ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ

Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ Giáo Viên Bộ Môn :TỐNG THỊ LÝ Sinh viên thực hiện :VŨ THỊ LAN ANH Mã sinh viên: 0941040611 Lớp: Điện 7K9 LỜI NÓI ĐẦU  Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển trở thành một nước công nghiệp.Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năng xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọng đáng để chú ý.Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn đề đo và điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, các lò luyện gang, sắt, thép... 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 IC cảm biến nhiệt độ. Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của cô giáo hướng dẫn “ Tống Thị Lý ” 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

Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN  BÀI TẬP LỚN MÔN VI MẠCH TƯƠNG TỰ Đề Tài: Dùng vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ Giáo Viên Bộ Môn : Tống Thị Lý Sinh viên thực : Nguyễn Tiến Đạt Mã sinh viên: 0941040390 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 LỜI NÓI ĐẦU  Đất nước ta đà phát triển trở thành nước công nghiệp.Vì vấn đề điều khiển vận hành thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao xuất chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí vấn đề quan trọng đáng để ý.Trong thực tế có nhiều toán liên quan đến vấn đề đo điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, lò luyện gang, sắt, thép Trong kì sau học môn vi mạch tương tự -vi mạch số môn liên quan nhóm chúng em giao đề tài: Thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dung IC cảm biến nhiệt độ Trong trình làm đề tài giúp đỡ tận tình cô giáo hướng dẫn “ Tống Thị Lý ” thầy cô môn giúp đỡ em hoàn thành thời hạn đề tài Nhưng lượng kiến thức hạn chế nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót Em mong đóng góp thầy cô để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 Mục lục Chương : Tổng quan mạch đo Chương : Giới thiệu thiết bị, linh kiện cần cho hệ thống Chương : 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 dùng phần mềm mô mạch 3.7 Bộ giải mã BCD Kết luận phương hướng phát triển Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 Chương : Tổng 1.1 1.1.1 quan mạch đo Khái niệm nhiệt độ Khái niệm: Nhiệt độ đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động nguyên tử, phân tử hệ vật chất.Tuỳ theo trạng thái vật chất (rắn, lỏng, khí) mà chuyển động có khác Ở trạng thái lỏng, phân tử dao động quanh vị trí cân vị trí cân dịch chuyển làm cho chất lỏng hình dạng định.Còn trạng thái rắn,các phần tử,nguyên tử dao động xung quanh vị trí cân bằng.Các dạng vận động phân tử,nguyên tử gọi chung chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên có trao đổi lượng không sinh công, trình trao đổi lượng nói gọi truyền nhiệt.Quá trình truyền nhiệt tuân theo nguyên lý: Bảo toàn lượng : Nhiệt tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất Ở trạng thái rắn, truyền nhiệt xảy chủ yếu dẫn nhiệt xạ nhiệt Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 Đối với chất lỏng khí dẫn nhiệt xạ nhiệt có truyền nhiệt đối lưu Đó tượng vận chuyển lượng nhiệt cách vận chuyển phần khối vật chất vùng khác hệ chênh lệch tỉ trọng 1 Thang đo nhiệt độ: Từ xa xưa người nhận thức tượng nhiệt đánh giá cường độ cách đo đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo thời kỳ.Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng định nghĩa theo vùng,từng thời kỳ phát triển khoa học kỹ thuật xã hội Hiện có thang đo nhiệt độ là: 1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ) 2- Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15 3- Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67 Đây thang đo nhiệt độ dùng phổ biến nay.Trong thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) quy định mét đơn vị đo hệ đơn vị quốc tế (SI).Dựa thang đo đánh giá nhiệt độ 1.2 Đo nhiệt độ phương pháp tiếp xúc Phương pháp đo nhiệt độ công nghiệp thường nhiệt kế tiếpxúc Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo nhiệt kế nhiệt điện trở cặp nhiệt ngẫu cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt chuyển đổi với môi trường đo Đối với môi trường khí nước, chuyển đổi đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắn đặt nhiệt kế sát vào vật,nhiệt lượng truyền từ vật sang chuyển đổi gây tổn hao nhiệt, với vật dẫn nhiệt Do diện tích tiếp xúc vật đo nhiệt kế lớn tốt.Khi đo nhiệt độ chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối 1.3 Đo nhiệt độ phương pháp không tiếp xúc: Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 Đây phương pháp dựa định luật xạ vật đen tuyệt đối,tức vật hấp thụ lượng theo hướng với khẳ lớn Bức xạ nhiệt vật thể đặc trưng nghĩa số lượng xạ đơn vị thời gian với đơn vị diện tích vật xảy đơn vị độ dài sóng 1.4 Tổng quan phương pháp đo nhiệt độ 1.4.1: Sơ đồ khối 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 sở hệ thống đo lường khác Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 Sơ đồ khối hệ thống đo: Mạch khuếch đại, chuẩn hóa Chỉ thị Mạch nhấp nháy cho LED Mạch nguồn chống nhiễu cấp nguồn cho toàn hệ thống Cảm Biến Mạch so sánh Còi báo Hiển thị BCD 1.4.2: Vai trò tác dụng khối: • Khối nguồn : làm nhiệm vụ đảm bảo nguồn cấp cho cảm biến +5V nguồn nuôi cảm biến • Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu cho mạch so sánh, khuếch đại, vào ADC Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 • Mạch khuếch đại : khuếch đại chuẩn hóa điện áp, dòng điện theo yêu cầu toán • Chỉ thị: Ampmeter Volmeter hiển thị dòng áp vị trí cần đo trước sau chuẩn hóa • Mạch so sánh: so sánh điện áp đầu cảm biến với điện áp đặt, để đưa cảnh báo để LED nhấp nháy bình thường • Còi báo: báo động nhiệt độ vượt giá trị đặt • Mạch nhấp nháy: đèn LED nhấp nháy chế độ nhiệt độ bình thường, tắt vượt nhiệt theo yêu cầu toán • Hiển thị mã BCD Chương : Giới thiệu linh kiện thiết bị sử dụng hệ thống đo • 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 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 -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 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 500ºC Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 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 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 10 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 Chương : Tính toán, thiết kế mạch đo Dải đo từ t*C= 0*C – tmax = 0*C – (50+10*14)*C - Chuẩn hóa đầu với mức điện áp U = ÷ 10V I = ÷ 20mA + Nhiệt độ cần đo : t*c = đến ( 50 +10*N)*c +Chuẩn hóa đầu 0-20mA +Cảnh báo : Đưa tín hiệu đèn nhấp nháy , còi nhiệt độ vượt giá trị cảnh báo : 40 + 10*N +Hiển thị nhiệt độ đo led N số thứ tự sinh viên danh sách N=14 3.1 Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp Vì hầu hết nguồn sử dụng mạch nguồn chiều mà thực tế nguồn lại nguồn xoay chiều với điện áp 220V => Biến đổi dòng xoay chiều sang chiều Tính chọn máy biến áp: Ở có hai nguồn đó: +5V, +12V/-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 5V tiêu tốn lượng lượng nên dùng chỉnh lưu điện áp Một phương pháp khác ta dùng khối ổn áp chiều để có đầu thay đổi Phương án thiết kế : Dùng IC ổn áp chiều 27 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 + Biến áp : Do yêu cầu đặt nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào 220V điện áp 12V + 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 pha nửa chu kỳ + Bộ 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 +5V, +12V/-12V Ta dùng IC7812/IC7912 7805 + Sơ đồ khối mạch nguồn: Hình 18: Sơ đồ khối mạch nguồn Dùng IC ổn áp 7805 cấp nguồn vào ổn định 5V cho IC LM35 28 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 3.2 Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa 3.2.1Khối cảm biến Là cảm biến nhiệt độ pt100 có cấu tạo nhiệt điện trở RTD ( RTDResistance Temperature Detector ):Nguyên lý hoạt động nhiệt điện trở dựa thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi điện trở • Rt = R0 ( + αt) • Rt : Điện trở nhiệt độ t • R0 : Điện trở độ C • α : Hệ số nhiệt điện trở 29 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 Với PT100 1V=1oC Vậy theo yêu cầu cần đo nhiệt độ 190oC tương ứng với 190V Với điện áp lớn ta cần phải có mạch phân áp cho đầu tương ứng 10mV=10oC để phù hợp với IC số Vì ta lắp thiết bị hình vẽ Ta có: Ur=Uv.R2/(R1+R2) Với Ur=0,01 V Uv=1 V Vậy ta có : R23/(R22+R23)=0,01  Chọn R23=100 Ω => R22=9,9 kΩ Từ cách lắp đặt thiết bị ta đầu đo nhiệt độ 190oC tương ứng với 1.9V Trong dải đo rộng từ 0-190v, chọn bước nhảy để đo nhiệt độ độ 4.2 Khối khuếch đại, chuẩn hóa đầu 4.2.1 Khối chuẩn hóa đầu 4-20mA 30 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 Ta có:U1 thay đổi từ IL thay đổi từ 4mA VIN+ thay đổi từ đầu 20mA Hình : khối chuẩn hóa từ 4-20mA 2.2.2 Khối khuếch đại tín hiệu 31 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 Ta có: U0= Ucb với Ucb=1.9V U0=-5V →R21= chọn R20=1kΩ R21= -1*(-5)/1.9= 1.09kΩ Vậy thay R21 điện trở 1kΩ nối tiếp với biến trở 500Ω 4.3 Khối cảnh báo 4.3.1 Khối so sánh cảnh báo còi led 32 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 Theo đề bài: tín hiệu cảnh báo còi nhiệt độ vượt giá trị toC= 180oC điện áp so sánh +3.18V 4.4 Khối ADC hiển thị Ta có DISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF Nối VREF+ với nguồn 3V đầu vào VIN+ phải đưa từ 3,000V đến 3,190V Ta sử dụng cộng đảo sau: VIN+ Vậy chọn R16=5k→R3=3k 33 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 Với Thay R11 VR2 33kΩ Vậy với VIN+ thay đổi từ 3,000V đến 3,19V LED hiển thị từ 0000C tới 1900C 2.4 Khối nguồn Trong thiết kế có sử dụng nguồn ±5V, ±12V nguồn cấp sử dụng từ mạng lưới điện xoay chiều 220V/50Hz ta có mạch nguồn sau: 34 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 2.6 Khối LED Trước hết xem qua cấu trúc loại đèn led đoạn số đèn cấu tạo đoạn led có chung anode (AC) hay cathode (KC); xếp hình số vuông (như hình trên) có led đặt làm dấu phẩy thập phân cho số thị; điều khiển riêng biệt không qua mạch giải mã Các chân led xếp thành hàng 35 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 chân hàng chân A chung hay K chung Sơ đồ cấu tạo hình dạng led Cấp nguồn cho chân đoạn tương ứng với chân sáng 36 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 Ví dụ hình đưa chân lên mức logic đoạn sáng Nếu cấp cho chân chân đoạn sáng tạo thành số Tương tự hiển thị số mức logic tương ứng chân abcdefg 1101101 Số 3là 1111001 Số 0110011 Bộ LED hiển thị giá trị nhiệt độ cảm biến đo 2.7 Mạch đo Từ sơ đồ khối ta ghép lại mạch đo nhiệt độ hoàn chỉnh 37 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 Đánh giá nhận xét kết Kết luận : Quá trình đo lường dùng cảm biến nhiệt độ với mạch đơn giản nhiều bất cập, mạch đơn giản để cấu đo xác ta nên kết hợp với vi mạch số, vi xử lý vi điều khiển để hiển trực quan số dễ đọc trình điều khiển cảnh báo dễ dàng ứng dụng với vi mạch số vi mạch điều khiển ta dùng cảm biến nhiệt độ ứng dụng vào mạch mạch báo cháy tự động, mạch đo nhiệt độ lò nung, điều khiển điều hòa không khí, hay lò ấp trứng, nhà bảo quản lạnh … Trong trình làm em nhiều bất cập thiếu sót mong thầy cô giáo thông cảm, em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn giúp đỡ em trình làm tập lớn !!! 38 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong thời gian làm đề tài em biết thêm nhiều kiến thức thực tế ứng dụng kiến thức học Qua chúng em luyện tập khả tư duy, cách thức nghiên cứu, giải vấn đề thực tế Mạch đo nhiệt độ ứng dụng drộng rãi thực tế đo nhiệt độ phòng, đo nhiệt độ để cảnh báo cháy…Mạch đo nhiệt độ thành phần quan trọng số mạch chức khác hệ thống đo điều chỉnh nhiệt độ lò cao, phân ngắt nhiệt, cung cấp nhiệt lò sưởi…  Những việc làm được: 39 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9  Nghiên cứu phương pháp đo nhiệt độ  Thiết kế nguồn cung cấp  Chọn linh kiện thiết kế cho hệ thống  Sơ đồ khối chức sơ đồ mạch đo  Những việc chưa làm được:  Chưa chỉnh sai số mạch khuếch đại  Mạch chưa tối ưu, sử dụng số thiết bị điện tử Hi vọng mạch nhiều ứng dụng rộng tương lai 40 Nguyễn Tiến Đạt-Điện 7k9 41 ... 459,67 Đây thang đo nhiệt độ dùng phổ biến nay.Trong thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) quy định mét đơn vị đo hệ đơn vị quốc tế (SI).Dựa thang đo đánh giá nhiệt độ 1.2 Đo nhiệt độ phương pháp tiếp... tổn hao nhiệt, với vật dẫn nhiệt Do diện tích tiếp xúc vật đo nhiệt kế lớn tốt.Khi đo nhiệt độ chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo thường dùng nhiệt kế nhiệt điện... pháp tiếp xúc Phương pháp đo nhiệt độ công nghiệp thường nhiệt kế tiếpxúc Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo nhiệt kế nhiệt điện trở cặp nhiệt ngẫu cách lắp ghép