Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ.

Yêu cầu: Dải đo từ: t0C =00C÷ tmax =0 ÷ 1060C. Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp: 1. U= 0÷ 10 V 4. I= 4÷ 20mA Dùng cơ cấu để đo chỉ thị. Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C= 0÷ 70.60C. Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: τ= 4 giây Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t0C= 70.60C Trong đó: a: Chữ số hàng đơn vị của danh sách =6 n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách =56

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

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

độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ

Yêu cầu:

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

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

1 U= 0÷ 10 V

4 I= 4÷ 20mA

- Dùng cơ cấu để đo chỉ thị

-Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C= 0÷ 70.60C Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng:

τ= 4 giây

- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị :

t0C= 70.60C Trong đó:

a: Chữ số hàng đơn vị của danh sách =6

n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách =56

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO

I Khái niệm về nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên tử, phân tử của 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 tương tác 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 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:

1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K )

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

3- 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 loại là: 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:

1.Khối cảm biến

2 Mạch khuếch đại

3 Mạch so sánh

4 Khối chỉ thị

5 Khối cảnh báo

6 Mạch chuyển đổi u sang i

Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo :

I.2 Chức năng của các khối trong mạch đo:

a Khối cảm biến :

Khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng Ở đây ta dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp

b Khối khuếch đại :

Có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, vì tín hiệu điện do cảm biến đưa ra thường là rất bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào các mạch điện khác

c Mạch so sánh:

Có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa ra khối sau Việc

so sánh tín hiệu sẽ được ứng dụng cho mạch cảnh báo khi có sự quá nhiệt độ

d Mạch chuyển đổi U sang I:

Có tác dụng chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang tín hiệu điện áp để hiển thị ra

e Khối cánh báo : cảnh báo cho người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so

với nhiệt độ cho phép

Đó là các khối cơ bản dùng trong mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở kim loại

Chương II CÁC THIẾT BỊ CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH ĐO

Cảm biến Khuếch đại

điên áp

Chuyển đổi U sang I

Khối chỉ thị

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 IC thường gặp :

 LM135, LM235, LM335: 10mV output

 LM35: 10mV/0k output

 LM34: 10mV/0F output

 AD590: 1 A output

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 chất cacbon 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 Cơ cấu chỉ thị :

Muốn biết được nhiệt độ thì ta phải hiển thị ra thông qua cơ cấu chỉ thị Vì mục đích cuối cùng là chúng ta biết được nhiệt độ và cảnh báo.Chúng ta có nhiều cơ cấu chỉ thì như điện từ từ điện, điện động… trong phạm vi bài này chúng ta đo dải điện

áp từ 0 đến 10V và dải dòng điện từ 0 đến 20mA ta nên dùng cơ cấu chỉ thị từ điện vì

cơ cấu này đo được dòng điện và điện áp 1 chiều với dải đo rộng

2.5 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

2.6 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 cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt

Dải đo là :

toC = 00C tmax= 0 1060C Từ yêu cầu của đề bài em đã sử dụng IC cảm biến nhiệt độ LM35 và dải đo từ 0-1060C

LM35 là cảm biến nhiệt độ analog Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35 như sau:

- Chân 1: Chân nguồn VCC

- Chân 2: Chân ra VOUT

- Chân 3: Chân ra GND

+ Một số thông số của LM35

Cảm biến LM35:

Là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng cũng không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh Đặc điểm chính của cảm biến LM35

• Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

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

• Độ chính xác cao ở 25OC 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 106 điện áp đầu ra là 1,06V

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

Ur=(1 + ).Uv

Với Uv= 0 1,06V để Ur= 0 10V

UImin= 0mV → Uomin = 0V

UImax = 1,06V→ Uomax = 10V

Chọn R3= 843.4Ω => R1= 100Ω Chọn R2= 10kΩ

3.3.2 Chuẩn hóa đầu ra có dòng 4 mA

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

-10V

R 3 =843,4Ω

R1=100Ω

OPAMP R2=10kΩ

+

-Thường chọn điều kiện mạch : R7 +(R6+R9) = R5+R8 (*)

Ta có IL= (U12-U11)

Ta chọn R9=R8=10kΩ

Khi IL= 4mA ta có U12=0 V

IL=20 mA ta có U12= 1,06 V

Ta có hệ:

4.10-3 = -U11.X (1) ( với X= )

20.10-3=(1,06 – U11).X (2)

Từ (1) và (2) U11= -0.265 V => X=

= (3)

Từ (*) và (3) ta có R5=385Ω ,R6= 85Ω , R7= 300Ω

R7=300Ω

R5=385Ω

OPAMP

R8=10kΩ R9=10kΩ R6=85Ω

20mA

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

=1+0,5.2=2 (s )

Ta có R10=R11=10kΩ

Từ công thức R11.C1.0,69= suy ra C1= 289,9 µF

3.5 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo.

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

t C= = = 70,60C ta chọn mức cảnh báo khi nhiệt độ bằng 70,6 C

suy ra điện áp so sánh là +0,706V

3.6 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:

 Máy biến áp

 Bộ chỉnh lưa cầu dùng 4 diode

 Tụ điện C để lọc

 Cuộn cảm L để dàn phẳng dòng điện

Sơ đồ nguyên lý:

Tính chọn máy biến áp:

Ở đây chúng ta có hai nguồn đó là nguồn cho điện áp đặt ở bộ so sánh 5V và nguồn cấp cho OA là 12V như vậy cần sử dụng máy biến áp có nhiều cấp điện áp để lấy ra hai cấp điện áp mình dùng Hoặc ta có thể hạ xuống 12V rồi dùng con biến trở

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

Phương án thiết kế :

 Biến áp: do yêu cầu đặt ra nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào 220V và điện

áp ra là 15V

 Mạch chỉnh lưu: do những ưu điểm của mạch chỉnh lưu cầu như điện áp ra ít nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ hơn so với phương pháp cân bằng nên ta sẽ chọn bộ chỉnh lưu cầu 2 nửa chu kỳ

 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 ta dùng IC ổn áp thông dụng là LM 7805 do có dải điện áp ra trong khoảng 1,2V-35V với cách mắc thông thường

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

Cơ cấu chỉ thị : Vì dòng điện ra là dòng 1 chiều và điện áp ra cũng là 1

chiều với giá trị bé nên ta dùng cơ cấu chỉ thị từ điện

 Cấu tạo chung: gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động

- Phần tĩnh: gồm: nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6 hình thành mạch từ kín Giữa cực từ 3 và lõi sắt 6 có khe hở không khí đều gọi là khe hở làm việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động

- Phần động: gồm: khung dây quay 5 được quấn bắng dây đồng Khung dây được gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo) Trên trục quay có hai lò xo cản 7 mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8

Hình 5.3 Cơcấuchỉthịtừđiện.

 Nguyên lý làm việc chung: khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra momen quay Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α

 Momen quay được tính theo biểu thức:

Mq = e.dW/dw = B.S.W.I (5.1) Với : B: Độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu

S: Tiết diện khung dây W: Số vòng dây của khung dây Tại vị trí cân bằng,momen quay bằng momen cản:

Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B,S,W,D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I chạy qua khung dây

 Các đặc tính chung: Từ biểu thức (5.1) suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện có các đặc tính cơ bản sau:

- Chỉ đo được dòng điện một chiều

- Đặc tính thang đo đều

- Độ nhạy là một hằng số

4.Sơ đồ mạch đo của toàn bộ quá trình thiết kế cùng mô phỏng protues:

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trong thời gian làm đề tài này em đã biết được thêm nhiều kiến thức thực tế và ứng dụng được những kiến thức đã học Qua đó chúng em luyện tập được khả năng

tư duy, cách thức nghiên cứu, giải quyết một vấn đề thực tế

Mạch đo nhiệt độ được ứng dụng rất drộng rãi trong thực tế như đo nhiệt độ phòng, đo nhiệt độ để cảnh báo cháy…Mạch đo nhiệt độ là thành phần quan trọng trong một số mạch chức năng khác như hệ thống đo và điều chỉnh nhiệt độ ở lò cao,

bộ phân ngắt nhiệt, cung cấp nhiệt ở lò sưởi…

 Những việc đã làm được:

 Nghiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ

 Thiết kế nguồn cung cấp

 Chọn linh kiện thiết kế cho hệ thống

 Tính sai số cho toàn hệ thống

 Sơ đồ các khối chức năng và sơ đồ mạch đo

 Những việc chưa làm được:

 Chưa chỉnh được sai số của mạch khuếch đại

 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