ĐỒ ÁN VI MẠCH TƯƠNG TỰ- Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN VI MẠCH TƯƠNG TỰ
TÊN ĐỀ TÀI:
Số 1: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và
cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại
GVHD: Thầy Nguyễn Vũ Linh
Sinh viên thực hiện:
Trần Công Hậu
Sinh viên lớp: ĐHCNKT Điện 1 K6
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Điện
BÀI TẬP LỚN: VMTT
Số : 1
Họ và tên HS-SV :…… Trần Công Hậu …………Nhóm : 3……Lớp : Điện 1
1
Mẫu: MC - 11)
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Khóa : 6…… Khoa : Điện………MSV: 0641040048
NỘI DUNG
Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm
biến nhiệt điện trở kim loại.
Yêu cầu: - Dải đo từ: t
0
C =t
min
– t
max
= 0-(100+10*n)C.
- Đầu ra: + Chuẩn hóa đầu ra: U=0-10V và I=0-20mA.

+ Dùng cơ cấu đo để chỉ thị.
- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng đèn, còi khi nhiệt độ vượt giá trị cảnh báo: U
d
=(t
max
-
t
min
)/2
- n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách.
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…
Kết luận và hướng phát triển
Yêu cầu về thời gian : Ngày giao đề: Ngày hoàn thành: 25-12-2013
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
2
Khoa Điện
BÀI TẬP LỚN
MÔN HỌC :
VI MẠCH TƯƠNG TỰ
Đề tài: : Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt
độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại

Giáo viên hướng dẫn:
Thầy: Nguyễn Vũ Linh
Sinh viên thực hiện :Trần Công Hậu
MSV: 0641040048
3
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 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!
4
Chương 1: Tổng quan về mạch đo
1.1 Sơ đồ khối
-Sơ đồ cấu trúc mạch đo:
Hình 1: Sơ đồ cấu trúc mạch đo.
1.2 Thiết kế tổng quan
- Khối cảm biến RTD: Sử dụng cảm biến RTD- PT100.
- Khối mạch đo: Sử dụng phương pháp nguồn dòng 2mA.
- Khối cảnh báo: Sử dụng đèn, còi.
- Mạch khuếch đại, so sánh: LM 358
- Mạch ổn dòng: sử dụng LM358

5
Mạch ổn dòng
Chuẩn hóa
điện áp
Khối
So
sánh
Khuếch đạiCảm biến
Chỉ thị
Khối cảnh báo
Sơ đồ mạch:

6
Chương 2: Giới thiệu thiết bị chính
2.1. Cảm biến nhiệt độ RTD- PT100.
2.1.1 Giới thiệu về cảm biến
Cảm biến nhiệt độ RTD-PT100. hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại
(Resistance Temperature Detector). RTD-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 0
o
C 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 RTD- PT100.:
Rt = R
0
( 1+ AT+BT
2
+C(T-100)T

3
)
Trong đó:
A= 3,9083.10
-3
B= 5,775.10
-7

C= - 4,183.10
-12
( t<0
o
C) ,
C=0 ( t > 0
o
C)
2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của RTD-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 chỉđo được nhiệt độ tối đa là 600
o
C.
7

Hình 2: Hình ảnh của RTD-PT100
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

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.
8
2.1.3 Cách đo RTD- PT100.
Cảm biến RTD- 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 - (
T
100
– 1)(
T
100
) ]
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 +0,00385 Ω/ Ω/
o
C)
δ=1,499(kiểu +0,00385 Ω/ Ω/
o
C)
+ Cảm biến RTD- 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 RTD- 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+0,385%T) với sai số nhiệt độ là ±0,5

o
C. tức là cứ tăng 1
o
C thì điện
trở RTD- PT100. tăng 0,385 Ω
9
2.1.4 Bảng giá trị điện trở của PT100
10
Hình 3 : Bảng chân lí của RTD-PT100
11
2.2 Khối khuếch đại thuật toán sử dụng LM358
2.2.1. Cấu tạo LM358


Hình 5- Khối chi tiết khối khuếch đại 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
12
Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo
3.1 Sơ đồ mạch đo :
13
3.2 Mạch tạo nguồn dòng với dòng 1mA
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
10
−3
V ta tạo 1 nguồn dòng 1mA.

14
Ta có
Up=+5V
OA lý tưởng
 Up=Un=+5v

I
r 2
=
5 v
5 k
=1 mA
3.3 Mạch khuếch đại dùng LM358 với chuẩn hóa đầu ra 0-10v
15
5
6
7
84
U1:B
LM358
R3
1k
+12v
-12v
93%

RV1
50k
Volts
+4.96
R7
1k
R3(1)
V=1.10005
Ta có
Ku=1+
RV 1
R7

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.
3.4 Mạch cảnh báo sử dụng còi và đèn
16
Ur
+88.8
Volts
3
2
1
84
U2:A
LM358
+12v
+12v
-12v
LS1

SPEAKER
Q1
NPN
+5v
R4
10k
U2:A(OP)
R5
14k
R6
10k
+88.8
Volts
D1
LED-RED
Dải đo từ: t
o
C = t
min
÷ t
max =
0÷(100+10.n)
Với n=48 → t
o
C = 0 ÷ 580
o
C.
Từ trên sơ đồ trên ta có:
17
U

out
= I
ref
.R
Pt100
.(1+R
4
/ R3)


=2.10
-3
*
R
Pt100
*20/1=0,042*R
Pt100
Lựa chọn cảm biến nhiệt độ kim loại RTD- PT100.
Loại cảm biến này có dải đo nhiệt độ
Khi nhiệt độ thay đổi,giá trị điện trở của RTD cũng thay đổi theo phương trình
R
RTD
= R
o
(1+t+t
2
+t
3
)
Các thông số RTD Pt100 như sau:

Ở 0
o
C điện trở R
o
=100Ω.
=3,94.10
-3
, =-5,8.10
-8
, =-4.10
-12
Khi nhiệt độ thay đổi từ 0÷580
o
C thì R
RTD
:
R
RTD 0
o
C
=100 Ω
R
RTD 580
o
C
= 100.(1+3,94.10
-3
.580 - 5,8.10
-8
.580

2
- 4.10
-12
.580
3
)
= 326,49 Ω
Giá trị nhiệt độ cảnh báo: T
d
=
t
max
−t
min
2
= 0,5.580
438−0
2
= 290
o
C
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
18
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.
Sơ đồ toàn mạch

Nguyên lí làm việc:
-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
19
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.
20
LỜI KẾT

Trên đây là toàn bộ phần trình bày của nhóm em về thiết kế mạch đo, cảnh báo
nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt trở kim loại. Trong thời gian thực hiện bài tập
chúng em đã đạt được những kết quả sau:
- Học hỏi được nhiều hơn và có thêm nhiều kiến thức.
- Có khả năng phân tích, thiết kế và lắp ráp một sản phẩm hoàn chỉnh.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Vũ Linh đã nhiệt tình hướng dẫn
và truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình học tập và thực hiện bài tập này.
Nhóm sinh viên thực hiện
Nhóm 3 Lớp Điện 1 K6 HaUI
Hướng phát triển:
Từ đề tài này có thế 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 them mạch so sánh để có thể điều khiển thêm thiết bị.
+ Thiết kế mạch hiển thị trên LED 7 thanh.
+ Mạch có thể an toàn khi xảy ra sự cố.

21