ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ DÙNG LM35

Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độGiáo Viên Bộ Môn :TỐNG THỊ LÝSinh viên thực hiện :VŨ THỊ LAN ANHMã sinh viên: 0941040611Lớp: Điện 7K9LỜI 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

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN MÔN VI MẠCH TƯƠNG TỰ

Đề Tài:

Ứng dụng VMTT&VMS thiết kế mạch đo và cảnh báo

và hiển thị nhiệt độ.

Giáo Viên Bộ Môn : TỐNG THỊ LY Sinh viên thực hiện : BÙI VĂN CHUNG

Mã sinh viên: 0941040398 Lớp: ĐIỆN 5-K9

LỜI NÓI ĐẦU

Với mục tiêu công nghiệp hóa , hiện đại hóa và tốc độ phát triểnchóng mặt về công nghệ và kĩ thuật cũng như chất lượng đời sống của đấtnước trong thời kì hiện nay thì vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bịcông nghiệp nhằm nâng cao năng xuất lao động và chất lượng sản phẩmđồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọng đáng để Có thể nhậnthấy:Trong thực tế có rất nhiều vấn đề liên quan đến đo và điều khiển nhiệtđộ.Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, các lò luyện gang, sắt, thép,đèn báocháy

Suốt thời gian học vừa qua em được tích lũy một lượng kiến thức mà thầy

cô truyền đạt để xây dựng đề tài : Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử

dụng IC cảm biến nhiệt độ.

Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của côgiáo hướng dẫn “ Tống Thị Lý ” cùng các thầy cô trong bộ môn “Đo lườngđiều khiển số” đã giúp đỡ em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này Nhưng

do lượng kiến thức tiếp thu còn hạn chế nên trong đề tài này không tránhkhỏi thiếu sót Em mong được sự đóng gó pcũng như lời nhận xét 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

• Khái niệm về nhiệt độ

• Khái niệm:

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động củacác nguyên tử, phân tử của một hệ vật chất.Tuỳ theo từng trạng thái của vậtchất (rắn, lỏng, khí) mà chuyển động này có khác nhau Ở trạng thái lỏng,các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nóluôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định.Còn ởtrạng thái rắn,các phần tử,nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cânbằng.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 lượngnhưng 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 độthất.Ở trạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạnhiệt

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 dochênh 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 giácường độ của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo củamỗi thời kỳ.Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từngvùng,từng thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện naychúng ta có 3 thang đo nhiệt độ chính là:

• Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K )

• Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15

• Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67

Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay.Trong đóthang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơbản của hệ đơn vị quốc tế (SI).Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánhgiá 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 kếtiếpxúc Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạocủa nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúngphải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo.Đối với môi trường khí hoặc nước, chuyển đổi được đặt theo hướng ngượclại với dòng chảy.Với vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vào vật,nhiệt lượng sẽtruyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn hao nhiệt, nhất là với vậtdẫn nhiệt kém Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn

càng tốt.Khi đo nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệtkế vào môi 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 tuyệtđối,tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất.Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trongmột đơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vịcủa độ dài sóng

1.4 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ

1.4.1: Sơ đồ khối

Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì phụ thuộc vào đặctính của đại lượng cần đo ,điều kiện đo, cũng như độ chính xác yêu cầu củamột phép đo mà ta có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sởcủa hệ thống đo lường khác nhau trên cơ sở của các hệ thống đo lường khácnhau

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 so sánh: so sánh điện áp đầu ra của cảm biến với điện áp đặt, đểđưa 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 caomà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độCelsius.Chúng cũng không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã đượccân 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 điệnáp ra khác nhau Xét một số mức điện áp sau

Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp Đốivới hệ thống này thì đo từ 0℃ đến +103℃

LM35 có 3 chân : 2 chân cấp nguồn và 1 chân xuất điện áp ra tùy theonhiệt độ

Nhiệt 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 áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản.Cácloại ổn áp thường được 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 tựnhau

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 thayđổi Mạch này dùng để bảo vệ những linh kiện chỉ hoạt động ở điện áp +5V(các loại IC, vi điều khiển thường hoạt động ở điện áp này) Mạch trên lấy nguồn một chiều từ một nguồn ngoài với điện áp trên 5V vànhỏ hơn 20V để đưa vào ngõ IN 7805 Khi kết nối mạch điện, do nhiềunguyên nhân người dùng dễ nhầm lẫn cực tính của nguồn cung cấp khi đấunối vào mạch, trong trường hợp này rất dễ ảnh hưởng đến các linh kiện trênboard mạch.Vì lí do đó gắn nối tiếp 1 diode có dòng phù hợp trước chân INcủa LM7805 để tránh gây hư hại các linh kiện phía 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,mạch dao động đa hài, bộ chia tần, mạch trễ, … Nhưng trong mạch này, IC

555 được sử dụng làm bộ phát xung

Thời gian được xác lập theo mạch định thời R, C bên ngoài Dãy thờigian tác động 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 RS Flip-flop

Khi S = [1] thì Q = [1] và = [0]

Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và = [0]

Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0]

Tóm lại: khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0], = [1], transistor

mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân

6 không vượt quá V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset

- 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 = [1], Q = [1] và = [0] Ngõ ra của IC ở mức 1

Khi = [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng Khi nhả công tắc, Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp

1 ở mức 0, S = [0], Q và vẫn không đổi Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơn V2,

FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó

Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kỳ ổn định

• Bộ chuyển đổi tương tự số 8 bit ADC0804

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

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 nhịphân tương đương với nó và giữ nó trong một thanh ghi trong RDđược sử dụng để nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra củaADC0804 Khi 0CS = nếu một xung cao – xuống – thấp được áp đếnchân RD thì đầu ra số 8 bit được hiển diện ở các 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 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 thiếtđể chuyển 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

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=

Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C = 150pFvà tần số nhận được là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mấtlà 110sμ

• 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 sàngđể lấy đi Sau khi INTR xuống thấp, ta đặt CS = 0 và gửi một xungcao 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 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

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 tháivà 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 đầuvào tương tự và độ phân dãy là sự thay đổi nhỏ nhất được tính nhưlà (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

• 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.

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

* Tính toán thiết kế:

Để LED sang 1 cách bình thường thì trên mỗi đoạn của LED cần cungcấp giá trị dòng điện khoảng 10mA Điện áp rơi trên mỗi LED vào khoảng2mV 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 nhấtvà lúc 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 nàytrong trường 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

• Chế độ ngắt: Cung cấp nguồn điện sao cho hai tiếp xúc P-N đều phâncực ngược Tranzito có điện trở rất lớn và chỉ có một dòng điện rấtnhỏ chạy qua nên tranzito coi như không dẫn điện