Đang tải... (xem toàn văn)
Bài tập lớn Vi Mạch Tương Tự Số tính toán thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độBài tập lớn này mình sử dụng IC cảm biến LM 35. Có thắc mắc gì gửi mail cho mình. toankupidgmail.com
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN - - BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ Đề tài: Thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Lớp: Mã sinh viên: BÙI THỊ KHÁNH HÒA xxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxx Hà Nội 11/2015 Trang - xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc BÀI TẬP LỚN: VMTT Số Họ tên HS-SV: xxxxxxxxxxxxxxxxx Nhóm: Lớp: xxxxxxxxxxxxxxxxxx MSV : xxxxxxxxxxxxxxxxxxx NỘI DUNG Đề tài: Dùng vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C = 00C ÷ tmax = ÷ (50 + n)0C - Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra: U = 0-10V I = - 20mA - Dùng cấu đo để thị - Khi nhiệt độ giới hạn bình thường: t0C = ÷ 2*tmax/3 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng thời gian tối bằng: τ = (1+0.5*a) giây - Đưa tín hiệu cảnh báo còi nhiệt độ vượt giá trị cảnh báo: - t0C = ÷ 2*tmax/3 Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân Xây dựng hiển thị số BCD Trong đó: - a: chữ số hàng đơn vị danh sách (ví dụ: STT = => a=3; STT = 10 => a=0) - n: Số thứ tự sinh viên danh sách PHẦN THUYẾT MINH Yêu cầu bố cục nội dung: Chương 1: Tổng quan mạch đo Chương 2: Giới thiệu thiết bị 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 mạch nhấp nháy cho LED - Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo Chương 4: Kết luận hướng phát triển Yêu cầu thời gian : Ngày giao đề : …………Ngày hoàn thành: 27/11/2013 Trang - xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Mục Lục Lời nói đầu Nhiệt độ tín hiệu vật lý mà ta thường gặp đời sống ngày kỹ thuật công nghiệp, điều khiển tự động hóa Việc đo cảnh báo nhiệt độ yêu cầu thiết thực Hiện cảm biến đo nhiệt độ loại cảm biến sử dụng nhiều công nghiệp dân dụng Bài tập lớn nghiên cứu dùng vi mạch tương tự tinh toán,thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ Trong trình thiết kế, kiến thức hạn hẹp trình độ hiểu biết chuyên môn tương đối hạn chế nên khó tránh khỏi sai sót, khuyết điểm Em mong nhận góp ý bảo nhiệt tình từ phía thầy cô để đề tài hoàn thiện hơn, áp dụng vào thực tiễn Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên làm đề tài xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Trang - xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO Tổng quan 1.1 Khái niệm nhiệt độ Nhiệt độ đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động nguyên tử, phân tử hệ vật chất Tuỳ theo trạng thái vật chất (rắn, lỏng, khí) mà chuyển động có khác Ỏ trạng thái lỏng, phân tử dao động quanh vị trí cân vị trí cân dịch chuyển làm cho chất lỏng hình dạng định Còn trạng thái rắn, phân tử, nguyên tử dao động xung quanh vị trí cân Các dạng vận động phân tử, nguyên tử gọi chung chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên có trao đổi lượng không sinh công, trình trao đổi lượng nói gọi truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt tuân theo nguyên lý: Bảo toàn lượng Nhiệt tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất Ở trạng thái rắn, truyền nhiệt xảy chủ yếu dẫn nhiệt xạ nhiệt Đối với chất lỏng khí dẫn nhiệt xạ nhiệt có truyền nhiệt đối lưu Đó tượng vận chuyển lượng nhiệt cách vận chuyển phần khối vật chất vùng khác hệ chênh lệch tỉ trọng 1.2 Các thang đo nhiệt độ Từ xa xưa người nhận thức tượng nhiệt đánh giá cường độ cách đo đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo thời kỳ Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng định nghĩa theo vùng, thời kỳ phát triển khoa học kỹ thuật xã hội Hiện có thang đo nhiệt độ là: - Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ) - Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15 - Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67 Đây thang đo nhiệt độ dùng phổ biến Trong thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) quy định mét đơn vị đo hệ đơn vị quốc tế (SI) Dựa thang đo đánh giá nhiệt độ Vi mạch số, vi mạch tương tự lĩnh vực không mang tới thời nóng bỏng ẩn chứa vô số điều bí ẩn có sức hấp dẫn lạ kỳ, ngày thâm nhập vào đời sống Nhưng thực tế dạng Trang - xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx lượng thường dạng tương tự Do muốn xử lý chúng theo phương pháp kĩ thuật số ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Xuất phát từ ý tưởng đó, em đă thưc việc xây dựng mạch điện đo nhiệt độ hiển thị đèn LED Mạch mang tính chất thử nghiệm thực tế vấn đề chuyển đổi ADC, vấn đề cảnh báo nhiệt độ đèn vấn đề đo lường đại lượng không điện điện Biến nhiệt thành điện Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật giải nhiệt độ Phân làm phương pháp chính: Đo trực tiếp đo gián tiếp - Đo trực tiếp phương pháp đo chuyển đổi nhiệt điện đặt trực tiếp môi trường cần đo - Đo gián tiếp phương pháp đo dụng cụ đo đặt môi trường cần đo (áp dụng với trường hợp đo nhiệt độ cao) Trong khuôn khuôn khổ yêu cầu đề tài ta khảo sát phương pháp đo trực tiếp giải nhiệt độ cần đo cao Đo nhiệt độ phương pháp trưc tiếp ta lại khảo sát loại nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu nhiệt kế nhiệt điện trở 2.1 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu: Cấu tạo : Gồm hai kim loại a, b hàn với đầu t1 hai đầu t0 đầu tự Nguyên lý làm việc: dựa hiệu ứng Thomson hiệu ứng seebek: Khi nhiệt độ đầu t1 khác nhiệt độ đầu t0 chúng tạo nên suất điện động: Eab(t1,t0)=Eab(t1)-Eab(t0) Nếu giữ nhiệt độ đầu t0 không đổi : Eab(t1,t0)=Eab(t1-c)=F(t1) - Rd: điện trở đường dây (quy định 5Ω) - Rdc: điện trở điều chỉnh (điều chỉnh cho Rd = 5Ω) • Những nguyên nhân gây sai số: + Điện trở mạch đo thay đổi nhiệt độ môi trường thay đổi · + Nhiệt độ đầu tự to đươc trì nhiệt độ chuẩn không độ C Et thực tế thường nhỏ lý thuyết Phương pháp khắc phục: có phương pháp: • Giữ ổn nhiệt độ đầu đo hoăc dùng thiết bị bù nhiệt Với cách thứ ta việc ngâm đầu đo vào nước đá • Khi nhiệt độ tư thay đổi Rt thay đổi làm cho mạch bù cân dẫn đến việc xuất điện áp Ucd bù vào Trang - xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx sức điện động bị thay đổi Ta có : Eab(t1,to)= E’ab(t1,to) +Ucd 2.2 Nhiệt kế điện trở Dùng nhiệt điện trở (là môt thiết bị biến đổi nhiệt độ thành thay đổi thương số điện trở R:Rt=f(t) ) Phân làm loại : - Nhiệt điện trở kim loại :thuường đươc làm Niken,Cu,platin Quan hệ R-t: Rt=Ro(1+at) Ro: điện trở nhiệt độ chuẩn a:hệ số nhiệt độ t:nhiệt độ môi trường Dải nhiệt độ:0 - 125 độ C - Nhiệt điện trở bán dẫn: Chế tạo từ hỗn hợp chất oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgẠl2O2 Đặc tính quan trọng có độ nhạy nhiệt cao gấp hàng chuc lần loại ` Dải nhiệt độ rộng Quan hệ điện trở nhiệt độ: Rt=Ro Exp[B.(1/T-1/To) Trong đó: To nhiệt độ chuẩn tuyệt đối Ro la điện trở chất bán dẫn nhiệt độ To Rt la điện trở chất bán dẫn nhiệt độ T môi trường B số có giá trị từ 3000 đến 5000 K Giá trị điện trở thường cỡ 50 - 500 Ôm - Đo nhiệt độ = diot tranzitor Linh kiện điện tử nhạy nhiệt nên ta sử dụng 1số linh kiện bán dẫn diot tzt nối theo kiểu diode (Bazơ nối với Colector) Khi điện áp U hai cực diode hàm nhiệt độ Độ nhạy xác định theo biểu thức : S = dU/dt (độ nhạy có giá trị thường cỡ 2.5 mV/độ C) Khi nhiệt độ thay đổi ta có: Ud = Ebe1 - Ebe2 = (K.T.ln(Ic1/Ic2))/q Trong đó: K hệ số T nhiệt độ môi trường tính theo độ K q điện tích Ic1 ḍng collector cua tzt1 Ic2 ḍng collector cua tzt Trang - xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Với tỉ số Ic1/Ic2=const Ud tỉ lệ thuận với nhiệt độ T mà không cần nguồn ổn định Độ nhạy nhiệt mạch mạch xác định theo biểu thức sau: S=d(U1-U2)/dT Hiện thị trường có sẵn IC tích hợp sử dụng phần tử bán dẫn làm nhiệm vụ cảm biến nhiệt tiện lợi 2.3 Lựa chọn phương pháp biến đổi nhiệt thành điện Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt áp dụng vào thiết bị đo nhiệt độ phương pháp phổ biến, tiện lợi Do đó, em đă lựa chọn phương pháp áp dụng vào đề tài Hơn nữa, em đă nói phần tử bán dẫn nhạy nhiệt, để đảm bảo độ chuẩn xác tương đối cao, thoả măn tiêu chuẩn yêu cầu, chấp nhận Hình thành sơ đồ khối 3.1 Sơ đồ khối Trang - xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Hình Sơ đồ khối hệ thống Trang - xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 3.2 Yêu cầu cho khối : - Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động với mức điện áp chuẩn yêu cầu - Cảm biến: Nhận tín hiệu cần đo, dùng làm mạch đệm tín hiệu lọc nhiễu tín hiệu trước chuyển vào khối khác - Mạch đo: Có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu điện nhận từ chuyển đổi cho phù hợp với yêu cầu kết đo thị - Cơ cấu thị: Là thiết bị hiển thị cho người dùng biết nhiệt độ đối tượng cần đo Có nhiều cấu thị khác như: từ điện, điện động, số - So sánh: Làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa với tín hiệu cài đặt Tuỳ theo tín hiệu ngõ ra, định để cấu chấp hành gia tăng, giảm, hay giữ nguyên nhiệt độ chí kết hợp để báo động hiển thị - Nhấp nháy: Thông báo tình trạng, trạng thái làm việc mạch - Cảnh báo: thực chức báo động nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép 3.3 Tổng quan mạch đo 3.3.1 Mạch đo Đối tượng cần đo đại lượng vật lý, dựa vào đặc tính đại lượng cần đo mà chọn loại cảm biến phù hợp để thực việc biến đổi thong số cần đo thành đại lượng điện hay điện áp U = – 10V I = - 20mA Sau qua bọ lọc khuếch đại tín hiệu Tín hiệu sau hiệu chỉnh chuyển qua sang cấu thị chuyển đổi ADC (Analog Digital Converter) chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dạng số chuyển qua để so sánh phát cảnh báo nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép chuyển tới phần thị để hiển thị kết LED 3.3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ Đo nhiệt độ phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên môi trường, điện đại lượng cần đo - Nhiệt độ phân làm nhiều dải để đo: + dải mức thấp + dải mức trung bình + dải mức cao - Nhiệt độ đo với cảm biến hỗ trợ + cặp nhiệt kế + nhiệt điện kế kim loại Trang - xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx + nhiệt điện trở kim loại + nhiệt điện trở bán dẫn + cảm biến thạch anh Trang - 10 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Rhd =(Vcc - V LED – Vo1 )/ ILED=(5V- 2V- 0.4V)/ 10mA= 260 (Ω) Trong thực tế thiết kế ta chỉnh giá trị R hd cho LED sang rõ lúc ta đo giá trị điện trở hạn dòng Rhd =330 (Ω) Tại ngõ IC 74LS47, ta mắc thêm điện trở hạn dòng cho IC trường hợp LED sang điện áp LED khoảng 2V, V CE SAT =0.2 V, nên phải có điện trở hạn dòng cho IC để không sảy cháy IC mã hóa 9.LED báo Là thiết bị dùng để báo sáng nhấp nháy mạch đo thấy nhiệt độ phạm vi cho phép Hình 12: LED 10.Transistor Hình 13 : transistor Transitor hay gọi bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với hình thành hai mối tiếp giáp P-N, ghép theo thứ tự PNP ta Transistor thuận, ghép theo thứ tự NPN ta Transistor ngược Nguyên lý hoạt động: Muốn cho tranzito làm việc ta phải cung cấp cho chân cực điện áp chiều thích hợp Có ba chế độ làm việc tranzito là: chế độ tích cực (hay chế độ khuếch đại), chế độ ngắt chế độ dẫn bão hòa Cả hai loại tranzito P-N-P N-P-N có nguyên lý làm việc giống nhau, có chiều nguồn điện cung cấp vào chân cực ngược dấu - Chế độ ngắt: Cung cấp nguồn điện cho hai tiếp xúc P-N phân cực ngược Tranzito có điện trở lớn có dòng điện nhỏ chạy qua nên tranzito coi không dẫn điện - Chế độ dẫn bão hòa: Cung cấp nguồn điện cho hai tiếp xúc P-N phân cực thuận Tranzito có điện trở nhỏ dòng điện qua lớn Ở chế độ Trang - 20 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx ngắt chế độ dẫn bão hòa, tranzito làm việc phần tử tuyến tính mạch điện Ở chế độ tranzito khóa điện tử sử dụng mạch xung, mạch số - Chế độ tích cực: Ta cấp nguồn điện cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận, tiếp xúc góp TC phân cực ngược Ở chế độ tích cực, tranzito làm việc với trình biến đổi tín hiệu dòng điện, điện áp, hay công suất có khả tạo dao động khuếch đại tín hiệu 11.Điện trở, tụ điện Hình 14: Điện trở tụ điện - Trong thiết bị điện tử điện trở linh kiện quan trọng, chúng làm từ hợp chất cacbon kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo loại điện trở có trị số khác - Tụ điện loại linh kiện điện tử thụ động tạo hai bề mặt dẫn điện ngăn cách điện môi Khi có chênh lệch điện hai bề mặt, bề mặt xuất điện tích điện lượng trái dấu - Sự tích tụ điện tích hai bề mặt tạo khả tích trữ lượng điện trường tụ điện Khi chênh lệch điện hai bề mặt điện xoay chiều, tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng tụ điện mạch điện xoay chiều 12.Còi báo Còi báo làm nhiệm vụ phát tín hiệu âm báo động xảy cố nhiệt độ tăng giới hạn cho phép Hình 15: Còi báo động Chương 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐO Yêu cầu tính toán thiết kế với n = 68, a = a) Dải đo: từ 00C đến tmax = (50 + n)0C = 1180C Trang - 21 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx b) Giới hạn nhiệt độ bình thường: từ 00C đến t = 2*tmax/3 = 790C c) Thời gian sáng tắt đèn báo nhiệt độ giới hạn bình thường là: τ = (1+0.5*a) = giây d) Khi nhiệt độ 790C còi báo hoạt động 1.Tính toán lựa chọn cảm biến Căn vào yêu cầu đề tài khả áp dụng thực tế Em lựa chọn sử dụng IC cảm biến nhiệt độ LM35 Khi nhiệt độ thay đổi 10C đầu cảm biến thay đổi 10mV 2.Tính toán thiết kế mạch đo Nguyên lý hoạt động mạch đo: Vì điện áp đầu IC cảm biến nhiệt độ LM 35 nhỏ nên đưa tới mạch khuếch đại chuẩn hóa với mức điện áp (U) ÷ 10V dòng điện (I) 4mA ÷ 20mA Sau đưa tới cấu thị 2.1 Cơ cấu thị Vì dòng điện dòng chiều điện áp chiều với giá trị bé nên ta dùng cấu thị từ điện để hiển thị giá trị nhiệt độ thời điểm xác định 2.1.1 Cấu tạo chung Gồm hai phần bản: phần tĩnh phần động - Phần tĩnh: gồm: nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ cực từ lõi sắt hình thành mạch từ kín Giữa cực từ l.i sắt có có khe hở không khí gọi khe hở làm việc, đặt khung quay chuyển động - Phần động: gồm: khung dây quay quấn bắng dây đồng Khung dây gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo) Trên trục quay có hai lò xo cản mắc ngược nhau, kim thị thang đo Hình 16: Cơ cấu thị từ điện 2.1.2 Nguyên lý làm việc chung Khi có dòng điện chạy qua khung dây (phần động), tác động từ trường nam châm vĩnh cửu (phần tĩnh) sinh mômen quay Mq làm Trang - 22 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu góc α Mômen quay tính theo biểu thức: Mq ==B.S.I.W với B: độ từ cảm nam châm vĩnh cửu S: tiết diện khung dây W: số v.ng dây khung dây Với cấu thị cụ thể B, S, W, D số nên góc lệch α tỷ lệ bậc với dòng điện I chạy qua khung dây 2.2 - 2.1.3 Các đặc tính chung: Từ biểu thức suy cấu thị từ điện có đặc tính sau: - Chỉ đo dòng điện chiều - Đặc tính thang đo độ nhạy số Tính toán thiết kế cấu thị nhiệt độ Giới hạn đo: 00C đến 1500C Độ chia nhỏ nhất: 0.10C Sai số: ± 0.10C Hình 17: Cơ cấu thị nhiệt độ (ví dụ) 3.Tính toán thiết kế mạch nguồn cung cấp Vì hầu hết nguồn sử dụng mạch nguồn chiều mà thực tế nguồn lại nguồn xoay chiều với điện áp 220V => Biến đổi dòng xoay chiều sang chiều Tính chọn máy biến áp: Ở có hai nguồn đó: +5V, +12V/-12V, cần sử dụng máy biến áp có nhiều cấp điện áp để lấy hai cấp điện áp dùng Hoặc ta hạ xuống 12V dùng biến trở để chỉnh xuống 5V tiêu tốn lượng lượng nên dùng chỉnh lưu điện áp Một phương pháp khác ta dùng khối ổn áp chiều để có đầu thay đổi Phương án thiết kế : Dùng IC ổn áp chiều + Biến áp : Do yêu cầu đặt nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào 220V điện áp 12V + Mạch chỉnh lưu : ưu điểm mạch chỉnh lưu cầu điện áp nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ so với phương pháp cân nên ta chọn chỉnh lưu cầu pha nửa chu kỳ Trang - 23 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx + Bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san điện áp để dòng điện phẳng hơn, lọc tụ điện đơn giản chất lượng học cao Nên ta dùng tụ điện + Khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp +5V, +12V/-12V Ta dùng IC7812/IC7912 7805 + Sơ đồ khối mạch nguồn: Hình 18: Sơ đồ khối mạch nguồn Nguồn cấp mô hình vẽ: Hình 19: Sơ đồ mạch tạo nguồn cấp 4.Tính toán thiết kế mạch khuếch đại chuẩn hóa Chuẩn hóa đầu với mức điện áp U = ÷ 10 V I = ÷ 20 mA 4.1 Thiết kế tính toán mạch khuếch đại chuẩn hóa điện áp Mạch chuẩn hóa đầu cảm biến LM35 thay đổi từ 0C (0 V) đến 1180C (1.18 V) Sử dụng IC khuếch đại thuật toán opam uA741 mạch khuếch đại không đảo để chuẩn hóa tín hiệu điện áp Trang - 24 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Hình 20: Mô mạch khuếch đại chuẩn hóa đầu 10 V – 1180C Tính toán: UI = 1.18 (Vol) U0 = 10 (Vol) Hệ số khuếch đại mạch: Ku = + = = 8.46 = 7.46 Chọn R2 = K => RF = 7.46 K 4.2 Thiết kế tính toán mạch chuẩn hóa dòng điện - Để chuẩn hóa đầu dạng dòng điện từ mạch đo Có nhiều mạch biến đổi từ điện áp – dòng điện với khuếch đại thuật toán - Đối với yêu cầu (đầu I=4÷20mA) ta sử dụng sơ đồ mạch biến đổi U - I với KĐTT - Sơ đồ mô Proteus Hình 21: Mạch đo mạch biến đổi U-I - Tính toán giá trị linh kiện mạch: • Điều kiện mạch: Trang - 25 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx • Biểu thức dòng điện ra: + Với ,: => + Với ,: => • Lấy suy ra: • Chọn • Từ suy ra: - Kết luận: Mạch cho phép thay đổi hệ số biến đổi cách thay đổi - Lắp thêm biến trở RV1 1k nhằm mục đích chuẩn hóa xác 5.Tính toán thiết kế mạch nhấp nháy cho LED Tính toán thiết kế mạch nháy cho LED với thời gian sáng thời gian tắt Ta có τ = (1 + 0.5*a) giây với a = => τ = giây Với yêu cầu đặt giải pháp dùng mạch so sánh mạch tạo xung vuông đối xứng với T=10s Cụ thể ta dùng mạch tạo xung vuông đối xứng sử dụng IC555 Nguyên lý hoạt động chung mạch: Khi nhiệt độ nằm giới hạn độ C ÷ 79 độ C U- < U+ điện áp mạch so sánh mức H, qua cổng logic AND điện áp Uo mức (dựa vào bảng chân lý) Khi chân (RST) đưa lên mức cao, IC555 hoạt động chân có xung làm cho LED nhấp nháy Tương tự U- > U+ điện áp mạch so sánh mức L, qua cổng logic AND điện áp Uo mức (dựa vào bảng chân lý) Khi chân (RST) kéo xuống mức thấp (0V), IC555 ngừng làm việc => LED không nhấp nháy Hính 22: Mạch nhấp nháy cho LED 5.1 Thiết kế mạch so sánh Trang - 26 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Hình 23: Mạch so sánh Nguyên lý hoạt động mạch so sánh: Khi U- < U+ mạch chuyển từ trạng thái L sang H Ngược lại mạch chuyển từ trạng thái H sang L Khi nhiệt độ giới hạn bình thường: t°C = ÷ 2*t max/3 = ÷ 790C Điện áp mạch đo 6.72V nên ta chọn điện áp đặt 6.75V, điện áp tao mạch phân áp đơn giản Ta có U+ = 6.75V, chọn R7 = 100kΩ => = 0.0525 mA Vậy =128 kΩ Yêu cầu nhiệt độ giới hạn cho phép ( 6.75 V) Ở đầu LM358 LOGIC (low) 5.2 Mạch logic (Cổng logic): Mạch sử dụng AND, đầu Bảng chân lý phép nhân logic A 0 1 B 1 Z=A.B 0 Trang - 27 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Hình 24 Ký hiệu bảng chân lý phép nhân logic 5.3 Thiết kế mạch tạo xung sử dụng IC 555 với chu kì nạp xả (led nhấp nháy) T = tsáng + ttối = 10 giây Khi chân số ( R) mức logic (hight) IC 555 hoạt động, tạo xung vuông với chu kỳ = T = 10 giây Tính toán: T = tsáng + ttối = 0.69 * ( R10 + R11)* C2 = 10 giây Chọn R10 = R11 = 45K C2 = 160 (uF) Hình 25: Mạch đèn nháy nhiệt độ phạm vi cho phép Tính toán thiết kế mạch cảnh báo còi Khi nhiệt độ vượt 2*tmax/3 = 790C đưa tín hiệu cảnh báo tới loa Với yêu cầu ta sử dụng mạch so sánh, cổng logic van bán dẫn đơn giản sử dụng transistor Trang - 28 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Nguyên lý hoạt động chung mạch: Khi nhiệt độ vướt 2*tmax/3 = 790C U- > U+ điện áp mạch so sánh mức L, qua cổng logic AND điện áp Uo mức (dựa vào bảng chân lý) Chân B transistor kéo xuống mức 0, đồng thời transistor phân cực thuận, xuất dòng điện IEC qua loa làm loa kêu Ngược lại transistor bị phân cực ngược dòng qua loa Hình 26: Mạch cảnh báo nhiệt độ vượt phạm vi cho phép - Tính toán giá trị linh kiện mạch: • Ở để đơn giản ta sử dụng loa thạch anh với điện áp danh định 5V Van bán dẫn PNP sử dụng 2N3906, A1015 • Điện trở tương ứng chân ta chọn sau: R12 = 1kΩ, R13 = 220Ω • Để ứng dụng thực tế, sử dụng van bán dẫn kết hợp với rơle để cảnh báo chuông điện xoay chiều 220V thiết bị bạn muốn điều khiển 7.Xây dựng hiển thị số BCD 7.1Sử dụng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân - ADC0804 chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Chip có điện áp nuôi +5V độ phân giải bit - Nguyên lý hoạt động chung mạch: Để ADC0804 làm việc chân CS phải đặt mức thấp Chân RD nhận tín hiệu vào tích cực mức thấp, đồng thời chân RW phải có xung cao xuống thấp để IC bắt đầu trình chuyển đổi Cụ thể mạch sử dụng IC555 để tạo xung vuông Trang - 29 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx LED D1 tắt báo cho người dùng biết trình chuyển đổi hoàn tất RD mức thấp, tín hiệu số đưa PORT D (DB0-BD7) Quá trình lặp lặp lại điện áp chân VIN chuyển đổi sang mã nhị phân - Sơ đồ mô Proteus Hình 27: Bộ chuyển đổi điện áp sang mã nhị phân bit 7.2Xây dựng hiển thị số BCD - Số nhị phân bit có giá trị lớn 255 Vì ta sử dụng LED đoạn để hiển thị kết tương ứng với số hàng đơn vị, hàng chục hàng trăm - Từ nhận xét chúng em chia thành khối mạch sau: khối hiển thị LED đoạn hàng đơn vị, khối mạch hiển thị hàng chục khối hiển thị hàng trăm - Cách chuyển đổi số nhị phân tự nhiên bit thành số BCD: + Đầu tiên ta chuyển số bit thành số BCD: hai số BCD có giá trị từ 010 đến 910 cộng lại cho kết từ 010 đến 1810 , để đọc kết dạng BCD ta phải hiệu chỉnh kết có từ mạch cộng nhị phân Trang - 30 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx + Dưới kết tương đương loại mã: thập phân, nhị phân BCD - Nhận thấy: + Khi kết = 10 để có mã BCD ta phải cộng thêm cho mã nhị phân - Để giải vấn đề hiệu chỉnh trước tiên ta thực mạch phát kết trung gian mạch cộng số nhị phân bit Mạch nhận kết trung gian phép cộng số nhị phân bit cho ngõ Y=1 kết qủa >= 10, ngược lại, Y=0 - Bảng thật: - Mạch cộng số BCD thực theo sơ đồ: Trang - 31 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Hình 28 Mạch cộng số nhị phân bit - Vận hành: + IC thứ cho kết trung gian phép cộng hai số nhị phân + IC thứ hai dùng hiệu chỉnh để có kết số BCD • Khi kết =10,IC nhận ỡ ngõ vào A số 0110 (do Y=1) kết hiệu chỉnh nói - Như vậy, ta chuyển đổi số nhị phân bit thành số BCD - Tiếp theo ta đổi số bit, bit, bit bit thành số BCD • Ở bít thứ ( giá trị thập phân tương ứng 16 ) Vì vậy, ta cộng vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng vào khối hiển thị hàng chục • Ở bít thứ ( giá trị thập phân tương ứng 32 ) Vì vậy, ta cộng vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng vào khối hiển thị hàng chục • Ở bít thứ ( giá trị thập phân tương ứng 64 ) Vì vậy, ta cộng vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng vào khối hiển thị hàng chục Lúc xuất bit tràn hàng chục nên ta đưa vào khối hiển thị hàng trăm • Ở bít thứ ( giá trị thập phân tương ứng 128 ) Vì vậy, ta cộng vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng vào khối hiển thị hàng chục (nếu có bit tràn cộng vào khối hiển thị hàng trăm) cộng vào khối hiển thị hàng trăm - Tiếp theo phần hiển thị kết quả: ta sử dụng IC 7447 để giải mã LED đoạn Trang - 32 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx - Sơ đồ mô Proteus Hình 29: Bộ chuyển đổi bit sang BCD Trang - 33 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận - Thông qua việc hoàn thành đề tài “Thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ” em rút số nhận xét sau: • Vừa hội vừa thách thức để em áp dụng kiến thức học lớp để ứng dụng thiết kế mạch điện tử • Hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động, chức chuyên biệt số linh kiện điện tử • Biết cách thiết kế tính toán mạch điện tử thực công việc • Cảm thấy yêu thích ngành chọn hơn, thấy lựa chọn đắn thân Hạn chế: Với đề tài giao em cố gắng hoàn thành thời gian quy định Trong trình thiết kế, kiến thức hạn hẹp trình độ hiểu biết chuyên môn tương đối hạn chế nên khó tránh khỏi sai sót, khuyết điểm Em mong nhận góp ý bảo nhiệt tình từ phía thầy cô để đề tài hoàn thiện hơn, áp dụng vào thực tiễn Hướng phát triển - Do cấu thị từ điện làm việc dựa nguyên lý từ trường nên có quán tính lớn Kết phụ thuộc nhiều vào người đọc nên có tính chủ quan Dẫn đến kết chưa xác - Em xin đề xuất hướng phát triển cho đề tài thay cấu thị từ điện cấu thị sử dụng mạch chuyển đổi ADC để hiển thị kết dạng số thông qua led Kết xác khách quan hơn, dễ dàng giúp cho người kiểm tra, người sử dụng dễ dàng theo dõi xử lý có cố xảy Trang - 34 [...]... sáng và tắt của đèn báo khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường là: τ = (1+0.5*a) = 5 giây d) Khi nhiệt độ quá 790C còi báo sẽ hoạt động 1 .Tính toán lựa chọn cảm biến Căn cứ vào yêu cầu của đề tài và khả năng áp dụng thực tế Em lựa chọn sử dụng IC cảm biến nhiệt độ LM35 Khi nhiệt độ thay đổi 10C thì đầu ra cảm biến sẽ thay đổi 10mV 2 .Tính toán thiết kế mạch đo Nguyên lý cơ bản hoạt động của mạch đo: ... xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1 Kết luận - Thông qua vi c hoàn thành đề tài Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ em rút ra được một số nhận xét sau: • Vừa là cơ hội vừa là thách thức để em có thể áp dụng những kiến thức được học trên lớp để ứng dụng thiết kế một mạch điện tử • Hiểu rõ hơn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, chức năng chuyên biệt... Các đặc tính chung: Từ biểu thức suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện có các đặc tính cơ bản sau: - Chỉ đo được dòng điện 1 chiều - Đặc tính thang đo đều độ nhạy là 1 hằng số Tính toán thiết kế cơ cấu chỉ thị nhiệt độ Giới hạn đo: 00C đến 1500C Độ chia nhỏ nhất: 0.10C Sai số: ± 0.10C Hình 17: Cơ cấu chỉ thị nhiệt độ (ví dụ) 3 .Tính toán thiết kế mạch nguồn cung cấp Vì hầu hết các nguồn sử dụng trong mạch đều... Thiết kế tính toán mạch chuẩn hóa dòng điện - Để chuẩn hóa đầu ra ở dạng dòng điện từ mạch đo Có rất nhiều mạch biến đổi từ điện áp – dòng điện với khuếch đại thuật toán - Đối với yêu cầu của bài này (đầu ra I=4÷20mA) thì ta sử dụng sơ đồ mạch biến đổi U - I với 2 KĐTT - Sơ đồ mô phỏng trên Proteus Hình 21: Mạch đo và mạch biến đổi U-I - Tính toán các giá trị linh kiện trong mạch: • Điều kiện của mạch: ...xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Chương 2: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 1 .IC cảm biến nhiệt độ LM35 1.1Giới thiệu chung Hình 2: IC cảm biến LM35 Cảm biến nhiệt độ LM35 là một loại cảm biến tương tự rất hay được ứng dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực Vì nó hoạt động khá chính xác với sai số nhỏ, đồng thời với kích thước nhỏ và giá thành rẻ là một trong những ưu điểm của nó Vì đây là cảm biến tương tự (analog sensor)... logic 1 (hight) thì IC 555 hoạt động, tạo xung vuông với chu kỳ = T = 10 giây Tính toán: T = tsáng + ttối = 0.69 * ( R10 + R11)* C2 = 10 giây Chọn R10 = R11 = 45K C2 = 160 (uF) Hình 25: Mạch đèn nháy khi nhiệt độ trong phạm vi cho phép 6 Tính toán thiết kế mạch cảnh báo bằng còi Khi nhiệt độ vượt quá 2*tmax/3 = 790C thì đưa ra tín hiệu cảnh báo tới loa Với yêu cầu như vậy thì ta sử dụng luôn mạch. .. trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều 12.Còi báo Còi báo làm nhiệm vụ phát tín hiệu âm thanh báo động khi xảy ra sự cố nhiệt độ tăng quá giới hạn cho phép Hình 15: Còi báo động Chương 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐO Yêu cầu tính toán và thiết kế với n = 68, a = 8 a) Dải đo: từ 00C đến tmax = (50 + n)0C = 1180C Trang - 21 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx b) Giới hạn nhiệt độ bình thường: từ 00C đến t... (hight) Khi điện áp ra của cảm biến lớn hơn điện áp so sánh (> 6.75 V) Ở đầu ra của LM358 là LOGIC 0 (low) 5.2 Mạch logic (Cổng logic): Mạch sử dụng một con AND, đầu ra chỉ là 0 hoặc 1 Bảng chân lý của phép nhân logic A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 Z=A.B 0 0 0 1 Trang - 27 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Hình 24 Ký hiệu và bảng chân lý của phép nhân logic 5.3 Thiết kế mạch tạo xung sử dụng IC 555 với chu kì nạp xả (led... suy ra: - Kết luận: Mạch cho phép thay đổi được hệ số biến đổi bằng cách thay đổi - Lắp thêm biến trở RV1 1k nhằm mục đích chuẩn hóa chính xác hơn 5 .Tính toán thiết kế mạch nhấp nháy cho LED Tính toán thiết kế mạch nháy cho LED với thời gian sáng và thời gian tắt bằng nhau Ta có τ = (1 + 0.5*a) giây với a = 8 => τ = 5 giây Với yêu cầu đặt ra như vậy thì giải pháp là dùng một mạch so sánh và mạch tạo... tương ứng với nhiệt độ đo được tại mọi thời điểm hệ thống hoạt động, giá trị hiện thị sẽ được đưa đến ngõ vào của IC giải mã 74LS47 qua các Input, với tính năng giải mã của vi mạch này, sẽ cho ra dữ liệu song song trên các Bus đến các LED song song Chương trình sẽ chọn LED nào và hiển thị nhiệt độ lên LED Khi có 1 sự biến đổi điện áp từ cảm biến, tức sự thay đổi nhiệt độ môi trường cần đo thì mã của ... động hóa Vi c đo cảnh báo nhiệt độ yêu cầu thiết thực Hiện cảm biến đo nhiệt độ loại cảm biến sử dụng nhiều công nghiệp dân dụng Bài tập lớn nghiên cứu dùng vi mạch tương tự tinh toán, thiết kế. .. 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 mạch nhấp nháy cho LED - Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo Chương... chọn sử dụng IC cảm biến nhiệt độ LM35 Khi nhiệt độ thay đổi 10C đầu cảm biến thay đổi 10mV 2 .Tính toán thiết kế mạch đo Nguyên lý hoạt động mạch đo: Vì điện áp đầu IC cảm biến nhiệt độ LM 35 nhỏ