bài tập lớn vi mạch tương tự và vi mạch số đo và cảnh báo nhiệt độ

bài tập lớn vi mạch tươDùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ Giáo Viên Bộ Môn :TỐNG THỊ LÝ Sinh viên thực hiện :VŨ THỊ LAN ANH Mã sinh viên: 0941040611 Lớp: Điện 7K9 LỜI NÓI ĐẦU  Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển trở thành một nước công nghiệp.Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năng xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọng đáng để chú ý.Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn đề đo và điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, các lò luyện gang, sắt, thép... Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương tự vi mạch số và các môn liên quan nhóm chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dung IC cảm biến nhiệt độ. Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của cô giáo hướng dẫn “ Tống Thị Lý ” đã giúp đỡ em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này. Nhưng do lượng kiến thức còn hạn chế nên trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót. Em mong được sự đóng góp của thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ng tự và vi mạch số đo và cảnh báo nhiệt độ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh

báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ

Giáo Viên Bộ Môn :TỐNG THỊ LÝ

Sinh viên thực hiện : VŨ THỊ LAN ANH

Mã sinh viên: 0941040611

Lớp: Điện 7-K9

LỜI NÓI ĐẦU

Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương tự -vi mạch số và các môn liên quannhóm chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dung ICcảm biến nhiệt độ

Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của cô giáo hướngdẫn “ Tống Thị Lý ” đã giúp đỡ em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này Nhưng dolượng kiến thức còn hạn chế nên trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót Emmong được sự đóng góp của thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Mục lục

Chương 1 : Tổng quan về mạch đo

Chương 2 : Giới thiệu các thiết bị, linh kiện cần cho hệ thống

Chương 3 : Tính toán, thiết kế mạch đo.

3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến.

3.2 Tính toán, thiết kế mạch nguồn cấp.

3.3 Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa.

3.4 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED.

3.5 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo.

3.6 Sơ đồ tổng thể mạch và dùng phần mềm mô phỏng mạch.

3.7 Bộ giải mã BCD.

Kết luận và phương hướng phát triển

Chương 1 : Tổng quan về mạch đo

1.1 Khái niệm về nhiệt độ

1.1.1 Khái niệm:

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 khác nhau Ở trạng thái lỏng, các phân tử dao độngquanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chấtlỏng không có hình dạng nhất định.Còn ở trạng thái rắn,các phần tử,nguyên tử chỉ daođộng xung quanh vị trí cân bằng.Các dạng vận động này của các phân tử,nguyên tửđược gọi chung là chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi nănglượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sựtruyền 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 thất.Ở

trạng 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 bằngđối lưu Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyển cácphần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉ trọng

1 1 2 Thang đo nhiệt độ:

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độcủa nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ.Cónhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng,từng thời kỳ pháttriển của khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độ chínhlà:

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

1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc

Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếpxúc Cóhai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo của nhiệt kế nhiệtđiện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất traođổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đối với môi trường khí hoặc nước,chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắn khi đặt nhiệt kếsát 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 lớncàng tốt.Khi đo nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệt kế vàomôi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài

1.3 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 vậthấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọi vậtthể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vịdiện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng

1.4 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ

Sơ đồ khối của hệ thống đo:

1.4.2: Vai trò tác dụng của các khối:

 Khối nguồn : làm nhiệm vụ đảm bảo nguồn cấp cho cảm biến luôn là +5V nguồn nuôi cảm biến.

 Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu ra cho các mạch so sánh, khuếch đại, vào ADC.

 Mạch khuếch đại : khuếch đại và chuẩn hóa các điện áp, dòng điện theo yêu cầu bài toán.

 Chỉ thị: là các Ampmeter hoặc Volmeter hiển thị dòng hoặc áp vị trí cần đo và trước sau chuẩn hóa.

Mạch khuếch đại, chuẩn hóa

Chỉ thị

Biến

Mạch so sánh

Còi báo

Hiển thị BCD

 Mạch so sánh: so sánh điện áp đầu ra của cảm biến với điện áp đặt, để đưa ra cảnh báo hoặc để LED nhấp nháy bình thường.

 Còi báo: báo động khi nhiệt độ vượt quá giá trị đặt.

 Mạch nhấp nháy: đèn LED nhấp nháy trong chế độ nhiệt độ bình thường, tắt khi vượt quá nhiệt theo yêu cầu bài toán.

Cảm biến LM 35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện ápđầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius.Chúng cũng khôngyêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh

Đặc điểm chính của cảm biến LM35 :

+ Điện áp đầu vào từ 0V đến 10V

+ 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 0℃ - 150℃ với các mức điện áp ra khácnhau Xét một số mức điện áp sau

Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệthống này thì đo từ 0℃ đến +60℃

LM35 có 3 chân : 2 chân cấp nguồn và 1 chân xuất điện áp ra tùy theo nhiệt độNhiệt độ tăng 1C thì điện áp xuất ra ở chân out của LM35 tăng 10mV

2.2 Giới thiệu về IC 7805 ( IC ổn áp 5V)

Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao,sử dụng IC ổn ápthường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản.Các loại ổn áp thườngđược sử dụng là IC 78xx,với xx là điện áp cần ổn áp.Ví dụ 7805 ổn áp 5V, 7912 ổn

áp -12V Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tự nhau

LM7805 ( kiểu chân TO220: 1-IN, 2-GND, 3-OUT)

Ngõ ra OUT luôn ổn định ở +5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi Mạchnày dùng để bảo vệ những linh kiện chỉ hoạt động ở điện áp +5V (các loại IC, vi điều

Mạch trên lấy nguồn một chiều từ một nguồn ngoài với điện áp trên 5V và nhỏ hơn20V để đưa vào ngõ IN 7805 Khi kết nối mạch điện, do nhiều nguyên nhân ngườidùng dễ nhầm lẫn cực tính của nguồn cung cấp khi đấu nối vào mạch, trong trườnghợp này rất dễ ảnh hưởng đến các linh kiện trên board mạch.Vì lí do đó gắn nối tiếp 1diode có dòng phù hợp trước chân IN của LM7805 để tránh gây hư hại các linh kiệnphía sau khi lắp ngược cực.

2.3 Giới thiệu về IC 555

Đây là IC loại 8 chân được sử dụng rất phổ biến để làm: mạch đơn ổn, mạchdao động đa hài, bộ chia tần, mạch trễ, … Nhưng trong mạch này, IC 555 được sửdụng làm bộ phát xung

Thời gian được xác lập theo mạch định thời R, C bên ngoài Dãy thời gian tácđộng hữu hiệu từ vài micro giây đến vài giờ

IC này có thể nối trực tiếp với các loại IC: TTL/ CMOS/ DTL

2.3.1 Sơ đồ chân và chức năng các chân.

Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 555

Hình 1.2: Cấu trúc IC 555

Chức năng các chân:

+ Chân 1 : ( GND ) Nối mass.

+ Chân 2 : ( TRIGGER ) Nhận xung kích để đổi trạng thái.

+ Chân 3 : ( OUT ) Ngõ ra.

+ Chân 4 : ( RESET ) Trả về trạng thái đầu.

+ Chân 5 : ( CONTROL VOLTAGE ) Lấy điện áp điều khiển tần số dao động.

+ Chân 6 : ( THRESHOLD ) Lập mức ngưỡng cho tầng so sánh.

+ Chân 7 : ( DISCHARGE ) Đường xả điện cho tụ trong mạch định thời

+ Chân 8 : ( Vcc ) Nối với nguồn dương.

2.3.2: Nguyên lý hoạt động.

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý tạo dao động

Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC Mạch FF là loại

- Giai đoạn ngõ ra ở mức 1:

Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0

Vì điện áp ở chân 2(V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S

Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- (= 2/3 VCC), R = [1] nên Q = [0] và Q´= [1] Ngõ ra của IC ở mức 0.

Vì Q´= [1], transistor mở dẫn, amp2 có V+ = [0] bé hơn V-, ngõ ra của amp 2 ở mức 0 Vì vậy Q và Q´không đổi giá trị, tụ C xả điện thông qua transistor.Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kỳ ổn định

Op-1.Bộ chuyển đổi tương tự số 8 bit ADC0804

a Giới thiệu chung.

Chíp ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số trong họ các loạt ADC800, nó làmviệc với +5V và có độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổicũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ ADC Thời gian chuyển đổiđược định nghĩa như là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tựthành một số nhị phân Trong ADC0804 thời gian chuyển đổi thay đổi phụ thuộcvào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưng không thể nhanhhơn 110μs.s

Hình 3: IC chuyển đổi tương tự - số 8 bit ADC0804

b 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 thì chân nàyphải 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 phân tương đươngvới nó và giữ nó trong một thanh ghi trong RD được sử dụng để nhận dữliệu được chuyển đổi ở đầu ra của ADC0804 Khi 0CS = nếu một xung cao– xuống – thấp được áp đến chân RD thì đầu ra số 8 bit được hiển diện ởcác chân dữ liệu D0 – D7 Chân RD cũng được 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 cho ADC0804 bắtđầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao – xuống –thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về sốnhị phấn 8 bit Lượng thời gian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ thuộcvào tần số đưa đến chân CLK IN và CLK R Khi việc chuyển đổi dữ liệuđược hoàn tất thì chân INTR được 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 hồ ngoàiđược sử dụng để tạo ra thời gian Tuy nhiên ADC0804 cũng có một máy tạoxung đồng hồ Để sử dụng máy tạo xung đồng hồ trong của ADC0804 thìcác chân CLK IN và CLK R được nối tới một tụ điện và một điện trở Trongtrường hợp này tần số đồng hồ được xác định bằng biểu thức:

f=1.1 RC1

Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C = 150pF và tần sốnhận được là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là 110sμs

- 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 nó xuống thấp

để báo cho CPU biết là dữ liệu được chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi Sau khiINTR xuống thấp, ta đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống – 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 đầu vào tương tựcho ADC0804 nằm trong dãy 0-5V→(giống như chân VCC) Tuy nhiên, cónhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin cần phải khác ngoài dãy0→5V Chân /2REFV được dùng để thực thi các điện áp đầu vào khácngoài dãy 0→5V Ví dụ: Nếu dãy đầu vào tương tự cần phải là 0 →4V thìREFV/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) là các chânđầu ra dữ liệu số Đây là những chân được đệm ba trạng thái và dữ liệuđược chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD bị đưaxuống thấp Để tính điện áp đầu ra ta có thể sử dụng công thức sau:

k í c ht hướ cb ướ c

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 chân Vin tương

tự, còn đất số được nối tới đất của chân VCC Lý do mà ta phải có hai đất là

để cách ly tín hiệu tương tự Vin từ các điện áp ký sinh tạo ra việc chuyểnmạch số được chính xác Trong phần trình bày thì các chân được nối chungvới một đất Tuy nhiên, trong thực tế thu đo dữ liệu các chân đất này đượcnối tách biệt

2.Khuếch đại thuật toán LM358.

Hình 6 sơ đồ khối LM358

- LM358 cấu tạo gồm có 2 kênh khuếch đại thuật toán

Kênh 1: chân 2,chân 3 là chân đầu vào và chân 1 là chân đầu ra

Kênh 2: chân 5,chân 6 là chân đầu vào và chân 7 là chân đầu ra

Chân 4 là chân nối với nguồn âm, chân 8 là chân nối nguồn dương

3.IC 7447

IC dùng để giải mã tín hiệu rồi đưa tín hiệu đã được giải mã hiển thị qua LED 7thanh

Khi có 1 sự biến đổi điện áp từ cảm biến, tức sự thay đổi nhiệt độ môi trườngcần đo thì mã của 74LS47 cũng sẽ thay đổi phù hợp, tần số quét LED được thiết kếhợp lý để tránh mắt thường quan sát được.

* Tính toán thiết kế:

Để LED sang 1 cách bình thường thì trên mỗi đoạn của LED cần cung cấp giá trịdòng điện khoảng 10mA Điện áp rơi trên mỗi LED vào khoảng 2mV Nguồn cungcấp 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 và lúcnày 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 nên phải

có điện trở hạn dòng cho IC này để không sảy ra cháy IC mã hóa

5.LED báo.

Là thiết bị dùng để báo sáng nhấp nháy khi mạch đo thấy nhiệt độ trong phạm

vi cho phép

Hình 12: LED

Hình 13 : transistor

Transitor hay còn gọi là bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình

thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận,nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược

Nguyên lý hoạt động:

Muốn cho tranzito làm việc ta phải cung cấp cho các chân cực của nó một điện

áp một chiều thích hợp Có ba chế độ làm việc của tranzito là: chế độ tích cực (haychế độ khuếch đại), chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa Cả hai loại tranzito P-N-P vàN-P-N đều có nguyên lý làm việc giống nhau, chỉ có chiều nguồn điện cung cấp vàocác chân cực là ngược dấu nhau

- Chế độ ngắt: Cung cấp nguồn điện sao cho hai tiếp xúc P-N đều phân cựcngược Tranzito có điện trở rất lớn và chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua nêntranzito coi như không dẫn điện

- Chế độ dẫn bão hòa: Cung cấp nguồn điện sao cho cả hai tiếp xúc P-N đềuphân cực thuận Tranzito có điện trở rất nhỏ và dòng điện qua nó là khá lớn Ở chế độngắt và chế độ dẫn bão hòa, tranzito làm việc như một phần tử tuyến tính trong mạchđiện Ở chế độ này tranzito như một khóa điện tử và nó được sử dụng trong các mạchxung, các mạch số

- Chế độ tích cực: Ta cấp nguồn điện sao cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận,

và tiếp xúc góp TC phân cực ngược Ở chế độ tích cực, tranzito làm việc với quá trìnhbiến đổi tín hiệu dòng điện, điện áp, hay công suất và nó có khả năng tạo dao độngkhuếch đại tín hiệu