thiết kế thiết bị đo và hiển thị nhiệt độ từ 00c đến 1000c sử dụng cảm biến LM335

Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn Lời nói đầu Kỹ thuật đo lờng ngày đợc sử dụng rộng rãi nhiệm vụ kiểm tra tự động, tự động hoá trình sản xuất công nghệ nh công tác nghiên cứu khoa học lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác Để thực đợc nhiệm vụ cần phải tiến hành đo đại lợng vật lý khác nhau, đại lợng điện: điện áp, dòng điện, công suất, tần số, nhiệt độ đại lợng không điện: tốc độ, độ di chuyển, kích thớc, học, nhiệt học, hoá học, Thiết bị đo hệ thống đo có sử dụng kỹ thuật vi điện tử, vi xử lý vi tính ngày đại có hiệu Ngời ta chế tạo thiết bị đo thông minh nhờ cài đặt vào chúng vi xử lý có tính hẳn thiết bị đo thông thờng là: tự xử lý lu giữ kết đo, làm việc theo chơng trình, tự động thu thập số liệu đo có khả truyền số liệu xa Với yêu cầu thiết kế thiết bị đo hiển thị nhiệt độ từ 00C đến 1000C sử dụng cảm biến LM335 đồ án chúng em xin trình bày vấn đề sau: Về phần lý thuyết gồm có: Giới thiệu phơng pháp đo nhiệt độ giới thiệu cảm biến LM335 , chuyển đổi ADC ICL 7107 Về phần thiết kế gồm có: Lựa chọn thiết bị sử dụng thiết kế, vẽ mạch nguyên lý Sau trình học tập - thực tập nghiên cứu Trung Tâm Đào Tạo Bồi Dỡng Phát Triển Nguồn Nhân Lực , với hớng dẫn giúp đỡ tận tình Thầy Hoàng Ngọc Văn chúng em đợc tiếp cận với thực tiễn hoàn thành đồ án theo thời hạn Tuy nhiên thời gian làm đồ án có hạn, trình độ kiến thức hạn chế nên đồ án tránh khỏi thiếu sót Chúng em kính mong nhận đợc đóng góp, bảo thầy cô giáo môn để đồ án vi mạch chúng em đợc hoàn thiện Qua chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc lời cảm ơn chân thành đến Thầy Giáo Hoàng Ngọc Văn Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể cán giáo viên Trung Tâm Đào Tạo Bồi Dỡng Phát Triển Nguồn Nhân Lực cán khác Khoa Điện - Điện Tử Trờng đại học s phạm kỹ thuật thành phố hồ chí minh , truyền thụ cho chúng em kiến thức quí báu thời gian học tập nghiên cứu thực tế Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2007 Nhóm sinh viên thực hiện: Sv: tạ mẫn -1- đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn Tạ Duy Mẫn Đặng Phùng Hng Chơng I Khối cảm biến đo lờng đại lợng nhiệt độ I Cơ sở lý thuyết đo nhiệt độ 1.Nguyên lý chung đo nhiệt độ Đo nhiệt độ phép đo phổ biến đại lợng không điện Đặc biệt dây chuyền sản xuất Việc lựa chọn biện pháp đo phụ thuộc vào khoảng đo sai số yêu cầu 2.Thang đo nhiệt độ Các tính chất vật lý vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ chúng Từ thay đổi nhiệt độ đặc trng vật lý vật liệu cho trớc ngời ta xác định mộ thang đo nhiệt độ cho phép đặc biệt nhận biết cân nhiệt độ Tuy vậy, thang đo nhiệt độ nh hoàn toàn tuỳ tiện liên quan đến tính chất đặc biệt vật thể: Nó không cho phép gán cho giá trị nhiệt độ giá trị vật lý riêng, có xuất phát từ định luật nhiệt động học xác định thang đo nhiệt độ có đăc trng tổng quát cho trờng hợp Các thang đo nhiệt độ tuyệt đối đợc xác định tơng tự dựa tính chất khí lý tởng Định Sv: tạ mẫn -2- đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn luật Carnot nêu rõ: hiệu suất động nhiệt thuận nghịch hoạt động hai nguồn ( Với nhiệt độ tơng ứng thang đo bất kỳ, phụ thuộc vào = F (1 ) F ( ) (1) Dạng hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ, ngợc lại việc lựa chọn hàm F định thang đo nhiệt độ đặt F() = T xác định T nh nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối hiệu suất động nhiệt thuận nghịch đợc viết nh sau: = T1 T2 (2) Trong T1 T2 nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối hai nguồn nh biết, chất khí lý tởng đợc xác định bởi: + Nội U phụ thuộc nhiệt độ chất khí + Phơng trình đặc trng liên hệ áp suất P, thể tích V nhiệt độ PV =GV (3) Có thể chứng minh đợc G() = RT (4) Trong R số chất khí lý tởng Giá trị R phần tử gam chất khí phụ thuộc vào đơn vị đo nhiệt độ Để gán giá trị số cho T cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ Muốn cần gán giá trị số nhiệt độ tơng ứng với tợng với điều kiện tợng hoàn toàn xác định có tính lặp lại * Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối - Thang Kelvin: đơn vị oK.Trong thang Kelvin ngời ta lấy điểm cân ba trạng thái: nớc - nớc đá - nớc có trị số 273,15oK Từ đơn vị nhiệt độ động học tuyệt đối ( thang Kelvin ), nguời ta xác định đơn vị Celsius Fahrenheiz (bằng cách dịch chuyển giá trị nhiệt độ ) - Thang Celsius : thang đơn vị nhiệt độ oC độ Celsius độ Kelvin Quan hệ nhiệt độ Celsius nhiệt độ Kelvin đợc xác định biểu thức Sv: tạ mẫn -3- đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn T (oC) = T(oK) - 273,15 - Thang Fahrenheit : Quan hệ nhiệt độ Fahrenheit ( oF) nhiệt độ Celsius theo biểu thức: T(oC) = { T ( oF ) - 32 }.5/9 T(oF) =9/5 T(oC) + 32 Trong bảng dới ghi giá trị tơng ứng số nhiệt độ quan trọng thang khác nhau: STT Nhiệt độ Kelvin (R) Điểm tuyệt đối Hỗn hợp nơc - đá Cân nớc - đá - Nớc sôi *Nhiệt độ đo đợc: 273,15 273,16 373,15 Celstus (0C) Fahrentei (0F) -243,15 0,01 1000 -459,67 32 23,018 212 Nhiệt độ đo đợc ( nhờ điện trở cặp nhiệt) tính nhiệt độ cảm biến kí hiệu Tc phụ thuộc vào nhiệt độ môi trờng Tx trao đổi nhiệt độ Nhiêm vụ ngời làm làm để giảm hiệu số Tx Tc xuống nhỏ có hai biện pháp để giảm khác biệt Tx Tc: Tăng trao đổi nhiệt cảm biến môi trờng đo Giảm trao đổi nhiệt cảm biến môi trờng bên II tổng quan loại cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt điện trở Nhiệt điện trở loại cảm biến đợc phát Humphry (năm 1821) ông ta nhận thấy điện trở số kim loại thay đổi theo nhiệt độ Wiliam Siemens ngời sử dụng nhiệt kế nhiệt điện trở (1871) từ nhiệt điện trở đợc dụng rộng rãi để đo nhiệt độ đại lợng khác Tuỳ thuộc vào tác dụng dòng điện cung cấp chảy qua, ngời ta phân thành nhiệt điện trở không đốt nóng nhiệt điên trở đốt nóng Với nhiệt điện trở không đốt nóng, dòng điện chạy qua nhỏ không làm tăng nhiệt độ cảm biến nhiệt độ với nhiệt độ môi trờng xung quanh Cảm biến đợc dùng đo nhiệt độ môi trờng - Trong cảm biến nhiệt điện trở đốt nóng, dòng điện qua cảm biến có trị số lớn làm cho nhiệt độ thân lớn nhiệt độ môi trờng xung quanh Sự trao đổi nhiệt điện trở môi trờng xung quanh đợc thực đối lu nhiệt dẫn Sv: tạ mẫn -4- đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn xạ nhiệt Sự trao đổi nhiệt phụ thuộc vào yếu tố nh: kích thớc hình học, trạng thái bề mặt, hình dáng, tính chất vật lý cảm biến môi trờng xung quanh - Nhiệt điện trở loại đợc ứng dụng đo đại lợng vật lý nh tốc độ lu chất, nồng độ mật độ chất khí Ngoài cách phân loại trên, cảm biến nhiệt điện trở đợc phân loại theo cấu trúc loại vật liệu nh nhiệt điện trở kim loại, nhiệt điện trở bán dẫn Cặp nhiệt điện * Nguyên lý hoạt động : Cặp nhiệt điện loại cảm biến nhiệt, nguyên lý hoạt động dựa hiệu ứng Peltier, Thomson Seecer * Hiệu ứng Peltier : Hai dây dẫn Avà B khac nhau, tiếp xúc với có nhiệt độ ( nv0 )sẽ tạo nên hiệu điện tiếp xúc Hiệu điện phụ thuộc vào chất vật dẫn nhiệt độ ( hình 1.1a ) UA/B = VM - VN A B M N Hình 1.1a * Hiệu ứng Thomson : Trong vật dẫn đồng A điểm M N có nhiệt độ khác ( hình 1.1b,c ) sinh sức điện động Sức điện động phụ thuộc vào chất vật dẫn nhiệt độ điểm Tm EA = A.dT A : Hệ số Thomson Tn A Sv: tạ mẫn B -5- đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch M UA/B Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn N M A N EA Hình 1.1b Hình 1.1c Hiệu ứng Seeber :Nếu có mạch kín tạo thành từ vật dẫn A, B đầu chuyển tiếp có nhiệt độ khác T1 T2 ( hình 1.2 ) Chúng tạo thành cặp nhiệt điện có sức điện động kết hai hiệu ứng Peltier Thomson gọi sức điện động Seeber T2 EAB (T1,T2) = EAB (T1) + EBA (T2) + ( A B ).d T T1 Sức điện động phụ thuộc vào nhiệt độ T1 T2 có biểu diễn dới dạng : EAB (T1 , T2) = EAB ( T1) - EAB ( T2) Khi đầu tiếp xúc nhiệt độ ổn định ( VD : T2 = C) đầu T1 đặt môi trờng có nhiệt độ thay đổi Sức điện động hàm số nhiệt độ T1 Khi đầu tiếp xúc nhiệt độ ổn định EAB (T1 , T2) = EAB ( T1) + C Hình 1.2 Trong : C số T1 nhiệt độ đầu làm việc T2 nhiệt độ đầu tự ( Môi trờng ) Đo nhiệt diot tranzito 3.1 Đặc điểm chung độ nhạy nhiệt Sv: tạ mẫn -6- đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn đo nhiệt độ cách sử dụng linh kiện nhạy cảm diot hoăc tranzto mắc theo kiểu diot ( nối cự Bazer cực Colêcter ) phân cực thuận với dòng điện thông qua không đổi điện áp hai đầu mạch hàm nhiệt độ Hình 1.3 : Các linh kiện dùng làm cảm biến nhiệt độ Độ nhạy nhiệt diot tranzito mắc theo kiểu diot xácđịnh biểu thức S= dv dt Giá trị độ nhạy nhiệt cỡ -2.5mV/oC, giống nh điện áp V độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào dòng ngợc I0 Dòng thay đổi khác linh kiện khác nhau, nên chọn linh kiện có đặc tính tơng tự ( giá trị dòng cho trớc phải có điện áp dòng ngợc I0 nh ) Để tăng độ tuyến tính khả thay ngời ta mắc theo sơ đồ nh hình 1.c dùng cặp Tranzito đấu theo kiểu diot mắc dối nhauvới hai dòng I1 I2 không đổi chạy qua đo hiệu điện thểtên hai cực Bazer cực Emiter Bằng cách loại trừ đợc ảnh hởng củadòng ngợc I0 Độ nhạy nhiệt trờng hợp tính theo công thức : s= d (V1 V2 ) dT Hoặc tính số: s=86,56.log I1 ( àVK ) I2 Độ nhạy nhiệt lớn nhiều so với trờng hợp dùng cặp nhiệt điện nhng nhỏ so vởi trờng hợp dùng nhiệt điện trở điều đặc biệt không dùng đến nhiệt độ chuẩn Dải nhiệt độ làm việc hạn chế thay đổi tính chất điện cảm biến nhiệt đổtong khoảng T=-50oC đến 150oC Trong khoảng nhiệt độ cảm biến có độ ổn định cao 3.2 Quan hệ điện áp - nhiệt độ Xét trờng hợp dùng cặp Trazito hình 1.c Giả sử dòng Io giống cho tranzito, dòng điện chạy quâhi tranzito I1 I2điện hai cực B E hai tranzito tớng V1 V2 Khi đó: Sv: tạ mẫn -7- đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn I1 = I0exp qV1 KT I1 V1 = ln KT q Io I2 = I0exp qV2 KT I V1 = ln KT q Io Việc đo hiệu điện Vd = V1-V2 cho phép loại trừ ảnh hởng dòng ngợc Io: Vd = KT I1 KT KT I1 KT ln = ln(n) ln = ln(n) q I2 q q I2 q Tính toán số: Vd = 86,56.T.ln(n) Trong Vd tính V T nhiệt độ tuyệt đối K Độ nhạy nhệt có dạng: S= dVd K = ln(n) dT q S = 86,56.ln(n) Độ nhạy nhiệt nhỏ so với trờng hợp dùng diot tranzito,nhng nguyên tắc không phụ thuộc vào T Độ tuyến tính trờng hợp đợc cải thiện cách đáng kể Đo nhiệt độ Hoả quang kế Đây phơng pháp dựa định luật xạ vật dẫn tuyệt đối Bức xạ nhiệt vật đợc đặc trng mật phở E, số lợng xạ đơn vị thời gian với đơn vị diện tích vật xảy độ dài sóng Quan hệ đợc biểu diễn biểu thức : E = C15 e C2 T : Độ dài sóng Trong : T : Nhiệt độ tuyệt đối C1,C2 : Hằng số Hoả kế quang học có độ xác cao ( sai số 1% ) Trong dải đo nhiệt độ 900 2200oC Hoả kế phát xạ Sv: tạ mẫn -8- đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn Đối với vật đen tuyệt đối, lợng xạ toàn phần đơn vị bề mặt ET = T4 Trong đó: : hệ số ( = 4,96.10-2 J/m2 sgrad4 ) T : Nhiệt độ vật Nhợc điểm hoả kế phát xạ đối tợng đo khônng phải vật đen tuyệt đối, vật nóng có phát xạ nội dòng phát xạ nhiệt qua bề mặt làm phép đo bị sai lệch III Mạch đo lờng Khái niệm chung 1.1 Định nghĩa mạch đo lờng thiết bị kỹ thuật làm nhiệm vụ biến đổi, gia công thông tin, tính toán, phối hợp tin tức với hệ vật lý thống Ta coi mạch đo nh khâu tính toán, thực phép tính đại số sơ đồ mạch nhờ vào kỹ thuật điện tử theo yêu cầu kỹ thuật thiết bị đo 1.2 Phân loại mạch đo Theo chức mạch đo mà ta phân thành nhiều loại nh sau: - Mạch tỷ lệ : Là mạch thực phép nhân chia với hệ số k, nghĩa đại lợng vào x đại lợng kx Đại diện cho loại : Sun, phân áp, biến dòng - Mạch khuyếch đại : Cũng giống nh mạch tỷ lệ, mạch khuyếch đại nhiệm vụ nhân thêm số k gọi hệ số khuyếch đại Tuy nhiên mạch khuyếch đại công suất lớn công suất vào điều ngợc với mạch tỷ lệ, nghĩa đại lợng vào điều khiển đại lợng - Mạch gia công tính toán: Bao gồm mạch thực phép tính toán đại số nh : Cộng trừ nhân chia tích phân - Mạch so sánh : Là mạch so sánh hai điện áp mạch thờng đợc sử dụng thiết bị đo dùng phơng pháp so sánh - Mạch tạo hàm : Là mạch tạo hàm số theo yêu cầu phép đo nhằm mục đích tuyến tính hoá học đặc tính đo tín hiệu đầu phận cảm biến Sv: tạ mẫn -9- đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn - Mạch biến đổi AID, DIN loại mạch biến đổi từ tín hiệu đo tơng tự thành phân số ngợc lại, sử dụng cho kỹ thuật đo số chế tạo mạch ghép nối với máy tính - Mạch đo sử dụng kỹ thuật vi sử lý : Là mạch đo có cài đặt vi sử lý để tạo cảm biến thông minh, khắc độ máy tính, nhớ gia công số liệu đo Thiết bị đo đại, xác mạch đo phức tạp Ngời ta thờng dùng mạch đo để tăng cờng độ nhạy độ xác thiết bị đo hệ thống đo Các đặc tính mạch đo Mỗi mạch đo có đặc tính kỹ thuật Tuy nhiên mức độ ta xét đặc tính chung cho loại mạch khác Dới số lần nhận xét chung 2.1 Chức phạm vi làm việc Chức mạch đo thực phép tính Ta phân tích quan hệ đầu vào với đàu khả thực chúng Trong trờng hợp đơn giản hệ số W = Y/X Trong X tập hợp đầu vào Y tập hợp đầu Trong trờng hợp phức tạp W(t) hàm thời gian t Gọi hàm truyền đạt tơng hỗ Hàm truyền đạt W đợc xác định phạm vi đại lợng vào gọi phạm vi làm việc mạch đo, vợt phạm vi W không bảo đảm sai số cho phép 2.2 Đặc tính mạch đo Lúc đo đại lợng biến thiên theo thời gian mạch đo phải đáp ứng đặc tính động yêu cầu Đặc tính động mạch đo phải bảo đảm sai số mạch đo không vợt qua sai số cho phép thiết bị Do xét đến đạc tính động ta phải xét đến hàm truyền đạt mạch đo phụ thuộc tần số W(p) nh ta xét mạng cửa 2.3 Công suất tiêu thụ mạch đo Ngoài ý nghĩa thực phép gia công, mạch đo có nhiệm vụ nối khâu với nói cách khác phù hợp với điện trở điện kháng đầu vào đầu khâu Sv: tạ mẫn - 10 - đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn Hình 2.9 : Mạch bù nhiệt độ LM336 tạo điện áp chuẩn 2,73V tín hiệu qua lặp tạo giá trị điện áp âm -2,73V hệ số K = Ta có K= R3 + VR2 R3 + VR2 R3 + VR2 R3 + VR2 = = =1 R2 R4 R2 R4 Chọn : R1 = 1K R2 = R4 = 10K suy R3 +VR1 = 10K Chọn : R3 = 6,8K VR1 = 4,7K Mạch đo Hình 2.10 : Mạch đo Xét vi mạch LM335 Điện trở R6 có vai trò hạn chế dòng điện từ nguồn vào LM335 giúp cho vi mạch làm việc ổn định tăng tuổi thọ làm việc Sv: tạ mẫn - 29 - đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn Chọn dòng Iv 5mA suy R6 = Vcc 5V = = 1K Iv 5mA Chọn R6 = 1K Biến trở VR3 để hiệu chỉnh điện áp theo yêu cầu Chọn VR3 = 10K * Hiệu chỉnh LM335 _ Hiệu chỉnh mức nhiệt độ nhỏ Tmin = 00C : Ngâm LM335 vào nguồn nhiệt 00C nh nớc đá sau thay đổi giá trị điện trở biến trở VR3 sau sử dụng đồng hồ đo điện áp cho Ur = 2,73 thoả mãn yêu cầu _ Hiệu chỉnh mức nhiệt độ lớn Tmax = 1000C :chọn nguồn nhiệt nh nớc nóng 1000C, điều chỉnh biến trở đo chân cho điện áp Ur =3,73V _ Đồ thị biểu diễn nh sau Hình 2.11: Đồ thị hiệu chỉnh Chọn R7 = 10K Bộ trừ hai tín hiệu Hình 2.12 : Bộ so sánh tín hiệu Sv: tạ mẫn - 30 - đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn Điện áp lối LM335 hàm biến đổi theo nhiệt độ: U2 = 0,01.T0C + 2,73V Đặt U1 : điện áp mạch bù U2 : điện áp mạch đo Xét : 00C ta có U1 = -2,73V, U2 = 2,73V suy Ur = U1 + U2 = -2,73 + 2,73 = 0V : 1000C ta có U1 = -2,73V, U2 = 3,73V suy Ur = U1 + U2 = -2,73 + 3,73 = 1V Nh : Urmax = 1V Urmin = 0V Chuẩn hoá tín hiệu thành dải 0V đến 5V ta phải chọn mạch khuếch đại với hệ số khuếch đại K = Ta có : K = Ur R9 R9 = = =5 Uv R8 R5 Chọn : R5 = R8= 10K suy R9 = 5R5 = 50V Bộ hiển thị 4.1 Mạch nguyên lý Sv: tạ mẫn - 31 - đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn Hình 2.13 : Sơ đồ nguyên lý hiển thị 4.2 Nguyên lý hoạt động + Khối hiển thị làm việc dụa vai trò vi mạch ICL7107 Vi mạch nhận tín hiệu điện áp chiều từ khối chuẩn hoá tín hiệu chuyển thành tín hiệu số Giá trị điện áp chiều dao động từ đến 5V + Tín hiệu đa vào đợc đa tới chân 31 (IN_HI) hay chân + ICL7107 điện trở R10 chọn 10K có tác dụng hạn chế dòng điện + LED nối với ICL7107 nhờ cổng hiển thị số đầy đủ từ + Cổng 1: A3, B3, C3, D3, E3, F3, G3 ( ICL 7107 ) nối với chân a, b, c, d, e, f, g ca LED + Cng : A2, B2, C2, D2, E2, F2, G2 ( ICL 7107 ) ni vi chân a, b, c, d, e, f, g ca LED + Cng : A1, B1, C1, D1, E1, F1, G1 ( ICL 7107 ) ni vi chõn a, b, c, d, e, f, g ca LED + Chân POL ni vi chân g ca LED to du âm + Bn đền LED ni gép với theo kiểu anot chung in tr R12, R13, R14 nối với chân dp L1, L2, L3 nối đất tạo dấu , cho số hiển thị + Tính chọn linh kiện Sv: tạ mẫn - 32 - đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn - Chọn điện trở: Chọn R11 = 470K R12 = 100K R13 VR4 đợc chọn giá trị là: R13 = 15K VR4 = 10K Trong đó: R13 đợc nối với VR4 nối với chân REF - HI, REF - LO (35, 36 pin) R12 nối với mạch dao động OSC1, OSC2 (38,39 pin) R11 nối với nhớ đệm tích phân INT (27 pin) R10 nối với chân IN - HI (31 pin) - Chọn tụ Tụ điện dao động đợc tính chọn theo công thức: fOSC = 0.45 RC ROSC = R13 = 100K fOSC = 48KHz Vậy: C= 0.45 fOSC R C= 0.45 48.103.100.103 C ; 100pF Chọn C13 = 100pF * Tụ điện tích hợp đợc tính công thức sau: CINT = ( t INT ) ( I INT ) VINT Thời gian tích phân: tINT = 1000 x (4/fOSC) Sv: tạ mẫn - 33 - đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn tINT = 1000 x (4/48.103) tINT = 0.083s Vậy: GND -6 0.083.4.10 CINT = CINT ; 0.166 F Chọn C15 = 0.22F C11 = 0.1F C14 = 0.047F C12 = 0.01F = 10n C16 = 100F R3 +5V VR2 4,7K 6,8K Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt độ sử dụng LM335 R1 1K -12V R2 10K R4 10K +12V R11 470K -12V -5V C14 0.047uF R5 R8 +5V 10K +12V LM358 C12 0.01uF R10 10K C11 0.1uF +12V R6 1K 10K R7 200K VR4 10K J4 LED4 J3 LED3 J2 LED2 +5V -12V R13 R14 15K Sv: tạ mẫn J1 LED1 C13 100pF R12 100K +V OUT ADC7107 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 2 GND LM335 GND POL G3 AB4 A3 E3 C3 F3 G2 B3 VD3 INT E2 BUFF F2 A/Z A2 IN LO B2 IN HI C2 COMMON D2 C-REF E1 C+REF G1 REF LO F1 REF HI A1 TEST B1 OSC3 C1 OSC2 D1 OSC1 v+ LM358 VR3 10K 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 c dp e d An1 c dp e d An1 c dp e d An1 c dp C15 0.22P g f An a b g f An a b g f An a b g f An a b U0 R9 LM336 LM358 e d VR1 10K An1 10K - 34 - đặmg phùng hmg R15 R116 Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn Chơng iii Mạch nguồn cung cấp I đại cơng Điện áp chiều sau chỉnh lu thờng không đợc ổn định nguồn xoay chiều đầu vào không ổn định Tải thay đổi mà yêu cầu thiết bi đo lờng điều khiển tự động hoá đòi hỏi nguồn cung cấp có độ ổn định cao, phải tiến hành ổn định điện áp để cung cấp cho thiết bị Mạch ổn định điện áp dẫn đến mạch ổn định Thiết bị ổn định mà đầu vào xoay chiều đầu xoay chiều ổn định gọi ổn áp ổn định Đầu vào xoay chiều, đầu chiều ổn định dẫn đến ổn áp chiều ổn định II nguyên tắc ổn áp Một sơ đồ chức mach ổn áp với khối nh sau: Mạch tạo điện áp chuẩn lấy từ nguồn sau chỉnh lu tạo mức U = Const, cấp cho điện áp UR điện áp số cho ổn áp ( Thờng thực tế hay sử dụng cho ổn áp tạo điện áp chuẩn Mạch lấy điện áp mẫu mạch lấy Ura đổi thành mức gồm Ura gọi mức điện áp mạch mẫu Us Us đợc gọi U hồi tiếp Ura thay đổi Us thay đổi Us < UR > UR Mạch lấy điện áp mẫu thờng sử dụng cặp điện trở làm việc theo kiểu phân áp Mạch khuyếch đại sai biệt gọi mạch khuyếch đai so sánh có nhiêm vụ so sánh điện áp Ura US tạo sai biệt điện áp để khuyếch đại lên đa đến phần tử điềh khiển Phần tử điều khiển đợc coi nh tổng trở có trị số phụ thuộc vào UOS thờng linh kiện điện tử công suất Tuỳ theo cách thiết kế mà mạch ổn áp chia thành loại ổn áp xung, ổn áp song song, ổn áp nối tiếp III Sơ đồ khối Sv: tạ mẫn Máy BA - 35 Cầu chỉnh lu Lọc đặmg phùng hmg ổn áp Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn Ta có: ULới = 100V~ ữ 240V~ ULới = 100V~ * Chọn máy biến áp: (14V x 2) /1A uDC 2 = u sin t.dt = u = 0.9u m * IC 7805; 7905 có: Uvao = Ura Ura = Uvao = 7V = 5V * Chỉnh lu: + Mạch chỉnh lu toàn kì Diode: D1, D2, D3, D4, đợc cung cấp nguồn xoay chiều từ lới điện 220V có tần số 50Hz, hạ áp xuống phía thứ cấp U2 = 14V + Nguyên lý hoạt động mạch: Giả sử bán kì đầu dơng: dòng điện từ A qua D1, qua phụ tải R, qua D3 trở B Vậy bán kì D1, D3 dẫn; D2 D4 ngắt Bán kì sau: Dòng điện từ B qua D 2, qua R, qua D4 trở A Vậy bán kì D2, D4 dẫn; D1 D3 ngắt Dạng sóng chỉnh lu: Hình 3.1 Dạng sóng chỉnh lu Công thức Điện áp trung bình tải: Sv: tạ mẫn - 36 - đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn uDC 2 = u sin t.dt = u = 0.9u m 2 Điện áp hiệu dụng tải: Vms Um 2 = U sin t.d t = =U m 2 Dòng điện trung bình tải: IDC = uDC um 0.9u = = RL RL RL Hệ số gợn sóng: tỉ số hiệu dụng điện gợn sóng U DC với điện trung bình U DC r= UDC 100% UDC Chọn Diode cho mạch chỉnh lu với thông số sau: Dòng đỉnh: Im Ip Dòng trung bình: Iavg Điện áp ngợc đỉnh: Ungmax Um IDC Suy ra: U2 = 1,11UDC I2 = 1,11IDC Chọn Diode: ID = 1,57I2 =1,57 x = 1.57A Un = 0,758U2 = 0,758 x 6,75 = 5.1165V Vậy chọn Diode 1N4001 cầu chỉnh lu 2A Lu ý: Khi chọn Diode cần quan tâm đến dòng điện, điện áp thoả mãn * Tính chọn tụ: Từ công thức VT = 0,5V C = IT Với T VT VT độ nhấp nhô điện áp tải (V) Sv: tạ mẫn - 37 - đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn IT dòng qua tải (A) T đợc tính theo công thức sau: T = V VT 1 arcsin max + Vmax 4.f Trong đó: = f f: tần số nhấp nhô điện áp sau chỉnh lu (Hz) Vmax: giá trị đỉnh điện áp vào (V) Nguồn +5V Chọn VT = 0.5V Tính C1: T = V VT 1 arcsin max + Vmax 4.f 35 - 0,5 arcsin + 314 35 4.50 = = 3,1847ms.arcsin ( 0,986 ) + 5ms = 9,362ms Suy ra: C1 = IT = 100ms T VT 9,362 0,5 = 1872 F Thực tế chọn: C1 = 2200 F Tính C3: T = V VT 1 arcsin max + Vmax 4.f = - 0,5 arcsin + 314 4.50 = 3,1847ms.arcsin ( 0,9 ) + 5ms = 8,564ms Suy ra: C3 = IT Sv: tạ mẫn T VT - 38 - đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn = 100mA 8,564 0,5 = 1712 F Thực tế chọn: C3 = 2200 F Nguồn -5V Chọn VT = 0,5V : Tính C3: T = V VT 1 arcsin max + Vmax 4.f = 35 - 0,5 arcsin + 314 35 4.50 = 3,1847ms.arcsin ( 0,986 ) + 5ms = 9,362ms Suy ra: C5 = IT T VT = 100mA 9,362 0,5 = 1872 F Thực tế chọn: C5 = 2200 F Tính C7: T = V VT 1 arcsin max + Vmax 4.f = - 0,5 arcsin + 314 4.50 = 3,1847ms.arcsin ( 0,9 ) + 5ms = 8,564ms Suy ra: C7 = IT T VT = 100mA 8,564 0,5 = 1712 F Thực tế chọn: C7 = 2200 F Đối với tụ thờng C2, C4, C6, C8 ta chọn loại 104P Sv: tạ mẫn - 39 - đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn Tơng tự với nguồn 12V ta thêm C9 = 2200 F C10 = 104P C C D3 JAC VAO 1N40 D4 C6 C7 /2A 104P 1N40 GND C4 C5 J2 /2A 104P +12V +5V -5 V -1 C9 C10 JAC RA /2A 104P 1N40 C8 /2A GND C3 /2A J1 C1 C2 /2A 104P VIN -12V U2 UA7912UC GND 1N40 D2 GND D1 U1 U3 UA7812UC UA7805UC 3 VIN +12V Vin +5V Vin -5V U4 UA7905UC B B Hình 3.2 : Mạch nguồn Sv: tạ mẫn - 40 - đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn chơng IV tính toán sai số phép đo + Sai số hệ thống bao gồm : sai số cảm biến, sai số khối chuẩn hoá, sai số khối hiển thị: + Hàm truyền đạt (HTĐ) hệ thống: K = K1 ì K2 ì K3 = Y X Với K1,K2 , K3 lần lợt HTĐ khối X tín hiệu vào hệ thống Y tín hiệu hệ thống Sai số hệ thống = K K1 K2 K3 = + + K K1 K2 K3 = 1+ + I Sai số cảm biến LM335 + Mạch bù nhiệt độ - Tín hiệu điện áp lấy chân vi mạch LM336 gần nh không đổi đợc điều chỉnh biến trở điện áp cấp cho vi mạch đợc lấy từ nguồn chuẩn Vì sai số không đáng kể + Mạch so sánh - Sai số tạo thân vi mạch điện trở nối gép - Trong đồ án sử dụng vi mạch LM358 có hệ số khuếch đại là: K = nhỏ so với hệ số khuếch đại thân ( từ 20000 đến50000 lần ) Vậy sai số mạch nhỏ II Sai số khối chuẩn hoá 20 Sv: tạ mẫn - 41 - đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn III Sai số khối hiển thị + Sai số tạo trình chuyển đổi từ tín hiệu tơng tự sang tín hiệu số ICL 7107 + Vi mạch sử dụng bít chuyển đổi nên sai số : 2= 1 = = 0,390625 0 256 Vậy sai số hệ thống là: = + = 0,1 0 + 0,390625 0 = 0,490625 0 Sv: tạ mẫn - 42 - đặmg phùng hmg Đồ án vi mạch Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn Chơng V ý Nghĩa ứng dụng I ý nghĩa Đề tài nêu nên đợc phơng pháp đo nhiệt độ đa phơng pháp đo nhiệt độ điển hình sử dụng đầu đo LM 335 Điều giúp em đánh giá đợc tầm quan trọng công nghiệp sống II ứng dụng Sử dụng phơng pháp đo hiển thị nhiệt độ giúp cho ngời vận hành luôn theo dõi đợc trình hình thành sản phẩm , tạo sản phẩm chất lợng tốt Đợc ứng dụng nghành hoá học , đặc biệt hoá thực phẩm để bảo quản thực phẩm không bị hỏng yếu tố môi trờng Trong nghành công nghiệp luyện kim, Silicat nhiệt độ lò nung thiếu Tuỳ thuộc vào loại sản phẩm chất lợng loại mà yêu cầu nhiệt độ nung khác Nh thông số nhiệt hiển thị , thông báo liên tục qua giai đoạn hình thành sản phẩm Chất lợng sản phẩm tốt hay xấu phụ thuộc vào độ xác phép đo Đo nhiệt độ phòng thí nghiệm Sv: tạ mẫn - 43 - đặmg phùng hmg [...]... vào bên trong ống để đo tốc độ của chất khí nh ng đồng thời nhiệt điện mở.Có thể mở dòng khí và làm thay đổi tốc độ của dòng khí Kết quả là gây ra sai số, ảnh hởng đến độ chính xác của kết quả đo Vì vậy thiết kế thiết bị đo cần phải tính toán đến điều này * Về kích thớc của chuyển đổi mong muốn là phải nhỏ Có nh vậy mới đa đầu đo vào những nơi hẹp, nhỏ nâng cao độ chính xác của phép đo 3 Phân loại chuyển... văn Đợc đặt trong một vỏ hộp có kích thớc và hình dáng rất khác nhau phù hợp với chỗ đặt của điểm đo để tạo thành một dụng cụ đợc gọi là đầu đo, bộ cảm biến hay còn đợc gọi là xenxơ Các đầu đo có thể chế tạo riêng rẽ thành thiết bị bán trên thị trờng hay đợc đi liền với thiết bị đo hoặc hệ thống đo Ví dụ : Can nhiệt là loại đằu đo nhiệt độ bao gồm chuyển đổi cặp nhiệt bên trong bao bọc bên ngoài là ống... II sai số Khi thiết kế tính toán một thiết bị đo bất kỳ việc quan trọng nhất là phải tính toán, đánh giá đợc sai số của thiết bị đo Bất kỳ một thiết bị đo nào cũng có sai số, nhng sai số đó phải nhỏ hơn sai số cho phép, để không bị ảnh hởng tới công việc cụ thể khi mà ta sử dụng thiết bị đo Từ sơ đồ khối của mạch ta thấy sai số của hệ thống bao gồm: sai số của Sensor sai số của mạch đo, sai số của... Gv hớng dẫn: hoàng ngọc văn Hình 2.2 : Mạch đo Nếu vi mạch LM335 đợc cấp nguồn thoả mãn yêu cầu thì điện áp ra Vout sẽ thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ. Nguồn này đợc định thang nhiệt độ K theo hoạt động của LM335 với độ nhạy =10mV 1K ,tức là nhiệt độ thay đổi một lợng T = 1K thì điện áp cũng thay đổi một lợng U = 10mV Vì nhiệt độ cần đo và hiển thị là độ C khi đó ta có công thức : ToK = ToC + 273... thì ta nhìn thấy ánh sáng phát từ miền tiếp giáp Điện áp thuân rơi trên Led khoảng 1,2 v và dòng điện qua LED ứng vơi độ chói thích hợp là khoảng 200 mv Bộ hiển thị kết quả đo của thiết bị với đơn vị là (Hg) dùng Led 7 đo n Katot chung, hiện thị kết quả theo 2 kênh Kênh trái và kênh phải, mỗi kênh gồm 5 Led kết quả đo tối đa là 199,9 Cấu tạo màn hình gồm 7 đo n thanh Led độc lập với nhau đợc bố trí nh... 1 Khối cảm biến 1.1 Đầu đo LM 335 Để đo nhiệt độ chính xác cần có các đầu đo đặc biệt Vi mạch LM335 là một loại sensor đo nhiệt độ của hãng National Semiconducter chế tạo Đây là một loại senser đợc tích hợp dạng vi mạch có độ chính xác 1 oC Sự hoạt động của đầu đo giống nh diot Zener hai cực Điện áp đánh thủng có nhiệt độ tuyệt đối là +10mV/ oK Trở kháng động khi đầu đo hoạt động trong vùng dòng 400... nâng cao độ chính xác của các chuyển đổi sơ cấp vì đây chính là khâu cơ bản trong thiết bị đo mà độ chính xác của nó phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của chuyển đổi * Độ nhạy của chuyển đổi cũng là một tiêu chuẩn quan trọng Nó có tác động quyết định cấu trúc của mạch đo để đảm bảo cho phép đo có thể bắt nhạy với những biến động nhỏ của đại lợng đo * Đặc tính của chuyển đổi : Khi cho tín hiệu đo vào chuyển... 00C nh nớc đá sau đó thay đổi giá trị điện trở bởi biến trở VR3 sau đó sử dụng đồng hồ đo điện áp ra sao cho Ur = 2,73 là thoả mãn yêu cầu _ Hiệu chỉnh ở mức nhiệt độ lớn nhất Tmax = 1 000C là :chọn nguồn nhiệt nh nớc nóng 1 000C, điều chỉnh biến trở và đo tại chân ra sao cho điện áp Ur =3,73V _ Đồ thị biểu diễn nh sau Hình 2.11: Đồ thị hiệu chỉnh Chọn R7 = 10K 3 Bộ trừ hai tín hiệu Hình 2.12 : Bộ so sánh... chuyển đổi ADC Trong kĩ thuật đo lờng khi sử dụng các dụng cụ đo chỉ thị số hay đa tín hiệu đo vào máy tính ta cần phải có sự biến đổi tín hiệu cần đo analog thành các số tỉ lệ với nó Thiết bị thực hiện nhiệm vụđó là mạch chuyển đổi tơng tự số (A/D) Có thể kể ra 3 phơng pháp thực hiện khác nhau về nguyên tắc *Phơng pháp song song: điện áp vào đồng thời so sánh với n điện áp chuẩn và xác định chính xác xem... mạch là = 12 + 22 + 32 1 Sai số cảm biến Sai số này chủ yếu do nhà sản xuất đa ra 1 = 0,5% 2 Sai số của mạch đo Cũng nh các khâu của thiết bị mạch đo cũng gây ra sai số Sai số trong mạch đo có thể chia làm 2 loại : - Sai số chính của bản thân mạch đo gây ra bởi những biến động và quan hệ tơng hỗ ( Hàm truyền đạt ) Hàm truyền đạt của mạch đo là : W = Y/X Giả sử X ở đầu vào không mắc sai số nhng ở đầu