BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập Tự do Hạnh phúc BÀI TẬP: VMTT Số : 3 Họ và tên HSSV : Trương Văn Vỹ Nhóm : 3 Lớp : Điện 5 Khoá : 13 Khoa : Điện. NỘI DUNG Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ. Yêu cầu: Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0 ÷ (50 + 74)0C.. Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp: 1. U=0 ÷ 10V 2. U= 0 ÷ 5V 3. I=0÷20mA. 4. I=4÷20mA Dùng cơ cấu đo để chỉ thị. Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷2tmax3=83. Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: =(1+0,54) giây. Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t0C= 2tmax3 Trong đó: a: chữ số hàng đơn vị của danh sách (ví dụ: STT=3a=3; STT=10a=0) n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách. 74
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN - BÁO CÁO BÀI TẬP VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Khánh Hòa Trương Văn Vỹ Lớp: Điện – K13 Nhóm: Mã sinh viên: 2018605539 HÀ NỘI – 2020 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc BÀI TẬP: VMTT Số : Họ tên HS-SV : Trương Văn Vỹ Nhóm : Lớp : Điện Khoá : 13 Khoa : Điện NỘI DUNG Đề tài: Dùng vi mạch tương tự tính tốn, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = ÷ (50 + 74)0C - Đầu ra: Chuẩn hóa đầu với mức điện áp: U=0 ÷ 10V U= ÷ -5V I=0÷20mA I=4÷20mA - Dùng cấu đo để thị - Khi nhiệt độ giới hạn bình thường : t0C=0÷2*tmax/3=83 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng tối bằng: =(1+0,5*4) giây - Đưa tín hiệu cảnh báo cịi nhiệt độ vượt giá trị : t0C= 2*tmax/3 Trong đó: a: chữ số hàng đơn vị danh sách (ví dụ: STT=3a=3; STT=10a=0) n: Số thứ tự sinh viên danh sách 74 PHẦN THUYẾT MINH Yêu cầu bố cục nội dung: Chương 1: Tổng quan mạch đo Chương 2: Giới thiệu thiết bị Chương 3: Tính tốn, thiết kế mạch đo - Tính tốn, lựa chọn cảm biến - Tính tốn, thiết kế mạch đo - Tính tốn, thiết kế mạch nguồn cung cấp - Tính tốn, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa - Tính tốn mạch nhấp nháy cho LED - Tính tốn, thiết kế mạch cảnh báo - Kết luận hướng phát triển Yêu cầu thời gian : Ngày giao đề : Ngày hoàn thành: 11-06-2020 GIỚI THIỆU Ngày lĩnh vực đời sống việc đo kiểm sốt nhiệt độ q trình, thiết bị sản xuất nằm giới hạn cho phép làm việc chúng điều cần thiết, tránh gây hư hỏng thiết bị, thiệt hại kinh tế… Ngày với phát triển khoa học công nghệ thiết bị đo nhiệt độ càn ngày đại, việc đo nhiệt đọ trở lên dễ dàng chín xác ơn nhiều Trong tập lớn với trình độ người sinh viên năm chúng em xin thiết kế thiết bị đo kiểm soát nhiệt độ sủ dụng IC cảm biến nhiệt độ………… Chương 1: Tổng quan mạch đo Mạch đo sử dụng khối chức sau: Khối cảm biến nhiệt độ Khối khuếc đại điện áp Khối so sánh Khối hiển thị Khối chuyển đổi U/I, I/U Khối cảnh báo( còi, đèn…) Khối đếm giây Chức khối Khối cảm biến : khối cảm biến có chức biến đổi tín hiệu khơng điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng Hiện có nhiều loại cảm biến nhiệt độ thông dụng mà ta thường dùng : * cặp nhiệt ngẫu * nhiệt điện trở kim loại * IC cảm biến nhiệt độ Khối khuếch đại : có chức khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, tín hiệu điện cảm biến đưa thường bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào mạch điện khác Ta sử dụng khuếch đại thuật tốn µA 741 Mạch so sánh : có tác dụng so sánh tín hiệu đưa từ khối khuếch đưa khối sau Việc so sánh tín hiệu ứng dụng cho mạch cảnh báo có nhiệt độ Sử dụng khuếch đại thuật tốn µA 741 Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu dịng điện sang tín hiệu điện áp để hiển thị Sử dụng khuếch đại thuật tốn µA 741 khối cánh báo : cảnh báo cho người biết nhiệt độ tăng cao so với nhiệt độ cho phép Sử dụng đèn cịi cảnh báo Đó khối dùng mạch đo cảnh báo nhiệt độ dùng IC cảm biến nhiệt độ Chương 2: Giới thiệu thiết bị 1, IC cảm biến nhiệt độ IC cảm biến nhiệt độ có nhiều loại, gồm nhiều họ khác LM35/LM45 ngõ tín hiệu điện áp(10m/0C) o LM35 dải đo từ -550c =>1500c, sai số 10C o LM45 dải đo từ -200c =>1000c, sai số 30C Ngõ dòng điện o Dòng điện ngõ tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối o Độ nhạy điều chỉnh điện trơ o Chỉ cần cấp nguồn khoảng 1,2V IC hoạt động Ngõ so sánh LM56, LM26, LM27 o Ngõ tương tự o Ngõ so sánh 2, Khuếch đại thuật toán µA741 Bộ khuếch đại dùng nhiều kỹ thuật điện trở có dụng khuếch đại tín hiệu điện điện áp, dịng 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 3, Còi đèn cảnh báo Ta sử dụng loại chng đèn cảnh báo có sẵn thị trường 4, Các thiết bị khác Điện trở Tụ điện Chương 3: Tính tốn, thiết kế mạch đo 3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến Với yêu cầu dải đo từ 00C tới 1240C ta chọn IC cảm biến LM35 có dải đo từ -550c =>1500c tương đối gần với dải đo yêu cầu, sai số tương đối nhỏ , sai số 10C - LM35 cảm biến nhiệt độ analog Nhiệt độ xác định cách đo hiệu điện ngõ LM35 Hình Lm35 Sơ đồ chân Chân 1: Chân 2: Chân 3: Một số thơng Cảm biến biến nhiệt xác cao tỷ lệ nhiệt độ theo Chúng chỉnh ngồi vốn chúng cân chỉnh LM35 sau: Chân nguồn Vcc Đầu Vout GND số LM35: LM35 cảm mạch tích hợp mà điện áp đầu tuyến tính với thang độ Celsius khơng u cầu cân Đặc điểm cảm biến LM35: + Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V + Độ phân giải điện áp đầu 10mV/oC + Độ xác cao 25 C 0.5 C + Trở kháng đầu thấp 0.1 cho 1mA tải Dải nhiệt độ đo LM35 từ -55 C - 150 C với mức điện áp khác Xét số mức điện áp sau : - Nhiệt độ -55 C điện áp đầu -550mV - Nhiệt độ 25 C điện áp đầu 250mV - Nhiệt độ 150 C điện áp đầu 1500mV 3.2 Tính tốn, thiết kế mạch đo Mạch đo gồm khối sau Khối nguồn Khối khuếch đại điện áp Khối tạo xung nhấp nháy cho led Khối cảnh báo 3.2.1 Tính tốn, thiết kế mạch nguồn cung cấp Nguồn cung cấp cho linh kiện sử dụng nguồn 5v, ta sử dụng nguồn 12v cho qua IC ổn áp LM7812 với tụ lọc ta thu điện áp đầu 5v 3.2.2 Tính tốn, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa a) Chuẩn hóa đầu với điện áp từ 0=>10v Mạch khuếch đại vi sai Nếu R1=R2; Rf = Rg Vout = K(V2-V1) Trong K= Rf/R1 Ở dải đo từ 00C tới 1240C điện áp ngả IC LM35 nằm khoảng từ 0V tới 1.24V Với chuẩn đầu từ => 10V ta có: Vout max=10v =K(1.24-0) K=81, chọn R1 = R2 =10k => Rf = Rg = 81k b) Chuẩn hóa với đầu U= -5v - Nếu ta cho tín hiệu vào đầu vào đảo (cực âm) đầu vào không đảo (cực dương) đem chập xuống mass ta mạch khuếch đại đảo - Hệ số khuếch đại điều chỉnh cách điều chỉnh giá trị điện trở R2 R1, hệ số khuếch đại tỷ số hai điện trở K = -R2 / R1 K hệ số khuếch đại mạc Khi điện áp ngã mạch tính theo cơng thức: Vout = K.Vin Với điện áp đầu ICLM35 0=>1.24V điện áp ngả OPAMP 0=>-5V ta có -5=-K.1.24 =>K=-4.033 => chọn R1= 10k => R2= 40.33k Chọn R3 = 8k Ta có sơ đồ mạch sau: c) Mạch chuẩn hóa đầu 0-20mV It = Uvào /R11 Với yêu cầu đầu từ 0-20mV ta có : 20* 10-3=1.24V/R11 => R11=62 (Ω) Chọn R10=10k, R9=10k; d) Chuẩn hóa đầu I= ÷ 20 mA Để tín hiệu chuẩn hóa ta dùng sơ đồ biến đổi U-I với khuếch đại thuật tốn Ta có : Khi U vào biến thiên từ ÷ 1,21 V I biến thiên từ ÷ 20 mA Lại có: R23 R19 = R18.R20 Ira = Chọn R23 = 10k Ω, R18= 20k Ω, R20= 100k Ω , R19 = 200k Ω U1 = - 0,28 V , R50 = 151,25Ω 3.2.3Tính tốn mạch nhấp nháy cho LED a) khối tạo xung đối xứng 6s (3s mức cao 3s mức thấp) Sử dụng IC555 kết hợp với điện trở, tụ điện tạo xung Với chu kì xung tính theo cơng thức T= Tn + Tx Trong Tn = 0.69*(R8+R9)*C Tx =0.69*(R8+R9)*C Để có xung đối xứng ta chon R8 cho điện trở R8 so với R9 khơng đáng kể, ta chọn R8=100; R9=100k Khi chu kì xung tính theo cơng thức Tx =2*0.69*R9*C Với yêu cầu sáng 3s tắt 3s nghĩa 3s mức cao 3s mức thấp nên chu kì xung 6s, từ cơng thức ta tính C=43,45uF Đầu IC555 đưa vào chân cổng AND, chân lại nối với đầu mạch so sánh b) Mạch so sánh Đầu mạch khuếch đại vi sai (0-10V) đưa vào đầu vào đảo OPAMP741, đầu lại đặt mức điện áp 6.77V đèn nhấp nháy khoảng nhiệt độ từ 0-124*2/30C = - 830C Và nhiệt độ 830C mức điện áp đầu mạch khuếch đại vi sai tương ứng 6.74V Nếu nhiệt độ nhỏ 830C đầu khối khuếch đại vi sai nhỏ 6.74V Khi UNUP điện áp đầu xấp xỉ -Vcc (mức cao) Đầu IC555 đưa vào chân cổng AND, chân lại nối với đầu mạch so sánh Ta có bảng chân lí cổng AND sau:X=A.B A B 0 1 1 Như đầu cổng and mức cao mức cao X 0 hay đèn sáng hai đầu vào Khi đầu so sánh mức cao đầu cổng AND phụ thuộc vào trạng thái đầu IC555 Do đèn nhấp nháy theo xung đầu IC555 3.2.4 Tính tốn, thiết kế mạch cảnh báo Khi nhiệt độ vượt 77 0C đầu khối khuếch đại vi sai lớn 6.74V UN< UP điện áp đầu xấp xỉ -Vcc (mức thấp) đèn nhấp nháy tắt, đồng thời đưa tín hiệu ngả mạch so sánh qua cổng NOT còi báo động tác động 3.2.5 Các cấu chỉ thị dụng cụ đo lường điện tử Cơ cấu thị (CCCT) đồng hồ đo lường đại lượng điện chia thành hai nhóm chính: Nhóm thị kim (hay cịn gọi CCCT điện) gồm có CCCT từ điện, điện từ điện động Nhóm thị số a CCCT từ điện Cơ cấu thị (CCCT) từ điện cấu tạo gồm hai thành phần hình vẽ đây: Phần tĩnh: nam châm vĩnh cửu (hình móng ngựa), lõi sắt, cực từ (bằng sắt non) Giữa cực từ lõi sắt có khe hở khơng khí nhỏ Phần động: Khung dây quấn dây đồng Khung dây gắn trục, quay khe hở khơng khí Hình 2: Cơ cấu chỉ thị từ điện b CCCT điện từ Dưới sơ đồ cấu tạo CCCT điện từ (Hình 1.9) (bên trái hình chiếu bằng) Cơ cấu thị (CCCT) điện động cấu tạo gồm hai phần hình vẽ đây: · Phần tĩnh: Dòng điện cần đo đưa vào cuộn dây quấn quanh thép cố định (gọi thép tĩnh), bên có khe hở khơng khí Phần động: Lá thép có khả di chuyển tương đối (gọi động) với tĩnh khe hở khơng khí Lá động gắn với trục có gắn kim lị xo phản kháng Hình 3: Cơ cấu chỉ thị điện từ c CCCT điện động Dưới sơ đồ cấu tạo cấu thị điện động Hình 4: Cơ cấu chỉ thị điện động Phần tĩnh cuộn dây chia thành hai phần nối tiếp tạo từ trường có dịng chạy qua Phần động:khung dây quấn dây đồng Khung dây gắn trục quay 3.3 toàn mạch 3.4 Kết luận hướng phát triển Kết luận : trình đo lường dùng cảm biến nhiệt độ với mạch đơn giản nhiều bất cập, mạch đơn giản để cấu đo xác ta Hướng phát triển: để nâng cao độ xác tự động hóa khâu ta nên kết hợp với vi mạch số, vi xử lý vi điều khiển để hiển trực quan số dễ đọc q trình điều khiển cảnh báo dễ dàng ứng dụng với vi mạch số vi mạch điều khiển ta dùng cảm biến nhiệt độ ứng dụng vào mạch mạch báo cháy tự động, mạch đo nhiệt độ lị nung, điều khiển điều hịa khơng khí, hay lò ấp trứng, nhà bảo quản lạnh … ... quan số dễ đọc trình điều khiển cảnh báo dễ dàng ứng dụng với vi mạch số vi mạch điều khiển ta dùng cảm biến nhiệt độ ứng dụng vào mạch mạch báo cháy tự động, mạch đo nhiệt độ lị nung, điều khiển... mạch đơn giản nhiều bất cập, mạch cịn đơn giản để cấu đo xác ta Hướng phát triển: để nâng cao độ xác tự động hóa khâu ta nên kết hợp với vi mạch số, vi xử lý vi điều khiển để hiển trực quan số. .. NGHĨA VI? ??T NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc BÀI TẬP: VMTT Số : Họ tên HS-SV : Trương Văn Vỹ Nhóm : Lớp : Điện Khố : 13 Khoa : Điện NỘI DUNG Đề tài: Dùng vi mạch tương tự tính tốn, thiết kế mạch đo