đồ án môn học tìm hiểu và nghiên cứu về thiết bị cảm biến nhiệt độ

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ThS Trần Thị Bích Ngọc

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAMKHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng 3 năm 2024

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN 1

Họ và tên: TRỊNH VIẾT MINH PHONG MSSV: 2255120099

LỚP: 22ĐHĐT01 NGÀNH: Công nghệ KT điện tử - viễn thông1 Tên đề tài: Thiết Bị Cảm Biến Nhiệt Độ

2 Nhiệm vụ: Đèn sáng khi có nhiệt độ thay đổi.

3 Ngày giao: ………4 Ngày nộp: ……….5 Họ tên cán bộ hướng dẫn (ghi rõ: Học hàm, học vị): Trần Thị Bích Ngọc

TRƯỞNG KHOA( Ký và ghi rõ họ tên)

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHÍNH( Ký và ghi rõ họ tên)

2

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAMKHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

1 Thời gianCông việc thực hiệnXác nhận GVHDGhi chúTuần 1 Tìm hiểu về mạch và các

linh kiện trong mạchTuần 2 Thực hiện mạch mô phỏngvà vẽ mạch inTuần 3 Báo cáo mạch mô phỏng và mạch inTuần 4Làm mạch thực tế

Tuần 5Làm mạch thực tếTuần 6Báo cáo mạch thực tếTuần 7Viết và sửa chữa báo cáoTuần 8Nộp và bảo vệ đồ án

TP.HCM, ngày tháng 3 năm 2024 Sinh viên thực hiện

Trịnh Viết Minh Phong

LỜI CAM ĐOAN

Em, Trịnh Viết Minh Phong xin cam đoan đề tài nghiên cứu : “ thiết bị cảm biếnnhiệt độ ” được làm dưới sự hưỡng dẫn của cô Trần Thị Bích Ngọc Tất cả các sốliệu, thông tin trong bài nghiên cứu đều trung thực, được xác nhận từ các cơ quantrực tiếp chủ quản, không có bất cứ sự sao chép số liệu nghiên cứu khảo sát từnghiên cứu tương tự nào trước đó Nếu phát hiện bất kỳ sự sao chép, gian dối nàotrong kết quả của nghiên cứu, chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chấpnhận quyết định kỷ luật của khoa và nhà trường.

Sinh viên

Chữ ký

Trịnh Viết Minh Phong

4

LỜI CẢM ƠN

Em xin được cảm ơn mọi người đã giúp đỡ em trong lúc làm đồ án 1.

Đầu tiên, em muốn gửi lời cảm ơn đến cô Trần Thị Bích Ngọc, người đã giúp đỡem rất nhiều trong suốt quá trình học tập Những kiến thức này đã đóng góp rất lớncho quá trình thực hiện đồ án của em

Em chân thành cảm ơn rất nhiều.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Giáo viên hướng dẫn

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

6

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Giáo viên phản biện

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.1.1 Tổng quan 1

1.1.2 Mục tiêu 2

1.1.3 Hướng nghiên cứu 3

1.1.4 Ứng dụng 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Một số linh kiện được sử dụng trong đề tài 5

3.1.1 Nguyên lý hoạt động của mạch 17

CHƯƠNG 4 THI CÔNG MẠCH VÀ KẾT QUẢ 19

4.1 Mạch thi công phần cứng 19

8

LỜI MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống hiện đại, việc tối ưu hóa tiện ích và tiết kiệm năng lượng đã trởthành một ưu tiên hàng đầu Một trong những ứng dụng phổ biến trong lĩnh vựcnày là việc sử dụng thiết bị cảm biến nhiệt độ Điều này không chỉ tăng cường tiệních mà còn giúp giảm lượng năng lượng tiêu thụ không cần thiết Trong báo cáonày, em sẽ trình bày chi tiết về quá trình nghiên cứu, thiết kế và xây dựng mạch.Báo cáo này cũng sẽ bàn về các hạn chế và khó khăn gặp phải trong quá trình thựchiện đồ án, cùng với những khả năng mở rộng và cải tiến của mạch cảm biến nhậndiện con người trong tương lai.

Hy vọng rằng thông qua đồ án này, em có thể đóng góp một phần nhỏ vào sự pháttriển của và mang lại những kiến thức hữu ích cho cộng đồng khoa học và kỹ thuật.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chung1.1.1 Tổng quan

-Thiết bị dùng để cảm nhận nhiệt độ môi trường xung quanh chúng ta với biến trởcảm biến nhiệt độ sẽ thay đổi khi có nhiệt độ khi có sự thay đổi nhiệt độ tác độngđến khi nhận được nhiệt độ thay đổi thì đèn sẽ báo hiệu thay đổi rõ rệt mà khôngsự can thiệp thủ công.

-Thiết bị này thường được sử dụng trong môi trường xung quanh chúng ta: nhưtrong giám sát nhiệt độ trong hệ thống HVAC hoặc đo nhiệt trong môi trường…và mang lại rất nhiều tiện ích trong việc bảo vệ.

*Các thành phần cơ bản trong mạch bao gồm:

-Biến trở cảm biến nhiệt độ LM35: Đây là thành phần chính trong thiết bị, dùng

để cảm nhận nhiệt độ khi có nhiệt độ thay đổi Cảm biến sẽ gửi tín hiệu đi khi cósự thay đổi nhiệt độ trong môi trường Ưu điểm của cảm biến nhiệt độ LM35 sovới các cặp nhiệt điện thì nó không yêu cầu bất kỳ hiệu chuẩn bên ngoài nào hết.Với lớp vỏ bên ngoài được bảo vệ nó khỏi tình trạng quá nhiệt.

-Biến trở cúc áo 102 (1k): Biến trở được ứng dụng thực tiễn rất nhiều trong mạchđiện tử cần thay đổi giá trị về thông số như mạch tăng áp, hạ áp, Tuỳ vào nhu cầucũng như mục đích sử dụng mà chúng ta sẽ chọn cho mình các linh kiện điện tửphù hợp nhất trong việc sửa chữa hay trong thiết kế mạch.

-Nguồn cung cấp điện: để cung cấp điện cho mạch và đèn, một nguồn cung cấp

điện cần tịch hợp vào mạch.

-Bóng đèn LED: thành phần cuối, sẽ được kích hoạt khi có người đi qua Đèn sẽ

phát sáng khi có nhiệt độ thay đổi.

-Điện trở: dùng để điều chỉnh mức độ tín hiệu, ngăn không cho dòng điện mạnh đi

-LM358: giúp ngăn chặn các sự cố khi mà xảy ra khi tín hiệu vượt quá mức quy

định.giúp cân bằng và điểu chỉnh tín hiệu đầu vào, được tích hợp với tính năng bảovệ mạch ngắn bên trong và có khả năng kêt hợp với các bộ vi điều khiển và thiết bịlogic khác.

1.1.2 Mục tiêu

-Tính tiện ích: Thiết bị tự dộng cảm nhận nhiệt độ khi môi trường thay đổi, thuận

lợi cho người sử dụng mà không cần thao tác thủ công.

-Tiết kiệm năng lượng: Năng lượng được tối ưu hóa, chỉ hoạt động khi cần thiết

và tối ưu lượng điện tiêu thụ.

-Độ tin cậy và độ chính xác: thiết bị được thay thế một cách chính xác và tin cậy

cao, không cần người làm thủ công, được thiết lập chính xác và không có lỗi hưhỏng.

-Dễ dàng lắp đặt và sử dụng: được thiết kế một cách gọn gàng, đơn giản và dễ

dàng thích nghi với mọi môi trường với nhiều vị trí khác nhau.

-Tích hơp và linh hoạt: cung cấp khả năng tích hợp với các hệ thống điều khiển

thông minh và khả năng linh hoạt để thích nghi với yêu cầu người sử dụng.

-An toàn và bảo mật: thiết bị được đảm bảo an toàn và bảo mật, tránh những

trường hợp hư hỏng hoặc ảnh hưởng đên tài sản người sử dụng.

 Mục tiêu: Giúp phát triển một thiết bị có khả năng linh hoạt, độ an toàn bảo mật vàkèm với độ chính xác cao Giúp thích nghi được với mọi môi trường.

2

1.1.3 Hướng nghiên cứu

-Nghiên cứu về cảm biến: Nghiên cứu và đánh giá các loại cảm biến nhiệt độ để

phát hiện thêm nhiều thứ ngoài môi trường một cách chính xác và tin cậy hơn.

-Tối ưu hóa năng lượng: áp dụng các phương pháp tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng

của thiết bị.

-Phát triển thuật toán: phát triển thuật toán để có thêm độ nhạy sáng đèn, xử lý

tín hiệu và kỹ thuật thao tác cao.

-Điều khiển và tương tác: Tìm các phương pháp sử dụng hợp với thiết bị và nhiều

hệ thống điều khiển thông minh khác.

-Đánh giá hiệu suất: Thử nghiệm và đánh giá cho thiết bị về độ chính xác và tin

cậy hơn.

-An toàn và bảo mật: tìm hiểu thêm về nhiều phương pháp về độ an toàn cũng

như bảo mật, để tránh những rủi ro cho người sử dụng.

1.1.4 Ứng dụng

-Công nghiệp: Giám sát máy mọc và môi trường khác nhau, nhà máy điện, sản

-Khoa học và phòng thí nghiệm: Giám sát khoa học và công nghệ sinh học.

-Y tế: Theo dõi bệnh nhân, thiết bị y tế, phân tích khí, ống thông tim pha loãngnhiệt, máy làm ẩm, ống thông khí, nhiệt độ dịch lọc máu.

-Motorsport: các phép đo khí thải, nhiệt độ không khí đầu vào, nhiệt độ dầu và

động cơ.

-Thiết bị da dụng: Thiết bị nhà bếp (lò nướng, ấm đun nước, …) cũng như hàng

trắng.

-Ứng dụng HVAC: Các thiết bị thông gió sưởi ấm và điều hòa không khí thương

mại hoặc thuần hóa.

-Transit: Xe tải và xe tải lạnh.

4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 1 Một số linh kiện được sử dụng trong đề tài2.1.1 Điện trở

- là một linh kiện điện tử thụ động trong mạch điện có biểu tượng R Nó là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của vật liệu.

Một số công thức:

Công thức tính: R=U/I Trong đó :

U: là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đo bằng vôn (V).I: là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đo bằng ampe (A).R: là điện trở của vật dẫn điện, đo bằng Ohm (Ω).).

Mắc nối tiếp

Mắc song song

Hình 2.1 Điện trở và bảng màu của điện trở*Cách đọc điện trở

 Đen: Giá trị 0

 Nâu: Giá trị 1 Sai số ± 1%.

6

Đối với điện trở 4 vạch màu thì cách đọc điện trở đúng là như sau:

 Vạch màu thứ nhất: Tương đương giá trị hàng chục của điện trở.

 Vạch màu thứ 2: Tương đương giá trị hàng đơn vị của điện trở.

 Vạch màu thứ 3: Hệ số nhân Ta nhân 10 với số mũ là giá trị màu Chẳng

hạn, vạch đỏ là 102, vạch vàng là 104.

 Vạch màu thứ 4: Tương đương giá trị sai số của điện trở Vòng này luôn

nhũ vàng hay nhũ bạc, khi đọc ta bỏ qua.

Như vậy, cách đọc điện trở 4 vạch màu áp dụng theo công thức sau:

Giá trị điện trở = (vạch 1)(vạch 2) x 10(mũ vạch 3)

Cách đọc điện trở 5 vạch màu cũng khá đơn giản như sau:

 Vạch màu thứ nhất: Tương đương giá trị hàng trăm của điện trở.

 Vạch màu thứ 3: Tương đương giá trị hàng đơn vị của điện trở.

 Vạch màu thứ 4: Hệ số nhân Ta nhân 10 với số mũ là giá trị màu như cách

đọc điện trở 4 vạch màu nêu trên.

 Vạch màu thứ 5: Giá trị sai số của điện trở.

Áp dụng cách đọc điện trở 5 vạch màu theo công thức:

Giá trị điện trở = (vạch 1)(vạch 2)(vạch 3) * 10(mũ vạch 4) + vạch 5

2.1.2 Biến trở cúc áo 102 (1k)

-Biến trở hay có tên gọi khác là triết áp là linh kiện điện tử có 3 cực, bên trong nó có bộ phận trượt/xoay sẽ làm giá trị trở thay đổi Do đó nó được gọi là biến trở.-Biến trở được ứng dụng thực tiễn rất nhiều trong mạch điện tử cần thay đổi giá trị về thông số như mạch tăng áp, hạ áp,

-Tuỳ vào nhu cầu cũng như mục đích sử dụng mà chúng ta sẽ chọn cho mình các linh kiện điện tử phù hợp nhất trong việc sửa chữa hay trong thiết kế mạch.

Hình 2.2 Biến trở cúc áo 102 (1K)

8

*Thông số kỹ thuật

Phân loại: RM065 Số chân: 3 chân Giá trị: 1K (102)

-Nhiệt độ hoạt động: -10 độ đến 70 độ Màu sắc: Trắng + Xanh

2.1.3 Biến trở cảm biến nhiệt độ LM35

-LM35 được biết đến là một cảm biến nhiệt độ tương tự, với điện áp đầu ra tỷ lệthuận với nhiệt độ tức thời và có thể xử lý dễ dàng các giá trị nhiệt độ bằng độ C.-LM35 với chi phí thấp, độ chính xác cao nên linh kiện là là một trong những lựachọn phổ biến trong các mạch điện tử chi phí thấp, các mạch đơn giản.

-Vì có nhiều ưu điểm nêu trên nên cảm biến nhiệt độ LM35 đã được sử dụng trongnhiều sản phẩm đơn giản, giá thành thấp Đã hơn 15 năm kể từ lần ra mắt đầu tiênnhưng cảm biến này vẫn tồn tại và được sử dụng trong nhiều sản phẩm và ứngdụng đã cho thấy giá trị của loại cảm biến này.

Hình 2.3 Biến trở cảm biến nhiệt độ LM35

*Thông số kỹ thuật của LM35

 Hiệu chuẩn trực tiếp theo oC Điện áp hoạt động: 4-30VDC Dòng 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 trong không khí tĩnh Sai số: 0,25°C

 Trở kháng ngõ ra nhỏ, 0,2Ω) với dòng tải 1mA Kiểu chân: TO92

 Kích thước: 4.3 × 4.3mm

*Nguyên lý hoạt động của LM35

-Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho ra một giá trị điện áp nhất định tại chânVOUT (chân giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ Như vậy, bằng cách đưa vào chân bêntrái của cảm biến LM35 điện áp 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện thế ở chângiữa, bạn sẽ có được nhiệt độ (0-100ºC) tương ứng với điện áp đo được.

-Vì điện áp ngõ ra của cảm biến tương đối nhỏ nên thông thường trong các mạchứng dụng thực tế, chúng ta thường dùng Op-Amp để khuếch đại điện áp ngõ ranày.

*Các bước tính toán nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt độ LM35 Thiết kế mạch.

10

 Cấp nguồn cho cảm biến với điện áp từ 4V đến 30V Chân GND được nốiđất.

 Kết nối chân VOUT với đầu vào bộ chuyển đổi tương tự sang số hay vi điềukhiển.

 Lấy mẫu đọc ADC để xác định điện áp đầu ra VOUT. Chuyển đổi điện áp thành nhiệt độ.

2.1.4 Ổn áp IC LM358

-IC LM358 là bộ khuếch đại thuật toán chân cắm (DIP) kép công suất thấp, bộkhuếch đại này có ưu điểm hơn so với bộ khuếch đại thuật toán chuẩn trong cácứng dụng dùng nguồn đơn.

Hình 2.4 IC LM358*Thông số kỹ thuật:

 Model: 14 chân, xuyên lỗ

 Điện áp: 3-32V với nguồn đơn, 1.5-16V với nguồn đôi Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70oC

 Độ lợi khuếch đại DC 100dB

 Điện áp ngõ ra: 0V đến VCC(+)-1.5V

– IC LM358 có thể hoạt động ở nguồn điện áp thấp 3V hoặc cao lên tới 32V Cócông suất cực máng thấp, tuy nhiên có độ lợi cao 100dB Cấu tạo bên trong gồm 2bộ khuếch đại thuật toán, tương thích với nhiều loại mạch logic khác nhau.

*Chức năng của IC LM358

 Bảo vệ quá áp lối ra.

 Tầng khuếch đại vi sai lối vào. Dòng cung cấp lối vào thấp.

 Dải tín hiệu cùng pha mở rộng tới nguồn âm

12

*Sơ đồ chân của IC LM358

Hình 2.5 sơ đồ chân của ICLM358

 1: Output A => Đầu ra của phần thứ nhất (phần A) của IC hay opamp 1 2: Inverting Input A => Đầu vào đảo ngược của phần thứ nhất (phần A) của

IC hay opamp 1

 3: Non Inverting Input A => Đầu vào không đảo ngược của phần thứ nhất(phần A) của IC hay opamp 1

 4: GND => Nối mass / chân âm cho cả 2 opamp

 5: Inverting Input B => Đầu vào đảo ngược của phần thứ hai (phần B) củaIC hay opamp 2

 6: Non Inverting Input B => Đầu vào không đảo ngược của phần thứ hai(phần B) của IC hay opamp 2

 7: Output B => Đầu ra của phần thứ hai (phần B) của IC hay opamp 2 8: Vcc => Chân dương của cả 2 phần hay 2 opamp của IC

*Mạch ứng dụng của LM358

Mạch cảm biến ánh sáng sử dụng IC LM358 IC này được sử dụng ở đây như mộtbộ so sánh Một LED được nối với chân đầu ra 1 là đầu ra của opamp 1 hoặc phầnA Biến trở 20K được sử dụng để điều chỉnh độ nhạy của mạch.

– Mạch cảm biến tối sử dụng IC LM358 gần giống như mạch cảm biến ánh sáng ởtrên, nhưng khác là ở mạch này chân giữa biến trở được nối với chân 2 hay đầuvào đảo ngược của phần A của IC Lúc này mạch sẽ tạo đầu ra của phần A ở mứccao khi có bóng tối hoàn toàn hoặc ánh sáng yếu, ngoài ra cũng phụ thuộc vào điềuchỉnh của biến trở 20K.

14

2.1.5 Bóng Đèn LED

-LED là một thiết bị bán dẫn phát ra ánh sáng khi có dòng điện chạy qua nó.

Hình 2.6 Bóng Đèn LED*lịch sử hình thành

-Tính đến thời điểm hiện tại, LED đã có hơn 100 năm hình thành và phát triển Bắtđầu từ năm 1907 khi nhà khoa học người Anh Henry Joseph Round phát hiện vậtliệu vô cơ có thể phát sáng khi có dòng điện chạy qua Cho tới khi đèn LED xanhdương của ba nhà khoa học gốc Nhật ra đời, tạo nên một bước tiến khoa học vượt

* Cấu tạo của đèn LED

-Tiếp giáp P-N sẽ tạo ra một dòng điện truyền từ kênh P đến kênh N Sự gặp gỡcủa các điện tích dương và điện tích âm sẽ tạo ra các electron và sinh ra bức xạ ánhsáng Màu sắc của ánh sáng sẽ phụ thuộc vào các chất bán dẫn khác nhau có trongđèn LED.

*Cấu tạo của đèn LED

 Mạch in Chip LED Bộ nguồn

 Bộ nguồn đèn LED Bộ phận tản nhiệt Vỏ đèn

*Nguyên lý hoạt động của đèn LED

-Hoạt động của đèn LED sẽ dựa trên công nghệ bán dẫn thông qua việc sử dụngchip LED để phát sáng Như chúng ta đã phân tích ở trên, đèn LED có cấu tạo gồm1 khối bán dẫn trung tâm và 2 cực âm – dương được tách ra từ 2 khối bán dẫn này.-Hai cực âm – dương (P và N) của đèn LED đóng vai trò là cầu nối của dòng điện.Dòng điện từ nguồn sẽ bị thu hút bởi mặt tiếp giáp P-N, từ đó tiến lại gần nhau vàtạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này sẽ tạo ra các bức xạ điện từ vàsau đó giải phóng năng lượng, giúp bóng đèn phát sáng Trong quá trình đó, lớp vỏnhựa bao quanh khối bán dẫn sẽ đóng vai trò định hướng ánh sáng phát ra (tươngtự như một lăng kính).

-Theo nguyên lý này, ánh sáng của đèn LED được tạo ra nhờ sự tương tác trongkhối bán dẫn theo nguyên tắc vật lý Chính vì vậy, đèn LED rất tiết kiệm điện năngvà trở thành thiết bị chiếu sáng được ưa chuộng nhất hiện nay.

16