III – Thiết kế chi tiết
2 Mạch điều khiển
Cĩ nhiều cách để điều khiển và khống chế nhiệt độ của thiết bị.Ta cĩ thể điều khiển bằng cách dùng relay: ta nối thiết bị qua tiếp điểm thường đĩng của relay, khi nhiệt độ của thiết bị thấp hơn nhiệt độ yêu cầu thì khơng tác động vào relay và relay khơng họat động, do vậy vẫn cĩ dịng qua thiết bị (vì tiếp điểm thường đĩng của relay vẫn cịn đĩng ). Khi nhiệt độ của thiết bị cao hơn nhiệt độ yêu cầu thì sẽ tác động vào relay và relay sẽ họat động, tiếp điểm thường đĩng của relay hở ra và do vậy sẽ mất dịng qua thiết bị và làm giảm nhiệt độ của thiết bị. Khi nhiệt độ của thiết bị giảm đến mức nhỏ hơn nhiệt độ yêu cầu thì lại khơng tác động vào relay và relay khơng họat động, lúc này sẽ cĩ dịng qua thiết bị và quá trình điều khiển cứ như vậy được lặp đi lặp lại. Đây là phương cách điều khiển gián đoạn (khơng liên tục).
Ta cũng cĩ thể điều khiển nhiệt độ của thiết bị theo phương cách điều khiển liên tục bằng cách dùng SCR. Để khống chế nhiệt độ của thiết bị thì ta sẽ thay đổi dịng qua thiết bị. Khi nhiệt độ của thiết bị thấp hơn nhiệt độ yêu cầu thì ta sẽ cho dịng cĩ giá trị lớn qua thiết bị bằng cách kích SCR với gĩc kích ϕ bé; và khi nhiệt độ của thiết bị cao hơn nhiệt độ yêu cầu thì ta sẽ giảm
dịng qua thiết bị bằng cách kích SCR với gĩc kích ϕ lớn. Trong phần luận văn này, em sẽ dùng phương pháp điều khiển liên tục bằng cách dùng SCR.
Sơ đồ mạch như sau:
Điện áp lấy từ ngõ ra Vo của PLC chính là điện áp điều khiển uđk .Áp này dùng để điều khiển làm thay đổi gĩc kích cho SCR, từ đĩ thay đổi dịng qua thiết bị và lúc đĩ sẽ điều chỉnh được nhiệt độ của thiết bị cho phù hợp với yêu cầu.
Trong sơ đồ trên: T4,T7,T8 :A1015 T9 : C1815
R34 = 10KΩ/10W dùng để giảm áp cung cấp cho mạch điều khiển. Diode Zener Dz dùng để ghim áp 15V cung cấp cho phần sau.
R39,R40 tạo thành cầu phân áp tạo ra áp ổn định VB' đưa vào cực nền của T8.
Tùy theo điện áp điều khiển uđk lấy từ ngõ ra Vo của PLC cĩ giá trị điện áp cao hay thấp mà làm cho T4 dẫn mạnh hay ngắt.
-Nếu uđk nhỏ thì T4 dẫn , làm cho T7 dẫn. Lúc này tụ điện C11 nạp điện với thời hằng τ1 = (R37 // R38)C11. Khi tụ C11 nạp đến giá trị Vp nào đĩ lớn hơn VB' thì lúc này làm cho T8 dẫn và T9 cũng dẫn theo, và lúc đĩ tụ C11 sẽ xả điện qua T8,T9 và qua R41, tạo ra một xung kích cho SCR hoạt động, lúc này sẽ cĩ dịng qua tải RL(đèn) làm cho đèn sáng.
-Nếu uđk lớn (tức là lúc này nhiệt độ của thiết bị (đèn) cao hơn nhiệt độ đặt trước) thì lúc này T4 sẽ ngắt, làm T7 ngắt, lúc này tụ điện C11 nạp điện với thời hằng τ2 = R38*C111 >>τ, do vậy thời gian để tụ điện C11 nạp đến giá trị Vp > VB’ sẽ lâu hơn, do vậy thời điểm kích cho SCR sẽ thay đổi (trễ hơn), do đĩ áp qua tải sẽ bị thay đổi (nhỏ hơn), làm cho dịng qua tải cũng sẽ nhỏ hơn và từ đĩ làm giảm nhiệt độ của bĩng đèn.
-Khi nhiệt độ của bĩng đèn giảm đến giá trị thấp hơn nhiệt độ đặt trước thì uđk sẽ giảm nhỏ làm cho T4 dẫn và quá trìng cứ như vậy được lặp đi lặp lại, ta sẽ điều khiển được nhiệt độ cho thiết bị (bĩng đèn).
Ta cĩ : τ1 = (R37 // R38).C11 τ2 = R38.C11 Chọn τ1 = 0,2ms ; τ2 = 2ms ; C11 = 0,22uF τ2 2.10-3 => R38 = ------- = ----------- = 9,09.103Ω = 9,09KΩ C11 0,22.10-6 Chọn R38 = 10KΩ R37.R38 τ1 = --------------*C R37 + R38 1 1 C 0,22.10-6 <=> -------+ ------ = ------ = --------------= 1,1.10-3 R38 R37 τ1 0,2.10-3 1 1 1 => ------ = 1,1.10-3 - ------= 1,1.10-3 -----------= 1,1.10-3 - 0,1.10-3 = 10-3 R37 R38 10.103 =>R37 = 103Ω = 1KΩ chọn ICT4 = 10mA
Khi áp điều khiển bằng 0 thì lúc đĩ T4 dẫn mạnh. Ta cĩ : 15 = R35*ICT4 + VEBT4
R35 = (15 - VBET4) / ICT4 = (15 - 0,7) / 10.10-3 = 1,4.103.
Chọn R35 = 1KΩ. Ta lại cĩ :
15 = R35*ICT4 + VECT4 + R36*IET4
=>R36 = (15 - R35*ICT4 - VECT4) / IET4 = (15 - 103*10.10-3 - 0,2) / 10.10-3 = 0,48.103
chọn R36 = 100Ω
R39,R40 tạo thành cầu phân áp, tạo áp tại B' (VB') so sánh với áp tại E' để định thời điểm xả của tụ C11.
Chọn R39 = R40 = 10KΩ
R41 dùng để định thời hằng xả của tụ C11. τ = R41*C11
Do τ rất nhỏ nên ta chọn τ = 0,01ms τ 0,01.10-3
=> R41 = ------ = --------------- = 45,45Ω C11 0,22.10-6
Chọn R41 = 47Ω
Dạng sĩng tại các điểm trên mạch như sau:
UE'D' 0 Vp UE'D' 0 Uđk 2π 3π 4π 5π π 0 -Um Um Uv 0 π 2π 3π 4π 5π UDz UC'D' 0 UD'G' 0 0 UA'D'
Giá trị trung bình của điện áp ra trên tải :
Um Π = --------( -cosωt ) Π ϕ Um
= --------- ( 1 + cosϕ ) với ϕ : gĩc kích trễ cho SCR Π
Giá trị trung bình của dịng điện qua phụ tải : UD'G'tb Um
IRL =------------ = ---------(1+ cosϕ ) RL ΠR
Vậy khi điện áp điều khiển uđk thay đổi thì sẽ làm thay đổi gĩc kích ϕ và do đĩ sẽ làm thay đổi dịng IRL qua phụ tải và từ đĩ nhiệt độ của tải (bĩng đèn) sẽ thay đổi phù hợp với yêu cầu đặt ra; và khi nhiệt độ của bĩng đèn thay đổi thì sẽ tác động trở lại làm uđk thay đổi ... Cứ như thế tiến trình điều khiển sẽ được lặp đi lặp lại.
3-Mạch giải mã-Hiển thị :
Các dữ liệu sau khi được chương trình trong PLC xử lý sẽ được đưa ra ngịai qua các ngõ số từ Q0.0 đến Q0.4 ; trong đĩ các ngõ từ Q0.0 đến Q0.3 là các ngõ ra dữ liệu , cịn Q0.4 là ngõ ra điều khiển.
Sơ đồ nguyên lý của mạch sẽ như sau: UD'G'tb = Π Π∫ ϕ ) ( sin 2 2 wt wtd Um Π ≤ ≤ϕ 0
Nguyên tắc hoạt động của mạch như sau:
-Lúc đầu nhờ mạch AutoReset nên IC 4017 được Reset, làm cho ngõ ra Oo(chân 3) ở mức cao, cịn các chân khác đều ở mức thấp.
-Kế tiếp ở ngõ ra Q0.4 cĩ một xung lên làm cho ở ngõ vào chân 14 của IC 4017 cũng cĩ một xung lên tác động vào IC 4017 làm ngõ ra O1 (chân 2) của IC 4017 lên mức cao, cịn các ngõ khác đều ở mức thấp nên các dữ liệu ra từ PLC ở các ngõ Q0.0 đến Q0.3 (thực chất đây là các dữ liệu ở hàng đơn vị) sẽ chỉ được đưa qua các flipflop FF1 -> FF4 trong IC1 (74175), sau đĩ các dữ liệu này sẽ được chốt lại; cịn các flipflop từ FF5 -> FF8 trong IC2 (74175)đều ngăn khơng cho các dữ liệu trên qua được vì khơng cĩ xung Clock tác động vào các flipflop này.
-Kế tiếp ở ngõ ra Q0.4 lại cĩ một xung lên và lúc này ở ngõ vào chân 14 của IC 4017 cũng cĩ một xung lên tác động vào IC 4017 làm ngõ ra O2 (chân 4) của IC 4017 lên mức cao, cịn các ngõ khác đều ở mức thấp nên các dữ liệu ra từ PLC ở các ngõ Q0.0 đến Q0.3 (thực chất đây là các dữ liệu ở hàng chục) sẽ chỉ được đưa qua các flipflop FF5 -> FF8 trong IC2, sau đĩ dữ liệu sẽ được chốt lại; cịn các flipflop FF1 -> FF4 trong IC1 đều ngăn khơng cho các dữ liệu này qua được vì khơng cĩ xung Clock tác động vào các flipflop này.
-Sau đĩ ngõ ra Q0.4 lại cĩ một xung lên, chân 14 của IC 4017 cĩ xung tác động làm ngõ ra O3 ( chân 7) của Ic 4017 từ mức thấp lên mức cao, cịn các ngõ ra khác đều ở mức thấp, nên lúc này các dữ liệu ra từ PLC ở các ngõ Q0.0 đến Q0.3 khơng cịn được đưa qua các flipflop từ FF1 -> FF8 trong 2 IC1 và IC2 nữa mà lúc này ,các dữ liệu đã được chốt ở trên (cả hàng đơn vị, hàng chục) sẽ đồng thời được đưa qua các flipflop FF9 ->FF16 trong IC3 (74374) và đưa đến các IC giải mã sang LED 7 đọan 7447 và các IC này sẽ giải mã và cho hiện lên nhiệt độ đang cĩ của thiết bị trên LED 7 đọan.
-Kế tiếp ngõ ra Q0.4 lại cĩ một xung lên, chân 14 của IC 4017 cĩ xung tác động làm ngõ ra O4 (chân 10) của IC 4017 từ mức thấp lên mức cao, tác động vào chân MR ( chân 15) của IC 4017 và Reset lại mạch, làm cho ngõ ra Oo lên mức cao, cịn tất cả các ngõ ra khác của IC 4017 đều xuống mức thấp; và quá trình tương tự như trên được lặp lại và ta sẽ xem được nhiệt độ thật hiện cĩ của thiết bị.
Chọn T1, T2, T3, T5, T6 là các Transistor C1815 Chọn β = 100, VBE = 0.7V, IE = 20mA
Áp từ các ngõ ra từ Q0.0 đến Q0.4 là 24VDC
Ta cĩ :
Vcc = VCesat + IET6*R25 (2) Vcc – VCesat 5V – 0.2V (2) => R25 = -----------------= -------------------- = 0.24kΩ IET6 20mA Chọn R25 = 1kΩ 24 – VBET6 – R25*IET6 24 – 0.7 – 1*20 (1) => R26= ----------------------------- = ----------------------- = 16.5kΩ IET6 20/100 Chọn R26 = 10kΩ Vậy ta chọn R21 = R22 =R18 = R1 = R26 = 10kΩ R20 = R19 = R23 = R6 = R25 = 1kΩ *Mạch Auto Reset: Ta cĩ : τ = R5*C4 Chọn τ = 1ms ; R5 = 1kΩ => C4 = 10-3 / 103 = 10-6 =>C4 = 1µF Chọn D5 # D6 : IN4148 4-Thiết bị :
Ở đây ta sẽ mơ phỏng thiết bị cần đo và khống chế nhiệt độ là một bĩng đèn trịn 75W. Nếu nhiệt độ của bĩng đèn thấp hơn nhiệt độ yêu cầu thì ta sẽ tăng dịng qua bĩng đèn bằng cách kích SCR với gĩc kích ϕ bé; nếu nhiệt độ của bĩng đèn tăng lên cao hơn nhiệt độ u cầu thì ta sẽ giảm dịng qua bĩng đèn bằng cách kích SCR với gĩc kích ϕ lớn.
u cầu : nhiệt độ của bĩng đèn phải ln nhỏ hơn hoặc bằng 500C. 5-Nguồn cung cấp:
Vì trong mạch cĩ sử dụng các IC họ TTL nên cần phải cĩ nguồn áp ổn định +5V cung cấp cho nĩ, đồng thời các OPAMP 741 cần cĩ nguồn cấp +/- 7,5V nên ta cĩ thể sử dụng mạch như sau:
Do trong mạch đầu đo cĩ 3 OPAMP, dịng tiêu thụ của mỗi OPAMP 741 là 1,7mA; chọn Zener là loại cĩ VZ = 7,5V; IZ =10mA.
Ta cĩ :
9V - 7,5V
R26 = --------------------- = 99,33Ω 10mA + 1,7mA*3
Chọn R26 =R27 = 100Ω
*Tính giá trị của tụ lọc nguồn C7,C8 :
Tìm giá trị của các tụ C7,C8 dựa vào các cơng thức sau : ∆T
C = IT . ----------
∆VT
Với ∆VT : độ nhấp nhơ của điện áp trên tải(V) IT : dịng tải (A)
∆T: được tính theo cơng thức sau : 1 Vmax - ∆VT 1
∆T = ----.arcsin ---------------+ ------
ω Vmax 4f Với ω = 2Πf
f : là tần số nhấp nhơ của điện áp sau khi chỉnh lưu (Hz) Vmax : là giá trị đỉnh của điện áp vào (V)
+Nguồn dương : Chọn ∆VT = 0,5V
1 9 - 0,5 1 ∆T = ------ .arcsin -----------+ --------- 314 9 4*50 = 3,1847ms.arcsin (0,944) + 5ms = 8,932ms *Tính dịng tải tổng cộng: -Các IC : 4017 P = 17,5µW 74175 P = 10mW x2 74374 P = 10mW 7447 P = 2mW x2 PΣ = 34,0175 mW
dịng tiêu thụ tương ứng : 34,0175mW : 5V = 6,8mA -74LS05 cĩ dịng tiêu thụ max : 6,6mA
-Dịng tiêu thụ max ở các LED 7 đoạn : 140mA -Mạch cảm biến : 1,596mA
-Mạch tạo điện áp so sánh : 10,78mA
-Dịng tiêu thụ ở 3 OPAMP và các Zener : 15,1mA Vậy dịng tiêu thụ tổng cộng sẽ là : IT = 180,9mA
∆T 8,932ms => C7 = IT . ------ =180,9mA . ------------ = 3231,6µF ∆VT 0,5V Chọn C7 = 3300µF +Nguồn âm : Chọn ∆VT = 0,1V 1 9 - 0,1 1 ∆T = ------.arcsin --------- + ------- 314 9 4.50 = 3,1847ms . arcsin (0,99) + 5ms = 9 ,552 ms ∆T 9,552 => C8 = IT .------- = 15,1.-------- = 1442,3µF ∆VT 0,1
Chọn C8 = 1000µF 6-Sơ đồ ngun lý:
B-PHẦN MỀM
Tín hiệu tương tự từ mạch đầu đo được đưa đến ngõ vào A+ của PLC. Điện áp ở ngõ ra của mạch đầu đo thay dổi từ 0V -> 5V (tương ứng với nhiệt độ thay đổi từ 00C -> 1000C). Nếu ta cho:
-SW1 : ở vị trí ON -SW3 : ở vị trí OFF -SW5 : ở vị trí OFF -SW7 : ở vị trí ON -SW9 : ở vị trí OFF -SW11:ở vị trí OFF
Tức là khi đĩ ta chọn độ suy giảm là 0,2; và chọn độ lợi là x1. Do tín hiệu tương tự VD từ mạch đầu đo thay đổi từ 0V -> 5V nên tín hiệu VIN đưa
vào bộ chuyển đổi ADC sẽ thay đổi từ 0V -> 4V.
1- Quan hệ giữa nhiệt độ và dữ liệu 12 bit ở đầu ra của bộ chuyển đổi ADC:
Mã ra N đối với một ngõ vào là một số nguyên trong khoảng : VIN - Vref(-)
N = 2n . ----------------------- Vref(+) - Vref(-)
Với n: số bit dữ liệu ở đầu ra : n = 12 VIN : điện áp ở ngõ vào
Vref(+) : điện áp tại chân ref(+) Vref(-) : điện áp tại chân ref(-) Do Vref(-) = 0V ; Vref(+) = 5V
N = 212*VIN/5 = 819,2VIN
VIN thay đổi từ 0V -> 4V => dữ liệu 12 bit ở đầu ra của ADC sẽ thay đổi từ 000h đến CCCh.
+VIN = 0V (00C) => N = 0 = 000h +VIN = 4V (1000C) => N = 3276 = CCCh
Ta cĩ : VD = 0,05.T0C => VIN = 4/5.1.VD = 4/5.1.0,05.T0C = 0,04.T0C
N = 819,2.VIN = 819,2.0,04.T0C = 32,768.T0C
T0C VD VIN N Hex T0C VD VIN N Hex
0 0 0 0 000 11 0.55 0.44 360 168
1 0.05 0.04 32 020 12 0.6 0.48 393 189
3 0.15 0.12 98 062 14 0.7 0.56 458 1CA 4 0.2 0.16 131 083 15 0.75 0.6 491 1EB 5 0.25 0.20 163 0A0 16 0.8 0.64 524 20C