1 Khái niệm về nhiệt độ Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên tử, phân tử của một hệ vật chất. Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất (rắn, lỏng, khí) mà chuyển động này có sự khác nhau. Ỏ 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. 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 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. Đo nhiệt độ là phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên của môi trường, không có điện trong đại lượng cần đo. 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 đặt trực tiếp trong môi trường cần đo. Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môi trường cần đo(áp dụng với trường hợp đo ở nhiệt độ cao). Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo không phải ở quá cao.Vì vậy ta sẽ dùng cảm biến đo nhiệt độ để đo trực tiếp.
Trang 1MỤC LỤC
Lời Mở Đầu
Cảm biến được định nghĩa như một thiết bị dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý không mang tính chất điện thành các đại lượng có thể đo được Nhiệt độ là tín hiệu vật lý như vậy Việc đo và cảnh báo nhiệt độ cũng chính vì thế là một yêu cầu hết sức thiết thực và quan trọng Hiện nay cảm biến
đo nhiệt độ là loại cảm biến được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp cũng như dân dụng.
Bài tập lớn này nghiên cứu dùng các vi mạch tương tự tinh toán,thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ.
Trong quá trình thiết kế, do kiến thức còn hạn hẹp và trình độ hiểu biết chuyên môn còn tương đối hạn chế nên sẽ khó tránh khỏi những sai sót, khuyết điểm Em mong được sự đóng góp của thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Trang 2Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO
1.Tổng quan
1 Khái niệm về nhiệt độ
Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của cácnguyên tử, phân tử của một hệ vật chất Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất(rắn, lỏng, khí) mà chuyển động này có sự khác nhau Ỏ trạng thái lỏng, cácphân tử dao động quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịchchuyển 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 vậnđộng này của các phân tử, nguyên tử được gọi chung là chuyển động nhiệt Khitương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quátrình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệttrên tuân theo nguyên lý:
Bảo toàn năng lượng.Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đếnnơi có nhiệt độ thất.Ởtrạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫnnhiệt và bức xạ nhiệt
Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyềnnhiệt bằng đối lưu Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cáchvận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênhlệch về tỉ trọng Đo nhiệt độ là phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên củamôi trường, không có điện trong đại lượng cần đo
Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và giảinhiệt 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 đươcđặt trực tiếp trong môi trường cần đo
- Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môitrường cần đo(áp dụng với trường hợp đo ở nhiệt độ cao)
Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo không phải ở quá cao.Vì vậy ta sẽ dùng cảm biến đo nhiệt độ để đo trực tiếp
Trang 32.2 Yêu cầu cho từng khối :
- Cảm biến: biến đổi tín hiệu không điện thành tín hiệu mang tính điện
- Mạch khuếch đại: có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ cảmbiến sao cho phù hợp với yêu cầu kết quả đo của bộ chỉ thị
- Khối hiển thị BCD: chuyển đổi đầu vào 4 bit hoặc 8 bit sang bảng mãBCD để hiển thị nhiệt độ tương ứng
- Bộ ADC:chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số.Sau đó đưa lên các
bộ phận giải mã để hiển thị
- Mạch so sánh: làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa về với tín hiệu đãcài đặt.Tuỳ theo tín hiệu ngõ ra, sẽ ra quyết định để cơ cấu chấp hành giatăng, giảm, hay giữ nguyên nhiệt độ thậm chí có thể kết hợp để báo độnghiển thị
- Cảnh báo: thực hiện chức năng báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡngcho phép
2.3 Tổng quan mạch đo
Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý, dựa vào các đặc tính của đại lượngcần đo mà chọn ra loại cảm biến phù hợp để thực hiện việc biến đổi các thông sốcần đo thành các đại lượng điện
U = 0 – 10V
I = 0 – 20mA
Khối hiển thịBCDADC0804
Chuyển đổi U-I Cơ cấu
chỉ thị
Mạch khuếch đạiCảm biến
Cảnh báoMạch so sánh
Trang 4Sau 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 rồichuyển qua để so sánh rồi phát cảnh báo nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phéphoặc chuyển tới phần chỉ thị để hiển thị kết quả ra LED
Chương 2:GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 1.IC cảm biến nhiệt độ LM35
1.1Giới thiệu chung.
Hình 2: IC cảm biến LM35
Cảm biến nhiệt độ LM35 là một loại cảm biến tương tự rất hay được ứng
dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực Vì nó hoạt động khá chínhxác với sai số nhỏ, đồng thời với kích thước nhỏ và giá thành rẻ là một trongnhững ưu điểm của nó Vì đây là cảm biến tương tự (analog sensor) nên ta cóthể dễ dàng đọc được giá trị của nó
1.2Cấu tạo và đặc điểm.
1.2.1 Cấu tạo.
Gồm 3 chân trong đó có 2 chân cấp nguồn và một chân xuất điện áp tùytheo nhiệt độ mà cảm biến nhận được
o Chân 1: Chân nguồn Vcc
o Chân 2: Đầu ra Vout
o Chân 3: GND
1.2.2 Đặc điểm.
+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V
+ Độ chính xác cao ở 25 là 0.5
+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải
+ Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -550C đến 1500C với các mức
Trang 5• Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV.
2.Bộ chuyển đổi tương tự số 8 bit ADC0804
2.1 Giới thiệu chung.
Chíp ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số trong họ các loạtADC800, nó làm việc với +5V và có độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giảithì thời gian chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giámột 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 TrongADC0804 thời gian chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồđược cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưng không thể nhanh hơn 110μs
Hình 3: IC chuyển đổi tương tự - số 8 bit ADC0804
2.2 Nguyên lý làm việc.
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 Để truy cập ADC0804 thìchân 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 phântương đương với nó và giữ nó trong một thanh ghi trong RD được sửdụng để nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra của ADC0804 Khi
Trang 60CS = nếu một xung cao – xuống – thấp được áp đến chân RD thì đầu
ra số 8 bit được hiển diện ở các chân dữ liệu D0 – D7 Chân RD cũngđược 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 choADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo raxung cao – xuống – thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu chuyển đổi giá trịđầu vào tương tự Vin về số nhị phấn 8 bit Lượng thời gian cần thiết đểchuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN vàCLK R Khi việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thì chân INTRđược ép xuống thấp bởi ADC0804
Ngoài ra , cần tạo xung bằng IC 555 cho chân WR này
Hình 4 : 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 hồngoài được sử dụng để tạo ra thời gian Tuy nhiên ADC0804 cũng cómột máy tạo xung đồng hồ Để sử dụng máy tạo xung đồng hồ trongcủa ADC0804 thì các chân CLK IN và CLK R được nối tới một tụđiện và một điện trở Trong trường hợp này tần số đồng hồ được xácđịnh bằng biểu thức:
f=
Trang 7Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C = 150pF vàtần số nhận được là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là110sμ.
- 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 nóxuống thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu được chuyển 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 REFV/2 (chân số 9) để hở
- Chân REFV/2 (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 đầuvào tương tự cho ADC0804 nằm trong dãy 0-5V→(giống như chânVCC) 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 thicác điện áp đầu vào khác ngoài dãy 0→5V Ví dụ: Nếu dãy đầu vàotương tự cần phải là 0 →4V thì REFV/2 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) làcác chân đầu ra dữ liệu số Đây là những chân được đệm ba trạng thái
và dữ liệu được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân
RD bị đưa xuống thấp Để tính điện áp đầu ra ta có thể sử dụng côngthức sau:
Dout=Với Dout là đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân) Vin là điện áp đầu vàotương 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 chânVin tương tự, còn đất số được nối tới đất của chân VCC Lý do mà taphải có hai đất là để cách ly tín hiệu tương tự Vin từ các điện áp kýsinh tạo ra việc chuyển mạch số được chính xác Trong phần trình bàythì các chân được nối chung với một đất Tuy nhiên, trong thực tế thu
đo dữ liệu các chân đất này được nối tách biệt
3.Opam 741
Trang 8Hình 5: Opam 741
OPAM 741 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-
4.IC 555
Hình 6: IC 555.
IC 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạođược xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơngiản,điều chế được độ rộng xung
• Công thức tính tần số điều chế độ rộng xung của 555:
Trang 9Hình 2.5 sơ đồ đấu nối IC 555Nhìn vào sơ đồ mạch trên ta có công thức tính tần số , độ rộng xung.
+ Tần số của tín hiệu đầu ra là :
f = 1/[ln2.C1.(R1 + 2R2)]
+ Chu kì của tín hiệu đầu ra : T = 1/f = ln2.C1.(R1+2R2)
+ Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì :
t1 = ln2 (R1 + R2).C1+ Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì :
t2 = ln2.R2.C1
5.IC 7483.
Là IC dùng để biến đổi số đầu vào tạo ra số đầu ra khác , với mạch mã hoáđược cấu tạo bởi các cổng logic như ở hình trên ta có nhận xét rằng trong trườnghợp nhiều phím được nhấn cùng 1 lúc thì sẽ không thể biết được mã số sẽ ra làbao nhiêu Do đó để đảm bảo rằng khi 2 hay nhiều phím hơn được nhấn, mã số
ra chỉ tương ứng với ngõ vào có số cao nhất được nhấn, người ta đã sử dụngmạch mã hoá ưu tiên
Hình 7 : IC7483
Trang 107.1 Nguyên lý hoạt động.
Mạch sẽ hiển thị giá trị nhiệt độ đo được tại mọi thời điểm hệ thống hoạtđộng, giá trị hiện thị sẽ được đưa đến ngõ vào của IC giải mã 74LS47 qua cácInput, với tính năng giải mã của vi mạch này, sẽ cho ra dữ liệu song song trêncác Bus đến các LED song song Chương trình sẽ chọn LED nào và hiển thịnhiệt độ lên LED
Khi có 1 sự biến đổi điện áp từ cảm biến, tức sự thay đổi nhiệt độ môitrường cần đo thì mã của 74LS47 cũng sẽ thay đổi phù hợp, tần số quét LEDđược thiết kế hợp lý để tránh mắt thường quan sát được
Trang 11Để LED sang 1 cách bình thường thì trên mỗi đoạn của LED cần cung cấpgiá trị dòng điện khoảng 10mA Điện áp rơi trên mỗi LED vào khoảng 2mV.Nguồn cung cấp điện áp cho mạch Vcc= 5V.
Với IC 74LS47 ta có các thông số ngõ ra như sau:
Vo1= 0.4 V
Io1= 40mA
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 vàlúc 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 trongtrường hợp LED sang thì điện áp trên LED khoảng 2V, VCE SAT =0.2 V, vậy nênphải có điện trở hạn dòng cho IC này để không sảy ra cháy IC mã hóa
Trang 1210.Điện trở, tụ điện.
Hình 12: Điện trở và tụ điện.
- Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từhợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra đượccác loại điện trở có trị số khác nhau
- Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫnđiện được ngăn cách bởi điện môi Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt,tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu
- Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ nănglượng điện trường của tụ điện Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điệnthế xoay chiều, sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trởkháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều
11.Còi báo.
Hình 13: Còi báo động.
Còi báo làm nhiệm vụ phát tín hiệu âm thanh báo động khi xảy ra sự cốnhiệt độ tăng quá giới hạn cho phép
Trang 13Chương 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐO.
Với n = 59, a = 9 thì:
- Dải đo: từ 00C đến tmax = (50+n)0C = 1090C
- Giới hạn nhiệt độ bình thường: từ 00C đến t = 2= 730C
- Thời gian sáng và tắt của đèn báo khi nhiệt độ trong giới hạn bình thườnglà: τ = (1+0.5a) = 5.5 giây
- Khi nhiệt độ quá 730C còi báo sẽ hoạt động
1.Tính toán lựa chọn cảm biến.
• Độ chính xác cao, với sai số +-1/40 C
• Đầu ra tuyến tính LM35 : 10mV/ºC
• Hoạt động tốt trong dải nhiệt độ từ -550C đến +1300C
2.Tính toán thiết kế mạch đo.
Nguyên lý cơ bản hoạt động của mạch đo: Vì điện áp đầu ra của IC cảmbiến nhiệt độ LM 35 rất nhỏ nên nó được đưa tới mạch khuếch đại và chuẩnhóa với mức điện áp (U) là 0 ÷ 10V và dòng điện (I) là 0mA ÷ 20mA Sau đóđược đưa tới cơ cấu chỉ thị
- Phần động: gồm: khung dây quay 5 được quấn bắng dây đồng Khungdâyđược gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo) Trên trục quay cóhai lò xo cản 7mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8
Hình 14: Cơ cấu chỉ thị từ điện.
2.1.2 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 mômen quay Mq làm
Trang 14khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α Mômen quay được tínhtheobiểu thức:
Mq ==B.S.I.W
với B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửuS: tiết diện khung dây
W: số v.ng dây của khung dâyVới 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
2.2 Tính toán thiết kế cơ cấu chỉ thị nhiệt độ.
- Giới hạn đo: 00C đến 1500C
- Độ chia nhỏ nhất: 0.10C
- Sai số: ± 0.10C
3.Tính toán thiết kế mạch nguồn cung cấp.
Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với các cấp điện áp +1.275V ,+5V, -12V, +12V, 10V Tùy theo yêu cầu của mạch trên thực tế thì nguồnđiện 1 chiều thường được chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều
Nguồn cấp được mô phỏng như hình vẽ:
Hình 16: Sơ đồ mạch tạo nguồn cấp.
Đối với nguồn +1.275 và +10 ta sử dụng mạch phân áp mô tả như sơ đồ
Trang 15Hình 17: Phân áp tạo điện áp +1.275V và 10V
4.Tính toán thiết kế mạch khuếch đại chuẩn hóa.
Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp
1 U = 0 ÷ 10V
2 I = 4 ÷ 20mA
4.1 Thiết kế tính toán mạch khuếch đại chuẩn hóa điện áp.
Mạch chuẩn hóa đầu ra của cảm biến LM35 thay đổi từ 00C (0 vôn) đến
Trang 16 = 8.17
Chọn R1 = R2 = 1K => RF = 8.17K
4.2 Thiết kế tính toán mạch chuẩn hóa dòng điện
Đầu ra của khối chuẩn hóa 0 – 1,09V ta sẽ sử dụng bộ biến đổi U-I với sơ
đồ không đảo để chuẩn hóa dòng 4 – 20mA
Hình 19: Mô phỏng mạch chuẩn hóa I với sơ đồ không đảo.
Tính toán:
Ta có hệ số biến đổi điện áp – dòng điện:
KUI = = = = ;
R6 = 500 Ω