ĐỀ TÀI :( Số 3) Tính toán và thiết kế mạch đo, thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt .

BỘ CÔNG THƯƠNG
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
Độc lập- Tự do- Hạnh phúc
KHOA ĐIỆN
--------------


BÀI TẬP LỚN
MÔN : VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ
ĐỀ TÀI :( Số 3)
Tính toán và thiết kế mạch đo, thiết kế bộ điều khiển PID
để điều khiển ổn định nhiệt độ lò nhiệt .
Giáo viên hướng dẫn :
Sinh viên thực hiện : PHẠM VĂN TƯỜNG
Mã SV :
Lớp:

1041240343 (stt 75)
TĐH 4 –K10


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10

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 kim loại, chất dẻo ,...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 tr ở, yêu cầu kỹ thu ật quan

trọng nhất là phải điều chỉnh và khống chế được nhiệt độ của lò. Chúng em chọn làm đề tài
“ Tính toán , thiết kế mạch đo , thiết kế bộ điều khi ển PID để điều khi ển ổn định nhiệt độ
của lò nhiệt ” trên cơ sở những lý thuyết đã học được chủ yếu trong môn học lý thuyết đi ều
khiển, kèm theo đó là kiến thức của các môn học cơ s ở ngành và các môn h ọc có liên quan
như Kỹ thuật đo lường - cảm biến, Lý thuyết điều khiển tự động, Vi mạch tương tự và vi
mạch số … .
Trong bài làm em có tham khảo một số tài liệu trên mạng internet đ ể phục v ụ cho vi ệc
hoàn thiện bài tập lớn . Do lượng kiến thức chuyên ngành còn thiếu và y ếu , em mong r ằng
các thầy cô chỉ giúp em những điều còn thiếu và sai xót trong phần bài làm của em đ ể em
kịp thời củng cố và bồi dưỡng kiến thức .
Em xin chân thành cảm ơn !

-2-


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
BỘ CÔNG THƯƠNG
TTRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BÀI TẬP LỚN: VMTT& VMS
Số 3

Họ và tên HS-SV : PHẠM VĂN TƯỜNG (STT 75 )

Nhóm : 3

MSV : 1041240343
Lớp : TĐH 4
Khoá : 10

Khoa : Điện.
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 .
Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =tmin ÷ tmax = 0 ÷ (50+n)0
- Chuẩn hóa đầu ra: U=0 ÷ 5V; U=0 ÷ -5V
I=0 ÷ 20mA; I= 4 ÷ 20mA.
1. Vẽ sơ đồ hệ thống.
2. Dùng phần mềm mô phỏng thiết kế mạch đảm bảo yêu cầu :
- Dùng cảm biến IC đo nhiệt độ.
- Tính toán thông số bộ điều khiển PID.
- Tính toán 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 quá giá trị t0C = 0 ÷ tmax –(10 + 2*a). Đóng điện thế cho hệ thống quạt
làm mát sử dụng động cơKĐB xoay chiều 3 pha .
+ Đưa ra tính hiệu cảnh báo bằng còi và đèn sáng nhấp nháy ( U= 48 VDC) , thời gian sáng
tối bằng nhau và bằng : T0 =(5+ 0,5*a) khi nhiệt độ vượt giá trị : t0C = tmax - (10 + 2*a) .
+ Dùng LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ.
PHẦN THUYẾT MINH
Yêu cầu về bố cục nội dung:
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.
- Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp.
- Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa.
- Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo, mạch nhấp nháy cho LED.
- ……….
Kết luận và hướng phát triển.

-3-


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10

Mục lục

-4-


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10

Chương 1 : Tổng quan về mạch đo.
1.1. Khái niệm về nhiệt độ.
Nhiệt độ là đại lý đặc trưng cho cường độ chuy ển động của các nguyên tử, phân tử c ủa
một hệ vật chất. Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất ( rắn, l ỏng, khí) mà chuy ển đ ộng này
có khác nhau. ở trạng thái láng, các phân tử dao động quanh vi trí cân bằng nh ưng vi trí cân
bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định. Còn ở tr ạng
thái rắn, các phần tử, nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng. Các d ạng v ận đ ộng
này của các phân tử, nguyên tử được gọi chung là chuy ển động nhiệt. Khi tương tác v ới bên

ngoài có trao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng l ượng nói
trên gọi là sự truyền nhiệt.
Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý :
+ Bảo toàn năng lượng.
+ Khuếch tán nhiệt :
Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhi ệt độ th ất. Ởtr ạng
thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhi ệt.
Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhi ệt còn có truy ền nhi ệt
bằng đối lưu. Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyển
các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh l ệch về t ỉ
trọng.
1.2. Các 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 mỗi đơn vị đo của mỗi thời kỳ. Có nhiều đ ơn vị đo
nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng,từng thời kỳ phát tri ển của khoa h ọc kỹ
thuật và xã hội.
Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhi ệt đ ộ chính là:
Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).
Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15.
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 đ ơn vị quốc tế
(SI). Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhi ệt độ.
Vi mạch số ,vi mạch tương tự lĩnh vực không những mang tới thời sự nóng bỏng nhưng
vẫn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ , đă đang từng ngày thâm nh ập vào đ ời
sống của chúng ta .Nhưng trong thưc tế các dạng năng lượng thường ở dạng tương tự .Do đó
muốn xừ lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín
hiệu số .

-5-

Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
Xuất phát từ ý tưởng đó, em đă thưc hiện việc xây dựng một mạch đi ện đo nhiệt đ ộ hi ển
thị ra đèn LED .Mạch này chỉ mang tính chất thử nghiệm thưc tế về vấn đề chuy ển đổi ADC ,
vấn đề cảnh báo nhiệt độ ra đèn và vấn đề đo lường các đại lượng không điện bằng đi ện .
1.3. Biến nhiệt thành điện áp.
Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và gi ải nhi ệt đ ộ , và
được phân ra làm 2 phương pháp chính : Đo trực tiếp và đo gián tiếp .
+Đo trưc tiếp là phương pháp đo trong đó các chuyển đổi nhiệt điện đươc đặt trực
tiếp trong môi trường cần đo.
+Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môi trường cần
đo(áp dụng với trường hợp đo ở môi trường co nhiệt độ cao ).
Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo không phải ở
quá cao.( 0 ÷ 50+n) n: STT của sinh viên.
Đo nhiệt độ bằng phương pháp trưc tiếp ta lại khảo sát loại nhiệt kế nhi ệt đi ện trở
LM35.
1.4. Tổng quan mạch đo.
Mạch đo.
Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý, dựa vào các đặc tính của đại lượng cần đo mà ch ọn
ra loại cảm biến phù hợp để thực hiện việc biến đổi các thong s ố cần đo thành đại l ượng
điện hay điện áp :
U=0÷5V
và U=0 ÷ -5v
I = 0 ÷ 20 mA
và I =4 ÷ 20mA
Sau đó qua bọ lọc và khuếch đại tín hiệu, tín hi ệu sau khi được hi ệu ch ỉnh sẽ chuy ển qua
bộ chuyển đổi ADC ( Analog Digital Converter) bộ này chuy ển đổi tín hiệu tương tự sang
dạng số .

Bộ so sánh có chức năng so sánh điện áp đầu ra của cảm bi ến v ới m ột giá tr ị đ ặt s ẵn .
Nếu UCB >= U đ ( tức nhiệt độ vươt quá ngưỡng cho phép ) thì mạch so sánh sẽ tác động làm
đóng các tiếp điểm của Relay cấp điện cho khối cảnh báo và làm mát .
Các phương pháp đo nhiệt độ .
Đo nhiệt độ là phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên của môi trường, không có
điện trong đại lượng cần đo .
Nhiệt độ được phân làm nhiều dải để đo:
+ Dải mức thấp .
+ Dải mức trung bình.
+ Dải mức cao.
Nhiệt độ được đo với các cảm biến hỗ trợ như :
+ Cặp nhiệt kế.
+ Nhiệt điện kế kim loại.
+ Nhiệt điện trở kim loại.
+ Nhiệt điện trở bán dẫn.
-6-


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
+ Cảm biến thạch anh.
Lựa chọn phương pháp biến đổi nhiệt năng thành điện năng
Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt áp dụng vào thiết bị đo nhiệt độ đang là một phương
pháp rất phổ biến , tiện lợi . Do đó , chúng em đă lựa chọn phương pháp này áp dụng vào
trong đề tài của mình.Hơn nữa , như em đă nói ở trên phần tử bán dẫn rất nhạy nhiệt ,đ ể
đảm bảo được độ chuẩn xác tương đối cao ,thoả măn được tiêu chuẩn yêu cầu, chấp nhận
được .

1.5. Hình thành sơ đồ khối
Sơ đồ khối

Nguồn nuôi

Nguồn nuôi

Nguồn nuôi

Đại lượng cần
đo
So sánh

Cảm biến

Mạch đo

Hiển thị

Chuyển đổi ADC

So sánh

Cảnh báo ,
Làm mát

Giải mã

Nguồn nuôi

Nguồn nuôi

-7-

Nguồn nuôi


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
Yêu cầu cho từng khối :
- Khối nguồn :cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động , theo yêu cầu của đ ề tài thì
các thiết bị khác nhau cần cấp nguồn nuôi khác nhau.
- Cảm biến : nhận tín hiệu cần đo ,dùng làm mạch đệm tín hiệu và l ọc nhiễu tín hiệu
trước khi chuyển vào các khối khác.
- Mạch đo: có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu điện nhận được từ bộ chuyển đổi sao
cho phù hợp với yêu cầu kết quả đo của bộ chỉ thị.
- ADC : dùng cho chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự đo được của cảm bi ến thành
những tín hiệu dạng số để đưa tín hiệu đi so sánh và chỉ thị :
+ So sánh: làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa về với tín hiệu đã cài đặt.Tuỳ
theo tín hiệu ngõ ra, sẽ ra quyết định để cơ cấu chấp hành gia tăng, gi ảm, hay gi ữ nguyên
nhiệt độ thậm chí có thể kết hợp để báo động hiển thị .
+ Chỉ thị:làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để thể
hiện kết quả đo.
- Hiển thị : cho phép người quản lý thấy được tại thời điểm bất kì của hệ th ống đo để k ịp
thời sử lý.
- Cảnh báo và làm mát : thực hiện chức năng báo động khi nhi ệt đ ộ vượt quá ng ưỡng cho
phép, đồng thời khởi động quạt làm mát lò nhiệt để làm giảm nhiệt độ của lò xuống mức
cho phép.
1.6. Nhiệt kế điện trở .
Phương pháp là dùng nhiệt điện trở (là môt thiết bị biến đổi nhiệt độ thành sự thay đổi
thương số điện trở R:Rt=f(t) ) được phân ra làm 2 loại :
Nhiệt điện trở kim loại :thuường đươc làm bằng Niken,Cu,platin .
Quan hệ R-t:

Rt=Ro(1+at)
Ro: điện trở ở nhiệt độ chuẩn .
a:hệ số nhiệt độ .
t:nhiệt độ môi trường .
Dải nhiệt độ:0 - 125 độ C .
Nhiệt điện trở bán dẫn :
Chế tạo từ hỗn hợp các chất oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO,MgẠl2O2
Đăc tính quan trọng của nó là có độ nhạy nhiệt rất cao gấp hàng chuc l ần lo ại trên.
Dải nhiệt độ rất rộng
Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ: Rt=Ro. Exp[B.(1/T-1/To) ]
Trong đó: To là nhiệt độ chuẩn tuyệt đối
Ro la điện trở của chất bán dẫn ở nhiệt độ To
Rt la điện trở của chất bán dẫn ở nhiệt độ T của môi trường
B là hằng số có giá trị từ 3000 đến 5000 K
-8-


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
Hiện nay trên thị trường có sẵn những IC tích hợp sử dụng phần tử bán dẫn làm nhi ệm
vụ cảm biến nhiệt rất tiện lợi.

Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính .
2.1. Cảm biến nhiệt độ LM35

Hình 1 : Cản biến LM35

LM35 là một cảm biến nhiệt độ analog.
LM35 là cảm biến nhiệt độ được sử dụng rộng rãi do giá thành rẻ, độ chính xác cao, dễ dàng
xây dựng các ứng dụng. LM35 cho đầu ra là tín hiệu analog, tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ cần đo.

Dải nhiệt độ đo được -55 đến 150oC.
Hệ số tỷ lệ giữa tín hiêu ra với nhiệt độ là 10mV/oC.
Nguồn nuôi từ 4-30V, ăn dòng ít hơn 60 μA.
Trở kháng ra chân Vout 0.1 Ω cho tải 1 mA, dễ dàng phối ghép trong mạch .
Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ LM35
Cấu tạo: gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
Nguyên lý: nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV).
Ưu điểm: bền, đo nhiệt độ cao.
Khuyết điểm: nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
Thường dùng: lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn
lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh
thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt
độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt
độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu
-9-


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
dò và bộ điều khiển cho thích hợp.
Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác
là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển ).
Cách mắc LM35 :

Phép đo nhiệt độ cơ bản trong dải 2oC - 150oC.
Phép đô nhiệt độ full dải -55oC - 150oC.
Chọn R1= –VS / 50 µA.
VOUT= 1500 mV tại 150°C.
VOUT= 250 mV tại 25°C.

VOUT= –550 mV tại –55°C.
2.2. IC giải mã ADC TC7107.
Chân 1 V + điện áp cung cấp dương.
Các chân 2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 lần lượt là tín hiều đầu ra các
chân D1, C1,B1, A1,F1,G1,E1 của LED 7 thanh hiển thị
hàng đơn vị.
Các chân 9,10,11,12,13,14,25 lần lượt là tín hiệu đầu ra
các chân D2,C2,B2,A2,F2,E2,G2 của LED 7 thanh hi ển thị
hàng chục.
Các chân 15,16,17,18,22,23,24 lần lượt là tín hiệu ra của
các chân D3,B3,F3,E3,G3,A3,C3 của LED 7 thanh hiển thị
hàng trăm .
Chân 19 (AB4) Kích hoạt cả hai nửa của màn hình hiển
thị số 1 trên màn hình.
Chân 20 (POL) Kích hoạt màn hình phân cực âm.
Chân 21 (GND) nối đất.
Chân 26 (V- )điện áp cung cấp điện âm.
Chân 27 Đầu ra của VINT Integrator. Đi ểm kết nối cho tụ
điện tích hợp.
- 10 -


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
Chân 28 Kết nối điện trở tích hợp VBUFF. Sử dụng một điện trở 47k cho một phạm vi
200mV đầy đủ và một điện trở
470k cho phạm vi toàn diện 2V.
Hình 2 : IC TC7107
Chân 29 (CAZ) Kích thước của tụ điện tự động bằng không ảnh hưởng đến tiếng ồn của
hệ thống. Sử dụng tụ điện 0.47uF cho quy mô đầy đủ 200mV, và một tụ điện 0.047uF cho

2V đầy đủ quy mô.
Chân 30 (V- )Ngõ vào tương tự LOW được nối với chân này.
Chân 31 (V +)Các tín hiệu đầu vào tương tự HIGH .
Chân 32 (ANALOG) Pin này chủ yếu được sử dụng để thiết lập điện áp tương tự phổ biến
Chân 33 (CREF-) cho hoạt động của pin hoặc trong các hệ th ống n ơi tín hi ệu đầu vào được
tham chiếu đến nguồn điện. Nó cũng hoạt động như một nguồn điện áp tham chi ếu.
Chân 34 (CREF +) Một tụ điện 0.1uF được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng.
Chân 35,36 điện áp 200mV được sử dụng, một tụ điện 1uF được khuyến cáo .Ngõ vào
analog yêu cầu để tạo ra một sản lượng đầy đủ Đặt 100mV giữa các chân 35 và 36 cho
199.9mV. Đặt 1V giữa các chân 35 và 36 cho thang 2V đầy đủ .
Chân 37 Kiểm tra đèn thử. Khi kéo HIGH (tới V) tất cả các phân đo ạn sẽ được b ật
và hiển thị nên đọc -1888. Nó cũng có thể được sử dụng như một nguồn cung cấp âm cho
các điểm thập phân được tạo ra bên ngoài.
Chân 38, 39,40 tạo thành bộ dao động. Đối với một đồng hồ 48kHz (3 lần đọc mỗi phần),
kết nối pin 40 với đường giao tiếp của điện trở 100k and và tụ điện 100pF. Điện trở 100k is
được gắn với chân 39 và tụ điện 100pF được gắn với chân 38 .
2.3. Điện trở , biến trở , cổng logic OR – AND, Relay, tụ điện ,…

Hình 3: Điện trở

Hình 4: Biến trở

- 11 -


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
Hình 5: Relay

Nguyên lý hoạt động của Relay :

Khi cuộn dây của Relay được cấp điện áp , cuộn hút này sẽ trở thành m ột nam châm đi ện
hút lấy lõi thép làm cho các tiếp điểm thường mở đóng lại và các ti ếp đi ểm thường đóng mở
ra.
2.4. Opam 741

Hình 6: IC ua741

Các chân của UA741.
Chân 1,5 : chỉnh không .
Chân 2 : chân đảo.
Chân 3 : chân không đảo.
Chân 4 : Vcc –
Chân 7 : Vcc +
Chân 6 : tín hiệu ra.
OP ua741 là một IC khuếch đại thuật toán có nhiều chức năng :
Khuếch đại hiệu hai điện thế nhập
Khuếch Đại Điện Âm or Dương

So sánh hai điện thế nhập
. Khi V+ > V- .
. Khi V+ < V- .

- 12 -


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
. Khi V+ = V- .

2.5. IC 555

Hình 7 : IC 555

Chân 1 (GND): Nối đất.
Chân 2 (Trigger): Ngõ vào xung (Ii).
Chân 3 (Output): Ngõ ra.
Chân 4 (Reset): Hồi phục.
Chân 5 (Control Voltage): Điện áp điều khiển.
Chân 6 (Threshold): Điện áp ngưỡng.
Chân 7 (Discharge): Xả điện (Cửa ra phụ)
Chân 8 (VCC): Cấp nguồn dương cho IC.
IC 555 là một loại linh kiện rất phổ biến hiện nay. Với IC này ta dễ dàng tạo được xung vuông
và có thể thay đổi tần số tùy thích , thiết kế mạch đơn giản , điều chế độ rộng xung tùy ý,… Nó
được sử dụng ở hầu hết các mạch tạo xung đóng cắt hay là những mạch dao động khác . Ở trong
bài tập này , IC 555 được sử dụng để thiết kế mạch tạo xung điều khiển thời gian đóng ngắt đèn
cảnh báo khi nhiệt độ cao quá mức cho phép ( tạo mạch nhấp nháy cho đèn có thời gian sáng tối
bằng nhau ).
- 13 -


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
Nguyên lý hoạt động của IC 555 .
Cấu tạo của NE555 gồm OP-amp so sánh điện áp, mạch lật và transistor để xả điện. Cấu tạo của IC
đơn giản nhưng hoạt động tốt. Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3
phần. Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và
điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2.
Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích. Khi điện áp ở chân 6 lớn
hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset. Giải thích sự dao động:Ký hiệu 0 là mức
thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC. Mạch FF là loại RS Flip-flop,Khi S = [1] thì Q = [1] và

= [ 0]. Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và = [0]. Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0]. Tóm lại, khi S = [1]
thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì = [1], transisitor mở dẫn, cực C nối đất. Cho nên điện
áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vượt quá V2. Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF
không reset. Giai đoạn ngõ ra ở mức 1: Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0. Vì điện áp ở
chân 2 (V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S = [1], Q = [1] và = [0]. Ngõ ra
của IC ở mức 1. Khi = [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng. Khi nhấn
công tắc lần nữa Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 0,
S=
[0], Q và vẫn không đổi. Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơn V2, FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó.Giai
đoạn ngõ ra ở mức 0: Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- = 2/3 VCC, R = [1] nên Q =
[0] và = [1]. Ngõ ra của IC ở mức 0.Vì = [1], transistor mở dẫn, Op-amp2 có V+ = [0] bé hơn V-,
ngõ ra của Op-amp 2 ở mức 0. Vì vậy Q và không đổi giá trị, tụ C xả điện thông qua transistor. Kết
quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kỳ ổn định . Thiết kế
mạch dao động = IC tạo dao động họ XX555 tạo ra xung vuông có tần số và độ rộng bất kỳ.
2.6. LED 7 đoạn

Hình 8 : LED 7 thanh

Tại khối hiển thị ta dùng IC giải mã 4 ngõ vào thành 7 ngõ ra để hiển thị lên LED giá trị nhiệt độ
tại mọi thời điểm hệ thống hoạt động. Mạch thực hiện chức năng đo và hiển thị nhiệt độ, báo động
nhiệt độ và khởi động hệ thống làm mát tại những khoảng được lập trình trước cho IC điều khiển .

Nguyên lý hoạt động.
- 14 -


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
Mạch sẽ hiển thị giá trị nhiệt độ đo được tại mọi thời điểm hệ thống hoạt động, giá trị
hiện thị sẽ được đưa đến ngõ vào của IC giải mã TC7107 qua các Input, v ới tính năng gi ải mã

của vi mạch này, sẽ cho ra dữ liệu song song trên các Bus đến các LED song song. Ch ương
trình sẽ chọn LED nào và hiển thị nhiệt độ lên LED.
Khi có 1 sự biến đổi điện áp từ cảm biến, tức sự thay đổi nhi ệt đ ộ môi tr ường cần đo thì
mã của TC7107 cũng sẽ thay đổi phù hợp, tần số quét LED được thi ết kế hợp lý đ ể tránh
mắt thường quan sát được.

2.7. LED
Là thiết bị dùng để báo sáng .

Hình 9: LED

Bản chất của LED là một đi-ốt, nó chứa một chíp bán dẫn có pha các tạp chất để tạo ra
một tiếp giáp P-N, kênh P chứa lỗ trống, kênh N chứa điện tử, dòng điện truyền từ Anốt( kênh P) đến K-tốt (kênh N), khi điện tử lấp đầy chỗ trống nó sinh ra bức xạ ánh sáng,
các bước sóng phát ra có màu khác nhau tùy thuộc vào tạp chất trong chíp bán
dẫn. LED phân thành ba loại chính theo dải công suất: cỡ nhỏ, cỡ trung bình, c ỡ l ớn .
Nguyên lý hoạt động của đèn LED : dựa trên công nghệ bán dẫn. Khối bán dẫn loại P
chứa nhiều loại lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N (Chứa
các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuy ển đ ộng khuy ếch tán sang kh ối N.
Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử (đi ện tích âm) từ kh ối N chuy ển sang. K ết qu ả là
khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích đi ện dương
(thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống). Ở biên gi ới hai bên m ặt ti ếp giáp, m ột s ố đi ện t ử b ị
lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hường k ết h ợp v ới nhau t ạo
thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có th ể gi ải phóng năng l ượng d ưới d ạng ánh
sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
Mức năng lượng, màu sắc của LED phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử
chất bán dẫn. Do đó, tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay th ấp mà b ước sóng ánh
sáng phát khác nhau, tức màu sắc của LED sẽ khác nhau

- 15 -

Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
2.8. Transistor

Hình 10 : Transistor

Cấu tại của Transistor :
Transistor 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; về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chi ều
nhau (không có nghĩa ta dùng 2 diode sẽ ghép thành 1 transistor)

Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lớp gi ữa g ọi là cực g ốc ký hi ệu là B
( Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp.
Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter ) vi ết t ắt là E, và
cực thu hay cực góp (Collector ) viết tắt là C, vùng bán d ẫn E và C có cùng lo ại bán
dẫn (loại N hay P ) nhưng có kích thước và nồng độ tạp ch ất khác nhau nên không
hoán vị cho nhau được.
Nguyên lý hoạt động :Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn
vào cực C và (-) nguồn vào cực E.
Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E , trong đó cực (+)
vào chân B, cực (-) vào chân E.
Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có
- 16 -


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng IC = 0 ) .

Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+) nguồn
UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB .
Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát
sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB
Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức .
IC = β.IB
Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE
IB là dòng chạy qua mối BE
β là hệ số khuyếch đại của Transistor
Giải thích : Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp
giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và
nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N ( cực E ) vượt qua tiếp giáp sang lớp
bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế
vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện
áp UCE => tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor.
2.9. Đèn cảnh báo (DC 48V).

Hình 11: Đèn cảnh báo 48VDC

Bóng đèn hoạt động dựa trên sự phát quang của dây tóc khi bị đốt nóng .

2.10. Motor của quạt làm mát ( 3 pha 750W).

- 17 -


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10

Hình 12 : Động cơ 3 pha.

Động cơ không đồng bộ là động cơ điện hoạt động với tốc độ quay của Rotor chậm hơn
so với tốc độ quay của từ trường Stator. Ta thường gặp động cơ không đồng bộ Rotor lồng
sóc vì đặc tính hoạt động của nó tốt hơn dạng dây quấn.
Stator được quấn các cuộn dây lệch nhau về không gian (thường là 3 cuộn dây lệch nhau
góc 120°). Khi cấp điện áp 3 pha vào dây quấn, trong lòng Stator xuất hiện từ trường Fs
quay tròn với tốc độ n=60*f/p, với p là số cặp cực của dây quấn Stator, f là tần s ố.
Từ trường này móc vòng qua Rotor và gây điện áp cảm ứng trên các thanh dẫn l ồng
sóc(hoặc dây quấn) của rotor. Điện áp này gây dòng điện ngắn mạch chạy trong các thanh
dẫn. Trong miền từ trường do Stator tạo ra, thanh dẫn mang dòng I sẽ chịu tác động của lực
Bio-Savart-Laplace lôi đi. Có thể nói cách khác: dòng điện I gây ra một từ tr ường Fr (từ
trường cảm ứng của Rotor), tương tác giữa Fr và Fs gây ra momen kéo Rotor chuy ển đ ộng
theo từ trường quay Fs của Stator.

- 18 -


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10

Chương 3 : Tính toán thiết kế các khối trong mạch đo.
3.1. Mạch đo

- 19 -


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10

Hình 13: Sơ đồ mạch đo.

Tính toán các thông số của mạch đo
Khuếch đại điện áp từ đầu ra của cảm biến 0 ÷ 5V (Tại 0 oC,Ucb = 0V; tại 125oC Ucb = 1,25V)
Ku = R2=3R1
Chọn R1 = 5kΩ ; R2 = 15KΩ.
Với TH khuếch đại đầu ra cảm biến 0 ÷ -5V ta có :
Ku =- =>> R5 = 4R29
Chọn R29=10kΩ ; R5=40kΩ
Với mạch biến đổi điện áp thành dòng điện UI ta có :
+ (0 ÷ 20mA)
KUI=
R16 = 250 Ω
+(4 ÷ 20mA)
KUI=
R18 = 250 Ω
Xét tại P : UP =
Khi U1 = 0; để I = 4mA thì UP = 1V .
R20 = 4R21;

Nên UP =

ch ọn R21= 10KΩ ; R20 = 40KΩ

3.2. Mạch tạo xung vuông bằng IC 555 ( tạo thời gian nhấp nháy cho đèn ).
- 20 -


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10

Hình 14 : Mạch tạo xung xử dụng IC555

IC 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến hiện nay với việc dễ dàng tạo đượcxung
vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn gi ản,đi ềuch ế đ ược đ ộ r ộng
xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng cắt hay là những mạch dao
động khác .
Tính toán chọn thông số cho mạch tạo xung.
Đề bài yêu cầu thiết kế mạch để đưa ra xung vuông đối xứng v ới Tn = Tx = 7,5s đ ể đóng
ngắt mạch cảnh báo quá nhiệt độ.
Ta có Tn = 0,69 * R2 * C = 7,5s
Tx = 0,69 * R1 * C = 7,5s
Chọn C=100uF ; R1 = R2 = 108 KΩ .

- 21 -


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
3.3. Mạch PID ổn định tín hiệu đầu ra.

Hình 15: Bộ điều khiển PID

Tính toán PID (Giả xử lò nhiệt là đối tượng bậc 2 ).
Ta có : T∑ = 0.6= R9*C3+ R10*C4
Giả sử : KP =1; TI =0.4; TD =0.1002
TI = R7C1 + R8C2 = 0.4
TD=( R7R8C1C2)/ (R8C2 +R7C1)=0.1002
=>R7R8C1C2 = 0.04008
KP = ( R8C2 +R7C1)/ (R8C2) = 1
=>R8C1=0.4=> R8 = 40k, C1 = 10uF

Ta có
C2R7 =0.1002  C2=0.1002/R7
R7*10-5+40000*0.1002/R7=2.5

(1)
(2)

Từ ( 1) và (2) => R7 = 16K, C2 =10uF .
- 22 -


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10
3.4. Khối ADC (analog digitor converter) .

Hình 16 : Khối chuyển đổi ADC

Các tham số điều chỉnh của bộ giải mã chuyển đổi ADC em có tham khảo các bài ti ểu lu ận
trên mạng internet để áp dụng vào thực hành trong bài làm.

- 23 -


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10

3.5. Khối hiển thị .
Sau khi nhận tín hiệu từ khối giải mã tín hiệu được đưa đến IC TC7107 và hi ển th ị trên
LED 7 đoạn .

Hình 17 : Khối hiển thị.

3.6. Khối so sánh .

Hình 18 : Khối so sánh

Giá trị điện áp đặt R25 = 1,051 V tương ứng với giá trị đầu ra của cảm bi ến tại 105 0C.
Giá trị điện áp chân vào còn lại là tín hiệu lấy trực tiếp từ đầu ra cảm bi ến .
Khi U1 bằng hoặc lớn hơn Uđặt thì tín hiệu đầu ra của khuếch đại thuật toán OP bằng 0.

- 24 -


Họ và tên : PHẠM VĂN TƯỜNG
Lớp : TĐH 4- K10

3.7. Khối nguồn cung cấp cho toàn hệ thống.

Hình 19: Khối nguồn cung cấp cho hệ thống

Về nguồn cung cấp cho hệ thống đo lường và điều khiển , ta có th ể xử dụng các bộ ngu ồn
đa năng tích hợp sẵn trong các máy biến áp . Trong mạch điều khi ển chủ yếu xử dụng
nguồn điện một chiều DC có các mức điện áp 5V ,24V ,48V các mức đi ện áp này có th ể được
biến đổi dễ dàng từ nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha bằng cách dùng mạch ch ỉnh
lưu .
Còn về phía mạch động lực trong bộ phận gia nhiệt của lò cũng nh ư là ph ần làm mát ,…
các thiết bị có thể hoạt động trực tiếp được với lưới điện xoay chiều .
3.8. Tổng quan về bộ điều khiển PID
Một hệ thống điều khiển PID nói chung đều có mô hình tổng quan dưới d ạng:

Hình 20 : Hệ thống điều khiển PID tổng quát .

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
- 25 -