THIẾT kế MẠCH cảm BIẾN ÁNH SÁNG DÙNG OP AMP 741

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA KỸ THUẬT & CÔNG NGHÊ THIẾT KẾ MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG DÙNG OP-AMP 741 Bình Định - Năm 2022 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA KỸ THUẬT & CÔNG NGHÊ THIẾT KẾ MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG DÙNG OP-AMP 741 GVHD : Ts Đào Minh Hưng Sinh viên thực : Lê Đức Thuận (MSSV: 4251180008) Thân Trọng Duy (MSSV: 4251180010) Lớp: : Điện tử - viễn thông K42 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIÊU CHUNG VỀ CẢM BIẾN ÁNH SÁNG 1.1 KHÁI NIỆM VỀ CẢM BIẾN ÁNH SÁNG .1 1.1.1 Cảm biến ánh sáng gì? 1.1.2 Các loại cảm biến ánh sáng 1.1.2.1 Cảm biến ánh sáng quang trở (LDR) 1.1.2.2 Điốt quang- Photodiodes 1.1.2.3 Bóng bán dẫn quang – Phototransistor 1.1.3 Điện trở phụ thuộc ánh sáng .4 1.2 GIỚI THIỆU VỀ MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG 1.2.1 Phân tích nhu cầu cần thiết mạch 1.2.2 Các sản phẩm có thị trường 1.2.3 Yêu cầu mạch CHƯƠNG 2: GIỚI THIÊU VỀ IC KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 741 2.1 GIỚI THIỆU VỀ IC 741 2.1.1 Tổng quan IC 741 2.1.2 Tính /Thơng số kỹ thuật IC LM741 .8 2.1.3 Sơ đồ chân 2.1.4 Sơ đồ khối chức năng: .10 2.1.4.1 Mô tả tính năng: 10 2.1.4.2 Mô tả chức năng: 10 2.2 THÔNG TIN ỨNG DỤNG CỦA IC LM741: 12 2.2.1 Yêu cầu thiết kế thể hình 12 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 2.2.2 Quy trình thiết kế chi tiết: 13 2.2.3 Dạng sóng tín hiệu: 13 2.2.4 Yêu cầu nguồn điện: .14 2.2.5 Nguyên tắc bố cục: .14 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG DÙNG IC 741 15 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG CỦA MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG DÙNG IC 741 15 3.1.1 Sơ đồ khối chức khối: 15 3.1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 16 3.1.3 Yêu cầu mạch 17 3.2 MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG MẠCH 18 3.2.1 Sơ đồ mô 18 3.3 TÍNH TỐN CÁC GIÁ TRỊ THÍCH HỢP CỦA CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH 19 3.4 SẢN PHẨM HOÀN CHỈNH VÀ MẠCH IN 20 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 21 4.1 KẾT LUẬN .21 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 21 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Chức chân IC741 Bảng 2 Các thông số IC741 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1 LCR điển hình Hình Bộ chia điện áp Hình Sơ đồ bố trí tê Hình 2 Sơ đồ chức Hình Cấu hình vịng h Hình Tín hiệu vào r Hình Tín hiệu vào r Hình Yêu cầu thiết kế Hình Các dạng sóng c Hình Sơ đồ khối m Hình Bảng thơng số củ Hình 3 Sơ đồ ngun lý Hình Sơ đồ mơ Hình Sơ đồ mơ Hình Mạch in Hình 7.Âm Hình Sản phẩm hoàn c TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỞ ĐẦU Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật, xã hội ngày văn minh, đại nhu cầu điện tử - tự động hóa đẩy mạnh đánh giá cao Việc sử dụng cảm biến để tự động bật, tắt nhà thông minh thiết bị trọng Cảm biến thiết bị điện tử cảm nhận trạng thái hay q trình vật lý, hóa học mơi trường cần khảo sát Đặc biệt, biến đổi thành tín hiệu điện để giúp thu thập thơng tin trạng thái hay q trình Khi đó, thông tin xử lý để rút tham số định tính định lượng mơi trường, nhằm phục vụ nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật dân sinh hay gọi ngắn gọn đo đạc, phục vụ truyền, giúp xử lý thông tin điều khiển trình khác Hơn nữa, cảm biến thường đặt vỏ để giúp bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dị Nó cịn kèm theo mạch điện hỗ trợ có nhiều trường hợp trọn lại gọi “cảm biến” Tuy nhiên, nhiều trường hợp thuật ngữ cảm biến lại dùng cho vật có kích thước lớn Thuật ngữ thường không dùng cho số loại chi tiết, ví dụ núm cơng tắc bật đèn mở tủ lạnh ra, mặt hàn lâm núm làm việc giống cảm biến Có nhiều loại cảm biến khác chia thành hai nhóm sau: – Cảm biến vật lý bao gồm: sóng điện từ, tia tử ngoại, hồng ngoại, tia X, hạt xạ, nhiệt độ, áp suất, loại âm thanh, rung động, chuyển động, từ trường hay trọng trường,… – Cảm biến hóa học có: độ ẩm, độ PH, ion hợp chất đặc hiệu,… Các tượng cần đến cảm biến đa dạng, tương tự phương cách chế cảm biến hay cảm biến liên tục phát triển Do đó, việc phân loại cảm biến phức tạp khó đưa đầy đủ tiêu chí phân loại cho tập hợp đa dạng TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Cảm biến khả nhận biết biến đổi môi trường để ứng biến kịp thời, cảm biến ánh sáng khả nhận biết biến đổi ánh môi trường bên ngồi mà cảm ứng nhận biết Ứng dụng thiết bị thay hồn tồn sức người, khơng cần phải cài đặt, điều chỉnh thời gian Càng ngày cảm biến ánh sáng tắt mở đèn ngày quan trọng thân thiện với người sử dụng Trước sử dụng chủ yếu cho cơng trình đèn đường… nhu cầu sử dụng hộ gia đình nhiều sản phẩm sử dụng rộng rãi phổ biến trước Từ thực tế đó, chúng em định chọn đề tài “Mạch cảm biến ánh sáng dùng IC 741” để làm đề tài cho báo cáo môn học “Đồ án thiết kế 1” Sau q trình tìm tịi học hỏi với giúp đỡ thầy Đào Minh Hưng bạn sinh viên lớp, cuối chúng em hồn thành xong đề tài Trong q trình làm đề tài, chắn có nhiều thiếu sót nội dung cách trình bày nên chúng em mong thầy góp ý chân thành để sau báo cáo đồ án chúng em hoàn thiện cách tốt khách quan để phục vụ cho công việc sau Lời cuối cùng, xin cảm ơn thầy xem qua báo cáo đồ án chúng em TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ án GVHD: Ts Đào Minh Hưng CHƯƠNG GIỚI THIÊU CHUNG VỀ CẢM BIẾN ÁNH SÁNG 1.1 KHÁI NIÊM VỀ CẢM BIẾN ÁNH SÁNG 1.1.1 Cảm biến ánh sáng gì? Cảm biến ánh sáng thiết bị thụ động chuyển đổi “năng lượng ánh sáng” cho dù nhìn thấy phần hồng ngoại quang phổ thành tín hiệu điện Cảm biến ánh sáng thường gọi “Thiết bị quang điện” “Cảm biến ảnh” lượng ánh sáng chuyển đổi (photon) thành điện (electron) Các thiết bị quang điện nhóm lại thành hai loại chính, loại tạo điện chiếu sáng, chẳng hạn Photo-voltaics Photoemissives vv, thứ thay đổi tính chất điện chúng theo số cách Photo-resistors Photo-conductors - Đặc điểm: Các tế bào phát xạ ảnh – Đây photodevices giải phóng electron tự từ vật liệu nhạy sáng xêzi bị photon tràn đầy lượng Lượng lượng mà photon phụ thuộc vào tần số ánh sáng tần số cao, lượng nhiều photon chuyển đổi lượng ánh sáng thành lượng điện Các tế bào dẫn điện ảnh – Các photodevices thay đổi điện trở chúng chịu ánh sáng Photoconductivity kết từ ánh sáng đánh vật liệu bán dẫn mà kiểm sốt dịng chảy thơng qua Do đó, nhiều ánh sáng tăng dòng điện cho điện áp áp dụng cho Vật liệu quang dẫn phổ biến Cadmium Sulphide sử dụng quang điện LDR Trang TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ án GVHD: Ts Đào Minh Hưng Các tế bào quang điện – Các photodevices tạo emf tương ứng với lượng ánh sáng xạ nhận tương tự có hiệu lực với quang điện Năng lượng ánh sáng rơi vào hai vật liệu bán dẫn kẹp lại với tạo điện áp xấp xỉ 0.5V Vật liệu quang điện phổ biến Selen sử dụng tế bào lượng mặt trời Thiết bị ghép nối ảnh – Các thiết bị quang chủ yếu thiết bị bán dẫn thực photodiode phototransistor sử dụng ánh sáng để điều khiển dòng electron lỗ đầu nối PN chúng Thiết bị chụp ảnh thiết kế đặc biệt cho ứng dụng máy dò thâm nhập ánh sáng với phản ứng quang phổ chúng điều chỉnh theo bước sóng ánh sáng tới - Lợi ích sử dụng cảm biến ánh sáng Cảm biến khả nhận biết biến đổi môi trường để ứng biến kịp thời, cảm biến ánh sáng khả nhận biết biến đổi ánh mơi trường bên ngồi mà cảm ứng nhận biết Ứng dụng thiết bị thay hồn tồn sức người, khơng cần phải cài đặt, điều chỉnh thời gian Càng ngày cảm biến ánh sáng tắt mở đèn ngày quan trọng thân thiện với người sử dụng Trước sử dụng chủ yếu cho cơng trình đèn đường… nhu cầu sử dụng hộ gia đình nhiều sản phẩm sử dụng rộng rãi phổ biến trước Trong hướng dẫn Cảm biến ánh sáng Tìm hiểu xem cảm biến ánh sáng gì? Chúng tơi xem xét số ví dụ thiết bị phân loại Cảm biến ánh sáng Điều bao gồm người có người khơng có mối nối PN sử dụng để đo cường độ ánh sáng Trang TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ án GVHD: Ts Đào Minh Hưng 1.1.2 Các loại cảm biến ánh sáng Có nhiều loại cảm biến ánh sáng khác nhau, đó, loại cảm biến ánh sáng sử dụng phổ biến Quang trở-Photoresistor (LDR), Điot quang-Photodiodes Bóng bán dẫn- Phototransistors 1.1.2.1 Cảm biến ánh sáng quang trở (LDR) Loại cảm biến ánh sáng sử dụng phổ biến mạch cảm biến ánh sáng điện trở quang, gọi điện trở phụ thuộc vào ánh sáng (LDR) Cảm biến ánh sáng quang trở sử dụng để kiểm tra đèn bật hay tắt so sánh mức độ ánh sáng tương đối ngày Cảm biến quang làm vật liệu bán dẫn điện trở cao, nhạy cảm với ánh sáng nhìn thấy gần hồng ngoại - Cách thức hoạt động: Cảm biến quang hoạt động tương tự điện trở thông thường, nhiên, thay đổi điện trở phụ thuộc vào lượng ánh sáng mà tiếp xúc Cường độ ánh sáng cao làm cho điện trở thấp Cường độ ánh sáng thấp làm cho điện trở cao Nguyên lý hoạt động làm cho đèn sáng trời tối đèn tắt trời sáng, thấy ứng dụng đèn đường, đèn quảng cáo ban đêm 1.1.2.2 Điốt quang- Photodiodes Cảm biến Điốt quang - photodiodes loại cảm biến ánh sáng khác Nhưng thay sử dụng thay đổi điện trở LDR Điốt quang dễ dàng thay đỏi ánh sáng thành dòng điện Điốt quang làm từ vật liệu silicon germani bao gồm lọc quang học, thấu kính tích hợp diện tích bề mặt Trang TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ án GVHD: Ts Đào Minh Hưng 2.2.4 Yêu cầu nguồn điện: - Để hoạt động tốt, nguồn cung cấp điện phải tách rời cách Để tách đường cung cấp, nên sử dụng tụ điện 0,1 µF phải đặt gần chân cấp nguồn LM741-MIL tốt 2.2.5 Nguyên tắc bố cục: - Như với hầu hết khuếch đại, cẩn thận với đầm chì, vị trí linh kiện tách nguồn cung cấp để đảm bảo ổn định Ví dụ, điện trở từ đầu đến đầu vào nên đặt với phần thân gần với đầu vào để giảm thiểu tượng nhận tối đa hóa tần số cực phản hồi cách giảm thiểu điện dung từ đầu vào đến đất Như hình 3, điện trở phản hồi tụ điện tách đặt gần thiết bị để đảm bảo tính ổn định hiệu suất nhiễu tối đa hệ thống Trang 14 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ án THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG CỦA MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG DÙNG IC 741 3.1.1 Sơ đồ khối chức khối: *Chức khối : + Nguồn cung cấp: sử dụng nguồn +5VDC cung cấp cho mạch + Mạch thiết kế : dây mạch nguyên lý bao gồm linh kiện: IC 741, điện trở biến trở + Cảm biến quang: ta sử dụng quang trở Cds 5537 có thơng số hình dưới: Hình Bảng thơng số quang trở Cds 5537 Trang 15 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ án GVHD: Ts Đào Minh Hưng + Tác nhân: ánh sáng tự nhiên (ánh sáng mặt trời), ánh sáng nhân tạo (đèn pin) + Đèn LED: đầu mạch thiết kế xuất tín hiệu sang đèn LED Ở ta sử dụng LED Red 3mm có mức điện áp từ 1,6V – 2V dòng 20mA 3.1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động Hình 3 Sơ đồ nguyên lý mạch - Đây sơ đồ nguyên lý vẽ ứng dụng Proteus, với linh kiện điện tử gồm: + Cảm biến quang Cds 5537 + Điện trở 220Ω + Điện trở 100kΩ + Biến trở 50KΩ + LED đỏ (có mức điện áp từ 1,6V – 2,2V dòng từ 10 - 20mA) + IC 741 + Nguồn điện chiều ( +5VDC ) - Khi chạy mô phỏng, ta đưa ánh sáng đến gần cảm biến quang để thực so sánh điện áp đầu vào đầu IC 741 xuất tín đến LED D1 Trang 16 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ án GVHD: Ts Đào Minh Hưng Khối mạch nguồn: - Khối nguồn ta sử dụng nguồn chiều, ta cấp nguồn 5V Điện trở R1 linh kiện điện tử thụ động đặc trưng cho khả cản trở dòng điện Khối cảm biến: - Khối cảm biến sử dụng nguồn 5VDC Khối mạch dùng IC LM741, IC có chức so sánh điện áp đầu vào đầu - Như vậy, việc thay đổi điện trở thụ động quang trở phụ thuộc vào ánh sáng chiếu vào Quang trở thay đổi điện trở làm điện áp quang trở thay đổi liên tục Om-amp sử dụng tín hiệu điện áp để điều khiển điện áp *Nguyên lý hoạt động sơ đồ: - Khi cấp nguồn 5VDC vào mạch dịng điện vào đầu vào khơng đảo IC 741, IC 741 thực chức so sánh dòng điện đầu vào đầu Nếu tín hiệu điện đầu vào cao so với đầu đèn LED sáng ngược lại 3.1.3 Yêu cầu mạch - Trong thực tế, để ứng dụng mạch vào điều khiển bật tắt thiết bị điện mạch nhiều bất ổn giá thành, linh kiện điều kiện khí hậu thời tiết Nên yêu cầu đặt phải chế tạo mạch khơng tốt giá thành mà cịn phải hoạt động ổn định điều kiện thời tiết - Sản phẩm tạo phải áp dụng vào thực tiễn tốt Ngoài phải đảm bảo mặt thẩm mĩ sản phẩm - Hoạt động ổn định nguồn biến đổi - Tín hiệu đầu vào tín hiệu ánh sáng, cụ thể ánh sáng chiếu vào quang trở Tín hiệu thay đổi từ từ theo thời gian ( ánh sáng mặt trời ), đột ngột ( ánh sáng nhân tạo ) - Tín hiệu đầu tín hiệu quang ( cụ thể đèn LED ) Trang 17 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ án GVHD: Ts Đào Minh Hưng 3.2 MÔ PHỎNG VÀ THI CƠNG MẠCH 3.2.1 Sơ đồ mơ Vin Hình Sơ đồ mơ Vin < Vout Hình Sơ đồ mô Vin > Vout Trang 18 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ án GVHD: Ts Đào Minh Hưng - Hình 3.4 ánh sáng không chiếu vào quang trở ( chiếu với cường độ thấp) nội trở quang trở tăng dần đến vơ (có thể xem bị hở mạch) Cụ thể, điện áp qua từ V in đến chân số IC, đầu IC khuếch đại tín hiệu điện lên 1,49V, từ đèn LED khơng sáng Vin < Vout - Hình 3.5 ánh sáng chiếu vào quang trở tính dẫn điện quang trở tăng lên (có thể xem ngắn mạch) Cụ thể, dịng điện qua từ V in đến chân số IC, đầu IC khuếch đại tín hiệu điện lên 4,0V, từ đèn LED sáng Vin < Vout 3.3 TÍNH TỐN CÁC GIÁ TRỊ THÍCH HỢP CỦA CÁC LINH KIÊN TRONG MẠCH *Giá trị điện trở: Điện trở R1 Là điện trở chống ngắn mạch cầu phân áp với điện trở quang, ta áp dụng công thức: Vout = Vin - Từ công thức trên, ta chọn R1 = 100k để đảm bảo không bị ngắn mạch Điện trở R2 - LED hoạt động mức điện áp từ 1,8V đến 3V đong điện nằm khoảng 10mA đến 20mA Nếu ta lấy LED (loại thường 3V) cắm vào nguồn 5V LED bị hỏng - Vì muốn tính điện trở hạn dịng cho LED tránh bị hỏng hoạt động bình thường mức điện áp 5V thì: + Giá trị điện trở nhỏ nhất: −3 = 100 ohm 0.02 + Giá trị điện trở lớn −1.8 = 320 ohm 0.01 - Vậy nên chọn điện trở có giá trị nằm khoảng từ 100 ohm đến 320 ohm Trong mạch nên chọn điện trở có giá trị 220 ohm để bảo vê LED Trang 19 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ án GVHD: Ts Đào Minh Hưng 3.4 SẢN PHẨM HỒN CHỈNH VÀ MẠCH IN Hình Mạch in Hình Âm Hình Sản phẩm hoàn chỉnh Trang 20 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Đồ án GVHD: Ts Đào Minh Hưng CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 KẾT LUẬN Sau hoàn thành đồ án thiết kế lắp đặt mạch tự động bật/tắt đèn dùng cảm biến ánh sáng thành công, em thấy sản phẩm em cịn nhiều vị trí chưa hồn thiện Mạch cảm biến bật/tắt đèn theo ánh sáng mạch đơn giản ứng dụng thực tế nhiều lĩnh vực, đặc biệt đèn đường Với giá thành để tạo sản phẩm rẻ mạch hoạt động ổn định em nghĩ ứng dụng công nghệ tự động thành công ngành công nghiệp điều khiển tự động Do hiểu biết thực tế thời gian có hạn nên q trình thực đề tài khơng thể tránh thiếu sót, chúng em mong nhận ý kiến thầy bạn để đề tài em hoàn thiện 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Ứng dụng vào máy móc, thiết bị điện chiếu sáng ngày đèn đường, đèn ngủ, để việc điều khiển bật/tắt tự dộng tiết kiệm thời gian cho người Rộng ứng dụng vào sản xuất, nhà máy, xí nghiệp, nơng trại, Trang 21 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ... THIÊU CHUNG VỀ CẢM BIẾN ÁNH SÁNG 1.1 KHÁI NIỆM VỀ CẢM BIẾN ÁNH SÁNG .1 1.1.1 Cảm biến ánh sáng gì? 1.1.2 Các loại cảm biến ánh sáng 1.1.2.1 Cảm biến ánh sáng quang trở (LDR)... BIẾN ÁNH SÁNG 1.1.1 Cảm biến ánh sáng gì? Cảm biến ánh sáng thiết bị thụ động chuyển đổi “năng lượng ánh sáng? ?? cho dù nhìn thấy phần hồng ngoại quang phổ thành tín hiệu điện Cảm biến ánh sáng thường... bố cục: .14 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG DÙNG IC 741 15 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG CỦA MẠCH CẢM BIẾN ÁNH SÁNG DÙNG IC 741 15 3.1.1 Sơ đồ