Dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến IC LM35,LM3X

Dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến IC LM35,LM3X

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

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

cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến IC LM35,LM3X

Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C = 00C ÷ tmax = 0 ÷ (50+n)0C=129 độ C

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

1 U=0 ÷ 5V

2 U= 0 ÷ -5V

3 I=0÷20mA

4 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=03*tmax/4.Thiết kế mạch nhấp

nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: T0=(1+0,5*a)

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO

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 biếnnhiệt độ Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu phương pháp thường dùng nhất đó là dùng IC cảm biến

1.1 Sơ đồ nguyên lý chung của mạch đo

Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo :

Sơ đồ khối nguyên lý mạch đo:

2, Chức năng của các khối trong mạch đo :

 khối cảm biến biến đổi tín hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện áp

ADC Hiển thị

 điện áp vào lấy từ khối cảm biến đc chuẩn hóa thành chuẩn công nghiệp

 so sánh ; giám sat sự thay đổi nhiệt độ đưa ra cảnh báo

 cảnh báo : nhiệt độ trong giới hạn thì cảnh báo bằng led quá giới hạn thì cảnh báo còi

 chuyển dổi adc: chuyển đổi tín hiệu Analog sang digital

 hiển thị hiển thị điện áp

Chương II :Các thiết bị chính dùng trong mạch đo

-điện áp hoạt động cấp vào chân là 4 – 30V DC

-nhiệt độ đo dc từ -55 – 150 độ C

-điện áp thay đổi 10mv/1 độ C

2 2 Bộ khuếch đại thuật toán µA 741 : bộ khuếch đại này dùng nhiều

trong kỹ thuật điện trở có các 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 :

Tên g ọi v à ch ức năng của c ác chân:

 – Offset null: bù tần số;

 Inverting Input: cửa vào đảo;

 Non Inverting Input: cửa vào không đảo;

 – Vee : chân cấp nguồn âm;

 + Offset null: bù tần số;

 Output: cửa ra;

 +Vcc: chân cấp nguồn dương;

 NC: không sử dụng;

2 IC tạo xung vuong NE555

Chức năng : IC 555 là một mạch tích hợp, được sử dụng khá phổ biến trong việc

tạo ra xung vuông điện áp không yêu cầu về độ chính xác cao cũng như tần số lớn

Sơ đ ồ c ác kh ối, ch ân NE555:

Hình 2.4: Hình ảnh thực tế, sơ đồ chân và sơ đồ khối của NE555

 Chân 1 (GND): cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC hay chân còn gọi làchân chung

 Chân 2 (TRIGGER): đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và đượcdùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp Mạch so sanh ở đây dùngcác transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3 Vcc

 Chân 3 (OUTPUT): chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng tháicủa tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cáo nó tươngứng gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưngtrong thực tế nó không được ở mức 0V mà nó trong khoảng (0.35- >0,75V)

 Chân 4 (RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ ra phụ thuộc vào điện áp chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường nối chân này lên Vcc

 Chân 5 (CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555theo các mức biển áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND Chân này

có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nốichân 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF này lọc nhiễu và giữ chođiện áp chuẩn được ổn định

 Chân 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu

 Chân 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịuđiều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức điện áp thấp thì khóanày đóng lại, ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho mạch RC lúc

2.5 Bộ chuyển đổi tương tự số ADC0804

Chức năng: biến đổi tín hiệu điện áp tương tự đầu vào thành tín hiệu số với độ

phân giải 8bit

Hình 2.5: Sơ đồ chân ADC0804 Tên và chức năng của từng chân:

hoạt chíp

2 Read Tín hiều đầu vào chuyển từ cao xuống thấp để xuất

dữ liệu đã được chuyển đổi tới các chân đầu ra

3 Write Tín hiệu đầu vào chuyển từ thấp lên cao để bắt đầu

quá trình chuyển đổi

4 Clock IN Chân đầu vào để kết nối với đồng hồ bên ngoài

5 Interrupt Chân ra: tín hiệu ra ở mức thấp khi quá trình chuyển

đổi kết thúc

6 Vin (+) Điện áp đầu vào mức cao của tín hiệu Analog

7 Vin (-) Điện áp đầu vào mức thấp của tín hiệu Analog

Ground

Chân nối đất cho tín hiệu Analog

9 Vref/2 Chân đầu vào đặt giá trị điện áp tham chiếu cho tín

hiệu Analog

10 Digital

Ground

Chân nối đất cho tín hiệu Digital

19 Clock R Sử dụng cùng với chân Clock IN khi sử dụng đồng

hồ bên trong của ADC

20 Vcc Chân cấp dương nguồn, hỗ trợ 5V

2.5 Bộ chuyển đổi tương tự số ADC0804

Chức năng: biến đổi tín hiệu điện áp tương tự đầu vào thành tín hiệu số với độ

phân giải 8bit

Hình 2.5: Sơ đồ chân ADC0804 Tên và chức năng của từng chân:

2 Read Tín hiều đầu vào chuyển từ cao xuống thấp để xuất

dữ liệu đã được chuyển đổi tới các chân đầu ra

3 Write Tín hiệu đầu vào chuyển từ thấp lên cao để bắt đầu

quá trình chuyển đổi

4 Clock IN Chân đầu vào để kết nối với đồng hồ bên ngoài

5 Interrupt Chân ra: tín hiệu ra ở mức thấp khi quá trình chuyển

đổi kết thúc

6 Vin (+) Điện áp đầu vào mức cao của tín hiệu Analog

7 Vin (-) Điện áp đầu vào mức thấp của tín hiệu Analog

Ground

Chân nối đất cho tín hiệu Analog

9 Vref/2 Chân đầu vào đặt giá trị điện áp tham chiếu cho tín

hiệu Analog

10 Digital

Ground

Chân nối đất cho tín hiệu Digital

19 Clock R Sử dụng cùng với chân Clock IN khi sử dụng đồng

hồ bên trong của ADC

20 Vcc Chân cấp dương nguồn, hỗ trợ 5V

2.6 Bộ cộng nhị phân 4 bit 74LS83

Chức năng: tương tự như các bộ cộng nhị phân khác, IC số 74LS83 có là mạch

tích hợp với khả năng cộng hai số nhị phân 4 bit cho ra kết quả tương đối nhanh

Sơ đồ chân 74LS83:

 A1÷A4: các chân đầu vào số 4 bit thứ nhất;

 B1÷B4: các chân đầu vào số 4 bit thứ hai;

 C0: số nhớ đầu vào;

 ∑1÷∑4: các chân đầu ra của phép cộng;

 C4: chân đầu ra của số nhớ;

 Vcc: chân cấp nguồn 5V;

 GND: chân nối đất;

Hình 2.6: Sơ đồ chân 74LS83

Hình 2.7: Sơ đồ khối 74LS83 2.7 Bộ giải mã LED 7 thanh Anot chung 74LS247

Chức năng: từ số BCD đầu vào chuyển đổi thành tín hiệu đầu ra phục vụ hiển thị cho Led 7 thanh

Sơ đồ chân:

Hình 2.8: Sơ đồ chân 74LS247

Hình 2.9: Bảng trạng thái 74LS247 2.8 Led 7 thanh Anot chung

Sơ đồ chân led 7 thanh đơn:

Hình 2.10: Sơ đồ chân led 7 thanh

2.9 Bộ cộng logic DM74LS32

Chức năng: IC DM74LS32 là mạch tích hợp dùng để cộng logic hai tín hiệu đầu vào và trả về kết quả cộng ở chân đầu ra

Sơ đồ chân:

 1A-1B÷4A-4B: đầu vào tín hiệu logic cần cộng;

 Y1÷Y4: kết quả của phép cộng logic tương ưng;

 Vcc: chân cấp nguồn cho IC hoạt động, hỗ trợ nguồn 5V;

 Dòng điện ra mức cao/thấp: 0.4/8 mA;

 Nhiệt độ môi trường làm việc: 00C÷70oC;

2.10 Bộ nhân logic SN74LS08

Chức năng: IC SN74LS08 là mạch tích hợp dùng để nhân logic hai tín hiệu đầu vào và trả về kết quả nhân ở chân đầu ra

Sơ đồ chân:

 1A-1B÷4A-4B: đầu vào tín hiệu logic cần nhân;

 Y1÷Y4: kết quả của phép nhân logic tương ưng;

 Vcc: chân cấp nguồn cho IC hoạt động, hỗ trợ nguồn 5V;

 GND: chân nối đất;

 Nhiệt độ môi trường làm việc: 00C÷70oC;

2.7.Quạt tản nhiệt: dùng để tản nhiệt cho mạch khi mạch bị nóng quá

nhiệt độ cài đặt, để phục vụ mục đích bảo vệ mạch và các linh kiện điện

tử Chúng ta có nhiều loại quạt tản nhiệt, với các mức điện áp từ 12V-24V tùy vào yêu cầu mà lựa chọn phù hợp.

5V-9V-CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐO

3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến

a) Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 3.1: Sơ đồ mạch nguyên lý khối cảm biến

b) Tính toán, lựa chọn cảm biến

Theo yêu cầu đặt ra của đề tài:

 Dải nhiệt độ cần đo: toC = 0oC ÷ tmax = 0 ÷ (50+n) oC

 Với n: là số thứ tự sinh viên trong danh sách

Với yêu cầu trên ta thay n= ta được:

 Dãi nhiệt độ cần đo: toC = 0oC ÷ 129 oC

Do nhiệt độ cần đo toC = 0oC ÷ 129 oC nằm trong khoảng -55oC ÷ 150 oC nên ta chọn cảm biến nhiệt LM35 Như đã giới thiệu ở trên về cảm biến nhiệt LM35 ta thực hiện tính toán số liệu đầu ra như sau:

 Tại t=0oC: điện áp đầu ra của cảm biến Vout = 0oC * 10mV/ oC = 0 (mV)

 Tại t=129 oC: Vout = 129oC * 10mV/ oC = 129 (mV)

Do điện áp đầu vào cảm biến từ Vcc=4÷ 30V nên ta chọn Vcc=5V

Để làm giảm tác động của tín hiệu nhiễu trong quá trình đo ta mắc song song với chân 2 và chân 3 điện trở R=75Ω và tụ điện C=10nF như theo hướng dẫn của nhà sản xuất

3.2 Tính toán, thiết kế mạch nguồn

a) Tính toán, lựa chọn linh kiện

Do các bộ khuếch đại thuật toán dùng trong mạch sử dụng nguồn đối xứng DC

±12V và các IC số sử dụng nguồn DC 5V nên mạch nguồn được thiết kế như sau:

 Sử dụng 2 IC ổn áp LM7812 và LM7912 để tạo nguồn đối xứng DC

Chọn hệ số biến đổi của biến áp: 220V/20V;

Sử dụng cầu diode 2W005G để tạo điện áp DC: khi đó điện áp trên cửa ra của cầu sẽ là:

 Do điện áp sau khi chỉnh lưu không được phẳng nên ta mắc thêm các

tụ hóa có điện dung C= 4700µF nhằm giàn phẳng điện áp, các tục gốm

104 để lọc nhiễu và các tụ hóa 220µF để dàn phẳng điện áp một lần nửa ở của ra của IC ổn áp.

 Kết quả ta được các điện áp DC ở cửa ra la: -12V DC, +12V DC, +5V DC

b) Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 3.2: Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn

3.3 Tính toán, thiết kế mạch chuẩn hóa

a) Tính toán, thiết kế mạch chẩn hóa điện áp 0÷5V

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý mạch chuẩn hóa điện áp

Do yêu cầu: Điện áp sau khi chuẩn hóa: U= 0÷5V

Mặt khác: điện áp cần chuẩn hóa (điện áp ra của cảm biến): 0÷129mV

Nên hệ số khuếch đại của mạch là:

Trong mạch này tôi sử dụng KĐTT µA741 để khuếch đại điện áp đầu vào.

Tính toán giá trị điện trở mắc vào mạch:

Hệ số khuếch đại của mạch tính theo công thức:

thường chọn điều kiện mạch : R12(R15+R16) = R14*R13(1)

d)Tính toán thiết kế mạch chẩn hóa điện áp 0÷ 20mA

Dòng điện đầu ra I11=Ur/(R10+R11) và Ur=(1+R11/R10)Uv

1. Với Uv= 0 – 1.29V và I11= 0 – 20mA

2. Uvmin= 0V  I11min= 0mA

3. Uvmax= 1.29V I11max= 20mA

C) Chọn R10=50Ω R11=64.5Ω R12=10kΩ

3.4 Tính toán, thiết kế mạch nháy Led và cảnh báo

a) Yêu cầu: chọn chuẩn hóa điện áp ra 0 - 5 v k=500/129

Trong giới hạn bình thường: toC = 0oC ÷ 97oC, Led nháy với thời gian sáng tối bằng nhau t = (1+0.5*a) = 5.5s

Cảnh báo bằng còi khi khi nhiệt độ lớn hơn 97oC

Với yêu cầu trên ta thực hiện thiết kế mạch so sánh sử KĐTT µA741

Tại 97oC điện áp đầu ra của cảm biến:

Ucb = 97oC * 10mV/ oC = 970mV

Do đó điện áp đầu ra của mạch chuẩn hóa điện áp là:

Uch (97 oC) = 0.97.k=3.78vVậy mạch so sánh sẽ chuyển trạng thái khi điện áp đầu vào so sánh lớn hơn 3.78V

Lợi dụng hệ số khuếch đại tương đối lớn của KĐTT ta tạo mạch so sánh không phản hồi với cách kết nối như hình trên Uout nối với chân 4 của IC555

điệp áp từ khối chuẩn hóa vào nhỏ hơn 3.78v thì Uout bão hòa dương và ngược lại

Theo yêu cầu của đề bài: thời gian đèn sáng, tắt bằng nhau t=5.5s, do đó ta sử dụng IC NE555 đã giới thiệu ở Chương 2 để tạo xung xuông đối xứng cấp nguồn cho Led

Sơ đồ nguyên lý của mạch như sau:

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch nháy Led

Ta có thời gian đèn sáng được tính bằng:

Chọn R3= R4=10kΩ thay vào (*) ta được: t=R5C4ln2=5.5 ta đc

Chọn điện trở hạn dòng cho led R13=220Ω

Lợi dụng chức năng của chân 4 dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối mức thấp thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ

ra phụ thuộc vào điện áp chân 2 và chân 6

Do led chỉ nháy trong khoãng toC = 0oC ÷ 97oC nên ta kết nối chân 4 của NE555 với đầu ra của mạch so sánh như đã trình bày ở trên, tức là:

 Khi nhiệt độ ≤ 97oC: điện áp ra của mạch so sánh Vout bão hòa dương ic555 hoạt dộng led nhấp nháy

 Khi nhiệt độ > 97oC: điện áp ra của mạch so sánh Vout bão hào âm lúc này ic

555 không tạo ra xung vuông nữa đèn led không còn nhấp nháy và bị tắtc)) Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo bằng còi và quạt tản nhiệt

Yêu cầu của bài: cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá 97oC, do đó ta sử dụng còi chíp có thông số như sau:

 Điện áp định mức: 5V;

 Độ lớn âm thanh: 80dB;

 Tần số: 2300 ± 300 Hz;

 Kích thước: 9x12mm;

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch còi cảnh báo và quat tản nhiệt

lợi dụng tính chất của cổng NOT

khi Uch<3.78V lúc này Uout bão hòa dương và gần bằng Us+ khi qua cổng NOT

do đầu vào mức cao nên đầu ra mức thấp còi không kêu

khi Uch>3.78V lúc này Uout bão hòa âm và gần bằng Us- khi qua cổng NOT đầu vào mức thấp nên đầu ra mưc cao còi báo động kêu

nguyên lý quạt tản nhiệt: ta dùng transistor thuân pnp làm khóa điện tử khi nhiệt đọtrong mức giới hạn tức là Uch<3.78v thì đầu ra mạch so sanh bão hòa dương lúc này cực B transistor nối dương nguồn do đó transistor off quạt tản nhiệt không quay khi nhiệt độ vợt quá giới hạn tức Uch>3.78V đầu ra mạch so sánh bão hòa

âm cực B transistor nối âm nguồn lúc này transistor bão hòa UCE=nguồn cấp ta cấp cho cực C transistor điện áp 24VDC vừa đủ cho quạt

3.5 Tính toán, thiết kế mạch hiển thị nhiệt độ

Để thực hiện điều này ta sử dụng ADC0804 với sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi ADC

Để dùng đồng hồ bên trong, chân CLK IN và CLR R của ADC0804 được kết nối với điện trở 10K và tụ điện 150pF khi đó thời gian cần thiết để chuyển đỗi một tín hiệu tương tự sang tín hiệu số là 110µs

Chân RD được nối đất để ADC xuất tín hiệu liên tục trên các chân ra

DB0÷DB7

Để mở cổng Vin (+) và Vin (-) cho tín hiệu tương tự đi vào, chân WR được nối với nguồn tạo xung IC NE555 có thời gian xung cao và xung thấp bằng nhau.Điện áp ra của cảm biến LM35 được nối với chân Vin (+) của ADC khi đó điện

áp Vin = 0÷1.29V Do điện áp đầu ra của cảm biến thay đổi 10mV/oC nên ta thực hiện tính toán điện áp cấp vào chân VREF/2 sao cho một bước nhảy của

ADC tương ứng với 10mV để giá trị số nhị phân đầu ra ADC tương ứng là

giá trị nhiệt độ.Vậy cần cấp vào chân VREF/2 một điện áp tham chiếu có giá

trị 1.275V

Để làm được điều này, cần xét tới sự tương quan giữa loại mã: mã thập phân,

mã nhị phân và mã BCD Ta có bảng sau:

Nhận thấy:

 Khi giá trị <10 thì mã nhị phân và mã BCD hoàn toàn giống nhau

 Khi giá trị ≥10 để có mã BCD ta phải cộng thêm 6 vào mã nhị phân

c)) Để giải quyết vấn đề hiệu chỉnh này trước tiên ta sẽ thực hiện một mạch phát hiện kết quả trung gian của mạch cộng 2 số nhị phân 4 bit Mạch này nhận kết quả trung gian của phép cộng 2 số nhị phân 4 bit và cho ở ngõ ra Y=1 khi kết quả này ≥ 10, ngược lại Y=0.

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch cộng hai số nhị phân 4 bit

Như vậy ta đã chuyển được số nhị phân 4 bit thanh mã BCD

Ở bít thứ 5: (giá trị thập phân tương ứng là 16) Vì vậy, ta sẽ cộng 6 vào khối mạchhiển thị đơn vị, và cộng 1 vào khối hiển thị hàng chục

Ở bít thứ 6: (giá trị thập phân tương ứng là 32) Vì vậy, ta sẽ cộng 2 vào khối mạchhiển thị đơn vị, và cộng 3 vào khối hiển thị hàng chục

Ở bít thứ 7: (giá trị thập phân tương ứng là 64) Vì vậy, ta sẽ cộng 4 vào khối mạchhiển thị đơn vị, và cộng 6 vào khối hiển thị hàng chục Đến đây có thể sẽ xuất hiện chàn biết ở hàng chục vì thế ta dùng mạch trung gian để cộng 1 vào hàng trăm