đồ án thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ bằng cảm biến

Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BÀI TẬP LỚN MÔN VI MẠCH TƯƠNG TỰ
Đề tài: Thiết kế mạch đo nhiệt độ bằng cảm biến sử dụng nhiệt điện trở.

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Bá Khá
Sinh viên thực hiện : Hoàng thị thu Hoài
Lớp : ĐH Điện 3-K6.
Năm 2013
1
Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.
Lời mở đầu
Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển thành một đất 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 nghệp,các lò luyện gang ,sắt, thép
Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương và các môn liên quan nhóm
chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị số
từTrong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của thầy
giáo hướng dẫn “Nguyễn Bá Khá” cùng các thầy cô trong bộ môn
“Đo lường điều khiển” 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!
2
Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.
Chương 1: Tổng quan về mạch đo

-Sơ đồ cấu trúc mạch đo:
-Mạch ổn dòng sử dụng ic thuật toán LM358
-cảm biến : PT100.
- Khuếch đại, so sánh: LM358.
-cảnh báo: đèn, còi.
3
Mạch ổn
dòng
Chuẩn hóa
điện áp
Khối
So
sánh
Khuếch đạiCảm biến
Chỉ thị
Khối cảnh báo
Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.
Chương 2: Giới thiệu các thiết bị chính
1.Cảm biến nhiệt độ Pt100
a.giới thiệu về cảm biến
Cảm biến nhiệt độ PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại
(Resistance Temperature Detector). PT100 được cấu tạo từ kim loại
Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá rị điện
trở khi ở 0oC là 100 Ohm. Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử
dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định. Giá trị điện trở thay đổi tỉ
lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ được tính theo công thức dưới đây.
-Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT100:
Rt = R0 ( 1+ AT+BT2+C(T-100)T3)
Trong đó:
A=3.9083x10-3

B=5.775x10-7
C=-4.183x10-12 ( t<0oC) ,
C=0 ( t>0oC)
4
Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.
b.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PT100(Resistance Temperature Detector))
Điện trở này là một dây kim loại có bọc các đoạn sứ bao quanh toàn bộ dây kim
loại.Phần bao bọc này lại được đặt trong một ống bảo vệ(thermowell) thường có
dạng hình tròn,chỉ đưa 2 đầu dây kim loại ra để kết nối với thiết bị chuyển
đổi.Phần ống bảo vệ sẽ được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ, thông thường can nhiệt
này chỉ đo được nhiệt độ tối đa là 600 độ C.
Hai đầu dây kim loại để chừa ra ở phần ống bảo vệ được kết nối tới một thiết bị gọi
là bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện phục vụ cho việc truyền tới
5
Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.
phòng điều khiển giám sát.Thiết bị chuyển đổi có cấu tạo chẳng qua là một cầu
điện trở có một nhánh chính là Pt100(có điện trở là 100 ôm ở 0 độ C)
Ðáp ứng của RTD không tuyến tính nhưng nó có độ ổn định và chính xác rất cao,
do vậy hay được dùng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Nó thường
được dùng trong khoảng nhiệt độ từ -250 đến +800
0
. Can nhiệt pt100 là kí hiệu
thường được sử dụng để nói đến RTD với hệ số alpha=0.00391 và R0=100 Ohm
1.2 Cách đo Pt100
Cảm biến Pt100 cấu tạo bằng dây kim loại plantium dựa trên nguyên tắc thay
đổi điện trở kim lại theo nhiệt độ( Phương trình Callendar-vab dusen) như sau :
R
T
= R
0

+ R
0
α [ T – δ - ( – 1)() ]
Với:
R
T
: Điện trở ở nhiệt độ T
R
0
=100Ω điện trở ở 0
o
C
α : Hệ số nhiệt độ ở T=0
o
C ( kiểu +0,00391 Ω/ Ω/
o
C)
δ=1,499(kiểu +0,00391 Ω/ Ω/
o
C)
+ Cảm biến Pt100 hoạt động ở 0
o
C thì điện trở là 100Ω.
+ Trong khoảng nhiệt độ từ 0-100
o
C ta tính như sau:
- Cảm biến Pt100 hoạt động ở 0
o
C thì điện trở là 100Ω.
- Trong khoảng nhiệt độ từ 0-100

o
C ta tính như sau:
R
t
= R
0
(1+0,391%T) với sai số nhiệt độ là ±0,5
o
C. tức là cứ tăng 1
o
C thì điện
trở Pt100 tăng 0,391 Ω
6
Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.
1.3 Bảng giá trị điện trở của PT100
7
Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.
8
Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.
2. Khối khuếch đại thuật toán sử dụng LM358
2.1. Cấu tạo LM358


hình ảnh LM358
-LM358 cấu tạo gồm có 2 kênh khuếch đại thuật toán
Kênh 1: chân 2,chân 3 là chân đầu vào và chân 1 là chân đầu ra
Kênh 2: chân 5,chân 6 là chân đầu vào và chân 7 là chân đầu ra
Chân 4 là chân nối với nguồn âm, chân 8 là chân nối nguồn dương
Chương 3 : Tính toán thiết kế mạch đo
9

Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.
3.1Sơ đồ mạch đo :
3.2 Mạch tạo nguồn dòng với dòng 1mA
10
Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.
Chân 8 nối với Vcc=+12V
Chân 4 nối với nguồn âm -12V
Nguôn vào chân 3 là nguồn +5V
Vì nguyên lý hoạt động của cảm biến PT100 là :
Điện trở thay đổi khi nhiệt độ thay đổi nên cần cung cấp 1 nguồn dòng ổn
định chạy qua nó để khi điện trở thay đổi thì điện áp giữa 2 đầu của cảm
biến thay đổi theo tỉ lệ.
Để đo được điện áp với cấp chính xác V ta tạo 1 nguồn dòng 1mA.
Ta có
Up=+5V
OA lý tưởng
 Up=Un=+5v


3.1 Mạch khuếch đại dùng Lm358 với chuẩn hóa đầu ra 0-10v
11
Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.

Ta có
Ku=1+
Vì tín hiệu sau khi đi qua phân áp rất nhỏ nên ta cần đưa qua bộ mạch khuếch đại
để tín hiệu có thế so sánh được với mức logic 0 & 1 tương ứng.
3.2 Mạch cảnh báo sử dụng còi và đèn
12
Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.

Yêu cầu của đề tài : đưa ra cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá giá trị
T=(Tmax-Tmin) /2=250/2=125
Để tạo được bộ cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá giới hạn ta cần phải đưa tín
hiệu đo được vào bộ so sánh để so sánh với tín hiệu đã được chuẩn hóa như hình
vẽ.
Ở đây với mức nhiệt độ cho phép T=1/2 Tmax nên giá trị điện áp đưa qua bộ
khuếch đại sẽ là Ur=1/2Urmax=5v. Vì thế ta cần phải tạo 1 nguồn điện áp chuẩn để
so sánh với giá trị điện áp trả về từ mạch đo. Nguyên lí so sánh của LM358 là :
-nếu Up>Un thì IC trả về mức logic cao tại đầu ra
- nếu Up<Un thì IC trả về mức logic thấp tại đầu ra
13
Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.
Tín hiệu qua bộ khuếch đại là tín hiệu + nên ta sẽ mắc vào ngõ vào P còn tín hiệu
chuẩn hóa sẽ mắc vào ngõ N của OPAM.
Nguyên lí hoạt động :
-Ban đầu nhiệt độ dưới mức cảnh báo thì điện trở của cảm biến nhỏ
và điện áp ở ngõ vào P sẽ nhỏ hơn điện áp ở ngõ vào N nên mức ra của IC sẽ là
LOW chưa đủ kích dẫn cho transistor nên mạch còi và đèn chưa thông.
-Khi nhiệt độ tăng lên thì điện trở của cảm biến PT100 cũng tăng lên
làm điện áp đầu ra tăng theo. Đến khi nhiệt độ vượt quá mức cho phép thi khi đó
điện áp tại ngõ vào bộ so sánh sẽ là Up>Un và ngõ ra là mức cao(HIGHT)
transistor được kích dẫn, dẫn nguồn cho còi kêu và đèn sáng.


14
Bài tập lớn môn vi mạch tương tự.
CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN
4.1 Kết luận:
Với đề tài được giao cùng với sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo Nguyễn
Bá Khá. Em đã cố gắng hoàn thành bài tập lớn trong thời gian quy định. Trong quá

trình thiết kế, do kiến thức còn hạn hẹp và trình độ hiểu biết chuyên môn còn
tương đối hạn chế nên sẽ khó tránh khỏi những sai sót, khuyết điểm. Em rất mong
nhận được sự góp ý và chỉ bảo nhiệt tình từ phía các thầy cô để đề tài được hoàn
thiện hơn.
4.2 Hướng phát triển :
Từ đề tài này có thể phát triển lên, xây dựng nhiều ứng dụng có hiệu quả
trong thực tế. Em đề xuất một số hướng phát triển sau:
+ Thiết kế thêm mạch so sánh để có thể điều khiển thêm thiết bị.
+ Thiết kế mạch hiển thị trên LED 7 thanh hoặc LCD
+ Mạch có thể đảm bảo an toàn khi xảy ra sự cố.
15