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, 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 nhiệt độ từ: t0C =00C ÷ tmax = 0 ÷ (50 + n)0C.. 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 Vẽ mạch nguyên lý hệ thống

Bộ Công Thương Cộng Hội Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam

Trường ĐH Công Nghiệp HN Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Năm học : 2017-2018

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 nhiệt độ từ: t0C =00C ÷ tmax = 0 ÷ (50 + n)0C

- 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

- Vẽ mạch nguyên lý hệ thống

- Khi hệ thống không dùng bộ điều khiển PID và mạch phản hồi:

Tính toán mạch đo và cảnh báo:

+ Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C= t0C=0÷tmax-(10+2*a) Đóng điện cho hệ thống quạt làm mát sử dụng động cơ KĐB xoay chiều 3 pha 220V/380V=/Y, P=750W chạy làm mát

+ Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi và đèn sáng nhấp nháy (đèn U=48VDC, 30W) với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng:

T0=(5+0,5*a) giây khi nhiệt độ vượt giá trị : t0C= tmax-(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.

MỤC LỤC 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

MỞ ĐẦU

Ngày nay trong các lĩnh vực của đời sống việc đo và kiểm soát nhiệt độ của bất

kì một quá trình, một thiếtbị sản xuất nào đó nằm trong một giới hạn cho phép

làm việc của chúng là một điều rất cần thiết, tránhgây ra hư hỏng thiết bị, thiệt

hại về kinh tế

Với sự phát triển của khoa học của công nghệ các thiết bị đo nhiệt độ càng

ngày càng hiện đại,việc đo nhiệt đọ trở lên dễ dàng và chính xác ơn rất

nhiều.Trong bài tập lớn này với trình độ của một người sinh viên năm 3, em

xin thiết kế một thiết bị đo và kiểm soát nhiệt độ sủ dụng IC cảm biến nhiệt

độ…

CHƯƠNG 1: Tổng quan về mạch đo

I Giới thiệu về bộ điều khiển PID

1.Bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral

Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng

rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp

Bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản

hồi Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị

bộ điều khiểnvà giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa

sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào

Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là

bộ điều khiển tốt nhất.Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số

PID sử dụng trong tính toán phải đặt điều chỉnh theo tính chất của hệ

thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc

thù của hệ thống

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi

khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ , tích phân và đạo

hàm, viết tắt là P, I, và D

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba

khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV) Ta có:

trong đó

, , và là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID,

được xác định như dưới đây

Khâu tỉ lệ

Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số)Khâu tỉ lệ (đôi khi

còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại.

Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số

K p, được gọi là độ lợi tỉ lệ

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

trong đó

: thừa số tỉ lệ của đầu ra

: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh

: sai số

: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ Nếu

độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định Ngược lại, độ lợi nhỏ

là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển

kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm

Khâu tích phân

Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kp và Kd không đổi)

Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên

độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian

(tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai

số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ

điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều

chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân,

Thừa số tích phân được cho bởi:

trong đó

: thừa số tích phân của đầu ra

: độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh

: sai số

: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

: một biến tích phân trung gian

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá

bộ điều khiển Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong

quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm

đặt và tạo ra một độ lệch với các hướng khác)

Khâu vi phân

Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd (Kp and Ki không đổi)

Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc

của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ

này với độ lợi tỉ lệ Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi

là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân,

Thừa số vi phân được cho bởi:

trong đó

: thừa số vi phân của đầu ra

: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh

: Sai số

: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính

này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Tuy nhiên, phép

vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn

đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu

nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn

II.Mạch khuếch đại thuật toán

1 Định nghĩa

Mạch khuếch đại thuật toán (operational amplifier), thường được gọi tắt

là op-amp là một mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín hiệu đầu vào bao gồm cả

tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường

có đầu ra đơn Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển

bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu

vào và tổng trở đầu ra

Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều

các thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và

khoa học Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất

rẻ Các thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số

thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà

không làm hư hỏng

Ký hiệu một mạch khuếch đại thuật toán như sau:

Ký hiệu của mạch khuếch đại thuật toán trên sơ đồ điện

Trong đó:

 V+: Đầu vào không đảo

 V−: Đầu vào đảo

 Vout: Đầu ra

 VS+: Nguồn cung cấp điện dương

 VS−: Nguồn cung cấp điện âm

Các chân cấp nguồn (VS+ and VS−) có thể được ký hiệu bằng nhiều cách khác

nhau Cho dù vậy, chúng luôn có chức năng như cũ Thông thường những chân

này thường được vẽ dồn về góc trái của sơ đồ cùng với hệ thống cấp nguồn cho

bản vẽ được rõ ràng Một số sơ đồ người ta có thể giản lược lại, và không vẽ

phần cấp nguồn này Vị trí của đầu vào đảo và đầu vào không đảo có thể hoán

chuyển cho nhau khi cần thiết Nhưng chân cấp nguồn thường không được đảo

ngược lại

2.Nguyên lý hoạt động

Đầu vào vi sai của mạch khuếch đại gồm có đầu vào đảo và đầu vào không

đảo, và mạch khuếch đại thuật toán thực tế sẽ chỉ khuếch đại hiệu số điện thế

giữa hai đầu vào này Điện áp này gọi là điện áp vi sai đầu vào Trong hầu hết

các trường hợp, điện áp đầu ra của mạch khuếch đại thuật toán sẽ được điều

khiển bằng cách trích một tỷ lệ nào đó của điện áp ra để đưa ngược về đầu vào

đảo Tác động này được gọi là hồi tiếp âm Nếu tỷ lệ này bằng 0, nghĩa là

không có hồi tiếp âm, mạch khuếch đại được gọi là hoạt động ở vòng hở Và

điện áp ra sẽ bằng với điện áp vi sai đầu vào nhân với độ lớn tổng của mạch

khuếch đại, theo công thức sau:

Trong đó V+ là điện thế tại đầu vào không đảo, V− là điện thế ở đầu vào đảo và

G gọi là độ lớn vòng hở của mạch khuếch đại

Do giá trị của độ lợi vòng hở rất lớn và thường không được quản lý chặt chẽ

ngay từ khi chế tạo, các mạch khuếch đại thuật toán thường ít khi làm việc ở

tình trạng không có hồi tiếp âm Ngoại trừ trường hợp điện áp vi sai đầu vào vô

cùng bé, độ lợi vòng hở quá lớn sẽ làm cho mạch khuếch đại làm việc ở trạng

thái bão hòa trong các trường hợp khác Một thí dụ cách tính toán điện áp ra

khi có hồi tiếp âm sẽ được thể hiện trong phần mạch khuếch đại cơ bản

Một cấu hình khác của mạch khuếch đại thuật toán là sử dụng hồi tiếp dương ,

mạch này trích một phần điện áp ra đưa ngược trở về đầu vào không đảo Ứng

dụng quan trọng của nó dùng để so sánh, với đặc tính trễ hysteresis

III, Mạch so sánh

Khối so sánh có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa ra

khối sau Việc so sánh tín hiệu này được ứng dụng cho mạch cảnh báo khi có

sự quá nhiệt độ

Bài này ta sử dụng IC uA741 làm mạch so sánh

Mạch so sánh có nhiệm vụ so sánh 1 điện áp vào với 1 điện áp chuẩn Trong

mạch so sánh tín hiệu ra chỉ có 2 mức, mức điện áp cao( mức H-tương ứng với

mức logic 1 của số 1 hệ nhị phân)và mức điện áp thấp( Mức L-tương ứng mức

logic 0 số 0 hệ nhị phân)

Nguyên lý hoạt động :Mạch gồm hai phầnː mạch ngõ vào là một khuếch đại

thuật toán có hệ số khuếch lớn, và mạch ngõ ra thông dụng của các mạch logic

Theo biểu diễn trong ký hiệu mạch so sánh, với V1 ở ngõ vào thuận, thì

 Nếu V1 > V2, Vout là logic 1 (high)

 Nếu V1 < V2, Vout là logic 0 (low)

Sự bất định xảy ra khi V1 ≈ V2, nhưng thường được khử bằng các phản hồi

dương để tạo trễ

Đặc trưng trễ giống như đối với Trigger Schmitt

CHƯƠNG 2: Giới thiệu về các thiết bị đo

2.1.Cảm biến nhiệt độ LM35

LM35 là một cảm biến nhiệt độ analog

Chân 1: Chân nguồn Vcc

Chân 2: Đầu ra Vout

Chân 3: GND

Một số thông số chính của LM35:

Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp

đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng cũng

không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh

Đặc điểm chính của cảm biến LM35

+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC

+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C

+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C - 150 C với các mức điện áp ra

khác nhau Xét một số mức điện áp sau :

- Nhiệt độ -55 C điện áp đầu ra -550mV

- Nhiệt độ 25 C điện áp đầu ra 250mV

- Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV

Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ

thống này thì đo từ 0 đến 150oC

2.2Điện trở , biến trở

a.Điện trở

Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ

hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các

loại điện trở có trị số khác nhau

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.

Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý.

Cách đọc điện trở : vì điện trở rất đa dạng nên để đọc chính xác điện trở ta

cần xác định đúng trị số các vòng màu

 Vòng số 4 là vòng ở cuối luôn luôn có mầu nhũ vàng hay nhũ bạc, đây là

vòng chỉ sai số của điện trở, khi đọc trị số ta bỏ qua vòng này.

 Đối diện với vòng cuối là vòng số 1, tiếp theo đến vòng số 2, số 3

 Vòng số 1 và vòng số 2 là hàng chục và hàng đơn vị

 Vòng số 3 là bội số của cơ số 10

Sau khi thiết kế mạch chúng ta sẽ phải lựa chọn loại điện trở phù hợp mạch đo,

để hiển thì đầu ra có thể chính xác

b Biến trở

Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn

Chúng có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của

mạch điện

Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dây

dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh

sáng hoặc bức xạ từ,

Ký hiệu

2.3 Bộ khuếch đại thuật toán Opam 741

Cấu tạo bên trong của OP 741

-OpAmp là một linh kiện có nhiều chức năng

Khuếch đại hiệu hai điện thế nhập

Khuếch đại điện âm hoặc dương

So sánh hai điện thế nhập

Khi V + > V - Khi V + < V - Khi V + = V -

Ngoài ra, mạch tích phân ,vi phân ,mạch cộng ,mạch trừ

2.4.Transistor.

Nguyên lý hoạt động :Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E

trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E

Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và

E , trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E

Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện

nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng IC = 0 )

Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện

chạy từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về

Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE

làm bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB

Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo

một công thức

IC = β.IB

Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE

IB là dòng chạy qua mối BE

β là hệ số khuyếch đại của Transistor

Giải thích : Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt

qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp

bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do

từ lớp bán dẫn N ( cực E ) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P( cực B ) lớn

hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào

lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới

tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor

2.5.LED 7 thanh hiện thị nhiệt độ

Muốn biết được nhiệt độ của môi trường mà IC đo được thì ta cần có cơ cấu

chỉ thị, vì mục đích cuối cùng là ta biết được nhiệt độ và đưa ra cảnh báo khi có

sự quá nhiệt Trong hệ thống này ta sử dụng LED 7 đoạn để hiển thị nhiệt độ

Led 7 thanh là một linh kiện hiển thị thông dụng, nó bao gồm ít nhất 7 con led

đơn mắc lại với nhau, 7 led đơn được mắc sao cho có thể hiển thị được các số

từ 0 đến 9 và một vài chữ cái thông dụng

Led 7 thanh có nhiều biến thể là anode chung và Cathode chung Anode chung

là các chân dương của led được nối với nhau và Cathode chung là các chân âm

của led được nối với nhau

7 Led đơn trên Led 7 thanh có Anode ( cực +) hoặc Cathode(Cực -) được nối

chung với nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch

điện

2.6.Đèn và còi cảnh báo

- đèn có U=48VDC, 30W.

2.7.Nguồn cấp cho mạch :

Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V,-5V +12V ,- 12V

tùy theo yêu cầu của mạch trên thực tế thì nguồn điện 1 chiều thường được

chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều nguồn cấp của chúng ta gồm có :

Máy biến áp có chức năng hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sử

dụng đó là 5V,-5V, +12V,- 12V

Bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot, tụ điện, và điện và cuộn cảm có tác dụng

chỉnh lưu từ dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều sơ đồ nguyên lý của khối

chỉnh lưu:

2.8 IC 555

Khối cảnh báo có tác dụng phát ra tín hiệu cảnh báo khi có sự quá nhiệt độ Ở

bài này ta dùng mạch đèn nháy để cảnh báo, ta sử dụng IC 555 để chạy mạch

đèn nháy