Thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính

ộng giải khuyếch đại GWB 3MHz . Tốc độ tăng điện áp 13 V/ μs . Điện trở lối vào > 102 Ω. Dòng tiêu thụ (max) 11,2mA . Sơ đồ sắp xếp chân ra của bộ khuyếch đại thuật toán . Sơ đồ mạch khuyếch đại . 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 TL 804 OUT A -IN A +IN A +IN B -IN B -IN D +IN D V- -INC OUT B V+ OUT D +IN C OUT C. . .. thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính 24 Tính toán và chọn linh kiện Khi ở t0 300 sensor thì nhiệt cho điện áp 3v. t0 800 sensor thì nhiệt cho điện áp 3,5v. Như đã được ấn định ở mạch cảm biến nhiệt LM335 do vậy ta có Uvào = 3v diện áp này được đưa vào tầng khuyếch đại đầu tiên có hệ số khuyếch đại K1 = 1 nhằm tăng được trở khánh đầu vào cho tầng khuyếch đại điện áp thứ 2. U1 = K1 . Uvào = 3V Tầng thứ 2 là một mạch trừ nó có hệ số khuyếch đại là . 3 4 1 2 2 R R R RK == . R6 là biến trở có nhiệm vụ điều chỉnh giá trị điện áp U2 = 3v khi nhiệt độ cần đo đó là 300C. 6 6 7,45 3 RK R +Ω= thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính 25 Ω=Ω×=⇒ KKR 05,7 2 7,43 6 Do đó ta có thể chọn R6 =10 KΩ. Theo giá trị mà ta đã ấn định thì khi nhiệt độ ở 800C thì điện áp của Sensor nhiệt là 3,5V và điện áp đầu vào cố định là 5V. Do vậy ta xác định hệ số khuyếch đại của tầng thứ 2 là K2. )( 2120 UUKU −×= 10 35,3 5 21 0 2 =−=−=⇒ UU UK mà 10 3 4 1 2 2 === R R R RK Ta chọn Ω== KRR 1042 Ω== KRR 131 Chiết áp R7 có nhiệm vụ điều chỉnh giá trị offset của mạch tầng thứ 3 có hệ số khuyếch đại K = 10 tầng này được kích hoạt nhằm tăng khả năng khuyếch đại tín hiệu của mạch đầu vào khi mà ta cần mở rộng dải nhiệt độ đo. Hệ số khuyếch đại của cả 3 tầng là. Ktổng = K1 x K2 x K3 = 1 x 10 x10 =100 lần. 3.2) Bộ khuyếch đại thuật toán LM324. Vi mạch LM324 chứa 4 tầng khuyếch đại thuật toán trong 1 vỏ 14 chân linh kiện này tỏ ra lý tưởng đối với những ứng dụng dùng nguồn nuôi đơn giản và sẵn sàng hoạt động từ điện áp nguồn nuôi 3V – 15V vì thế vi mạch này đực biệt thích hợp với những mạch điện dùng nguồn nuôi là pin. thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính 26 Mỗi bộ khuyếch đại đều được bù trừ bên trong. Các thông số bên trong. Điện áp nguồn nuôi : 3v ÷15v. Điện áp offset Vos(max) : 7mV. Dòng tĩnh lối vào IB(max) : 250nA. Dải điện áp lối ra (nhỏ nhất) : 20mA UB – 4,78V khi RL ≥ 2kΩ. Dòng tiêu thụ(max) : 3mA. Sơ đồ sắp xếp chân ra của bộ khuyếch đại thuật toán . LM 324 OUT A -IN A +IN A +V +IN B -IN B OUT D -IN D +IN D -V +IN C -IN C OUT C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 OUT B . . .. thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính 27 Sơ đồ mạch khuyếch đại. Việc tính toán tương tự như ở bộ khuyếch đại TL084. Bộ khuyếch đại LM324 có công suất nhỏ hơn TL084. Do đó ở những mạch cần có công suất lớn ta không dùng LM324 do vậy ở đề tài này của ta sẽ họn bộ khuyếch đại TL084. 4) Mạch chốt dữ liệu 74LS374 IC này có nhiệm vụ chốt các bit dữ liệu địa chỉ của kênh báo hiệu. Sơ đồ cấu tạo chân của IC 74LS374 thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính 28 Chức năng của các chân . Chân(3,4,7,8,13,14,17,18) là các chân của bít địa chỉ dữ liệu đầu vào. Chân (2,5,6,9,12,15,16,19) là các chân để đưa dữ liệu ra để điều khiển các phần tử chấp hành . Chân 11 : Chân nhận xung đồng hồ điều khiển . Chân1 : Chân nhận tín hiệu điều khiển chốt . Chân10: Chân đất . Chân 20: Chân nối với (+) nguồn. Sơ đồ mạch điện. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200C Q0 Q1 Q2 Q3 D1 D2 D3 D0 GND Vcc Q7 D7 D6 Q6 D5 Q5 D4 Q4 CLK 74 LS374 thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính 29 Nguyên tắc làm việc . Trong quá trình so sánh giữa nhiệt độ đo với nhiệt độ đặt , nếu nhiệt độ đo được mà lớn hơn nhiệt độ đặt thì tín hiệu báo hiệu sẽ được truyền ra cổng dữ liệu của chíp vi sử lý 8051 và được đưa vào các chân 3,4,7,8,13,14,17,18 của IC74LS374 sau đó sẽ có 1 bít ở mức logic cao tác động vào chân 11 để đưa tín hiệu điều khiển ra các chân 2,5,6,9,12,15,16,19 tương ứng là các bít D0 , D1 , D2 , D3 , D4 , D5 , D6 , D7 và dùng điều khiển để mở thông các tran C828 , cho các tran C828 này điều khiển các cơ cấu chấp hành bên ngoài là các Relay điện từ có nguồn 12v nhưng cũng có thể dùng các phần tử khác thay Relay. 5) Mạch cảm biến nhiệt độ. AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7 1 23 4 5 8 9 11 12 13 14 15 16 17 18 67 19 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q0 OC CLK 74LS374 C828 RELAY 12V OC1 +V 12V 12VSPDT NPN thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính 30 Để đo được nhiệt độ ta có rất nhiều các phương pháp đo như là cặp nhiệt điên, cảm biến nhiệt sử dụng IC nhiệt điện trở kim loại, cảm biến thạch anh... ở đây cặp nhiệt độ có rất nhiều ưu điểm là độ chính xác cao, giải nhiệt độ sử dụng lớn có thể từ –2000C – 1700 C, thời gian đáp ứng nhanh, giá thành phải chăng. Ngoài ra đường đặc trưng của nó có thể xem như là tuyến tính trong từng dải tuyến tính xác định. Còn IC đô nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện dưới dạng dòng điện hay điện áp. Dựa vào đặc tính rất nhạy cảm của các chất bán dẫn với nhiệt độ để tạo ra điện áp hoặc dòng điện, tỉ lệ thuận với nhiệt độ. Do vậy khi đo được tín hiệu thì ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo. Để đo được chính xác tất nhiên ta cần 1 đầu đo tính hợp. Đầu đo là một cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ chuyển nhiệt độ thành tín hiệu điện để đưa vào các thiết bị ghép nối khác trong mạch do vậy như ta đã nêu ở trên có rất nhiều phương pháp đo nhiệt độ nhưng dựa vào các điều kiện thực tế của phương án thiết kế trong đề tài này và dựa vào cả lí thuyết của mạch cần thiết kế ta quyết định dùng phương pháp do bằng IC cảm biến nhiệt độ. Các IC cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, Dễ tìm, giá thành rẻ. Các IC cảm biến nhiệt độ có rất nhiều loại như họ LM, DS1620... nhưng do yêu cầu của hệ thống cần sử dụng bộ cảm biến nhiệt độ có nhiệt độ làm việc từ 00C- 100oC là được do vậy ở đaay ta chỉ nêu ra IC họ LM làm IC cảm biến nhiệt cho mạch mà ta cần thiết kế điển hình là IC LM35, LM34 LM135. a) Sơ lược về đo nhiệt độ bằng đầu đo LM35. Đầu đo LM35 là một đầu đo đặc biệt có độ chính xác rất cao mạch điên sử dụng đầu đo có tên là LM35 là của hãng NTSC nó là một đầu đo nhiệt độ đơn giản có điện áp lối ra tỉ lệ thuận với nhiệt độ của đầu đo tính ra độ C ( thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính 31 celsius ) . Đầu đo LM35 không cần đến các linh kiện mạch ngoài vì vậy không cần chuẩn lại ở những nhiệt độ khác nhau. Đầu đo LM35 có thể hoạt động cả với điện áp nguồn nuôi đối xứng và không đối xứng. Dòng điện tiêu thụ chỉ cỡ 60μA nên có thể bỏ qua sự tăng nhiệt độ đầu đo dùng nuôi tạo ra. Sơ đồ vi mạch LM 35. 4V ÷ 30V 10mV/0C GND Các thông số của vi mạch LM 35 - Định thang trực tiếp theo (0C) - Tính hiệu lối ra bằng 10mV/0C - Độ chính xác được đảm bảo không kém hơn: 0,50C - Độ chính xác trong vùng nhiệt độ phòng: 0,250C - Điện áp nguồn nuôi 4v...30V - Dòng điện tiêu thụ 60 μA - Mức độ không tuyến tính: Loại 0,250C LM 35 thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính 32 Thông số kỹ thuật chính của cảm biến nhiệt họ LM 35 Mã sản phẩm Dải nhiệt độ Độ chính xác Đầu ra LM 35 A -550C ÷ 1500C + 10C 10MV/C LM 35 -550C ÷ 1500C + 1,50C 10MV/C LM 35 CA -400C ÷ 1100C + 10C 10MV/C LM 35 C -440C ÷ 1100C + 1,50C 10MV/C LM 35 D 0C ÷ 1000C + 20C 10MV/C b)Sơ lược về đo nhiệt độ bằng đầu đo LM 34 LM 34 là họ cảm biến nhiệt tích hợp có độ chính xác cao, điện áp đầu ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ Fahrenheit. Họ LM 35 không yêu cầu căn chỉnh bên ngoài vì bản thân vi mạch đã được căn chỉnh rồi họ này có điện áp ra thay đổi 10mV ứng với thay đổi nhiệt độ 10F. Thông số kỹ thuật chính của cảm biến nhiệt họ LM 34 Mã sản phẩm Dải nhiệt độ Độ chính xác Đầu ra LM 34 A -550F ÷ 3000C + 20F 10MV/C LM 34 -550F ÷ 3000C + 30F 10MV/C LM 34 CA -400F ÷ 2300C + 20F 10MV/C LM 34 C -440F ÷ 2300C + 30F 10MV/C LM 34 D -320F ÷ 2120C + 40F 10MV/C thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính 33 6) Môdul cơ sở vào/ ra 8 bít với MAX 232 MAX 232 là modul cơ sở dùng đê ghép nối tiếp giữa máy tính với thiết bị vào ra 8 bít. Modul này chứa vi mạch MAX 232 của hãng MAXIM để thích ứng tínhiệu ở mức(+12V,-12) trên giao diện của S 232. Vi mạch này nhận mức RS 232 đã được gửi từ máy tính và biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu TTL. Do vậy modul này cũng cho phép cả đọc vào cũng như đưa ra tín hiệu TTL qua giao diện nối tiếp của máy tính PC Sơ đồ chân của vi mạch MAX 232 Vì RS 232 không tương thích với các bộ vi xử lý và điều khiển hiện nay nên ta cần một bộ điều khiển đường truyền (chuyển đổi điện áp ) để chuyển các tín hiệu RS 232 về mức điện áp TTL được các chân TxD va RxD của 8051 chấp nhận. Bộ MAX 232 chuyển đổi từ các mức điện áp RS 232 vè TTL và 1 23 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 Vcc T1 in T1 out R1 inR1 out T2 in T2 out R2 out R2 in + + + + thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính 34 ngược lại, một điểm khác của chíp MAX 232 đó là dùng điện áp nguồn +5V cùng với điện áp nguồn nuôi của 8051 MAX 232 có 2 bộ điều khiển đường truyền là nhận và truyền dữ liệu (như sơ đồ trên).Các bộ điều khiển đườn truyền dùng cho TxD được gọi là T1 và T2 trong nhiều ứng dụng thì chỉ có một cặp được dùng .Ví dụ T1 và R1 được dùng với nhau trong trường hợp TxD của 8051 còn cặp E2 và T2 thì không dùng đến . Chú ý bộ điều khiển T1 của chíp MAX 232 còn có T1 IN và T1 OUT trên các chân 11 và 14 tương ứng.Chân T1 IN là ở phía TTL và được nối tới chân RxD của bộ vi điều khiển còn T1 OUT thì ở phía RS 232 được nối tới chân RxD của đầu nối DB của RS 232 .Bộ điều khiển đường R1 cũng có gán R1 IN và R1 OUT trên các chân số 12 và 13 tương ứng.Chân R1 IN (chân số 13) là ở phía RS 232 được nối tới chân TxD của đầu nối DB của RS 232 và chân R1 OUT (chân số 12) là ở phía TTL và được nối tới chân RxD của bộ viđiều khiển. Nếu nối ghép modem rỗng là nối hép mà chân bên phát được nối với bên thu và ngược lại. MAX 232 còn cần có 4 tụ điện giá trị từ 1 đến 22μF nhưng thường dùng là 22μF và ở đây ta chọn các tụ là 22μF. Sơ đồ mạch ghép của 8051 với MAX 232 và RS 232 8051 5 MAX232 11 2 P3.1(TxD) 10 3 4 3 P3.0 (RxD) 5 2 DB 9 thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính 35 Chíp 8051 có 2 chân chuyên được dùng chuyên cho truyền và nhận dữ liệu nối tiếp . Hai chân này là RxD và TxD là một phần của cổng Port 3 (đó là P3.0 và P3.1 tương ứng) P3.0là chân số 10 của 8051 còn P3.1 là chân số 11. Các chân này tương thích với mức logic TTL .P0 vậy cần có bộ điều khiển đường truyền để tương thích với RS 232 đó là chíp MAX mà ta đã trình bày ở trên.