mạch khống chế nhiệt độ!

[nam_ddt]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
KHOA CƠ ĐIỆN








BÁO CÁO KẾT QUẢ CÔNG TRÌNH
“SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC”
NĂM 2010





Tên đề tài : “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ KHỐNG CHẾ NHIỆT ĐỘ ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN”





Sinh viên thực hiện : Lê Hải Hòa
Lê Văn Nam
Nguyễn Thanh Tuấn
Lớp : Điện – Điện tử K51
CBHD : Bùi Ngọc Hùng












Hà Nội,5-2010
I . Đặt vấn đề
Ngày nay, điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu được trong hệ thống công nghiệp. Trong hệ thống các nhà máy công nghiệp. Một trong các yếu tố được điều khiển nhiều trong các hệ thống công nghiệp đó là nhiệt độ. Nhiệt độ được đo, điều khiển theo nhu cầu sử dụng, ví dụ như trong các hệ thống nhiệt của nồi hơi, các lò ấp, các lò sấy vv….
Các hệ thống đo và điều khiển nhiệt nay xuất hiện rất nhiều trên thị trường nhưng với những xuất xứ không rõ nguồn gốc, giá thành cao không có hướng dẫn sử dụng rất khó khăn trong việc sửa chữa và nâng cấp. Để giải quyết các vấn đề đó, với những kiến thức đã học về kỹ thuật điện, kỹ thuật vi xử lý vi điều khiển nhóm tác giả đã tính toán và đưa ra giải pháp điều khiển nhiệt độ ứng dụng vi xử lý 8951 với mạch thiết kế đơn giản dễ dàng sửa chữa và nâng cấp.
Mặc dù chúng em đã cố gắng để hoàn thành đề tài đúng thời hạn, nên không tránh khỏi những thiếu sót, chúng em mong quý thầy cô thông cảm. Chúng em mong được đón nhận ý kiến đóng góp quý báu của thầy cô để đề tài nghiên cứu hoàn thiện hơn.
Chúng em xin trân trọng cảm ơn!

II . Giải quyết vấn đề
2.1 Lý thuyết về hệ thống
2.1.1 Sơ đồ khối chung
2.1.2 Sơ đồ tổng quan

2.1.3 Lý thuyết về mạch đo
Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì tùy thuộc vào đặc tính của đại lượng cần đo, điều kiện đo, cũng như độ chính xác theo yêu cầu của một phép đo mà ta có thể thực hiện đo bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của hệ thống đo lường khác nhau.
Sơ đồ khối của một hệ thống đo lường tổng quát


Khối chuyển đổi : làm nhiệm vụ nhận trực tiếp các đại lượng vật lý đặc trưng cho đối tượng cần đo biến đổi các đại lượng thành các đại lượng vật lý thống nhất (dòng điện hay điện áp) để thuận lợi cho việc tính toán.
Mạch đo : có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu nhận được từ bộ chuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả đo của bộ chỉ thị.
Khối chỉ thị : làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để thể hiện kết quả đo.


Bộ kích thích:










Mạch đo lường sử dụng khuếch đại thuật toán:



Ta có :
( Công thức bộ trừ)
Rút gọn : (*)
i31 = i12 = i24


(**)
(*) và (**)
;
Bộ khuếch đại không đảo dùng biến trở để cân chỉnh:

Bộ AD biến đổi tín hiệu tương tự số
Giới thiệu về IC ADC 0809
Bộ ADC 0809 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi từ tương tự sang số 8 bit, bộ chọn 8 kênh và một bộ logic điều khiển tương thích. Bộ chuyển đổi AD 8bit nay dùng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ tiếp. Bộ chọn kênh có thể truy xuất bất kênh nào trong các ngõ vào tương tự một cách độc lập.Thiết bị này loại trừ khả năng cần thiết điều chỉnh điểm 0 bên ngoài và khả năng điều chỉnh tỉ số làm tròn ADC 0809 dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý.
Sơ đồ chân :

Ý nghĩa các chân:
đến IN¬ : 8 ngõ vào tương tự
A,B,C : Giải mã chọn một trong 8 ngõ vào
Z1 đến Z8 : Ngõ ra song song 8 bit
ALE : Cho phép chốt địa chỉ
START : Xung bắt đầu chuyển đổi
CLK : Xung đồng hồ
REF(+) : Điện thế tham chiếu (+)
REF(-) : Điện thế tham chiếu (-)
VCC : Nguồn cung cấp
Các đặc điểm của ADC 0809:
-Độ phân giải 8 bit
Tổng sai số chưa chỉnh định
Thời gian chuyển đổi: 10µs ở tần số 640kHz
Nguồn cung cấp +5v
Điện áp ngõ vào 0 – 5v
Tần số xung clock 10kHz – 1280kHz
Nhiệt độ hoạt động – 400C đến 850C
Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý hoặc dùng riêng
Không cần điều chỉnh zero hoặc đầy thang
2.2.4 Khối xử lý trung tâm
Bộ vi điều khiển viết tắt là Micro_controlle, là mạch tích hợp trên một chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống. Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển được tiến hành đọc, lưu trữ thông tin , xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó.
Trong các thiết bị điện và điện tử điện dân dụng, các bộ vi điều khiển, điều khiển hoạt động của TV, máy giặt , đầu đọc lazer, điện thoại…. Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong robot, dây chuyền tự động. Các hệ thống càng “thông minh” thì vai trò của hệ vi điều khiển càng quan trọng.
MCS-51 là họ IC vi điều khiển do hãng Intel sản xuất. Các IC tiêu biểu cho họ là 8051 và 8031. Các sản phẩm MSC-51 thích hợp cho những ứng dụng điều khiển. Việc xử lý trên Byte và các toán số học ở cấu trúc dữ liệu nhỏ được thực hiện bằng nhiều chế độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội.
AT89C51 cung cấp những đặc tính chuẩn như sau : 4 KB bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa và lập trình nhanh (EPROM), 128 Byte RAM, 32 đường I/O, 2 TIMER/COUNTER 16 Bit, vecto ngắt có cấu trúc 2 mức ngắt, một Port nối tiếp bán song công, 1 mạch dao động tạo xung Clock và dao động ON-CHIP. Thêm vào đó, AT89C51 được thiết kế với logic tĩnh cho hoạt động đến mức không tần số và hỗ trợ hai phần mềm có thể lựa chọn những chế độ tiết kiện công suất, chế độ chờ (IDLE MODE) sẽ dừng CPU trong khi vẫn cho phép RAM, timer/counter, port nối tiếp và hệ thống ngắt tiếp tục hoạt động. Chế độ giảm công suất sẽ lưu nội dung RAM những sẽ treo bộ dao động làm khả năng hoạt động của tất cả những chức năng khác cho đến khi Reset hệ thống.
2.2.5 Mạch điều khiển công suất
Kỹ thuật truyền tải điện hiện đại đã sử dụng các thiết bị bù, dịch pha được điều khiển bằng các linh kiện điện tử công suất để cung cấp nguồn năng lượng khi cần thiết để bảo đảm tính ổn định của hệ thống điện. Các thiết bị này kết hợp với các bộ vi xử lý cho phép điều khiển nguồn năng lượng một cách linh hoạt, khả năng tự động hoá cao đảm bảo độ tin cậy và độ ổn định của hệ thống, trong đó hệ thống điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng. Việc thiết kế và tính toán chính xác hệ thống điều khiển sẽ bảo đảm sự làm việc tin cậy của hệ thống bù, góp phần nâng cao tính ổn định của hệ thống điện.
Điều khiển Thyristor
Thyristor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lên anôt và xung điện áp dương đặt lên cực điều khiển. Sau khi Thyristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng, dòng điện chảy qua Thyristor do thông số của mạch động lực quyết định.
Sơ đồ cấu trúc
Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor như hình 1.
Mạch điều khiển có các chức năng sau:
Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp trên anôt- catôt của Thyristor.
Tạo ra được các xung có đủ điều kiện mở được Thyristor. Xung điều khiển thường có biên độ từ 2 đến 10V, độ rộng xung tx= 20-100μs đối với thiết bị chỉnh lưu hoặc cặp Thyristor đấu song song ngược.
Độ rộng xung được xác định theo biểu thức:

Trong đó:
Idt là dòng duy trì của Thyristor;
di/dt là tốc độ tăng trưởng của dòng tải.
Cấu trúc của một mạch điều khiển Thyristor gồm 3 khâu chính sau đây:
Khâu đồng bộ (ĐB): tạo tín hiệu đồng bộ với điện áp anôt-catôt của Thyristor cần mở. Tín hiệu này là điện áp xoay chiều, thường lấy từ biến áp có sơ cấp nối song song với Thyristor cần mở.
Khâu so sánh-tạo xung (SS-TX): làm nhiệm vụ so sánh giữa điện áp đồng bộ thường đã được biến thể với tín hiệu điều khiển một chiều để tạo ra xung kích mở Thyristor.
Khâu khuếch đại xung (KĐ): tạo ra xung mở có đủ điều kiện để mở Thyristor.

Khi thay đổi giá trị điện áp một chiều Uđk thì góc mở α sẽ thay đổi.
Nguyên tắc điều khiển
Sử dụng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” như hình 2 để thực hiện điều chỉnh vị trí đặt xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Thyristor.
Theo nguyên tắc này, ở khâu so sánh có hai điện áp đặt vào:
Điện áp đồng bộ sin, sau khi ra khỏi khâu ĐB được tạo thành tín hiệu cos
Điện áp điều khiển là áp một chiều có thể biến đổi được

Điện áp uđb= Um sinωt thì: Uc = Um cosωt
Giá trị α được tính theo phương trình sau: Umcosα = Uđk
Do đó: α = arccos(Udk/Um)
khi Udk = Um thì α = 0
khi Udk = 0 thì α = Л/2
Như vậy, khi điều chỉnh Udk từ trị 0 đến +Um, ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến Л/2
Sơ đồ gồm hai kênh kích mở cho hai Thyristor T1 và T2 nối song song ngược. Mỗi kênh gồm có 3 khâu: khâu tạo hàm cost, khâu so sánh và khâu khuếch đại.
Khâu tạo hàm kích mở cho T1gồm: OA1, R1, R2, R3, và tụ C. Khâu tạo hàm kích mở cho T2 gồm: OA3, R1, R2, R13, R3 và tụ C.
Khâu so sánh cho kênh kích mở T1 là OA2 và cho T2 là OA4. Tín hiệu ra của các khâu tạo hàm sẽ đưa vào cổng không đảo của các OA và cổng đảo được cấp bằng nguồn áp [0 +V1]. Thay đổi điện áp điều khiển bằng phần mềm lập trình vi điều khiển.
Khâu khuếch đại xung cho kênh T1 gồm: Tr1, R1, R4, R5, BAX1,và 2 diode D.
Khâu khuếch đại xung cho kênh T2 gồm: Tr2, R1, R4, R5, BAX2, và 2 diode D.
2.2 Thiết kế hệ thống
2.2.1 Sơ đồ khối

2.2.2 Sơ đồ nguyên lý chi tiết
Nguyên lý hoạt động:
Nhiệt độ do điện trở nhiệt sinh ra tác động vào vào cảm biến làm thay đổi áp ở cầu phân áp. Điện áp này sẽ biến đổi thành tín hiệu chuẩn qua bộ chuẩn hóa sau đó được chuyển thành tín hiệu số qua bộ AD và giao tiếp với vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ phát lệnh điều khiển vào mạch điều khiển khi so sánh với tín hiệu đặt (tương ứng nhiệt độ đặt). Làm thay đổi góc mở α .Tác động đến mạch công suất và làm điện trở nhiệt thay đổi.
Quá trình điều khiển sẽ hoàn toàn tự động. Thành phần chính của hệ thống là bộ vi điều khiển
Tính toán cân chỉnh và giới thiệu các phần tử trong mạch
Cảm biến dùng trong mach là PT100. Nó được làm bằng kim loại (thường là Platium), điện trở của nó thay đổi khi nhiệt độ thay đổi theo quy tắc biết trước một cách chính xác. PT100 là kí hiệu thường được sử dụng để nói đến RTD. Công thức của PT100 là: Rt=R0(1+αt) (α=0,00391 và R0=100Ω)
PT100 là kí hiệu thường được sử dụng để nói đến RTD với hệ số : alpha (α=0,00391 và R0=100Ω)
Công thức của PT100 là : Rt=R0(1+αt)
Dải nhiệt độ cần đo là 0 đến 1500 C
Khi t=00C
Khi t=1500
Chọn ;
Khi t biến đổi từ 0oC đến 1000C thì V1 biến đổi theo từ 0 đến 3V. Tín hiệu đầu ra V1 được đưa vào bộ khuếch đại không đảo như sơ đồ với biến trở điều chỉnh VR=15K
Cách hiệu chỉnh : Cho V1=2.26V và chỉnh biến trở sao cho đầu ra đúng bằng 5V.
Các IC khuếch đại dùng trong mạch là các OP-07
2.2.3 Chương trình phần mềm
-Lưu đồ thuật toán
-Code lập trình






III. Kết luận
3.1 Ưu nhược điểm hệ thống mạch khống chế nhiệt độ
Ưu Điểm
Hệ thống hoạt động ổn định với độ chính xác tương đối
Mạch sử dụng các linh kiện thông dụng dễ tìm kiếm trên thị trường với giá thành rẻ
Ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp
Nhược điểm:
Bên cạnh những ưu điểm thì hệ thống còn nhiều han chế như :
Thang đo chưa đủ lớn
Sai số còn lớn do sai số linh kiện và tính toán
3.2 Hướng phát triển của đề tài.
Có thể mở rộng thang đo để ứng dụng rộng rãi hơn trong công nghiệp
Trên cơ sở lý thuyết về kỹ thuật điện, kỹ thuật vi điều khiển, vi xử lý đề tài “nghiên cứu thiết kế mạch đo và khống chế nhiệt độ ứng dụng vi điều khiển 8951” đã đưa ra sơ đồ nguyên lý mạch đo và điều khiển nhiệt độ ứng dụng vi xử lý 8951.
Đề tài đã nêu lên ứng dụng cơ bản của vi xử lý trong lĩnh vực điều khiển. Bên cạnh đó đề tài đã mở ra một hướng phát triển là tiếp tục nghiên cứu phần giao tiếp hệ thống và máy tinh, hệ thống và người trên màn hình LCD.
Mặc dù đã hoàn thành đề tài, tuy nhiên đề tài còn nhiều sai sót nhóm tác giả kính mong nhận được những góp ý khoa học của các thầy cô cùng các bạn sinh viên.

Chúng em xin trân thành cảm ơn!












Phụ Lục
Lời nói đầu
1. Đặt vấn đề
2. Giải quyết vấn đề
2.1 Lý thuyết về hệ thống
2.1.1 Sơ đồ khối chung
2.2.2 Sơ đồ tổng quan
2.2.3 Lý thuyết về mạch đo
2.2.4 Khối xử lý trung tâm
2.2.5 Mạch điều khiển
2.2 Thiết kế hệ thống
2.2.1 Sơ đồ khối
2.2.2 Sơ đồ nguyên lý chi tiết
Nguyên lý hoạt động
Tính toán cân chỉnh và giới thiệu các phần tử trong mạch
2.2.3 Chương trình phần mềm
3. Tổng kết
3.1 Ưu nhược điểm
3.2 Hướng phát triển của đề tài
Phụ Lục