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

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 1 – số 03

Hà Nội 2014


2

Lời nói đầu
Tự động hóa ngày nay 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 nhau. Trong đó, cảm biến là một phần
quan trọng không thể thiếu
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.
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 hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!!!


3

Mục lục

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO
1.

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.
2.

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 nhau


4

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CHÍNH
1. Cảm biến nhiệt đô
1.1 Tổng quan về cảm biến nhiệt đô
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị để do nhiệt độ của đối tượng, các cảm
biến này cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ và cho tín hiệu ngõ ra một trong 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 2 đầu dây kim loại tăng
Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay
đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ
nhất định.
d. Đồ thị quan hệ giữa điện trở và nhiệt đô


6


•
•

•




-

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 2 dây, 3 dây và 4 dây.
Lưu ý khi sử dụng:
Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số.
Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu hơn 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 khi 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
2 đầu PT100.

Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm:
Tuyến tính trên 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 3 hoặc 4 dây để đảm bảo độ chính xác cao
2. Khuếch đại thuật toán sử dụng LM385.
2.1 Cấu tạo của môt LM358

Hình 2.1 cấu tạo


7

Hình 2.2 Sơ đồ chân của LM358

-

Một LM 358 có :
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
2.2 Hoạt đông của LM358
LM358 thực hiện nhiệm vụ so sánh tín hiệu vào để đưa ra mức tín
hiệu chuẩn.
Mỗi khi có sự thay đổi điện áp tại chân 3 tín hiệu đầu vào thì nó thực
hiện so sánh điện áp với điện áp chuẩn chân 8 để tạo ra sự biến đổi tín hiệu
đầu ra chân 1.
3, IC 555
IC 555 là linh kiện phổ biến với việc dễ dàng tạo ra 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

8

Các thông số cơ bản của IC 555 có trên thị trường :
+ Điện áp đầu vào: 2 - 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 hơn điện áp so sánh
và được dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp. Mạch so
sánh ở đây 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 ra logic.
Trạng
thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở đây là mức
cao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0
tương đương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V
mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V).
- Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4
nối masse thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao
thì trạng thái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà
trong 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 trong 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 nhưng mà
để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 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 trong những chân đầu vào so sánh
điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.
Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử
và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 .Khi chân 3 ở mức áp
thấp thì khóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả
điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động .
Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và
dòng cho IC hoạt động. Không có chân này coi như IC chết. Nó được
cấp điện áp từ 2V đến 18V (Tùy từng loại 555 thấp nhất là con
NE7555)

Trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp trên 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 trên 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 trên C bằng Vcc/3.Thời gian mức 1 ở ngõ ra
chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện.


10

4, Tranzitor
4.1 cấu tạo
Gồm 2 lớp bán dẫn N và 1 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 1 chiều UCE vào chân C và chân E của tranzitor trong đó
nguồn (+) nối vào C và nguồn (-) nối vào E hoặc nối C với điện áp 1 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 khi IB xuất hiện sẽ có dòng IC chảy
qua mối CE. Dòng IC lớn hơn gấp nhiều lần IB và liên hệ nhau theo công
thức:
IC = β.IB với β là hệ số khuếch đại của tranzitor.


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
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
Vì I ko đổi (nguồn dòng) nên U sẽ 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 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 đọc được luôn giá trị 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 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 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 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: 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 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+ > U- thì đầu ra xuất ra tín hiệu
Nếu U+ < 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: 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 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 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