Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ ( ví dụ: LM34, LM35….).

Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0 ÷ 1060C.. Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp: U=0 ÷ 10V U= 0 ÷ 5V I=0÷20mA. I=4÷20mA Dùng cơ cấu đo để chỉ thị hoặc LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ. Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷2*tmax/3. Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: T0= 4 giây. Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t0C= 2*tmax/3 Trong đó: a: chữ số hàng đơn vị của danh sách (ví dụ: STT=3a=3; STT=10a=0) n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách

Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0 ÷ 1060C

Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:

U=0 ÷ 10V

U= 0 ÷ 5V

I=0÷20mA

I=4÷20mA

Dùng cơ cấu đo để chỉ thị hoặc LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ

Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷2*tmax/3 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: T0= 4 giây

Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t0C= 2*tmax/3

Trong đó:

a: chữ số hàng đơn vị của danh sách (ví dụ: STT=3→a=3; STT=10→a=0)

n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách

PHẦN THUYẾT MINH

Yêu cầu về bố cục nội dung:

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

Lựa chọn nguồn cung cấp

Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa

Tính toán mạch nhấp nháy cho LED

Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày……tháng…… năm 2015

Giáo viên hướng dẫn

\

MỤC LỤC

L i nói u ờ đầ 4

CH ƯƠ NG 1: T NG QUAN V M CH O Ổ Ề Ạ Đ 5

1.1 S nguyên lý chung c a m ch o: ơ đồ ủ ạ đ 6

Ch ươ ng II : CÁC THI T B CH NH D NG TRONG M CH O Ế Ị Í Ù Ạ Đ 8

2.1 C m bi n: ả ế 8

2.2 B khu ch i thu t toán µA 741 : ộ ế đạ ậ 8

2.3 i n tr : Đ ệ ở 9

2.4 ADC 0804 : 10

2.5 LED 7: 10

2.6 Các thi t b c nh báo : ế ị ả 11

2.7 Ngu n c p cho m ch : ồ ấ ạ 11

Ch ng III: T NH TOÁN THI T K M CH O ươ Í Ế Ế Ạ Đ 13

3 Lý thuy t t ng quan ế ổ 13

3.1:Tính toán, l a ch n c m bi n ự ọ ả ế 13

3.2 Tính toán thi t k m ch ngu n cung c p ế ế ạ ồ ấ 14

3.3 Tính toán thi t k m ch khu ch i, chu n hóa ế ế ạ ế đạ ẩ 14

3.3.1 Chu n hóa u ra v i m c i n áp U= 0 10V ẩ đầ ớ ứ đ ệ 14

3.3.2 Chu n hóa u ra v i i n áp 0 – 5V ẩ đầ ớ đ ệ 15

3.3.3 Chu n hóa u ra có dòng i n 0 – 20mA ẩ đầ đ ệ 16

3.3.4 Chu n hóa u ra có dòng 4mA ẩ đầ 16

3.4 Tính toán m ch nh p nháy cho LED ạ ấ 18

3.5 Tính toán, thi t k m ch c nh báo ế ế ạ ả 18

3.6 Tính ch n LED 7 ọ 19

3.7.Tính toán thi t k ngu n : ế ế ồ 20

K T LU N VÀ PH Ế Ậ ƯƠ NG H ƯỚ NG PHÁT TRI N Ể 24

Lời nói đầu

Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển trở thành một nước công nghiệp Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năng xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọng đáng để chú ý Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn

đề đo và điều khiển nhiệt độ Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, các lò luyện gang, sắt, thép

Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương tự -vi mạch số và các môn liên quan nhóm chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt

độ sử dung cảm biến nhiệt điện trở.

Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của thầy Nguyễn Bá Khá cùng các thầy cô trong bộ môn Đo lường điều khiển đã giúp đỡ

em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này Do quỹ thời gian hạn hẹp cùng một số hạn chế về kiến thức thực tế, em đã cố gắng rất nhiều để hoàn thành tốt bài tập lớn của mình, em rất mong nhận được những sự nhận xét, sửa chữa, góp ý quý báu của quý thầy cô và các bạn giúp em hoàn thiện hơn nữa trong thời gian sắp tới!

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày… tháng…năm 2015 Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO Khái niệm về nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên tử, phân tửcủa một hệ vật chất.Tùy theo từng trạng thái của vật chất (rắn ,lỏng ,khí ) mà chuyển động này khác nhau

Ở trạng thái lỏng các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định

Ở trạng thái rắn các phân tử,nguyên tử chỉ dao đông 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 tươngtác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi nănglượng 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

thấp.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

Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ như dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biến nhiệt độ Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu phương pháp thường dùng nhất đó là dùng nhiệt điện trở kim loại

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độ của nóbằng 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

Các phương pháp đo nhiệt độ cơ bản:

+ Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc

Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếpxúc Có hai loạilà: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu.Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đốivới môi trường khí hoặc nước,chuyển đổi

được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vào

vật,nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn hao nhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém.Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng

tốt.Khi đo nhiệtđộ của các chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi

trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài

+ Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc

Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối,tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất.Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng

1.1 Sơ đồ nguyên lý chung của mạch đo:

- Mạch đo gồm có 6 khối cơ bản:

Sơ đồ khối nguyên lý mạch đo:

So sánh

Chức năng của các khối trong mạch đo:

- Cảm biến : nhận tín hiệu cần đo ,dùng làm mạch đệm tín hiệu và lọc nhiễu

Chuyển đổi ADC Hiển thị

Cảnh báo

tínhiệu trước khi chuyển vào khối khác

- Mạch đo: có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu điện nhận được từ bộ chuyểnđổi 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 hiện kết quả đo

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

đo để kịp thời sử lý

- Cảnh báo : thực hiện chức năng báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép

Chương II : CÁC THIẾT BỊ CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH ĐO

Để xác định được các thiết bị mà mình sẽ sử dụng trong quá trình tính toán thiết kế mạch đo ta đi dựa vào các khối cơ bản trong mạch đo để xác định các linh kiện

mà mình sẽ dùng, sau đây ta sẽ liệt kê các linh kiện sử dụng :

2.1 Cảm biến:

Nhiệt độ là 1 đai lượng vật lý mà ta có thể đo gián tiếp quá các loại cảm biến nhiệt độ dựa trên sự chuyển động của của các hạt điện tích hình thành nên dòng điện trong kim loại

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ thông dụng hiện nay mà ta thường dùng:

Cặp nhiệt ngẫu

Nhiệt điện trở kim loại

IC cảm biến nhiệt độ

Trong bài này chúng ta sẽ sử dụng cảm biến nhiệt IC Hầu hết các cảm biến nhiệt IC

sử dụng tính chất cơ bản của các lớp tiếp xúc bán dẫn PN là hàm của nhiệt độ các loại

Hình 1.1:hình ảnh của cảm biến nhiệt IC LM555 và LM35

Ưu điểm của IC:

- Dễ dàng tích hợp với các thiết bị khác

- Gía thành thấp

- Kích thước gọn nhẹ

- Ngõ ra có thể là điện áp ,dòng điện hoặc số và tỷ lệ với độ K,F,C

Nhược điểm của IC:

- Tầm nhiệt độ thấp (-550C÷ 1500C)

-Cần mạch kín

2.2 Bộ khuếch đại thuật toán µA 741 :

Bộ khuếch đại này dùng nhiều trong kỹ thuật điện trở có tác dụng khuếch đại các tín hiệu điện như điện áp, dòng điện, công suất Trong phạm vi bài này ta sẽ sử dụng khếch đại thuật toán để khuếch đại điện áp đưa ra từ cảm biến và dùng trong bộ so sánh để đưa ra khối cảnh báo cho mạch đo

Hình ảnh thực tế của bộ khuếch đại thuật toán

2.3 Điện trở :

Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp chấtcacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử

Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý

2.4

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 trọng khác khi đánh giá một bộ ADC Thời gian chuyển đổi được định nghĩa như là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân Trong ADC0804 thời gian chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưng không thể nhanh hơn 110μs Cácchân của ADC0804 được mô tả như sau:

hình 4 : Sơ đồ các chân ADC0804

2 5 LED 7:

đoạn Tại khối hiển thị ta dùng IC giải mã 4 ngõ vào thành 7 ngõ ra để hiển thị lên LEDgiá trị nhiệt độ tại mọi thời điểm hệ thống hoạt động Mạch thực hiện chức năng đo và hiển thị nhiệt độ, báo động nhiệt độ tại những khoảng được lập trình trước cho IC điều khiển

Hình 5 : sơ đồ nối chân LED 7 đoạn

Mạch sẽ hiển thị giá trị nhiệt độ đo được tại mọi thời điểm hệ thống hoạt động, giá trị hiện thị sẽ được đưa đến ngõ vào của IC giải mã 74LS47 qua các Input, với tính năng giải mã của vi mạch này, sẽ cho ra dữ liệu song song trên các Bus đến các LED song song Chương trình sẽ chọn LED nào và hiển thị nhiệt độ lên LED

Khi có 1 sự biến đổi điện áp từ cảm biến, tức sự thay đổi nhiệt độ môi trường cần đo thì mã của 74LS47 cũng sẽ thay đổi phù hợp, tần số quét LED được thiết kế hợp lý để tránh mắt thường quan sát được

2.6 Các thiết bị cảnh báo :

Để cảnh báo quá nhiệt độ ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để cảnh báo, hoặc ta có thể sử dụng đồng thời cả hai để cảnh báo quá nhiệt độ Những thiết bị này thường mang thông tin nhanh và chính xác, dễ lắp đặt và sử dụng nguồn điện một chiều hay xoay chiều

2.7 Nguồn cấp cho mạch :

Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V, 9V hoặc 12V tùy theo yêu cầu của mạch trên thực tế thì nguồn điện 1 chiều thường được chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều nguồn cấp của chúng ta gồm có :

Máy biến áp có chức năng hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sử dụng

đó là 5V, 9V, 12V

Bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot, tụ điện, và điện và cuộn cảm có tác dụng chỉnh lưu từ dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều sơ đồ nguyên lý của khối chỉnh lưu:

Chương III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐO

3 Lý thuyết tổng quan.

3.1:Tính toán, lựa chọn cảm biến.

Yêu cầu đề bài : Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnhbáo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt

- Chân 1: Chân nguồn VCC

- Chân 2: Chân ra VOUT

• Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

• Độ phân giải điện áp đầu ra là 10 mV/OC

• Độ chính xác cao ở 25 OC là 0,5OC

• Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải.Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ

(-55 - 150) 0C với các mức điện áp ra khác nhau

• Xét một số mức điện áp sau :

- Nhiệt độ -550Cđiện áp đầu ra -550mV

- Nhiệt độ 250Cđiện áp đầu ra 250mV

- Nhiệt độ 1500C điện áp đầu ra 1500mV

Vậy khi ở nhiệt độ 108 điện áp đầu ra là 1080mV

3.2 Tính toán thiết kế mạch nguồn cung cấp.

Dùng IC ổn áp 7805 cấp nguồn vào luôn ổn định là 5V cho IC LM35

3.3 Tính toán thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa.

3.3.1 Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp U= 0 10V

Dùng bộ khuếch đại không đảo

3.3.2 Chuẩn hóa đầu ra với điện áp 0 – 5V

Dùng mạch khuếch đại không đảo

Mạch này có điện áp ra : Ur=(1+R11/R10).Uv

Với Uv=0 – 1.08V để Ur=0 - 5V

Uvmin=0V  Urmin=0V

Uvmax=1.06V  Urmax=5V

3.3.3 Chuẩn hóa đầu ra có dòng điện 0 – 20mA

Dùng bộ biến đổi U-I với sơ đồ không đảo

Dòng điện đầu ra I12=Ur/(R13+R12) và Ur=(1+R12/R13)uv

Với Uv= 0 – 1.06V và I12= 0 – 20mA

Uvmin= 0V  I12min= 0mA

Uvmax= 1.06V I12max= 20mA

3.3.4 Chuẩn hóa đầu ra có dòng 4 mA

Dùng mạch biến đổi U-I với phụ tải nối đất chung

thường chọn điều kiện mạch : R5 +(R4+R2) = R6+R3(*)

3.4 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED

Theo yêu cầu bài toán thời gian sáng và thời gian tối của LED bằng nhau và bằng

Theo bài ra: tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá giá trị

Trường hợp ta thiết kế cho LED sang với dòng điện 10mA Như vậy:

Rhd =(Vcc - V LED – Vo1 )/ ILED=(5V- 2V- 0.4V)/ 10mA= 260 (Ω)

Trong thực tế khi thiết kế ta chỉnh giá trị Rhd sao cho LED sang rõ nhất và lúc này ta

đo được giá trị điện trở hạn dòng là Rhd =330 (Ω)

Tại ngõ ra của IC 74LS47, ta mắc thêm điện trở hạn dòng cho IC này trong trường hợpLED sang thì điện áp trên LED khoảng 2V, VCE SAT =0.2 V, vậy nên phải có điện trở hạn dòng cho IC này để không sảy ra cháy IC mã hóa

3.7.Tính toán thiết kế nguồn :

Vì hầu hết các nguồn sử dụng trong mạch đều là nguồn một chiều mà trên thực tế thì nguồn lại là các nguồn xoay chiều với điện áp là 220V vậy vấn đề đặt ra là phải biến đổi dòng xoay chiều sang 1 chiều

khối nguồn sẽ bao gồm:

để chỉnh xuống 5 V nhưng sẽ tiêu tốn 1 lượng năng lượng vì vậy nên dùng 2 bộ chỉnhlưu điện áp 1 phương pháp khác là ta có thể dùng khối ổn áp 1 chiều để có đầu rathay đổi.Tối ưu nhất ở đây nên dùng phương án 3

 Bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san bằng điện áp để dòng điện phẳng hơn, lọc bằng

tụ điện khá đơn giản và chất lượng học khá cao Nên ta dùng tụ điện

 Khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp ra thay đổi từ 0 đến 15V nên tadùng IC ổn áp thông dụng là LM 7805 do có dải điện áp ra trong khoảng1,2V-35V với cách mắc thông thường

Cơ cấu đo dùng ổn áp LM 7805 dùng để ổn áp đầu ra 5V:

Mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC LM 35

Mạch chuyển điện áp sang mã nhị phân dùng ADC0804

Bộ hiển thị số BCD

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trong thời gian làm đề tài này em đã biết được thêm nhiều kiến thức thực tế vàứng dụng được những kiến thức đã học Qua đó chúng em luyện tập được khả năng tưduy, cách thức nghiên cứu, giải quyết một vấn đề thực tế

Mạch đo nhiệt độ được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế như đo nhiệt độphòng, đo nhiệt độ để cảnh báo cháy…Mạch đo nhiệt độ là thành phần quan trọngtrong một số mạch chức năng khác như hệ thống đo và điều chỉnh nhiệt độ ở lò cao, bộphân ngắt nhiệt, cung cấp nhiệt ở lò sưởi…

 Những việc đã làm được:

 Chọn linh kiện thiết kế cho hệ thống

 Tính sai số cho toàn hệ thống



 Những việc chưa làm được:

 Mạch còn chưa tối ưu, và còn sử dụng nhiều thiết bị điện tử quá

Hi vọng mạch còn nhiều ứng rộng trong tương lai