THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN LÒ ĐIỆN TRỞ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hà Nội, 6-2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN LỊ ĐIỆN TRỞ Trưởng mơn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : ThS Vũ Thụy Nguyên Sinh viên thực : Nguyễn Văn Hữu Lớp : CN&TĐH - K59 MSSV : 20146385 Giáo viên duyệt : Hà Nội, 6-2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập-Tự do-Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Hữu Khóa: K59 Khoa/Viện: Điện Số hiệu sinh viên: 20146385 Ngành: Tự động hóa cơng nghiệp Đầu đề thiết kế Thiết kế mạch điều khiển lị điện trở Số liệu ban đầu Cơng suất định mức: P=6 kW Nhiệt độ: T=30-200 oC Tổn hao nhiệt: 1.2kW U=220V Yêu cầu Thiết kế mạch đo điều khiển nhiệt độ Cán hướng dẫn LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: " Thiết kế mạch điều khiển lò điện trở" em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo ThS Vũ Thụy Nguyên Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 29 tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Văn Hữu Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Chương I: Tổng quan lò điện trở .8 1.1 Lich sử phát triển 1.2 Định nghĩa phân loại lò điện .9 1.2.1 Định nghĩa lò điện .9 1.2.2 Phân loại lò điện 1.3 Mục tiêu đề tài 13 1.4 Giới thiệu lò điện trở .14 1.4.1 Cấu tạo lò điện trở 14 1.4.2 Nguyên lí làm việc lò nhiệt 16 1.4.3 Yêu cầu lò nhiệt 17 1.4.4 Yêu cầu điều khiển .17 Chương II: Tính tốn mạch lực lựa chọn thiết bị 18 2.1 Tính toán mạch lực 18 2.1.1.Tính tốn van bán dẫn 18 2.1.2 Tính tốn bảo vệ q áp cho van .19 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ .20 2.2.1 Khối cảm biến 20 2.2.2 Nút bấm .20 2.2.3 Vi điều khiển .20 Mục lục 2.2.4 Hiển thị 21 2.2.5 Driver 21 2.2.6 Mạch lực 21 2.3 Lựa chọn thiết bị sử dụng mạch điều khiển 21 2.3.1 IC cản biến LM35 .21 2.3.2 Vi điều khiển Arduino UNO R3 .23 2.3.3 MCP4922 26 2.3.4 TCA785 28 2.3.5 TRIAC BT137 31 2.3.6 MOC3021 32 2.3.7 Hiển thị 33 CHƯƠNG III: Thiết kế tính tốn .35 3.1 Thiết kế điều khiển 35 3.2 Thiết kế mạch 38 3.2.1 Khối cảm biến .38 3.2.2 Khối xử lí 39 3.2.3 Khối nút bấm 40 3.2.4 Khối điều khiển 40 3.2.5 Khối hiển thị 41 3.2.6 Khối nguồn 42 3.2.7 Sơ đồ ngun lí tồn mạch .43 3.2.8 Sơ đồ mạch in 44 3.3 Lưu đồ thuật toán 45 KẾT LUẬN 46 Kết thực nghiệm 46 Kết đạt hướng phát triển .51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC 53 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1:Sơ đồ loại lò hồ quang 10 Hình 2: Sơ đồ loại lò cảm ứng 12 Hình 3: Mặt cắt lò điện trở .14 Hình 4: Nhiệt độ lò điều khiển liên tục 17 Hình 5: Nhiệt độ lò điều khiển gián đoạn 17 Y Hình 1: Sơ đồ mạch lực 18 Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống .20 Hình 3: Cảm biến LM35 21 Hình 4: ARDUINO UNO R3 23 Hình 5: Cổng vào Arduino Uno R3 .25 Hình 6: Sơ đồ chân mcp4922 26 Hình 7: Sơ đồ chân TCA785 28 Hình 8: Đồ thị dạng xung TCA785 30 Hình 9: Triac bt137 31 Hình 10: MOC3021 32 Hình 11: LCD 16x2 33 Hình 12: Sơ đồ khối hệ thống thực tế .34 Danh mục hình vẽ Hình 1: Sơ đồ matlab simulink 36 Hình 2: Mơ đáp ứng nhiệt độ lị .36 Hình 3: Đáp ứng nhiệt độ lị 37 Hình 4: Cấu trúc điều khiển .37 Hình 5: Khối cảm biến .38 Hình 6: Khối xử lí 39 Hình 7: Khối nút bấm .40 Hình 8: Khối điều khiển 40 Hình 9: Khối hiển thị 41 Hình 10: Khối nguồn 42 Hình 11: Sơ đồ ngun lí tồn mạch 43 Hình 12: Sơ đồ mạch in toàn mạch 44 Hình 13: Lưu đồ thuật toán 45 Hình 1: Xung cưa biên độ 10V 46 Hình 2: Xung đồng 47 Hình 3: Xung mở van điện áp góc mở 90o .49 Hình 5: Mạch thực tế 50 Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Trong thực tế cơng nghiệp sinh hoạt hàng ngày, lượng nhiệt đóng vai trị quan trọng Năng lượng nhiệt dùng q trình cơng nghệ khác nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khn đúc,… Vì việc sử dụng nguồn lượng cách hợp lý, hiệu cần thiết Lò điện trở ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp đáp ứng nhiều yêu cầu thực tiễn đặt như: nung nóng, sấy khơ, …Ở lị điện trở, u cầu kĩ thuật quan trọng phải điều chỉnh khống chế nhiệt độ lò Chúng em chọn đề tài “ Thiết kế mạch điều khiển lò điện trở” sở lý thuyết học môn Lý thuyết điều khiển, Vi xử lý, Điện tử tương tự-số, Kỹ thuật đo lường, Do kiến thức cịn hạn hẹp nên q trình thực hiên đề tài khơng thể tránh sai sót mong q thầy bỏ qua có hướng giúp đỡ để em có hướng cao sau lĩnh vực nghiên cứu khoa học Em xin chân thành cám ơn:  Thầy Vũ Thụy Nguyên tận tình hướng dẫn em suốt trình thực đề tài Chương III: Thiết kế tính tốn 3.3 Lưu đồ thuật toán Start Hiển thị SP, PV Tăng T Đ T=T+1 T=SP S Giảm T PV>SP T=T-1 Đ S Đ Tăng Udk Giảm Udk Đo PV Hiển thị PV,SP END Hình 13: Lưu đồ thuật tốn 45 Kết luận KẾT LUẬN Kết thực nghiệm Hình 1: Xung cưa biên độ 10V 46 Kết luận Hình 2: Xung đồng 47 Kết luận Hình 3: Xung mở van điện áp góc mở 90o 49 Kết luận Kết luận: Mạch thiết kế thể ý tưởng đồ án:  Đo đạc thu thập liệu nhiệt độ  Điều chỉnh nhiệt độ lò ( thay bóng đèn)  Hiển thị nhiệt độ hình Các kết sở để hồn thiện mạch điều khiển lò điện trở để ứng dụng thực tế Hình 5: Mạch thực tế 50 Kết luận Kết đạt hướng phát triển Qua thời gian tìm hiểu, nghiên cứu hồn thiện đề tài em tìm hiểu vấn đề liên quan đến thiết kế mạch, điện tử công suất Nội dung kết đạt được:  Tìm hiểu kiến thức điện tử cơng suất  Tìm hiểu cách thiết kế board mạch hoàn chỉnh, ứng dụng vào thực tế  Thực điều khiển nhiệt độ lò theo yêu cầu công nghệ Hướng phát triển đề tài:  Phát triển ứng dụng đề tài vào thực tiễn  Thay đổi công suất tải lớn hơn, thay cảm biến khác có độ xác cao để đáp ứng thay đổi nhiệt độ nhanh 51 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Trọng Minh, Giáo trình điện tử cơng suất, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 2012 [2] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007 [3] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính; In lần thứ tư, NXB Khoa hoc-Kỹ thuật, 2009 [4] http://arduino.vn/bai-viet/42-arduino-uno-r3-la-gi, ngày truy cập cuối 30/5/2018 [5].https://tailieumienphi.vn/doc/bai-giang-mon-hoc-thiet-ke-dieu-khien-cho-cac-bo-biendoi-dien-tu-cong-suat-8zw9tq.html, ngày truy cập cuối 30/5/2018 [6] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/45801/SIEMENS/TCA785.html, ngày truy cập cuối 30/5/2018 [7] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/16764/PHILIPS/BT137.html, ngày truy cập cuối 30/5/2018 52 Phụ lục PHỤ LỤC #include #define upTemp #define downTemp #include unsigned long lastTime; short errSum, lastErr,error; double U; int DAC; float kp=22, ki=0.1; int SampleTime = 1000; //1 sec const int rs = 8, en = 7, d4 = 6, d5 = 5, d6 = 4, d7 = 1; const int dacChipSelectPin = 10; const int dacLatch = 9; LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7); int temp_sp = 25; float temp_pv; void upSetPoint() { temp_sp=temp_sp+1;} void downSetPoint() { temp_sp=temp_sp-1;} 53 Phụ lục void hienthi(int setpoit, int pv) { char lcd_display[16]; sprintf(lcd_display,"Nhiet do= %d",pv); lcd.setCursor(0,0); lcd.print(lcd_display); sprintf(lcd_display,"Set point= %d",setpoit); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(lcd_display); } void doNhietdo() { temp_pv = (5.0*analogRead(A0)*100.0/1024.0); temp_pv= int(temp_pv); } void tinhPI(int sp, int pv) { unsigned long now = millis(); int timeChange = (now - lastTime); if(timeChange>=SampleTime) { 54 Phụ lục /*Compute all the working error variables*/ error = sp - pv; errSum += error; /*Compute PI Output*/ U = kp * error + ki * errSum; DAC=U*18.6; DAC= int(DAC); /*Remember some variables for next time*/ lastTime = now; } } void setup() { pinMode(upTemp,INPUT); pinMode(downTemp,INPUT); pinMode (dacChipSelectPin, OUTPUT); digitalWrite(dacChipSelectPin, HIGH); pinMode (dacLatch, OUTPUT); digitalWrite(dacLatch,HIGH); SPI.begin(); SPI.setBitOrder(MSBFIRST); 55 Phụ lục SPI.setDataMode(SPI_MODE0); lcd.begin(16, 2); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(upTemp),upSetPoint,FALLING); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(downTemp),downSetPoint,FALLING); } void setDac(int value, int channel) { byte dacRegister = 0b00110000; // Sets default DAC registers B00110000, 1st bit choses DAC, A=0 B=1, 2nd Bit bypasses input Buffer, 3rd bit sets output gain to 1x, 4th bit controls active low shutdown LSB are insignifigant here int dacSecondaryByteMask = 0b0000000011111111; // Isolates the last bits of the 12 bit value, B0000000011111111 byte dacPrimaryByte = (value >> 8) | dacRegister; //Value is a maximum 12 Bit value, it is shifted to the right by bytes to get the first MSB out of the value for entry into th Primary Byte, then ORed with the dacRegister byte dacSecondaryByte = value & dacSecondaryByteMask; // compares the 12 bit value to isolate the LSB and reduce it to a single byte // Sets the MSB in the primaryByte to determine the DAC to be set, DAC A=0, DAC B=1 switch (channel) { case 0: dacPrimaryByte&= ~(1