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 vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo 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 với mức điện áp: U= 0÷ 10 V I= 4÷ 20mA - Dùng cấu để đo thị -Khi nhiệt độ giới hạn bình thường : t 0C= 0÷ 70.60C Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng tối bằng: τ= giây - Đưa tín hiệu cảnh báo còi nhiệt độ vượt giá trị : t0C= 70.60C Trong đó: a: Chữ số hàng đơn vị danh sách =6 n: Số thứ tự sinh viên danh sách =56 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO I Khái niệm nhiệt độ Nhiệt độ đại lượng đặc trưng cho cường độ chuyển động nguyên tử, phân tử hệ vật chất.Tùy theo trạng thái vật chất (rắn ,lỏng ,khí ) mà chuyển động khác • Ở trạng thái lỏng phân tử dao động quanh vị trí cân vị trí cân dịch chuyển làm cho chất lỏng hình dạng định • Ở trạng thái rắn phân tử,nguyên tử dao đông xung quanh vị trí cân bằng.Các dạng vận động phân tử,nguyên tử gọi chung chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên có trao đổi lượng không sinh công, trình trao đổi nănglượng nói gọi truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt tuân theo nguyên lý:Bảo toàn lượng - Nhiệt tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp.Ởtrạng thái rắn, truyền nhiệt xảy chủ yếu dẫn nhiệt xạ nhiệt - Đối với chất lỏng khí dẫn nhiệt xạ nhiệt có truyền nhiệt đối lưu Đó tượng vận chuyển lượng nhiệt cách vận chuyển phần khối vật chất vùng khác hệ chênh lệch tỉ trọng Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biến nhiệt độ Sau ta tìm hiểu phương pháp thường dùng dùng nhiệt điện trở kim loại Từ xa xưa người nhận thức tượng nhiệt đánh giá cường độ cách đo đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo thời kỳ.Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ,chúng định nghĩa theo vùng,từng thời kỳ phát triển khoa học kỹ thuật xã hội.Hiện có thang đo nhiệt độ 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 thang đo nhiệt độ dùng phổ biến nay.Trong thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) quy định mét đơn vị đo hệ đơn vị quốc tế (SI).Dựa thang đo đánh giá nhiệt độ • Các phương pháp đo nhiệt độ bản: + Đo nhiệt độ phương pháp tiếp xúc Phương pháp đo nhiệt độ công nghiệp thường nhiệt kế tiếpxúc Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở nhiệt kế nhiệt ngẫu.Cấu tạo nhiệt kế nhiệt điện trở cặp nhiệt ngẫu cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt chuyển đổi với môi trường đo Đốivới môi trường khí nước,chuyển đổi đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắn đặt nhiệt kế sát vào vật,nhiệt lượng truyền từ vật sang chuyển đổi gây tổn hao nhiệt, với vật dẫn nhiệt kém.Do diện tích tiếp xúc vật đo nhiệt kế lớn tốt.Khi đo nhiệtđộ chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối + Đo nhiệt độ phương pháp không tiếp xúc Đây phương pháp dựa định luật xạ vật đen tuyệt đối,tức vật hấp thụ lượng theo hướng với khẳ lớn Bức xạ nhiệt vật thể đặc trưng nghĩa số lượng xạ đơn vị thời gian với đơn vị diện tích vật xảy đơn vị độ dài sóng 1.1 Sơ đồ nguyên lý chung mạch đo: - Mạch đo gồm có khối bản: 1.Khối cảm biến Mạch khuếch đại Mạch so sánh Khối thị Khối cảnh báo Mạch chuyển đổi u sang i Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo : Khối thị Cảm biến Khuếch đại điên áp Mạch so sánh Chuyển đổi U sang I Cảnh báo I.2 Chức khối mạch đo: a Khối cảm biến : Khối cảm biến có chức biến đổi tín hiệu không điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng Ở 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 khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, tín hiệu điện cảm biến đưa thường bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào mạch điện khác c Mạch so sánh: Có tác dụng so sánh tín hiệu đưa từ khối khuếch đưa khối sau Việc so sánh tín hiệu ứng dụng cho mạch cảnh báo có 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 e Khối cánh báo : cảnh báo cho người biết nhiệt độ tăng cao so với nhiệt độ cho phép Đó khối dùng mạch đo cảnh báo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở kim loại Chương II CÁC THIẾT BỊ CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH ĐO Để xác định thiết bị mà sử dụng trình tính toán thiết kế mạch đo ta dựa vào khối mạch đo để xác định linh kiện mà dùng, sau ta liệt kê linh kiện sử dụng : 2.1 Cảm biến: Nhiệt độ đai lượng vật lý mà ta đo gián tiếp loại cảm biến nhiệt độ dựa chuyển động của hạt điện tích hình thành nên dòng điện kim loại Hiện có nhiều loại cảm biến nhiệt độ thông dụng mà ta thường dùng: Cặp nhiệt ngẫu Nhiệt điện trở kim loại IC cảm biến nhiệt độ Trong sử dụng cảm biến nhiệt IC Hầu hết cảm biến nhiệt IC sử dụng tính chất lớp tiếp xúc bán dẫn PN hàm nhiệt độ loại IC thường gặp : LM135, LM235, LM335: 10mV output LM35: 10mV/0k output LM34: 10mV/0F output AD590: A output Hình 1.1:hình ảnh cảm biến nhiệt IC LM555 LM35 • Ưu điểm IC: - Dễ dàng tích hợp với thiết bị khác - Gía thành thấp - Kích thước gọn nhẹ - Ngõ điện áp ,dòng điện số tỷ lệ với độ K,F,C • Nhược điểm IC: - Tầm nhiệt độ thấp (-550C÷ 1500C) -Cần mạch kín 2.2 Bộ khuếch đại thuật toán µA 741 : Bộ khuếch đại dùng nhiều kỹ thuật điện trở có tác dụng khuếch đại tín hiệu điện điện áp, dòng điện, công suất Trong phạm vi ta sử dụng khếch đại thuật toán để khuếch đại điện áp đưa từ cảm biến dùng so sánh để đưa khối cảnh báo cho mạch đo Hình ảnh thực tế khuếch đại thuật toán 2.3 Điện trở : Trong thiết bị điện tử điện trở linh kiện quan trọng, chúng làm từ hợp chất cacbon kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo loại điện trở có trị số khác Hình dạng điện trở thiết bị điện tử Ký hiệu điện trở sơ đồ nguyên lý 2.4 Cơ cấu thị : Muốn biết nhiệt độ ta phải hiển thị thông qua cấu thị Vì mục đích cuối biết nhiệt độ cảnh báo.Chúng ta có nhiều cấu điện từ từ điện, điện động… phạm vi đo dải điện áp từ đến 10V dải dòng điện từ đến 20mA ta nên dùng cấu thị từ điện cấu đo dòng điện điện áp chiều với dải đo rộng 2.5 Các thiết bị cảnh báo : Để cảnh báo nhiệt độ ta sử dụng chuông cảnh báo còi để cảnh báo, ta sử dụng đồng thời hai để cảnh báo nhiệt độ Những thiết bị thường mang thông tin nhanh xác, dễ lắp đặt sử dụng nguồn điện chiều hay xoay chiều 2.6 Nguồn cấp cho mạch : Trong mạch sử dụng nguồn điện chiều với cấp điện áp 5V, 9V 12V tùy theo yêu cầu mạch thực tế nguồn điện chiều thường chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều nguồn cấp gồm có : Máy biến áp có chức hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sử dụng 5V, 9V, 12V Bộ chỉnh lưu cầu gồm có điot, tụ điện, điện cuộn cảm có tác dụng chỉnh lưu từ dòng xoay chiều sang dòng chiều sơ đồ nguyên lý khối chỉnh lưu: Chương III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐO Lý thuyết tổng quan 3.1:Tính toán, lựa chọn cảm biến Yêu cầu đề : Dùng vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt Dải đo : toC = 00C tmax= 1060C Từ yêu cầu đề em sử dụng IC cảm biến nhiệt độ LM35 dải đo từ 0-1060C LM35 cảm biến nhiệt độ analog Nhiệt độ xác định cách đo hiệu điện ngõ LM35 sau: - Chân 1: Chân nguồn VCC - Chân 2: Chân VOUT - Chân 3: Chân GND + Một số thông số LM35 Cảm biến LM35: Là cảm biến nhiệt mạch tích hợp xác cao mà điện áp đầu tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng không yêu cầu cân chỉnh vốn chúng cân chỉnh Đặc điểm cảm biến LM35 • • • • Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V Độ phân giải điện áp đầu 10 mV/OC Độ xác cao 25OC 0,5OC Trở kháng đầu thấp 0.1 cho 1mA tải.Dải nhiệt độ đo LM35 từ (-55 - 150) 0C với mức điện áp khác • Xét số mức điện áp sau : - Nhiệt độ -550Cđiện áp đầu -550mV - Nhiệt độ 250Cđiện áp đầu 250mV - Nhiệt độ 1500C điện áp đầu 1500mV Vậy nhiệt độ 106 điện áp đầu 1,06V 3.2 Tính toán thiết kế mạch nguồn cung cấp Dùng IC ổn áp 7805 cấp nguồn vào ổn định 5V cho IC LM35 3.3 Tính toán thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa 3.3.1 Chuẩn hóa đầu với mức điện áp U= 10V Dùng khuếch đại không đảo 10 R3=843,4Ω -R1=100Ω 10V + OPAMP R2=10kΩ Ur=(1 + Với Uv= - ).Uv 1,06V để Ur= 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 có dòng mA Dùng mạch biến đổi U-I với phụ tải nối đất chung 11 R5=385Ω R7=300Ω OPAMP R8=10kΩ R9=10kΩ R6=85Ω 20mA 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 20.10-3=(1,06 – U11).X (1) ( với X= ) (2) Từ (1) (2) U11= -0.265 V => X= = (3) Từ (*) (3) ta có R5=385Ω ,R6= 85Ω , R7= 300Ω 12 3.4 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED Theo yêu cầu toán thời gian sáng thời gian tối LED =1+0,5.2=2 (s ) Ta có R10=R11=10kΩ Từ công thức R11.C1.0,69= suy C1= 289,9 µF 3.5 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo 13 Theo ra: tín hiệu cảnh báo còi nhiệt độ vượt giá trị t C= = = 70,60C ta chọn mức cảnh báo nhiệt độ 70,6 C suy điện áp so sánh +0,706V 3.6 Tính toán thiết kế nguồn : Vì hầu hết nguồn sử dụng mạch nguồn chiều mà thực tế nguồn lại nguồn xoay chiều với điện áp 220V vấn đề đặt phải biến đổi dòng xoay chiều sang chiều khối nguồn bao gồm: Máy biến áp Bộ chỉnh lưa cầu dùng diode Tụ điện C để lọc Cuộn cảm L để dàn phẳng dòng điện 14 Sơ đồ nguyên lý: Tính chọn máy biến áp: Ở có hai nguồn nguồn cho điện áp đặt so sánh 5V nguồn cấp cho OA 12V cần sử dụng máy biến áp có nhiều cấp điện áp để lấy hai cấp điện áp dùng Hoặc ta hạ xuống 12V dùng biến trở để chỉnh xuống V tiêu tốn lượng lượng nên dùng chỉnh lưu điện áp phương pháp khác ta dùng khối ổn áp chiều để có đầu thay đổi.Tối ưu nên dùng phương án Phương án thiết kế : Biến áp: yêu cầu đặt nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào 220V điện áp 15V Mạch chỉnh lưu: ưu điểm mạch chỉnh lưu cầu điện áp nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ so với phương pháp cân nên ta chọn chỉnh lưu cầu nửa chu kỳ Bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san điện áp để dòng điện phẳng hơn, lọc tụ điện đơn giản chất lượng học cao Nên ta dùng tụ điện Khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp thay đổi từ đến 15V nên ta dùng IC ổn áp thông dụng LM 7805 có dải điện áp khoảng 1,2V-35V với cách mắc thông thường 15 Cơ cấu đo dùng ổn áp LM 7805 dùng để ổn áp đầu 5V: Cơ cấu thị : Vì dòng điện dòng chiều điện áp chiều với giá trị bé nên ta dùng cấu thị từ điện Cấu tạo chung: gồm hai phần bản: phần tĩnh phần động - Phần tĩnh: gồm: nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ cực từ lõi sắt hình thành mạch từ kín Giữa cực từ lõi sắt có khe hở không khí gọi khe hở làm việc, đặt khung quay chuyển động - Phần động: gồm: khung dây quay quấn bắng dây đồng Khung dây gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo) Trên trục quay có hai lò xo cản mắc ngược nhau, kim thị thang đo Hình 5.3 Cơcấuchỉthịtừđiện 16 Nguyên lý làm việc chung: có dòng điện chạy qua khung dây (phần động), tác động từ trường nam châm vĩnh cửu (phần tĩnh) sinh momen quay Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu góc α Momen quay tính theo biểu thức: Mq = e.dW/dw = B.S.W.I (5.1) Với : B: Độ từ cảm nam châm vĩnh cửu S: Tiết diện khung dây W: Số vòng dây khung dây Tại vị trí cân bằng,momen quay momen cản: Với cấu thị cụ thể B,S,W,D số nên góc lệch α tỷ lệ bậc với dòng điện I chạy qua khung dây Các đặc tính chung: Từ biểu thức (5.1) suy cấu thị từ điện có đặc tính sau: Chỉ đo dòng điện chiều Đặc tính thang đo Độ nhạy số 17 4.Sơ đồ mạch đo toàn trình thiết kế mô protues: 18 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong thời gian làm đề tài em biết thêm nhiều kiến thức thực tế ứng dụng kiến thức học Qua chúng em luyện tập khả tư duy, cách thức nghiên cứu, giải vấn đề thực tế Mạch đo nhiệt độ ứng dụng drộng rãi thực tế đo nhiệt độ phòng, đo nhiệt độ để cảnh báo cháy…Mạch đo nhiệt độ thành phần quan trọng số mạch chức khác hệ thống đo điều chỉnh nhiệt độ lò cao, phân ngắt nhiệt, cung cấp nhiệt lò sưởi… Những việc làm được: Nghiên cứu 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 khối chức sơ đồ mạch đo Những việc chưa làm được: Chưa chỉnh sai số mạch khuếch đại Mạch chưa tối ưu, sử dụng nhiều thiết bị điện tử Hi vọng mạch nhiều ứng rộng tương lai 19 [...]... 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 vi c đã làm được: Nghiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ. .. ,R6= 85Ω , R7= 300Ω 12 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 13 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... 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 vi c 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 19 ... 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 17 4.Sơ đồ mạch đo của toàn bộ quá trình thiết kế cùng mô phỏng protues: 18 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... +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 14 Sơ đồ nguyên lý: Tính chọn máy biến áp:... 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 :... 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 15 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... 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 vi c, 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. .. 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... mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8 Hình 5.3 Cơcấuchỉthịtừđiện 16 Nguyên lý làm vi c 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