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 CƠNG THƯƠNG CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập - Tự - Hạnh phúc BÀI TẬP LỚN: vi mạch tương tự vi mạch số Số : Họ tên HS-SV: BÙI VĂN TỰ Nhóm : Lớp:Tự động hóa 2-K9 MSV :0941240224 stt : 79 Khố : Khoa : Điện NỘI DUNG Đề tài: Dùng vi mạch tương tự vi mạch số tính tốn, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến IC LM35,LM3X Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C = 00C ÷ tmax = ÷ (50+n)0C=129 độ C  Đầu ra: Chuẩn hóa đầu với mức điện áp: U=0 ÷ 5V U= ÷ -5V I=0÷20mA I=4÷20mA  Dùng cấu đo để thị LED hiển thị nhiệt độ  Khi nhiệt độ giới hạn bình thường : t0C=03*tmax/4.Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng tối bằng: T0=(1+0,5*a) giây  Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C= 3tmax/4 Đóng điện cho động điện chiều 24VDC chạy làm mát  Đưa tín hiệu cảnh báo còi nhiệt độ vượt giá trị :  t0C=3*tmax/4=97 độ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biến nhiệt độ Sau ta tìm hiểu phương pháp thường dùng dùng IC cảm biến 1.1 Sơ đồ nguyên lý chung mạch đo Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo : Sơ đồ khối nguyên lý mạch đo: Cảm biến Cảnh báo Chuẩn hóa So sánh Hiển thị Chuyển đổi ADC 2, Chức khối mạch đo :  khối cảm biến biến đổi tín hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện áp  điện áp vào lấy từ khối cảm biến đc chuẩn hóa thành chuẩn công nghiệp  so sánh ; giám sat thay đổi nhiệt độ đưa cảnh báo  cảnh báo : nhiệt độ giới hạn cảnh báo led q giới hạn cảnh báo còi  chuyển dổi adc: chuyển đổi tín hiệu Analog sang digital  hiển thị hiển thị điện áp Chương II :Các thiết bị dùng mạch đo 2.1Cảm biến:LM35 chức năng: LM35 IC tính hợp có chức biến đổi tính hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện áp ngồi LM35 có nhiều lại khác LM34,LM3X -VCC chân cấp nguồn cho ic hoạt động -GND chân nối đất -output tín hiệu thống số: -điện áp hoạt động cấp vào chân – 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 tốn µA 741 : khuếch đại dùng nhiều kỹ thuật điện trở có dụng khuếch đại tín hiệu điện điện áp, dòng điện, cơng suất phạm vi ta sử dụng khếch đại thuật toán để khuếch đại điện áp đưa từ cảm biến dùng so sánh để đưa khối cảnh báo cho mạch đo Hình ảnh thực tế khuếch đại thuật toán : Tên gọi chức 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; Thông số kỹ thuật:  Hệ số khuếch đại mạch hở (K0): 105 ;  Tổng trở cửa vào (ZI): 1MΩ;  Tổng trở cưa (ZO): 150Ω;  Dòng điện phân cực cửa vào: 0,2µA;  Điện áp lệch ngõ vi sai: 2mV;  Dải tần số cho phép: 1MHz;  Tốc độ quét: 0,5V/µs; IC tạo xung vuong NE555 Chức năng: IC 555 mạch tích hợp, sử dụng phổ biến việc tạo xung vuông điện áp không yêu cầu độ xác cao tần số lớn Sơ đồ khối, chân NE555: Hình 2.4: Hình ảnh thực tế, sơ đồ chân sơ đồ khối NE555  Chân (GND): cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC hay chân gọi chân chung  Chân (TRIGGER): chân đầu vào thấp điện áp so sánh dùng chân chốt hay ngõ vào tần so áp Mạch so sanh dùng transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3 Vcc  Chân (OUTPUT): chân chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái tín hiệu xác định theo mức 1 mức cáo tương ứng gần Vcc (PWM=100%) mức tương đương với 0V thực tế khơng mức 0V mà khoảng (0.35- >0,75V)  Chân (RESET): dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức cao trạng thái ngõ phụ thuộc vào điện áp chân chân Nhưng mà mạch để tạo dao động thường nối chân lên Vcc  Chân (CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biển áp hay dùng điện trở nối GND Chân khơng nối để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định  Chân (THRESHOLD): chân đầu vào so sánh điện áp khác dùng chân chốt liệu  Chân (DISCHAGER): xem chân khóa điện tử chịu điều khiển tầng logic chân Khi chân mức điện áp thấp khóa đóng lại, ngược lại mở Chân tự nạp xả điện cho mạch RC lúc IC 555 dùng tầng dao động  Chân (VCC): chân cung cấp áp dòng cho IC hoạt động Thông số kỹ thuật:  Nguồn hỗ trợ: +18V;  Công suất tiêu thụ: 600mW;  Nhiệt độ hoạt động: o C ÷70 o C; 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 chức chân: Chân số Tên Chức Chip select Chân trọn chip, đầu vào tích cực mức thấp để kích hoạt chíp Read Tín hiều đầu vào chuyển từ cao xuống thấp để xuất liệu chuyển đổi tới chân đầu Write Tín hiệu đầu vào chuyển từ thấp lên cao để bắt đầu trình chuyển đổi Clock IN Chân đầu vào để kết nối với đồng hồ bên Interrupt Chân ra: tín hiệu mức thấp trình chuyển đổi kết thúc Vin (+) Điện áp đầu vào mức cao tín hiệu Analog Vin (-) Điện áp đầu vào mức thấp tín hiệu Analog Analog Ground Chân nối đất cho tín hiệu Analog 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 11÷18 D7÷D0 Chân tín hiệu Digital 19 Clock R Sử dụng với chân Clock IN sử dụng đồng hồ bên 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 chức chân: Chân số Tên Chức Chip select Chân trọn chip, đầu vào tích cực mức thấp để kích hoạt chíp Read Tín hiều đầu vào chuyển từ cao xuống thấp để xuất liệu chuyển đổi tới chân đầu Write Tín hiệu đầu vào chuyển từ thấp lên cao để bắt đầu trình chuyển đổi Clock IN Chân đầu vào để kết nối với đồng hồ bên ngồi Interrupt Chân ra: tín hiệu mức thấp trình chuyển đổi kết thúc Vin (+) Điện áp đầu vào mức cao tín hiệu Analog Vin (-) Điện áp đầu vào mức thấp tín hiệu Analog Analog Ground Chân nối đất cho tín hiệu Analog 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 11÷18 D7÷D0 Chân tín hiệu Digital 19 Clock R Sử dụng với chân Clock IN sử dụng đồng hồ bên ADC 20 Vcc Chân cấp dương nguồn, hỗ trợ 5V 2.6 Bộ cộng nhị phân bit 74LS83 Chức năng: tương tự cộng nhị phân khác, IC số 74LS83 có mạch tích hợp với khả cộng hai số nhị phân bit cho kết tương đối nhanh Sơ đồ chân 74LS83:  A1÷A4: chân đầu vào số bit thứ nhất;  B1÷B4: chân đầu vào số bit thứ hai;  C0: số nhớ đầu vào;  ∑1÷∑4: chân đầu phép cộng;  C4: chân đầu 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 Anot chung 74LS247 Chức năng: từ số BCD đầu vào chuyển đổi thành tín hiệu đầu phục vụ hiển thị cho Led Sơ đồ chân: Hình 2.8: Sơ đồ chân 74LS247 Hình 2.9: Bảng trạng thái 74LS247 2.8 Led Anot chung Sơ đồ chân led đơn: Hình 2.10: Sơ đồ chân led 2.9 Bộ cộng logic DM74LS32 Chức năng: IC DM74LS32 mạch tích hợp dùng để cộng logic hai tín hiệu đầu vào trả kết cộng chân đầu Sơ đồ chân:  1A-1B÷4A-4B: đầu vào tín hiệu logic cần cộng;  Y1÷Y4: kết phép cộng logic tương ưng;  Vcc: chân cấp nguồn cho IC hoạt động, hỗ trợ nguồn 5V;  GND: chân nối đất; Hình 2.11: Sơ đồ chân 74LS32 Thông số kỹ thuật:  Điện áp nguồn cấp hỗ trợ: 5V;  Điện áp mức cao: 2V;  Điện áp mức thấp: 0.8V;  Dòng điện 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 mạch tích hợp dùng để nhân logic hai tín hiệu đầu vào trả kết nhân chân đầu Sơ đồ chân:  1A-1B÷4A-4B: đầu vào tín hiệu logic cần nhân;  Y1÷Y4: kết phép nhân logic tương ưng;  Vcc: chân cấp nguồn cho IC hoạt động, hỗ trợ nguồn 5V;  GND: chân nối đất; Hình 2.12: Sơ đồ chân SN74LS08 Thông số kỹ thuật:  Điện áp nguồn cấp hỗ trợ: 5V;  Điện áp vào mức cao: >2V;  Điện áp vào mức thấp: X= 8/645 R13/(R12*R16)= 8/645 (3) Từ (1) (3) ta có R13=40Ω ,R12= 50Ω , R16= 64.5Ω d)Tính tốn thiết kế mạch chẩn hóa điện áp 0÷ 20mA Dòng điện đầu I11=Ur/(R10+R11) Ur=(1+R11/R10)Uv  Với Uv= – 1.29V I11= – 20mA  Uvmin= 0V  I11min= 0mA  Uvmax= 1.29V I11max= 20mA C) Chọn R10=50Ω R11=64.5Ω R12=10kΩ 3.4 Tính tốn, thiết kế mạch nháy Led cảnh báo a) Yêu cầu: chọn chuẩn hóa điện áp - v k=500/129 Trong giới hạn bình thường: toC = 0oC ÷ 97oC, Led nháy với thời gian sáng tối t = (1+0.5*a) = 5.5s Cảnh báo còi khi nhiệt độ lớn 97oC  Tính tốn, thiết kế mạch so sánh phát ngưỡng nhiệt độ Với yêu cầu ta thực thiết kế mạch so sánh sử KĐTT µA741 Tại 97oC điện áp đầu cảm biến: Ucb = 97oC * 10mV/ oC = 970mV Do điện áp đầu mạch chuẩn hóa điện áp là: Uch (97 oC) = 0.97.k=3.78v Vậy mạch so sánh chuyển trạng thái điện áp đầu vào so sánh lớn 3.78V Lợi dụng hệ số khuếch đại tương đối lớn KĐTT ta tạo mạch so sánh không phản hồi với cách kết nối hình Uout nối với chân IC555 điệp áp từ khối chuẩn hóa vào nhỏ 3.78v Uout bão hòa dương ngược lại  Tính tốn, thiết kế mạch nháy Led Theo yêu cầu đề bài: thời gian đèn sáng, tắt t=5.5s, ta sử dụng IC NE555 giới thiệu Chương để tạo xung xuông đối xứng cấp nguồn cho Led Sơ đồ nguyên lý mạch sau: Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch nháy Led Ta có thời gian đèn sáng tính bằng: Chọn R3= R4=10kΩ thay vào (*) ta được: t=R5C4ln2=5.5 ta đc C=739uF Thông số kỹ thuật đèn Led sử dụng mạch:  Màu sắc: Xanh lá;  Kích thước: 0.5mm;  Điện áp định mức: 1.8÷2V;  Dòng định mức 10÷25mA Chọn điện trở hạn dòng cho led R13=220Ω Lợi dụng chức chân dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối mức thấp ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức cao trạng thái ngõ phụ thuộc vào điện áp chân chân Do led nháy khỗng toC = 0oC ÷ 97oC nên ta kết nối chân NE555 với đầu mạch so sánh trình bày trên, tức là:  Khi nhiệt độ ≤ 97oC: điện áp mạch so sánh Vout bão hòa dương ic555 hoạt dộng led nhấp nháy  Khi nhiệt độ > 97oC: điện áp mạch so sánh Vout bão hào âm lúc ic 555 không tạo xung vuông đèn led khơng nhấp nháy bị tắt  Tính tốn, thiết kế mạch cảnh báo còi quạt tản nhiệt Yêu cầu bài: cảnh báo còi nhiệt độ vượt q 97oC, ta sử dụng còi chíp có thơng số sau:  Điện áp định mức: 5V;  Độ lớn âm thanh: 80dB;  Tần số: 2300 ± 300 Hz;  Kích thước: 9x12mm; Hình 3.7 Sơ đồ ngun lý mạch còi cảnh báo quat tản nhiệt lợi dụng tính chất cổng NOT Uch3.78V lúc Uout bão hòa âm gần Us- qua cổng NOT đầu vào mức thấp nên đầu mưc cao còi báo động kêu nguyên lý quạt tản nhiệt: ta dùng transistor thuân pnp làm khóa điện tử nhiệt đọ mức giới hạn tức Uch3.78V đầu mạch so sánh bão hòa âm cực B transistor nối âm nguồn lúc transistor bão hòa UCE=nguồn cấp ta cấp cho cực C transistor điện áp 24VDC vừa đủ cho quạt 3.5 Tính tốn, thiết kế mạch hiển thị nhiệt độ  Chuyển tín hiệu điện áp cảm biến sang mã nhị phân Để thực điều ta sử dụng ADC0804 với sơ đồ nguyên lý sau: Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi ADC Để dùng đồng hồ bên trong, chân CLK IN CLR R ADC0804 kết nối với điện trở 10K tụ điện 150pF thời gian cần thiết để chuyển đỗi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số 110µs Chân RD nối đất để ADC xuất tín hiệu liên tục chân DB0÷DB7 Để mở cổng Vin (+) Vin (-) cho tín hiệu tương tự vào, chân WR nối với nguồn tạo xung IC NE555 có thời gian xung cao xung thấp Điện áp cảm biến LM35 nối với chân Vin (+) ADC điện áp Vin = 0÷1.29V Do điện áp đầu cảm biến thay đổi 10mV/oC nên ta thực tính tốn điện áp cấp vào chân VREF/2 cho bước nhảy ADC tương ứng với 10mV để giá trị số nhị phân đầu ADC tương ứng giá trị nhiệt độ.Vậy cần cấp vào chân VREF/2 điện áp tham chiếu có giá trị 1.275V  Chuyển mã nhị phân bit thành mã BCD hiển thị led Để làm điều này, cần xét tới tương quan loại mã: mã thập phân, mã nhị phân mã BCD Ta có bảng sau: Nhận thấy:  Khi giá trị