Báo Cáo Bài Tập Lớn Mạch Điện Tử Đề Tài Temperature Measurement Circuit.pdf

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MẠCH ĐIỆN TỬ Đề tài : Temperature Measurement Circuit Giảng viên hướng dẫn: Thầy Trịnh Xuân Dũng L

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MẠCH ĐIỆN TỬ

Đề tài : Temperature Measurement Circuit

Giảng viên hướng dẫn: Thầy Trịnh Xuân Dũng

Lớp L10 - Nhóm 8

Mục lục

1 Ý tưởng th ực hiệ n đ ề tài 1

- Sơ đ khối: 1 ồ 2 Lý thuyết và tính toán 2

- CẦ U CẢM BI ẾN 2

- THIẾT B OPAMP 2 Ị - LỰ A CHỌN GAIN VÀ OFFSET 3

- KHUẾCH ĐẠI 4

3 Mô phỏng và kiểm chứng 4

- Bả ng so sánh 6

- Đồ ị th 7

Yêu cầu đề tài: Temperature Measurement Circuit: design a

temperature-sensing circuit that converts the temperature of a liquid/air to a proportional voltage for the purpose of maintaining the temperature of the liquid/air within a specified range The temperature sensor is a thermistor, which is a device whose

resistance changes with temperature Indicators: accuracy

1 Ý tưởng thực hiện đề tài

- Với yêu cầu thiết kế một mạch đo nhiệ ộ sử dụng nhiệt đ t điện trở Đầu ra của mạch là giá trị điện áp sao cho trị số hiển thị trên đó bằng với giá trị nhiệt độ trên nhi t điệ ện trở ( Ví dụ ở nhiệ ộ 30 ° C t đ thì điện áp hi n thị ể ra sẽ là 30V) và giá tr gia tăng là 1 V /ị ° C sao cho Vôn kế kỹ thuật s (DVM) có th hiểố ể n thị

trực tiếp được.Vì đi n trở củệ a nhiệt đi n trở phụ ệ thuộc vào nhiệt độ của nó và là một hàm không tuyến tính nên ý tư ng đây sở ở ẽ là đưa điện áp ngõ ra phụ thuộc vào đi n trệ ở của nhiệt điện trở thành 1 hàm gần tuy n tính nhế ất và khu ch đ i nó ế ạ lên để đáp ng đưứ ợc yêu cầu

- Sơ đồ khối:

Cầu cảm biến Nhiệt điện trở

Khối khuếch đại

Thiết bị hiển thị

2 Lý thuyết và tính toán

-CẦU CẢM BIẾN

CẢ M BI ẾN: Sử dụng đi n trệ ở nhiệt với thông số kỹ thuật là Ro = 20 kΩ ở To = 25°C, Beta = 4050 Đư ng cong Rth so vờ ới T phi tuyến tính cao được tính theo công thức:

trong đó nhiệt đ trong phương trình tính bộ ằng K(T= t+273,15°C, t: nhi t đệ ộ đo

ở °C)

với T là thêm một điện tr phân cở ực nố ếp Ci ti húng ta s chọn R = 20 kΩẽ 1

Ta có thể nhận th y nhiấ ệt đi n trở đượệ c đặt ở chân trên cùng c a ủ mạch cầu Với

hệ số nhiệt đ âm củ ộ a nhiệt điện tr , điều này t o ra sở ạ ự thay đ i điổ ện áp dương khi T tăng

𝑅1 +𝑅𝑡ℎ

tạo ra đi n áp phân cệ ực 2,5 V ở cảm biế Chọn n các điện trở R2 = R = 23 0 kΩ cùng với Vcc = 5 V t o ra một Vref = 2,5 V, đượ opạ c amp c a thiủ ết bị trừ đi đi n ệ

áp c a ủ nhiệt điện trở Đi n áp đ u ra cệ ầ ủa cầu được mô tả : là

VS = Vout1 - Vref

𝑉𝑆 = 𝑉𝑜𝑢𝑡1 − 𝑉𝑐𝑐 !"

!"#!$%

- THIẾT BỊ OPAMP

lệch điện áp đ u vào ầ

(VS = Vin+ - Vin- theo )

𝑉𝑜 = 𝑉𝑆 ∗ (2 ∗𝑅4

𝑅6+ 1)

trong đó R4 = R5 = R7= R8= R9 = R10 = 10KΩ

vào ph n đi n áp đ nó tương đầ ệ ể ối gần với nhi t đệ ộ nhận vào với tỉ lệ 0,1 V/ ° C Phương trình hoàn ch nh môỉ tả đầu ra sẽ là:

𝑉𝑜 = 𝑉𝑆 ∗ (2 ∗!&

!'+ 1).+ VOFF

Để có th được đưa đi n áp ngõ ra so vể ệ ới nhi t đệ ộ về một hàm tuyến tính ta sẽ làm như sau:

y = mx + b

bây giờ nằm ở việc chọn m và b để tạo ra Vo = 0,1 V/ ° C

LỰA CHỌN GAIN VÀ OFFSET

Phương trình y = mx + b bi n đ ế ổi đầ u ra x của cảm biến thành đầu ra mong

muốn y Ví dụ: nếu chúng ta đặt x0 là m t điộ ểm trong đầu ra của cảm bi n, thì ế y0 là đ u ra mong mu n cầ ố ủa bộ khuếch đại

y0 = m x0 + b ·

Chọn đi n áp cệ ảm biến khác x1, đ u ra trầ ở thành

y1 = m x1 + b ·

Từ hai phương trình và hai n sẩ ố này, ta d dàng tìm đưễ ợc m và b !

b = y0 - m · x0

Ta sẽ chọn một vài điểm hiệu chu n như điẩ ểm cuối trong phạm vi , T = 0 và

50 ° C ta s được ẽ

Nhiệt

VS = Vout1 - Vref (x)

Vout 0.1 V/°C (y)

0 ° C 69337,35783Ω 1,119352558 -1,380647442 0.0 V

50 ° C 6992,549191Ω 3,704726045 1,204726045 5.0 V

Tiếp theo, tính toán độ dốc và độ lệch

m = (y1 - y0) / (x1 - x0)

= (5.0 - 0.0) / (1.204726045 +1.380647442)

= 1.933956554

b = y0 - m *x0

= 0,0 - 1.934 *( 380647442-1 )

= 2.67

Bảng tính toán đ u ra ti n khuầ ề ếch đại y = m x+ b · Để so sánh, bảng tính vẽ biểu đồ đầu ra ti n khuề ếch đại thự ế c t này , cùng với đầu ra mong muốn , m t ộ đường tuy n tính giế ữa 0 (0 ° C) và 5 V (50 ° C) Để biến p n mhầ ở đầu thành

hiện thực, ta cần tính toán đi n trệ ở khuếch đại R6 của bộ khuếch đại thi t bế ị Đối với R4 = R = 10 k Ω 5 , R6 trở thành

R6 = 2 * R4 / (m 1)-

= 2 * 10k / ( 1.933956554- 1)

= 21.41427 KΩ

Cuối cùng, đặt VOFF = b = 2.67V để có 1 điện áp bù

- KHUẾCH ĐẠI

- Sau khi đã đưa hàm điện áp v 1 hàm tuy n tính về ế ới tốc độ tăng là0,1 V/ ° C

Để đúng với yêu cầu đề bài đặt ra ta s đưa nó qua 1 b khuếch đại v i gain =10 ẽ ộ ớ Tuy nhiên vì còn nhiều sai s nên đây ta chố ở ỉ chọn gain = 9.6585 với R11=10K R12= 86.585 KΩ V i các giá trớ ị đó thì ta Vo ra vôn kế kỹ thuậ ố để t s hiển thị sẽ đạt được yêu cầu đặt ra là giá trị điện áp hi n thể ị trên vôn kế bằng với giá trị nhiệt đ trên nhiộ ệt đi n trở ệ

3 Mô phỏng và kiểm chứng

Một số kết qu thu đưả ợc:

-Bảng so sánh

Vout lý thuyết(1) =(𝑉𝑆 ∗ (2 ∗!&

!'+ 1).+ VOFF)*10 Vout lý thuyết(2)=(1.933956554*VS+VOFF)*10

T

(° C)

RTH

(Ω)

Vout lý thuyết(1) (V)

Vout lý thuyết(2) (V)

Vout thực tế (V)

Sai số (%)

37 11824,37832 39,12074379 39,12074313 38 2,702702703

45 8514,836616 46,17390447 46,17390345 44,8 -0,444444444

46 8181,891947 46,97517242 46,97517135 45,5 -1,086956522

49 7269,947309 49,27005657 49,27005537 47,7 -2,653061224

Từ bảng trên ta th y đưấ ợc tuy là vẫn còn sai số tuy nhiên trong khoảng nhi t từ ệ 0° C- ° C 50 thì mức đ sai sộ ố vẫn trong đi u ki n ch p nh n đưề ệ ấ ậ ợc Nhóm đã thử

khảo sát ở nhiệt độ cao hơn và thấy đượ ằng tc r ừ nhiệt độ lớn hơn 50 ° C sự sai sót xảy ra khá l n nên chớ ỉ có thể đáp ng đưứ ợc yêu cầu đ bài ề ở mức đ này ộ

-Đồ ị th

Đồ ị th biểu di n sễ ự thay đổi của RTH theo nhiệt độ với R0= 20kΩ tại T0=25° C

và β= 4050 Với công thức

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51

Biểu đồ sự thay đổi củ RTH theo nhiệt độ

Nhiệt độ Rth

Từ biểu đ so sánh nhiệt đ và đi n áp ngõ ra mà ta đã t o đưồ ộ ệ ạ ợc ta thấ ằy r ng giá trị nhiệt đ và đi n áp không chênh lộ ệ ệch quá nhiều v n đáp ng đưẫ ứ ợc yêu cầu chuyển đ giá trổi ị nhi t đệ ộ sang điện áp t nhiệừ t điện trở

4 Lắp mạch

- Chuẩn b linh kiị ện

- Thiết k PCBế bằng Kicad

0

10

20

30

40

50

60

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51

Biểu đồ so sánh nhiệt độ và điện áp

Nhiệt độ Vout

- In mạch

- Lắp linh kiện

- Chạy thử