BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE ANALOG
PLC S7 - 200
SVTH : HUỲNH THIÊN BẢO
LỚP : 95KĐĐ
GVHD : NGUYỄN XUÂN ĐÔNG

TP. HỒ CHÍ MINH THÁNG 3 – 2000
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP -TỰ DO- HẠNH PHÚC
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN ĐIỆN –ĐIỆN TỬ
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO
Lớp : 95KĐĐ
Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ
1.Tên đề tài:
THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE
ANALOG PLC S7 - 200
2. Các Số Liệu Ban Đầu:
4.Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN XUÂN ĐÔNG
5.Ngày giao nhiệm vụ: 13-12-1999
6.Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 28-2-2000
Giáo viên hướng dẫn Thông qua bộ môn
Ngày…Tháng ….Năm 2000
Chủ nhiệm bộ môn
BẢN NHẬN XÉTLUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên : HUỲNH THIÊN BẢO
Lớp : 95KĐĐ
Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ
Tên đề tài:
THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GIAO TIẾP MODULE
ANALOG PLC S7 - 200
Nội dung luận văn tốt nghiệp:
Nhận xét của giáo viên phản biện:
IV – Giới thiệu một số mạch khống chế nhiệt độ 20
Chương II : GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ PLC 25
I – Sơ lược về lòch sử phát triển 25
II – Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC 25
III – So sánh PLC với các hệ thống điều khiển khác – Lợi ích của việc sử dụng PLC
IV – Một vài lónh vực tiêu biểu ứng dụng PLC 30
V – Giới thiệu về Module Analog EM235 của PLC S7 – 200, CPU 214 30
Chương III : GIỚI THIỆU VỀ SCR VÀ CÁC IC ĐƯC SỬ DỤNG TRONG MẠCH
36
Phần II : NỘI DUNG
A – THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 39
I – Yêu cầu 39
II – Sơ đồ khối – Nguyên lý hoạt động dựa theo sơ đồ khối 39
III – Thiết kế chi tiết- 39
1 – Mạch cảm biến nhiệt độ và mạch khuếch đại- 39
2 – Mạch điều khiển 43
3 – Mạch giải mã – Hiển thò 48
4 – Thiết bò 51
5 – Nguồn cung cấp-51
6 – Sơ đồ nguyên lý-54
B – PHẦN MỀM 55
1 – Quan hệ giữa nhiệt độ và dữ liệu 12 bit ở đầu ra của bộ chuyển đổi ADC 55
2 – Chương trình điều khiển- 57
Phần III : THI CÔNG MẠCH
I – Sơ đồ bố trí linh kiện và mạch in 66
II – Cân chỉnh mạch đầu đo 69
Phần C : KẾT LUẬN – TÀI LIỆU THAM KHẢO 70
PHAÀN I:
LYÙ THUYEÁT
LIEÂN QUAN

0
C,sai số đến +/-
0.1%.
- Các phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ,quang phổ… có khoảng
đo từ 1000
0
C đến vài chục ngàn độ C với sai số +/-1% -> 10%.
Thang đo nhiệt độ gồm: thang đo Celcius(
0
C), thang đo Kelvin (
0
K),
thang đo Fahrenheit (
0
F), thang đo Rankin (
0
R).
T(
0
C) = T(
0
K) – 273.15
T(
0
F) = T(
0
R) - 459.67
T(
0
C) = [ T(

- Sự biến đổi thể tích, áp suất.
- Sự thay đổi cường độ bức xạ của vật thể khi bò đốt nóng.
Đối với chuyển đổi nhiệt điện, người ta thường dựa vào hai tính chất đầu
tiên để chế tạo ra các cặp nhiệt điện (Thermocouple), nhiệt điện trở kim loại
hay bán dẫn, các cảm biến nhiệt độ dưới dạng các linh kiện bán dẫn như:
diode, transistor, các IC chuyên dùng.
b-Khâu xử lý:
Các thông số về điện sau khi được chuyển đổi từ nhiệt độ sẽ được xử lý
trước khi qua đến phần chỉ thò. Các bộ phận ở khâu xử lý gồm có: phần hiệu
chỉnh, khuếch đại, biến đổi ADC (Analog-Digital-Converter)… Ngoài ra còn
có thể có các mạch điện bổ sung như: mạch bù sai số, mạch phối hợp tổng
trở…
c-Khâu chỉ thò:
Khâu chỉ thò trước đây thường sử dụng các cơ cấu cơ điện, ở đó kết quả
đo được thể hiện bằng góc quay hoặc sự di chuyển thẳng của kim chỉ thò.
Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử, đãsản xuất nhiều loại IC
giải mã, IC số chuyên dùng trong biến đổi ADC, vì vậy cho phép ta sử dụng
khâu chỉ thò số dễ dàng như dùng LED 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng
LCD. Ở đó, kết quả đo được thể hiện bằng các con số trong hệ thập phân.
1-Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở:
Nhiệt điện trở thường dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khí than trong
các đường ống, các lò phản ứng hóa học, các nồi hơi, không khí trong phòng
…
Nguyên lý làm việc của thiết bò này là dựa vào sự thay đổi điện trở theo
nhiệt độ của các vật dẫn điện, tức là điện trở là một hàm theo nhiệt độ: R =
f(T). Cuộn dây điện trở thường nằm trong ống bảo vệ, tùy theo công dụng mà
vỏ ngoài có thể làm bằng thủy tinh, kim loại hoặc gốm.
Đối với hầu hết các vật liệu dẫn điện thì giá trò điện trở R tùy thuộc vào
nhiệt độ T theo một hàm tổng quát sau:
R(T) = Ro.F(T – To)

-Hệ số nhiệt lớn.
-Điện trở suất lớn.
-Tính ổn đònh hóa-lý cao.
-Tính thuần khiết về mặt cấu tạo hóa học cao.
*Muốn đo điện trở của nhiệt điện trở kim loại,ta có thể dùng mạch cầu
Wheatston như sau:
với Rt : nhiệt điện trở
R
N
:điện trở mẫu
R
B
: điện trở chỉnh dòng qua nhiệt điện trở
E : nguồn một chiều
R1 ,R2 : điện trở cầu đo
G
R
B
E
R2
R
N
Rt
R1
R
V
:điện trở dây dẫn nhiệt điện trở
Khi cầu cân bằng thì dòng qua điện kế G bằng 0 :
V
R1

R1
Nếu chú ý cả điện trở các dây dẫn thì : Rt = ___ .R
N
– 2R
V

R2
Với trò số R1,R2,R
N
đã biết chính xác,điện trở Rt được xác đònh.
Kết quả đo ,Rt không phụ thuộc vào nguồn cung cấp E.Nguồn E thay đổi
vẫn không ảnh hưởng đến kết quả đo Rt .Đây chính là ưu điểm của phương
pháp đo.
Độ chính xác của sự xác đònh Rt phụ thuộc vào độ nhạy của điện kế G.
Độ nhạy của điện kế càng cao ,sự xác đònh cân bằng càng đúng.
Ngoài ra sai số của điện trở R1, R2,R
N
cũng ảnh hưởng đến sai số của
Rt.
Điện trở đầu ra của mạch đầu đo:
R
RA
= (R1 + R2)//(R
N
+ Rt)
Trong thực tế, người ta thường giữ cho dòng điện qua nhiệt điện trở
trong khoảng I = (1 -> 4) mA ở phép đo cần độ chính xác cao và I=(4>10)mA
ở phép đo cần độ chính xác thấp hơn (trong công nghiệp),vì nếu để dòng
chảy qua nhiệt điện trở lớn thì hiện tượng tự nung ở nhiệt điện trở là đáng kể,
sẽ gây ra một sai số lớn, làm mất đặc tính cảm biến nhiệt của nhiệt điện trở.

C hoặc cao hơn, Platin thường kém
bền và chỉ thò nhiệt mất chính xác.
-Nhiệt điện trở Nickel:
Có ưu điểm là độ nhạy nhiệt rất cao (6,66.10
-3
/
0
C) từ 0
0
C đến
100
0
C, điện trở suất là 1,617.10
-8
(còn của Platin là 1,385.10
-8
). Nickel chống
lại sự oxy hóa, thường được dùng ở nhiệt độ nhỏ hơn 250
0
C.
-Nhiệt điện trở đồng:
Được sử dụng vì đặc tuyến rất tuyến tính của sự thay đổi điện trở theo
nhiệt. Tuy nhiên vì phản ứng hóa học nên không cho phép sử dụng ở nhiệt độ
lớn hơn 180
0
C, và vì điện trở suất bé nên khi dùng, để đảm bảo có giá trò
điện trở nhất đònh, chiều dài dây phải lớn gây nên một sự cồng kềnh bất tiện.
-Nhiệt điện trở Tungstène:
Có độ nhạy nhiệt của điện trở lớn hơn của Platin trong trường hợp nhiệt
độ cao và nó thường được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn Platin với một độ tuyến

là bột oxyt kim loại Mn, Fe,Ni hoặc các hỗn hợp tinh thể Aluminate Mn
(MnAl
2
O) , Titanate kẽm (Zn
2
TiO
4
).
*Nguyên lý làm việc – Đặc tuyến làm việc:
-Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại PT:
Vùng A : hệ số nhiệt âm
Vùng B : hệ số nhiệt dương rất lớn
Vùng C : hệ số nhiệt âm sâu, vùng này rất nguy hiểm và nhiệt điện trở
dễ bò phá hủy.
Điểm M: là điểm điều hành nhiệt điện trở.Đáp ứng nhiệt độ tức thời khi
cường độ dòng tăng vọt, nhiệt điện trở hoạt động bình thường trong khi chờ
đến nhiệt độ tăng. Hệ số nhiệt và điểm điều hành này thay đổi theo thành
phần các hợp chất cấu tạo Thermistor. Độ biến thiên có thể từ 10% đến 90%
trên độ bách phân.
-Đặc tuyến nhiệt độ của nhiệt điện trở bán dẫn loại NT:
Đặc tuyến của NT có dạng hyperbol do sự thay đổi của chất bán dẫn
theo nhiệt độ.
R
T
O
M
O
R
T
A B C

Nhiệt độ của một trong hai mối nối cố đònh, được biết và dùng làm
chuẩn (T1 = T
ref
), trong khi T2 là nhiệt độ của mối nối còn lại là nhiệt độ Tc
đạt được khi đặt trong môi trường có nhiệt độ không biết Tx. Nhiệt độ Tc phụ
thuộc vào Tx và phụ thuộc vào những sự thay đổi nhiệt có thể có với những
môi trường khác (hành lang, môi trường bên ngoài).
Cặp nhiệt điện được cấu tạo với kích thước rất bé cho phép việc đo
nhiệt độ với một cấp chính xác cao, đồng thời số lượng calo được thu nhỏ cho
phép một vận tốc đáp ứng nhanh. Hai ưu điểm này cho thấy cặp nhiệt điện
được sử dụng có ưu điểm hơn điện trở.
Ngoài ra, nó còn có một ưu điểm khác là tín hiệu được tạo ra chính là
sức điện động mà không cần tạo ra một dòng điện chạy qua cảm biến, như
vậy tránh được hiện tượng đốt nóng cảm biến.
Tuy nhiên, nhược điểm của Thermocouple là trong quá trình đo nhiệt độ
thì nhiệt độ của mối nối chuẩn (T
ref
) phải biết rõ, tất cả sự không chính xác
của T
ref
sẽ dẫn đến một sự không chính xác của Tc.
*Hình dạng và nguyên lý làm việc:
Nhằm tránh những tiếp xúc khác ngoài mối nối, hai dây dẫn được đặt
bên trong vỏ cách điện bằng sứ,cặp nhiệt điện với vỏ cách điện thường được
che chở thêm bằng một lớp vỏ để chống sự xâm phạm của các khí cũng như
những đột biến nhiệt, lớp vỏ thường bằng sứ hoặc thép; trong trường hợp
bằng thép, mối nối có thể được cách với vỏ hay tiếp xúc với vỏ, điều này có
lợi là vận tốc đáp ứng nhanh nhưng nguy hiểm hơn.
-Hình dạng các đầu cặp nhiệt:


M
– V
N
= P
T
A/B
(sức điện động ứng Peltier)
A
(T)
M . .N B
(T)
P
T
A/B
+ Nếu tạo thành một mạch kín đẳng nhiệt cấu tạo bởi những dây dẫn
khác nhau thì sức điện động Peltier tổng cộng sẽ bằng 0. Trong mạch được
cấu tạo bởi những vật liệu A, B, C, D thì :
P
T
A/B
+ P
T
B/C
+P
T
C/D
+ P
T
D/A
= 0

E
TNTM
A
=
: sức điện động Thompson
Nếu hai đầu của một mạch điện được cấu tạo bởi một dây dẫn duy nhất
và đồng cấp, đồng thời có cùng nhiệt độ thì E
A
TMTN
= 0.
-Nếu trong một mạch điện kín được cấu tạo bởi hai dây dẫn A và B mà
hai mối nối của chúng có nhiệt độ T1 và T2 thì sẽ tạo ra một sức điện động
(gọi là sức điện động Seebeck):
Đây chính là nguyên lý làm việc của một cặp nhiệt điện được cấu tạo từ
hai dây dẫn kim loại khác nhau A, B.
Với nhiệt độ T1 biết trước dùng làm nhiệt độ chuẩn T1 = T
ref
, sức điện
động của cặp nhiệt điện chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T2 là nhiệt độ cần xác
đònh.
*Cách sử dụng:
Cần tránh những sức điện động ký sinh trong khi mắc dây cảm biến
hoặc do sự cấu tạo không đồng nhất của cảm biến làm thay đổi đặc tính nhiệt
điện của cảm biến.
Những sự không đồng nhất trong cấu tạo có ba nguyên nhân chính:
- Lực ép cơ khí có được do sự sắp xếp hoặc do sự căng dây, thông
thường. Chúng có thể loại bỏ được nhờ sự nung lại.
- Những tác động hóa học: hai dây dẫn phải được che chở chống lại mọi
tác nhân có thể tác động đến chúng. Đặc biệt, sự điều chế vật liệu cần thiết
phải được tinh khiết .

T1
A/B
+
Nên để cặp nhiệt điện thẳng đứng nhằm tránh ống bảo vệ bò biến dạng
nhiệt.
Hộp đầu dây của cặp nhiệt điện không nên đặt quá gần nơi cần đo nhiệt
độ để tránh nhiệt độ đầu tự do quá cao.
Chú ý đến phạm vi sử dụng của từng loại cặp nhiệt điện mà chọn loại
cặp nhiệt điện phù hợp (thông thường phạm vi sử dụng cặp nhiệt nói chung
rất rộng từ –50
0
C đến 2500
0
C, nhưng ở nhiệt độ cao thì độ chính xác kém
dần).
Chú ý đến điều kiện sử dụng cặp nhiệt điện:
+Dùng cho lò nung cố đònh, gia nhiệt từ từ: chọn loại có ống bảo vệ kín
hoặc hở.
+Dùng nhúng trực tiếp trong nước: chọn loại không bọc.
+Dùng trong môi trường hay bò ăn mòn: chọn ống bảo vệ bằng sứ hoặc
thép đặc biệt chòu ăn mòn.
*Một số cặp nhiệt điện thông dụng:
-Thermocouple Platin_Rhodium Platin:
Nhiệt độ sử dụng : T = -50
0
C -> 1500
0
C
Đường kính dây : 0,51mm
Sức điện động Seebeck : E = (-2,3 -> 16,7)mV

C → 2760
0
C
Loại Wolfram_Rhenium 26% : T = 0
0
C → 1950
0
C
Chuyên dùng để đo nhiệt độ rất cao.
-Thermocouple Chromel_Alumel:
Nhiệt độ sử dụng : T = -270
0
C → 1250
0
C
Đường kính dây : 3,25mm
Sức điện động Seebeck : E = (-5,35 → 50)mV
Cấp chính xác : T = 0
0
C → 400
0
C là : +/-3%
T = 400
0
C → 1250
0
C là +/-0,75%
-Thermocouple Chromel_Constantan:
Nhiệt độ sử dụng : T = -270
0

C → 1250
0
C là +/-0,75%
-Thermocouple Cu_Constantan :
Nhiệt độ sử dụng : T = -270
0
C → 370
0
C
Đường kính dây : 1,63mm
Sức điện động Seebeck : E = (-6,25 → 19)mV
Cấp chính xác : T = -100
0
C → -40
0
C là +/-2%
T = -40
0
C → 100
0
C là +/-8%
T = 100
0
C → 350
0
C là +/-0,75%
3-Đo nhiệt độ bằng hỏa kế quang học :
Hoả kế quang học là tên gọi chung của các dụng cụ đo nhiệt độ bằng
cách ứng dụng các tính chất của hệ thống thấu kính quang học để thu lấy các
bức xạ của vật thể rồi căn cứ theo độ bức xạ của vật thể để xác đònh nhiệt độ .

nhiệt độ.
Các thành phần được sử dụng làm cảm biến đo nhiệt độ:
a)diode b)Transistor mắc thành diode
c)Hai Transistor giống nhau được mắc như diode
Người ta lợi dụng sự thay đổi tuyến tính của mối nối p-n đối với nhiệt độ
để chế tạo ra các diode và transistor chuyên dùng, làm cầu cảm biến nhiệt
trong đo lường và khống chế nhiệt độ.
*Sơ đồ mạch cảm biến dùng transistor:
Trong đó:
T1 : transistor cảm biến kết hợp với R1 làm cầu phân cực, nhiệt
độ thay đổi ảnh hưởng đến mối nối BE của T1.
IC1 : làm mạch khuếch đại tín hiệu đầu vào.
IC2 : khuếch đại đảo.
R5, R6 :dùng để hiệu chỉnh mạch.
Ở nhiệt độ khoảng 0
0
C ,dòng qua R4 bằng dòng qua R5 và R6. Ở nhiệt
độ cao, dòng qua R4 nhỏ hơn dòng qua R5, R6. Lúc này ngõ ra của IC1 giảm
xuống làm dòng qua R4, R5 giảm theo,làm sụt áp tại ngõ vào của IC2. IC2
mắc theo mạch khuếch đại đảo, hệ số khuếch đại bằng 1 nên tại ngõ ra của
I
V
a)
V
I
b)
V2
V1
Vd
I1

Sự tích cực của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất
bán dẫn bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di
chuyển qua các vùng cấu trúc mạng tinh thể, tạo sự xuất hiện các lỗ trống
nhiệt làm cho tỷ lệ điện tử tự do và các lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm
mũ với nhiệt độ. Kết quả của hiện tượng này là dưới mức điện áp thuận, dòng
thuận của mối nối p-n (trong diode hay transistor) sẽ tăng theo hàm mũ theo
nhiệt độ.
Ví dụ khảo sát cảm biến IC AD590. Cảm biến này tạo ra một dòng điện
thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ tuyệt đối, nó được dùng đo nhiệt độ trong
trường hợp dùng dây dẫn với khoảng cách xa.
+Sơ đồ nguyên lý IC AD590:
Các transistor Q3 và Q4 có cùng điện áp V
BE
và có dòng cực phát giống
nhau và bằng:
I
E3
= I
E4
=I
T
/2
Dòng điện này đi qua Q4 cũng chính là dòng điện cực phát của Q1 ,nó
xác đònh điện áp nền-phát là:
V
BE1
= (KT/q).log(I
T
/ 2Io)
Với K : hằng số Boltzmann

= (KT/q).log8 = R.I
T
/2
=>I
T
= (2/R).(KT/q).log8
*Sơ đồ mạch đo nhiệt độ dùng IC AD590:
Dòng điện I
T
tạo nên ở hai đầu điện trở R = 1KΩ một điện áp có trò số
bằng TmV(T là nhiệt độ tuyệt đối của cảm biến).
Nguồn điện áp chuẩn do IC AD580L có E
ref
= 2,5V và nhờ mạch phân
áp tạo ra điện áp có giá trò khoảng 273,15mV với bộ khuếch đại có độ lợi G
= 10, ở ngõ ra tín hiệu Vo tỉ lệ với nhiệt độ của cảm biến (theo
0
C):
Vo = 10(T – 273,15)mV = 10(T
0
C) (mV)
*Đặc tính một số IC đo nhiệt độ thông dụng:
-AD 590:
• Ngõ ra là dòng điện.
• Độ nhạy 1A/
0
K
• Độ chính xác : +4C
• Nguồn cung cấp : Vcc = 4V → 30V
• Phạm vi sử dụng : -55

Eref=2,5V
10k
200
1k
1k
0,1%
10k
I
T
(V
IN
) ngõ vào
AD590
I
T
R
• Dòng làm việc : 400µA → 500µA : không thay đổi đặc
tính.
• LM135 có sai số cực đại là 1,5
0
C khi nhiệt độ lớn hơn
100
0
C.
• Phạm vi sử dụng:
LM335 : -10
0
C → 125
0
C

C.
• Độ chính xác cao : +6C.
III-GIỚI THIỆU MỘT SỐ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ:
Về mạch điện đo nhiệt độ rất đa dạng phong phú, từ mạch đo chỉ thò
bằng đồng hồ microampe đến mạch đo chỉ thò số, cũng như bộ chuyển đổi
mạch cũng rất đa dạng.
Tuỳ theo yêu cầu sử dụng và yêu cầu kỹ thuật mà ta chọn các loại cảm
biến ,các mạch chuyển đổi, chỉ thò cho phù hợp.
1-Mạch đo nhiệt độ dùng nhiệt trở:
Sơ đồ nguyên lý như sau: