Đề tài thiết kế mạch cảnh báo nhiệt độ và khói sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại và hồng ngoại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI ⃰⃰⃰⃰⃰ ⃰ ⃰ ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH TƯƠNG TỰ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ KHÓI SỬ DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI VÀ HỒNG NGOẠI Giảng viên hướng dẫn: ThS Sinh viên thực hiện: Nam K23B-20A Khoa Điện- Điện tử MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÊ NHIỆT ĐỘ 1, NGUYÊN TẮC NHIỆT ĐỘ: 2, SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ: CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MẠCH 1, BÀI TOÁN: 2, THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ: 3, TÍNH TỐN CHỌN LINH KIỆN VÀ LẮP RÁP MẠCH: a) Tính tốn chọn linh kiện: b) Lắp ráp mạch: 4, ỨNG DỤNG THỰC TẾ: .11 KẾT LUẬN 12 Đồ án 1- thiết kế mạch tương TỰ GIỚI THIỆU Nhiệt độ tín hiệu vật lý mà ta thường gặp đời sống ngày kỹ thuật cơng nghiệp Việc đo 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 nhóm chúng em nghiên cứu dùng vi mạch tương tự để tính tốn, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại Dải đo từ: t0C = 0- 780° C Từ yêu cầu đề sử dụng nhiệt điện trở kim loại dải đo từ đến 780℃ ta tính lựa chọn cảm biến Đồ án 1- thiết kế mạch tương TỰ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÊ ĐO NHIỆT ĐỘ 1, Nguyên tắc đo nhiệt độ:  Khái niệm nhiệt độ thang đo nhiệt độ - Nhiệt độ đại lượng vật lí đặc trưng cho mức chuyển động hỗn loạn phần tử vật thể - Để đo nhiệt độ phải có dụng cụ đo, thơng thường cơng nghiệp nhiệt độ đo cảm biến phương pháp tiện lợi truyền tín hiệu nhiệt độ xa, không ảnh hưởng tới làm việc hệ thống cần xác định nhiệt độ - Để đo xác nhiệt độ cần có hiệu số Tx – T cực tiểu với Tx nhiệt độ cần đo, T nhiệt độ cảm biến đặt môi môi trường cần đo Khi cảm biến đặt môi trường cần đo nhiệt độ, nhiệt lượng cảm biến hấp thụ từ mơi trường tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt cảm biến môi trường theo biểu thức: dQ= a.A(Tx- T)dt Với a độ dẫn nhiệt, A diện tích bề mặt truyền nhiệt  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:  Đây phương trình phép đo, rõ so sánh đại lượng cần đo với mẫu cho kết số  Quá trình đo tiến hành thong 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 phếp đo - Đo gián tiếp: cách đo mà kết đo suy từ phép đo, từ phối hợp nhiều phép đo trực trực tiếp Đồ án 1- thiết kế mạch tương TỰ - Đo thống kê: phếp đo nhiều lần đại lượng đó, điều kiện giá trị Từ dung phếp tính xác suất để thể kết đo có độ xác cần thiết 2, Sơ đồ khối mạch đo cảnh báo nhiệt độ:  Mạch đo gồm có khối bản: - Khối cảm biến - Mạch khuếch đại - Mạch so sánh - Khối thị - Khối cảnh báo - Mạch chuyển đổi u sang i  Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo:  CHỨC NĂNG CÁC KHỐI: a, Khối cảm biến: Khối cảm biến có chức biến đổi tín hiệu khơng điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng Ở ta dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp b, Khối khuếch đại: Có chức khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, tín hiệu điện cảm biến đưa thường bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào mạch điện khác c, Mạch so sánh: Có tác dụng so sánh tín hiệu đưa từ khối khuếch đưa khối sau Việc so sánh tín hiệu ứng dụng cho mạch cảnh báo có nhiệt độ Đồ án 1- thiết kế mạch tương TỰ d, Mạch chuyển đổi U sang I: Có tác dụng chuyển đổi tín hiệu dịng điện sang tín hiệu điện áp để hiển thị e, Khối cánh báo: - Cảnh báo cho người biết nhiệt độ tăng cao so với nhiệt độ cho phép - Đó khối dùng mạch đo cảnh báo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở kim loại CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MẠCH  Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại, dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biến nhiệt độ  Sau ta tìm hiểu phương pháp thường dùng dùng nhiệt điện trở kim loại: 1, Bài tốn: - Tính tốn thiết kế lắp mạch đo cảnh báo nhiệt độ theo yêu cầu:  Đo nhiệt độ dải từ 0℃- 780℃  Cảnh báo nhiệt độ LED với ngưỡng nhiệt độ tùy ý toàn dải đo Đồ án 1- thiết kế mạch tương TỰ 2, Thiết kế sơ đồ nguyên lý: - Ta chọn mạch nguyên lý sau: - Thuyết minh hoạt động mạch dựa vào sơ đồ nguyên lý: Mạch đo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở mô protues với nhiệt điện trở, kết hợp với Led hồng ngoại để cảm nhận có khói Nguyên lý hoạt động dựa so sánh điện áp ICLM358 điện trở tăng theo nhiệt độ 3, Tính Tốn Chọn Linh Kiện Và Lắp Ráp Mạch: a) Tính tốn chọn linh kiện:  Cảm biến nhiệt: RT1 - Khối cảm biến có chức biến đổi tín hiệu khơng điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng Ở ta dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp - Nhiệt điện trở kim loại có nhiều loại có hai loại thường dùng nhiệt điện trở nickel nhiệt điện trở platin Nhiệt điện trở nickel so với platin rẻ tiền song độ tuyến tính từ -600C đến +2500C mà dải đo max 7700C nên ta không sử dụng Ta sử dụng nhiệt điện trở với dải đo rộng độ tuyến tính cao Cụ thể ta sử dụng nhiệt điện trở MF58 - Cảm biến nhiệt độ (Nhiệt điện trở) cấu tạo chất bán dẫn kết hợp với kỹ thuật phủ gốm & lớp thủy tinh cùng, giúp cảm biến hoạt động cách hiệu Đồ án 1- thiết kế mạch tương TỰ - Sản phẩm ứng dụng nhiều bo mạch điện tử, mạch điều khiển (PCB), liên quan đến điều khiển nhiệt độ Ví dụ: Ứng dụng điều khiển nhiệt độ cho quạt làm mát hệ thống, điều khiển còi, đèn Các ứng dụng liên quan đến nhiệt độ tích hợp PCB, máy sưởi, bếp điện từ  Thông số kỹ thuật:  MF58-502-J-3470  MF58: Nhiệt điện trở NTC  502 = 5000 Ohm  J =  ± 5%  B = 3470  Hình ảnh sản phẩm:     Điện trở biến đổi VR1 Các điện trở cố định Bộ khuếch đại thuật toán LM358N LED Đồ án 1- thiết kế mạch tương TỰ  Bán dẫn Từ ta bắt đầu tiến hành thiết kế lắp ráp mạch b) Lắp ráp mạch: Sơ đồ khối: KHỐI CHUÔNG BÁO KHỐI CẢM NHIỆT KHỐI CẢM BIẾN KHÓI KHỐI NGUỒN - Sau tổng hợp linh kiện ta tiến hành mô mạch phần mềm proteus: Đồ án 1- thiết kế mạch tương TỰ - Board mạch thực tế: Đồ án 1- thiết kế mạch tương TỰ Đồ án 1- thiết kế mạch tương TỰ 10 - Thuyết minh sơ đồ: Mạch đo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở mô protues với nhiệt điện trở RT1 Nguyên lý hoạt động dựa so sánh điện áp ICLM358 điện trở tăng theo nhiệt độ - Nguồn cấp từ 7,5-15VDC Mạch sử dụng ic ổn áp 7805 để ổn định điện áp ngõ 5V Với dòng điện tối đa 1A Diode D1 dùng để phân cực nguồn vào nhằm bảo vể mạch không bị ảnh hưởng cấp nguồn ngược Tụ C1 lọc nguồn vào, tụ C2 lọc nhiểu cao tần từ nguồn vào, Tụ C3 nhằm lọc nhiểu nguồn LED D2 báo nguồn, R1 điện trở hạn dòng cho LED - Mạch sử dụng nhiệt trở âm (NTC) làm cảm biến nhiệt độ, IC Op-Amp LM358 làm so sánh điện áp nhiện độ bình thường giá trị nhiệt trở sấp sỉ giá trị gốc nhiệt trở, ví dụ: 25 độ C giá trị điện trở 10k 10k Đồ án 1- thiết kế mạch tương TỰ 11 - Lúc giá trị điện áp chân (+) op-amp 2.5V tạo cầu phân áp RT1 R2 tụ C4 dùng để tạo thời gian biến đổi chậm điện áp nhiệt độ thay đổi giúp mạch hoạt động ổn định hơn, tránh nhạy với mức nhiệt độ tức thời Điện áp ngưỡng báo động đặt bới biến trở RV1(10k) Có thể chỉnh từ 0-5V cấp vào chân (-) op-amp Ví dụ ta đặt mạch báo động nhiệt độ 65 độ C Lúc điện áp chân (+) VCC/(TR1+R2)*R2 = 5/12*10 = 4.17V ta chỉnh biến trở đặt điện áp khoảng 4.16 V chân (-) Vậy nhiệt độ nhỏ 65 độ C V(+) Ngõ Op-amp mức thấp xấp sỉ 0V R9 R10 phân cực cho transitor Q2 Khi ngỏ Op-amp Q2 khơng dẫn LED D6 không sáng -> Q4 không dẫn nên chân C Q4 thả -> không tác động đến mạch còi báo Điện trở R10 hạn dòng cho LED D6, R11 phân cực cho Q4 Khi nhiệt độ lớn 65 độ C giá trị nhiệt trở giảm -> V(+)>V(-) -> ngõ opamp xấp sỉ 5V -> Q2 dẫn -> LED D6 báo sáng -> Q4 dẫn tác động đến khối còi báo động - Tương tự khối cảm biến nhiệt Khối cảm biến khỏi ta dùng LED thu LED phát đặt rọi vào để khoảng trống Tức bình thường cường độ hồng ngoại lớn -> LED thu D3 dẫn với dịng lớn Khi có khói khói làm giảm cường độ tia hồng ngoại -> LED thu D3 dẫn với dòng nhỏ Ta biếm trở RV2 cho bình trường LED D7 sáng sau ta chỉnh ngược lại khoảng sau D7 tắt Khi khơng có khói V(-)>V(+) nên ngõ 0, Q3 Q5 tương tự khỗi cảm biến nhiệt Khi có khói V(-) tác động đến khối chuông báo 4, Ứng dụng thực tế: - Sau lắp mạch cảm biến nhiệt điện trở ta mở rộng sang mạch đo cảnh báo nhiệt độ lắp thêm cảm biến khói báo cháy to áp dụng nhu cầu thực tế Đồ án 1- thiết kế mạch tương TỰ 12 KẾT LUẬN Quá trình đo lường dùng cảm biến nhiệt độ với mạch đơn giản nhiều bất cập, mạch đơn giản để cấu xác ta nên kết hợp với vi mạch số, vi xử lý vi điều khiển để hiển trực quan số dễ đọc trình điều khiển cảnh báo dễ dàng Ứng dụng với vi mạch số vi mạch điều khiển ta dùng cảm biến nhiệt độ ứng dụng vào mạch mạch báo cháy tự động, mạch đo nhiệt độ lị nung, điều khiển điều hịa khơng khí, hay lò ấp trứng, nhà bảo quản lạnh … Qua thời gian nghiên cứu thực hiện, chúng em phần nắm môn học Đặc biệt đề tài nghiên cứu làm việc với số ứng dụng hữu ích Do cịn hạn chế trình độ nên q trình thực cịn nhiều sai sót khơng mong muốn Chúng em mong ủng hộ, giúp đỡ thầy bạn giúp chúng em hoàn thành báo cáo tốt hơn! Đồ án 1- thiết kế mạch tương TỰ 13