III – Thiết kế chi tiết
1 Mạch cảm biến nhiệt độ và mạch khuếch đại
- Có thiết bị cần đo nhiệt độ (ở đây là bóng đèn tròn 75W). - Có cảm biến nhiệt độ (ở đây dùng cảm biến lọai LM335Z).
- Điều khiển nhiệt độ của thiết bị bằng chương trình điều khiển trong PLC và bằng SCR.
- Giao tiếp giữa PLC và mạch đầu đo thông qua module analog EM235 của PLC S7-200.
- Có khối hiển thị nhiệt độ thật của thiết bị (trên LED 7 đọan). II-Sơ đồ khối - Nguyên lý hoạt động dựa theo sơ đồ khối:
Nhiệt độ của thiết bị được cảm biến nhiệt cảm biến và biến đổi thành điện áp.Vì điện áp này thay đổi một lượng rất nhỏ khi nhiệt độ thiết bị thay đổi từ 00C đến 1000C nên nó sẽ được đưa qua một mạch khuếch đại trước khi đưa vào ngõ vào analog của PLC. Trong PLC, dữ liệu sẽ được biến đổi, xử lý trước khi đưa ra ngòai qua hai ngõ: ngõ ra digital từ Q0.0 đến Q0.4 để đưa đến khối giải mã-hiển thị để hiển thị nhiệt độ thật của thiết bị; ngõ ra analog Vo đưa đến khối điều khiển. Khối điều khiển lấy dữ liệu từ ngõ ra của PLC để điều khiển, thay đổi dòng qua thiết bị để khống chế cho nhiệt độ của thiết bị luôn nhỏ hoặc bằng nhiệt độ đặt trước (ở đây là 400C).Và quá trình đo và điều khiển của thiết bị cứ thế được lặp đi lặp lại.
III-Thiết kế chi tiết:
1-Mạch cảm biến nhiệt độ và mạch khuếch đại:*Yêu cầu: *Yêu cầu:
- Đo nhiệt độ trong khỏang từ 00C đến 1000C với độ chính xác +/- 10C. - Điện áp đầu ra thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ trong khỏang từ 0Vdc đến 5Vdc tức là 0,05V/0C.
KHỐI KHUẾCH ĐẠI PLC
KHỐI ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
KHỐI GIẢI MÃ-HIỂN THỊ KHỐI CẢM BIẾN
*Thiết kế cụ thể:
Để đo dãy nhiệt độ trong khoảng từ 00C đến 1000C, ta có thể dùng nhiệt trở hay Thermocouple để đo vì chúng đều có ưu điểm trong việc đo các nhiệt độ cao, nhưng đều mắc phải nhược điểm là có hiện tượng trôi nhiệt.
Do đó dựa vào lý thuyết và thực tế của mạch cần thiết kế, ở đây người viết dùng phương pháp đo bằng IC cảm biến nhiệt độ. Các IC cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, dễ tìm và giá thành tương đối rẻ. Một trong số đó là IC LM335Z là loại thông dụng trên thị trường hiện nay, đồng thời nó có những đặc tính làm việc phù hợp với yêu cầu thiết kế của mạch.
a-Tính chất cơ bản của LM335Z: -Chia thang đo theo 0K (độ Kelvin).
-Điện áp đầu ra thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ (0,01V/0K). -Độ chính xác cao,tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy. -Trở kháng động 0,6Ω (khi Ingược =1mA).
-Tiêu tán công suất thấp.
-Dòng làm việc từ 400µA -> 5mA.
-Sai số chưa chỉnh là 40C (với –400C < T0C < 1000C).
-Sai số đã chỉnh tại 250C là 10C (với –400C < T0C < 1000C). -Dòng ngược 15mA.
-dòng thuận 10mA.
-Điện áp họat động ngõ ra ở điều kiện Tc = 250C,Ir = 1mA là từ 2,94V -> 3,04V (thường là 2,98V).
-Độ không tuyến tính là 0,30C (Max:1,50C) khi Ir = 1mA. -Vỏ lọai Plastic kiểu TO92.
-Theo thông số của nhà sản xuất LM335Z,ta có quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ngõ ra của LM335Z là:
Vout = 0,01(V)*T(0K) = 0,01*(273 + T0C) = 2,73 + 0,01*T0C
Vậy ứng với tầm đo từ 00C đến 1000C ,ta có sự biến thiên điện áp ở ngõ ra là:
00C (2730K) -> Vout = 2,73V 100C (2830K) -> Vout = 2,83V 1000C (3730K) -> Vout = 3,73V
Như vậy tầm biến thiên điện áp tương ứng với nhiệt độ từ 00C đến 1000C là 1V, quá nhỏ, nếu đưa vào khối chuyển đổi A/D thì dữ liệu ra sẽ có lúc bị trùng lắp khi nhiệt độ thay đổi một khoảng nhỏ.
-Là mạch khuếch đại DC (liên hệ trực tiếp). -Có thể chỉnh offset.
-Trở kháng vào lớn để khỏi ảnh hưởng đến phân cực của cảm biến. -Do yêu cầu đặt ra là phải làm cho điện áp trước khi đưa vào bộ chuyển đổi A/D là khoảng từ 0V -> 5C, trong khi điện áp ra từ cảm biến thay đổi theo quy luật:
Vo = 2,73 + 0,01*T0C (V) nên ở đây ta phải dùng mạch trừ có tính khuếch đại (Av = +5).
Ta có thể chọn mạch sau:
Chọn OP-AMP lọai µA741C có các thông số sau: +Nguồn cung cấp max : +/- 18Vdc
+Dãy nhiệt độ họat động : 00C -> 700C +Khi Vcc = +/- 15Vdc và ToC = 250C :
Công suất tiêu tán (max) : 85mW
Dòng cung cấp (max) : 2,8mA
Trở kháng ra : 75Ω
Trở kháng vào : 2MΩ
Áp OFFSET ngõ vào :2mV (max :6mV)
Dòng phân cực ngõ vào : 80nA (max : 500nA)
Dãy chỉnh điện áp OFFSET : +/- 15mV
Dòng ngắn mạch ngõ ra : 25mA
-Do OPAMP1 được mắc như mạch lặp điện áp nên trở kháng vào khỏang400MΩ nên bỏ qua dòng vào của OPAMP1.
Chọn VR4 = 5KΩ , IR = 1mA. Điện áp ra từ cảm biến : Vo = 2,73 + 0,01*T0C Ở 250C : Vo = 2,73 + 0,01*25 = 2,98V = VA Ta có : VA 2,98V IR28 = Ir + IVR4 = IR + --- = 1mA +--- = 1,596mA VR4 5KΩ 5 - VA 5V - 2,98V => R28 = --- = --- = 1,265KΩ IR28 1,596mA
Chọn R28 = 1.2KΩ ; kết hợp chỉnh VR4 và VR3 sao cho điện áp tại A và tại C là :
VA = VC =2,73 + 0,01*T0C. Ví dụ khi T0C = 250C thì VA = VC = 2,98V. Để đảm bảo điện áp ra tại D là từ 0V -> 5V khi nhiệt độ tại đầu đo thay đổi từ 00C đến 1000C thì điện áp tại B phải là 2,73V và :
VR2 + R32 R33 + VR1 + R31 R33 + VR1 VD = ---* --- *Vc --- *VB VR2 + R32 + R30 R31 R31 R33 + VR1 VR2 + R32 Chọn --- = --- = 5 R31 R30 và VB = 2,73V ;VC = 2,73 + 0,01*T0C Thì VD = 5/6 * 6/1 (2,73 + 0,01*T0C) - 5*2,73 = 0,05*T0C Chọn R30 = R31 = 1KΩ ; R32 = R33 = 4,7KΩ ; VR2 = VR1 = 1KΩ
Chọn nguồn cung cấp cho OPAMP là +/- 7,5V, vì khoảng thay đổi của điện áp thường nhỏ hơn điện áp nguồn khoảng 1V ->2V. Ví dụ OPAMP
µA741C khi được cấp nguồn +/- 15V thì điện áp ra chỉ thay đổi từ -13V -> +13V (khi tải >= 2KΩ)
Chọn VR9 = 5KΩ ; zener là lọai có Vz = 3,9V và Iz = 10mA Bỏ qua trở kháng vào của đầu vào OPAMP , ta có:
Vcc - Vz 5V -3,9V
R29 =--- = --- = 102Ω Iz + IVR9 10mA+ 3,9V
5KΩ Chọn R29 = 100Ω
-Tín hiệu tương tự từ ngõ ra của mạch đầu đo sẽ được đưa đến ngõ vào A+ của PLC, sau khi qua mạch lọc nhiễu, sẽ qua các mạch chọn độ suy giảm, chỉnh độ lợi,rồi đưa đến ngõ vào của bộ chuyển đổi ADC , tín hiệu ngõ ra đượïc đưa vào AIW0. Dữ liệu này sẽ được phần mềm PLC xử lý và sau đó đưa ra ngòai qua các ngõ: ngõ ra tương tự Vo được đưa đến khối điều khiển để điều khiển thay đổi góc kích cho SCR, từ đó thay đổi dòng qua tải; các ngõ ra số Q0.0, Q0.1, Q0.2, Q0.3, Q0.4 được đưa đến khối giải mã - hiển thị để hiển thị nhiệt độ thật của thiết bị.