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 Trường ĐH Công Nghiệp HN Cộng Hội Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự – Hạnh phúc BÀI TẬP LỚN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ Sinh viên thực hiện: VŨ Đức Thịnh Mã sinh viên:1041040335 Lớp: ĐH Điện Khóa:10 STT danh sách:68 Năm học : 2017-2018 Đề tài: Dùng vi mạch tương tự vi mạch số tính tốn, thiết kế mạch đo, thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt (tự lựa chọn thơng số lò nhiệt) u cầu: - Nhiệt độ lò có dải nhiệt độ từ: t0C =00C ÷ tmax = ÷ (50 + n)0C - Chuẩn hóa đầu mạch đo nhiệt độ : U=0 ÷ 5V; U= ÷ -5V I=0÷20mA; I=4÷20mA Vẽ sơ đồ khối hệ thống Dùng phần mềm mô (hoặc mạch thực tế) thiết kế mạch đảm bảo: - Dùng cảm biến IC đo nhiệt độ - Tính tốn thơng số điều khiển PID - Tính tốn mạch chuẩn hóa nhiệt độ - Vẽ mạch nguyên lý hệ thống - Khi hệ thống không dùng điều khiển PID mạch phản hồi: Tính tốn mạch đo 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 KĐB xoay chiều pha 220V/380V=∆/Y, P=750W chạy làm mát + Đưa tín hiệu cảnh báo còi đèn sáng nhấp nháy (đèn U=48VDC, 30W) với thời gian sáng tối bằng: T0=(5+0,5*a) giây nhiệt độ vượt giá trị : t0C= tmax-(10+2*a) + Dùng LED hiển thị nhiệt độ Trong đó: a: chữ số hàng đơn vị danh sách (ví dụ: STT=3→a=3; STT=10→a=0) n: Số thứ tự sinh viên danh sách MỤC LỤC CHƯƠNG 1: Tổng quan mạch đo CHƯƠNG 2: Giới thiệu thiết bị CHƯƠNG 3: Tính tốn, thiết kế mạch đo - Tính tốn, lựa chọn cảm biến - Tính tốn, thiết kế mạch đo - Lựa chọn nguồn cung cấp - Tính tốn, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa - Tính toán mạch nhấp nháy cho LED - Kết luận hướng phát triển MỞ ĐẦU Ngày lĩnh vực đời sống việc đo kiểm soát nhiệt độ trình, thiếtbị sản xuất nằm giới hạn cho phép làm việc chúng điều cần thiết, tránhgây hư hỏng thiết bị, thiệt hại kinh tế Với phát triển khoa học công nghệ thiết bị đo nhiệt độ ngày đại,việc đo nhiệt đọ trở lên dễ dàng xác ơn nhiều.Trong tập lớn với trình độ người sinh viên năm 3, em xin thiết kế thiết bị đo kiểm soát nhiệt độ sủ dụng IC cảm biến nhiệt độ… CHƯƠNG 1: Tổng quan mạch đo I Giới thiệu điều khiển PID 1.Bộ điều khiển PID Một điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID sử dụng phổ biến số điều khiển phản hồi Một điều khiển PID tính tốn giá trị "sai số" hiệu số giá trị điều khiểnvà giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp khơng có kiến thức trình, điều khiển PID điều khiển tốt nhất.Tuy nhiên, để đạt kết tốt nhất, thông số PID sử dụng tính tốn phải đặt điều chỉnh theo tính chất hệ thốngtrong kiểu điều khiển giống nhau, thông số phải phụ thuộc vào đặc thù hệ thống Giải thuật tính tốn điều khiển PID bao gồm thông số riêng biệt, đơi gọi điều khiển ba khâu: giá trị tỉ lệ , tích phân đạo hàm, viết tắt P, I, D Sơ đồ điều khiển PID đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh nó, tổng ba khâu tạo thành biến điều khiển (MV) Ta có: , , thành phần đầu từ ba khâu điều khiển PID, xác định Khâu tỉ lệ Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki Kd số)Khâu tỉ lệ (đơi gọi độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số Đáp ứng tỉ lệ điều chỉnh cách nhân sai số với số Kp, gọi độ lợi tỉ lệ Khâu tỉ lệ cho bởi: : thừa số tỉ lệ đầu : Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh : sai số : thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại) Độ lợi khâu tỉ lệ lớn thay đổi lớn đầu mà sai số thay đổi nhỏ Nếu độ lợi khâu tỉ lệ cao, hệ thống không ổn định Ngược lại, độ lợi nhỏ đáp ứng đầu nhỏ sai số đầu vào lớn, làm cho điều khiển nhạy, đáp ứng chậm Khâu tích phân Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với giá trị Ki (Kp Kd khơng đổi) Phân phối khâu tích phân (đơi gọi reset) tỉ lệ thuận với biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù hiệu chỉnh trước Tích lũy sai số sau nhân với độ lợi tích phân cộng với tín hiệu đầu điều khiển Biên độ phân phối khâu tích phân tất tác động điều chỉnh xác định độ lợi tích phân, Thừa số tích phân cho bởi: : thừa số tích phân đầu : độ lợi tích phân, thơng số điều chỉnh : sai số : thời gian thời gian tức thời (hiện tại) : biến tích phân trung gian Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) tăng tốc chuyển động trình tới điểm đặt khử số dư sai số ổn định với tỉ lệ phụ thuộc vào điều khiển Tuy nhiên, khâu tích phân đáp ứng sai số tích lũy q khứ, khiến giá trị vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt tạo độ lệch với hướng khác) Khâu vi phân Đồ thị PV theo thời gian, với giá trị Kd (Kp and Ki không đổi) Tốc độ thay đổi sai số qua trình tính tốn cách xác định độ dốc sai số theo thời gian (tức đạo hàm bậc theo thời gian) nhân tốc độ với độ lợi tỉ lệ Biên độ phân phối khâu vi phân (đôi gọi tốc độ) tất hành vi điều khiển giới hạn độ lợi vi phân, Thừa số vi phân cho bởi: : thừa số vi phân đầu : Độ lợi vi phân, thông số điều chỉnh : Sai số : thời gian thời gian tức thời (hiện tại) Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi đầu điều khiển đặc tính ý để đạt tới điểm đặt điều khiển Tuy nhiên, phép vi phân tín hiệu khuếch đại nhiễu khâu nhạy nhiễu sai số, khiến q trình trở nên không ổn định nhiễu độ lợi vi phân đủ lớn II.Mạch khuếch đại thuật toán Định nghĩa Mạch khuếch đại thuật toán (operational amplifier), thường gọi tắt op-amp mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín hiệu đầu vào bao gồm tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại cao, có đầu vào vi sai, thơng thường có đầu đơn Trong ứng dụng thông thường, đầu điều khiển mạch hồi tiếp âm cho xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào tổng trở đầu Các mạch khuếch đại thuật toán có ứng dụng trải rộng nhiều thiết bị điện tử thời từ thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp khoa học Các mạch khuếch đại thuật tốn thơng dụng có giá bán rẻ Các thiết kế đại điện tử hóa chặt chẽ trước đây, số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng tình trạng ngắn mạch đầu mà khơng làm hư hỏng Ký hiệu mạch khuếch đại thuật toán sau: Ký hiệu mạch khuếch đại thuật tốn sơ đồ điện Trong đó:  V+: Đầu vào không đảo  V−: Đầu vào đảo  Vout: Đầu  VS+: Nguồn cung cấp điện dương  VS−: Nguồn cung cấp điện âm Các chân cấp nguồn (VS+ and VS−) ký hiệu nhiều cách khác Cho dù vậy, chúng ln có chức cũ Thông thường chân thường vẽ dồn góc trái sơ đồ với hệ thống cấp nguồn cho vẽ rõ ràng Một số sơ đồ người ta giản lược lại, khơng vẽ phần cấp nguồn Vị trí đầu vào đảo đầu vào khơng đảo hoán chuyển cho cần thiết Nhưng chân cấp nguồn thường không đảo ngược lại 2.Nguyên lý hoạt động Đầu vào vi sai mạch khuếch đại gồm có đầu vào đảo đầu vào khơng đảo, mạch khuếch đại thuật toán thực tế khuếch đại hiệu số điện hai đầu vào Điện áp gọi điện áp vi sai đầu vào Trong hầu hết trường hợp, điện áp đầu mạch khuếch đại thuật toán điều khiển cách trích tỷ lệ điện áp để đưa ngược đầu vào đảo Tác động gọi hồi tiếp âm Nếu tỷ lệ 0, nghĩa hồi tiếp âm, mạch khuếch đại gọi hoạt động vòng hở Và điện áp với điện áp vi sai đầu vào nhân với độ lớn tổng mạch khuếch đại, theo công thức sau: Trong V+ điện đầu vào không đảo, V− điện đầu vào đảo G gọi độ lớn vòng hở mạch khuếch đại Do giá trị độ lợi vòng hở lớn thường không quản lý chặt chẽ từ chế tạo, mạch khuếch đại thuật tốn thường làm việc tình trạng khơng có hồi tiếp âm Ngoại trừ trường hợp điện áp vi sai đầu vào vơ bé, độ lợi vòng hở lớn làm cho mạch khuếch đại làm việc trạng thái bão hòa trường hợp khác Một thí dụ cách tính tốn điện áp có hồi tiếp âm thể phần mạch khuếch đại Một cấu hình khác mạch khuếch đại thuật toán sử dụng hồi tiếp dương , mạch trích phần điện áp đưa ngược trở đầu vào không đảo Ứng dụng quan trọng dùng để so sánh, với đặc tính trễ hysteresis III, Mạch so sánh 10 2.7.Nguồn cấp cho mạch : Trong mạch sử dụng nguồn điện chiều với cấp điện áp 5V,-5V +12V ,- 12V tùy theo yêu cầu mạch thực tế nguồn điện chiều thường chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều nguồn cấp gồm có : Máy biến áp có chức hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sử dụng 5V,-5V, +12V,- 12V Bộ chỉnh lưu cầu gồm có điot, tụ điện, điện cuộn cảm có tác dụng chỉnh lưu từ dòng xoay chiều sang dòng chiều sơ đồ nguyên lý khối chỉnh lưu: 2.8 IC 555 Khối cảnh báo có tác dụng phát tín hiệu cảnh báo có q nhiệt độ Ở ta dùng mạch đèn nháy để cảnh báo, ta sử dụng IC 555 để chạy mạch đèn nháy 19 Thông số kĩ thuật: Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 15V Dòng tiêu thụ: 6mA đến 15mA Điện áp logic mức cao: 0.5 đến 15V Điện áp logic mức thấp: 0.03 đến 0.06V Sơ đồ chân: Chân 1: Chân nối GND Chân 2: Chân so áp với mức áp chuẩn 1/3 mức nguồn ni Chân 3: Chân ngả ra, tín hiệu chân dạng xung, không mức áp thấp mức áp cao Chân 4: Chân xác lập trạng thái nghỉ với mức áp chân mức thấp, hay mức hoạt động Chân 5: Chân làm thay đổi mức áp chuẩn IC555 Chân 6: Chân so áp với mức áp chuẩn 2/3 mức nguồn ni Chân 7: Chân có khóa điện đóng mát, thường dùng cho tụ xả điện Chân 8: Chân nối vào nguồn 20 2.9Giới thiệu 74LS47 Đây IC giải mã từ BCD sang mã LED vạch với chân đầu vào chân đầu với chức chân sau: + Chân 1, 2, 6, 7: Chân liệu BCD vào liệu lấy từ IC + Chân 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15: Các chân đầu tác động mức thấp (0) nối với LED + Chân 8: Chân GND + Chân 16: Chân Vcc + Chân 4: Chân BI /RBO Nếu đếm BCD từ 0-15 trạng thái chân mức + Chân 5: Chân RBI Nếu đếm BCD từ 0-15 trạng thái chân mức +Chân 3: Chân LT Nếu đếm BCD từ 0-15 trạng thái chân mức 2.10Giới thiệu 74LS83 21 Sơ đồ chân nối: Chân A1 – A4 : Toán tử đầu vào A Chân B1 – B4 : Toán tử đầu vào B Chân Co : Carry Input Chân C4 : Carry Input ( Note b) Σ1–Σ4 : Kết tổng ( Note b) 2.11 Các khối logic Cổng AND cổng logic dùng để thực hàm AND hai hay nhiều biến Cổng AND có ngõ vào tùy thuộc số biến ngõ Ngõ cổng hàm AND biến ngõ vào Bên phải bảng chân trị mô tả hoạt động cổng AND ngõ vào A B Vào A B 0 1 1 Ra A AND B 0 CHƯƠNG 3: Tính tốn, thiết kế mạch đo I.Tính tốn cảm biến(LM35) Nhiệt độ lò có dải nhiệt độ từ: t0C =00C ÷ tmax = ÷ (50 + n)0C 22 Với n= 68, Suy dải đo nhiệt độ LM35 0÷118oC II.Tính tốn khối khuếch đại Mạch chuẩn hóa đầu +5V ( thay hình) (RF=R3+VR) LM 35 có nhiệt độ 0-118 oC hay Ui=0-1,18V Để Ura=0÷5V =>=1+ 1+ ≈ 4,25 Chọn R1=1KΩ =>RF=3,25(kΩ) Do chọn RF biến trở VR R3 có R3=0,25k điều chỉnh VR= 3k Ta chọn VR để chỉnh sai số q trình tính tốn giúp đầu chuẩn Mạch chuẩn hóa đầu -5V 23 thay hình (RF=R3+VR) Ku1== Ku1=== - 4.25 => = 4,25 + Chọn R1=1kΩ =>RF=4,25kΩ +Chọn R2=1kΩ RF lúc thay đổi biến trở VR R3 có Giá trị R3 =4k VR=0,25k Ta chọn VR để chỉnh sai số q trình tính tốn giúp đầu chuẩn Bộ chuyển đổi UI ( mức 0÷20mA) 24 Ui=1,18V=>Ui=1,18.103 mV Ta có hệ số khuyech đại : Kui== = => R1 = 59 Ω Chọn R1 biến trở VR = 100 Ω => Điều chỉnh VR để dòng điện 20mA => VR =59 Ω , chọn RF=100Ω Bộ chuyển đổi UI( mức 4÷20mA) 25 Điều kiện mạch R1(R4+R5)=R2.R3 Khi có tải Ri : Dòng điện qua Tải Itải = (UR1-U2) Lúc : UR1(0÷5V) Với Ura1= 0V Itải = 4mA Với Ura1= 5V Itai = 20mA Đặt x=ku 4.10-3 = (0-U2 )ku 20.10-3 = (5-U2 )ku k =3.2.10-3 ;U2 =-1,25 => u Ta x=3.2.10-3 Chọn R1=R4=1kΩ=>R2=3,2Ω(VR=10Ω) 26 R3=1KΩ; R5=2,2Ω(VR=10Ω) Có U2=-1.25V để thực điện áp ta thực theo mạch sau Nguồn 1.25 tạo cách điều chỉnh triết áp VR2 III.Thiết kế mạch so sánh Mạch so sánh có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện áp khối khuếch đại đem so sánh với Uđặt ,khi Uv>Uđặt còi kêu báo động đèn cảnh báo Ở đầu chuẩn hóa +5V ứng với 118oC.Khi nhiệt độ vượt 100oC ứng với 4.25V còi kêu,và đèn sáng Các thơng số mạch so sánh : Nếu Uv > Uđặt Ura ≈ - Ucc = -12V ( hình 2) Nếu Uv < Uđặt Ura ≈ + Ucc =12V (hình 1) 27 (hình 1) (hình 2) IV.Mạch cảnh báo đèn sáng nhấp nháy 28 + Đưa tín hiệu cảnh báo đèn sáng nhấp nháy (đèn U=48VDC, 30W) vớithời gian sáng tối bằng: T0=(5+0,5*a) giây nhiệt độ vượt giá trị : t0C= tmax-(10+2*a) STT 68 => a=8 =>T0=9 giây, nhiệt độ vượt giá trị t0C= tmax(10+2*a)=100oC  Tmax =126 Với mạch diode, cửa dao động cho dãy xung khơng đối xứng Để có dãy xung đối xứng mạch được thay đổi có thêm diode hình Với kết cấu mạch vậy, mạch nạp tụ R6 điện trở diode, mạch xả điện tụ C4 R7 điện trở diode Nên chọn R6=R7 diode D1 vad D2 giống nhau, mạch dao động cung cấp dãy xung đối xứng V.Tính tốn thiết kế nguồn : hầu hết nguồn sử dụng mạch nguồn chiều mà thực tế nguồn lại nguồn xoay chiều với điện áp 220V vấn đề đặt phải biến đổi dòng xoay chiều sang chiều khối nguồn bao gồm:     máy biến áp chỉnh lưa cầu dùng điot tụ điện C để lọc cuộn cảm L để dàn phẳng dòng điện Sơ đồ ngun lý: 29 + tính chọn máy biến áp: có hai nguồn nguồn cho điện áp đặt quạt xoay chiều pha 220V/380V=∆/Y, P=750W chạy làm mát ,điện áp so sánh 4.25Vvà nguồn cấp cho OA 12V cần sử dụng máy biến áp có nhiều cấp điện áp để lấy hai cấp điện áp dùng ta hạ xuống 12V dùng biến trở để chỉnh xuống 4.25V ta dùng khối ổn áp chiều để có đầu thay đổi Phương án thiết kế :  biến áp : 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 điơt phải chịu nhỏ so với phương pháp cân nên ta chọn chỉnh lưu cầu nửa chu kỳ  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 thay đổi từ đến 12V nên ta dùng IC ổn áp thông dụng LM 7805 30 Cơ cấu đo dùng ổn áp để ổn áp đầu với cấp điện áp tương ứng VI.Mạch đèn LED thị nhiệt độ 31 Nguyên lý : Khi ta cấp xung vào 74LS83 thứ đếm từ từ Khi tới lúc cấp xung cho 74LS83 thứ 74LS83 nhận xung đếm Sau 74LS83 thứ tiếp tục đếm đến 74LS83 thứ lại nhận xung đếm thành 32 33