THIẾT KẾ ĐỐI TƯỢNG CẦN ĐO LÀ LÒ NUNG 14000C. Số điểm đo là 7.Quán tính nhiệt (giây0C) 45

Yêu cầu của bài toán: Thiết kế đối tượng cần đo là Lò nung 14000C. Số điểm đo là 7.Quán tính nhiệt (giây0C) 45. 1. Tìm hiểu các loại cặp nhiệt điện (Thermocouple); 2. Chọn cảm biến phù hợp yêu cầu; 3. Thiết kế mạch chuyển đổi chuẩn hóa sử dụng vi mạch khuếch đại dụng cụ đo; 4. Thiết kế mạch dồn kênh: Phân tích và lựa chọn chu kỳ dồn kênh Ts tối ưu (Ts phụ thuộc vào số kênh cần đo, quán tính của tín hiệu tốc độ biến đổi của tín hiệu); 5. Thiết kế mạch ADC; 6. Thiết kế mạch phân kênh; 7. Thiết kế mạch tạo chu kỳ đồng hồ (clock) cho MUX và DEMUX; 8. Thiết kế mạch hiển thị thông tin; 9. Kết nối với CPU (Vi xử lý hoặc VĐK); 10. Thiết kế lựa chọn nguồn cung cấp (phù hợp với điện áp yêu cầu của các IC và đủ công suất); 11. Vẽ sơ đồ tổng thể (dùng phần mềm mô phỏng hoặc phần mềm thiết kế mạch); 12. Mô phỏng các mạch đã thiết kế.

Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ====o0o==== BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐỐI TƯỢNG CẦN ĐO LÀ LÒ NUNG STTSV : GVHD: SVTH:Nguyễn Thế Huy 10 TS Nguyễn Thạc Khánh Page Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh Yêu cầu toán: Thiết kế đối tượng cần đo Lò nung 14000C Số điểm đo Quán tính nhiệt (giây/0C) 45 Tìm hiểu loại cặp nhiệt điện (Thermocouple); Chọn cảm biến phù hợp yêu cầu; Thiết kế mạch chuyển đổi chuẩn hóa sử dụng vi mạch khuếch đại dụng cụ đo; Thiết kế mạch dồn kênh: Phân tích lựa chọn chu kỳ dồn kênh Ts tối ưu (Ts phụ thuộc vào số kênh cần đo, quán tính tín hiệu - tốc độ biến đổi tín hiệu); Thiết kế mạch ADC; Thiết kế mạch phân kênh; Thiết kế mạch tạo chu kỳ đồng hồ (clock) cho MUX DEMUX; Thiết kế mạch hiển thị thông tin; Kết nối với CPU (Vi xử lý VĐK); 10 Thiết kế / lựa chọn nguồn cung cấp (phù hợp với điện áp yêu cầu IC đủ công suất); 11 Vẽ sơ đồ tổng thể (dùng phần mềm mô phần mềm thiết kế mạch); 12 Mô mạch thiết kế Mục Lục SVTH:Nguyễn Thế Huy Page Đồ án: Thiết kế lò nung SVTH:Nguyễn Thế Huy GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh Page Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh PHẦN 1: CẶP NHIỆT ĐIỆN 1.1: Khái niệm Cặp nhiệt điện Cặp nhiệt điện đoạn dây kim loại khác chất hàn dính đầu 1.2: Cấu Tạo Gồm dây kim loại khác hàn dính đầu gọi đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu lại gọi đầu lạnh ( đầu chuẩn ) Khi có chênh lệch nhiệt độ đầu nóng đầu lạnh phát sinh sức điện động V đầu lạnh Dựa nguyên lý này, người ta chế tạo loại cảm biến nhiệt độ thermocouple để đo nhiệt độ Bằng việc đo giá trị hiệu điện từ đầu lạnh cặp nhiệt điện, người ta tính toán giá trị nhiệt độ mà đầu nóng chịu Từ đó, ứng dụng đo nhiệt độ cặp nhiệt điện đời sử dụng rộng rãi công nghiệp Một vấn đề đặt cặp nhiệt điện phải có ổn định đo nhiệt độ đầu lạnh, điều tùy thuộc lớn vào chất liệu kim loại làm cặp nhiệt điện Do vậy, với thời gian xuấtt chủng loại cặp nhiệt độ khác nhau, loại cho sức điện động khác Vì thế, người dùng cần phải lưu ý điều để chọn đầu dò điều khiển cho thích hợp Dây cặp nhiệt điện không dài để nối đến điều khiển, yếu tố dẫn đến không xác chổ này, để giải điều phải bù trừ cho ( offset điều khiển ) SVTH:Nguyễn Thế Huy Page Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh 1.3: Các loại cặp nhiệt điện 1.3.1: Kiểu cặp nhiệt loại K Loại K loại phổ biến cặp nhiệt điện Đó không tốn kém, xác, đáng tin cậy, có phạm vi nhiệt độ rộng Các loại K thường tìm thấy ứng dụng hạt nhân độ cứng xạ tương đối Thành phần loại Chromel (Ni-Cr alloy) /Alumel (Ni-Al alloy) Khoảng đo nhiệt độ từ 200 °C đến 1200 °C 1.3.2: Kiểu cặp nhiệt loại E Các loại E có tín hiệu mạnh độ xác cao so với loại K loại J phạm vi nhiệt độ vừa phải 1,000F thấp Các loại E ổn định so với loại K, mà thêm vào độ xác Thành phần loại Chromel /Constantan(Cu-Ni alloy) Khoảng đo nhiệt độ từ −200 °C đến 900 °C 1.3.3: Kiểu cặp nhiệt loại J Các loại J phổ biến Nó có phạm vi nhiệt độ nhỏ có tuổi thọ ngắn nhiệt độ cao Loại K Nó tương đương với Type K chi phí độ tin cậy Thành phần loại Iron /Constantan Khoảng đo nhiệt độ từ −40 °C đến 750 °C 1.3.4: Kiểu cặp nhiệt loại N Type N cổ phiếu xác nhiệt độ giới hạn tương tự Type K Các loại N đắt tiền Các loại N có độ lặp lại tốt 572F để 932F (300C đến 500C) so với loại K Thành phần loại Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy) / Nisil (Ni-Si alloy) Khoảng đo nhiệt độ từ −270 °C đến 1300 °C 1.3.5: Kiểu cặp nhiệt loại T Các Loại T cặp nhiệt điện ổn định thường sử dụng ứng dụng nhiệt độ thấp chất làm lạnh tủ đông cực thấp Nó tìm thấy môi trường phòng thí nghiệm khác Các kiểu T có khả lặp lại tuyệt vời -380F đến 392F (-200C đến 200C) Thành phần loại Copper /Constantan Khoảng đo nhiệt độ từ −200 °C đến 350 °C 1.3.6: Kiểu cặp nhiệt loại R Type R sử dụng ứng dụng nhiệt độ cao Nó có tỷ lệ cao Rhodium Type S, mà làm cho đắt Kiểu R giống với Type S hiệu suất Nó sử dụng ứng dụng nhiệt độ thấp độ xác cao SVTH:Nguyễn Thế Huy Page Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh ổn định Type R có sản lượng cao chút cải thiện ổn định qua loại S Thành phần loại Platinum /Platinum with 13% Rhodium Khoảng đo nhiệt độ từ °C đến 1600 °C 1.3.7: Kiểu cặp nhiệt loại S Type S sử dụng ứng dụng nhiệt độ cao Nó thường tìm thấy ngành công nghiệp công nghệ sinh học dược phẩm Nó sử dụng ứng dụng nhiệt độ thấp độ xác cao ổn định Các loại S thường sử dụng với ống bảo vệ gốm Thành phần loại Platinum /Platinum with 10% Rhodium Khoảng đo nhiệt độ từ °C đến 1600 °C 1.3.8 Kiểu cặp nhiệt loại B Các cặp nhiệt điện loại B sử dụng ứng dụng nhiệt độ cao Nó có giới hạn nhiệt độ cao tất cặp nhiệt điện liệt kê Nó trì mức độ xác ổn định nhiệt độ cao Loại B có đầu thấp so với kim loại khác (loại R & type S) nhiệt độ 1,112F (600C) Thành phần loại Platinum-Rhodium /Pt-Rh Khoảng đo nhiệt độ từ 50 °C đến 1800 °C 1.4: Đặc tính SVTH:Nguyễn Thế Huy Page Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh Từ yếu tố sử dụng loại cảm biến lưu ý không nên nối thêm dây ( tín hiệu cho mV nối suy hao nhiều ) Cọng dây cảm biến nên để thông thoáng ( đừng cho cọng dây dính vào môi trường đo ) Cuối nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị 1.4 Công thức tính § Điện áp tạo cặp nhiệt điện cho công thức V = S * ΔT Trong đó: • V: Điện áp đo (V) • S: Hệ số Seebeck (V/0C) • ΔT: Chênh lệch nhiệt độ mối nối Do đó, nhiệt độ cần đo tính theo công thức T= Ttham chiếu + V/S (°C) SVTH:Nguyễn Thế Huy Page Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh PHẦN II: : THIẾT KẾ CHI TIẾT CHƯƠNG 1: CHỌN CẢM BIẾN CHO LÒ NUNG 14000C Yêu cầu toán: Đối tượng cần đo lò nung 14000C Số điểm đo Quán tính nhiệt (giây/0C) 45 Chọn loại cảm biến chịu khoảng đo từ °C đến 1400 °C thỏa mãn toán yêu cầu Kiểu cặp nhiệt loại R, S, thỏa mãn yêu cầu toán Ở ta chọn loại cặp nhiệt loại R Ta thấy R giống với kiểu S hiệu suất Nó sử dụng ứng dụng nhiệt độ thấp độ xác cao ổn định Kiểu R có sản lượng cao chút cải thiện ổn định qua loại S Nhiệt độ lò nung tượng âm Đối chiếu bảng điện áp nhiệt điện mà nhà sản xuất đưa ta thấy Khoảng từ °C đến 1400 °C tương ứng với mức điên áp đến 16,04 mV SVTH:Nguyễn Thế Huy Page Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh CHƯƠNG 2: MẠCH CHUYỂN ĐỔI CHUẨN HÓA 2.1: Khái niệm Trong HTC đại lúc phục vụ khối lượng lớn đại lượng đo đầu vào Để hòa hợp với sensor hệ thống cần đo cần thiết phải chuẩn hó tín hiệu X(t) Tức ta phải biến đổi chúng thành đại lượng đo với dải đo tín hiệu 2.2: Các dạng tín hiệu chuẩn hóa Tín hiệu chuẩn dòng chiều công nghiệp là: I = ÷ 20mA, truyền khoảng cách ngắn I = ÷ 20mA, phải truyền xa Trong 4mA mức mà nhiễu tác động lớn không định nghĩa Như tín hiệu đo đầu CĐCH dao động khoảng từ ÷ 20mA • Điện áp chiều: Chuẩn điện áp chiều là: U = ÷ 5V, chuẩn để đưa vào DAQ hay máy tính U = ÷ 10V, chuẩn để đưa vào thiết bị đo, tự ghi 2.2: mô proteus SVTH:Nguyễn Thế Huy Page Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH DỒN KÊNH 4.1: Lý thuyết tính toán • Chu kì dồn kênh Ts: Ts quán tính nhiệt chia cho số điểm đo: Ts= • Chu kì lấy mẫu Tlm có nhiệt độ lò nung 14000C Cứ 10C lấy mẫu lần => với 14000C ta lấy 1400 lần Với quán tính nhiệt 45 (giây/0C)  Tlm= 1.45 = 45(s)  Tần số lấy mẫu là: flm = = = 0,0222(Hz) 4.2: Thiết kế SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 10 Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh * Ý nghĩa chân: IN0 đến IN7 : ngõ vào tương tự A, B, C : giải mã chọn ngõ vào Z-1 đến Z-8 : ngõ song song bit ALE : cho phép chốt địa START : xung bắt đầu chuyển đổi CLK : xung đồng hồ REF (+): điện tham chiếu (+) REF (-) : điện tham chiếu (-) VCC : nguồn cung cấp * Các đặc điểm củaADC 0809: Độ phân giải bit Tổng sai số chưa chỉnh định ± ½ LSB; ± LSB Thời gian chuyển đổi: 100µs tần số 640 kHz Nguồn cung cấp + 5V Điện áp ngõ vào – 5V Tần số xung clock 10kHz – 1280 kHz Nhiệt độ hoạt động - 40oC đến 85oC Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý dùng riêng SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 14 Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh Không cần điều chỉnh zero đầy thang * Nguyên lý hoạt động: ADC 0809 có ngõ vào tương tự, ngõ bit chọn ngõ vào tương tự để chuyển đổi sang số bit Các ngõ vào chọn cách giải mã Chọn ngõ vào tương tự thực nhờ chân ADDA , ADDB , ADDC bảng trạng thái sau: A B C Ngõ vào chọn 0 IN0 0 IN1 IN2 1 IN3 0 IN4 1 IN5 1 IN6 1 IN7 Sau kích xung start chuyển đổi bắt đầu hoạt động cạnh xuống xung start, ngõ EOC xuống mức thấp sau khoảng xung clock (tính từ cạnh xuống xung start) Lúc bit trọng số lớn (MSB) đặt lên mức 1, tất bit lại mức 0, đồng thời tạo điện có giá trị Vref/2, điện so sánh với điện vào in + Nếu Vin > Vref/2 bit MSB mức + Nếu Vin < Vref/2 bit MSB mức Tương tự bit MSB đặt lên tạo điện có giá trị Vref/4 so sánh với điện áp ngõ vào Vin Quá trình tiếp tục xác định bit cuối Khi chân EOC lên mức báo cho biết kết thúc chuyển đổi SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 15 Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh Trong suốt trình chuyển đổi chân OE đặt mức 1, muốn đọc liệu chân OE xuống mức Trong suốt trình chuyển đổi có xung start tác động ADC ngưng chuyển đổi Mã N cho ngõ vào tùy ý số nguyên N= 256.(VIN − Vref ( − ) ) Vref ( + ) − Vref ( − ) Trong Vin : điện áp ngõ vào hệ so sánh Vref(+): điện áp chân REF(+) Vref(-): điện áp chân REF(-) Vin Vref (+ ) Nếu chọn Vref(-) = N = 256 Vref(+) = Vcc = 5V đầy thang 256 - Giá trị bước nhỏ −1 LSB = = 0,0196 V/byte Vậy với 256 bước Vin = 5V Ap vào lớn ADC 0809 5V SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 16 Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh Hình 5.1 Hình mô CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH DỒN KÊNH 6.1: Khái niệm Bộ chuyển mạch phân kênh hay gọi tách kênh, giải đa hợp (demultiplexer) có chức ngược lại với mạch dồn kênh tức : tách kênh truyền thành kênh liệu song song tuỳ vào mã chọn ngõ vào Có thể xem mạch tách kênh giống công tắc khí điều khiển chuyển mạch mã số Tuỳ theo mã số áp vào ngõ chọn mà liệu từ đường đưa đường số đường song song Các mạch tách kênh thường gặp sang 2, sang 4, sang 8, Nói chung từ đường đưa 2n đường, số đường để chọn phải n Mục nói đến mạch tách kênh sang 6.2: Thiết kế mạch dồn kênh Chọn IC phân kênh 74LS155: IC 74LS155 SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 17 Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh Hình 6.1 Kí hiệu khối chân 74LS155 Trong cấu trúc gồm tách kênh sang 4, chúng có ngõ chọn A0A1 chung, ngõ cho phép chung nối chân nối với chân 15) Một lưu ý khác tách kênh đầu có ngõ đảo so với ngõ vào (dữ liệu vào chân không đảo) tách kênh thứ ngõ vào ngõ tác động ( liệu vào chân 14 đảo) Cấu trúc logic mạch không khác so với mạch xét trừ mạch có thêm ngõ cho phép Bảng thật 74LS155 Mạch tách kênh hoạt động mạch giải mã Nhiều mạch tách kênh có chức mạch giải mã Thật vậy,vào liệu S không dùng ngõ vào liệu nối tiếp mà lại dùng ngõ vào cho phép ngõ vào chọn CBA lại dùng ngõ vào liệu ngõ giữ nguyên chức mạch đa hợp lại hoạt động mạch giải mã Tuỳ thuộc mã liệu áp vào ngõ C B A mà ngõ lên cao hay xuống thấp tuỳ cấu trúc mạch Như mạch tách kênh 1:4 trở thành mạch giải mã sang Thực tế ngõ S trở thành ngõ cho phép giải mã, mạch phải cần số ngõ điều khiển khác phép mạch hoạt động giải mã hay tách SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 18 Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh kênh; cấu tạo logic chúng hoàn toàn tương thích Hình sau cho phép dùng mạch tách kênh sang để giải mã sang Hình 6.2 Mạch tách kênh hoạt động mạch giải mã Hình 6.3 Hình mô CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ TẠO CHU KÌ ĐỒNG HỒ SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 19 Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh 7.1 Chọn thiết kế mạch dao động tạo xung vuông dùng ICNE555 SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 20 Đồ án: Thiết kế lò nung • GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh IC NE555 N gồm có chân: - Chân số 1(GND): cho nối mase để lấy dòng cấp cho IC - Chân số 2(TRIGGER): ngõ vào tần so áp.mạch so áp dùng transistor PNP Mức áp chuẩn 2*Vcc/3 - Chân số 3(OUTPUT): Ngõ trạng thái ngõ xác định theo mức volt cao(gần mức áp chân 8) thấp (gần mức áp chân 1) - Chân số 4(RESET): dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức áp cao trạng thái ngõ tùy theo mức áp chân - Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): dùng làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở cho nối mase Tuy nhiên hầu hết mạch ứng dụng chân số nối masse qua tụ từ 0.01uF ◊ 0.1uF, tụ có tác dụng lọc bỏ nhiễu giữ cho mức áp chuẩn ổn định - Chân số 6(THRESHOLD): ngõ vào tầng so áp khác mạch so sánh dùng transistor NPN mức chuẩn Vcc/3 - Chân số 7(DISCHAGER): xem khóa điện chịu điều khiển bỡi tầng logic chân mức áp thấp khóa đóng lại.ngược lại mở Chân tự nạp xả điện cho mạch R-C lúc IC 555 dùng tầng dao động - Chân số (Vcc): cấp nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC.Nguồn nuôi cấp cho IC 555 khoảng từ +5V đến +15V mức tối đa +18V • Cấu tạo: Về chất IC 555 mạch kết hợp Opamp , điện trở , transistor, Fipflop (ở dùng FFRS) - OP-amp có tác dụng so sánh điện áp - Transistor để xả điện - Bên gồm điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành phần Cấu tạo tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương Op-amp điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm Op-amp Khi điện áp chân nhỏ 1/3 VCC, chân S = SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 21 Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh [1] FF kích Khi điện áp chân lớn 2/3 VCC, chân R FF = [1] FF reset 7.2 Tính toán, thiết kế mạch dao động Chọn tần số dao động mạch f = 50 (kHz), chọn C2 = 10nF, R1 = R2 Khi đó: Tn = 2Tx => T = 3Tx, với T = 1/f Tx = T/3 = 1/3f = 1/(3*50kHz) = 0.693*R2*10nF R2 = 962 Ω Chọn R1 = kΩ R2 = kΩ Mô Proteus: SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 22 Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ MẠCH HIỆN THỊ THÔNG TIN Mạch hiển thị thông tin dùng LCD: LCD chọn loại 16×2 với dòng hình, dòng tối đa có 16 kí tự Các thông số LCD loại sau: - Kích thước hiên thị 16 ký tự ×2 - Màn hình hiển thị: đen trắng - Chế độ giao tiếp bit bit - Cỡ chữ hiển thị 5× 5× 10 Sơ đồ chân LCD SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 23 Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh Mạch gồm phần tử: - MCU = PIC16F877A - LCD LM016L để hiển thị giá trị nhiệt độ Mach mô proteus: SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 24 Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh CHƯƠNG KẾT NỐI VỚI CPU Ngày nay, hầu hết thiết bị điện tử giao tiếp với máy tính Trong thiết kế này, ta sử dụng giao thức truyền thông nhận thông tin nối tiếp với máy tính qua cổng COM Ở ta dùng loại đầu chân (DB9) Sử dụng chuẩn truyền thông RS 232 để ghép nối máy tính thông qua mạch ghép nới MAX 232 hình sau: SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 25 Đồ án: Thiết kế lò nung SVTH:Nguyễn Thế Huy GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh Page 26 Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh CHƯƠNG 9: KẾT NỐI VỚI MÁY TÍNH SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 27 Đồ án: Thiết kế lò nung GVHD: TS: Nguyễn Thạc Khánh CHƯƠNG 10: LỰA CHỌN NGUÔN CUNG CẤP Thiết bị nguồn cho hệ thu thập liệu ADQ từ nguồn biến động 14 – 17v Ac sau chỉnh lưu cầu điot qua ổn áp l7812C cho ta mức điện áp +12V DC sau qua l7805CV cho ta mức 5V SVTH:Nguyễn Thế Huy Page 28