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.

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 do – Hạnh phúc

BÀI TẬP LỚN MÔN

Vi Mạch Tương Tự Và Vi Mạch Số

Đề số : 1NÔI DUNG

Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báonhiệt 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 và I=0-20mA

+ Dùng cơ cấu đo để chỉ thị

• khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: toC=0-tmax/2.thiết kế mạchnhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằngt=(1+0.5*a)

• đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá toC=tmax/2

• dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân Xây dựng bộ hiểnthị số BCD

Trong đó a: chữ số hàng đơn vị của danh sách

n: số thứ tự trong danh sách

Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường gặp trong đời sống hằngngày cũng như kỹ thuật và công nghiệp Việc đo nhiệt độ cũng chính

vì thế là một yêu cầu thiết thực Hiện nay cảm biến đo nhiệt độ làloại cảm biến được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp cũng nhưdân dụng

Bài tập lớn này nghiên cứu dùng các vi mạch tương tự tinhtoán,thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệtđiện trở kim loại

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

• Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo

• Kết luận và hướng phát triển

• Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường gặp trong đời sống hằng

ngày cũng như kỹ thuật và công nghiệp Việc đo nhiệt độ cũng chính vì

thế là một yêu cầu thiết thực Hiện nay cảm biến đo nhiệt độ là loại cảm

biến được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp cũng như dân dụng

• Bài tập lớn này nghiên cứu dùng các vi mạch tương tự tinh

toán,thiết kế mạch đo và 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 của hệ thống

Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì phụ thuộc vào đặc tínhcủa đại lượng cần đo, điều kiện đo, cũng như độ chính xác yêu cầu của một phép

đo mà ta có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của hệ thống đolường khác nhau

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 cảm biến nhiệt điện trở kim loại

1.1, Sơ đồ khối chung của mạch đo:

Sơ đồ khối đo:

Vi m ch t ạch tương tự và vi mạch số ương tự và vi mạch số ng t và vi m ch s ự và vi mạch số ạch tương tự và vi mạch số ố Trang 3

Mạch khuếch đại,

Chỉ thị

1.2 Vai trò tác dụng của các khối

 Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu ra cho các mạch so sánh, khuếch đại

 Mạch khuếch đại : khuếch đại và chuẩn hóa các điện áp, dòng điện theo yêu cầu bài toán

 Chỉ thị : là các ammeter hoặc vonmeter hiển thị dòng hoặc áp sau chuẩn hóa

 Mạch so sánh : so sánh điện áp đầu ra của cảm biến với điện áp đặt,

để đưa ra cảnh báo và để LED nhấp nháy

 Còi báo : báo động khi nhiệt độ vượt quá giá trị cho phép

 LED cảnh báo nhấp nháy: đèn LED nhấp nháy trong trường hợp nhiệt

độ vượt quá giá trị cho phép

Cảm Biến

Mạch so sánh, cảnh báo

Còi báo

LED cảnh báo nhấp nháy

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số

Bộ giải mã

LED 7 thanh

 Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC): để chuyển tín hiệu giá trị Volt đầu ra của cảm biến mã hóa thành hệ nhị phân

 Bộ giải mã: Để giải mã tín hiệu từ ADC ra LED 7 thanh

 LED 7 thanh: Hiển thị giá trị nhiệt độ tương ứng trên cảm biến

Chương II: 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 linhkiện mà mình sẽ dùng, sau đây ta sẽ liệt kê các 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 )

Hình1:hình dạng và cấu tạo 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

sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độnhất định

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

- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn Cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn Cặp nhiệt điện

- Dải đo: -200~400oC

- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất…

Hiện nay phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ

Platinum.Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm (khi ở 0 oC) Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao

- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây Loại 4 dây cho kết quả đo chính xác nhất

 Cảm biến đo nhiệt độ PT100

Cảm biến nhiệt độ PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại ( RTD) PT100 được cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt

có giá trị điện trở khi ở 0oC là 100 Ohm Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định.

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

Cấu tạo dây đo nhiệt PT100

1 Các thông số cơ bản và nguyên tắc hoạt động

a Các thông số cơ bản :

Dây cảm biến nhiệt PT100 bao gồm một đầu dò ống trụ có đường kính 4mm và chiều dài ống trụ là 30mm ,2 dây đầu ra có chiều dài 1m

Hình 2: hình dạng PT100

Dải nhiệt độ đo được là từ -200ºC đến 850ºC

b Sơ đồ cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ

Hình 3: cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ PT100

ºC thì đo được giá trị điện trở RPT100 =107,6 Ω) Khi tăng 1ºC thì RPT tăng sấp xỉ0,4Ω)

 Cầu đo điện trở:

Hình 4: mạch nối dây Pt100

Ta sử dụng mạch cầu để đo điện trở, trong đó PT là một nhánh của cầu

Khi ở 00C RPT=100Ω)

Nên ta chọn R1 =R2 =R3=100Ω) để cầu cân bằng Suy ra V0/00c= 0V

2, bộ khuếch đại thuật toán ^A 741 : 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 đạiđiện áp đưa ra từ cảm biến và dùng trong bộ so sánh để đưa ra khối cảnh báo chomạch đo

Hình ảnh thực tế của bộ khuếch đại thuật toán :

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 đượccác loại điện trở có trị số khác nhau

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.

Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý.

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

 Vòng số 3 là bội số của cơ số 10

 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

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

4.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 trongphạm vi bài này chúng ta đo dải điện áp từ 0 đến 10V và dải dòng điện từ 0đến 20mA ta nên dùng cơ cấu chỉ thị từ điện vì cơ cấu này đo được dòngđiện và điện áp 1 chiều với dải đo rộng

 các thiết bị cảnh báo : để cảnh báo quá nhiệt độ ta có thể sử dụng chuôngcảnh báo hoặc còi để cảnh báo, hoặc ta có thể sử dụng đồng thời cả hai đểcảnh báo quá nhiệt độ Những thiết bị này thường mang thông tin nhanh vàchính xác, dễ lắp đặt và sử dụng nguồn điện một chiều hay xoay chiều

5:Nguồn cấp cho mạch

Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V, 9V hoặc 12V tùytheo yêu cầu của mạch trên thực tế thì nguồn điện 1 chiều thường được chỉnhlưu từ nguồn xoay chiều nguồn cấp của chúng ta gồm có : _máy biến ápcóchức năng hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sử dụng đó là 5V, 9V,

_ bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot, tụ điện, và điện và cuộn cảm có tácdụng chỉnh lưu từ dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều sơ đồ nguyên lý củakhối chỉnh lưu:

Chương 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 (

RTD-Resistance 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+βTt)

 Rt : Điện trở ở nhiệt độ t

 R0 : Điện trở ở 0 độ C

 αT+βT : Hệ số của nhiệt điện trở

Với PT100 1V=1oC Vậy theo yêu cầu của bài thì cần đo ở nhiệt độ 240C tương ứng với 240V Với điện áp

ra rất lớn như vậy ta cần phải có 1 mạch phân áp sao cho đầu ra tương ứng 10mV=10oC để phù hợp với các IC số

Vì vậy ta lắp thiết bị như hình vẽ

Ta có: Ur=Uv.R2/(R1+R2)

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 :

Vậy điện áp ra được xác định bởi biểu thức với điều kiện bình thường làR4R7=R5R6:

Biểu thức cho điện áp đầu ra là:

R2+R3 R5

Uc=Ung( +1)

+) mạch chuẩn hóa đầu ra:các ngõ vào vi sai của KĐTT không lý tưởng bao giờcũng lệch nhau , nên phải có mạch ngoài để chỉnh bù trừ , còn gọi là phương phápcân 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 sơ đồ điều chỉnh điệp áp bù 1ngõ 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 UAB có điện áp nhỏ ( cỡ 0,5V) nếu trượt conbiến trở.VR sẽ đạt được Uo=0 V khi U1= 0V

C, mạch chuyển đổi U sang I :

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 chuyểnđổi

áp-dòng

Sơ đồ nguyên lý chung của bộ biến đổi áp-dòng:

Ở đây ta dùng 2 khuếch đại thuật toán để biến đổi áp –dòng:

• Với mạch khuếch đại này ta biến đổi nguồn điện áp dương sang nguồn điện

áp âm để khi sang mạch áp dòng ta có chuẩn đầu ra là dương nguồn dòng

ta có U0=-(R1*UI)/R2.Để U ko thay đổi giá trị mà chỉ thay đối sang âm ta chọn

R1=R2=10K

• Với mạch biến đổi áp – dòng ta có hệ số biến đổi áp – dòng:

Để chuẩn hóa đầu ra có giá trị từ 0 đên 20mA khi giá trị đầu vào là 0 đên 10 V thì R3=500,R4=600,R5=10K

Như vậy ta đã tính chọn xong các điện trở cho mạch biên đổi dòng – áp Vàdòng điện ra là chuẩn công nghiệp với giá tri ra từ 0 đên 20mA khi giá trị đầu vào

là 0V đên 10 V sau khi chuyển đổi xong thành tín hiệu dòng điện ta sẽ tiêp tục đưavào 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 Nhưvậy 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 vàovới một điệnáp chuẩn Uđ trong mạch so sánh chỉ có tín hiệu ra chỉ có 2mức, 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 C ' ~ ' ra ở mức cao Ui> Uđ thì điện

áp ra khác 0

Dựa vào nguyên lý đó ta thiêt kê 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 chuôngchưa 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 , 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 cóNhiệt độ của giá trị cảnh báo :

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 :

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 đơn vị của danh sách”

Nên a=8 suy ra t=(1+0.5*8)=5s

Ta dung mạch tạo xung vuông IC555 như hình vẽ:

Chen hinh

sẽ cung cấp dãy xung ra đối xứng.

f, Tính toán thiết kế nguồn :

vì hầu hết các nguồn sử dụng trong mạch đều là nguồn một chiều mà trên thực tế thì nguồn lại là các nguồn xoay chiều với điện áp là 220V vậy vấn đề đặt ra là phảibiến đổi dòng xoay chiều sang 1 chiều

khối nguồn sẽ bao gồm:

+ máy biến áp

+ bộ chỉnh lưa cầu dùng 4 điot tụ điện C để lọc

+ cuộn cảm L để dàn phẳng dòng điện

Sơ đồ nguyên lý:

+ Tính chọn máy biến áp: ở đây chúng ta có hai nguồn đó là nguồn cho điện áp

đặt ở bộ so sánh 5V và nguồn cấp cho OA là 12V như vậy cần sử dụng máy biến

áp có nhiều cấp điện áp để lấy ra hai cấp điện áp mình dùng Hoặc ta có thể hạxuống 12V rồi dùng con biến trở để chỉnh xuống 5 V nhưng sẽ tiêu tốn 1 lượngnăng lượng vì vậy nên dùng 2 bộ chỉnh lưu điện áp 1 phương pháp khác là ta cóthể dùng khối ổn áp 1 chiều để có đầu ra thay đổi

Tối ưu nhất ở đây nên dùng phương án 3

*Phương án thiết kế : + biến áp : do yêu cầu đặt ra nên ta sử dụng biến áp có điện

áp vào 220V và điện áp ra là 15V

+ mạch chỉnh lưu : do những ưu điểm của mạch chỉnh lưucầu như điện áp ra ít nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ hơn so vớiphương pháp cân bằng nên ta sẽ chọn bộ chỉnh lưu cầu

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

tụ điện

+ khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp ra thay đổi từ 0đến 15V nên nên ta dùng IC ổn áp thông dụng là LM 7805 do có dải điện áp ratrong khoảng 1,2V-35V với cách mắc thông thường

MẠCH CHÍNH

ỔN ẢP MỐT BIẾN Ul- Ut BỎ U(J|CHIẾU

Cơ cấu đo dùng ổn áp LM 7805 dùng để ổn áp đầu ra 5V:

+Cấu tạo chung: gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động

• Phần tĩnh gồm: nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ và cực từ 3 và lối sắt 6 hìnhThành mạch từ kín Giữa cực từ 3 và lối sắt 6 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(hoặcdâycăng,dâytreo).Trên trục quay có hai lò xo cản 7mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8

Hình 5.3 Cơ cấu chỉ thị từ điện

+Nguyên lý làm việc chung:

Khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dưới tác động của từtrường nam châm vĩnh cửu (phần tĩnh) sinh ra mô menQuay Mq làm khung dâylệch khỏi vị trí ban đầu một góc a Mômen quay được tính theo biểu thức:

Mq =B.S.W.I với B: độ từ cảmcủa nam châm vĩnh

cửu S: tiết diện khung dây W: số vòng dây củakhungdây