Bài tập lớn vi mạch: Đo nhiệt độ với cặp nhiệt ngẫu

Mục lục nội dung Sinh viên: Lê Bảo Long Mã sinh viên: 1041240051 n = 38 ⇒ a = Số thứ tự: → 480o C Dải đo: Thời gian đèn sang tối nhau: 280o C Nhiệt độ cảnh báo: t = + 0,1.8 = 1,8s Chương 1: Tổng quan mạch đo 1.1 Tầm quan trọng việc kiểm sốt nhiệt độ cơng nghiệp Có thể nói, nhiệt độ đại lượng vật lý quan tâm nhiều lĩnh vực đời sống sinh hoạt mà sản xuất cơng nghiệp Trong cơng nghiệp sản xuất nói chung, nhiệt độ yếu tố quan trọng quết định đến chất lượng sản phẩm cơng nghiệp Do đó, người ln muốn kiểm tra kiểm soát đại lượng vật lý Để giải điều có nhiều phương pháp đo nhiệt độ khác đưa như: phương pháp đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu, điện trở kiêm loại, IC cảm biến nhiệt độ… 1.2 Sơ đồ mạch đo sử dụng cặp nhiệt ngẫu Mạch đo gồm khối sau: - Khối nguồn: cấp nguồn chuẩn cho khối lại làm việc - Khối cảm biến: biến đổi tiến hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện áp - Khối chuẩn hóa: điện áp vào lấy từ khối cảm biến chuẩn hóa thành chuẩn cơng nghiệp với: tín hiệu điện áp U: ÷ -5V, tín hiệu dòng điện: 4÷20mA - Khối so sánh: giám sát thay đổi nhiệt độ, phát tín hiệu điều khiển cho khơi cảnh báo - Khối cảnh báo: cảnh báo đèn led nhiệt độ giới hạn cho phép, phát tín hiệu cảnh báo còi nhiệt độ vượt ngưỡng giới hạn - Khối điều khiển: Khi nhiệt độ vượt giới hạn cho phép thực cấp điện cho quạt để làm mát tắt đèn - Khối hiển thị: hiển thị nhiệt độ… Lê Bảo Long – 1041240051 Trang Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ Chương 2: Giới thiệu thiết bị 2.1 Thiết bị cảm biến nhiệt độ: Cặp nhiệt ngẫu 2.1.1 Cấu tạo Cặp nhiệt ngẫu gồm có kim loại A B khác chất hóa học đặt song song với hàn gắn đầu chung với nhau, đầu đưa vào môi trường cần đo đầu lại dùng để lấy điện áp (U) tương ứng với mức nhiệt khác cỡ mA 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 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 Một vấn đề đặt phải ổn định đo nhiệt độ đầu lạnh, điều tùy thuộc lớn vào chất liệu Do cho chủng loại cặp nhiệt độ, loại cho sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T 2.1.3 Phân loại Lê Bảo Long – 1041240051 Trang Theo cấu tạo: Thiết kế loại chữ ANSI B E J K N R S T P = Chân dương; N = Chân âm Theo loại điểm nối: - Điểm nối nối đất hình thành điểm nối cặp nhiệt điện nối với vỏ bọc cảm biến Các điểm có nối đất có độ dẫn nhiệt tốt hơn, từ tạo thời gian đáp ứng nhanh Tuy nhiên, nối đất làm cho mạch nhiệt điện trở dễ bị nhiễu điện hơn, làm hỏng tín hiệu điện áp T/C trừ thiết bị đo lường cung cấp cách ly (Tất chuyển đổi thẻ I/O chất lượng cao mang tính cách điện tính tiêu chuẩn) Điểm có nối đất dễ bị nhiễm độc theo thời gian - Điểm nối không nối đất tồn thành phần T/C không kết nối với vỏ cảm biến bao quanh bột cách điện Các điểm khơng nối đất có thời gian đáp ứng chậm so với điểm có nối đất, bị nhiễu điện - Điểm nối lộ ngồi có điểm nóng mở rộng qua đầu kín vỏ để cung cấp phản hồi nhanh Niêm phong ngăn ngừa xâm nhập nước chất bẩn khác vào vỏ bọc Chúng thường áp dụng với khí khơng ăn mòn ống dẫn khí 2.1.4 Ưu điểm khuyết điểm - Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cào - Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng sai số, độ nhạy không cao 2.1.5 Lựa chọn Lựa chọn cặp nhiệt ngẫu Type J Lê Bảo Long – 1041240051 Trang 2.1.6 Hình ảnh thực tế 2.2 Bộ khuếch đại thuật tốn µA741 Trong kỹ thuật đo lường cảm biến, khuếch đại thuật toán sử dụng nhiều với chức chính: khuếch đại điện áp, dòng điện, khuếch đại cơng suất, so sánh, … Trong phạm vi đề tài ta sử dụng khuếch đại thuật tốn UA741 Hình ảnh khuếch đại thuật toán UA741 Tên gọi chức chân: - Chân chân (Offset Null): chân bù tần số - Chân (Inverting) cửa vào đảo - Chân (No-Inverting) cửa vào không đảo - Chân chân cấp nguồn âm - Chân (Output) cửa - Chân chân cấp nguồn dương - Chân (NC) không sử dụng Thông số kỹ thuật: - Điện áp cung cấp Max: ±18V - Công suất cực đại: 500mW - Hệ số khuếch đại hở (Ko): 1MΩ - Tổng trở cửa (Zo): 150Ω Lê Bảo Long – 1041240051 Trang - Dòng điện phân cực vào: 0.2µA - Điện áp lệch ngõ vi sai: 2mV - Dải tần số cho phép: 1MHz - Tốc độ quét: 0.5V/µs - Dải nhiệt độ hoạt động: 0oC ÷ 70oC 2.3 IC ổn áp LM7805, LM7812, LM7912 Với mạch điện không đòi hỏi độ ỏn định điện áp cao, IC ổn áp thường người thiết kế sử dụng mạch điện đơn giản IC ổn áp mạch tích hợp có chức tạo điện áp chiều ổn định mức điện áp đầu vào thay đổi Các loại họ IC ổn áp thường sử dụng IC LM78xx, IC LM79xx, với xx điện áp cần ổn áp Họ IC LM78xx họ ổn định điện áp đầu dương Còn xx điện áp đầu 5V, 6V, … Họ IC LM79xx họ ổn định điện áp đầu âm Còn xx điện áp đầu -5V, -6V, … Theo thiết kế cấp nguồn 12V vào chân số 7, nguồn -12V vào chân số khuếch đại thuật toán 741, nguồn 5V vào chân số cho IC555 nên sử dụng: IC LM7805, IC LM7812, IC LM7912 Hai họ IC hình dạng, kích thước, khoảng cách chân giống Chức chân: Chân chân điện áp đầu vào V in, Chân chân GND, Chân chân điện áp đầu Vout Hình ảnh thực tế: IC LM7812 Lê Bảo Long – 1041240051 Trang Thông số kỹ thuật: Thông số Điện áp đầu vào Điện áp đầu Dòng điện đầu (Max) Nhiệt độ hoạt động Kiểu đóng vỏ IC LM7805 7V÷ 20V 5V 1.5A o -20 C ÷ 85oC TO-220 IC LM7812 14V÷30V 12V 1.5A o -20 C ÷ 85oC TO-220 IC LM7912 9V÷24V -12V 1.5A o C÷120oC TO-220 Biến áp xung Chức năng: Hạ điện áp 220V để đem ổn áp cấp nguồn nuôi mạch 2.4 Cầu diode Thông số kỹ thuật: - Điện áp ngược cực đại: 1000V - Dòng thuận cực đại: 10A - Điện áp rơi thuận: 1V Lê Bảo Long – 1041240051 Trang - Dòng ngược: 1mA - Dải nhiệt độ hoạt động: -65oC ~ 150oC 2.5 IC NE555 Chức năng: IC 555 mạch tích hợp, sử dụng phổ biến việc tạo xung vuông điện áp khơng u cầu độ xác cao tần số lớn Sơ đồ khối, chân NE555: - Chân (GND): cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC hay chân gọi chân chung - Chân (TRIGGER): chân đầu vào thấp điện áp so sánh dùng chân chốt hay ngõ vào tần so áp Mạch so sanh dùng transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3 Vcc - Chân (OUTPUT): chân chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái tín hiệu xác định theo mức 1 mức cáo tương ứng gần Vcc (PWM=100%) mức tương đương với 0V thực tế khơng mức 0V mà khoảng (0.35- >0,75V) - Chân (RESET): dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức cao trạng thái ngõ phụ thuộc vào điện áp chân chân Nhưng mà mạch để tạo dao động thường nối chân lên Vcc - Chân (CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biển áp hay dùng điện trở nối GND Chân khơng nối để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định Chân (THRESHOLD): chân đầu vào so sánh điện áp khác dùng chân chốt liệu Lê Bảo Long – 1041240051 Trang - Chân (DISCHAGER): xem chân khóa điện tử chịu điều khiển tầng logic chân Khi chân mức điện áp thấp khóa đóng lại, ngược lại mở Chân tự nạp xả điện cho mạch RC lúc IC 555 dùng tầng dao động - Chân (VCC): chân cung cấp áp dòng cho IC hoạt động Thơng số kỹ thuật: - Nguồn hỗ trợ: +18V - Công suất tiêu thụ: 600mW - Nhiệt độ hoạt động: o C ÷70 o C 2.6 Module Relay Tín hiệu vào điều khiển: 5V_DC Nguồn khuyên dùng: 5V - 1A 5V-2A - Mặc định tín hiệu điều khiển - Đầu ra: Tiếp điểm Relay đóng ngắt 220V 10A - Mạch sử dụng cách ly thông qua PC 817 - Có Di-ot 1N4007 SMD chống ngược - Sử dụng Tranzito C1815 SMD để kích dòng - Muốn cách ly sử dụng nguồn riêng Lê Bảo Long – 1041240051 Trang - Kích thước: 55mmx25mm Cách Sử Dụng: Có chân ( VRL; VCC; IN; GND; MAS ) - Nối chân VCC với chân VRL - Nối chân GND với chan MAS - Đưa tín hiệu từ Vi Điều Khiển Cảm Biến vào chân IN Đầu ra: - COM: Chân Chung Relay - NC: Tiếp điểm thường đóng - NO: Tiếp điểm thường mở 2.7 Led Anot chung Led linh kiện sử dụng phổ biến mạch điện tử hiển thị số Tùy vào nhu cầu hiển thị mà người ta chia thành loại led khác nhau: led đơn, led đôi, led ba,… theo cách kết nối: led kiểu Anot chung, led kiểu Canot chung,… Lê Bảo Long – 1041240051 Trang 2.8 Loa - Đường kính ngồi: 12mm - Đường kính lỗ thoát âm: 2.5mm - Chiều cao: 9.6mm - Khoảng cách chân: 7.6mm - Điện áp sử dụng: 3÷5V 2.9 Tổng quan IC 7107 ICL7107 hãng Intersil chuyển đổi AD ½ digit cơng suất thấp, hiển thị tốt Bao gồm IC giải mã LED đoạn, điều khiển hiển thị, tạo chuẩn tạo xung đồng hồ Các đặc tính bao gồm: tự chỉnh “0” nhỏ 10 uV, điểm “0” trượt không 1uV/oC, độ dốc dòng ngõ vào tối đa 10pA Các giá trị định mức: Điện áp nguồn: V+ → GND : 6V V- → GND : -9V Điện áp ngõ vào analog: V+ → VLê Bảo Long – 1041240051 Trang 10 Điện áp ngõ vào tham chiếu: V+ → VNgõ vào clock: GND → V+ Sơ đồ chân TC7107 : Tần số dao động: fOSC = 0.45/RC COCS > 50pF; ROSC > 50kΩ fOSC (typical)=48kHz Chu kỳ dao động: tOSC = RC/0.45 Tần số đồng hồ tích hợp: fCLOCK = fOSC/4 Chu kỳ tích hợp: tINT = 1000x(4/fOSC) Chuẩn loại bỏ 50/60Hz: tINT/t60Hz hay tINT/t60Hz = số nguyên Dòng tích hợp tối ưu: IINT = 4uA Điện áp tồn giai ngõ vào analog: VINFS (typical)= 200mV 2V Trở tích hợp: RINT = VINFS/IINT H1 Nguyên tắc hoạt động: Để hiểu nguyên lý hoạt động mạch cần phải hiểu cách hoạt động mạch tích hợp ADC IC có đặc điểm quan trọng sau: - Độ xác cao Lê Bảo Long – 1041240051 Trang 11 - Không bị ảnh hưởng nhiễu - Không cần mạch lấy mẫu mạch giữ - Tích hợp đồng hồ - Khơng cần thành phần ngoại vi có độ xác cao Pha tự chỉnh “0” Đếm 2999 - 1000 Pha tích hợp tín hiệu Đếm 1000 cố định Pha giải tích Đếm -1999 Tổng thời gian chuyển đổi = 4000xtCLOCK = 16000 x tOSCH3 Sơ đồ nối chân sử dụng nguồn lưỡng cực ±5V 7106 7017 Trong mạch có sử dụng ADC (Analog-Digital Converter) I.C CL7107 chế tạo hãng INTERSIL Loại IC có 40 chân tích hợp tất mạch điện cần thiết để chuyển đổi tín hiệu analog thành tín hiệu số trực tiếp điều khiển hiển thị dãy LED đoạn Các mạch tích IC bao gồm chuyển đổi A/D, so sánh, đồng hồ, giải mã, điều khiển hiển thị LED đoạn Mạch thiết kế hiển thị giá trị điện DC phạm vi từ đến 1999 Volts Các đặc tính chi tiết kỹ thuật mạch sau: Điện nguồn cung cấp: … +/- 5V (Đối xứng) - Công suất yêu cầu: … 200 mA (Tối đa) - Phạm vi đo: … +/- – 1999 VDC số - Độ xác: … 0.1 % Lê Bảo Long – 1041240051 Trang 12 Mạch thiết kế Phần nguồn Ngõ LED đoạn Anode chung Một chyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (gọi tắt ADC) biết chuyển đổi dốc đơi hay chuyển đổi tích hợp Loại chuyển đổi ưa chuộng loại khác có độ xác cao, đơn giản thiết kế tương đối không bị ảnh hưởng nhiễu, từ tin cậy 2.10 Bộ nhân logic SN74LS08 Chức năng: IC SN74LS08 mạch tích hợp dùng để nhân logic hai tín hiệu đầu vào trả kết nhân chân đầu Sơ đồ chân: 1A-1B÷4A-4B: đầu vào tín hiệu logic cần nhân Y1÷Y4: kết phép nhân logic tương ưng Vcc: chân cấp nguồn cho IC hoạt động, hỗ trợ nguồn 5V GND: chân nối đất Hình 2.12: Sơ đồ chân SN74LS08 Thông số kỹ thuật: - Điện áp nguồn cấp hỗ trợ: 5V - Điện áp vào mức cao: >2V - Điện áp vào mức thấp: