Đồ Án Cơ Sở Thiết Kế Và Thi Công Mạch Báo Thức.doc

PHỤ LỤC 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỒ ÁN CƠ SỞ THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH BÁO THỨC Lời mở đầu Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO ĐỒ ÁN MƠN HỌC ĐỒ ÁN CƠ SỞ THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH BÁO THỨC Lời mở đầu Ngày nay, người với ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiến giới, ngày thay đổi, văn minh đại Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm bật xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ yếu tố cần thiết góp phần cho hoạt động người đạt hiệu ngày cao Điện tử trở thành ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đáp ứng địi hỏi khơng ngừng ngành, lĩnh vực khác nhu cầu thiết yếu người sống hàng ngày Một ứng dụng thường thấy đời sống nhắc người thức dậy mạch báo thức Mạch báo thức ứng dụng nhiều đời sống lĩnh vực khác sống Xuất phát từ ứng dụng đó, chúng em thiết kế thi công mạch ứng dụng nhỏ đời sống ngày: “MẠCH BÁO THỨC” LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập nghiên cứu Đồ Án Cơ Sở với chủ đề: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH BÁO THỨC Tôi nhận quan tâm hướng dẫn tận tình q thầy, trường Đại Học Cơng Nghệ Tp HCM Thơng qua việc trình bày kết đồ án, xin gửi lời cảm ơn đến thầyHồng Văn Vinh tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi hồn thành đồ án mơn học Bản thân mong tiếp tục nhận quan tâm, hướng dẫn tận tình quý thầy cô Trân trọng cảm ơn! MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU I.Đề tài: Mạch báo thức .4 II.Sơ đồ khối III.Chức khối Chương II: Cơ sở lý thuyết 1.1 Điện Trở 1.1.1 Khái niệm: .6 1.1.2 Ký hiệu: 1.1.3 Đơn vị: 1.1.4 Họ điện trở: 1.1.5 Các ứng dụng điện trở: 1.2 Tụ điện: 1.2.1 Khái niệm: 1.2.2 Cấu tạo: 1.2.3 Ký hiệu: 1.2.4 Đặc tính: 1.2.5 Đơn vị: 1.2.6 Phân loại: 1.2.7 Ứng dụng: 1.3 Diode bán dẫn: 1.3.1 Khái niệm: .9 1.3.2 Đặc tính: 1.3.3 Ứng dụng Diode bán dẫn: 10 1.3.4 Các loại Diode bán dẫn: 10 1.4 Transistor: .11 1.4.1 Khái niệm .11 1.4.2 Cấu tạo 12 1.4.3 Ký hiệu: 12 1.4.4 Đặc tính .12 1.5 Quang trở: .13 Chương III:Tính tốn thiết kế 14 3.1 Sơ đồ khối 14 3.1.1 Sơ đồ khối mạch đèn ngủ tự động 14 3.1.2 Sơ đồ khối mạch báo thức 14 3.2 Tính tốn mạch tự động điều khiển đèn 15 3.2.1 Khối cảm biến:: .15 3.2.2 Khối điều khiển đèn: .15 3.2.3 Khối hiển thị led: .16 3.3 Tính tốn mạch báo thức : .16 3.3.1 Khối cảm biến: 16 3.3.2 Khối tạo mức : 17 3.3.3 Khối ổn áp: 17 3.2.3 Khối khuếch đại: 17 3.4 Sơ đồ nguyên lý 17 Chương IV:Thi công mạch 18 1.Mạch in .18 2.Hình 3D mơ 18 ảnh thực tế .19 Chương V: Kết luận .20 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: Với nhu cầu phát triển nay, bước cơng nghiệp hóa đại hóa sống Nên việc tự động hóa việc làm cần thiết Các thiết bị thật đóng vai trị với đời sống người Các thiết bị hỗ trợ người dùng tiện lợi từ thiết bị điện tử Với nhu cầu Mạch Báo Thức thiết bị quan trọng để báo thức người thức dậy trời sáng 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI:  Khảo sát số linh kiện có mạch  Hồn thiện kỹ làm mạch  Mạch hoạt động tốt  Mạch chạy ổn định, mạch báo thức trời sáng 1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI: Sử dụng phẩn mềm thiết kế mạch, tìm hiểu nguyên lý hoạt động linh kiện, khối mạch Phương pháp làm mạch in 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Thu thập thông tin từ bạn bè làm lĩnh vực điện tử, từ tài liệu mà trước học Sử dụng phần mềm Altium 14 để thiết kế mạch chạy mô 1.5 YÊU CẦU ĐỀ TÀI: - Khi ánh sáng chiếu vào quang trở đèn tắt, chng kêu Khi trời tối đèn sáng, chng khơng kêu Cấu tạo đơn giản,dễ dàng lắp đặt,linh kiện dễ tìm kiếm,thơng dụng Nguồn đưa vào điều khiển nguồn DC9v 1.6 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN: Chương 1: Giới thiệu đề tài Chương : Cơ sở lý thuyết Chương : Tính tốn thiết kế Chương : Thi cơng mơ hình Chương : Kết luận CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Điện Trở Hình 1.1: Hình dáng điện trở 1.1.1 Khái niệm: Điện trở linh kiện thụ động có tác dụng cản trở dịng điện tùy thuộc vào trị số Trong thiết bị điện tử, điện trở dung để phân phối điện áp dòng điện theo yêu cầu mạch 1.1.2 Ký hiệu: 1.1.3 Đơn vị: Ohm (Ω) Ω) ) 1MΩ = 103 KΩ= 106Ω Trị số điện trở phụ thuộc vào chất liệu, độ dài tiết diện dây Theo định luật Ohm: I = Với R =ρ Trong đó:  ρ điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu  l chiều dài dây dẫn  S tiết diện dây dẫn  R trị số điện trở 1.1.4 Họ điện trở: 1.1.4.1 Biến trở ( Variable Resistor ): Ký hiệu: Biến trở gọi chiết áp ( Potentiomiter ) điện trở sử dụng thường xuyên cần thay đổi trị số Cấu tạo: Hai chân số số hai bên hai đầu lớp than mỏng hình vành cung Baketlit Ở chân có chạy kim loại tiếp xúc với lớp than Khi chỉnh biến trở trục xoay nối với chạy di động lớp than làm cho trị số biến trở thay đổi Thường biến trở chế tạo từ 5Ω đến 5MΩ, công suất tối đa khoảng 2W 1.1.4.2 Nhiệt trở: 1.1.5 Các ứng dụng điện trở: - Trong sinh hoạt: dùng để chế tạo dụng cụ điện như: bàn ủi, bếp điện, bóng đèn, nồi cơm điện… - Trong cơng nghiệp: dùng chế tạo thiết bị sấy, sưởi, giới hạn dòng khởi động động cơ… - Trong lĩnh vực điện tử: dùng để giới hạn dòng điện hay tạo giảm 1.2 Tụ điện: Hình 1.2: Các loại tụ điện 1.2.1 Khái niệm: Tụ điện linh kiện điện tử thụ động phổ biến 1.2.2 Cấu tạo: Tụ điện cấu tạo từ cực , lớp cách điện (điện môi) Các loại điện môi thông dụng là: mica, gốm, giấy/nhựa plastic chất điện phân ( nhôm oxit hay tantan oxit), thường chất điện môi dùng làm tên gọi cho tụ điện Ví dụ: Tụ mica, tụ giấy, tụ dầu, tụ gốm, tụ khơng khí… 1.2.3 Ký hiệu: Tụ điện có ký hiệu C (Capacitor) 1.2.4 Đặc tính: Tụ điện có khả tích trữ lượng dạng lượng điện trường cách lưu trữ electron (điện tích âm) Điện dung đại lượng vật lý nói lên khả tích điện hai cực tụ điện Điện dung tụ điện phụ thuộc vào diện tích cực, vật liệu làm chất điện môi khoảng cách giữ hai cực theo cơng thức: C=ξ Trong đó:  C: điện dung tụ điện, đơn vị Fara (F)  ξ : Là số điện môi lớp cách điện  d : chiều dày lớp cách điện  S : diện tích cực tụ điện 1.2.5 Đơn vị: Đơn vị Fara (F), 1Fara lớn thực tế thường dùng đơn vị nhỏ MicroFara (µF) , NanoFara (nF), PicoFara (pF) F = 103 mF = 106 µF = 109 nF = 1012 pF 1.2.6 Phân loại: Tụ điện: gồm loại tụ tụ cố định tụ thay đổi 1.2.6.1 Tụ cố định: gồm loại: - Tụ DC ( tụ có phân cực tính ): tụ mà chất điện môi phân cực sẵn, phân cự hình thành cực dương cực âm Gồm loại: tụ hóa ( tụ nhơm) tụ tantan - Tụ AC ( tụ không phân cực ): loại tụ mà có chất điện mơi chưa phân cực Đặc điểm có chất điện dung nhỏ có điện áp đánh thủng cao Gồm loại: tụ giấy, tụ sứ, tụ mica, tụ màng mỏng… 1.2.6.2 Tụ thay đổi: tụ có giá trị điện dung thay đổi phù hợp với yêu cầu sử dụng Gồm có loại: - Tụ khơng khí (Cv): loại tụ có chất điện mơi khơng khí Tụ cấu trúc từ nhiều phiếu kin loại hợp thành xếp xen kẽ với Trị số điện dung tụ thay đổi theo góc xoay khoảng từ 35pF ÷ 365pF, điện áp làm việc WV ≤ 150V - Tụ tinh chỉnh ( Tụ Trimcap – CT ): loại tụ mà trị số điện dung thay đổi nhờ dùng đinh vít để tinh chỉnh dùng cho mạch tinh chỉnh 1.2.7 Ứng dụng: - Dùng lọc giá trị không phẳng, đặc biệt ứng dụng cung cấp nguồn mà cần chuyển đổi tín hiệu từ AC/DC - Lưu trữ lượng - Tách ghép tầng tín hiệu tụ ghép tầng chặn dịng DC cho phép dòng AC vượt qua mạch - Điều chỉnh (Tuning), hệ thống vô tuyến cách kết nối chúng với mạch dao động LC điều chỉnh đến tần số mong muốn - Để hiệu chỉnh hệ số công suất điện nhiều ứng dụng khác 1.1 Diode bán dẫn: Hình 1.3.1: Các loại Diode bán dẫn 1.1.1 Khái niệm: Diode bán dẫn loại linh kiện bán dẫn cho phép dòng điện qua theo chiều mà khơng theo chiều ngược lại 1.3.2 Đặc tính: Có nhiều loại diode bán dẫn, diode chỉnh lưu, diode Zener, LED Chúng có nguyên lý cấu tạo chung khối bán dẫn loại P ghép với khối bán dẫn loại N Khi có hai chất bán dẫn P N, ghép hai chất bán dẫn theo tiếp giáp P - N ta Diode, tiếp giáp P – N có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp xúc, điện tử dư thừa bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào lỗ trống, tạo thành lớp Ion trung hoà điện, lớp Ion tạo thành miền cách điện hai chất bán dẫn Hình 1.3.2: Mối tiếp xúc P - N => Cấu tạo Diode Ở hình mối tiếp xúc P - N cấu tạo Diode bán dẫn Hình 1.3.3: Ký hiệu hình dáng Diode bán dẫn 1.3.3 Ứng dụng Diode bán dẫn: Do tính chất dẫn điện chiều nên Diode thường sử dụng mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành hiều, mạch tách sóng, mạch gim áp phân cực cho transistor hoạt động Trong mạch chỉnh lưu Diode tích hợp thành Diode cầu 1.3.4 Các loại Diode bán dẫn: 1.3.4.1 Diode chỉnh lưu ( Rectifier Diode ): Được cấu tạo từ lớp tiếp xúc P-N, nên có tính chất chỉnh lưu ( cho dịng điện chiều từ P-N ), điode chỉnh lưu thường dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều AC thành chiều DC VD: 1N4001 (VRm=50V), 1N4002 (VRm=200V), 1N4007 (VRm=1000V)… dòng IRm = 1A 1.3.4.2 Diode Zener: Ký hiệu: Có cấu tạo tương tự Diode thường có hai lớp bán dẫn P-N ghép với nhau, Diode Zener ứng dụng chế độ phân cực ngược, phân cực thuận Diode zener diode thường phân cực ngược Diode zener gim lại mức điện áp cố định giá trị ghi diode: V < VZ : I = Iosat = Irỉ V ≥ VZ : IZ tăng VD = VZ 1.3.4.3 Diode phát quang LED ( Light Emitting Diode ): Ký hiệu: Được làm từ GaAs phát ánh sáng hồng ngoại Để mắt người nhìn thấy được, người ta phải cho ánh sáng hồng ngoại diode phát đập vào chất phát quang Nguyên lý hoạt động: Khi Led phân cực thuận có dòng qua làm Led phát sáng với: Vγ đỏ = 1,4 đến 1,8V Vγ vàng = đến 2,5V Vγ xanh = đến 2,8V ILed = 5mA đến 20mA ( Thiết kế thường chon ILed = 10mA ) 1.2 Transistor: 1.2.1 Khái niệm: Transistor loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường sử dụng phần tử khuếch đại khóa điện tử 1.4.2 Cấu tạo: Transistor tạo thành lớp tiếp xúc P-N ghép liên tiếp, miền có bề rộng nhỏ tạo tiếp xúc P-N gần nhau, có chân nối ngồi: cực E ( Emitter ): gọi cực phát,cực C ( Collector ): cực thu, cực B ( Base ): cực Hình 1.4.2: Cấu tạo loại transistor 1.4.3 Ký hiệu: 1.4.4 Đặc tính: Transistor có chế độ hoạt động: - Chế độ tắt ( ngưng dẫn ): mối nối BE, BC phân cực nghịch: IB = 0, IC ≈ - Chế độ khuếch đại: mối nói BE phân cực thuận, mối BC phân cực nghịch: IB > IC = ßIB - Chế độ khuếch đại bão hòa: mối nối BE BC phân cực thuận, I B tăng IC giảm (IC < ßIB ), lúc VCE ≤ 0,2V - Chân chân nối vào cuộn hút, có điện vào cuộn hút hút tiếp điểm chuyển từ vị trí xuống tiếp điểm - Chân 3: đặt điện áp (nếu loại Relay 12V đặt 12V DC vào đây) - Chân 4, chân 5: tiếp điểm 1.5 Quang trở: - Là điện trở có trị số giảm chiếu sáng mạnh Điện trở tối (khi không chiếu sáng - bóng tối) thường 1M, trị số giảm nhỏ 100 ơm chiếu sáng mạnh CHƯƠNG III: TÍNH TỐN THIẾT KẾ 3.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI 3.1.1 SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐÈN NGỦ TỰ ĐỘNG Khối cảm biến ánh sáng Khối tạo mức Khối hiển thị - Khối cảm biến ánh sáng Chức năng: biến tính hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện , người ta dùng quang trở ánh sáng chiếu vào , điện trở quang trở giảm nhiều so với không chiếu sáng (cảm biến làm đèn tắt dẫn) Linh kiện làm chức : quang trở - Khối tạo mức Chức : mắt thu nhận khơng nhận tín hiệu khối điều khiển có chức điều khiển tín hiệu vào mức cao hay thấp vào khối trigger tạo trì hỗn (khi ngõ vào mức thấp , sau thời gian ngõ lên mức cao ngược lại - Khối hiển thị : hiển thị ánh sáng Linh kiện làm chức : đèn Led 3.1.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH BÁO THỨC Cảm biến ánh sáng Mạch tạo mức Ổn áp Khối khuếch đại Loa - Khối cảm biến ánh sáng Chức năng: biến tính hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện Linh kiện làm chức : quang trở ( cảm biến vào trời sáng làm loa kêu ) - Khối tạo mức Chức năng: mắt thu nhận khơng nhận tín hiệu khối điều khiển có chức điều khiển dịng BJT BC548 kích BJT dẫn ngược lại - Khối ổn áp Chức năng: ổn áp dòng điện mức 3,3V diot zenner 3,3V Qua IC nhạc UM66 - Khối khuếch đại dùng để khuếch đại tín hiệu từ UM66 để đạt công suất lớn loa - Loa dùng để phát tín hiệu 3.2 TÍNH TỐN MẠCH TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN 3.2.1 KHỐI CẢM BIẾN -Khơng có ánh sáng quang trở không dẫn + Đo R LDR lớn = 140K -Có ánh sáng quang trở dẫn + Đo R LDR nhỏ = 100Ω -Chọn R6 100Ω - Trời tối Vo = (R6/(R6+R(LDR lớn)).Vcc => Vo = (0,1/(0,1 + 140)).5 = 4mV -Trời sáng Vo = (R6/R6+R(LDR nhỏ)).Vcc => Vo = (0,1/(0,1 + 0,1)).5 = 2,5V ( làm BJT dẫn ) 3.2.2 KHỐI ĐIỀU KHIỂN ĐÈN -Khối tạo mức (trigger) -Khi chân ngõ vào chuyển từ mức cao xuống mức điện áp nhỏ 1/3 Vcc, chân ngõ (output) chuyển từ mức thấp lên mức cao -Khi có ánh sáng quang trở dẫn => V chân IC555 lên mức cao gần Vcc nên V chân IC555 mức thấp -Khi khơng có ánh sáng quang trở khơng dẫn =>V chân IC555 mức thấp nên V chân IC555 lên mức cao làm led sáng -Ta tùy chọn giá trị điện trở R tụ điện để tính thời gian tụ nạp xả điện để ngõ lên mức cao xuống mức thấp -Chọn R1=120K tụ điện C=0,01µ => t = 1,1.R1.C = 1,1.12000.0,01.10-6 = 0,0132 s 3.2.3 KHỐI HIỂN THỊ (LED) -Khi V3+ mức cao ta dùng đồng hồ ta đo đầu V3+ = 3,8v -Led phát sáng có điện áp làm việc khồng 2V dịng qua led khoảng 10mA từ => R4 = (3,8V – 2V)/0,01 = 180Ω => chọn R4 = 220Ω 3.3TÍNH TỐN MẠCH BÁO THỨC 3.3.1 KHỐI CẢM BIẾN -Đo điện trở quang trở khơng có ánh sáng R LDR = 150K, có ánh sáng R LDR = 200Ω -Chọn R5 = 200Ω -Trời tối => Vo = (R5/(R5 + R LDR lớn)).Vcc = 0,006V = 6mV (BJT không dẫn) -Trời sáng =>Vo = (R5/(R5 + R LDR nhỏ)).Vcc =2,5 V (BJT dẫn) 3.3.2 KHỐI TẠO MỨC -Trước chọn BJT loại NPN ta chọn giá trị Ic cố định , chọn Ic = 5mA (BIT NPN dẫn mạnh đạt trạng thái bão hòa, mối nối BE BJT phân cực thuận) -Chọn Ic max = 5mA => Ta chọn BJT loại NPN có Ic max > 5mA nên ta chọn BJT BC548 có dịn Ic max 100mA , đo hệ số khuếch đại BC548 , β = 200 Ib = Ic/ β = 5/200= 0,025mA =>R5 = (Vcc - Vɣ)/Ib = (5 – 0,7)/0,025 = 172KΩ -Khi BJT dẫn bão hòa Ic max nhỏ β.Ib =>Ib > (Ic max/ β) => chọn R5 < 172K => chọn R5 = 150K 3.3.3 KHỐI ỔN ÁP Tra cứu diode zenner 3v3 có mã số 1N4728A có: Iz test= 76mA Iz min= 1mA= Iz khuỷu Iz max= 1380 mA Vz = 3.3v Nên ta có : R max= (Vcc-Vz)/Ir = (5-3.3)/1 = 1,7 kΩ - Ir max = Iz max nên ta có: Vcc=(Ir max.R min) + Vz => R min= 0.0012 kΩ= 1,2Ω Nên 1,2Ω< R2< 1.7kΩ Nên ta chọn R2= 1k 3.3.4 KHỐI KHUẾCH ĐẠI -Loa (ta đo R loa 40Ω) -Vcc = Ic max R loa + Vce sat => Ic max = (Vcc –Vce sat) /R loa = 0,125A -Do mạch khuếch đại , khơng phải bão hịa nên ta chọn BJT BC548 có Ic max = 100mA , đo β = 150 -Ta cho Vin mức để BJT dẫn =>3,3V = Ib.R3 + Vɣ =>3,3V = (Ic max/ β )R3 + Vɣ =>R3 = 3,9KΩ -Do BJT dẫn bão hòa nên ta chọn R3 < 3,9KΩ => Chọn R3 = 560Ω 3.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ Mạch nguyên lý Nguyên lý hoạt động : - Khi ánh sáng chiếu vào quang trở đèn tắt, chng kêu - Khi trời tối đèn sáng, chng khơng kêu - Ban đầu cấp nguồn Điện từ biến nguồn điện xoay chiều Sau đó, dịng điện qua cầu diode chỉnh lưu thành dòng điện chiều Mạch dùng pin 9v để hoạt động khơng cần biến Sau dịng điện qua IC ổn áp LM7806 ổn áp mức điện áp 6V 6V cấp điện cho toàn hệ thống Trong mạch dùng IC 555 để đóng mở led dùng IC nhạc để báo thức Ta dùng quang trở để kích mạch 555 BJT để phát nhạc CHƯƠNG IV: THI CƠNG MẠCH Thi cơng mạch in: Hình 3D mơ phỏng: