án *Phương án thiết kế : + biến áp : yêu cầu đặt nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào 220V điện áp 15V + mạch chỉnh lưu : ưu điểm mạch chỉnh lưu cầu điện áp nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ so với phương pháp cân nên ta chọn chỉnh lưu cầu + lọc nguồn có nhiệm vụ san điện áp để dòng điện phẳng hơn, lọc tụ điện đơn giản chất lượng học cao.Nên ta dùng tụ điện + khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp thay đổi từ đến 15V nên nên ta dùng IC ổn áp thông dụng LM 7805 có dải điện áp khoảng 1,2V-35V với cách mắc thông thường ỔN ẢP MẠCH MỐT BIẾN Ul- CHÍNH Ut BỎ U(J|CHIẾU ÁP Lưu LỌC (ỔN DÒNG) Cơ cấu đo dùng ổn áp LM 7805 dùng để ổn áp đầu 5V: +Cấu tạo chung: gồm hai phần bản: phần tĩnh phần động • Phần tĩnh gồm: nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ cực từ lối sắt hình Thành mạch từ kín Giữa cực từ lối sắt có khe hở không khí gọi khe hở làm việc, đặt khung quay chuyển động • Phần động: gồm: khung dây quay quấn bắng dây đồng.Khung dây • Gắn vào trục quay(hoặcdâycăng,dâytreo).Trên trục quay có hai lò xo cản mắc ngược nhau, kim thị thang đo Vi mạch tương tự vi mạch số Trang 21 Hình 5.3 Cơ cấu thị từ điện +Nguyên lý làm việc chung: Khi có dòng điện chạy qua khung dây (phần động), tác động từ trường nam châm vĩnh cửu (phần tĩnh) sinh mô men Quay Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu góc a Mômen quay tính theo biểu thức: với Mq =B.S.W.I B: độ từ cảmcủa nam châm vĩnh cửu S: tiết diện khung dây W: số vòng dây khung dây Tại vị trí cân bằng, mômen quay mômencản: Mq =Mc ™B.S.W.I=D.[...]... III: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐO 2, Tính toán và lựa chọn : 2.1, tính chọn cảm biến và khối cảm biến : - Khối cảm biến Là cảm biến nhiệt độ pt100 có cấu tạo là một nhiệt điện trở RTD ( RTDResistance Temperature Detector ):Nguyên lý hoạt động nhiệt điện trở dựa trên sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi điện trở • • • • Rt = R0 ( 1 + αt) Rt : Điện trở ở nhiệt độ t R0 : Điện trở ở 0 độ C α : Hệ số của nhiệt. .. giá trị nhiệt độ cảm biến đo được 2.7 Sơ đồ mạch đo của toàn bộ quá trình thiết kế dùng mô phỏng protues : Vi mạch tương tự và vi mạch số Trang 31 Thuyết minh sơ đồ : mạch đo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở được mô phỏng trên protues với nhiệt điện trở là RV1 nằm trong mạch cầu đo điện áp Nguyên lý hoạt động dựa trên sự lệch áp khi cầu đo mất cân bằng do điện trở tăng theo nhiệt độ Phía sau khối đo là khối... 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 Vi mạch tương tự và vi mạch số Trang 11 5:Nguồn cấp cho mạch Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V,... phát tín hiệu cảnh báo quá nhiệt độ Vi mạch tương tự và vi mạch số Trang 32 Kết luận và phương hướng phát triển Qua đề tài có thể thấy mạch đo được ứng dụng rộng rãi trog thực tế như đo nhiệt độ phòng, đo nhiệt độ để cảnh báo cháy,… .mạch đo nhiệt độ là thành phành trong 1 số mạch chức năng khác như hệ thống đo và điiều chỉnh nhiệt độ ở lò cao,bộ phân ngắt nhiệt, cung cấp nhiệt từ lò sưởi,… Trong quá trình... đưa vào khối hiển thị d, mạch cảnh báo và mạch so sánh • mạch so sánh 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 Vi mạch tương tự và vi mạch số Trang 17 ra tín hiệu cảnh báo .Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh 1 điện áp vào với một điện áp chuẩn Uđ trong mạch. .. ID Vi mạch tương tự và vi mạch số Trang 22 (5.1) Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể doB,S,W,Dlà hằng số nên góc lệch tỷ lệ bậc nhất với dòng điệnlchạy qua khung dây +Các đặc tính chung:từ biểu thức (5.1)suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện có các đặc tính cơbản sau: • chỉ đo được dòng điện 1 chiều -đặc tính thang đo đều • độ nhạy là 1 hằng số SƠ ĐỒ MẠCH QUA PROTUES Vi mạch tương tự và vi mạch số Trang 23 f, Tính. .. 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 các thiết bị cảnh. .. đặt thiết bị trên ta được đầu ra khi đo ở nhiệt độ 240oC tương ứng với 2,4V Trong bài này vì là dải đo từ 0-240V Uv=1 V nên e chọn bước nhảy để đo nhiệt độ là 1 độ b, Mạch khuếch đại đo lường : đểtín hiệu đầu ra được chuẩn hóa ta dùng bộ khuếch đại thuật toán đảo với hệ k được tính như sau : U từ 0- 2,4V, Ura từ 0-10V Sơ đồ mạch khuếch đại đo lường : Vi mạch tương tự và vi mạch số Trang 14 Vậy điện. .. 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 , cũng như đền báo sẽ hoạt động Tính chọn điện áp đặt : Dựa vào điều kiện là khi nhiệt độ T=Tmax/2 thì sẽ cảnh báo vậy ta có Nhiệt độ của giá trị cảnh báo : Td =240/2= 120 °c Khi nhiệt độ đạt 120oC thì nguồn vào khi này là: Unguon=(2.4*120)/240=1.2V... là: Ura=1.2*ku=5V Vậy nguồn so sánh là 5V mạch cảnh báo ta đấu mạch còi báo động, vào nguồn còn với còi báo thì ta phải qua khâu khuếch đại công suất, mạch khuếch đại công suất như hình dưới đây : Vi mạch tương tự và vi mạch số Trang 18 e ,tính toán thiết kế LED theo yêu cầu của đề bài, ta phải thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng t=(1+0.5*a) “ với a là chữ số hàng ... Cách đọc trị số điện trở tùy thược vào cách biểu thị vòng màu giá trị điện trở Vi mạch tương tự vi mạch số Trang 10 Vòng số vòng số hàng chục hàng đơn vị Vòng số bội số số 10 Vòng số vòng cuối... số SƠ ĐỒ MẠCH QUA PROTUES Vi mạch tương tự vi mạch số Trang 23 f, Tính toán lựa chọn mạch ADC 2.4.4 Khối ADC mạch Các chân 1,2,8,10,7 nối đất Chân nối với chân số mạch tạo dao động HE555 Vi mạch. .. hay nhũ bạc, vòng sai số điện trở, đọc trị số ta bỏ qua vòng Đối diện với vòng cuối vòng số 1, đến vòng số 2, số Sau thiết kế mạch phải lựa chọn loại điện trở phù hợp mạch đo, để hiển đầu xác