BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CƠ SỞ 1 MẠCH CẢM BIẾN ĐỘ ẨM Ngành CƠ ĐIỆN ĐIỆN TỬ Chuyên ngành ĐIỆN CÔNG NGHIỆP LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CƠ SỞ MẠCH CẢM BIẾN ĐỘ ẨM Ngành: CƠ - ĐIỆN- ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển, người bước vào thời đại khoa học mới-thời đại mà giờ,mỗi phút chí giây trơi qua lại xuất phát minh, tiến khoa học Công nghệ xuất liên tục, từ thành tựu khoa hoc - kỹ thuật áp vào thực tiễn Chính vậy, người ngày tận hưởng sống tiện nghi thoải mái Chúng ta dễ dàng nhận thấy thiết bị công nghệ diện khắp nơi nhiều lĩnh vực Trên giới, hàng ngàn viện nghiên cứu, trung tâm với hàng triệu Kỹ Sư miệt mài nghiên cứu để đóng góp cho nhân loại cải tiến, kỹ thuật nhằm phục vụ sống Có thể nhận định rằng: khoa học - kỹ thuật có sức mạnh lớn Nó chi phối quân sự, kinh tế… thể vị quốc gia trường quốc tế Việt Nam khơng nằm ngối xu thời đại, nhà nghiên cứu, kỹ sư, đặc biệt hệ trẻ, bạn sinh viên tích cực, say mê nghiên cứu khoa học để tìm kỹ thuật mới, trao đổi học hỏi tiếp thu công nghệ giới để phục vụ cho cơng cơng nghiệp hóa - đại hóa đất nước Dẫu biết trình độ khoa học kỹ thuật Việt Nam nhiều lĩnh vực cịn có khoảng cách xa với nước tiên tiến giới, với lòng say mê học hỏi, tiếp thu nhanh kiến thức, đức tính cần cù, thơng minh chịu khó, tơi tin rằng: ngày không xa, bắt kịp hịa nhập vào “dịng chảy cơng nghệ” giới Để phát triển cơng nghệ trước hết phải nắm hiểu rõ vấn đề lĩnh vực Đó lý tiến hành nghiên cứu đề tài này, mục tiêu làm rõ số yếu tố chủ yếu, để phát triển kỹ thuật, sản phẩm hơn, đại tương lai LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập nghiên cứu Đồ Án Cơ Sở với chủ đề: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH CẢM BIẾN ĐỘ ẨM Tôi nhận quan tâm hướng tận tình q thầy, trường Đại Học Cơng Nghệ Tp HCM Thơng qua việc dẫn trình bày kết đồ án, xin gửi lời cảm ơn đến thầy HỒNG VĂN VINH tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi hồn thành đồ án môn học Bản thân mong tiếp tục nhận quan tâm, hướng dẫn tận tình quý thầy cô Trân trọng DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH Hình 2-1 cảm biến độ ẩm Hình 2-2 Tụ điện phân cực Hình 2-3 Tụ khơng phân cực (tụ gốm) Hình 2-4 điện trở Hình 2-5 transistor Hình 2-6 Sơ đồ cấu tạo bên IC 555 Hình 2-7 IC 555 MỤC LỤ DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: 1.2 NỘI DUNG ĐỀ TÀI: 1.3 YÊU CẦU ĐỀ TÀI: 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: .8 1.5 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN: Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT .10 2.1 CẢM BIẾN ĐỘ ẨM : .10 2.2 TỤ ĐIỆN: 10 2.2.1 Tụ điện phân cực: .10 2.2.2 Tụ không phân cực: 11 2.2.3 Điện trở: .11 2.3 2.3.1 Cấu tạo: 12 2.3.2 Kí hiệu hình ảnh thực tế 12 2.4 TRANSISTOR 12 IC LM555: 14 2.4.1 Cấu tạo: 14 2.4.2 Chức chân 14 2.4.3 Cấu tạo bên nguyên tắc hoạt động 15 CHƯƠNG : TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 18 3.1 TÍNH TỐN: 18 3.1.1 Khối nguồn: .18 3.1.2 Khối cảm biến: 18 3.1.3 Khối xử lý phát tín hiệu: 19 3.1.4 Khối tác động: 20 3.2 THIẾT KẾ: .20 3.2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 21 CHƯƠNG : THI CÔNG MẠCH 21 4.1.1 Mạch thực tế: .23 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 24 5.1 Kết luận … 24 5.2 Hướng phát triển đề tài .24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 Tài liệu tham khảo: 25 Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: Với nhu cầu phát triển nay,chúng ta bước cơng nghiệp hóa đại hóa sống.nên việc tự động hóa việc làm cần thiết Để đọc độ ẩm đất , thực công việc tưới tiêu nông nghiệp , cơng viên Chúng ta chế hệ thống điều khiển bơm nước qua rơ le theo độ ẩm đất đất khô, tự động tưới đất ẩm dừng lại chả hạn MỤC TIÊU ĐỀ TÀI: Nhắc lại kiến thức môn điện tử Khảo sát số linh kiện có mạch Hồn thiện kỹ làm mạch Mạch hoạt động tốt 1.2 NỘI DUNG ĐỀ TÀI: Sữ dụng phẩn mềm thiết kế mạch,tìm hiểu nguyên lý hoạt động linh kiện,các khối mạch.Phương pháp làm mạch in 1.3 YÊU CẦU ĐỀ TÀI: Khi có tín hiệu vào đến khối cảm biến mức nước đất ( hay độ ẩm) giảm làm thay đổi trạng thái đầu động Cấu tạo đơn giản,dễ dàng lắp đặt,linh kiện dễ tìm kiếm,thơng dụng Nguồn đưa vào điều khiển nguồn DC9v 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Thu thập thông tin từ bạn bè làm lĩnh vực điện tử,từ tài liệu mà trước học.Sữ dụng phàn mềm proteus để thiết kế mạch chạy mô 1.5 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN: Gồm chương: Chương 1: Giới thiệu đề tài Chương : Cơ sở lý thuyết Chương : Tính tốn thiết kế Chương : Thi cơng mạch Chương : Kết luận 2 2.1 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẢM BIẾN ĐỘ ẨM : Loại cảm biến sử dụng nhiều dự án tự động :đọc độ ẩm đất áp dụng vào hệ thống tưới tiêu tự động Cảm biến độ ẩm đất, trạng thái đầu mức thấp (0V), đất thiếu nước đầu mức cao (5V), độ nhạy cao điều chỉnh biến trở Phần đầu đo cắm vào đất để phát độ ẩm đất, độ ầm đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu DO chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao Hình 2-1 cảm biến độ ẩm 2.2 TỤ ĐIỆN: 2.2.1 Tụ điện phân cực: Tụ điện phân thường sử dụng mạch nguồn DC để giảm điện áp nhấp nhô hay cho điện áp phẳng Là tụ phân cực nên điện áp DC đưa tới tụ phải cực, điện áp dương đưa vào chân dương, điện áp âm đưa vào chân âm Nếu không phân cực làm hỏng tụ Hình 2-2 Tụ điện phân cực 2.2.2 Tụ không phân cực: Tụ gốm: Tụ gốm hay tụ đĩa, loại tụ không phân cực hay dùng mạch điện Tụ thường có giá trị dải từ vài pF tới hai uF Giá trị tụ mã số in thân tụ, đơn vị tính pF Hình 2-3 Tụ không phân cực (tụ gốm) 2.2.3 Điện trở: Điện trở linh kiện thụ động mạch điện.Tính chất đặc trưng điện trở cản trở dòng điện Hình 2-4 điện trở 2.3 TRANSISTOR 2.3.1 Cấu tạo: Transistor gồm lớp bán dẫn ghép nối với hình thành hai lớp tiếp giáp PN Cơ có hai loại transistor theo cách ghép: ghép theo thứ tự PNP ta có loại pnp, ghép theo thứ tự NPN ta có loại npn.Ba lớp bán dẫn nối cực transistor, cực nối với lớp gọi cực gốc (base) Hai cực lại cực phát (Emitter) cực góp (Collector).Sơ đồ tóm tắt đơn giản: 2.3.2 Kí hiệu hình ảnh thực tế Hình 2.5: Cấu tạo Transistor Ngồi thực tế, có IC nhìn giống transistor, nên để chọn transistor nên dựa vào số hiệu ghi transistor giới thiệu phần sau Ở chợ điện tự người ta hay gọi transistor công suất nhỏ “bọ”, cơng suất lớn “sị” Kí hiệu thân transistor: Có nhiều nước sản xuất transistor chủ yếu Nhật bản, Mỹ Trung Quốc.Transistor Nhật Bản sản xuất thường kí hiệu bắt đầu với chữ A…, B…, C…, D…(A564, B733,C828,…) Các Transistor Mỹ sản xuất thường kí hiệu bắt đầu 2N (vd: 2N3055,…) Các transistor trung Quốc sản xuất bắt đầu số 2.3.2.1 Xác định cực B,C,E Đối với transistor công suất lớn thứ tự chân (nhìn theo mặt có số hiệusản phẩm) B,C,E Các transistor công suất nhỏ thường chân E bên trái, ta cần xác định chân B C Cách xác định: dùng đồng hồ vạn Để đồng hồ đo điện trở than 1kOhm Đặt cố định que đo vào chân , que chuyển sang hai chân lại, kim lên chân có que đặt cố định chân B, que đồng hồ cố định que đen transistor ngược, que đỏ transistor thuận 2.3.2.2 Các thơng số kỹ thuật Dòng điện cực đại: Dòng giới hạn transistor, vượt qua dòng transistor bị hỏng Điện áp cực đại: Điện áp tối đa đặt vào CE để transistor không bị đánh thủng Hệ số khuếch đại: Hệ số khếch đại k dòng BE / dòng CE đặc trưng cho khả khuếch đại dòng điện transistor Công suất cực đại: Là công suất tiêu thụ transistor P=UCE.ICE Nếu P>PMAX transistor bị cháy 2.3.3 Phân cực cho Transistor 2.3.3.1 Cấp điện cho transistor Ta cấp nguồn DC cho transistor, Vcc nối vào chân C, mass nối vào E 2.3.3.2 Phân cực cho transistor Để transistor sẵn sàng hoạt động, khuếch đại tín hiệu transistor dựa vào trình phân cực này: Đặt vào chân B transistor dòng Ib tat phân cực cho Transistor Về Hệ số khuếch đại=IC/IB Vì đáp ứng nhanh xác nên transistor sử dụng nhiều ứng dụng tương tự số, khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, tạo dao động 2.4 IC LM555: 2.4.1 Cấu tạo: Hình 2-6 Sơ đồ cấu tạo bên IC 555 Hình 2-7: Sơ đồ: Cấu trúc chân IC 555 2.4.2 Chức chân - Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân gọi chân chung - Chân số 2(TRIGGER): Đây chân đầu vào thấp điện áp so sánh dùng chân chốt hay ngõ vào tần so áp.Mạch so sánh dùng transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3Vcc - Chân số 3(OUTPUT): Chân chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái tín hiệu xác định theo mức 1 mức cao tương ứng với gần Vcc (PWM=100%) mức tương đương với 0V mà thực tế mức ko 0V mà khoảng từ (0.35 ->0.75V) - Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse ngõ mức thấp Cịn chân nối vào mức áp cao trạng thái ngõ tùy theo mức áp chân 6.Nhưng mà mạch để tạo dao động thường hay nối chân lên VCC - Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở cho nối GND Chân khơng nối mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF tụ lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định - Chân số 6(THRESHOLD) : chân đầu vào so sánh điện áp khác dùng chân chốt - Chân số 7(DISCHAGER) : xem chân khóa điện tử chịu điều khiển bỡi tầng logic chân Khi chân mức áp thấp khóa đóng lại.ngược lại mở Chân tự nạp xả điện cho mạch R-C lúc IC 555 dùng tầng dao động - Chân số (Vcc): Chân cung cấp áp dòng cho IC hoạt động Nó cấp điện áp từ 2V >18V (Tùy loại 555, thấp NE7555) 2.4.3 Cấu tạo bên nguyên tắc hoạt động 2.4.3.1 Cấu tạo Nhìn sơ đồ cấu tạo ta thấy cấu trúc 555 gồm : OPAM, điện trở, transitor, FF ( FF RS): - OP-amp có tác dụng so sánh điện áp - Transistor để xả điện - Bên gồm điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành phần Cấu tạo tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương Op-amp điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm Op-amp Khi điện áp chân nhỏ 1/3 VCC, chân S = [1] FF kích Khi điện áp chân lớn 2/3 VCC, chân R FF = [1] FF reset Nguyên tắc hoạt động - Ở mạch ta bít H ỏ mức cao gần Vcc L mức thấp 0V Sử dụng bạn FF – RS - Khi S = [1] Q = [1] = Q- = [ 0] - Sau đó, S = [0] Q = [1] =Q- = [0] - Khi R = [1] = [1] Q = [0] - Khi S = [1] Q = [1] R = [1] Q = [0] Q-= [1], transisitor mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp chân không vượt V2 Do lối Op-amp mức 0, FF khơng reset Khi đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời (Ra+Rb)C * Tụ C nạp từ điện Áp 0V -> Vcc/3: - Lúc V+1(V+ Opamp1) > V-1 Do O1 (ngõ Opamp1) có mức logic 1(H) - V+2 < V-2 (V-2 = 2Vcc/3) Do O2 = 0(L) - R = 0, S = > Q = 1, /Q (Q đảo) = - Q = > Ngõ = - /Q = > Transistor hồi tiếp không dẫn * Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3: - Lúc này, V+1 < V-1 Do O1 = - V+2 < V-2 Do O2 = - R = 0, S = > Q, /Q giứ trạng thái trước (Q=1, /Q=0) - Transistor ko dẫn ! * Tụ C nạp qua ngưỡng 2Vcc/3: - Lúc này, V+1 < V-1 Do O1 = - V+2 > V-2 Do O2 = - R = 1, S = > Q=0, /Q = - Q = > Ngõ đảo trạng thái = - Q = > Transistor dẫn, điện áp chân xuống 0V ! - Tụ C xả qua Rb Với thời Rb.C - Điện áp tụ C giảm xuống tụ C xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống 2Vcc/3 * Tụ C tiếp tục "XẢ" từ điện áp 2Vcc/3 > Vcc/3: - Lúc này, V+1 < V-1 Do O1 = - V+2 < V-2 Do O2 = - R = 0, S = > Q, /Q giứ trạng thái trước (Q=0, /Q=1) - Transistor dẫn ! * Tụ C xả qua ngưỡng Vcc/3: - Lúc V+1 > V-1 Do O1 = - V+2 < V-2 (V-2 = 2Vcc/3) Do O2 = - R = 0, S = > Q = 1, /Q (Q đảo) = - Q = > Ngõ = - Q = > Transistor không dẫn -> chân không = 0V tụ C lại nạp điện với điện áp ban đầu Vcc/3 Tóm lại: Trong q trình hoạt động bình thường 555, điện áp tụ C dao động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3 (Xem dường đặc tính tụ điện phóng nạp trên) - Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu Vcc/3, kết thúc nạp thời điểm điện áp C 2Vcc/3.Nạp điện với thời (Ra+Rb)C - Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu 2Vcc/3, kết thúc xả thời điểm điện áp C Vcc/3 Xả điện với thời Rb.C - Thời gian mức ngõ thời gian nạp điện, mức xả điện Cơng thức tính tần số điều chế độ rộng xung + Tần số tín hiệu đầu :f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2)) + Chu kì tín hiệu đầu ra: t = 1/f + Thời gian xung mức H (1) chu kì: t1 = ln2 (R1 + R2).C + Thời gian xung mức L (0) chu kì: t2 = ln2.R2.C Như cơng thức tổng qt 555 Tơi lấy ví dụ nhỏ : để tạo xung dao động f = 1.5Hz Đầu tiên chọn hai giá trị đặc trưng R1 C2 sau ta tính R1 Theo cách tính tốn ta chọn : C = 10nF, R1 =33k > R2 = 33k 3.1 CHƯƠNG : TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH TÍNH TỐN: Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch cảm biến độ ẩm: 3.1.1 Khối nguồn: - Nguồn 9V cấp cho mạch - Khối nguồn cung cấp nguồn cho khối cảm biến, khối xử lý khối cảnh báo để mạch hoạt động 3.1.2 Khối cảm biến: - Khối đầu vào tín hiệu đưa vào, tín hiệu vào độ ẩm - Sau tín hiệu truyền khối xử lý - Khối cảm biến có chức cảm nhận độ ẩm, mà phần tử mạch đồng thiết kế hở để nối vào J1 - Gồm linh kiện: R1, R2, R3, R4 transistor Q2( C1815) - Khi độ ẩm mức thấp Dòng điện qua khiến transistor phân cực theo điều kiện VC>VB>VE VB = VCC.* R2 / ( R1 +R2) = (9*4700)/(10000+4700) = 2,9V VE= VCC*R3 / ( R1+R3) = (9*1000)/(10000+1000) = 0,8V Vì VE = VC – VCE nên suy VC > VE - R1và R2 làm nhiệm vụ phân cực cho transistor Q1 - R4 làm cầu phân áp cho cực B Q1 - Q1 R3 làm cầu phân áp cho chân (chân Reset) IC555, cảm ứng độ ẩm, mạch thông, chân IC kéo lên mức cao, IC hoạt động 3.1.3 Khối xử lý phát tín hiệu: U2 RV1 R R1 RV2 Q DC 4k7 CV C2 100k 45% TH NE555 22uf LM358 1k TR 0% GND U1:A VCC 7v C1 10uf D2 LED-YELLOW - Gồm linh kiện: IC555, R1, R2 C1 - Dịng kiện kích từ khối cảm biến tới chân Reset khiến IC555 hoạt động - Điện áp chân số = (VCC*R3) / (R3 + R1) = (9V*1000)/(1000+470) = 6.1V mức cao, mạch bắt đầu hoạt động - Chân VCC nối với nguồn - Chân GND nối mass - R1, R2, C1 nối với chân TR, TH, DC hình để định tần số tín hiệu đầu chân Q theo công thức: f = 1/(ln2.C.(R5 + 2R4)) = 1/(ln2.10-6.(103+2.100.103) = 0.71 Hz > Tương đương với chu kỳ T= 1/f = 1/0.71 = 1.4s 3.1.4 Khối tác động: RL1 D1 DIODE D3 LED-YELLOW Q2 R3 c1815 330 R4 1k - Gồm linh kiện:R3, R4, LED re lay, bjt - Tín hiệu đầu chân xuất kích bjt kích re lay đóng làm cho động bơm nước hoạt động THIẾT KẾ: Hình 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến độ ẩm mô proteus RL1 D1 DIODE U2 RV1 R R1 RV2 U1:A VCC 7v Q DC 4k7 Q2 R3 45% C2 TR GND TH NE555 22uf LM358 1k D3 4k7 c1815 330 100k R2 CV 0% 3.2 C1 10uf D2 LED-YELLOW Hình 3.2.2 Mạch cảm biến độ ẩm R4 1k LED-YELLOW