Đang tải... (xem toàn văn)
Đề tài của em là: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cản báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại.Nhiệt độ là một trong các đại lượng được quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật như tính dẻo, tính đàn hồi, độ cứng.. v.v. Nó làm ảnh hưởng đến các đại lượng chịu tác động bởi nó như áp suất, thể tích… Trên thực tế, có rất nhiều bài toán liên quan đến nhiệt độ. Ví dụ: lò sấy công nghệp,các lò luyện gang ,sắt, thép.... yêu cầu đặt ra là phải xử lí được nhiệt độ theo như mong muốn của con người.
1 BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN MÔN VI MẠCH TƯƠNG TƯ ĐỀ TÀI: DÙNG CÁC VI MẠCH TƯƠNG TƯ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Vũ Linh Sinh viên thực hiện: Thân Hồng Anh Số thứ tự sinh viên: Ca – số 03 Hà Nội 2014 Lời nói đầu Tự động hóa ngày không còn xa lạ đối với nhiều người, nó tham gia vào quá trình sản xuất từ giai đoạn bắt đầu cho tới kết thúc Để có một quá trình sản xuất hoàn chỉnh, không chỉ có một thiết bị là đủ mà còn là sự kết hợp của nhiều máy sản xuất khác Trong đó, cảm biến là một phần quan trọng không thể thiếu Nhiệt độ là một các đại lượng được quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật tính dẻo, tính đàn hồi, độ cứng v.v Nó làm ảnh hưởng đến các đại lượng chịu tác động bởi nó áp suất, thể tích… Trên thực tế, có rất nhiều bài toán liên quan đến nhiệt độ Ví dụ: lò sấy công nghệp,các lò luyện gang ,sắt, thép yêu cầu đặt là phải xử lí được nhiệt độ theo mong muốn của người Đề tài của em là: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cản báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại Trong quá trình làm bài, bài làm của em còn nhiều thiếu sót Mong thầy, cô góp ý để bài làm của em được hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn!!! Mục lục CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO Sơ đồ mạch Nguồn cung cấp Mạch khuếch đại Mạch cảm biến ( mạch phân áp) Mạch so sánh Mạch cảnh báo Mạch nhấp nháy Hình 1: Sơ đồ tổng quan của hệ thống thiết kế Các khối thiết kế Khối nguồn cung cấp: cung cấp dòng cho cảm biến, cung cấp nguồn cho các linh kiện Khối cảm biến: cảm biến nhiệt điện trở RTD – PT Khối khuếch đại: khuếch đại tín hiệu Khối so sánh: so sánh với điện áp chuẩn đầu vào Khối mạch cảnh báo: phát tín hiệu đầu ra, cung cấp mức điện áp vào loa, làm cho loa hoạt động Khối nhấp nháy: đèn led nhấp nháy với thời gian sáng tối bằng CHƯƠNG GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CHÍNH Cảm biến nhiệt đô 1.1 Tổng quan về cảm biến nhiệt đô Cảm biến nhiệt độ là thiết bị để nhiệt độ của đối tượng, các cảm biến này cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ và cho tín hiệu ngõ một hai dạng: thay đổi điện áp hoặc thay đổi điện trở 1.2 Nhiệt điện trở RTD – PT ( Resistance Temperature Detectors) Hình 1: Hình dáng nhiệt điện trở thực tế Cấu tạo Dây kim loại làm từ Đồng, Niken, Platinum… được quấn tùy theo hình dáng của cầu đo a 5 Hình 2: cấu tạo của nhiệt điện trở kim loại Phân loại Dây quấn b - Hình 3: Hình dáng RTD dây quấn - Màn mỏng Hình 4: Hình dáng RTD màn mỏng c Nguyên lí hoạt đông Khi nhiệt độ tăng, điện trở giữa đầu dây kim loại tăng Khi nhiệt độ thay đổi điện trở hai đầu dây kim loại này thay đổi, và tùy chất liệu kim loại có độ tuyến tính một khoảng nhiệt độ nhất định d Đồ thị quan hệ giữa điện trở và nhiệt đô • • • - Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài RTD thường có loại dây, dây và dây Lưu ý sử dụng: Loại RTD dây giảm điện trở dây dẫn 1/2, giúp hạn chế sai số Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu so với Thermocouple Chúng ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến này ( hàn kĩ, chất lượng dây tốt, có chống nhiễu ) và có thể đo test bằng VOM được Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây Đây là loại cảm biến thụ động nên sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định Độ chính xác phụ thuộc nhiều vào độ ổn định của nguồn dòng Ta dùng nguồn dòng ổn định cấp cho PT100 và đo điện thế tại đầu PT100 Ưu điểm và nhược điểm Ưu điểm: Tuyến tính khoảng rộng Chính xác cao Ổn định với nhiệt độ Nhược điểm Đáp ứng chậm Đắt tiền Ảnh hưởng của độ sóc và rung Yêu cầu hoặc dây để đảm bảo độ chính xác cao Khuếch đại thuật toán sử dụng LM385 2.1 Cấu tạo của môt LM358 Hình 2.1 cấu tạo Hình 2.2 Sơ đồ chân của LM358 - Một LM 358 có : Kênh 1: chân 2,chân là chân đầu vào và chân là chân đầu Kênh 2: chân 5,chân là chân đầu vào và chân là chân đầu 2.2 Hoạt đông của LM358 LM358 thực hiện nhiệm vụ so sánh tín hiệu vào để đưa mức tín hiệu chuẩn Mỗi có sự thay đổi điện áp tại chân tín hiệu đầu vào thì nó thực hiện so sánh điện áp với điện áp chuẩn chân để tạo sự biến đổi tín hiệu đầu chân 3, IC 555 IC 555 là linh kiện phổ biến với việc dễ dàng tạo xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản và điều chế được độ rộng xung Hình 3.1 Hình dáng của IC 555 Các thông số bản của IC 555 có thị trường : + Điện áp đầu vào: - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555 ) + Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA + Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V + Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V + Công suất lớn nhất là : 600mW Hình 3.2 cấu tạo chân của IC 555 - Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung - Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp điện áp so sánh và được dùng chân chốt hay ngõ vào của tần so áp Mạch so sánh ở dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc - Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái của tín hiệu được xác định theo mức và 1 ở là mức cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức tương đương với 0V mà thực tế mức này ko được 0V mà nó khoảng từ (0.35 ->0.75V) - Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse thì ngõ ở mức thấp Còn chân nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ tùy theo mức áp chân và 6.Nhưng mà mạch để tạo được dao động thường hay nối chân này lên VCC 9 - - - - Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này có thể không nối cũng được mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định Chân số 6(THRESHOLD) : là một chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng chân chốt Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân Khi chân ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở Chân tự nạp xả điện cho mạch R-C lúc IC 555 dùng tầng dao động Chân số (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động Không có chân này coi IC chết Nó được cấp điện áp từ 2V đến 18V (Tùy từng loại 555 thấp nhất là NE7555) Trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp tụ C chỉ dao động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3 Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp ở thời điểm điện áp C bằng 2Vcc/3 Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp C bằng Vcc/3.Thời gian mức ở ngõ chính là thời gian nạp điện, mức là xả điện 10 4, Tranzitor 4.1 cấu tạo Gồm lớp bán dẫn N và lớp P (tranzitor NPN) Chân B nối với P, chân C và E nối với N Hình 4.1 cấu tạo của Tranzitor 4.2 nguyên lí hoạt đông - Ta cấp nguồn chiều UCE vào chân C và chân E của tranzitor đó nguồn (+) nối vào C và nguồn (-) nối vào E hoặc nối C với điện áp chiều dương và E với đất - Khi chân B được cấp điện áp âm không có dòng chảy qua mối CE (ICE =0) - Khi chân B được cấp điện áp dương, P-N phân cực thuận nên có dòng điện chảy từ B sang C rồi về đất (IB) Ngay IB xuất hiện có dòng IC chảy qua mối CE Dòng IC lớn gấp nhiều lần IB và liên hệ theo công thức: IC = β.IB với β là hệ số khuếch đại của tranzitor 11 CHƯƠNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐO I Tính toán, lựa chọn cảm biến RT = R0 + R0α [ T – δ - ( – 1)() ] Với: RT : Điện trở ở nhiệt độ T R0=100Ω điện trở ở 0oC α : Hệ số nhiệt độ ở T=0oC ( kiểu +0,00385 Ω/ Ω/oC) δ=1,499(kiểu +0,00385 Ω/ Ω/oC) - Yêu cầu bài toán có dải đo từ t0C = 00C + tmax = (100+ 5.n)0C - Với n = => t0C = 01150C - Điện trở R= 0144,275 RTD – PT thường được dùng khoảng nhiệt độ -250 đến +8000 nên phù hợp với yêu cầu bài toán + Trong khoảng nhiệt độ từ 0-100oC ta tính sau: - Cảm biến RTD - PT100 Hoạt động ở 0oC thì điện trở là 100Ω - Rt = R0(1+0,385%T) với sai số nhiệt độ là ±0,5 oC tức là cứ tăng 1oC thì điện trở RTD- PT100 Tăng 0,385 Ω Vì I ko đổi (nguồn dòng) nên U thay đổi theo R Tuy nhiên sự thay đổi của U rất nhỏ ( hoặc rất lớn) nên phải cho qua mạch khuếch đại để đựoc ngõ theo ý muốn có thể có ngõ là 1mV/oC, 10mV/oC, 100mV/oC tùy theo hệ số khuếch đại của mạch Dòng qua cảm biến tốt nhất là dòng từ 4-20mA.Nếu dòng lớn đốt nóng cảm biến và gây sai số.Mặt khác, proteus cảm biến RTD – PT đã được chuẩn hóa, nên từ nhiệt độ, t có thể đọc được giá trị của điện áp đầu 12 Sơ đồ mạch mô phỏng: 13 II Tính toán thiết kế mạch đo Chuẩn hóa đầu U = 10 V và I = 20 mA 1.1 Mạch phân áp Từ yêu cầu bài toán, cần chuẩn hóa đầu với điện áp và dòng điện Mặt khác, cảm biến đã được chuẩn hóa để giá trị của nhiệt độ bằng giá trị của điện áp nên cần mạch phân áp để giảm áp xuống giá trị mong muốn Ta có UVR1(1)= U Chọn R6 =1kΩ , U =115 V( tại Tmax) Giá trị mong muốn Ura=10V => VR=95%.11k Ω Tại nhiệt độ t = Tmax/2 =57o thì U= 4,98V 14 Tại nhiệt độ Tmax = 115o thì U= 10V 1.2 Mạch chuyển đổi U – I Hình 1.2 Mạch chuyển đổi U- I Khi U= 10V, I = 20mA Uo = (1+ )UI Uo = IL.(VR4 + R10) → IL = UI KUI = = = 2.10-3 = → VR4 = 500Ω Chọn R10 = 90Ω Ta có mạch hình vẽ Mạch chuẩn hóa đầu U = -5V và I = 20mA Mạch khuếch đại Có cùng tính chất làm cho điện áp từ nhiệt điện trở được chuẩn hóa đầu Ta có thể sử dụng mạch khuếch đại đảo hình vẽ sau: II.1 15 Hình 2.1 Sơ đồ mạch khuếch đại Umax = 115V Uo = -5V Ta có: Ku = Uo/Umax = -5/115 = -R12/ R13 Chọn R12 = 1kΩ R13 = 23kΩ II.2 Mạch chuyển đổi U – I 16 Điện áp đã chuẩn hóa: U = -5V Dòng điện cần chuẩn hóa I = 20mA Ta có: R5(R14+R15) =R9.R11 • Iout = - (U1 – UR11).R9/(R5.R15) • Imin = 4mA = - UR11.R9/(R5.R15) Với R9 =1kΩ và R5= 1kΩ Imin = UR11/R15 mA • Imax = - ( -5 – UR11) R9/(R5.R15) = 20 mA Imax = - ( -5 – UR11)/R15 mA R15 = 312,5 Ω UR11 =1,25 V R11 = 1312,5 Ω III Mạch so sánh 17 Sau đã chuẩn hóa điện áp và dòng điện, ta cần so sánh chúng với một mức điện áp đặt sẵn - Hình Mạch so sánh Lấy giá trị điện áp đầu mang so sánh sử dụng LM358 Nếu U+ > U- thì đầu xuất tín hiệu Nếu U+ < U- thì đầu không có tín hiệu IV Tính toán thiết kế mạch cảnh báo 18 Sơ đồ gồm có: - Tranzitor - Buz - Not - Led - green Hình 1: Sơ đồ mạch cảnh báo Sau điện áp đã được so sánh, đưa mức tín hiệu Transitor dẫn dòng làm đèn sáng, chuông kêu, cảnh báo nhiệt độ vượt quá mức cho phép 19 V Tính toán thiết kế mạch đèn nháy Thời gian đèn sáng: Ts= 0.69R3C (s) Thời gian đèn tắt: Tt = 0.69R4C (s) Chọn R3 = R4 = 100kΩ, ta tính được C= 36µF với thời gian: Ts=Tt = ( 1+0.5.a)=2.5(s) với a là số thứ tự hàng đơn vị danh sách 20 Thiết kế nguồn cung cấp Yêu cầu đặt của một bài toán thiết kế là cần có nguồn cung cấp cho hoạt động của cả hệ thống Vậy nên cần biến đổi nguồn từ lưới 220V xoay chiều sang dòng chiều với mức điện áp 12V Bộ nguồn được thiết kế bao gồm: máy biến áp tụ điện IC 7805 Mạch chỉnh lưu Sơ đồ mạch: VI - Hình 1: Sơ đồ mạch nguồn cung cấp cho IC 555 Các mạch nguồn cấp cho các IC khác tương tự thay đổi 7805 thành các IC cho mức điện áp nhất định +12V, - 12V +15V, -15V… (IC 7812, IC 7912, IC 7815, IC 7915….) 21 Chương Mô phỏng mạch proteus [...]...11 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐO I Tính toán, lựa chọn cảm biến RT = R0 + R0α [ T – δ - ( – 1)() ] Với: RT : Điện trở ở nhiệt độ T R0=100Ω điện trở ở 0oC α : Hệ số nhiệt độ ở T=0oC ( kiểu +0,00385 Ω/ Ω/oC) δ=1,499(kiểu +0,00385 Ω/ Ω/oC) - Yêu cầu bài toán có dải đo từ t0C = 00C + tmax = 0 (100+ 5.n)0C - Với n = 3 => t0C = 01150C - Điện trở R= 0144,275... của điện áp đầu ra 12 Sơ đồ mạch mô phỏng: 13 II Tính toán thiết kế mạch đo 1 Chuẩn hóa đầu ra U = 0 10 V và I = 0 20 mA 1.1 Mạch phân áp Từ yêu cầu bài toán, cần chuẩn hóa đầu ra với điện áp và dòng điện như trên Mặt khác, do cảm biến đã được chuẩn hóa để giá trị của nhiệt độ bằng giá trị của điện áp nên cần mạch phân áp để giảm áp xuống... U- thì đầu ra không có tín hiệu IV Tính toán thiết kế mạch cảnh báo 18 Sơ đồ gồm có: - Tranzitor - Buz - Not - Led - green Hình 1: Sơ đồ mạch cảnh báo Sau khi điện áp đã được so sánh, đưa ra mức tín hiệu 1 Transitor dẫn dòng làm đèn sáng, chuông kêu, cảnh báo nhiệt độ vượt quá mức cho phép 19 V Tính toán thiết kế mạch đèn nháy Thời gian đèn sáng:... R= 0144,275 RTD – PT thường được dùng trong khoảng nhiệt độ -250 đến +8000 nên phù hợp với yêu cầu bài toán + Trong khoảng nhiệt độ từ 0-100oC ta tính như sau: - Cảm biến RTD - PT100 Hoạt động ở 0oC thì điện trở là 100Ω - Rt = R0(1+0,385%T) với sai số nhiệt độ là ±0,5 oC tức là cứ tăng 1oC thì điện trở RTD- PT100 Tăng 0,385 Ω Vi I ko đổi (nguồn dòng) nên U... nguồn được thiết kế bao gồm: máy biến áp tụ điện IC 7805 Mạch chỉnh lưu Sơ đồ mạch: VI - Hình 1: Sơ đồ mạch nguồn cung cấp cho IC 555 Các mạch nguồn cấp cho các IC khác tương tự nhưng sẽ thay đổi 7805 thành các IC cho ra mức điện áp nhất định +12V, - 12V +15V, -15V… (IC 7812, IC 7912, IC 7815, IC 7915….) 21 Chương 4 Mô phỏng mạch trên proteus ... cho qua mạch khuếch đại để đựoc ngõ ra theo ý muốn có thể có ngõ ra là 1mV/oC, 10mV/oC, 100mV/oC tùy theo hệ số khuếch đại của mạch Dòng qua cảm biến tốt nhất là dòng từ 4-20mA.Nếu dòng lớn sẽ đốt nóng cảm biến và gây sai số.Mặt khác, trong proteus cảm biến RTD – PT đã được chuẩn hóa, nên từ nhiệt độ, t có thể đo c được luôn giá trị của điện áp... ta tính được C= 36µF với thời gian: Ts=Tt = ( 1+0.5.a)=2.5(s) với a là số thứ tự hàng đơn vi trong danh sách 20 Thiết kế nguồn cung cấp Yêu cầu đặt ra của một bài toán thiết kế là cần có nguồn cung cấp cho hoạt động của cả hệ thống Vậy nên cần biến đổi nguồn từ lưới 220V xoay chiều sang dòng 1 chiều với mức điện áp ra 12V Bộ nguồn được thiết kế. .. Tại nhiệt độ t = Tmax/2 =57o thì U= 4,98V 14 Tại nhiệt độ Tmax = 115o thì U= 10V 1.2 Mạch chuyển đổi U – I Hình 1.2 Mạch chuyển đổi U- I Khi U= 10V, I = 20mA Uo = (1+ )UI Uo = IL.(VR4 + R10) → IL = UI KUI = = = 2.10-3 = → VR4 = 500Ω Chọn R10 = 90Ω Ta có mạch như hình vẽ 2 Mạch chuẩn hóa đầu ra U = 0 -5V và I = 4 20mA Mạch khuếch đại Có cùng tính chất làm cho điện. .. UR11.R9/(R5.R15) Với R9 =1kΩ và R5= 1kΩ Imin = UR11/R15 mA • Imax = - ( -5 – UR11) R9/(R5.R15) = 20 mA Imax = - ( -5 – UR11)/R15 mA R15 = 312,5 Ω UR11 =1,25 V R11 = 1312,5 Ω III Mạch so sánh 17 Sau khi đã chuẩn hóa điện áp và dòng điện, ta cần so sánh chúng với một mức điện áp đặt sẵn - Hình 1 Mạch so sánh Lấy giá trị điện áp đầu ra mang so sánh sử dụng LM358 Nếu U+... cùng tính chất làm cho điện áp từ nhiệt điện trở được chuẩn hóa đầu ra Ta có thể sử dụng mạch khuếch đại đảo như hình vẽ sau: II.1 15 Hình 2.1 Sơ đồ mạch khuếch đại Umax = 115V Uo = -5V Ta có: Ku = Uo/Umax = -5/115 = -R12/ R13 Chọn R12 = 1kΩ R13 = 23kΩ II.2 Mạch chuyển đổi U – I 16 Điện áp đã chuẩn hóa: U = 0 -5V Dòng điện cần chuẩn hóa I = 4 20mA Ta có: