Báo cáo đồ án 2 đề tài thiết kế mạch báo động khi có khói

Báo cáo đồ án 2 đề tài thiết kế mạch báo động khi có khói

Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ 0O0 BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 Đề tài: THIẾT KẾ MẠCH BÁO ĐỘNG KHI CÓ KHÓI Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thị Thu Hà Sinh viên thực hiện : Nguyễn Quang Hưng - Nguyễn Xuân Quý Lớp : Liên thông CĐ – ĐH Điện tử 1K4 Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 1 Hà Nội, tháng 03/2012 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn, Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày. Một trong những ứng dụng của rất quan trọng của ngành công nghệ điện tử là các mạch cảm biến với các linh kiện tích hợp cao. Mạch cảm biến được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp và các lĩnh vực khác trong cuộc sống với những thiết bịđiều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao. Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin làm đề tài: “Thiết kế mạch báo động khi có khói”. Đề tài chúng em thực hiên gồm 03 phần: Phần 1: Nguyên tắc thiết kế, sơ đồ khối Phần 2: Phân tích, thiết kế các khối Phần 3: Nguyên lý hoạt động của mạch Phần 4: Kết luận – Tài liệu tham khảo Tuy đã hoàn thành được đề tài nhưng sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy nhóm mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn để đề tài của nhóm có thể hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng 03 năm 2012 Sinh viên thực hiện Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý MỤC LỤC Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 2 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà Trang Phần 1 NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ VÀ SƠ ĐỒ KHỐI 04 I Nguyên tắc thiết kế 04 II Sơ đồ khối 05 Phần 2 PHẦN 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ CÁC KHỐI 06 I Khối ổn áp nguồn 06 II Khối cảm biến 07 III Khối khuếch đại thuật toán 10 IV Khối tạo trễ 11 V Khối báo động 20 Phần 3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 26 I Sơ đồ nguyên lý 26 II Nguyên lý hoạt động của mạch 26 III Sơ đồ mạch in 27 Phần 4 KẾT LUẬN 28 PHẦN 1: NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ VÀ SƠ ĐỒ KHỐI I. NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ Mạch cảm biến khói thường được sử dụng trong các hệ thống báo động tiên tiến. Hầu hết các thiết bị này sử dụng chuyên nghiệp khí-dò, ion hóa phòng hoặc các yếu tố phóng xạ như các cảm biến. Có hai cách cơ bản để thiết kế bộ Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 3 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà cảm biến khói: - Cách thứ nhất sử dụng nguyên tắc ion hóa. Người ta sử dụng một lượng nhỏ chất phóng xạ để ion hóa trong bộ cảm biến. Không khí bị ion hóa sẽ dẫn điện và tạo thành một dòng điện chạy giữa hai cực đã được nạp điện. Khi các phần tử khói lọt vào khu vực cảm nhận được ion hóa sẽ làm tăng điện trở trong buồng cảm nhạn và làm giảm luồng điện giữa hai cực. Khi luồng điện giảm xuống tới một giá trị nào đó thì bộ cảm biến phát hiện và phát tín hiệu báo động. - Cách thứ hai sử dụng các linh kiện thu phát quang. Người ta dung linh kiện phát quang (LED, LED hồng ngoại…) chiếu một tia ánh sang qua vùng bảo vệ vào một linh kiện thu quang (photo diode, quang trở, photo transistor…). Khi có cháy xảy ra hoặc khi có người hút thuốc trong phòng thì ở khu vực đó sẽ xuất hiện khói với mật độ cao. Khi có cháy, khói đi ngang qua vùng bảo vệ sẽ che chắn hoặc làm giảm cường đọ ánhh sáng chiếu vào linh kiện thu. Khi cường độ giảm xuống tới một giá trị nào đó thì bộ cảm biến sẽ phát hiện và phát tín hiệu báo động. - Trong hai cách này thì phương pháp thứ nhất nhạy hơn và hiệu quả hơn nhưng khó thực thi và lắp đặt. Còn cách thứ hai tuy ít nhạy hơn nhưng linh kiện dễ kiếm và dễ thực thi. Lợi dụng đặc điểm này chúng em chọn cách hai để thiết kế mạch cảm biến khói và sử dụng bộ phận thu phát chính là cảm biến hồng ngoại. II. SƠ ĐỒ KHỐI Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 4 KHỐI CẢM BIẾN KHUẾCH ĐẠI VI SAI TẠO TRỄ KHỐI BÁO ĐỘNG NGUỒN ỔN ÁP Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà 1. Khối ổn áp nguồn: - Biến đổi điện áp 220v xoay chiều thành điện áp 12v xoay chiều - Chỉnh lưu điện áp 12v xoay chiều thành điện án 12v một chiều - Ổn áp điện áp 2. Khối cảm biến: Biến đổi tín hiệu khói thành tín hiệu điện 3. Khối khuếch đại vi sai: So sánh, Khuếch đại tín hiệu từ bộ cảm biến 4. Tạo trễ: Khói không ổn định, dẫn tới tín hiệu từ bộ cảm biến không ổn định, bộ tạo trễ có chức năng tạo trễ tín hiệu, nhằm ổn định tín hiệu báo động trước khi đưa vào khối báo động 5. Khối báo động: Tạo ra âm thanh báo động 6. Nguyên lý hoạt động: Khi có khói, bộ cảm biến sẽ phát tín hiệu báo động, đưa vào khối khuếch đại vị sai. Khối khuếch đại vi sai khuếch đại tín hiệu báo động đưa vào bộ trễ. Sau một khoảng thời gian trễ, khi khói vẫn còn thì tín hiệu báo động được đưa đến khối báo động. PHẦN 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ CÁC KHỐI I. KHỐI ỔN ÁP NGUỒN - Khối nguồn lấy nguồn AC_ 220V từ điện lưới gia đình, dùng biến thế hạ áp xuống 9 Vol_AC, khi qua cầu chỉnh lưu được DC_ 12V, dùng IC 7805 ổ áp cung cấp mức điện áp cho toàn mạch là +5vol. Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 5 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà - Biến áp: Biến đổi điện áp xoay chiều 220v thành điện áp xoay chiều 12v - Cầu chỉnh lưu: Chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, sử dụng - - Mạch lọc: Sau khi chỉnh lưu ta thu được điện áp một chiều nhấp nhô, nếu không có tụ lọc thì điện áp nhấp nhô này chưa thể dùng được vào các mạch điện tử , do đó trong các mạch nguồn, ta phải lắp thêm các tụ lọc có trị số từ vài trăm µF đến vài ngàn µF vào sau cầu Diode chỉnh lưu. - IC ổn áp: KA7805: - Chân 1: Chân nguồn đầu vào; Đây là chân cấp nguồn đầu vào cho 7805 hoạt động. Giải điện áp cho phép đầu vào lớn nhất là 40v. Điện áp vào phải nằm trong dải 8v-40v, nếu dưới 8v mạch ổn áp không còn tác dụng - Chân 2: Chân GND - Chân 3: Điện áp ra ổn định 5v (4,75v – 5.25v) II. KHỐI CẢM BIẾN Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 6 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà 1. Hiện tượng quang dẫn: - Một số chất bán dẫn là chất cách điện khi không bị chiếu sáng và trở thành chất dẫn điện khi bị chiếu sáng. Hiện tượng giảm mạnh điện trở của chất bán dẫn khi bị chiếu sáng gọi là hiện tượng quang dẫn. - Trong hiện tượng quang điện, khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào Katot của tế bào quang điện thì electron sẽ bị bật ra khỏi Katot. Vì vậy, hiện tượng này còn gọi là hiện tượng quang điện ngoài (hay hiện tượng quang điện bên ngoài). - Trong hiện tượng quang dẫn, mỗi photon của ánh sáng kích thích khi bị hấp thụ sẽ giải phóng một electron liên kết để nó trở thành một electron tự do chuyển động trong khối chất bán dẫn đó. Các electron liên kết khi được giải phóng, sẽ để lại một “lỗ trống” mang điện dương. Những lỗ trống này cũng có thể chuyển động tự do từ nút mạng này sang nút mạng khác và cũng tham gia vào quá trình dẫn điện. - Hiện tượng giải phóng electron liên kết để cho chúng trở thành các electron dẫn gọi là hiện tượng quang điện bên trong. - Vì năng lượng cần thiết để giải phóng một electron liên kết chuyển nó thành electron dẫn không lớn lắm, nên để gây ra hiện tượng quang dẫn, không đòi hỏi photon phải có năng lượng lớn. Rất nhiều chất quang dẫn hoạt động được với ánh sáng hồng ngoại. 2. Quang trở - Là loại điện trở có giá trị phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào. Khi độ sáng càng mạnh, giá trị nội trở của nó càng nhỏ và ngược lại - Cấu tạo Quang trở gồm một lớp chất bán dẫn (cadimi sunfua CdS chẳng hạn) Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 7 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà  (1): phủ trên một tấm nhựa cách điện  (2) Tấm nhựa cách điện.  Có hai điện cực (3) và (4) gắn vào lớp chất bán dẫn đó - Nối một nguồn khoảng vài vôn với quang trở thông qua một miliampe kế. Ta thấy khi quang trở được đặt trong tối thì trong mạch không có dòng điện. Khi chiếu quang trở bằng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn của quang trở thì sẽ xuất hiện dòng điện trong mạch. - Điện trở của quang trở giảm đi rất mạnh khi bị chiếu sáng bởi ánh sáng nói trên. Thông thường, điện trở của quang trở khoảng 1000 000 ohms. Khi chiếu ánh sáng vào, điện trở này giảm xuống rất thấp. 3. Quang transistor - Quang transistor là nới rộng đương nhiên của quang diod. Về mặt cấu tạo, quang transistor cũng giống như transistor thường nhưng cực nền để hở. Quang transistor có một thấu kính trong suốt để tập trung ánh sáng vào nối P- N giữa thu và nền. - Khi cực nền để hở, nối nền-phát được phân cực thuận chút ít do các dòng điện rỉ (điện thế V BE lúc đó khoảng vài chục mV ở transistor Si) và nối thu-nền được phân cực nghịch nên transistor ở vùng tác động. - Vì nối thu-nền được phân cực nghịch nên có dòng rỉ I co chạy giữa cực thu và cực nền. Vì cực nền bỏ trống, nối nền-phát được phân cực thuận chút ít nên dòng điện cực thu là I co (1+β). Đây là dòng tối của quang transistor. - Khi có ánh sáng chiếu vào mối nối thu nền thì sự xuất hiện của các cặp điện tử và lỗ trống như trong quang diod làm phát sinh một dòng điện I λ do ánh sáng nên dòng điện thu trở thành: I C =(β+1)(I co +I λ ) Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 8 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà - Như vậy, trong quang transistor, cả dòng tối lẫn dòng chiếu sáng đều được nhân lên (β+1) lần so với quang diod nên dễ dàng sử dụng hơn. Hình trên trình bày đặc tính V-I của quang transistor với quang thông là một thông số. Ta thấy đặc tuyến này giống như đặc tuyến của transistor thường mắc theo kiểu cực phát chung. - Có nhiều loại quang transistor như loại một transistor dùng để chuyển mạch dùng trong các mạch điều khiển, mạch đếm… loại quang transistor Darlington có độ nhạy rất cao. Ngoài ra người ta còn chế tạo các quang SCR, quang triac… 4. Thiết kế khối cảm biến khói dựa trên nguyến lý hoạt động của quang transistor Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 9 Vùng bảo vệ Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà - Khi không có khói ở vùng bảo vệ, quang transistor luôn được chiếu sáng (nhờ Led), dẫn tới quang transistor luôn dẫn, điện áp tại chân C của quang transistor luôn ở mức thấp. - Khi có khói ở vùng bảo vệ, ánh sáng chiếu vào quang transistor giảm, dẫn tới quang transistor khóa dần, điện áp tại chân C của quang transistor ở mức cao. III. KHỐI KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN 1. IC thuật toán Opamp LM358: - Mạch LM358 là bộ khuếch đại thuận và lặp điện áp. Bên trong chứa 2 khuếch đại toán học: Bộ thứ 1: chân 2,3 vào, chân 1 ra. Bộ thứ 2: chân 5,6 vào, chân 7 ra  Khoảng điện áp cung cấp -0.3V đến +32V  Dòng điện hoạt động ở +5V  Đây là mạch khuếch đại có hồi tiếp  Điện trở rất cao, cho nên không làm ảnh hưởng xấu đến tín hiệu cảm biến 2. Mạch khuếch đại thuật toán Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 10 [...]... CĐ-ĐH Điện tử 1K4 24 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 25 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà PHẦN 3: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH I SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH - Khi không có khói ở vùng bảo vệ, quang transistor luôn được chiếu sáng (nhờ Led), dẫn... Sơ đồ chân - Cấu trúc Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 18 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói - GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà Giản đồ xung - Bảng trạng thái Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 19 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà V KHỐI BÁO ĐỘNG 1 Sử dụng transistor C1815 làm việc ở chế độ đóng cắt: Khi. .. hiệu báo động không còn thì Rơle mở, nguồn không được cấp cho IC555 và 4017, các ngõ ra đều ở mức thấp, mạch sẽ không báo động - Khi có tín hiệu báo động đưa vào cực B của C1815 làm C1815 dẫn, có dòng qua chuông điện tử, chuông điện tử kêu III SƠ ĐỒ MẠCH IN Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 27 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà PHẦN 4: KẾT... của mạch IV KHỐI TẠO TRỄ - Vì tín hiệu đầu vào (khói) không ổn định, nên tín hiệu báo động trước khi đưa ra khối báo động cần qua khối tạo trễ Tín hiệu đầu vào ổn định (khói nhiều) thì mới có báo động 1 Zole cấp nguồn cho IC 555 và 4017 Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 11 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà  Nguyên tắc hoạt động của mạch: ... Điện tử 1K4 20 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà - Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B ( Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp - Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát ( Emitter ) viết tắt là E, và cực thu hay cực góp ( Collector ) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại... hoạt động như một chuyển mạch: Trong mạch ta sử dụng BJT như một ngắt điện Ta thấy điện thế ngõ ra của Vc là đảo đối với điện thế tín hiệu áp vào cực nền (ngõ vào) Ở đây không có điện áp 1 chiều phân cực cho cực nền mà chỉ có điện thế 1 chiều nối vào cực thu Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 22 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà Mạch. .. được thiết kế sao cho điểm làm việc Q di chuyển từ trạng thái ngưng dẫn sang trạng thái bão hòa và ngược lại khi hiệu thế tín hiệu vào đổi trạng thái Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 23 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà 2 Chuông điện tử - Có nhiều loại chuông điện từ cho âm thanh khác nhau tùy vào mục đích sử dụng nhưng chúng đều có. .. Opamp có v+ lớn hơn v-, ngõ ra của Op-amp 2 ở mức 0 Vì vậy mà Q không đổi Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 17 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà giá trị, tụ C xả điện thông qua transistor Hiện tượng trên lặp đi lặp lại, cho ta một xung vuông có chu kỳ ổn định - Công thức tính tần số cho mạch: T=0.7 x (R1+2R2) x C1 và f=1.4 / (R1+2R2) x.. .Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà - Sử dụng bộ khuếch đại thuật toán thứ 1  Chân 2 được phân áp nhờ VR 10k, nếu dung nguồn 5v thì điện áp chân 2 khoảng 2, 5v Biến trở VR có tác dụng chỉnh độ nhạy của LM358  Chân 3: điện áp vào để so sánh - Nếu điện áp tại chân 2 > điện áp chân 3 thì đầu ra tại chân 1 có mức logic 0 và ngược lại - Nguồn... Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 26 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà - IC555 và 4017 được cấp nguồn hoạt động, IC 555 sẽ tạo xung vuông đưa vào chân CLK (14) của IC 4017, các ngõ ra của IC 4017 sẽ lần lượt ở mức cao Khi ngõ ra 9 ở mức cao lúc này đồng thời chân CKEN cũng ở mức cao, mạch sẽ dừng lại không đếm nữa Tín hiệu mức cao này được đưa đến khối báo đông - Giả sử trong . Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ 0O0 BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 Đề tài: THIẾT KẾ MẠCH BÁO ĐỘNG KHI CÓ KHÓI Giáo. Khối báo động 20 Phần 3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 26 I Sơ đồ nguyên lý 26 II Nguyên lý hoạt động của mạch 26 III Sơ đồ mạch in 27 Phần 4 KẾT LUẬN 28 PHẦN 1: NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ VÀ SƠ ĐỒ KHỐI I Thiết kế mạch báo động khi có khói GVHD: Nguyễn Thị Thu Hà - Giản đồ xung - Bảng trạng thái Sinh viên: Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý LT CĐ-ĐH Điện tử 1K4 19 Đề tài: Thiết kế mạch báo động khi