Đang tải... (xem toàn văn)
Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độGiáo Viên Bộ Môn :TỐNG THỊ LÝSinh viên thực hiện :VŨ THỊ LAN ANHMã sinh viên: 0941040611Lớp: Điện 7K9LỜI NÓI ĐẦUĐất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển trở thành một nước công nghiệp.Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năng xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọng đáng để chú ý.Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn đề đo và điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, các lò luyện gang, sắt, thép...Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương tự vi mạch số và các môn liên quan nhóm chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dung IC cảm biến nhiệt độ.Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của cô giáo hướng dẫn “ Tống Thị Lý ” đã giúp đỡ em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này. Nhưng do lượng kiến thức còn hạn chế nên trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót. Em mong được sự đóng góp của thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn.Em xin chân thành cảm ơn
BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ- VI MẠCH SỐ Số thứ tự:…2………… Họ tên sinh viên: Phạm Văn Bắc Khóa: Lớp: Điện Khoa: Điện NỘI DUNG Đề tài: Ứng dụng Vi mạch tương tự Vi mạch số thiết kế mạch đo cảnh báo hiển thị nhiệt độ Yêu cầu/; o o o Nhiệt độ cần đo: t C= C đến (50+10*N) C Chuẩn hóa đầu ra: 0-20mA Cảnh báo: Đưa tín hiệu đèn nhấp nháy, còi nhiệt độ vượt giá trị cảnh báo: 40+ 10*N Hiển thị nhiệt độ đưa LED N số thứ tự sinh viên danh sách PHẦN THUYẾT MINH Yêu cầu bố cục nội dung: 1/ Tổng quan trình đo nhiệt độ • Tìm hiểu phương pháp đo • Khảo sát đặc tính nhiệt độ cần đo (liên hệ thực tiễn theo nhóm) • Tính chọn cảm biến (cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ chân, dải đo, cấp xác,…) 2/ Thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng VMTT&VMS • Xác định sơ đồ khối cảu hệ thống • Tính chọn khối • Vẽ mạch nguyên lý • Vẽ mạch layout 3/ Xây dựng mô hình phần mềm Proteus/ thực nghiệm 4/ Phân tích nhận xét kết Yêu câu thời gian: Ngày giao đề: 14/10/2016 Ngày hoàn thành: 03/12/2016 Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1.Tổng quan 1.1.1.Khái niệm nhiệt độ Nhiệt độ đại lượng đặc trưng cho cường độ chuyển động nguyên tử, phân tử hệ vật chất Tuỳ theo trạng thái vật chất ( rắn, lỏng, khí) mà chuyển động có khác trạng thái láng, phân tử dao động quanh vi trí cân vi trí cân dịch chuyển làm cho chất lỏng hình dạng định Còn trạng thái rắn, phần tử, nguyên tử dao động xung quanh vị trí cân Các dạng vận động phân tử, nguyên tử gọi chung chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên có trao đổi lượng không sinh công, trình trao đổi lượng nói gọi truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt tuân theo nguyên lý: 1.1.2.Bảo toàn lượng Nhiệt tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất.Ởtrạng thái rắn, truyền nhiệt xảy chủ yếu dẫn nhiệt xạ nhiệt Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc Đối với chất lỏng khí dẫn nhiệt xạ nhiệt có truyền nhiệt đối lưu Đó tượng vận chuyển lượng nhiệt cách vận chuyển phần khối vật chất vùng khác hệ chênh lệch tỉ trọng 1.2.Các thang đo nhiệt độ Từ xa xưa người nhận thức tượng nhiệt đánh giá cường độ cách đo đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo thời kỳ Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng định nghĩa theo vùng,từng thời kỳ phát triển khoa học kỹ thuật xã hội Hiện có thang đo nhiệt độ là: Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ) Thang Celsius ( 0C ): T( 00C ) = T( 0K ) – 273,15 Thang Farhrenheit: T( 00F ) = T( 0K ) – 459,67 Đây thang đo nhiệt độ dùng phổ biến Trong thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) quy định mét đơn vị đo hệ đơn vị quốc tế (SI) Dựa thang đo đánh giá nhiệt độ 1.3.Sử dụng vi mạch tương tự để đo cảnh báo nhiệt độ Vi mạch số ,vi mạch tương tự lĩnh vực mang tới thời nóng bỏng ẩn chứa vô số điều bí ẩn có sức hấp dẫn lạ kỳ , đă ngày thâm nhập vào đời sống Nhưng thực 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 Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc Xuất phát từ ý tưởng đó, em thưc việc xây dựng mạch điện đo nhiệt độ hiển thị đèn LED Mạch mang tính chất thử nghiệm, chưa có tính thưc tế vấn đề chuyển đổi ADC , vấn đề cảnh báo nhiệt độ đèn vấn đề đo lường đại lượng không điện điện 1.3.1.Biến nhiệt thành 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 môi trường cần đo(áp dụng vơi trường hơp đo nhiệt độ cao ) Ta khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo cao.Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = (50+n)0C n: số thứ tự sinh viên danh sách 1.4 Lựa chọn cảm biến 1.4.1 Giới thiệu IC cảm biến nhiệt LM35 Hình ảnh IC LM35 Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc Sơ đồ chân LM35: Chân 1: Chân nguồn Vcc Chân 2: Đầu Vout Chân 3: GND Cảm biến LM 35 cảm biến nhiệt mạch tích hợp xác cao mà điện áp đầu tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng không yêu cầu cân chỉnh vốn chúng cân chỉnh Đặc điểm cảm biến LM35 + Điện áp đầu vào từ 0V đến 10V + Độ phân giải điện áp đầu 10mV/oC + Độ xác cao 25 C 0.5 oC + Trở kháng đầu thấp 0.1 cho 1mA tải Dải nhiệt độ đo LM35 từ 0o C – 150o C với mức điện áp khác Xét số mức điện áp sau Tùy theo cách mắc LM35 để ta đo giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ thống đo từ 0oC đến 141 oC LM35 có chân : chân cấp nguồn chân xuất điện áp tùy theo nhiệt độ Nhiệt độ tăng 1C điện áp xuất chân out LM35 tăng 10mV Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc 1.4.2.Opam 741 Op Amp công cụ có nhiều chức Khuếch đại hiệu hai điện nhập Khuếch đại tin hiệu điện So sánh hai điện nhập Khi V+ > V- Khi V+ < V- Khi V+ = V- 1.4.3 IC TC7107 TC7107 chuyển đổi A/D công suât thấp, hiển thị tốt Bao gôm giải mã Led thanh, thị, tạo chuẩn, tạo xung đồng hồ Nguyên tắc hoạt động: cao Không ảnh hưởng nhiễu Không cần mạch lấy mẫu mạch giữ Tích hợp đồng hồ Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc Không cần thành phần ngoại vi có độ xác cao Kết hiển thị led đoạn DISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF 1.4.4 IC 555 Bên vi mạch 555 có 20 transistor nhiều điện trở thực chức hình : Cấu trúc bên LM 555 Nguyên lí hoạt động : Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc Chân số : (GND) Cho nối mass để lấy dòng cấp cho IC , dòng điện từ mas chảy vào IC Chân sô 2: (Trigger Input ) Ngõ vào tầng, mức áp chuẩn 1/3 Vcc, lấy cầu phân áp tạo ba điện trở 5K.Khi mức áp chân xuống đến mức (1/3)Vcc chân chuyển lên mức cao, lúc khóa điện tử chân số 7sẽ hở Chân số 3: (Output) Ngõ tín hiệu dạng xung (mức áp không thấp cao) Chân số :(Reset) Xác lập trạng thái ngõ Khi chân số cho nối mass chân số chốt mức áp thấp , chân số đặt mức áp cao ngõ chân tự lúc cao lúc thấp Chân số 5:(Control Voltage) Chân điều khiển ,chân làm thay đổi mức điện áp chuẩn trên cầu chia volt Chân số 6: (Threshold) Ngõ vào tầng so với áp 1.Có mức áp chuẩn 2/3 Vcc Chân số 7: (Dirchange) Chân xả điện, chân ngõ khóa điên (tranistor) khóa điện đóng mở theo mức áp chân số Khi chân mức áp cao khóa điện đóng lại cho dòng chay qua, ngược lại khóa điện hở cắt dòng Chân số 8: (+Vcc) Chân nguồn nối vào nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC 555 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG VMTT&VMS Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc Xác định sơ đồ khối cảu hệ thống 2.1.Ý tưởng thiết kế 2.1.1.Yêu cầu đề tài Nhiệt độ cần đo: to C= 0o C đến (50+10*N)oC Chuẩn hóa đầu ra: 0-20mA Cảnh báo: Đưa tín hiệu đèn nhấp nháy, còi nhiệt độ vượt giá trị cảnh báo: 40+ 10*N Hiển thị nhiệt độ đưa LED N số thứ tự sinh viên danh sách 2.1.2.Sơ đồ khối hệ thống thiết kế Nguồn Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc Chuyển đổi U-I Giá trị đặt Truyền tải xa Cảm biến Khuếch đại đo lường ADC Hiển thị So sánh Nhấp nháy Cảnh báo Tạo xung Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc 10 2.1.3.Nhiệm vụ khối: - Khối nguồn :cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động , tất thiết bị ba nguồn +12v - 12v +5v -Khối cảm biến khuếch đại đo lường : cảm biến nhiệt độ biến nhiệt thành điện mức vài mV cho vào khuếch cho điện áp chuẩn -Khối chuyển đổi U-I : chuyển đổi từ điện áp sang dòng điện với mục đích truyền tải xa -Khối ADC hiển thị : chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số đưa hình để hiển thị kết đo - Khối so sánh: so sánh với điện áp đặt trước đưa tín hiệu dung để báo động nhiệt độ cho phép - Khối nhấp nháy : thực nhiệm vụ nhấp nháy với thời gian đặt trước nhiệt độ mức cho phép - Cảnh báo : thực chức báo động nhiệt độ vượt ngưỡng cho -Khối tạo xung: tạo xung vuông cấp cho khối nhấp nháy Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc 11 2.2.Các thông số tập lớn STT danh sách em Vậy N = 2; Dải đo từ: to C= 0o C đến (50+10*N)oC hay t0C =00C ÷ tmax = 700C 2tmax/3 = 2.160/3=46.70C T= (1+0,5.1) = 1.5(s) Ta coi tất giá trị tuyến tính phép toán thực giá trị max Ucb=3.6V U0=-5V 2.3.Tính toán, thiết kế khối cảm biến khuếch đại Điện áp hai chân cảm biến VOUT cấp nguồn +5V: Khi cấp vào khối hiển thị điện chân khác điện áp chân không thay đổi Ucb =10.t(mV) Với t = 00C → Ucb=0V Với t = 700C→ Ucb=10.70.10-3=0.70V Chọn đầu điện áp chuẩn hóa để tiến hành chuẩn hóa khối báo động khối chuẩn hóa dòng từ 0- 20mA: Ucb= ÷ -5V to từ 0o đến 70oC Vậy sơ đồ mạch khuếch đại hình vẽ: Ta có: U0= 1cb với V1cb=3.6V U0=-5V Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc 12 →R2= chọn R1=10kΩ R2= 13.889 kΩ Vậy thay R2 điện trở 10kΩ nối tiếp với biến trở 5kΩ 2.4.Tính toán thiết kế khối chuyển đổi U-I Đầu vào U0 đầu đưa chuẩn I=0÷20mA Ta có chuyển đổi U-I đảo KUI 2.5.Tính toán, thiết kế khối ADC hiển thị Ta có DISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF Nối VREF+ với nguồn 5V đầu vào VIN+ phải đưa từ 5,000V đến 5,070V Vậy với VIN+ thay đổi từ 3,000V đến 3,07V LED hiển thị từ 0000C tới 700C 2.6.Tính toán thiết kế khối so sánh Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc 13 Tín hiệu Uo tín hiệu âm sử dụng khuếch đại đảo có K=-1 để chuyển tín hiệu tín hiệu dương trước cho vào so sánh với giá trị đặt trước Với 2tmax/3=(2.160)/3=106,70C tín hiệu Uo=-3,33V lấy 3,33V giá trị cần so sánh K=-1 chọn R6=R7=1kΩ Khi t46,70C U13,33V tín hiệu so sánh mức thấp Khi t46,70C U13,33V tín hiệu so sánh mức cao Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc 14 2.7.Tính toán thiết kế khối cảnh báo Khi t106,70C tín hiệu so sánh mức thấp Đầu cổng AND mức thấp, transis Q1 không hoạt động, đèn loa cảnh báo chưa có tượng Khi t106,70C tín hiệu so sánh mức cao Đầu cổng AND mức cao, transis Q1 hoạt động, đèn loa cảnh báo hoạt động 2.8.Tính toán thiết kế khối tạo xung khối nhấp nháy Chu kỳ tạo xung: T=Tn+Tx=1,5+1,5=3s Thông thường mạch dao động ta có công thức tính thời gian ngưng dẫn transistor : T = RCln2 =0,693 RC Tn = Tx=0,693.R8.C5=0,693.R9.C5=1,5 →R8=R9= Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc 15 Chọn C5 = 470F→R8=R9= Khi t106,70C tín hiệu so sánh mức thấp Đầu cổng NOT mức cao, đầu cổng AND theo tín hiệu xung nhịp tạo xung làm cho đèn LED nhấp nháy theo tín hiệu xung với thời gian tối sang 3s Khi t106,70C tín hiệu so sánh mức cao Đầu cổng NOT mức thấp, tín hiệu cổng AND mức thấp đèn LED không hoạt động 2.9 Khối chuấn hóa từ 0-10v Ta có: ( chọn R19=1kΩ R18.=553,32kΩ Vậy thay R18 VR4 550kΩ Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc 16 Hình 3.9 khối chuẩn hóa từ 0-10v 2.10 Khối chuẩn hóa từ 4-20mA Hình 3.10 khối chuẩn hóa từ 4-20mA Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc 17 Ta có:U1 thay đổi từ VIN+ thay đổi từ đầu IL thay đổi từ 4mA20mA 2.11.Sơ đồ toàn mạch thiết kế 2.12.Tính toán thiết kế mạch nguồn Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc 18 Trong thiết kế có sử dụng nguồn , nguồn cấp sử dụng từ mạng lưới điện xoay chiều 220V/50Hz ta có mạch nguồn sau: 2.13 Kết luận Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc 19 Quá trình đo lường dùng cảm biến nhiệt độ với mạch đơn giản nhiều bất cập, mạch đơn giản để cấu đo xác ta nên kết hợp với vi mạch số, vi xử lý vi điều khiển để hiển trực quan số dễ đọc trình điều khiển cảnh báo dễ dàng ứng dụng với vi mạch số vi mạch điều khiển ta dùng cảm biến nhiệt độ ứng dụng vào mạch mạch báo cháy tự động, mạch đo nhiệt độ lò nung, điều khiển điều hòa không khí, hay lò ấp trứng, nhà bảo quản lạnh … Trong trình làm em nhiều bất cập thiếu sót mong thầy cô giáo thông cảm, em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn giúp đỡ em trình làm tập lớn !!! Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh viên: Phạm Văn Bắc 20 ... thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) quy định mét đơn vị đo hệ đơn vị quốc tế (SI) Dựa thang đo đánh giá nhiệt độ 1.3.Sử dụng vi mạch tương tự để đo cảnh báo nhiệt độ Vi mạch số ,vi mạch tương tự lĩnh... dễ đọc trình điều khiển cảnh báo dễ dàng ứng dụng với vi mạch số vi mạch điều khiển ta dùng cảm biến nhiệt độ ứng dụng vào mạch mạch báo cháy tự động, mạch đo nhiệt độ lò nung, điều khiển điều... cắt dòng Chân số 8: (+Vcc) Chân nguồn nối vào nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC 555 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG VMTT&VMS Bài tập lớn Vmtt& Vms Sinh vi n: Phạm Văn