BÁO CÁO ĐỀ TÀI: MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TIP 41C SỬ DỤNG CẢM BIẾN LM35

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ -✧ - BÁO CÁO ĐỀ TÀI: MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TIP 41C SỬ DỤNG CẢM BIẾN LM35 Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Ths Nguyễn Lê Thế Duy Nguyễn Phương Nam MSSV: 1900303 Nguyễn Tấn Nguyên MSSV: 1900738 Lê Hoàng Nam MSSV: 1900274 Đoàn Hoàng Khang MSSV: 1900848 Ngành: CNKTĐK & TĐH – 2019 LỜI MỞ ĐẦU Trong nghiên cứu khoa học , công nghiệp đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ điều cần thiết Tuy nhiên, để đo trị số xác nhiệt độ lại vấn đề không đơn giản.Ngày với phát triển công nghệ thông tin, công nghệ bán dẫn, đời cảm biến, vi điều khiển tạo điều kiện thuận lợi cho việc đo nhiệt độ cách xác , sở em xin trình bày đề tài : “Nghiên cứu thiết kế mạch đo nhiệt độ dùng LM35” Nhiệt độ tín hiệu vật lý mà ta thường xuyên gặp đời sống sinh hoạt ngày kỹ thuật công nghiệp Việc đo đạc nhằm xác định xác giá trị nhiệt độ theo thang đo từ lâu trở thành vấn đề mà nhà khoa học hàng đầu giới người dân thuộc nhiều lĩnh vực quan tâm, lẽ phương pháp xác định đo đạc ngày nhiều xác Hiện nay, việc sử dụng cảm biến nhiệt độ khối ngành công nghiệp dân dụng ngày phổ biến mang lại hiệu cao Đồ án “Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ” nhóm em sử dụng cảm biến LM35 với mục đích nhằm nghiên cứu phương pháp đo nhiệt độ thực thiết kế thiết bị đo hiển thị nhiệt độ tự động, xác 1 Lí chọn đề tài Trong thời gian qua, khoa học máy tính xử lý thơng tin có bước tiến vượt bậc ngày có đóng góp to lớn vào cách mạng khoa học kỹ thuật đại Đặc biệt đời phát triển nhanh chóng kỹ thuật số làm cho ngành kỹ thuật điện tử trở nên phong phú đa dạng Nó góp phần lớn việc đưa kỹ thuật đại thâm nhập rộng rãi vào lĩnh vực hoạt động sản xuất, kinh tế đời sống ngày người Với mong muốn tìm hiểu nguyên lý, kỹ thuật hệ thống điều khiển Được hướng dẫn thầy Nguyễn Lê Thế Duy, em định chọn đề tài “MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TIP 41C SỬ DỤNG CẢM BIẾN LM35” Mục tiêu nghiên cứu - Thực đề tài: “MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TIP 41C SỬ DỤNG CẢM BIẾN LM35” giúp người thực nắm lý thuyết đo lường điều khiển, hiểu nguyên lý điều khiển, tập lệnh, khối Matlab - Sản phẩm đề tài trước hết để nghiền cứu, mở rộng ứng dụng thực tế sản xuất công nghiệp Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Thiết bị đo lường nhiệt độ qua cảm biến: Tip 41C - Thiết bị đo nhiệt độ Tip 41C cảm biến LM35 - Board Arduino Uno: Nắm cấu trúc phần cứng, lập trình phần mềm ứng dụng vào mơ hình thực tế - Tìm hiểu lý thuyết liên quan - Viết thực chương trình nhỏ - Xây dựng thuật toán điều khiển Matlab - Viết chương trình thực thuật tốn Kit arduino - Dùng MatLab thực điều khiển - Thi công mạch Mục Lục PHẦN I: Giới Thiệu Tổng Quan Về Đo Lường Nhiệt Độ Giới thiệu khái niệm Đo lường trình đánh giá định hướng đại lượng cần đo để có kết số với đơn vị đo Kết đo lường giá trị số đại lượng cần đo Ax, tỷ số đại lượng cần đo X đơn vị đo X0 Vậy q trình viết dạng: Ax = X/X0 ⇔ X= Ax.X0 Đây phương trình phép đo, rõ so sánh đại lượng cần đo với mẫu cho kết số Q trình đo tiến hành thơng qua thao tác đo lường sau: • • • • Thao tác xác định mẫu thành lập mẫu Thao tác so sánh Thao tác biến đổi Thao tác thể kết hay thị  Phân loại cách thực phương pháp đo • Đo trực tiếp : cách đo mà kết nhận trực tiếp từ phép đo • Đo gián tiếp : cách đo mà kết suy từ phép đo ,từ phối hợp nhiều phép đo trực tiếp • Đo thống kê : phép đo nhiều lần đại lượng , điều kiện giá.Từ dùng phép tính xác suất để thể kết đo có độ xác cần thiết PHẦN II : Linh Kiện Module Arduino Uno R3: a) Thông số kỹ thuật: Vi điều khiển: ATmega 328 họ bit Điện áp hoạt động: VDC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động: 16 MHz Dòng tiêu thụ: 30 mA + Điện áp vào khuyên dùng: 7-12 VDC Điện áp vào giới hạn: 6-20 VDC + Số chân Digital I/O: 14 ( chân hardware PWM) + Số chân analog: ( độ phân giải 10 bit) Dòng tối đa chân I/O: 30 mA Dòng tối đa (5V): 500mA Dòng tối đa (3.3V): 50mA Bộ nhớ flash: 32KB với 0.5KB dùng để bootloader SRAM: 2KB + EEROM: 1KB Hình 1.1 : Module Arduino Uno R3 b) Bộ nhớ: 32KB nhớ Flash: đoạn lệnh bạn lập trình lưu trữ nhớ Flash vi điều khiển Thường có khoảng vài KB số dùng cho bootloader 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị biến bạn khai báo lập trình lưu Bạn khai báo nhiều biến cần nhiều nhớ RAM Tuy vậy, thực nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm Khi điện, liệu SRAM bị 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): giống ổ cứng mini – nơi bạn đọc ghi liệu vào mà khơng phải lo bị cúp điện giống liệu SRAM Các cổng vào ra: Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở chân có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở không kết nối) Tip 41C Thông số kỹ thuật: Điện áp cực đại: UC = 100V Dòng cực đại: 6A Hệ số khuếch đại: 15 ~ 75 Nhiệt độ làm việc: -65oC ~ 150oC Transistor TIP41C transistor lưỡng cực – BJT, TIP41C gồm lớp bán dẫn loại P loại N ghép lại với tạo thành transistor phân cực ngược NPN Hình 1.2 Tip 41C Transistor TIP41C đóng gói 220, thứ tự chân từ trái qua phải transistor công suất có hệ số khoảng từ 15 đến 75, cơng suất lên theo chuẩn TOB C E TIP41C khuếch đại đến 65W TIP41C ứng dụng rộng rãi mạch điện tổng quát, mạch khuếch đại âm thanh, mạch khuếch đại cơng suất tuyến tính Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo kích thước TIP41C LM35 Hình 1.4: LM35 Là cảm biến nhiệt độ sử dụng rộng rãi Nó hiển thị giá trị dạng điện áp đầu thay độ C LM35 hiển thị giá trị điện áp cao cặp nhiệt điện khơng cần khuếch đại điện áp đầu Điện áp đầu LM35 tỷ lệ với nhiệt độ C Hệ số thang đo 0,01 V / ° C Một đặc điểm quan trọng lấy 60 micromps từ nguồn có khả tự gia nhiệt thấp Cảm biến nhiệt độ LM35 có nhiều gói khác gói giống transistor kim loại T0-46, gói giống transistor nhựa TO-92, gói dán chân SO-8 a) Thơng số kỹ thuật cảm biến LM35 • Hiệu chuẩn trực oC • Điện áp hoạt động: 4-30VDC • Dịng điện tiêu thụ: khoảng 60uA • Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C • Khoảng nhiệt độ đo được: -55°C đến 150°C • Điện áp thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C • Độ tự gia nhiệt thấp, 0,08oC khơng khí tĩnh • Sai số: 0,25°C • Trở kháng ngõ nhỏ, 0,2Ω với dịng tải 1mA • Kiểu chân: TO92 Kích thước: 4.3 × 4.3mm b) Sơ đồ chân LM35 • Số Tên chân Mơ tả chân Vcc Điện áp đầu vào + 5V cho ứng dụng điển hình Analog ouput Sẽ tăng thêm 10mV tăng ° C Có thể dao động từ -1V (-55 ° C) đến 6V (150 ° C) ground Nối mass mạch 10 Hình 1.5 11 c) Các tính IC cảm biến nhiệt độ LM35 • Điện áp đầu vào tối thiểu tối đa 35V -2V Điển hình 5V • Có thể đo nhiệt độ từ -55 ° C đến 150 ° C • Điện áp đầu tỷ lệ thuận (tuyến tính) với nhiệt độ tức có mức tăng 10mV (0,01V) cho lần tăng nhiệt độ ° C • Độ xác ± 0,5 ° C • Dịng cực máng nhỏ 60uA • Cảm biến nhiệt độ giá rẻ • Nhỏ thích hợp cho ứng dụng từ xa • Có gói TO-92, TO-220, TO-CAN SOIC  Tương đương với cảm biến nhiệt độ LM35: LM34, DS18B20, DS1620, LM94022 d) Cách sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35: LM35 IC cảm biến nhiệt độ có điện áp đầu thay đổi, dựa nhiệt độ xung quanh Nó vi mạch nhỏ rẻ, sử dụng để đo nhiệt độ đâu khoảng từ -55 ° C đến 150 ° C Nó dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển có chức ADC tảng phát triển Arduino Cấp nguồn cho IC cách đặt điện áp quy định + 5V (VS) vào chân đầu vào nối chân Ground với mass mạch Có thể đo nhiệt độ dạng điện áp hình 12 Hình 1.6 Nếu nhiệt độ ° C, điện áp đầu 0V Sẽ có gia tăng 0,01V (10mV) cho độ tăng nhiệt độ C Điện áp chuyển đổi thành nhiệt độ cách sử dụng công thức e) Ứng dụng cảm biến nhiệt độ LM35 • Đo nhiệt độ mơi trường cụ thể • Cung cấp tính tắt nhiệt cho mạch linh kiện • Giám sát nhiệt độ pin • Đo nhiệt độ cho ứng dụng HVAC 13 Dây cắm Hình 1.7 PHẦN III : Sơ Đồ Hình 1.8: Sơ đồ đấu nối linh kiện PC Matlab simmulink 14 Arduino Uno PWM – 100% Power Supply TIP 41C LM 35 DC Power Temperature Transistor Sơ Đồ Khối 15 c(t) + R(t) e(t) - C ht(t) Bộ Điều Khiển u(t) Đối Tượng Cảm Biến Lưu Đồ Giải Thuật 16 PHẦN IV: Bộ Điều Khiển FUZZY-PID Cấu Trúc Bộ Mờ Và Hàm Liên Thuộc I Cấu trúc hàm liên thuộc Cấu trúc Hình 1.9 Cấu trúc fuzzy Cấu trúc fuzzy gồm hai đầu vào: - Tín hiệu sai số e(t) : tín hiệu so sánh giá trị đặt tín hiệu đọc từ cảm biến LM35 - Cách xác định: e(t) = giá trị đặt – giá trị trả - Tính hiệu de(t): biến thiên sai số theo thời gian 17 Hàm liên thuộc Hình 2.1 Hàm liên thuộc tín hiệu e(t) 18 Hình 2.2 Hàm liên thuộc tín hiệu de(t) Hình 2.3 Hàm liên thuộc cho output II Xây dựng luật hợp thành 2.1 Bảng luật hợp thành Luật hợp thành theo nguyên tắc Mandani, gồm khoảng giá trị xây dựng cho input Tương tự cho output KP,KI,KD Hình 2.4: Bảng luật hợp thành 19 Hình 2.5: Kết luật hợp thành 20 2.2 PID đáp ứng thực tế Hình 2.6: Kết đáp ứng Fuzzy-Pid Như hình với giá trị đặt 500C, giá trị đắp ứng khoảng 510C Với mơ hình thiết kế, giá trị đáp ứng khoảng 51 0C so với giá trị đặt (setpoint) 500C Qua ta thấy điều khiển đáp ứng tốt tiệm cận với giá trị đặt Cho thấy điều khiển hoạt động tốt 21 Phần V: Hình ảnh mơ hình thực tế Hình 2.7: Mơ hình thực tế H ình 2.8: Code thực tế cho điều khiển Fuzzy-Pid 22 23 PHẦN VI: Kết Luận Sau thời gian nỗ lực nghiên cứu, dẫn thầy, chúng em hoàn thành đề tài Và sau thực đồ án chúng em rút kết luận quan trọng chế tạo “ MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TIP 41C SỬ DỤNG CẢM BIẾN LM35”: - Nắm rõ giao tiếp Arduino MatLab - Tìm hiểu MatLab - Biết cách thi cơng mạch dùng MatLab lập trình mạch - Thực kết nối trao đổi liệu thiết bị để đo lường nhiệt độ thông qua cảm biến LM35 Về phần cứng: Tìm hiểu mạch đo nhiệt độ linh kiện cách thiết kế làm mạch thủ cơng Đi sâu tìm hiểu số thuật toán điều khiển Đề tài phổ biến có ứng dụng cao vào đời sống thực tiễn Ứng dụng công nghệ đo lường nhiệt độ vào hệ thống khác Những mặt hạn chế gian đoạn làm đồ án, chúng em cố gắng nghiên cứu, thiết kế để có kết nêu Tuy nhiên thời gian kiến thức chúng em có hạn, nên đồ án cịn hạn chế thiếu sót mong thầy xem xét góp ý để chúng em tiến 24