BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN MÔN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ ĐỀ TÀI: Dùng vi mạch tương tự vi mạch số tính tốn, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Bá Khá Sinh viên thực hiện: Hồ Sỹ Linh (n=47 a=7) Mã sv: 104124180 Nhóm: Lớp: Khoa: TỰ ĐỘNG HĨA –K10 Điện Mục lục Chương 1: Tổng quan mạch đo 1.1 Tổng quan 1.1.1 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu 1.2 Hình thành sơ đồ khối 1.2.1 Sơ đồ khối 1.2.2 Chức khối 1.3 Tổng quan mạch đo 1.3.1 Mạch đo 1.3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ Chương 2: Giới thiệu thiết bị 2.1Các linh kiện có mạch 2.1.1 Cặp nhiệt ngẫu TCJ 2.1.2 Điện trở,biến trở 2.1.3LED 2.1.4 Transistor Chương 3: Tính tốn, thiết kế mạch đo 3.1 Chuẩn hóa đầu từ 0÷10v 3.2 Chuẩn hóa đầu từ 0÷5v 3.3 Chuẩn hóa đầu từ 0÷-5v 3.4 Chuẩn hóa đầu từ 0÷20mA 3.5 Chuẩn hóa đầu từ 4÷20mA 3.6 khối mạch so sánh 3.7 tính tốn đèn nhấp nháy cho led 3.8 tính tốn mạch cảnh báo còi 3.9 mạch quạt điện 3.10 thị nhiệt độ led Lời nói đầu Đất nước ta đà phát triển trở thành nước cơng nghiệp Vì vấn đề điều khiển vận hành thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao xuất chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí vấn đề quan trọng đáng để ý Trong thực tế có nhiều tốn liên quan đến vấn đề đo điều khiển nhiệt độ Ví dụ như: lò sấy cơng nghiệp, lò luyện gang, sắt, thép Trong kì sau học môn vi mạch tương tự -vi mạch số mơn liên quan nhóm chúng em giao đề tài: Thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dung cảm biến nhiệt điện trở Trong trình làm đề tài giúp đỡ tận tình thầy Nguyễn Bá Khá thầy cô môn Đo lường điều khiển giúp đỡ em hoàn thành thời hạn đề tài Do quỹ thời gian hạn hẹp số hạn chế kiến thức thực tế, em cố gắng nhiều để hồn thành tốt tập lớn mình, em mong nhận nhận xét, sửa chữa, góp ý q báu q thầy bạn giúp em hoàn thiện thời gian tới! Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày… tháng…năm 2015 NỘI DUNG Đề Tài: Dùng vi mạch tương tự vi mạch số tính tốn, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0-(100+10*n)0C Đầu ra: Chuẩn hóa đầu với mức điện áp: U=0÷10V 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: - Khi nhiệt độ giới hạn bình thường : t0C=0÷tmax-(10+5*n ) điều khiển đèn sáng liên tục: Thông số đèn 220VAC, 100W - Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C= tmax-(10+5*n) Đóng điện cho quạt chiều 24 VDC, 60W chạy làm mát - Đưa tín hiệu cảnh báo còi đèn sáng nhấp nháy (đèn có thơng số: 24VDC, 24W) với thời gian sáng tối bằng: T0=(5+0,1*a) giây nhiệt độ vượt giá trị : t 0C= tmax-(10+5*n) - 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 PHẦN THUYẾT MINH Yêu cầu bố cục nội dung: (đóng A4, khơng q 25 trang) - 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 tốn mạch cảnh báo còi, đèn nhấp nháy cho LED - Kết luận hướng phát triển Chương 1: Tổng quan mạch đo Tổng quan Vi mạch số ,vi mạch tương tự lĩnh vực khơng mang tới thời nóng bỏng ẩn chứa vơ số điều bí ẩn có sức hấp dẫn lạ kỳ , đă ngày thâm nhập vào đời sống Nhưng thưc tế dạng lượng thường dạng tương tự Do muốn xừ lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Xuất phát từ ý tưởng đó, em đă thưc việc xây dựng mạch điện đo nhiệt độ hiển thị đèn LED Mạch mang tính chất thử nghiệm thưc tế vấn đề chuyển đổi U-I , vấn đề cảnh báo nhiệt độ đèn vấn đề đo lường đại lượng khơng điện điện Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật giải nhiệt độ Phân làm phương pháp : Đo trực tiếp đo gián tiếp +Đo trưc tiếp phương pháp đo chuyển đổi nhiệt điện đươc đặt trực tiếp môi trường cần đo +Đo gián tiếp phương pháp đo dụng cụ đo đặt ngồi mơi trường cần đo(áp dụng với trường hơp đo nhiệt độ cao ) Ta khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo cao.( – 91) Đo nhiệt độ phương pháp trưc tiếp ta lại khảo sát loại nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu nhiệt kế nhiệt điện trở Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biến nhiệt độ Sau ta tìm hiểu phương pháp thường dùng dùng cặp nhiệt ngẫu 1.Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu : Phương pháp đo nhiệt độ cảm biến nhiệt ngẫu dựa sở hiệu ứng nhiệt điện Người ta nhận thấy hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có chất hố học khác nối với mối hàn thành mạch kín nhiệt độ hai mối hàn t t0 khác mạch xuất dòng điện Sức điện động xuất hiệu ứng nhiệt điện gọi sức điện động nhiệt điện Nếu đầu cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, đầu thứ hai để hở hai cực xuất hiệu điện · Nhiệt độ đầu tự t0 đươc trì nhiệt độ chuẩn thực tế thường nhỏ lý thuyết Phương pháp khắc phục :có phương pháp : giữ ổn nhiệt độ đầu đo hoăc dùng thiết bị bù nhiệt Với cách thứ ta việc ngâm đầu đo vào nước đá có cách thứ :khi nhiệt độ tư thay đổi làm cho mạch bù cân dẫn đến việc xuất điện áp bù vào sức điện động bị thay đổi I Hình thành sơ đồ khối Sơ đồ khối Mạch đo gồm có khối : Khối Cảm Biến Mạch Khuếch Đại Mạch So Sánh Khối Chỉ Thị Khối Cảnh Báo Mạch Chuyển Đổi U sang I Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo: Khối Chỉ thị T0 Cảm biến U đặt đổi U sang I KhuếchChuyển đại điện áp Cảnh báo Mạch so sánh 2.Chức khối mạch đo: a, Khối cảm biến : khối cảm biến có chức biến đổi tín hiệu khơng điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng ta dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp b, Khối khuếch đại : có chức khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, tín hiệu điện cảm biến đưa thường bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào mạch điện khác c, Mạch so sánh : có tác dụng so sánh tín hiệu đưa từ khối khuếch đưa khối sau Việc so sánh tín hiệu ứng dụng cho mạch cảnh báo có nhiệt độ d, Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang tín hiệu điện áp để hiển thị e, khối cánh báo : cảnh báo cho người biết nhiệt độ tăng cao so với nhiệt độ cho phép Đó khối dùng mạch đo cảnh báo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở kim loại II Tổng quan mạch đo 1.Mạch đo Đối tượng cần đo đại lượng vật lý, dựa vào đặc tính đại lượng cần đo mà chọn loại cảm biến phù hợp để thực việc biến đổi thông số cần đo thành đại lượng điện hay điện áp 1 U=0÷5V U=0 ÷ 10V U= ÷ -5V I=0÷20mA I=4÷20mA Sau qua bọ lọc khuếch đại tín hiệu Tín hiệu sau hiệu chỉnh chuyển qua chuyển đổi U-I để đưa vào cấu hiển thị 2.Các phương pháp đo nhiệt độ Đo nhiệt độ phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên mơi trường, khơng có điện đại lượng cần đo - Nhiệt độ phân làm nhiều dải để đo: + Dải mức thấp + Dải mức trung bình + Dải mức cao Nhiệt độ đo với cảm biến hỗ trợ + Cặp nhiệt kế + Nhiệt điện kế kim loại + Nhiệt điện trở kim loại + Nhiệt điện trở bán dẫn + Cảm biến thạch anh Mà Do ta chọn giá trị R sau: Ω =20kΩ Ω Ω Chuẩn hóa đầu -5V Để lấy chuẩn hóa đầu -5V Ta thêm khối khuếch đại đảo vào khối chuẩn hóa 5v Ta có: KU=-1 ta chuẩn hóa đầu -5v Chuẩn hóa đầu I=0-20 mV Ta có KUI=-20.10-3 Từ ta chọn R14=500Ω R13=100Ω Chuẩn hóa đầu I=4-20 mV Ta có: Từ ta chọn giá trị điện trở :==1KΩ =312.5 Ω =1312.5 Ω Khối so sánh Mạch so sánh có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện áp khối khuếch đại đem so sánh với Uđặt ,khi Uv>Uđặt mạch xuất điện áp 15V còi kêu báo động,khi Uv< Uđặt mạch xuất 0v theo yêu cầu đề bài: Uv=Uđặt 3250C vậy: Uđặt=6*R18/( R17+R18)=5.64V R18=940 Ω, R17=60 Ω Khối tạo dao động Mạch có nhiệm vụ tạo xung vuông với T=ln2*C1*(R12+R13) (s) Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng tối bằng: T0=(5+0,1*a) giây với a=7 nên tsáng=ttối=5.7(s) Đối với mạch ta sử dụng IC555 để tạo xung vng đưa đèn LED Tính tốn thơng số linh kiện mạch Ta có T=tn+tx=tsáng+ttối =0,69.(R15+R16).C=11.4(s) Cho R15=R16=100kΩ ta suy C=82.6uF +5 v Nguyên lý hoạt động:đầu tiên nhiệt độ chuyển từ tín hiệu khơng điện sang tín hiệu điện nhờ TCK(cặp nhiệt ngẫu).Tín hiệu điện áp nhỏ ta phải khuếch đại đến điện áp tiêu chuẩn 0÷10V 0÷ -5V nhờ mạch khuếch đai dảo khơng đảo.Tín hiệu mạch khuếch đại tín hiệu tiêu chuẩn ,nó đưa vào mạch chuyển đổi U-I để đưa vào cấu thị điện từ.Tín hiệu điện áp đưa vào IC555 để tạo xung vng đưa tín hiệu đèn LED Ngồi tín hiệu điện áp đưa vào mạch so sánh để so sánh với điện áp đặt đưa cảnh o báo loa làm cho quạt chạy nhiệt độ tăng cao 325 C Mạch cảnh báo còi o Nguyên lý:khi vượt mức cảnh báo 325 C Tín hiệu cấp từ khối so sánh vào chân Bcủa Transistor npn, lúc transistor npn thơng Khối relay Có dòng điện qua làm đóng khép kín mạch cấp nguồn cho còi còi kêu Mạch điểu khiển đèn sáng liên tục nhiệt độ bình thường Nguyên lý: o Khi nhiệt độ mức cảnh báo(325 C), dòng điện từ chuẩn áp Đi vào chân B trans, khối relay có dòng qua đóng khép kín mạch đèn sáng Mạch điện quạt chiều: Tương tự mạch còi cảnh báo, vướt mức cảnh báo o 325 C ,khối relay đóng kín mạch ,cấp nguồn cho quạt chạy 4.4 Khối hiển thị Mạch sử dụng ICTC 7107 để chuyển đổi tín hiệuanalog giải mã hiển thị lên Led Trong mạch nàyta sử dụng mạch cộng đảo Uout sau phân ápvà Uacom=2v, sau cho qua mạch khuếch đại đảo, cấp tín hiệu vào chân V in IC Ta biết Uvin thay đổi từ => 5v hiển thị từ 0-999 Dễ dàng tính Uvin=2+3*570/999=3,7117V mạch hiển thị 570 4.5 Khối nguồn Khối nguồn có chức biến đổi nguồn từ 220 xoay chiều thành mức điện áp chiều : 5v,+12v -12vđể cấp nguồn cho cáclinhkiện mạch nguồn 24v cho quạt Nguyênlýmạch sau : Nguồn xoay chiều 220v, f=50hz qua biến áp đối xứng tạo điện áp xoay chiều,sau cho qua diode cầu ta cho vào IC ổn áp ta sử dụng IC ổn áp 7805,7812,7912 7824 để có mức điện áp mong muốn : -12v,12v,5v,24v Với điện áp 24v ta cần có thêm transistor Tip2955 (PNP) dùng để tăng công suất đáp ứng đủ công suất yêu cầu quạt CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong thời gian làm đề tài em biết thêm nhiều kiến thức thực tế ứng dụng kiến thức học Qua chúng em luyện tập khả tư duy, cách thức nghiên cứu, giải vấn đề thực tế Mạch đo nhiệt độ ứng dụng rộng rãi thực tế đo nhiệt độ phòng, đo nhiệt độ để cảnh báo cháy Hạn chế: sai số lớn hệ số Ku khối khuếch đại lớn,thựu tế khó chỉnh điện áp 0V,do điện trở tiến đến vô  Những việc làm được:  Nghiên cứu phương pháp đo nhiệt độ  Thiết kế nguồn cung cấp  Chọn linh kiện thiết kế cho hệ thống  Sơ đồ khối chức sơ đồ mạch đo  Tính toan thiết kế mạch chuẩn hóa  Những việc chưa làm được:  Chưa chỉnh sai số mạch khuếch đại  Mạch chưa tối ưu, sử dụng nhiều thiết bị điện tử Hi vọng mạch nhiều ứng rộng tương lai 33 36 38 39 ... 1.3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ Chương 2: Giới thiệu thiết bị 2.1Các linh kiện có mạch 2.1.1 Cặp nhiệt ngẫu TCJ 2.1.2 Điện trở,biến trở ... trở kim loại + Nhiệt điện trở bán dẫn + Cảm biến thạch anh Chương : Giới thiệu thiết bị I Các linh kiện có mạch Cặp nhiệt ngẫu TCJ Cấu tạo điển hình cặp nhiệt cơng nghiệp Cấu tạo : 1) Vỏ bảo... khơng q nhỏ không lớn Trường hợp vỏ thép mối hàn đầu làm việc tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp Vật liệu chế tạo điện cực 1) Telua 2) Chromel 3) Sắt 4) Đồng 5) Graphit 6) Hợp kim platin-rođi