Bài tập lớn vi mạch tương tự và vi mạch số

Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu.

BÀI TẬP LỚN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐNhóm: 2 Lớp: TĐH3_K9

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 cặp nhiệt ngẫu

Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0-(100+10*n)0C

- 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 hoặc LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ

- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷tmax-n Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng bằng 2 lần thời gian tốivà bằng: T0=(1+0,5*a) giây

- Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C=0÷tmax-2n đóng điện cho động cơ điện 1 chiều 5DVC chạy làm mát

- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi và LED khi nhiệt độ vượt giá trị :

t0C= tmax-2n

Trong đó:

a: Chữ số hàng đơn vị của danh sách ( VD: STT = 3→a=3; STT = 10→a=0) n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách.

PHẦN THUYẾT MINH

Yêu cầu về 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

- Lựa chọn 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

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO

1 Khái niệm về nhiệt độ.

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 dao động quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịchchuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định Còn ở trạng thái rắn,các phần tử, nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng Các dạng vậnđộng này của các phân tử, nguyên tử được gọi chung là chuyển động nhiệt Khitương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quátrình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt

trên tuân theo 2 nguyên lý: Bảo toàn năng lượng.

Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất. Ởtrạng 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 vậnchuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênhlệch về tỉ trọng

2.Các thang đo nhiệt độ

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giácường độ của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗithời kỳ Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từngvùng,từng thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay chúng ta

có 3 thang đo nhiệt độ chính là:

 Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).

 Thang Celsius ( 0C ): T( 0C ) = T( K ) – 273,15

 Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( K ) – 459,67

Nhiệt độ được đo bằng nhiệt kế Nhiệt độ được đo bằng các đơn vị khácnhau và có thể biến đổi bằng các công thức Trong hệ đo lường quốc tế, nhiệt độđược đo bằng đơn vị Kelvin, kí hiệu là K Trong đời sống ở Việt Nam và nhiềunước, nó được đo bằng độ C Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giáđược nhiệt độ

2 Sử dụng vi mạch tương tự để đo và cảnh báo nhiệt độ.

Vi tương tự và vi mạch số là lĩnh vực không những mang tới thời sự nóngbỏng mà còn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ, đã và đang từngngày thâm nhập vào đời sống của chúng ta Trong thực tế các dạng năng lượngthường ở dạng tương tự Do đó muốn xử lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số taphải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số

Xuất phát từ ý tưởng đó, em đã thưc hiện việc xây dựng một mạch điện đonhiệt độ hiển thị ra đèn LED Mạch này chỉ mang tính chất thử nghiệm, chưa cótính thực tế về vấn đề chuyển đổi ADC, vấn đề cảnh báo nhiệt độ ra đèn và vấn đề

đo lường các đại lượng không điện bằng điện

3. Biến nhiệt thành điện

Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và dải nhiệt độ

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

 Đo trực tiếp là phương pháp đo trong đó các thiết bị đo được đặt trực tiếptrong môi trường cần đo

 Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môi trườngcần đo (áp dụng với trường hợp đo ở nhiệt độ cao )

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

ở quá cao Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 00C ÷ (100+10*n)0C (n: số thứ tự sinh viêntrong danh sách): n=51 => t0C = 00C ÷ 6100C Do em được giao đề tài số 2 là dùng

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

- Còi, Led, Led 7 thanh, điện trở, tụ điện, đi-ốt

1 Cặp nhiệt ngẫu (Thermocouple)

a) Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt ngẫu công nghiệp.

Hình 1.1: Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu.

– Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khíhoặc hàn bằng tia điện tử Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ cácvít nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8) Để cách ly các điện cực người ta dùngcác ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ vànhiệt ở nhiệt độ làm việc Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ(1) làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt Hệ thống vỏ bảo vệ phải cónhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độdẫn nhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không được quá lớn Trường hợp vỏ bằngthép mối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp

– Trên thị trường hiện nay có nhiều loại Cặp nhiệt điện khác nhau (E, J, K, R, S,

nhau Người sử dụng cần chú ý điều này để có thể lựa chọn loại Cặp nhiệt điệnphù hợp với yêu cầu của mình

– Đồng thời khi lắp đặt sử dụng loại Cặp nhiệt điện thì cần chú ý tới những điểmsau đây:

 Dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt (vì tín hiệu truyền đidưới dạng điện áp mV nên nếu dây dài sẽ dẫn đến sai số nhiều)

 Thực hiện việc cài đặt giá trị bù nhiệt (Offset) để bù lại tổn thất mất mát trênđường dây Giá trị Offset lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ dài, chất liệu dây vàmôi trường lắp đặt

 Không để các đầu dây nối của Cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường cầnđo

 Đấu nối đúng chiều âm, dương cho Cặp nhiệt điện

b) Cấu tạo của cặp nhiệt ngẫu loại J.

Hình 1.2:Hình ảnh thức tế của cặp nhiệt ngẫu

– Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại Sắt và Constantan, hàn dính một đầu, đầu T1gọi là đầu nóng, hai đầu còn lại không hàn T2 gọi là đầu lạnh hoặc đầu chuẩn

Hình 1.3: Hình mô phỏng nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt ngẫu

– Nguyên lý: Khi có chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nóng và lạnh (T1 và T2) thì

ở đầu ra của cặp nhiệt ngẫu xuất hiện một suất điện động e phụ thuộc vàochênh lệch nhiệt độ và bản chất hai kim loại A và B

Hình 1.4: Đường đặc tính của cặp nhiệt ngẫu

* Công thức tính suất điện động e:

e=K(T1-T2) (cặp nhiệt ngẫu J có K=0,055mV)

– Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao, dải đo rộng, rẻ

– Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao,cần điểmtham chiếu, ít ổn định

– Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

– Dải đo: -40 ~ 750oC(-2.2mv ~41.22mv)

– Ứng dụng: sản xuất công nghiệp, luyện kim, gia công vật liệu

2 Mạch tích hợp KĐTT µA741

- Hình ảnh thực tế của µA741:

- Sơ đồ chân của µA741:

Chức năng các chân:

Chân 3 _ cửa vào không đảo Chân 7 _ nguồn cấp dươngChân 4 _ nguồn cấp âm Chân 8 _ không sử dụng

- Op Amp là một công cụ có nhiều chức năng:

+ Khuếch đại hiệu hai điện thế:

 Uo= K( UI+ − UI− )

+ Khuếch đại tín hiệu điện:

 Uo= −K UI− (UI+ = 0 )

 Uo= K UI+ (UI− = 0 )

+ So sánh điện áp vào UI với điện áp chuẩn UCH:

 Nếu UI > UCH thì Uo = L ( có mức 0, tương đương điện áp thấp, cỡ 0V)

 Nếu UI < UCH thì Uo = H ( có mức 1, tương đương điện áp cao, cỡ 3,5V)

3 IC 555

Hình 3.1:Sơ đồ chân IC 555

 Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở thực hiện cácchức năng như hình :

Hình 3.2: Cấu trúc bên trong của LM 555

số 7sẽ hở

– Chân số 3: (Output) Ngõ ra tín hiệu ở dạng xung (mức áp không thấp thì cao).– Chân số 4: (Reset) Xác lập trạng thái ngõ ra Khi chân số 4 cho nối mass thìchân số 3 chốt ở mức áp thấp , chỉ khi chân số 4 đặt ở mức áp cao thì ngõ rachân 3 mới được tự do và mới có thể lúc cao lúc thấp

– Chân số 5: (Control Voltage) Chân điều khiển ,chân này làm thay đổi các mứcđiện áp chuẩn trên trên cầu chia volt

– Chân số 6: (Threshold) Ngõ vào của một tầng so với áp 1.Có mức áp chuẩnbằng 2/3 Vcc

– Chân số 7: (Dirchange) Chân xả điện, chân này là ngõ ra của một khóa điên(tranistor) khóa điện này đóng mở theo mức áp chân số 3 Khi chân 3 ở mức ápcao thì khóa điện đóng lại và cho dòng chay qua, ngược lại thì khóa điện hở vàcắt dòng

– Chân số 8: (+Vcc) Chân nguồn nối vào nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC

– Sự kết hợp của hai con này sẽ tạo ra được bộ nguồn đối xứng.

– Về mặt nguyên lý nó hoạt động tương đối giống nhau

– 78xx là loại dòng IC dùng để ổn định điện áp dương đầu ra với điều kiện đầuvào luôn luôn lớn hơn đầu ra 3V

– Tùy loại IC mà nó ổn áp đầu ra là bao nhiêu

2 : Vin - Chân nguồn đầu vào

3 : Vo - chân nguồn đầu ra

5.Led 7 thanh.

 Cấu tạo:

– Trong LED 7 thanh bao gồm ít nhất là 7 con LED mắc lại với nhau , vì vậy mà

có tên là LED 7 đoạn là vậy ,7 LED đơn được mắc sao cho nó có thể hiển thịđược các số từ 0 - 9 , và 1 vài chữ cái thông dụng, để phân cách thì người ta còndùng thêm 1 led đơn để hiển thị dấu chấm (dot)

– Các led đơn lần lượt được gọi tên theo chữ cái A- B -C-D-E-F-G, và dấu chấm

– Như vậy nếu như muốn hiển thị ký tự nào thì ta chỉ cần cấp nguồn vào chân đó

là led sẽ sáng như mong muốn

 Thông số :

LED 7 thanh dù có nhiều biến thể nhưng tựu chung thì cũng chỉ vẫn có 2 loại

đó là :

+ Chân Anode chung (chân + các led mắc chung lại với nhau )

+ Chân Catode chung (Chân - các led được mắc chung với nhau )

Điện áp giữa Vcc và mass phải lớn hơn 1,3 V mới cung cấp đủ led sáng, tuy nhiên không được cao quá 3V

6) ADC 10 bit TC7107:

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐO.

- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị hoặc LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ

- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷tmax-n=0 ÷559 oC Thiết kế -mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng bằng 2 lần thời gian tốivà bằng: T0=(1+0,5*a) =1.5s

- Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C=0÷tmax-2n=508 đóng điện cho động cơ điện 1 chiều 5DVC chạy làm mát

- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi và LED khi nhiệt độ vượt giá trị :

– Nhiệm vụ của từng khối:

 Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động , tất cả thiết bị chỉ

ở một trong ba nguồn +12v hoặc - 12v hoặc +5v

 Khối cảm biến: Cảm biến nhiệt độ biến nhiệt thành điện áp ở mức vài mV

 Khối khuếch đại đo lường và chuẩn hóa U-I: Khuyếch đại điện áp từ cảmbiến ra điện áp chuẩn, rồi chuyển đổi từ điện áp sang dòng điện với mục đíchtruyền tải đi xa

 Khối ADC và hiển thị : Chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số vàđưa ra kết quả ra LED 7 thanh để hiển thị kết quả đo

 Khối so sánh: So sánh với một điện áp đặt trước và đưa ra tín hiệu dùng đểbáo động khi quá nhiệt độ cho phép

 Khối nhấp nháy : thực hiện nhiệm vụ nhấp nháy với thời gian đặt trước khinhiệt độ trong mức cho phép

 Cảnh báo : thực hiện chức năng báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho

 Cơ cấu đo chỉ thị: Là thiết bị hiển thị điện áp (Voltmeter), dòng điện(Ammeter) tương ứng với nhiệt độ đo Có nhiều loại cơ cấu đo chỉ thị khácnhau như: cơ điện, điện từ, cảm ứng… Vì dòng điện ra là dòng 1 chiều vàđiện áp ra cũng là 1 chiều với giá trị bé nên ta dùng cơ cấu chỉ thị từ điện đểhiển thị giá trị dòng điện và điện áp tại thời điểm xác định

3.2) Tính toán, lựa chọn cảm biến.

– Có dải cần đo là: t0C = 00C ÷ 6100C Vì vậy em chọn cặp nhiệt ngẫu loại J

3.3) Tính toán, thiết kế khối khuếch đại và khối chuẩn hóa.

a) Khuếch đại vi sai(mạch trừ) :

- Để chuẩn hóa 0÷10V thì ta sử dụng mach khuếch đại vi sai điện áp ra của

cặp nhiệt ngẫu, để chuyển điện áp từ đầu ra cặp nhiệt ngẫu thành 10V để sửdụng điện áp 10V cho các mạch sau

- Đầu ra trên hai đầu cảm biến cặp nhiệt ngẫu là điện áp (1oC~0.0055mV)

nên ở đây ta sẽ sử dụng mạch khuếch đại vi sai đơn giản với sơ đồ khôngđảo Mạch dùng phản hồi âm để ổn định hệ số khuếch đại

- Với đề bài này thì ta sẽ khuếch đại tín hiệu luôn ở mạch vi sai (điện áp ra từ0÷10V tương ứng với dải nhiệt độ 0÷610C)

Hình 3.2.Mạch khuếch đại vi sai đơn giản

- Tính toán các giá trị của kiện trong mạch

-Tại T=0oC : Chọn Ui1=0V và Ui2=0V => Uo = 0V

-Tại T=610oC : Chọn Ui1=0V và Uo=5V, Ui2 = 33.55mV

Chọn R1=10k, suy ra: R2=20kΩ, R3= 10kΩ

d, Chuẩn hóa 0÷20mA

– Để chuẩn hóa 0÷20mA thì cần bộ chuyển đổi U-I để chẩn hóa tín hiệu 10v thành

20mA

– sơ đồ mạch:

 Yêu cầu chuẩn hóa I=0÷ 20 mA Vậy hệ số chuyển đổi :

 KUI = = = 2010mA V → R3 = 500 Ω

e, Chuẩn hóa 4÷20mA

– Để chuẩn hóa 4÷20mA thì cần bộ chuyển đổi U-I để chẩn hóa tín hiệu 10v thành 4÷20mA.

– sơ đồ mạch:

 Khi điện áp vào thay đổi từ: 0 ÷ 10V thì Uin+ thay đổi từ 2÷ 10V

 Yêu cầu chuẩn hóa I=4÷ 20 mA Vậy hệ số chuyển đổi :

KUI = = = 42mA V 2010mA V → R3 = 500 Ω

3.4.Tính toán, thiết kế mạch so sánh

– Nhiệt độ giới hạn là: tgh=tmax-2n = 610-2n = 508oC

→ Uss = 10*(610 2 )610 n =8.32 (V)

– Khi điện áp vào Uin < Uss thì điện áp ra Uo ở mức cao, nếu điện áp vào Uin >

- Để ứng dụng trong thực tế , có thể sử dụng rơle để cảnh báo bằng chuông điện xoay chiều 220V hoặc thiết bị bạn muốn điều khiển.

3.6 Mạch động cơ làm mát:

- Khi nhiệt độ vượt quá t max -2n=508 o C thì cho chạy động cơ 5VDC làm mát Với yêu cầu như vậy thì ta sử dụng luôn mạch so sánh + một bộ NOT + một van bán dẫn đơn giản sử dụng transistor.

- Nguyên lý hoạt động chung của mạch: Khi nhiệt độ vượt quá t max -2n=

508 o C thì U - > U + điện áp ra của mạch so sánh ở mức L(thấp) Chân B của transistor được kéo xuống mức 0, đồng thời transistor sẽ được phân cực thuận, xuất hiện một dòng điện I EC đi qua quạt làm quạt quay Ngược lại thì transistor bị phân cực ngược (R=∞) và không có dòng chạy qua động cơ.

Hình 3.8.Mạch làm mát bằng động cơ 5VDC

3.7 Mạch nhấp nháy.

– Ngược với mạch cảnh báo, mạch nhấp nháy hoạt động khi nhiệt độ dưới:

tmax-2n = 508 oC  Uin<Uss=8.32 V thì đưa tín hiệu ra mạch nhấp nháy

- Khi Uin < 4.16 V thì tín hiệu ra của mạch so sánh ở mức cao nên mạch nhấpnháy hoạt động, khi Uin > Uss=8.32 V thì tín hiệu ra của mạch so sánh ởmức thấp mạch nhấp nháy không hoạt động

– Sơ đồ mạch:

Hình 3.6: Mạch tạo xung vuông, đèn nhấp nháy

 Khi tín hiệu từ đầu ra mạch so sánh ở mức cao ( tương ứng Uin<4V) đượcđưa vào chân 4 của IC 555 sẽ tác động vào chân 4 (chân reset ) của IC 555làm mạch tạo xung hoạt động làm đèn nháy với: τ=1.5s

 Khi tín hiệu từ đầu ra mạch so sánh ở mức thấp ( tương ứng Uin>4V) đượcđưa vào chân 4 của IC 555 sẽ tác động vào chân 4 (chân reset ) của IC 555làm mạch tạo xung ngừng hoạt động

 Mạch tạo xung sử dụng IC 555 có yêu cầu thời gian đèn sáng bằng 2 lần thờigian tối có Tn=1+a*0,5 ( mà n=51, a=1) → τ=1.5s

Ta có: Tn= 0.69(RA+RB)*C=1.5s và Tx=0.69 RB*C để Tn=2Tx thì RA=RB Chọn C= 100uF → RA=RB= 10.8 kΩ

3.8. Bộ hiển thị nhiệt độ dùng ADC 10 bit TC7107.

– Số nhị phân 10 bit có giá trị lớn nhất là 1023 Vì vậy, em sử dụng 3 LED 7thanh để hiển thị kết quả tương ứng với các số hàng đơn vị, hàng chục vàhàng trăm

– Mạch khối xử lý tín hiệu điện sang số nhị phân sang 3 khối (khối đơn vị,khối hàng chục, khối hàng trăm) và khối giải mã gồm 3 LED 7 đoạn để hiển