Dùng các thông báo nhiệt độ dùng IC, thiết kế mạch đo và thông báo nhiệt độ dùng IC cảm biến nhiệt độ

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Khoa Điện BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC : VI MẠCH TƯƠNG TỰ Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tinh toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC c

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Khoa Điện

BÀI TẬP LỚN

MÔN HỌC :

VI MẠCH TƯƠNG TỰ

Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tinh toán, thiết kế mạch đo và cảnh

báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ

Giáo viên hướng dẫn:

Thầy: NGUYỄN VŨ LINH Sinh viên thực hiện : TRƯƠNG TUẤN VIỆT

MSV: 0641040065

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =tmin – tmax = 0-(60+n)0C

- Đầu ra: + Chuẩn hóa đầu ra: U=0-10V và I=0-20mA

+ Dùng cơ cấu đo để chỉ thị

- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng đèn, còi khi nhiệt độ vượt giá trị cảnh báo: Ud=(tmax

-tmin)/2

- n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách

PHẦN THUYẾT MINH

Yêu cầu về bố cục nội dung:

Chương 1: Tổng quan về mạch đo

Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính

Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo

- Tính toán, lựa chọn cảm biến

- Tính toán, thiết kế mạch đo

- Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp

- Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa

- Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo

-

Kết luận và hướng phát triển

Yêu cầu về thời gian : Ngày giao đề : 06-12-2013 Ngày hoàn thành: 15-12-2013

MỤC LỤC:

Chương 1: Tổng quan mạch đo ………5 ……….………….11

Khái niệm ……….5

Các thang đo nhiệt độ ……… 5

Biến nhiệt thành điện ……… ……… 6

Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu ……… 6

Nhiệt kế điện trở ……….7

Lựa chọn phương pháp biến đổi nhiệt năng thành điện năng……… .8

Hình thành sơ đồ khối ………8

Sơ đồ khối ……….8

Yêu cầu cho từng khối ……… 9

Tổng quan mạch đo ……….10

Chương 2 : Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ …….…12………….27

Các linh kiện trong mạch ……… ……….12

Thiết kế mạch đo ……… 13

Mạch tạo xung vuông bằng IC 555 ……… 21

Mạch đo ……… 22

Khối ADC (analog digitor converter) ……….22

Khối giải mã cho 8 bít đầu vào ………23

Khối tạo cấp chữ số hàng đơn vị: ………23

Khối tạo ra cấp chữ số hàng chục ……… 24

Khối tạo ra cấp chữ số hang trăm ……… 24

Khối hiển thị ………25

Khối cảnh báo ……….25

Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho toàn hệ thống ……… 26

Tính toán ………28

CHƯƠNG 3 : kết luận và hướng phát triển ………29

CHƯƠNG 1 :TỔNG QUAN MẠCH ĐO

I Tổng quan

1 Khái niệm về nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên tử, phân tửcủa một hệ vật chất Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất ( rắn, lỏng, khí) mà chuyển động này có khác nhau ở trạng thái láng, các phân tử dao động quanh vi trí cân bằng nhưng vi trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định Còn ở trạng thái rắn, các phần tử, nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng Các dạng vận động này của các phân tử, nguyên tử được gọi chung là chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý:

Bảo toàn năng lượng

Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất.Ởtrạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt

Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyền nhiệt bằng đối lưu Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉ trọng

2 Các thang đo nhiệt độ

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độ của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng,từng thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độ chính là:

Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K )

Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15

Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67

Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay Trong đó thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị quốc

tế (SI) Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ

Vi mạch số ,vi mạch tương tự lĩnh vực không những mang tới thời sự nóng bỏngnhưng vẫn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ , đă đang từng ngàythâm nhập vào đời sống của chúng ta Nhưng trong thưc tế các dạng năng lượngthường ở dạng tương tự Do đó muốn xừ lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số taphải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số

Xuất phát từ ý tưởng đó, em đă thưc hiện việc xây dựng một mạch điện đonhiệt độ hiển thị ra đèn LED Mạch này chỉ mang tính chất thử nghiệm thưc tế về vấn đềchuyển đổi ADC , vấn đề cảnh báo nhiệt độ ra đèn và vấn đề đo lường các đại lượngkhông điện bằng điện

II Biến nhiệt thành điện

Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và giải nhiệt độ

Phân ra làm 2 phương pháp chính : Đo trực tiếp và đo gián tiếp

+Đo trưc tiếp là phương pháp đo trong đó các chuyển đổi nhiệt điện đươc đặttrực tiếp trong môi trường cần đo

+Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môi trườngcần đo(áp dụng vơi trường hơp đo ở nhiệt độ cao )

Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo không phải ởquá cao.( 0 – 60+n) n: số mã sinh viên

Đo nhiệt độ bằng phương pháp trưc tiếp ta lại khảo sát 2 loại nhiệt kế cặp nhiệtngẫu và nhiệt kế nhiệt điện trở

1.1 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu :

Cấu tạo : Gồm hai thanh kim loại a,b được hàn với nhau tại một đầu t1 haiđầu t0 là đầu tự do

Nguyên lý làm việc dựa trên hiệu ứng Thomson và hiệu ứng seebek :khinhiệt độ ở đầu t1 khác nhiệt độ ở đầu t0 chúng sẽ tạo nên một suất điện động:Eab(t1,t0)=Eab(t1)-Eab(t0).Nếu giữ nhiệt độ ở đầu t0 không đổi :

Eab(t1,t0)=Eab(t1-c)=F(t1)

+Rd: điện trở đường dây (quy định là 5 vôn)

+Rdc: điện trở điều chỉnh (điều chỉnh cho Rd =5ôm)

_Những nguyên nhân gây sai số ;

· Điện trở mạch đo thay đổi khi nhiệt độmôi trường thay đổi

UMN=IRv(Rv là điện trở minivụnmột)

I=Et/(2Rd+Rdc+Rab+Rv) (Rab là điện trở cặp

· Nhiệt độ đầu tự do to đươc duy trì ở nhiệt độ chuẩn không độ C

nhưng Et thực tế thường nhỏ hơn trên lý thuyết Phương pháp khắc phục :có 2 phươngpháp : giữ ổn nhiệt độ đầu đo hoăc dùng thiết bị bù nhiệt Với cách thứ nhất ta chỉ việcngâm đầu đo vào nước đá

cũng có cách thứ 2 :khi nhiệt độ thanh tư do thay đổi Rt thay đổi làm cho mạch

bù mất cân bằng dẫn đến việc xuất hiện điện áp Ucd bù vào sức điện động bị thay đổi Ta

có :

Eab(t1,to)= E’ab(t1,to)+Ucd

1.2 Nhiệt kế điện trở :dùng nhiệt điện trở (là môt thiết bị biến đổi nhiệt độ thành sự thay

đổi thương số điện trở R:Rt=f(t) )

Đăc tính quan trọng của nó là có độ nhạy nhiệt rất cao gấp hàng chuc lần loại trên.

Dải nhiệt độ rất rộng

Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ: Rt=Ro Exp[B.(1/T-1/To) ]

Trong đó: To là nhiệt độ chuẩn tuyệt đối

Ro la điện trở của chất bán dẫn ở nhiệt độ To

Rt la điện trở của chất bán dẫn ở nhiệt độ T của môi trường

B là hằng số có giá trị từ 3000 đến 5000 K

Giá trị điện trở thường cỡ 50 - 500 Ôm

- Đo nhiệt độ =diot va tranzitor

Linh kiện điện tử rất nhạy nhiệt nên ta có thể sử dụng 1số linh kiện bán dẫnnhư diot hoặc tzt nối theo kiểu Điot(barơ nối với Colector)

Khi đó điện áp U giữa hai cực của ĐIụt là hàm của nhiệt độ Độ nhạy được xác định theobiểu thức :

S=dU/dt (độ nhạy có giá trị thường cỡ 2.5 mV/độ C)

: Khi nhiệt độ thay đổi ta có :

Ud=Ebe1-Ebe2=(K.T.ln(Ic1/Ic2))/q

Trong đú:K là hệ số

T là nhiệt độ môi trường tính theo độ K

q là điện tích

Ic1 là ḍng collector cua tzt1

Ic2 là ḍng collector cua tzt 2

Với tỉ số Ic1/Ic2=const Ud tỉ lệ thuận với nhiệt độ T mà không cần nguồn ổn định

Độ nhạy nhiệt của mạch của mạch này được xác định theo biểu thức sau:

S=d(U1-U2)/dT

Hiện nay trên thị trường có sẵn những IC tích hợp sử dụng phần tử bán dẫn làm nhiệm vụcảm biến nhiệt rất tiện lợi

1.3 Lựa chọn phương pháp biến đổi nhiệt năng thành điện năng

Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt áp dụng vào thiết bị đo nhiệt độ đang là một phươngpháp rất phổ biến , tiện lợi Do đó , chúng em đă lựa chọn phương pháp này áp dụng vàotrong đề tài của mình.Hơn nữa , như em đă nói ở trên phần tử bán dẫn rất nhạy nhiệt ,đểđảm bảo được độ chuẩn xác tương đối cao ,thoả măn được tiêu chuẩn yêu cầu, chấp nhậnđược

Chuyển đổi ADC Hiển thị

Cảnh báo

1.2 Yêu cầu cho từng khối :

- Khối nguồn :cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động , tất cả thiết bị chỉ ở một trong hai nguồn +5v hoặc – 5v

- Cảm biến : nhận tín hiệu cần đo ,dùng làm mạch đệm tín hiệu và lọc nhiễu tín hiệu trước khi chuyển vào các khối khác

- Mạch đo: có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu điện nhận được từ bộ chuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu kết quả đo của bộ chỉ thị

- ADC : dùng cho chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự đo được của cảm biến thành những tín hiệu dạng số để đưa tín hiệu đi so sánh và chỉ thị

+ So sánh: làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa về với tín hiệu đã cài đặt.Tuỳ theo tín hiệu ngõ ra, sẽ ra quyết định để cơ cấu chấp hành gia tăng, giảm, hay giữ nguyên nhiệt độ thậm chí có thể kết hợp để báo động hiển thị

+ Chỉ thị:làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo

để thể hiện kết quả đo

- Hiển thị : cho phép người quản lý thấy được tại thời điểm bất kì của hệ thống đo

Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý, dựa vào các đặc tính của đại lượng cần đo mà chọn

ra loại cảm biến phù hợp để thực hiện việc biến đổi các thong số cần đo thành đại lượng điện hay điện áp U = 0 – 10V

I = 0- 20mA

Sau đó qua bọ lọc và khuếch đại tín hiệu

Tín hiệu sau khi được hiệu chỉnh sẽ chuyển qua bộ chuyển đổi ADC ( Analog Digital Converter) bộ này chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dạng số rồi chuyển qua để so sánh

rồi phát cảnh báo nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép hoặc chuyển tới phần chỉ thị đểhiển thị kết quả ra LED

1.3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ

Đo nhiệt độ là phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên của môi trường, không có điện trong đại lượng cần đo

- nhiệt độ được phân làm nhiều dải để đo:

+ nhiệt điện kê kim loại

+ nhiệt điện trở kim loại

+ nhiệt điện trở bán dẫn

+ cảm biến thạch anh

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ

I Các linh kiện có trong mạch

1.1 RTD – PT100

Hình 1 : RTD – PT100Cảm biến nhiệt độ PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại ( RTD) PT100 được cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở 0oC là

100 Ohm Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định.Giá trị điện trở thay đổi tỉ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ được tính theo công thức dưới đây

- Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT100:

Op Amp là một công cụ có nhiều chức năng

Khuếch đại hiệu hai điện thế nhập

Khuếch Đại Điện Âm or Dương

So sánh hai điện thế nhập

Khi V+ > V- Khi V+ < V- Khi V+ = V-

1.4 ADC 0804

1.4.1 Hình ADC trong mạch protus và sơ đồ các chân của ADC 0804

Hình 3 : ADC 0804Chíp ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số trong họ các loạt ADC800, nó làm việc với +5V và

có độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọngkhác khi đánh giá một bộ ADC Thời gian chuyển đổi được định nghĩa như là thời gian mà bộADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân Trong ADC0804 thời gianchuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưngkhông thể nhanh hơn 110μs Các chân của ADC0804 được mô tả như sau:

hình 4 : Sơ đồ các chân ADC0804

1.4.2 Chức năng các chân ADC0804:

- Chân CS (chân số 1) – chọn chíp: Là một đầu vào tích cực mức thấp được sử dụng để kích

hoạt chíp ADC0804 Đbể truy cập ADC0804 thì chân này phải ở mức thấp

-Chân RD (chân số 2): Đây là một tín hiệu đầu vào được tích cực mức thấp Các bộ ADC

chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân tương đương với nó và giữ nó trong một thanhghi trong RD được sử dụng để nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra của ADC0804 Khi 0CS

= nếu một xung cao – xuống – thấp được áp đến chân RD thì đầu ra số 8 bit được hiển diện ở cácchân dữ liệu D0 – D7 Chân RD cũng được coi như cho phép đầu ra

- Chân ghi WR (chân số 3) Thực ra tên chính xác là “Bắt đầu chuyển đổi”): Đây là chân đầu

vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS =

0 khi WR tạo ra xung cao – xuống – thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vàotương tự Vin về số nhị phấn 8 bit Lượng thời gian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ thuộcvào tần số đưa đến chân CLK IN và CLK R Khi việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thì chânINTR được ép xuống thấp bởi ADC0804

Ngoài ra , cần tạo xung bằng IC 555 cho chân WR này

Hình 5 : Sơ đồ khảo sát ADC0804

- Chân CLK IN (chân số 4) và CLK R (chân số 19): Chân CLK IN là một chân đầu vào được

nối tới một nguồn đồng hồ ngoài khi đồng hồ ngoài được sử dụng để tạo ra thời gian Tuy nhiênADC0804 cũng có một máy tạo xung đồng hồ Để sử dụng máy tạo xung đồng hồ trong củaADC0804 thì các chân CLK IN và CLK R được nối tới một tụ điện và một điện trở (hình 1.4).Trong trường hợp này tần số đồng hồ được xác định bằng biểu thức:

f=

Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C = 150pF và tần số nhận được là f =606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là 110sμ

- Chân ngắt INTR (chân số 5): Đây là chân đầu ra tích cực mức thấp Bình thường nó ở trạng

thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó xuống thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu đượcchuyển đổi sẵn sàng để lấy đi Sau khi INTR xuống thấp, ta đặt CS = 0 và gửi một xung caoxuống – thấp tới chân RD lấy dữ liệu ra của ADC0804

-Chân VCC (chân số 20): Đây là chân nguồn nối +5V, nó cũng được dùng như điện áp tham

chiếu khi đầu vào /2REFV (chân số 9) để hở

- Chân /2REFV (chân số 9): Là một điện áp đầu vào được dùng cho điện áp tham chiếu Nếu

chân này hở (không được nối) thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dãy05V→(giống như chân VCC) Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vincần phải khác ngoài dãy 0→5V Chân /2REFV được dùng để thực thi các điện áp đầu vào khácngoài dãy 0→5V Ví dụ: Nếu dãy đầu vào tương tự cần phải là 0 →4V thì /2REFV được nối với+2V

- Các chân dữ liệu D0 – D7 (Từ chân 11 đến chân 18): Các chân dữ liệu D0 – D7 (D7 là các

bit cao nhất MSB và D0 là bit thấp LSB) là các chân đầu ra dữ liệu số Đây là những chân đượcđệm ba trạng thái và dữ liệu được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD bịđưa xuống thấp Để tính điện áp đầu ra ta có thể sử dụng công thức sau:

Dout=Với Dout là đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân) Vin là điện áp đầu vào tương tự và độ phân dãy

là sự thay đổi nhỏ nhất được tính như là (2x/2REFV) chia cho 256 đối với ADC 8 bit

- Chân GND (chân số 10): Đây là những chân đầu vào cấp đất chung cho cả tín hiệu số và

tương tự Đất tương tự được nối tới đất của chân Vin tương tự, còn đất số được nối tới đất củachân VCC Lý do mà ta phải có hai đất là để cách ly tín hiệu tương tự Vin từ các điện áp ký sinhtạo ra việc chuyển mạch số được chính xác Trong phần trình bày thì các chân được nối chungvới một đất Tuy nhiên, trong thực tế thu đo dữ liệu các chân đất này được nối tách biệt