Đồ án Thiết kế hệthống đo nhiệt độ chỉ thị số 5 kênh

NGHIỆP 19 α = k I.W.B.S = A.I = A. Mng oAB RR )(t,tE + Với một đồng hồ milivon đã chế tạo thì A trong biểu thức trên là một hằng số và A = k W.B.S gần như không đổi. Khi giữ cho Rng+RM = const thì góc quay của khung dây tỷ lệ với EAB(t,t0); trên bề mặt của đồng hồ milivon khắc theo nhiệt độ cho toàn thang đo. Khi đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện phải chú ý tới đầu tự do có nhiệt độ t0, phải chọn vùng có nhiệt độ t0 ổn định tránh sinh ra sức điện động phụ làm cho sai số của phép đo lớn. Để chọn được vùng có t0 ổn định người ta sử dụng cặp dây bù để kéo dài đầu tự do đi xa hoặc sử dụng cầu bù tự động để có điện áp đặt vào dụng cụ thứ cấp không đổi ứng với nhiệt độ t của đầu đo không đổi khi nhiệt độ t0 của đầu tự do thay đổi. Hình 1-9 Sơ đồ hình 1-9 là sơ đồ nguyên lý của hệ thống đo nhiệt độ sử dụng cầu bù tự động. Cầu bù tự động gồm điện trở R1, R2, R3 làm bằng mangan. Có hệ số tăng điện trở theo nhiệt độ nhỏ (α = 0,000015 C 1 0 ); Rđ làm bằng đồng. Nguồn điện ổn định cấp vào đường chéo của cầu là điểm a,b. Khi có cầu bù do sự tăng điện trở của Rđ nên cầu bù tự động xuất hiện một điện áp cầu Ucd để luôn luôn bảo toàn biểu thức AC/DC t1 t B A t1 F D d a b c Rđ a R3 R2 mv Rhc t0 C TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 20 EAB(t,t0) = EAB(t,t’0 ) + Ucd Trong thực tế với cầu bù tiêu chuẩn khi đầu tự do có t0 thay đổi từ 0÷500C thì sai số của phép đo là ±30C; với nhiệt độ t0 trong từng máy đo đã cho biết trước. 1.2.4 Đo nhiệt độ bằng cảm biến điện trở Từ năm 1821 người ta đã phát hiện ra điện trở của một số kim loại thay đổi theo nhiệt độ. Ngày nay với trình độ công nghệ kỹ thuật cao đã tạo ra được các loại cảm biến điện trở chia ra làm 3 nhóm : kim loại, bán dẫn và nhiệt điện trở , ưu điểm cơ bản của cảm biến điện trở là đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn. 1.2.4.1 Cảm biến nhiệt độ điện trở kim loại Nguyên lý làm việc của hệ thống đo nhiệt độ này là dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại làm điện trở khi nhiệt độ môi trường đo thay đổi so với trị số điện trở ở nhiệt độ tiêu chuẩn. Ví dụ điện trở của dây đồng thay đổi theo nhiệt độ: RCu t = RCuo [1+ α(t - t0)] Ω Với RCu0 là điện trở của dây đồng làm cảm biến ở nhiệt độ t0. Nhiệt độ t0 trong thực tế người ta thường lấy ở 00C, t là nhiệt độ của môi trường đo; α là hệ số tăng điện trở của đồng trên 10C. Bảng tính chất vật lý của một số kim loại TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 21 Tên vật liệu Điện trở suất ở 200C 10-6Ωm Hệ số nhiệt độ Nhiệt độ nóng chảy 0C Điện trở 0C -1 Độ nở dài 10-3m,0C -1 Nhôm (Al) Vonfram Sắt (Fe) Đồng (Cu) Bạc (Ag) Niken (Ni) Bạch kim (Pt) Mangan (Mn) 0,029 0,056 0,1 ÷ 0,14 0,0175 0,016 0,0106 0,045 0,42 0,004 0,0045 0,0045 0,004 0,004 0,0047 0,0039 0,000015 0,024 0,0045 __ 0,017 0,019 0,00128 0,0089 __ 659 3500 1530 1083 961 1453 1769 960 Các điện trở bằng kim loại thường là các dây tròn ví dụ như bạch kim có φ = (0,05 ÷ 0,07)mm, dây đồng φ = 0,2mm hoặc nhỏ hơn; Được quấn trên lõi cách điện và được lắp đặt trong ống kim loại bảo vệ và đã bịt kín đầu dưới, hoặc ống gốm bịt kín. ở 00C nhiệt kế bạch kim được chế tạo với trị số : 10Ω; 48Ω và 100Ω. Đồng ở 00C được chế tạo với trị số 53Ω; 100Ω. Trên hình 1-10 là cấu tạo của một điện trở bạch kim sử dụng làm cảm biến nhiệt 1- Tấm mica có đường ren 2- Dây platin 3- Đầu nối ra 4- Đệm mica 5- Dây bạc để gắn đệm mica TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 22 Hình 1.10 Điện trở bạch kim sử dụng làm cảm biến Độ nhạy của cảm biến nhiệt độ Ni và Fe-Ni là ≈ 5.10-3 C 1 0 . Độ nhạy của cảm biến nhiệt độ điện trở của Pt là 4.10-3 C 1 0 1.2.4.2 Cảm biến nhiệt điện trở Silic: Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số điện trở âm, tuy nhiên khi được kích tạp loại chất n ở một dải nhiệt độ nào đó hệ số nhiệt điện trở của nó thành dương. Người ta đã thấy khi ở nhiệt độ dưới 2000C thì hệ số nhiệt điện trở của cảm biến nhiệt điện trở silic có trị số dương ; còn khi nhiệt độ lớn hơn 2000C hệ số nhiệt điện trở là âm. Phần tử cảm nhận của silic có kích thước (500×500×240)μm, được mạ kim loại ở một phía còn phía còn lại để tiếp xúc với bề mặt đo nhiệt độ. Độ nhạy của loại cảm biến này vào khoảng 0,7% 0C có nghĩa là điện trở thay đổi 0,7% theo từng 0C. Có thể tính gần đúng điện trở của cảm biến silic: R(T) = R0.eΒ( T 1 - To 1 ) αR = 2T B Với T, T0 tính theo nhiệt độ K Vì độ nhạy của cảm biến nhiệt điện trở cao nên thường dùng để phát hiện nhiệt độ biến thiên rất nhỏ từ (10-4÷10-3)K 3 4 5 2 1 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 23 1.2.5.3.Sơ đồ nối cảm biến nhiệt độ điện trở: R1 R2 R1 R2 Rd1 R3 Rt R3 Rt Rd2 Hình 1- 11 Trên hình 1-11 các điện trở R1, R2, R3 là các điện trở có trị số thay đổi theo nhiệt độ là rất nhỏ, Rt là cảm biến điện trở đặt trong vùng cần đo nhiệt độ. Sơ đồ cầu được cấp điện bởi nguồn điện một chiều E có độ ổn định cao. Giả sử thang chia nhiệt độ của mV được chia từ 00C thì muốn kim milivon - mV chỉ 00C thì điện thế ở điểm 1 và điện thế ở điểm 2 trên sơ đồ phải bằng nhau. Có nghĩa : 31 3 RR R.E + = to2 to RR R.E + và U1-2 = to2 to RR R.E + - 31 3 RR R.E + = 0 Nếu chọn R1= R2 và R3 = Rto; với Rto là trị số của cảm biến điện trở ở nhiệt độ 00C. Vậy có thể viết theo : U1-2 = E to2 3to RR RR + − = E to2 toto RR RR + − = 0 Khi nhiệt độ khác 00C thì có biểu thức tính điện áp theo điện trở của cảm biến là: U1-2 = E t2 tot RR RR + − TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 24 Khi dẫn tín hiệu đi xa và tránh ảnh hưởng của điện trở dây dẫn theo nhiệt độ tới phép đo, thì nối dây như sơ đồ hình 1-11b ; do nhánh cầu đều được thêm vào điện trở dây dẫn Rd1,Rd2 nên điện thế tại điểm 2 trên sơ đồ phản ánh đúng điện thế gây ra do nhiệt độ của cảm biến Rt. 1.2.5 Hoả kế: Tất cả các vật thể là nguồn nhiệt đều phát ra các bức xạ nhiệt. Ví dụ vật thể có nhiệt độ 6000C thì phát ra tia hồng ngoại có bước sóng λ = (0,75÷400)μm. Mắt con người chỉ nhìn được sóng ánh sáng λ = (0,40÷0,75)μm. Các bức xạ có λ < 0,4 μm ta cũng không nhìn thấy chngs là tia tử ngoại, đó là tia ronghen và tia Gâm. 1.2.5.1 Hoả kế quang học Trên hình 1-12 là sơ đồ nguyên tắc của hoả kế quang học. Nguyên tắc làm việc của hoả kế quang học là dựa trên sự so sánh mức độ sáng chói của vật nóng và dây tóc bóng đèn nung đỏ giữa mắt người quan sát và vật đo; Khi so sánh mức độ sáng của dây tóc bóng đèn với nguồn nhiệt cần đo bằng nhau thì đọc chỉ số của milivôn kế, Milivôn kế đã được khắc theo thang nhiệt độ, điện áp rơi trên đèn tương ứng với nhiệt độ của vật cần đo. 1 8 2 3 4 9 7 - + Hình 1- 12 – Sơ đồ nguyên lý hoả kế quang học 1- Thấu kính đo (vật kính) 2- Đèn nung đỏ và dây tóc 3- Thấu kính mắt (thị kính) 4- Kính lọc TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 25 5- Nguồn điện 1 chiều 6- Điện trở điều chỉnh độ sáng của bóng đèn 7- Mini vôn kế 8- Kính lọc. Ưu điểm của hoả kế quang học là đo gián tiếp, dải đo rộng, dễ điều chỉnh và sử dụng. Nhược điểm là phụ thuộc vào kinh nghiệm người quan sát. Hiện nay hoả kế quang học dùng đo nhiệt độ từ 8000C ÷ 60000C, có nhiều loại với phạm vi dải đo khác nhau. Cấp chính xác của hoả kế quang học là từ 1,5÷4,0 1.2.5.2 Hoả kế bức xạ: Hoả kế bức xạ làm việc trên cơ sở năng lượng của tia phát ra của nguồn nhiệt. Đây là dụng cụ đo nhiệt không tiếp xúc. Hoả kế bức xạ gồm có hệ thống quang học như gương, thấu kính, dùng để thu các tia do vật phát ra và hội tụ lại trên vật đen. Để đo nhiệt độ của vật đen người ta sử dụng các bộ cặp nhiệt điện mắc nối tiếp với nhau. Cặp nhiệt điện có thể là crom-copen. Để đo sức điện động của các cặp nhiệt độ có thể dùng milivon kế hoặc điện thế kế đã được chia thang đo theo nhiệt độ. 1 3 4 5 2 2 0C Hình – 13 Sơ đồ nguyên lý hoả kế bức xạ kiểu Pπ 1- Vật kính (thấu kính đo) 2- Thị kính 3- Lá tiết lưu 4- Bộ cặp nhiệt điện 5- Kính màu bảo vệ mắt Trên hình 1-13 là sơ đồ nguyên lý hoả kế bức xạ kiểu PM, bộ cặp nhiệt điện có 4 cặp nhiệt điện mắc nối tiếp. Dải nhiệt độ làm việc là TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 26 9000C ÷18000C. Sai số không vượt quá 4 ÷8%.Nhược điểm của loại hoả kế này là khó kiểm tra. Độ chính xác không cao. TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 27 PHẦN 2 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC CỦA CÁC PHẦN TỬ TRONG SƠ ĐỒ KHỐI 2.1. SƠ ĐỒ KHỐI - CHỨC NĂNG CỦA TỪNG KHỐI 2.1.1 Sơ đồ khối : Từ nhiệm vụ của đề tài thiết kế, có sơ đồ khối của hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ 5 kênh như hình vẽ: Hình 2-1 Sơ đồ khối hệ thống đo nhiệt độ 2.1.2 Chức năng của từng khối: t−¬ng tù - sè khèi nguån cÊp c¶m biÕn khèi chÊp hμnh khuÕch ®¹i khèi khèi khèi chuyÓn vμ khèi so s¸ nh t¹o xung nhÞp khèi khèi khèi chØ thÞ 220 v nhí kªnh TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 28 2.1.2.1 Khối Cảm biến: Đây là bộ phận cảm biến nhiệt (biến tín hiệu không điện thành tín hiệu điện). 2.1.2.2 Khối khuyếch đại trung gian Bộ phận này có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu từ Sensor. 2.1.2.3 Khối so sánh. Khối này có nhiệm vụ so sánh tín hiệu vào (tín hiệu đo) với tín hiệu cố định (tín hiệu đặt) để cho ra khối chấp hành. 2.1.2.4 Khối chuyển kênh: Khối này có nhiệm vụ cho phép từng kênh đọc một. Khi xong chuyển kênh khác và báo kênh nào đang đọc. 2.1.2.5 Khối xung nhịp Khối này có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển khối chuyển kênh . 2.1.2.6 Khối tương tự số : A/D Khối Analog(tín hiệu liên tục) sang Digital (tín hiệu số) có nhiệm vụ là phân tín hiệu tương tự cần đo mã hoá tín hiệu này và đưa sang chỉ thị số. 2.1.2.7 Khối chỉ thị Khối này có nhiệm vụ đọc tín hiệu và hiển thị số liệu đo, khối kênh nào đo. 2.1.2.8 Khối nguồn Khối này có nhiệm vụ cung cấp điện áp (nguồn nuôi) cho tất cả các khối trên và tạo ra nguồn luôn ổn định. 2.1.2.9 Khối chấp hành Khối này có nhiệm vụ báo hiệu, cảnh báo khi nhiệt độ đo vượt quá nhiệt độ đặt TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 29 2.2. GIỚI THIỆU TỪNG PHẦN TỬ TRONG SƠ ĐỒ KHỐI 2.2.1 Khối cảm biến 2.2.1.1 Chọn khối cảm biến Qua một vài phương pháp đo nhiệt độ ta thấy đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở là hiệu quả bởi vì: - Dải đo không lớn (00C ÷ 1000C) - Sai số nhỏ - Đơn giản, gọn nhẹ, dễ hiểu - Độ nhạy cao - Tính lặp lại cao. 2.2.1.2 Thiết kế cảm biến: • Nhiệm vụ thiết kế: - Tạo điện áp biến thiên tuyến tính với nhiệt độ - 5 khối cảm biến này có chỉ số giống nhau - Thông tin (tín hiệu) phản ánh nhiệt độ được truyền tuần tự, liên tục (chính xác) theo thời gian. Thiết kế: Với yêu cầu trên ta chọn sơ đồ cầu như hình vẽ: R1 Rt Ung UC R2 R3 Hình 2-2 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 30 - Chọn R1, R2, R3 ít thay đổi theo nhiệt độ (không thay đổi theo nhiệt độ).Thông thường trong kỹ thuật dùng điện trở bằng đồng có hệ số điện trở thay đổi là: α = 0,004/00C Rt = R0[1 + α(t0 − t00)](1) Với R0 là điện trở cảm biến nhiệt điện ở nhiệt độ t0 Rt là điện trở cảm biến nhiệt điện ở nhiệt độ t Ta có : Υcầu= t3 RR E + Rt − 21 RR E + R1 (2) Thay phương trình (1) vào (2) ta có : Υcầu = ]−+[++ ]−+[ )tt.(α1RRR )tt.(α1R.E 0 00 0 00 003 0 − 21 RR E + R1(3) ở (3) ta thấy tuyến tính khi : 21 RR E + R1, E, R0, R2, R3 là hằng số Và nếu ta chọn R1= R0 với R0 là điện trở của biến ở t00 = 00C R2 = R3 và R2,R3 >> R1,R0 ⇒ thì ta bỏ qua được R0α(t0 − t00) Lúc này ta có được phương trình (3) mới Υcầu = E.R0 02 RR )tt.(α1 000 + −+ − 20 RR 1 + = 02 .0 RR )tt.(αR.E 000 + + = 02 RR t.α.R.E 0 + = 21 .1 RR t.αR.E 0 + = 31 .1 RR t.αR.E 0 + Khi xét (t00=00C) Với cách chọn này Υcầu= 0 khi nhiệt độ là 00C. Khi tăng nhiệt độ trong dải (00C ÷1000C) là tuyến tính và tạo ra tín hiệu liên tục. 2.2.2 Khối khuyếch đại trung gian Khối khuyếch đại trung gian gồm năm bộ khuyếch đại thuật toán đo lường tuyến tính. ở đây ta sử dụng IC tuyến tính TL084 là loại IC dùng trong công nghiệp, có nguồn nuôi là (+12V) và (−12V). IC này có khả năng chống nhiễm TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 31 cao, có mạch chống trôi điểm 0 do nhiệt độ công suất tiêu tán định mức 680mV, tốc độ tăng áp 13C/1μ, nhiệt độ làm việc −2500C ÷850C. Như vậy dùng 5 IC TL084. Hình 2.3 Sơ đồ chân IC TL084 ở sơ đồ này chống nhiễm đồng pha: Ur = k.Ucầu (5) với k = k1.k2 k1 = 1 + 2 31 R RR + k2 = − 4 5 R R ở công thức (5) ta muốn thay đổi hệ số khuyếch đại phù hợp thì ta điều chỉnh điện trở R2 sao cho phù hợp. -12V TL084 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 9 8 0A 0A TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 32 Hình 2.4 Sơ đồ nối thành khuyếch đại đo lường IC TL084 2.2.3 Khối tạo xung điều khiển Hình 2.5 Cấu tạo IC 555 2.2.3.1 Cấu tạo khối xung điều khiển (555) 1- Cấu phân áp gồm 3 điện trở 5 kΩ nối từ nguồn xuống mass cho ra 2 điện áp chuẩn là 1/3Vcc và 2/3 Vcc 2- OA1 –AMP là mạch khuếch đại so sánh có ngõ vào không đảo nhận điện áp chuẩn 2/3Vcc, còn ngõ vào đảo thì nối ra ngoài chân 6. Tuỳ thuộc điện áp chân 6 so với điện áp chuẩn 2/3Vcc mà OA1 có điện áp ra ở mức cao hay thấp để làm tín hiệu R2, điều khiển bộ và đảo r3 r2 r1 A2 A1 r5 r7 r4 r8 A3 r6 U ng c U T 7 4 & S R & 3 ccv 8 ccv 2 5 k 5 k 6 5 3 vcc3 1 1 5 k 2 OA2 OA1 S S1 2 R R R 1 2 3 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 33 3- OA2 – AMP là mạch khuếch đại so sánh có ngõ vào đảo nhận điện áp chuẩn 1/3 Vcc, còn ngõ vào không đảo thì nối ra ngoài chân 2. 4- Hai bộ Và- Đảo của R và S có biểu thức logíc như sau : R = R1.R2.R3 S =S1.S2 5- Tranzitor T là tranzitor có cực để hở, nối ra chân 7 2.2.3.1 Nguyên lý làm việc của TIMER 555 : - Khi mới đóng điện (chân 4, 8) tụ C bắt đầu nạp điện từ 0V. OA1 có Vi+ > Vi- nên ngõ ra V01 ở mức cao (H), (P2 = H) OA2 có Vi+ < Vi- nên ngõ ra V02 ở mức thấp (L), (S1 = L) Do S = S1.S2 ⇒ S = H (mức cao) → chân ra (3) ở mức cao, hay S2 = L Ura ≈ Unguồn Mặt khác cùng thời điểm này do S = H (mức cao) → R3 = S = H (mức cao) R = R1.R2.R3 R3 = H R2 = H → R = L (mức thấp) R1 = H (chân 4 nối với nguồn) Cực B của Tranzitor T ở mức thấp hay T bị khoá Tụ nạp điện theo mạch “ Vcc – RA – D – C – Vcc’’ , có hằng số : tn = 0,693RA.C (khi xả Diod phân cực thuận nên dòng điện không qua RB và hằng số thời gian nạp và xả của tụ không tính đến điện trở của Diod là do điện trở này rất nhỏ so với RA, RB và được cân bằng với điện trở thuận của tranzitor T khi tụ xả) Khi điện áp trên tụ : U6;2≥ 1/3 UN (điện áp chân 2; 6) khi đó OA2 lật trạng thái. OA2 có Vi+ > Vi- → V0 = H (mức cao) Nhưng mức này do OA1 chưa thay đổi do điện áp trên tụ vẫn nhỏ hơn 2/3 UN → R = L (mức thấp) S vẫn ở mức cao, tức là tụ vẫn nạp bình thường. Khi điện áp trên tụ bằng 2/3 UN thì OA1 lật trạng thái, tức là Vi+ < Vi- R2 = L TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 34 → V0= L Do biểu thức logic ở trên nên ta có R = H (mức cao) Lúc này do R = H = S2 S1 = H → S = L chân ra 3 có điện áp = 0 (mức thấp) đồng thời do R= B = H (mức cao), nên tranzito T được mở thông. Tụ không được nạp điện và chuyển sang xả điện vào chân 7 qua T ra chân 1 nối đất, tụ xả theo hằng số thời gian : tX = 0,693RBC. Tụ xả đến khi điện áp trên tụ nhỏ hơn 2/3 UN tìh OA1 đổi lại trạng thái cứtc là có V0 = H (mức cao). R2 = H nhưng do lúc này OA2 chưa đổi trạng thái nên chân 3 vẫn ở mức thấp và T vẫn mở thông nên tụ vẫn xả. Tụ xả đến khi điện áp trên tụ nhỏ hơn 1/3 UN thì OA2 đổi lại trạng thái ban đầu, có V0 = 0 S1 = 0 theo biểu thức logic (2) có S = H (mức cao), nên chân ra 3 của 555 ở mức cao tức là Ur ≈ Un Đồng thời : R = 0 do R1 = 1 = S R2 = 1 R3 = 1 T khoá và tụ lại bắt đầu nạp và quá trình nạp được lặp lại như trên Có một điều khác từ chu kỳ thứ 2 trở đi là tụ được nạp điện từ 1/3 → 2/3 UN mà không nạp từ 0 như ban đầu. UR 8 7 I AR 4 3 2C 5 6 2 1 55 5x¶ I n¹p BRD C 1 + Vcc TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 35 2.2.4 Khối nguồn: - Một máy biến áp: với sơ cấp lấy điện 220V, f = 50Hz. Thứ cấp chia làm hai cuộn có một điểm chung. Đây là biến áp trung tính. - 4 diod tạo thành chỉnh lưu - Dùng IC ổn áp 7812, 7912 tạo ra nguồn E1 = ± 12Vvà dùng IC ổn áp 7805, 7905 tạo ra nguồn E2 = ± 5V. - Dùng 4 tụ hoá để lọc X t4 t cc 2 3 v C NT 32 T X T C K t t 3 v1 cc T k ® U t 1 T t G i¶n ® å x u n g U TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 36 2.2.5 Khối chỉ thị: Khối chỉ thị gồm hai bộ phận: - bộ phận thứ nhất chỉ nhiệt độ - bộ phận thứ hai chỉ kênh đang đọc số liệu đo. Bộ phận thứ nhất dùng 4 LED 7 thanh HD113 để chỉ: phần thập phân, hàng đơn vị, hàng chục, hàng trăm. Bộ phận thứ hai : sử dụng 1 LED 7 thanh HD113 để cho biết kênh nào đang hoạt động(kênh phát tín hiệu). Hệ cơ số đếm thập phân của tín hiệu đo đã được số hoá qua khối biến đổi tương tự số (ICL7107) LA 7912 1 3 2 +12V - 12V LA 7812 1 3 2 +12 - + 35V -12 - 35V A 31 B c4c2 d4d3 2 7812 ap A 1d2d1 c1 c3 7912 2 3 7805 7905 - E1 (-12v) - E2 (-5v) E2 (5v)E1 (12v) TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 37 2.2.6 Khối so sánh tín hiệu Khâu so sánh tín hiệu thường dùng khuyếch đại thuật toán k y hiệu OA - OA có hai cổng vào (+) U+ là cổng vào không đảo dấu (+) U- là cổng vào đảo dấu - S cổng ra - M là điểm nối đất của sơ đồ, là điểm chuẩn để đo điện thế của các điểm khác nhau trong sơ đồ - Vp+, Vp- là nguồn nuôi OA a A Vp+ M Vp- S U- U+ TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 38 1 d(x1) 2 c(x1) 3 b(x1) 4 a(x1) 5 f(x1) 6 g(x1) 7 e(x1) 8 e(x1) 9 c(x10) 10 b(x10) 11 a(x10) 12 f(x10) 13 e(x10) 14 d(100) 15 b(100) 16 f(100) 17 e(100) 18 POLARITY(-) a/b(100) 20 19 a(x100) Digital_GND21 22 g(x100) c(x100) g(x100) -5(V) 23 24 25 Integrator Buffer 26 27 28 Outozero29 -Input30 +Input31 Comm on32 Capactor33 Ref34 Ref low35 Ref High36 OSC2 OSC 3 Test37 38 39 40 OSC1 IC L 7107 Hình 4.7. Sơ đồ chân vi mạch 7107 2.2.7 Khối tương tự – số (A/D ) Để hiển thị nhiệt độ làm việc ta đưa điện áp đến một khâu hiển thị số và chuyển đổi tương tự sang số, kết hợp với bộ giải mã để cho ra ở đầu ra là mã 7 thanh 1 3 2 digital tương thích với hiển thị LED. Có thể sử dụng trực tiếp vi mạch 7107 như một milivonmet với giá trị tối đa đo được là ±199,9 (mv). Nguồn cấp cho vi mạch là ±5 (V) a. Cấu tạo của IC 7107 Chân 2 đến 25 là các chân ra điều khiển bộ chỉ thị số 7 thanh 1 3 2 digital. Trong đó chân 20 là chân Polarty (phân cực tính âm, dương) của bộ chỉ thị, chân 21 là chân nối đất, chân số 1 nối với nguồn +5(V) Chân 26: nối với nguồn - 5(V) Chân 27: có tác dụng là mạch tích phân Chân 28: có tác dụng như bộ đệm Chân 29: tự động điều chỉnh về o Chân 30, 31: điện áp so sánh (điện áp đo: chân 30 là cực (-), chan 31 là cực (+) Chân 32: là chân chung (comon) của nguồn điện và xung. Chân 33: bộ tích luỹ điện dung tụ điện Chân 34: lấy lại chuẩn (Ref: Reference) Chân 35: Ireflow: lấy lại chuẩn mức thấp Chân 36: Refhigh: lấy lại chuẩn mức cao TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 39 Chân 37: Test : kiểm tra đèn tín hiệu hiển thị Chân 38: OSC3 Chân 39: OSC2 các chân của bộ dao động: Oscicator Chân 40: OSC1 * Sơ đồ hoạt động Hình 4.8. Sơ đồ hoạt động của ICL7107 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 19 9 8 7 6 5 4 3 2 1 -5V 0,22μF 0,47μF 47kΩ 1MΩ 0,01μF 0,1 μF 1kΩ 100kΩ 100pF 1kΩ +5(V) C ¸c ® Ç u ra c ñ a ICIC L 7 107 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 40 2.2.8 Khối chuyển và nhớ kênh 2.2.8.1 khối chuyển kênh Nhiệm vụ của khối chuyển kênh là nhận tín hiệu từ 5 kênh tới. Sau đó sẽ chỉ thị đo lần lượt từng kênh một (từ sensor 1, sensor 2, sensor3, sensor4, sensor 5) và chỉ thị cho biết kênh nào đang đọc và đo nhiệt độ sensor của kênh đó. Việc chuyển kênh có thể được thực hiện theo nhiều cách, nhưng tổng quát có thể chia ra làm 2 cách là dùng mạch có tiếp điển (điều khiển bằng cơ) và dùng mạch không tiếp điển, hiện nay với dùng phổ biến là mạch không tiếp điểm với lý do là mạch có tiếp điểm có + tuổi thọ không cao do sự đóng mở các tiếp điểm nên có sự hao mòn về điện hồ quang và về cơ khí. + Không đáp ứng được yêu cầu cầu các hệ tác động nhanh. + Kích thước và không gian chiếm chỗ khá lớn, hệ thống điều khiển phức tạp, cồng kềnh và kém tin cậy... Bên cạnh đó thì dùng mạch không tiếp điểm có rất nhiều ưu điểm là + Có thể tác động nhanh + Kích thước nhỏ, dễ điều khiển + Độ tin cậy cao... Với những lý do đó ta chọn cách dùng mạch không tiếp điểm Dùng IC 4051B là (loại HEF4051B của Nhật) - IC HEF4051B bao gồm mạch đa hợp/ giải đa hợp với 3 ngõ vào cho phép (A0 ÷A2),một ngõ vào cho phép hoạt động mức thấp (E), tám ngõ vào/ra độc lập và một ngõ vào/ra chung (Z). - IC gồm tám khoá hai chiều, một phía được nối với các ngõ vào/ra độc lập(Y0÷Y7), phía còn lại được nối với ngõ chung (Z) - Khi chân (E) = L, khoá chọn các trạng thái bởi các chân từ A0÷A2. Khi chân E = H, khoá ở trạng thái trở kháng cao, độc lập với A0÷A2. - VDD và VSS là chân cấp nguồn, dải điện áp giữa VDDvà VSS từ 3 ÷ 15V Tín hiệu Analog vào/ra (Y0÷Y7 và Z) có thể dao động giữa VDD và VSS . Giá trị VDD−VSS không vượt quá 15V - Trong trường hợp hoạt động như một bộ đa hợp/giải đa hợp dạng số TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 41 ( Digital Multiplexer/Demultiplexer), VEE được nối với VSS(thường là nối Mass) + Ta cần 2 IC HEF4051B • 1- HEF4051B có nhiệm vụ đọc số liệu đo của các kênh • 2- HEF4051B có nhiệm vụ đọc kênh đang đọc số liệu đo nhiệt độ ở kênh đó Ta có bảng trạng thái Đầu Vào Đầu Ra 3 y 1216 15 d d v y 2 14 13 0 y 1 y 2 a 911 10 a 0 a 1 h e f 4 0 5 1 b y 5 y 4 6 y 7 yz 5 1 2 43 ss v e vee 86 7 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 42 E A2 A1 A0 Nối L L L L L ... H L L L L H ... X L L H H L ... X L H L H L ... X Y0 – Z Y1 – Z Y2 – Z Y3 – Z Y4- Z ... Không nối ¾ Nhiệm vụ các chân: - Y0 – Y9 : Các ngõ vào / ra - A0 – A2 : Các ngõ vào địa chỉ - E : Ngõ vào cho phép, tác động mức thấp - Z : Chân chung vào / ra 2.2.8.2 Khối Điều khiển tuần tự (Khối nhớ kênh) Ta sử dụng loại IC số HEF 4017B - Giới thiệu chung : IC HEF 4017 B là IC đếm thập phân. Bộ đếm sẽ hoạt động đếm lên hoặc khi chân CP0 chuyển mức thấp lên cao trong khi chân CP1 ở mức thấp hoặc ngược lại. Khi chân MR = L, bộ đếm được reset về 0, lúc này bộ đếm không lệ thuộc vào trạng thái của xung clock đưa vào. TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 43 Sơ đồ chân IC HEF 4017 B ¾ Nhiệm vụ các chân : - CP0 : Clock input (kích khởi đếm lên) - CP1 : Clock input (kích khởi đếm xuống) - MR : Reset lại ngõ vào - (00 – 09) : Các ngõ ra đã giải mã 2.3 TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ 5 KÊNH 2.3.1 Tính chọn các phần tử cảm biến (sensor) Dùng nguồn ổn áp cung cấp đo (khối sensor) nên ta phải lựa chọn các điện trở phù hợp tính năng kỹ thuật như ( R1, R2, R3 không bị thay đổi theo nhiệt độ, Rt biến thiên tuyến tính theo nhiệt độ...). Tính đến các thông số: R1 R2 R3 RT UcÇu 16v01 706 v 8 ss 07 3 03 05 6 04 2 0 12 0 5 9 110 h ef 4 01 7b 8 4 0 0 10 9 0 1cp cp 5-90 rm dd 12 13 15 14 TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 44 - Ta chọn Ucầu = 7 (mv) ở 1000C - R1= R0 =100 Ω và lúc ở 00C thì R1 = R0 - Theo thiết kế sensor ở công thức 3 có: - Ucầu = 21 1 + .. RR tαRE do chọn R2= R3 - R2= 3_10.7 100.004,0.100.5 - 100 ⇔ R2 =28571,4 (Ω) =28,571 (KΩ) Chọn R2= R3 =28 (KΩ) - Tính RT ở 1000C - RT =R0[1+α(t0- T00)] = 100[1+ 0,004(1000- 000)] = 140 (Ω) U’cẫu = 21 1 - 3 + E.R + . RRRR RE T T U’cẫu = mv1,7≈0071,0=10.28+100 5.100 140+10.28 140.5 3-3 - Tính sai số = 100. %14,0=100. 7 7,01_7 =100. _ = Δ ' cau caucau cau cau U UU U U - Với sai số 0,14 % thì việc tính chọn các trị số của các điện trở cầu đo là phù hợp - với cách tính chọn trên ta có R1=100(Ω) ; Rt =100 ÷ 140 (Ω). E1= 5 V ; R2= R3 =28 KΩ - Dòng điện qua nhánh R1, R2 là : IR1,R2 = 000177,0=10.28+100 5 = + 321 RR E (A) Chọn điện trở R1, R2 là dây măng Ganin 1/4w loại này có hệ số nhiệt điện trở γ =0,000015 (1/0C) Kiểm tra công suất trở đã chọn PR1 =I2R1,R2.R1=(0,000177)2.100 =3,132.10-6 (w) PR2 = I2R1,R2.R2 =( 0,000177)2.28.103 = 0,87.10-3 (w) TRƯỜNG ĐHKB HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 45 PR1,R2 =PR1 +PR2 =0,870003.