Dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo, thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt (tự lựa chọn thông số lò nhiệt)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIÊP HÀ NỘIKHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ ĐỀ TÀI: Dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIÊP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN

VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ

ĐỀ TÀI: Dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh

báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại (ví dụ: Pt, Cu, Zn)

Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN BÁ KHÁ

Sinh viên thực hiện:

Bộ Công Thương Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc

BÀI TẬP LỚN

VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ

Họ và tên sv: Kiều Hiền Lương

Nhóm số 3: n=49 và a=9 ; T0=(5+0,5*a)=9.5s ; t 0 C=0÷t max -(10+2*a)=0÷71 0 C.

Lớp :TĐH2 –K10

NỘI DUNG

Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo, thiết kế bộ điều khiển PID

để điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt (tự lựa chọn thông số lò nhiệt)

Yêu cầu: - Nhiệt độ lò có dải nhiệ độ từ: t 0 C =0 0 C ÷ t max = 0 ÷ (50 + n) 0 C

- Chuẩn hóa đầu ra của mạch đo nhiệt độ :

1 U=0 ÷ 5V; U= 0 ÷ -5V

2 I=0÷20mA; I=4÷20mA

1 Vẽ sơ đồ khối hệ thống

2 Dùng phần mềm mô phỏng (hoặc mạch thực tế) thiết kế mạch đảm bảo:

- Dùng cảm biến IC đo nhiệt độ

- Tính toán thông số bộ điều khiển PID

- Tính toán các mạch chuẩn hóa nhiệt độ

t 0 C= t max -(10+2*a) + Dùng LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ.

Trong đó: a: chữ số hàng đơn vị của danh sách (ví dụ: 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: (đóng quyển A4, không quá 35 trang)

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

-

Kết luận và hướng phát triển

Lời Nói Đầu

Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một vai trò rất quan trọng Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình công nghệ khác nhau như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc Vì vậy việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và hiệu quả là rất cần thiết

Lò điện trở được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều yêu cầu thực tiễn đặt ra Ở lò điện trở, yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ của lò Chúng em chọn làm đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID” trên cơ sở những lý thuyết đã học được chủ yếu trong môn học lý thuyết điều khiển, kèm theo đó là kiến thức của các môn học cơ sở ngành và các môn học có liên quan như Kỹ thuật cảm biến, Cơ sở kỹ thuật đo … Vì lý do lượng kiến thức còn hạn hẹp và đây là lần đầu tiên được tự làm nghiên cứu đề tài nên trong quá trình làmchúng em còn gặp nhiều khó khăn, khúc mắc chưa rõ và chưa giải quyết được

MỤC LỤC

Chương 1: Tổng quan về mạch đo

1.Khái niệm về nhiệt độ và các phương pháp đo nhiệt độ.

o 1.1Các thang đo nhiệt độ.

o 1.2Đo nhiệt độ bằng phương pháp trực tiếp

o 1.3Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc

Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính

1.Giới thiệu về cảm biến nhiệt điện trở.

2.Giới thiệu các loại linh kiện sử dụng trong mạch.

o 3.2.Khuếch đại thuật toán lý tưởng.

o 3.3.Các mạch khuếch đại cơ bản dùng KĐTT.

4.Giới thiệu về TC7107.

CHƯƠNG 3 :Thiết kế mạch đo và điều khiển nhiệt độ bằng PID

1.Xác định sơ đồ khối của hệ thống.

o 1.1 Sơ đồ khối.

o 1.2Vai trò tác dụng của các khối.

2.Tính chọn các khối.

o 2.1Khối cảm biến.

o 2.2 Khối khuếch đại chuẩn hóa đầu ra.

 Chuẩn hóa điện áp 0-5v

 Chuẩn hóa điện áp 0-(-5)v

 Chuẩn hóa dòng điện 0-20mA

 Chuẩn hóa dòng điện 4-20mA

Chương 1: Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ

1.Khái niệm về nhiệt độ và các phương pháp đo nhiệt độ.

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên

tử, phân tử của một hệ vật chất

1.1 Thang đo nhiệt độ:

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độ của

nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ.Có nhiều đơn

vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng,từng thời kỳ phát triển của khoahọc kỹ thuật và xã hội Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độ chính 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 là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay.Trong đó thang đonhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị quốc

tế (SI).Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ

1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc.

Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếpxúc Có hailoại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở

và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệttốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đối với môi trường khí hoặc nước, chuyển đổiđược đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vàovật,nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn hao nhiệt, nhất là với vậtdẫn nhiệt kém Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt.Khi

đo nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần

đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài

1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc.

Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối,tức là vật hấpthụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặctrưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diện tíchcủa vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng

Chương 2: Tổng quan về bộ điều khiển PID

Một hệ thống điều khiển PID nói chung đều có mô hình tổng quan dưới dạng:

Quá trình điều khiển theo mô hình trên là một quá trình khép kín Giá trịsetpoint- SP là giá trị đặt trước mà hệ thống phải làm việc xung quanh giá trị đótùy thuộc vào yêu cầu chất lượng của hệ thống Việc đảm bảo tính ổn định cũngnhư chất lượng của hệ thống thực chất là đưa hệ thống luôn bám sát SP với độsai lệch nhỏ nhất và thời gian quá độ nhanhnhất

Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: Tỉ lệ (P), Vi phân (D), Tích phân (I).Mỗi thành phần có tác động khác nhau tới quá trình điều khiển của hệ thống

Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần : tỉ lệ (p), vi phân (D), tích phân (I)

- Thành phần tỉ lệ P

Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ sai lệch (e)

Phương trinh sai phân mô tả động học:

u(t) = Km .e(t)

Trong đó: u(t) tín hiệu ra của bộ điều khiển

e(t) tín hiệu vào

km hệ số khuyêch đại của bộ điều khiển

Trong đó: U(t) tín hiệu điều khiển

e(t) tín hiệu của bộ điều khiển

Ti hắng số thời gian tích phân

Trong đó: e(t) tín hiệu vào của bộ điều khiển

U(t) tín hiệu điều khiển

Td hằng số thời gian vi phân

- Phương trình vi phân mô tả tín hiệu vào ra PID:

U(t) tín hiệu ra của bọ điều khiển

Kp hệ số khuyêch đại

Td hằng số thời gian vi phân

Ti hằng số thời gian tích phân

+ kp thay đổi trực tiếp giá trị tín hiệu

ra => thay đổi sai lệch tĩnh đáp ứng

nhanh,bị ảnh hưởng bởi nhiễu ở mọi

tàn số

+ Ti sai lệch tĩnh bằng 0 khi hệ được

kích thích bằng tín hiệu ,hằng giảm độ

quá điều chỉnh

+ TD phản ứng nhanh với sự thay đổi

của e(t), tăng độ quá điều chỉnh, nhạy

cảm với nhiễu tần số cao

-Xác định tần số bằng thực nghiệm: công thức Zigler-Nichol

Hàm truyền: Gcs =kp+k i

s kDs = Kp (1+ T1

i s +TD.s) -Đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dang chữ S (ví dụ :nhiệt đọ lò nhiệt)

-Kháo sát hàm truyền lò nhiệt:

a,đặc tính chính xác b, đặc tính gần đúng-Hàm truyền gần đúng lò nhiệt: G(s) = C(s) R(s)

-Do tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị( P = 100 %) nên: R(s) = 1sTín hiệu ra gần đúng là hàm: C(t) = f(t – T1)

Trong đó : f(t) = K(1 - e−t / T2

¿

¿)

Biến đổi laplace ta được: F(s) = s (1+T k

2s )

Áp dụng định lí chậm chễ ta được: C(s) = Ke−T1s/s(1+T2s)Vậy ta có hàm truyền lò nhiệt: G(s) = Ke−T1s/(1+T2s)

-Xác định kp ,Ti , TD

+ Sử dụng P : kp = T2/T1k

+ Sử dụng PI : kp=0.9T2/T1k , Ti =T1/0.3

+ Sử dụng PID : kp=1,2 T2/T1k , Ti =2T1 ,TD = 0.5T1

Chương 3 : Xác định sơ đồ khối hệ thống

3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì phụ thuộc vào đặc tính của đạilượng cần đo, điều kiện đo, cũng như độ chính xác yêu cầu của một phép đo mà ta cóthể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của hệ thống đo lường khác nhautrên cơ sở của các hệ thống đo lường khác nhau

Sơ đồ khối đo:

3.2 Vai trò tác dụng của các khối.

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

 Khối khuếch đại : khuếch đại và chuẩn hóa các điện áp, dòng điện theo yêu cầubài toán

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

Cảm

Biến

Mạch khuếch đại, chuẩn hóa

Chỉ thị

Mạch so sánh, cảnh báo

Khối cảnh báo

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số

Bộ giải mã

LED 7 thanh

Khối relay

Khối nguồn

 Khối so sánh : so sánh điện áp đầu ra của cảm biến với điện áp đặt, để đưa racảnh báo và để LED nhấp nháy, đóng mở relay cấp điện cho quạt, đèn

 Khối cảnh báo: bao gồm led, còi Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ cho phép còi báo

sẽ kêu, đèn led sẽ nháy

 Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC): để chuyển tín hiệu giá trị Voltđầu 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

 Khối relay: đóng mở relay tùy theo đâu ra mạch so sánh

 Khối nguồn: tạo nguồn cấp cho mạch

CHƯƠNG 3 : Giới thiệu về các thiết bị chính

1.Cảm biến đo nhiệt độ

+ Trong bài này em sử dung j cảm biến đo nhiệt độ LM 35

+ Giới thiệu về LM 35

- Đơn vị nhiệt độ: °C

- Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C

- Điện áp hoạt động: 4 - 30V

- Dải nhiệt độ: -55°C tới 150°

- LM35 là một cảm biến nhiệt độ analog, nhiệt độ được xác định bằng cách

đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35.LM35 không cần phải canh chỉnh nhiệt độ khi sử

dụng Cảm biến nhiệt độ LM35 có độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và3/4°C ngoài khoảng -55°C tới 150°C LM35 có hiệu năng cao, công suất tiêu thụ là60uA

- Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho ra một giá trị hiệu điện thế nhất định tại

chân Vout (chân giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ Như vậy, bằng cách đưa vào chânbên trái của cảm biến LM35 hiệu điện thế 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện thế ở

chân giữa bằng các pin A0 trên arduino, bạn sẽ có được nhiệt độ (0-100ºC).

- Với LM35, bạn có thể tự tạo cho mình mạch cảm biến nhiệt độ sử dụng LM35 và

tự động ngắt điện khi nhiệt độ vượt ngưỡng tối đa, đóng điện khi nhiệt độ thấp hơnngưỡng tối thiểu thông qua module rơ le

Chức năng: IC thuộc họ LM78xx và LM79xx mạch tích hợp có chức năng tạo điện

áp ra một chiều ổn định khi mức điện áp đầu vào thay đổi, với xx là điện áp ra tương ứng vd: LM7812 có Vout=+12V; LM7912 có Vout=-12V

LM7805 ( kiểu chân TO220):

(1-IN, 2-GND, 3-OUT)

IN của LM7805 để tránh gây hư hại các linh kiện phía sau khi lắp ngược cực.

2.2 Giới thiệu về IC 555

Chức năng : IC 555 là một mạch tích hợp, được sử dụng khá phổ biến trong việc tạo ra

xung vuông điện áp không yêu cầu về độ chính xác cao cũng như tần số lớn

Sơ đ ồ các khối, chân NE555:

Hình 2.4: Hình ảnh thực tế, sơ đồ chân và sơ đồ khối của NE555

 Chân1 (GND):chonốiGNDđểlấynguồncấp choIChaychâncòngọilàchânchung

 Chân2 (TRIGGER):đâylàchânđầuvàothấp hơnđiệnápsosánhvà đượcdùngnhư1 chânchốthayngõvàocủa1tầnsoáp.Mạchsosanhở đâydùngcáctransitorPNP vớimứcđiệnápchuẩn2/3Vcc

 Chân3 (OUTPUT):chânnàylàchândùngđể lấytínhiệuralogic.Trạngtháicủatínhiệurađược xácđịnhtheomức0 và1 1 ởđâylàmức cáonótươngứnggầnbằngVccnếu(PWM=100%)vàmức0 tươngđươngvới 0V nhưngtrongthựctếnókhôngđượcởmức0Vmànótrongkhoảng(0.35- >0,75V)

 Chân4 (RESET):dùnglậpđịnhmứctrạngthái ra.Khichânsố 4 nốimassethìngõraở mứcthấp Cònkhichân4 nốivàomức caothì trạngtháingõ raphụthuộcvàođiệnápchân2 vàchân6 Trongmạchđể tạođượcdao độngthườngnốichânnàylênVcc

 Chân5 (CANTROLVOLTAGE):dùngthayđổi mức áp chuẩntrongIC555theo cácmứcbiểnápngoàihaydùngcác điệntrở ngoàinốiGND.Chân này cóthểkhôngnốicũngđược nhưngđểgiảmtrừnhiễungườita thườngnốichân5 xuốngGNDthôngquatụđiệntừ0.01uF nàylọcnhiễuvàgiữchođiệnápchuẩnđược ổnđịnh

 Chân6 (THRESHOLD):làmột trongnhững

chânđầuvàososánhđiệnápkhácvàcũngđượcdùngnhư1 chânchốtdữliệu

khóađiệntửvàchịuđiềukhiểnbởitầnglogiccủachân3 Khichân3 ởmứcđiệnápthấpthìkhóanàyđónglại, ngượclạithì nómởra.Chân7tựnạpxảđiệnchomạchRClúcIC555 dùngnhư1 tầngdaođộng

Chức năng: Led 7 thanh là một linh kiện được sử dụng khá là phổ biến trong các mạch điện tử hiển thị số Tùy vào nhu cầu hiển thị mà người ta chia thành các loại led khác nhau: led đơn, led đôi, led ba,… theo cách kết nối: led 7 thanh kiểu Anot chung, led 7 thanh kiểu Catot chung

Transitor hay còn gọi là bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình

thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận,

nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược

*Nguyên lý hoạt động:

Muốn cho tranzito làm việc ta phải cung cấp cho các chân cực của nó một điện ápmột chiều thích hợp Có ba chế độ làm việc của tranzito là: chế độ tích cực (hay chế độ

khuếch đại), chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa Cả hai loại tranzito P-N-P và N-P-Nđều có nguyên lý làm việc giống nhau, chỉ có chiều nguồn điện cung cấp vào các châncực là ngược dấu nhau.

- Chế độ ngắt: Cung cấp nguồn điện sao cho hai tiếp xúc P-N đều phân cực ngược.Tranzito có điện trở rất lớn và chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua nên tranzito coinhư không dẫn điện

- Chế độ dẫn bão hòa: Cung cấp nguồn điện sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều phâncực thuận Tranzito có điện trở rất nhỏ và dòng điện qua nó là khá lớn Ở chế độ ngắt vàchế độ dẫn bão hòa, tranzito làm việc như một phần tử tuyến tính trong mạch điện Ởchế độ này tranzito như một khóa điện tử và nó được sử dụng trong các mạch xung, cácmạch số

- Chế độ tích cực: Ta cấp nguồn điện sao cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận, vàtiếp xúc góp TC phân cực ngược Ở chế độ tích cực, tranzito làm việc với quá trình biếnđổi tín hiệu dòng điện, điện áp, hay công suất và nó có khả năng tạo dao động khuếchđại tín hiệu

2.6.Điện trở, tụ điện.

- Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điệntrường của tụ điện Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sựtích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạchđiện xoay chiều.

Hình 16: relay và cấu tạo

Rơle (relay) là một chuyển mạch hoạt động bằng điện Dòng điện chạy qua cuộn dây của rơle tạo ra một từ trường hút lõi sắt non làm thay đổi công tắc chuyển mạch Dòng điện qua cuộn dây có thể được bật hoặc tắt vì thế rơle có hai vị trí chuyển mạch qua lại

Các chân đấu nối và chân chuyển mạch của rơle thường được ký hiệu là COM (POLE),

+Hai chân A, B là 2 đầu của cuộn dây (nơi cấp nguồn nuôi cuộn hút)

3 Giới thiệu về một số khuếch đại thuật toán (KĐTT)

bộ KĐTT có thể thay đổi được dễ dàng bằng việc thay đổi các phần tử mạch ngoài (coi

bộ KĐTT như hộp đen).Để thực hiện được điều đó, bộ KĐTT phải có các đặc tính cobản là :hệ số khuếch đại lớn, trở kháng cửa vào rất lớn và trở kháng ra của nó rất nhỏ.Trước đây, bộ KĐTT thường được sử dụng trong việc thực hiện các phép toán giảitích ở các máy tính tương tự,nên được gọi là KĐTT.Ngày nay, KĐTT được sử dụngrộng rãi, đặc biệt là trong kỹ thuật đo lường và điều khiển

Do công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử ngày càng phát triển, nên đã chế tạođược các mạch tích hợp(các vi mạch- IC) của KĐTT gần lý tưởng Và các vi mạchKĐTT trong các mạch điện tử đơn giản cũng được coi là lý tưởng Tuy nhiên, các vimạch KĐTT luôn có các thông số thực là hữu hạn

* Khuếch đại thuật toán lý tưởng

KĐTT được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hay công suất ,để thiết kế cácmạch điện tử chức năng Một KĐTT được ký hiệu như hình dưới đây:

U N: Ngõ vào đảo