Dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo, thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt (tự lựa chọn thông số lò nhiệt)

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIÊP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN
VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ
ĐỀ TÀI: Dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh
báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại (ví dụ: Pt, Cu, Zn).
Giáo viên hướng dẫn:

NGUYỄN BÁ KHÁ

Sinh viên thực hiện:
Mã sv:

1041240149

Lớp:

TỰ ĐỘNG HÓA 2 –K10


Bộ Công Thương

Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc

BÀI TẬP LỚN

VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ
Họ và tên sv: Kiều Hiền Lương
Nhóm số 3: n=49 và a=9 ; T0=(5+0,5*a)=9.5s ; t0C=0÷tmax-(10+2*a)=0÷710C.
Lớp :TĐH2 –K10

NỘI DUNG
Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo, thiết kế bộ điều khiển PID
để điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt (tự lựa chọn thông số lò nhiệt)
Nhiệt độ lò có dải nhiệ độ từ: t0C =00C ÷ tmax = 0 ÷ (50 + n)0C..

Yêu cầu: -

Chuẩn hóa đầu ra của mạch đo nhiệt độ :
1. U=0 ÷ 5V; U= 0 ÷ -5V
2. I=0÷20mA; I=4÷20mA
1. Vẽ sơ đồ khối hệ thống
2. Dùng phần mềm mô phỏng (hoặc mạch thực tế) thiết kế mạch đảm bảo:
- Dùng cảm biến IC đo nhiệt độ
- Tính toán thông số bộ điều khiển PID
- Tính toán các mạch chuẩn hóa nhiệt độ
- Vẽ mạch nguyên lý hệ thống
- Khi hệ thống không dùng bộ điều khiển PID và mạch phản hồi: Tính toán mạch đo và
cảnh báo:
+ Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C= t0C=0÷tmax-(10+2*a) . Đóng điện cho hệ thống quạt làm
mát sử dụng động cơ KĐB xoay chiều 3 pha 220V/380V= /Y, P=750W chạy làm mát.
+ Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi và đèn sáng nhấp nháy (đèn U=48VDC, 30W) với
thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: T0=(5+0,5*a) giây khi nhiệt độ vượt giá trị :
t0C= tmax-(10+2*a)
+ Dùng LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ.
Trong đó: a: chữ số hàng đơn vị của danh sách (ví dụ: STT=3a=3; STT=10a=0).

n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách.


PHẦN THUYẾT MINH
Yêu cầu về bố cục nội dung: (đóng quyển A4, không quá 35 trang)
Chương 1: Tổng quan về mạch đo
Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính
Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo
- Tính toán, lựa chọn cảm biến
- Tính toán, thiết kế mạch đo
- Lựa chọn nguồn cung cấp.
- Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa
- Tính toán mạch nhấp nháy cho LED
- ..
Kết luận và hướng phát triển


Lời Nói Đầu
Trong thực tế công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày, năng lượng nhiệt đóng một
vai trò rất quan trọng. Năng lượng nhiệt có thể được dùng trong các quá trình
công nghệ khác nhau như nung nấu vật liệu: nấu gang thép, khuôn đúc...Vì vậy
việc sử dụng nguồn năng lượng này một cách hợp lý và hiệu quả là rất cần thiết.
Lò điện trở được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp vì đáp ứng được nhiều
yêu cầu thực tiễn đặt ra. Ở lò điện trở, yêu cầu kỹ thuật quan trọng nhất là phải
điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ của lò. Chúng em chọn làm đề tài “
Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nhiệt điện trở dùng PID” trên cơ sở
những lý thuyết đã học được chủ yếu trong môn học lý thuyết điều khiển, kèm
theo đó là kiến thức của các môn học cơ sở ngành và các môn học có liên quan
như Kỹ thuật cảm biến, Cơ sở kỹ thuật đo … Vì lý do lượng kiến thức còn hạn
hẹp và đây là lần đầu tiên được tự làm nghiên cứu đề tài nên trong quá trình làm

chúng em còn gặp nhiều khó khăn, khúc mắc chưa rõ và chưa giải quyết được.


MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan về mạch đo
 1.Khái niệm về nhiệt độ và các phương pháp đo nhiệt độ.
o 1.1Các thang đo nhiệt độ.
o 1.2Đo nhiệt độ bằng phương pháp trực tiếp
o 1.3Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc
Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính
 1.Giới thiệu về cảm biến nhiệt điện trở.
 2.Giới thiệu các loại linh kiện sử dụng trong mạch.
o 2.1Giới thiệu về IC 78xx và 79xx .
o 2.2. Giới thiệu về IC 555
o 2.3.LED 7 thanh
o 2.4.LED.
o 2.5.Transistor.
o 2.6.Điện trở, tụ điện.
o 2.7.Còi báo.
o 2.8 Relay.
 3. Giới thiệu về một số khuếch đại thuật toán (KĐTT)
o 3.1.Khái niệm.
o 3.2.Khuếch đại thuật toán lý tưởng.
o 3.3.Các mạch khuếch đại cơ bản dùng KĐTT.
 4.Giới thiệu về TC7107.
CHƯƠNG 3 :Thiết kế mạch đo và điều khiển nhiệt độ bằng PID
 1.Xác định sơ đồ khối của hệ thống.
o 1.1 Sơ đồ khối.
o 1.2Vai trò tác dụng của các khối.

 2.Tính chọn các khối.
o 2.1Khối cảm biến.
o 2.2 Khối khuếch đại chuẩn hóa đầu ra.
 Chuẩn hóa điện áp 0-5v.
 Chuẩn hóa điện áp 0-(-5)v.
 Chuẩn hóa dòng điện 0-20mA.
 Chuẩn hóa dòng điện 4-20mA.
o 2.3 Khối so sánh.
o 2.4Khối cảnh báo.
o 2.5 Khối tạo dao động.
o 2.6 Khối relay.
o 2.7 Khối hiển thị.
o 2.8 Khối nguồn

Chương 1: Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ
1.Khái niệm về nhiệt độ và các phương pháp đo nhiệt độ.
Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên
tử, phân tử của một hệ vật chất.


1.1 Thang đo nhiệt độ:
Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độ của
nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ.Có nhiều đơn
vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng,từng thời kỳ phát triển của khoa
học kỹ thuật và xã hội. Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độ chính là:
1-

Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).

2-

Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15.

3-

Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67.

Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay.Trong đó thang đo
nhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị quốc
tế (SI).Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ.
1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc.
Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếpxúc. Có hai
loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu. Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở
và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt
tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo. Đối với môi trường khí hoặc nước, chuyển đổi
được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vào
vật,nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn hao nhiệt, nhất là với vật
dẫn nhiệt kém. Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt.Khi
đo nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần
đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài.

1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc.
Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối,tức là vật hấp
thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất. Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặc
trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diện tích
của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng.


Chương 2: Tổng quan về bộ điều khiển PID

Một hệ thống điều khiển PID nói chung đều có mô hình tổng quan dưới dạng:

Quá trình điều khiển theo mô hình trên là một quá trình khép kín. Giá trị
setpoint- SP là giá trị đặt trước mà hệ thống phải làm việc xung quanh giá trị đó
tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng của hệ thống. Việc đảm bảo tính ổn định cũng
như chất lượng của hệ thống thực chất là đưa hệ thống luôn bám sát SP với độ
sai lệch nhỏ nhất và thời gian quá độ nhanhnhất.
Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: Tỉ lệ (P), Vi phân (D), Tích phân (I).
Mỗi thành phần có tác động khác nhau tới quá trình điều khiển của hệ thống.
Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần : tỉ lệ (p), vi phân (D), tích phân (I)
- Thành phần tỉ lệ P
Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ sai lệch (e)
Phương trinh sai phân mô tả động học:
u(t) = Km .e(t)
Trong đó: u(t) tín hiệu ra của bộ điều khiển


e(t) tín hiệu vào
km hệ số khuyêch đại của bộ điều khiển
- Thành phần tích phân (I)
Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tích phân tín hiệu sai lệch e(t)
Phương trình vi phân mô tả dộng học:
U(t)=k =
Trong đó: U(t) tín hiệu điều khiển
e(t) tín hiệu của bộ điều khiển
Ti hắng số thời gian tích phân
-Thành phần vi phân (D)
Tín hiệu của bộ điều khiển tỉ lệ với vi phân tín hiệu sai lệch e(t)
Phương trình vi phân:
U(t)=Td.

Trong đó: e(t) tín hiệu vào của bộ điều khiển
U(t) tín hiệu điều khiển
Td hằng số thời gian vi phân
- Phương trình vi phân mô tả tín hiệu vào ra PID:
U(t) = kp
- Hàm truyền đạt của PID:
W(p) = Kp (1+ +Td.p)
trong đó: e(t) tín hiệu vao của bộ điều khiển
U(t) tín hiệu ra của bọ điều khiển
Kp hệ số khuyêch đại
Td hằng số thời gian vi phân
Ti hằng số thời gian tích phân


-Các phương pháp xách định tham số kp , Ti , Td
Cấu trúc:

Hàm truyền đạt:
G(p) = Kp (1+ +TD.p)
Mô hình:
+ kp thay đổi trực tiếp giá trị tín hiệu
ra => thay đổi sai lệch tĩnh đáp ứng
nhanh,bị ảnh hưởng bởi nhiễu ở mọi
tàn số
+ Ti sai lệch tĩnh bằng 0 khi hệ được
kích thích bằng tín hiệu ,hằng giảm độ
quá điều chỉnh
+ TD phản ứng nhanh với sự thay đổi
của e(t), tăng độ quá điều chỉnh, nhạy
cảm với nhiễu tần số cao

-Xác định tần số bằng thực nghiệm: công thức Zigler-Nichol
Hàm truyền: Gcs =kp+ kDs = Kp (1+ +TD.s)
-Đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dang chữ S (ví dụ :nhiệt đọ lò
nhiệt)


-Kháo sát hàm truyền lò nhiệt:

a,đặc tính chính xác
-Hàm truyền gần đúng lò nhiệt:

b, đặc tính gần đúng
G(s) =

-Do tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị( P = 100 %) nên: R(s) =
Tín hiệu ra gần đúng là hàm: C(t) = f(t – T1)
Trong đó :

f(t) = K(1 - )

Biến đổi laplace ta được: F(s) =
Áp dụng định lí chậm chễ ta được: C(s) = K/s(1+T2s)
Vậy ta có hàm truyền lò nhiệt: G(s) = K/(1+T2s)
-Xác định kp ,Ti , TD
+ Sử dụng P :

kp = T2/T1k

+ Sử dụng PI :

kp=0.9T2/T1k , Ti =T1/0.3

+ Sử dụng PID : kp=1,2 T2/T1k , Ti =2T1 ,TD = 0.5T1

Chương 3 : Xác định sơ đồ khối hệ thống
3.1 Sơ đồ khối hệ thống
Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì phụ thuộc vào đặc tính của đại
lượng cần đo, điều kiện đo, cũng như độ chính xác yêu cầu của một phép đo mà ta có


thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của hệ thống đo lường khác nhau
trên cơ sở của các hệ thống đo lường khác nhau.
Sơ đồ khối đo:

Khối nguồn
Mạch
khuếch đại,
chuẩn hóa

Cảm
Biến

Bộ chuyển
đổi tín hiệu
tương tự
sang số
Mạch so
sánh,
cảnh báo

Chỉ thị

LED 7
thanh

Bộ giải
mã

Khối cảnh báo

Khối relay

3.2 Vai trò tác dụng của các khối.
 Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu ra cho các mạch so sánh, khuếch đại.
 Khối khuếch đại : khuếch đại và chuẩn hóa các điện áp, dòng điện theo yêu cầu
bài toán.
 Chỉ thị : là các ammeter hoặc vonmeter hiển thị dòng hoặc áp sau chuẩn hóa.
 Khối so sánh : so sánh điện áp đầu ra của cảm biến với điện áp đặt, để đưa ra
cảnh báo và để LED nhấp nháy, đóng mở relay cấp điện cho quạt, đèn.
 Khối cảnh báo: bao gồm led, còi. Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ cho phép còi báo
sẽ kêu, đèn led sẽ nháy.


 Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC): để chuyển tín hiệu giá trị Volt
đầu ra của cảm biến mã hóa thành hệ nhị phân.
 Bộ giải mã: Để giải mã tín hiệu từ ADC ra LED 7 thanh.
 LED 7 thanh: Hiển thị giá trị nhiệt độ tương ứng trên cảm biến.
 Khối relay: đóng mở relay tùy theo đâu ra mạch so sánh.
 Khối nguồn: tạo nguồn cấp cho mạch.

CHƯƠNG 3 : Giới thiệu về các thiết bị chính
1.Cảm biến đo nhiệt độ
+ Trong bài này em sử dung j cảm biến đo nhiệt độ LM 35
+ Giới thiệu về LM 35
- Đơn vị nhiệt độ: °C.
Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C
Điện áp hoạt động: 4 - 30V
Dải nhiệt độ: -55°C tới 150°

-

LM35 là một cảm biến nhiệt độ analog, nhiệt độ được xác định bằng cách
đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35.LM35 không cần phải canh chỉnh nhiệt độ khi sử
dụng. Cảm biến nhiệt độ LM35 có độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và
3/4°C ngoài khoảng -55°C tới 150°C. LM35 có hiệu năng cao, công suất tiêu thụ là
60uA.
Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho ra một giá trị hiệu điện thế nhất định tại
chân Vout (chân giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ. Như vậy, bằng cách đưa vào chân
bên trái của cảm biến LM35 hiệu điện thế 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện thế ở
chân giữa bằng các pin A0 trên arduino, bạn sẽ có được nhiệt độ (0-100ºC).
Với LM35, bạn có thể tự tạo cho mình mạch cảm biến nhiệt độ sử dụng LM35 và
tự động ngắt điện khi nhiệt độ vượt ngưỡng tối đa, đóng điện khi nhiệt độ thấp hơn
ngưỡng tối thiểu thông qua module rơ le...


- Sơ đồ kết nối LM35

2.Giới thiệu các loại linh kiện.
2.1.Giới thiệu về IC 78xx,79xx ( IC ổn áp)

Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao,sử dụng IC ổn áp
thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản.Các loại ổn áp thường
được sử dụng là IC 78xx,79xx.
Chức năng: IC thuộc họ LM78xx và LM79xx mạch tích hợp có chức năng tạo điện
áp ra một chiều ổn định khi mức điện áp đầu vào thay đổi, với xx là điện áp ra tương
ứng. vd: LM7812 có Vout=+12V; LM7912 có Vout=-12V.

LM7805 ( kiểu chân TO220):
(1-IN, 2-GND, 3-OUT)


Thông số kỹ thuật:
Thông số
Điện áp đầu vào

LM7812
14.5V ÷ 35V

Điện áp đầu ra
Dòng diện đầu ra (Max)
Nhiệt độ hoạt động

LM7912
-14.5V-35V

LM7805
8V÷30V

+12V

-12V

+5V

1A

1A

1A

-40o C ÷ 125 o C

-40o C ÷ 125 o C

-40o C ÷ 125 o C

Khi kết nối mạch điện, do nhiều nguyên nhân người dùng dễ nhầm lẫn cực tính của
nguồn cung cấp khi đấu nối vào mạch, trong trường hợp này rất dễ ảnh hưởng đến các
linh kiện trên board mạch.Vì lí do đó gắn nối tiếp 1 diode có dòng phù hợp trước chân
IN của LM7805 để tránh gây hư hại các linh kiện phía sau khi lắp ngược cực.
2.2. Giới thiệu về IC 555
Chức năng: IC 555 là một mạch tích hợp, được sử dụng khá phổ biến trong việc tạo ra
xung vuông điện áp không yêu cầu về độ chính xác cao cũng như tần số lớn.
Sơ đồ các khối, chân NE555:

Hình 2.4: Hình ảnh thực tế, sơ đồ chân và sơ đồ khối của NE555
 Chân1 (GND):chonốiGNDđểlấynguồncấp choIChaychâncòngọilàchânchung.


 Chân2 (TRIGGER):đâylàchânđầuvàothấp hơnđiệnápsosánhvà đượcdùngnhư1 chân

chốthayngõvàocủa1tầnsoáp.Mạchsosanhở đâydùngcáctransitorPNP vớimứcđiệnáp
chuẩn2/3Vcc.
 Chân3 (OUTPUT):chânnàylàchândùngđể lấytínhiệuralogic.Trạngtháicủatínhiệura
được xácđịnhtheomức0 và1. 1 ởđâylàmức cáonótươngứnggầnbằngVccnếu
(PWM=100%)vàmức0 tươngđươngvới 0V nhưngtrongthựctếnókhôngđượcở
mức0Vmànótrongkhoảng(0.35- >0,75V).
 Chân4 (RESET):dùnglậpđịnhmứctrạngthái ra.Khichânsố 4 nốimassethìngõraở
mứcthấp. Cònkhichân4 nốivàomức caothì trạngtháingõ raphụthuộcvàođiệnápchân2
vàchân6 .Trongmạchđể tạođượcdao độngthườngnốichânnàylênVcc.
 Chân5 (CANTROLVOLTAGE):dùngthayđổi mức áp chuẩntrongIC555theo các
mứcbiểnápngoàihaydùngcác
điệntrở
ngoàinốiGND.Chân
này
có
thểkhôngnốicũngđược nhưngđểgiảmtrừnhiễungườita thườngnốichân5 xuốngGND
thôngquatụđiệntừ0.01uF nàylọcnhiễuvàgiữchođiệnápchuẩnđược ổnđịnh.
 Chân6 (THRESHOLD):làmột trongnhững
chânđầuvàososánhđiệnápkhácvàcũngđượcdùngnhư1 chânchốtdữliệu.
 Chân7
(DISCHAGER):cóthểxemchânnày
như1
khóađiệntửvàchịuđiềukhiểnbởitầnglogiccủachân3.
Khichân3
ở
mứcđiệnápthấpthìkhóanàyđónglại,
ngượclạithì
nómởra.Chân7
tựnạpxảđiệnchomạchRClúcIC555 dùngnhư1 tầngdaođộng.
 Chân8(VCC):đâylàchâncungcấp áp vàdòng choIChoạtđộng.

Thông số kỹ thuật:
5 - Nguồn hỗ trợ: +18V.
6 - Công suất tiêu thụ: 600mW.
7 - Nhiệt độ hoạt động: 0 o C ÷70 o C.
2.3.LED 7 thanh.

Hình 11: LED 7 thanh.


Chức năng: Led 7 thanh là một linh kiện được sử dụng khá là phổ biến trong các mạch
điện tử hiển thị số. Tùy vào nhu cầu hiển thị mà người ta chia thành các loại led khác
nhau: led đơn, led đôi, led ba,… theo cách kết nối: led 7 thanh kiểu Anot chung, led 7
thanh kiểu Catot chung.
2.4.LED.
Là thiết bị dùng để báo sáng nhấp nháy khi mạch đo thấy nhiệt độ trong phạm vi
cho phép.

Hình 12: LED.

2.5.Transistor

Hình 13 : transistor
Transitor hay còn gọi là bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình
thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận,
nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược.
*Nguyên lý hoạt động:
Muốn cho tranzito làm việc ta phải cung cấp cho các chân cực của nó một điện áp
một chiều thích hợp. Có ba chế độ làm việc của tranzito là: chế độ tích cực (hay chế độ

khuếch đại), chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa. Cả hai loại tranzito P-N-P và N-P-N
đều có nguyên lý làm việc giống nhau, chỉ có chiều nguồn điện cung cấp vào các chân
cực là ngược dấu nhau.
- Chế độ ngắt: Cung cấp nguồn điện sao cho hai tiếp xúc P-N đều phân cực ngược.
Tranzito có điện trở rất lớn và chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua nên tranzito coi
như không dẫn điện.
- Chế độ dẫn bão hòa: Cung cấp nguồn điện sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều phân
cực thuận. Tranzito có điện trở rất nhỏ và dòng điện qua nó là khá lớn. Ở chế độ ngắt và
chế độ dẫn bão hòa, tranzito làm việc như một phần tử tuyến tính trong mạch điện. Ở
chế độ này tranzito như một khóa điện tử và nó được sử dụng trong các mạch xung, các
mạch số.
- Chế độ tích cực: Ta cấp nguồn điện sao cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận, và
tiếp xúc góp TC phân cực ngược. Ở chế độ tích cực, tranzito làm việc với quá trình biến
đổi tín hiệu dòng điện, điện áp, hay công suất và nó có khả năng tạo dao động khuếch
đại tín hiệu.

2.6.Điện trở, tụ điện.

Hình 14: Điện trở và tụ điện.


-

Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp

chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở
có trị số khác nhau.
Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được
ngăn cách bởi điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất
hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.

Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện
trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự
tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch
điện xoay chiều.
2.7.Còi báo.
Còi báo làm nhiệm vụ phát tín hiệu âm thanh báo động khi xảy ra sự cố nhiệt độ
tăng quá giới hạn cho phé

Hình 15: Còi báo động.

2.8.relay.

Hình 16: relay và cấu tạo
Rơle (relay) là một chuyển mạch hoạt động bằng điện. Dòng điện chạy qua cuộn dây của
rơle tạo ra một từ trường hút lõi sắt non làm thay đổi công tắc chuyển mạch. Dòng điện
qua cuộn dây có thể được bật hoặc tắt vì thế rơle có hai vị trí chuyển mạch qua lại.
Các chân đấu nối và chân chuyển mạch của rơle thường được ký hiệu là COM (POLE),
NC và NO.


+ NC là điểm thường đóng, chân COM/POLE được kết nối với NC khi cuộn dây rơle
không nhiễm từ (khi 2 đầu cuộn dây không được cấp điện).
+NO = là điểm thường mở, COM/POLE được kết nối với NO khi cuộn dây rơle được từ
hóa (được cấp điện).
+Hai chân A, B là 2 đầu của cuộn dây (nơi cấp nguồn nuôi cuộn hút).
3. Giới thiệu về một số khuếch đại thuật toán (KĐTT)
*Khái niệm.
Khuếch đại có nghĩa là dùng năng lượng nhỏ làm thay đổi một năng lượng lớn
khác. Năng lượng nhỏ gọi là năng lượng điều khiển.Năng lượng lớn gọi là năng lượng
bị điều khiển.

Bộ KĐTT cũng như các bộ khuếch đại thông thường khác đều dùng để khuếch đại
điện áp,dòng điện và công suất.Tính ưu việt của bộ KĐTT là tác dụng của mạch điện có
bộ KĐTT có thể thay đổi được dễ dàng bằng việc thay đổi các phần tử mạch ngoài (coi
bộ KĐTT như hộp đen).Để thực hiện được điều đó, bộ KĐTT phải có các đặc tính co
bản là :hệ số khuếch đại lớn, trở kháng cửa vào rất lớn và trở kháng ra của nó rất nhỏ.
Trước đây, bộ KĐTT thường được sử dụng trong việc thực hiện các phép toán giải
tích ở các máy tính tương tự,nên được gọi là KĐTT.Ngày nay, KĐTT được sử dụng
rộng rãi, đặc biệt là trong kỹ thuật đo lường và điều khiển.
Do công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử ngày càng phát triển, nên đã chế tạo
được các mạch tích hợp(các vi mạch- IC) của KĐTT gần lý tưởng. Và các vi mạch
KĐTT trong các mạch điện tử đơn giản cũng được coi là lý tưởng. Tuy nhiên, các vi
mạch KĐTT luôn có các thông số thực là hữu hạn.
*Khuếch đại thuật toán lý tưởng
KĐTT được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hay công suất ,để thiết kế các
mạch điện tử chức năng. Một KĐTT được ký hiệu như hình dưới đây:


: Ngõ vào đảo.
: Ngõ vào không đảo.
+Ecc: Ngõ cấp điện áp dương
-Ecc: Ngõ cấp điện áp âm
: Tín hiệu cửa ra
KĐTT lý tưởng có trở kháng vào vô cùng lớn (∞), trở kháng ra bằng 0 (Z O =0) hệ
số khuếch đại vòng hở vô cùng lớn (K O =∞) và điện áp cửa ra bằng 0V, khi điện áp các
ngõ vi sai bằng nhau (UO=0V, khi ).
Trong thực tế kỹ thuật không có bộ KĐTT lý tưởng. Để đánh giá được các bộ
KĐTT thực so với KĐTT lý tưởng ta căn cứ vào các thông số của mạch tích hợp KĐTT
thực với thông số ly tưởng trên. Nhưng trong thiết kế các mạch điện tử đơn giản ta vẫn
có thể coi các IC KĐTT thực được sử dụng như một KĐTT lý tưởng.
Mạch điên tương đương KĐTT lý tưởng

Trong đó, là trở kháng vào của KĐTT, là trở
kháng ra của KĐTT, điện áp vào đến của vào đảo,
là điện áp vào đến cảu vào không đảo, là điện áp vào
vi sai.
Từ sơ đồ, ta có biểu thức cho điên áp ra:

Trong đó , điện áp vi sai ở cửa vào:

4.Giới thiệu về TC7107
-ICL7107 của hang Intersil là một bộ chuyển đổi AD 3 ½ digit công suất thấp ,hiển
thị tốt.Bao gồm trong IC này là bộ giải mã Led 7 đoạn,bộ điều khiển hiển thị,bộ tạo


chuẩn và bộ tạo xung đồng hồ.Các đặc tính của nó bao gồm: tự chỉnh ”0” nhỏ hơn 10uV
,điểm “0” trượt không quá 1uV/Oc,độ dốc dòng ngõ vào tối đa là 10Pa.
-IC này có các đặc điểm rất quan trọng sau:
+Độ chính xác rất cao.
+Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
+Không cần mạch lấy mẫu và mạch giữ.
+Tích hợp đồng hồ.
+Không cần các thành phàn ngoại vi có độchính xác cao.
* Cấu tao:

Hình Vùng xử lí tín hiệu tương tự của ICL7107
- Hình thể hiện mạch xử lý tương tự của ICL7107. Mỗi chu kì đo được chia thành 3
pha (1) tự chỉnh ”0”(A-Z), (2) Tích hợp tín hiệu (INT ) và (3) giải tích (DE) và một số
thong số khác.
- (1) Pha tự chỉnh “0”
- Trong pha này thực hiện 3 việc:
- Ngõ vào cao và thấp bị ngắt kết nối khỏi các chân và ngắn mạch nội với chân

COMMON analog.
- Tụ tạo chuẩn được nạp tới điện áp chuẩn.
- Một vòng lặp hồi tiếp nối kín quanh hệ thống để nạp cho tụ tự chỉnh “0” CAZ để
bù cho điện áp offset (trôi) trong bộ khuếch đại đệm, bộ tích hợp và bộ so sánh. Vì bộ so


sánh nằm trong vòng lặp nên độ chính xác A-Z chỉ bị giới hạn bởi nhiễu của hệ thống.
Trong bất cứ trường hợp nào, điện áp offset do ngõ vào nhỏ hơn 10uV.
- (2) pha tích hợp tín hiệu
- Trong quá trình tích hợp tín hiệu, vòng lặp tự chỉnh “0” được mở, ngắn mạch nội
không còn, ngõ vào cao và thấp được nối với các chân ngoại vi. Bộ chuyển đổi lúc này
tích hợp điện áp khác biệt giữa chân IN HI và chân IN LO trong một khoảng thời gian
cố định. Điện áp sai biệt này có thể nằm trong phạm vi rộng: lên tới 1V từ cả hai nguồn.
Mặt khác tín hiệu vào không hồi trở lại nguồn cung cấp thì IN LO có thể bị nối với chân
COMMON analog để thiết lập điện áp mode chung chính xác. Cuối pha này các cực
của tín hiệu tích hợp được xác định.
- (3) pha giải tích
- Còn gọi là tích hợp tham chiếu. ngõ vào thấp luôn được kết nối với chân
COMMON và ngõ vào cao được kết nối qua tụ chuẩn đã đc nạp từ pha trước.Mạch
trong IC đảm bảo rằng tụ điện sẽ đc nối đúng cực để làm bộ tích hợp ngõ ra chuyển về
“0” . Thời gian cần thiết đểngõ ra chuyển về giá trị “0” tỷ lệ với tín hiệu vào.Đặc biệt số
được hiển thị là :
- DISPLAY COUNT=1000.VIN/VREF
- (4) ngõ vào chênh lệch
- Ngõ vào có thể chấp nhận các điện áp chenh lệch trong phạm vi của bộ khuếch
đại ngõ vào,hay cụ thể là từ 0.5V dưới nguồn dương đến 1V trên nguồn âm.Trong phạm
vi này hệ thống có CMRR(commom mode rejection ratio) 86dB.Tuy nhiên cần bảo đảm
ngõ ra bộ tích hợp không bão hòa.Trường hợp xấu nhất là điện áp MODE chung tích
cực lớn với một điện áp ngõ vào tích cực âm toàn giai.Tín hiệu ngõ vào điều khiển bộ
tích phân dương khi phần lớn độ lắc ngõ ra đã được tận dụng bởi điện thế Mode chung

tích cực dương .Dành cho những ứng dụng cao độ lắc của tích hợp ngõ ra có thể đc
giảm xuống nhở hơn độ lắc toàn giai 2V với ít sai số hơn.Bộ tích phân ngõ ra có thể lắc
trong khoảng 0.3V với cả 2 nguồn mà không mất sự tuyến tính.
- (5) Tham chiếu sai biệt:
- Diện áp tham chiếu có thể đc tạo ra từ mọi nơi từ điện áp nguồn của bộ chuyển
đổi. Nguồn chính của lỗi Mode chung là điện áp vòng tạo bởi tụ tham chiếu nạp hay xả
làm sai lệch giá trị điện dung của nó.Nếu có điện áp Mode chung lớn, tụ tham chiếu có
thể được nạp(tăng điện áp)khi được dung đến để giải tích một tín hiệu dương nhưng sẽ
xả (giảm điện áp) khi được dùng để giải tích một tín hiệu âm.Sự khác biệt trong tham
chiếu điện áp vào dương à âm sẽ gây ra lỗi.Tuy nhiên bằng cách chọn tụ tham chiếu
chẳng hạn tụ có điện dung đủ lớn thì lỗi này có thể kiểm soát hơn 0.5 lần đếm.
- (6) Vùng xử lý số của ICL7107


Chương 3 :Thiết kế và phân tích mạch đo và cảnh báo nhiệt độ
Ta tính toán các mạch sau:
1 .Khối cảm biến.
Chọn cảm biến nhiệt độ lm35. Cảm biến
lm35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác
cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt
độ theo thang độ Celsius. Chúng cũng không yêu cầu
cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh.
Dải nhiệt độ đo của lm35 là từ -55 đến 150
oC,phù hợp với dải nhiệt yêu cầu từ 0 đến 99 oC.
Chọn điện áp đầu vào của cảm biến là 5V DC.
Độ phân giải đầu ra là 10mV/oC.
Cách đấu nối cảm biến: + Chân 1: Chân nguồn Vcc
+ Chân 2: Đầu ra Vout

+ Chân 3: GND

2 Khối khuếch đại, chuẩn hóa đầu ra.


2.2.Chuẩn hóa điện áp ra 0-5V:
- Điện áp ra được đưa vào bộ khuếch đại
không đảo:

↔5.00 = 0.99 ×
Chọn R3 = 10kΩ => R2 = 2480Ω
2.3Chuẩn hóa đầu ra điện áp 0-(-5)v.
- Điện áp ra được đưa vào bộ khuếch
đạiđảo:

↔
Chọn và điều chỉnh trên mạch mô
phỏng ta được
2.4 Chuẩn hóa đầu ra dòng điện 0-20mA
Mạch này có dòng điện ra : Il=Uout/R16.


Chọn R16=250Ω .



Chọn R14=R15=10kΩ.

2.5Chuẩn hóa đầu ra dòng điện 4-20mA.