Tên đề tài: Thiết kế mạch đo và hiển thị nhiệt độ Nhiệt kế điện tử 3.. Các dữ liệu ban đầu: - Tìm hiểu tổng quan về đề tài đồ án, mục tiêu thiết kế - Thiết kế sơ đồ khối cho mô hình “Mạ
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Nhiệt độ là một tín hiệu vật lý quan trọng trong đời sống hàng ngày cũng như trong kỹ thuật và công nghiệp Việc đo đạc chính xác nhiệt độ đã trở thành mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học và kỹ sư Trong bối cảnh nền công nghiệp phát triển mạnh mẽ, việc kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm trong bảo quản sản phẩm công - nông nghiệp là rất cần thiết Ngoài ra, trong các lĩnh vực như phòng thí nghiệm, bệnh viện, và nhà kính, việc giám sát và điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng là yếu tố quyết định để tạo ra môi trường tối ưu cho sự phát triển của cây trồng và bảo vệ sức khỏe con người.
Với lý do đó, tôi đã chọn đề tài "Thiết kế mạch đo và hiển thị nhiệt độ (Nhiệt kế điện tử)" IC ADC0804 là một trong những IC phổ biến trong ứng dụng kỹ thuật số, đặc biệt cho các thiết bị đo và hiển thị nhiệt độ Việc sử dụng IC ADC0804 trong thiết kế nhiệt kế điện tử giúp đơn giản hóa cấu trúc mạch, đồng thời đảm bảo độ chính xác cao, góp phần quan trọng trong giám sát và điều chỉnh môi trường trong kho lưu trữ cũng như nhiều ứng dụng khác.
1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Đồ án môn học yêu cầu người thực hiện nắm vững kiến thức về linh kiện điện tử và IC số, cùng với các kỹ năng cơ bản trong thi công và thiết kế mạch Do đề tài không cần phức tạp, nhóm thực hiện chỉ sử dụng các IC số.
- Mục tiêu của mạch giúp chúng em biết được chức năng ADC, IC số,
+ Cách sử dụng LED 7 đoạn IC số.
+ Cách sử dụng cảm biến.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
BỘ TẠO XUNG
Để đảm bảo hiệu suất ổn định và lâu dài, bạn nên không vận hành tải quá 1,5A, sử dụng bộ tản nhiệt phù hợp, kiểm tra sơ đồ chân trước khi sử dụng, và tránh hoạt động ở nhiệt độ dưới -40 độ C và trên +125 độ C Ngoài ra, cần bảo quản thiết bị ở nhiệt độ từ -65 độ C đến +150 độ C.
2.2.1 Các thông số cơ bản của IC 555 Điện áp đầu vào: 2 – 18V (Tùy từng loại của 555: LM555, NE555, )
Dòng điện cung cấp: 6mA – 15mA Điện áp logic ở mức cao: 0.5V – 15V Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 – 0.06
Công suất lớn nhất: 600mW
2.2.2 Các chức năng của IC 555
Là thiết bị tạo xung tương đối chính xác. Điều chế độ rộng xung.
Chân số 1 (GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân chung.
Chân số 2 (TRIGGER) là chân đầu vào có điện áp thấp hơn mức điện áp so sánh, được sử dụng như một chân chốt hoặc ngõ vào cho mạch so áp Mạch so sánh này sử dụng các transistor PNP với điện áp chuẩn là 2/3Vcc.
Chân số 3 (OUTPUT) là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic, với trạng thái tín hiệu được xác định theo mức 0 và 1 Mức 1 tương ứng với điện áp cao gần bằng VCC, trong khi mức 0 tương đương với 0V, nhưng thực tế mức 0 này nằm trong khoảng từ 0.35V đến 0.75V.
Chân số 4 (RESET) có chức năng thiết lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 kết nối với mass, ngõ ra sẽ ở mức thấp Ngược lại, khi chân 4 được nối vào mức áp cao, trạng thái ngõ ra sẽ phụ thuộc vào mức áp trên chân 2 và 6 Trong mạch tạo dao động, chân này thường được kết nối lên để đạt hiệu quả tối ưu.
Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE) trong IC 555 được sử dụng để điều chỉnh mức áp chuẩn theo các mức biến áp hoặc điện trở ngoài nối với GND Mặc dù chân này có thể không cần kết nối, nhưng để giảm nhiễu, người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện có giá trị từ 0.01uF đến 0.1uF Các tụ điện này giúp lọc nhiễu và duy trì sự ổn định của điện áp chuẩn.
Chân số 6 (THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.
Chân số 7 (DISCHAGER) hoạt động như một khóa điện tử, được điều khiển bởi tín hiệu từ chân 3 Khi chân 3 có mức áp thấp, khóa này sẽ đóng lại, và khi chân 3 có mức áp cao, khóa sẽ mở ra Ngoài ra, chân 7 còn tự nạp và xả điện cho mạch R-C khi IC 555 hoạt động như một tầng dao động.
Chân số 8 (VCC) là chân cung cấp nguồn điện và dòng cho IC hoạt động, và nếu không có chân này, IC sẽ không hoạt động Chân VCC được cấp điện áp trong khoảng từ 2V đến 18V, tùy thuộc vào từng loại IC, với mức điện áp thấp nhất là 2V cho con NE7555.
CẢM BIẾN NHIỆT LM35
LM35 là cảm biến nhiệt độ phổ biến, lý tưởng cho việc đo nhiệt độ trong các mạch điện tử Nó cung cấp tín hiệu đầu ra analog, dễ dàng tích hợp với vi điều khiển như Arduino, PIC và các hệ thống vi xử lý khác.
Chân số Tên chân Chức năng
2 Vout Sẽ tăng thêm 10mV nếu cứ tăng 1 ° C.
Bảng 2.1: Chức năng các chân LM35
+ Phạm vi đo nhiệt độ: -55°C đến +150°C.
+ Điện áp cung cấp: 4V đến 30V.
+ Điện áp đầu ra: tỷ lệ với nhiệt độ 10mV/°C.
+ Công suất tiêu thụ: thấp, chỉ khoảng 60uA.
IC ADC0804
Hình 2.4: IC ADC0804 Hình 2.5: Sơ đồ chân
ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự sang số 8-bit, chuyên dụng cho việc chuyển đổi tín hiệu điện áp tương tự thành tín hiệu số Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện tử, máy tính và hệ thống điều khiển.
Chân số Tên chân Chức năng
1 CS Chân này được sử dụng nếu sử dụng nhiều hơn 1 module
ADC Theo mặc định là nối đất.
2 RD Chân này phải được nối đất để đọc giá trị analog.
3 WR Chân này phải ở mức cao để bắt đầu chuyển đổi dữ liệu
4 CLK IN Đồng hồ bên ngoài có thể được kết nối tại đây, RC khác có thể được sử dụng để truy cập đồng hồ bên trong.
5 INTR Lên mức cao để ngắt.
6 Vin(+) Đầu vào analog vi sai + Kết nối với đầu vào ADC.
7 Vin(-) Đầu vào tương tự vi sai - Kết nối với đất.
9 Vref/2 Điện áp tham chiếu để chuyển đổi ADC.
11 tới 18 Bit dữ liệu Bảy chân bit dữ liệu đầu ra từ đó có được đầu ra.
19 CLK R Chân đầu vào điện trở định thời RC cho gen đồng hồ bên trong.
Bảng 2.2: Chức năng các chân IC ADC0804
Hình 2.6: Sơ đồ thời gian IC ADC0804
IC 74LS247
74247: IC giải mã BCD để hiển thị ra led 7 đoạn
Hình 2.7: IC 74LS247 Hình 2.8: Sơ đồ chân
Các chân: 11, 12, 13 tích cực mức thấp, các chân còn lại tích cực mức cao.
Chân số Chức năng Nguồn, đất 16 Chân nguồn
3 (LT) Test đèn 4(RBI) Xuất số khác “0” qua led kế tiếp bên trái 5(BI) Không hiển thị các số không vô nghĩa Input
14 g Bảng 2.3: Chức năng các chân IC 74LS247
Hình 2.9: Bảng trạng thái IC 74LS247
IC 74LS83
Hình 2.10: IC 7483 Hình 2.11: Sơ đồ chân IC7483
Chân số Tên chân Chức năng
1, 3, 8, 10 A4, A3, A2, A1 Chân đầu vào cho mạch Adder.
4, 7, 11, 16 B3, B2, B1, B4 Đầu vào thứ hai cho mạch Adder.
2, 6, 9, 15 Σ3, Σ2, Σ1, Σ4 Chân đầu ra cho mạch Adder.
14 C4 Chân carry out nối với IC khác.
BỘ HIỂN THỊ
Led 7 đoạn: Có 2 loại Anode chung và Cathode chung, trong đề tài nhóm chọn sử dụng loại Anode chung Đối với loại Anode chung thì các ngõ vào đều tích cực mức thấp, chân Anode chung được nối lên nguồn.
Hình 2.12: Cấu tạo LED 7 đoạn
Hình 2.13 : Bảng trạng thái LED 7 đoạn.
18 Điện áp định mức của Led:
- Led xanh biển và trắng: 3.5 – 4V
Dòng định mức của Led: 20mA cho đa số các led.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH
SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHỨC NĂNG CỦA CÁC KHỐI
3.1.2 Chức năng của từng khối
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn mạch.
- Khối tạo xung: Tạo xung Clock để cấp cho khối chuyển đổi tự động cập nhật dữ liệu mới liên tục từ khối cảm biến nhiệt
- Khối cảm biến nhiệt: biến đổi nhiệt độ thu được thành tín hiệu điện.
- Khối chuyển đổi Analog sang Digtal: chuyển đổi tín hiệu thu được từ khối cảm biến nhiệt (Analog) sang tín hiệu số (Digtal).
-Khối tính toán: Chuyển dữ liệu đầu ra từ khối chuyển đổi A to D từ mã nhị phân sang mã BCD.
- Khối giải mã: có chức năng giải mã BCD được từ khối đếm sang mã 7 đoạn.
- Khối hiển thị: hiển thị nhiệt độ từ khối cảm biển thu được sau khi đã tính toán và giải mã.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH, NGUYÊN LÝ CHI TIẾT
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý nguồn 12V to 5V
- Lấy nguồn đầu vào từ Adapter 12V qua IC7805 xuất ra nguồn 5V.
- Diode D9 để tránh cấp nguồn ngược Tụ C3, C4 lọc nhiễu Led D13 báo hiệu đã có nguồn 5V ở đầu ra.
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối tạo xung 1Hz từ IC555
- Mạch đếm hoạt động với chu kì 1 giây Suy ra tần số xung cần cho mạch hoạt động là 1Hz, vì f=1/T.
- Do đó ta sẽ tính toán thiết kế mạch tạo xung 1Hz từ IC 555
- Đầu tiên ta chọn C2 và R1 có giá trị lần lượt là 10uF và 10KΩ. f out = T 1 = 0 , 69 × ( R 1 1 + 2 R 2 ) ×C 2 =1 Hz
Giá trị lần lượt của tụ C2 và điện trở R1, R2 là 10uF, 10KΩ và 68KΩ
Tụ C1 để tránh nhiễu Qua quá trình nạp xả diễn ra, IC555 sẽ tạo ra xung sóng vuông 1Hz ở chân 3.
Sử dụng IC LM35 để đo nhiệt độ và chuyển thành tín hiệu điện
LM35 là 1 bộ cảm biến tích hợp nó có thể được dùng để đo nhiệt độ với tín hiệu đầu ra tỉ lệ với nhiệt độ Celsius (bằng 0 C ).
LM35 cho phép đo nhiệt độ chính xác hơn nhiều so với nhiệt trở, cặp nhiệt điện,
Là bộ cảm biến được chỉ định và không phải là đối tượng của quá trình Oxy hoá.
LM35 tạo ra một điện áp cao mà không cần khuếch đại.
Hệ số thang chia độ của thiết bị là 0,01V/1 °C, cho thấy sự biến thiên theo nhiệt độ Thiết bị không cần kiểm tra bên ngoài và có khả năng duy trì độ chính xác trong khoảng ±0,4 °C tại nhiệt độ phòng (25 °C) và ±0,8 °C trong dải nhiệt độ từ 0 °C đến 100 °C.
LM35 có khả năng chịu đựng dòng tối thiểu 60μA từ nguồn cung cấp, điều này rất quan trọng cho hiệu suất của cảm biến Đặc biệt, khi bộ cảm biến được nung nóng, nhiệt độ trong môi trường chân không chỉ tăng lên dưới 0,1 °C.
Theo thông số nhà sản xuất LM35DZ, quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ngõ ra như sau: V out = 0 , 01 ∗ T 0 C
Dòng điện đầu ra khoảng 10mA.
Trong khoảng tầm hoạt động từ 0 đến 150 độ C, điện áp ngõ ra V out có sự biến thiên rõ rệt Cụ thể, ở 0 độ C, điện áp ngõ ra là 0 V; tại 27 độ C, điện áp ngõ ra đạt 0.27 V; ở 35 độ C, điện áp ngõ ra là 0.35 V; và khi nhiệt độ lên đến 100 độ C, điện áp ngõ ra tăng lên 1 V.
Nhiệt độ là 27C, điện áp xuất ra là V = 0.27V chứng tỏ sự tăng 10mV/°C là khá chính xác.
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến
* Khối chuyển đổi Analog sang Digtal
Sử dụng IC ADC0804 để chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến nhiệt LM35 sang tín hiệu digital với độ phân giải 8 bit, cho phép tối đa 256 mức (2^8).
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối chuyển đổi
Khối tạo xung cung cấp tín hiệu CLOCK cho chân 3 (chân write) của IC ADC0804 Khi chân 3 ở mức [1], IC bắt đầu lấy tín hiệu Analog từ cảm biến nhiệt độ LM35 và tiến hành chuyển đổi sang tín hiệu Digital Tín hiệu sau khi chuyển đổi sẽ được xuất ra từ các chân DB0 (LBS) đến DB7 (MBS) dưới dạng số nhị phân [0] và [1].
* Khối giải mã và khối hiển thị
Hình 3.5: Sơ đồ khối giải mã và hiển thị
- Sử dụng IC 74247 để giải mã và đưa tín hiệu đến các Led 7 đoạn để hiển thị nhiệt độ đo được.
3.2.2 Tính toán nguyên lí hoạt động
SƠ ĐỒ MẠCH THI CÔNG
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.7: Sơ đồ PCB khối nguồn
Hình 3.8: Sơ đồ PCB khối tạo xung
Hình 3.10: Sơ đồ mạch in khối nguồn
Hình 3.11: Sơ đồ mạch in khối tạo xung
Hình 3.12: Sơ đồ mạch in
Hình 3.13: Mặt trước mạch thi công
Hình 3.14: Mặt sau mạch thi công