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).

Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10
BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN


BÀI TẬP LỚN
VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ
Đề tài: Ứng đụng VMTT & VMS thiết kế mạch đo, hiển thị nhiệt độ và
cảnh báo.
Giáo Viên Bộ Môn : NGUYỄN BÁ KHÁ.
Sinh viên thực hiện :HOÀNG CÔNG HÙNG.
Mã sinh viên: 1041240122
Lớp: TỰ ĐỘNG HÓA 2-K10

1


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP

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

HÀ NỘI
BÀI TẬP LỚN: VMTT&VMS
Họ và tên HS-SV : Hoàng Công Hùng Nhóm : 1 Lớp : ĐH TĐH 2
Khoá : 10

Khoa : Điện.

N=38 & a=8

NỘI DUNG
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).
Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C = 00C÷ tmax = 0 ÷ (300+2*n)0C.
- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:
1. U=0 ÷ 5V
2. U=0÷10V
3. U= 0 ÷ -5V
4. I=0÷20mA.
5. 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:
- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t 0C=0÷tmax-(50+n) điều khiển
đèn sáng liên tục: Thông số đèn 220VAC, 100W
- Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C= tmax-(50+n). Đóng điện cho quạt 1 chiều
24VDC, 96W chạy làm mát.
- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi và đèn sáng nhấp nháy cho LED với
thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: T0=(1+0,2*a) giây khi nhiệt độ
vượt giá trị : t0C= tmax-(50+n).
- Dùng LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ.
PHẦN THUYẾT MINH

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, mạch hiển thị
- Lựa chọn nguồn cấp.
- Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa
2


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

- Tính toán mạch cảnh báo còi, đèn nhấp nháy cho LED
- Kết luận và hướng phát triển
Sinh viên : Hoàng Công Hùng
Mã sinh viên: 1041240122
Số thứ tự :38 -> n=38 & a=8
Dải đo nhiệt độ :0->376 0C
Thời gian đèn sang tối bằng nhau: 2,6s
Nhiệt độ cảnh báo :288 0C

3


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10
LỜI NÓI ĐẦU



Đất 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…
Ngày nay xuất hiện nhiều phương pháp đo nhiệt độ sử dụng cảm biến loại cặp
nhiệt, nhiệt điện trở hay bán dẫn hoặc sử dụng phương pháp phân tích phổ để xác
định nhiệt độ đối với những nơi không trực tiếp đặt được các đầu đo nhiệt độ (nơi có
nhiệt độ quá cao). Nhìn chung các phương pháp đo nhiệt độ có nhiều nét giống nhau
nhưng cách xử thì có thể khác nhau, tuỳ vào mục đích và yêu cầu kỹ thuật đối với
từng công việc cụ thể nhưng mục đích cuối cùng của phép đo là thể hiện giá trị nhiệt
độ với khoảng sai số cho phép có thể chấp nhận được.
Trong kỳ này sau khi học môn vi mạch tương tự - vi mạch số và các môn liên
quan nhóm em được giao đề tài thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm
biến nhiệt điện trở.
Trong 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 số” và
các bạn trong lớp đã giúp đỡ em hoàn thành đề tài này. Nhưng do kiến thức còn hạn
chế nên trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót. Em mong nhận được sự đóng
góp của thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

4


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO
1 Tầm quan trọng của kiểm soát nhiệt độ trong công nghiệp
Có thể nói, nhiệt độ là một đại lượng vật lý được quan tâm nhiều không những trong
lĩnh vực đời sống sinh hoạt mà còn trong sản xuất công nghiệp. Trong công nghiệp
sản xuất nói chung, nhiệt độ là yếu tố quan trọng quết định đến chất lượng của sản
phẩm công nghiệp. Do đó, con người lun muốn kiểm tra và kiểm soát đại lượng vật lý
này. Để giải quyết điều này đã có nhiều phương pháp đo nhiệt độ khác nhau được đưa
ra như: phương pháp đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu, điện trở kiêm loại, IC cảm
biến nhiệt độ.
2 Khái niệm về nhiệt độ và các phương pháp đo nhiệt độ
2.1 Khái niệm 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.
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:
+ Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).
+ Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15.
+ Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67.

5


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

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.
2.2 Các phương pháp đo nhiệt độ

•

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
•

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.
3 khái quát về mạch đo
3.1 Công dụng của mach :Mạch thiết kế dùng cảm biến nhiệt điện trở kim

loại và các vi mạch tương tự vi mạch số, thiết kế đo nhiệt độ từ 0 đến376 0C và xuất
ra các tín cảnh báo nhiệt độ khi nhiệt độ vượt quá 288 0C , chuẩn hóa đầu ra theo các
dải điện áp (0-5v, 0-10v, 0-(-5)v), theo các dải dòng điện (0-20mA, 4-20mA).
6


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

3.2 Sơ đồ khối của mạch đo
Mạch đo gồm 7 khối cơ bản sau:
• Khối nguồn
• Khối cảm biến
• Khối chuẩn hóa
• Khối so sánh
• Khối cảnh báo
• Khối chuyển đổi tín hiệu và giải mã
• Khối hiển thị

Hình 1 Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ
Chức năng chính của từng khối:
• Khối nguồn: cấp nguồn chuẩn cho các khối còn lại làm việc.
• Khối cảm biến: biến đổi tiến hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện áp.
• Khối chuẩn hóa: điện áp vào lấy từ khối cảm biến được chuẩn hóa thành chuẩn
công nghiệp với: tín hiệu điện áp U: 0 ÷ -5V, tín hiệu dòng điện: 4÷20mA.
• Khối so sánh: giám sát sự thay đổi của nhiệt độ, phát tín hiệu điều khiển cho
khôi cảnh báo.
7

Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

• Khối cảnh báo: cảnh báo bằng đèn led khi nhiệt độ ở ngoài giới hạn cho phép,
phát tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt ngưỡng giới hạn.
• 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 và giải mã tín hiệu từ ADC ra
LED 7 thanh.
• Khối hiển thi: hiển thị nhiệt độ.

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH
1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt điện trở

Hình 2 .Hình dạng và cấu tạo của RTD
Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,… được quấn
tùy theo hình dáng của đầu đo.
- Nguyên lí hoạt động: 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.
8


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

- Ưu điểm: độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây
không hạn chế.

- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn cặp nhiệt điện
-Dải đo: -250~850oC.
- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia
công vật liệu, hóa chất…
Hiện nay 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. Thường có
các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm (khi ở 0 oC). Điện trở càng cao thì độ nhạy
nhiệt càng cao.
- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Loại 4 dây cho kết quả đo chính xác
nhất.
•

Cảm biến nhiệt độ PT 100

Cảm biến nhiệt độ PT 100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại (RTD) PT100
được cấu tạo từ kim loại platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt
độ có giá trị từ 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 Pt 100:
Rt = R0( 1+ αT+βT2+C(T-100)T3).
Trong đó:
Rt: Điện trở tại nhiệt độ T
Ro: điện trở tại 0oC (=100 Ω)
α=3.9083x10-3
β=-5.775x10-7
C=-4.183x10-12( t<00C) , C=0 ( t>00C)
9

Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

Với nhiệt độ từ 00C đến 1000C dùng công thức :
Rt = R0( 1+ αT)
• Cấu tạo của Pt 100
+ Các thông số cơ bản cảm biến nhiệt PT100 bao gồm một đầu dò ống trụ có đường
kính 4mm và chiều dài ống trụ là 30mm ,2 dây đầu ra có chiều dài 1m.
Dải nhiệt độ đo được là từ -250ºC đến 850ºC

Hình 3. hình dạng Pt 100

Hình 1.4 Cấu tạo bên trong ồng trụ tròn Pt 100
Điện trở của ống trụ Rpt100 = Rpt + R3 + R2.
L2,L3 được nối với 2 dây đầu ra.
• Nguyên tắc hoạt động
Khi có sự thay đổi nhiệt độ trên đầu dò thì dẫn đến sự thay đổi điện trở của ống
trụ .Mỗi giá trị nhiệt độ khác nhau tương ứng với mỗi giá trị điện trở khác nhau.Ở
10ºC thì đo được giá trị điện trở RPT100 =107,6 Ω . Khi tăng 1ºC thì RPT tăng sấp
xỉ 0,4Ω.

10


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

2 Gới thiệu các linh kiện

2.1 Bộ Khuếch đại thuật toán
Trong kỹ thuật đo lường và cảm biến KĐTT được sử dụng nhiều với các chức
năng chính: khuếch đại điện áp, dòng điện, khuếch đại công suất, … Trong phạm
vi đề tài này ta sử dụng KĐTT µA741 có hình ảnh thực tế như sau:

Hình 4. Khuếch đại thuật toán µA741
Tên gọi và chức năng của các
chân:
Thông số kỹ thuật:
• – Offset null: bù tần số.
• Hệ số khuếch đại mạch hở (K0):
105 .
• Inverting Input: cửa vào đảo.
• Tổng trở cửa vào (ZI): 1MΩ.
• Non Inverting Input: cửa vào
• Tổng trở cưa ra (ZO): 150Ω.
không đảo.
• – Vee : chân cấp nguồn âm.
• Dòng điện phân cực cửa vào:
0,2µA.
• + Offset null: bù tần số.
• Điện áp lệch ngõ vi sai: 2mV.
• Output: cửa ra.
• Dải tần số cho phép: 1MHz.
• +Vcc: chân cấp nguồn dương.
• Tốc độ quét: 0,5V/µs.
• NC: không sử dụng.
2.2 IC ổn áp LM7812, LM7912 và LM7805
Tổng quan: Họ LM78XX ổn áp +XX(V)
Họ LM79XX ổn áp –XX(V)

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
Hình ảnh thực tế: về hình dạng cũng như kích thước, khoảng cách chân thì cả
3 IC kể trên gần giống nhau.
11


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

Hình 5 IC ổn áp LM 7912
Thông số kỹ thuật
Thông số
Điện áp đầu vào
Điện áp đầu ra
Dòng diện đầu ra (Max)
Nhiệt độ hoạt động

LM7812
14.5V ÷ 35V
+12V
1A
o
-40 C ÷ 125 o C

LM7912
-14.5V -35V
-12V

1A
o
-40 C ÷ 125 o C

LM7805
8V÷30V
+5V
1A
o
-40 C ÷ 125 o
C

2.3 Giới thiệu về IC tạo xung vuông 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 6 Hình ảnh thực tế, sơ đồ chân và sơ đồ khối của NE555
chân 1: (GND) cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC.hay còn gọi là chân chung.
Chân 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 2/3Vcc.
12


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

Chân 3(OUTPUT): Là chân 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 tương ứng gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và
mức 0 tương ứng với 0V,nhưng trong thực tế nó không ở mức 0V mà nó trong khoảng
0.35->0.75V.
Chân 4 (RESET): Dùng xác lập định mức trạng thái ra. khi chân số 4 nối Masset thì
ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ ra phụ thuộc vào
điện áp chân 2 và 6. Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường nối chân này
lên Vcc.
Chân 5 (CANTROLVOLTAGE): Dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC555 theo các
mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND. Chân này có thể không nối cũng
được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân 5 xuống GND thông qua tụ điện
từ 0.01uF này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn ổn định.
Chân 6 (THRESHOLD): Là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp và cũng được
dùng như 1 chân chốt dữ liệu.
Chân 7 (DISCHAGER):Có thể xem chân này như 1 khoá điện tử và chịu điều khiển bởi
tầng logic của chân 3. Khi chân 3 ở mức điện áp thấp thì khoá này đóng lại, ngược lại thì
nó mở. Chân 7 tự nạp xả điện cho mạch RC lúc IC555 dùng như một tầng dao động.
Chân8 (VCC):Đây là chân cung cấp áp và dòng chi IC hoạt động.
Thông số kỹ thuật:
Nguồn hỗ trợ: +18V.
Công suất tiêu thụ: 600mW.
Nhiệt độ hoạt động: 0 o C ÷70 o C.
2.4 Led 7 thanh Anot chung
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.

13

Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

Hình 7 Led 7 thanh

2.5. LED
Là thiết bị dùng để báo sáng nhấp nháy khi mạch đo thấy nhiệt độ ngoài phạm vi cho
phép.

Hình 8: LED.
2.6.Transistor

Hình 9 : 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:
14


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

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.
-

2.7.Điện trở, tụ điện.
Hình 10: 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.

15


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

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.

-

2.8.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 11: Còi báo động.
2.9.relay.

Hình 12: 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).
16

Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

2.10 Giới thiệu về IC 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 thanh, 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 độ chính 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
17


Hoàng Công Hùng

-

-

-

-

Lớp Tự động hóa 2 – K10

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(tang 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
18


Hoàng Công Hùng

-

Lớp Tự động hóa 2 – K10

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 :TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐO
1 Tính toán và thiết kế mạch nguồn
a) Tính toán, lựa chọn linh kiện
Khối nguồn có chức năng biến đổi nguồn từ 220 xoay chiều thành các mức điện
áp 1 chiều : 5v,+12v,+24v,-12v để cấp nguồn cho các linh kiện trong mạch. Nguyên
lý mạch này như sau :
Nguồn xoay chiều 220v, f=50hz được đi qua biến áp, sau đó cho qua diode cầu ta
nhận được các mức điện áp 1 chiều : +15v,-15v và điện áp 0v. ta sử dụng các IC ổn
áp 7805,7812,7824 và 7912 để có được các mức điện áp mong muốn : 5v,12v, 24 v,
-12v.
b) Sơ đồ mạch nguyên lý

19

Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

Hình 3.1: Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn
2 Khối cảm biến

Chọn cảm biến nhiệt độ pt100. Cảm biến pt100 có cấu tạo là một nhiệt điện trở RTD
( RTD-Resistance Temperature Detector ):
Nguyên lý hoạt động nhiệt điện trở dựa trên sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi
điện trở.
• Rt = R0 ( 1 + αt)
•
Rt : Điện trở ở nhiệt độ t
•
Ro :Điện trở ở 00C
•
α : Hệ số của nhiệt điện trở
Trong mô phỏng, PT100 1V=1oC. Vậy theo yêu cầu của bài thì cần đo ở nhiệt độ
376oC tương ứng với 376V. Với điện áp ra như vậy ta cần phải có 1 mạch phân áp
sao cho đầu ra tương ứng 10mV=10oC để phù hợp với các IC số.Vì vậy ta lắp thiết bị
như hình vẽ.
Ta có: Ur=Uv.R2/(R1+R2) với Ur=0,01 *Uv
Vậy ta có : R2/(R1+R2)=0,01
Chọn R2=1k Ω => R1=99 kΩ
Từ cách lắp đặt thiết bị trên ta được đầu ra khi đo ở nhiệt độ 376 oC tương
ứng với 3.76 V chọn bước nhảy để đo nhiệt độ là 1 độ.
3 Khối khuếch đại chuẩn hóa đầu ra.
3.1 Khối chuẩn hóa đầu ra điện áp 0-5V
Mạch này có điện áp ra :

20


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

Uout= (1+R4/R3).Uoutcb
Với Uoutcb= 0 – 3,76V để Uout=0 - 5V
Uoutcbmin= 0V – Uoutmin=0V
Uoutcbmax= 3,76V – Uoutmax=5V
 Chọn R4=310Ω , R3=940Ω, R5=10kΩ.

3.2 Khối chuẩn hóa đầu ra điện áp 0-10V
Mạch này có điện áp ra :
Ura=(1+R19/R18).Uout.
 Chọn R18=10kΩ , R19=10kΩ,

3.3 Khối chuẩn hóa điện áp 0-(-5)V
Mạch này có điện áp ra :
Ura=-R23/R22.Uout
21


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

 Chọn R23=R22=10kΩ, R24=10kΩ.

3.4 Khối chuẩn hóa dòng điện 0-20mA

Mạch này có dòng điện ra : Il=Uout/R16.
 Chọn R16=250Ω .

3.5 Khối chuẩn hóa dòng điện 4-20mA

Mạch này có dòng điện ra :
Il=(5*R32/(R32+R29)+Uout)/R36.
 Chọn R32=100Ω ,R29=300 Ω
 Chọn R36=312.5Ω.
 Chọn R33=R34=R35=R36= R37=10k Ω.

4 Khối so sánh
Mạch này xuất ra mức điện áp 5v
Khi Uout>Usosanh và 0v khi Uout<=Usosanh.
22


Hoàng Công Hùng

Lớp Tự động hóa 2 – K10

theo yêu cầu đề tài, U4=5v khi nhiệt độ
t>288 0C => Usosanh=Uout tại 288 0C.
vậy Usosanh=5*228/376=5*R17/(R17+R31).
 Chọn R17=383Ω ,R31=117 Ω.

5 Khối tạo dao động

23


Mạch này có nhiệm vụ tạo xung vuông
với T=ln2*C1*(R12+R13) (s).
Theo yêu cầu đề tài, ta cần xung dao động có
chu kì T=2,6s.
Chọn R12=R13=100k Ω
Chọn C1= 18.755uf
Ta lấy U4 từ đầu ra khối so sánh đưa vào
chân 4 của mạch tạo dao động, vậy khi
nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ cho phép, mạch dao động sẽ hoạt động.
6 Khối cảnh báo.
Khối này bao gồm led cảnh báo và còi
đầu vào led cảnh báo lấy từ UQ của mạch tạo
dao động, khi mạch tạo dao động được phép
hoạt động, đèn sẽ nhấp nháy, R100 có giá trị
330 Ω có tác dụng hạn dòng.
Còi chip được cấp dương nguồn, đầu còn lại


nối với cực Collector của trans NPN. Tín hiệu cấp vào Là U 4 lấy ra từ mạch so sánh.
Khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ cho phép, điện áp U 4 ở mức cao, trans nối mạch cho
dòng đi qua => còi chip được cấp nguồn.
7 Khối relay.
Khối này sử dụng tín hiệu U4
xuất ra từ mạch so sánh, sử dụng
để đóng mở relay, cấp nguồn cho
quạt khi nhiệt độ lớn hơn cho phép
và cấp nguồn cho đền khi nhiệt

độ dưới mức cho phép.

Nguyên lý hoạt động của mạch : khi nhiệt độ nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ cho
phép U4 =0 , trans thuận Q2 sẽ nối mạch cho dòng đi qua cuộn dây của Relay1,
Relay 1 đóng khép kín mạch cấp nguồn cho đèn, ngược lại khi nhiệt độ lớn hơn mức
cho phép, trans ngược Q3 sẽ nối mạch cấp nguồn cho cuộn dây Relay 2, Relay 2
đóng khép kín mạch cấp nguồn cho quạt .

8 Khối hiển thị.
Mạch này sử dụng IC