Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ.
BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Khoa Điện BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC : VI MẠCH TƯƠNG TỰ Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tinh toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ. Giáo viên hướng dẫn: Thầy: NGUYỄN VŨ LINH Sinh viên thực hiện : TRƯƠNG TUẤN VIỆT MSV: 0641040065 1 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 LỚN: VMTT Số 4 Họ và tên HS-SV : .TRƯƠNG TUẤN VIỆT .Nhóm : 4 MSV : 0641040065 Lớp : Điện 1 Khoá : .6 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: t 0 C =t min – t max = 0-(60+n) 0 C. - Đầu ra: + Chuẩn hóa đầu ra: U=0-10V và I=0-20mA. + Dùng cơ cấu đo để chỉ thị. - Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng đèn, còi khi nhiệt độ vượt giá trị cảnh báo: U d =(t max - t min )/2 - n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách. PHẦN THUYẾT MINH Yêu cầu về bố cục nội dung: Chương 1: Tổng quan về mạch đo Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo - Tính toán, lựa chọn cảm biến - Tính toán, thiết kế mạch đo - Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp - Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa - Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo. - Kết luận và hướng phát triển Yêu cầu về thời gian : Ngày giao đề : .06-12-2013 .Ngày hoàn thành: 15-12-2013 2 3 MỤC LỤC: Chương 1: Tổng quan mạch đo ……………………………5 ……….………….11 Khái niệm ……………………………………………………………………………………….5 Các thang đo nhiệt độ ………………………………………………………………………… 5 Biến nhiệt thành điện ………………………………………………………………… ……… 6 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu ……………………………………………………………………… 6 Nhiệt kế điện trở ……………………………………………………………………………….7 Lựa chọn phương pháp biến đổi nhiệt năng thành điện năng…………………………………. .8 Hình thành sơ đồ khối ……………………………………………………………………………8 Sơ đồ khối ……………………………………………………………………………………….8 Yêu cầu cho từng khối ……………………………………………………………………… 9 Tổng quan mạch đo …………………………………………………………………………….10 Chương 2 : Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ …….…12………….27 Các linh kiện trong mạch …………………………………………………… …………….12 Thiết kế mạch đo ……………………………………………………………………………… 13 Mạch tạo xung vuông bằng IC 555 …………………………………………………………… 21 Mạch đo ……………………………………………………………………………………… .22 Khối ADC (analog digitor converter) ………………………………………………………….22 Khối giải mã cho 8 bít đầu vào …………………………………………………………………23 Khối tạo cấp chữ số hàng đơn vị: ………………………………………………………………23 Khối tạo ra cấp chữ số hàng chục ………………………………………………………… . 24 Khối tạo ra cấp chữ số hang trăm …………………………………………………………. 24 Khối hiển thị ……………………………………………………………………………………25 Khối cảnh báo ………………………………………………………………………………….25 Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho toàn hệ thống ……………………………………………… 26 Tính toán ………………………………………………………………………………………28 CHƯƠNG 3 : kết luận và hướng phát triển ……………………………………………………29 4 5 CHƯƠNG 1 :TỔNG QUAN MẠCH ĐO I. Tổng quan 1. Khái niệm về nhiệt độ Nhiệt độ là đại lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên 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 láng, các phân tử dao động quanh vi trí cân bằng nhưng vi trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định. Còn ở trạng thái rắn, các phần tử, nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng. 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 lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền 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.Ởtrạng 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 bằng đối lưu. Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉ trọng. 2. Các thang đo nhiệt độ Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độ của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ. Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng,từng thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội. Hiện nay chúng 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 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. Vi mạch số ,vi mạch tương tự lĩnh vực không những mang tới thời sự nóng bỏng nhưng vẫn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ , đă đang từng ngày thâm nhập vào đời sống của chúng ta .Nhưng trong thưc tế các dạng năng lượng thường ở dạng tương tự .Do đó muốn xừ lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số . 6 Xuất phát từ ý tưởng đó, em đă thưc hiện việc xây dựng một mạch điện đo nhiệt độ hiển thị ra đèn LED .Mạch này chỉ mang tính chất thử nghiệm thưc tế về vấn đề chuyển đổi ADC , vấn đề cảnh báo nhiệt độ ra đèn và vấn đề đo lường các đại lượng không điện bằng điện II. Biến nhiệt thành điện Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và giải nhiệt độ Phân ra làm 2 phương pháp chính : Đo trực tiếp và đo gián tiếp +Đo trưc tiếp là phương pháp đo trong đó các chuyển đổi nhiệt điện đươc đặt trực tiếp trong môi trường cần đo. +Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môi trường cần đo(áp dụng vơi trường hơp đo ở nhiệt độ cao ). Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo không phải ở quá cao.( 0 – 60+n) n: số mã sinh viên Đo nhiệt độ bằng phương pháp trưc tiếp ta lại khảo sát 2 loại nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu và nhiệt kế nhiệt điện trở. 1.1 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu : Cấu tạo : Gồm hai thanh kim loại a,b được hàn với nhau tại một đầu t1 hai đầu t0 là đầu tự do . Nguyên lý làm việc dựa trên hiệu ứng Thomson và hiệu ứng seebek :khi nhiệt độ ở đầu t1 khác nhiệt độ ở đầu t0 chúng sẽ tạo nên một suất điện động: Eab(t1,t0)=Eab(t1)-Eab(t0).Nếu giữ nhiệt độ ở đầu t0 không đổi : Eab(t1,t0)=Eab(t1-c)=F(t1). +Rd: điện trở đường dây (quy định là 5 vôn) +Rdc: điện trở điều chỉnh (điều chỉnh cho Rd =5ôm) _Những nguyên nhân gây sai số ; · Điện trở mạch đo thay đổi khi nhiệt độ môi trường thay đổi. UMN=IRv(Rv là điện trở minivụnmột) I=Et/(2Rd+Rdc+Rab+Rv) (Rab là điện trở cặp nhiệt kế ) Umn=Et.Rv/(2Rd+Rdc+Rab+Rv) Umn=Et.Rv/(Rmd+Rv) Rmd(là điện trở mạch đo)=2Rd+Rdc+Rab. 7 · Nhiệt độ đầu tự do to đươc duy trì ở nhiệt độ chuẩn không độ C nhưng Et thực tế thường nhỏ hơn trên lý thuyết .Phương pháp khắc phục :có 2 phương pháp : giữ ổn nhiệt độ đầu đo hoăc dùng thiết bị bù nhiệt. Với cách thứ nhất ta chỉ việc ngâm đầu đo vào nước đá cũng có cách thứ 2 :khi nhiệt độ thanh tư do thay đổi Rt thay đổi làm cho mạch bù mất cân bằng dẫn đến việc xuất hiện điện áp Ucd bù vào sức điện động bị thay đổi. Ta có : Eab(t1,to)= E’ab(t1,to)+Ucd 1.2 Nhiệt kế điện trở :dùng nhiệt điện trở (là môt thiết bị biến đổi nhiệt độ thành sự thay đổi thương số điện trở R:Rt=f(t) ) +Phân ra làm 2 loại : -Nhiệt điện trở kim loại :thuường đươc làm bằng Niken,Cu,platin Quan hệ R-t: Rt=Ro(1+at) Ro: điện trở ở nhiệt độ chuẩn . a:hệ số nhiệt độ . t:nhiệt độ môi trường . Dải nhiệt độ:0 - 125 độ C . - Nhiệt điện trở bán dẫn : Chế tạo từ hỗn hợp các chất oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO,MgẠl2O2 Đăc tính quan trọng của nó là có độ nhạy nhiệt rất cao gấp hàng chuc lần loại trên. Dải nhiệt độ rất rộng Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ: Rt=Ro. Exp[B.(1/T-1/To) ] Trong đó: To là nhiệt độ chuẩn tuyệt đối Ro la điện trở của chất bán dẫn ở nhiệt độ To Rt la điện trở của chất bán dẫn ở nhiệt độ T của môi trường B là hằng số có giá trị từ 3000 đến 5000 K Giá trị điện trở thường cỡ 50 - 500 Ôm - Đo nhiệt độ =diot va tranzitor Linh kiện điện tử rất nhạy nhiệt nên ta có thể sử dụng 1số linh kiện bán dẫn như diot hoặc tzt nối theo kiểu Điot(barơ nối với Colector) 8 Khi đó điện áp U giữa hai cực của ĐIụt là hàm của nhiệt độ . Độ nhạy được xác định theo biểu thức : S=dU/dt (độ nhạy có giá trị thường cỡ 2.5 mV/độ C) : Khi nhiệt độ thay đổi ta có : Ud=Ebe1-Ebe2=(K.T.ln(Ic1/Ic2))/q Trong đú:K là hệ số T là nhiệt độ môi trường tính theo độ K q là điện tích Ic1 là ḍng collector cua tzt1 Ic2 là ḍng collector cua tzt 2 Với tỉ số Ic1/Ic2=const . Ud tỉ lệ thuận với nhiệt độ T mà không cần nguồn ổn định. Độ nhạy nhiệt của mạch của mạch này được xác định theo biểu thức sau: S=d(U1-U2)/dT Hiện nay trên thị trường có sẵn những IC tích hợp sử dụng phần tử bán dẫn làm nhiệm vụ cảm biến nhiệt rất tiện lợi. 1.3 Lựa chọn phương pháp biến đổi nhiệt năng thành điện năng Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt áp dụng vào thiết bị đo nhiệt độ đang là một phương pháp rất phổ biến , tiện lợi . Do đó , chúng em đă lựa chọn phương pháp này áp dụng vào trong đề tài của mình.Hơn nữa , như em đă nói ở trên phần tử bán dẫn rất nhạy nhiệt ,để đảm bảo được độ chuẩn xác tương đối cao ,thoả măn được tiêu chuẩn yêu cầu, chấp nhận được . III. Hình thành sơ đồ khối 1.1 Sơ đồ khối 9 Mạch đoCảm biếnĐại lượng cần đo Nguồn nuôi Nguồn nuôi Nguồn nuôi So sánh Giải mã 10 Chuyển đổi ADC Hiển thị Cảnh báo Nguồn nuôi Nguồn nuôiNguồn nuôi [...]... mức thấp + dải mức trung bình + dải mức cao Nhiệt độ được đo với các cảm biến hỗ trợ như + cặp nhiệt kế + nhiệt điện kê kim loại + nhiệt điện trở kim loại + nhiệt điện trở bán dẫn 12 + cảm biến thạch anhCHƯƠNG 2 :THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ I Các linh kiện có trong mạch 1.1 RTD – PT100 Hình 1 : RTD – PT100 Cảm biến nhiệt độ PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại ( RTD) PT100 được cấu... kì của hệ thống đo để kịp thời sử lý - Cảnh báo : thực hiện chức năng báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép 1.3 Tổng quan mạch đo 1.3.1 Mạch đo Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý, dựa vào các đặc tính của đại lượng cần đo mà chọn ra loại cảm biến phù hợp để thực hiện vi c biến đổi các thong số cần đo thành đại lượng điện hay điện áp U = 0 – 10V I = 0- 20mA Sau đó qua bọ lọc và khuếch đại tín... 7 đo n 1.7 LED 7 đo n Tại khối hiển thị ta dùng IC giải mã 4 ngõ vào thành 7 ngõ ra để hiển thị lên LED giá trị nhiệt độ tại mọi thời điểm hệ thống hoạt động Mạch thực hiện chức năng đo và hiển thị nhiệt độ, báo động nhiệt độ tại những khoảng được lập trình trước cho IC điều khiển 1.7.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 8 : sơ đồ nối chân LED 7 đo n 1.7.2 Nguyên lý hoạt động Mạch sẽ hiển thị giá trị nhiệt độ đo. .. hoạt động , tất cả thiết bị chỉ ở một trong hai nguồn +5v hoặc – 5v - Cảm biến : nhận tín hiệu cần đo ,dùng làm mạch đệm tín hiệu và lọc nhiễu tín hiệu trước khi chuyển vào các khối khác - Mạch đo: có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu điện nhận được từ bộ chuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu kết quả đo của bộ chỉ thị - ADC : dùng cho chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự đo được của cảm biến. .. áp DC Dòng điện sẽ đi vào ngõ vào của hai IC nguồn 7805 và 7905, với tính năng của hai IC này sẽ cho nguồn ra tương ứng tại chân số 3 là +5V với IC 7805 và -5V với IC 7905 Ta mắc thêm tụ điện ở ngõ ra của IC và ngõ vào của IC là để nắn dòng, làm cho dòng điện ngõ ra ổn định hơn cho hệ thống hoạt động 3 Tính toán linh kiện trong mạch Trong mạch sử dụng nhiều tụ điện để làm tăng độ ổn định cho dòng điện... bộ này chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dạng số rồi chuyển qua để so sánh rồi phát cảnh báo nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép hoặc chuyển tới phần chỉ thị để hiển thị kết quả ra LED 1.3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ 11 Đo nhiệt độ là phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên của môi trường, không có điện trong đại lượng cần đo - nhiệt độ được phân làm nhiều dải để đo: + dải mức thấp + dải mức... thanh 26 6 Khối cảnh báo Hình 21 : sơ đồ mạch cảnh báo III Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho toàn hệ thống 1 Sơ đồ nguyên lý Hình 22 : sơ đồ cấp nguồn cho hệ thống 27 2 Nguyên lý hoạt động Mạch đo và điều khiển đo sử dụng nguồn đơn DC +5V và -5V, vậy nên chúng ta thiết kế một mạch riêng cho mạch với yêu cầu nguồn ra cung cấp như thế Ở đây, điện từ bên ngoài đưa vào là AC 220 Vac, ta cho qua bộ biến áp ở cuộn... hoạt động, giá trị hiện thị sẽ được đưa đến ngõ vào của IC giải mã 74LS47 qua các Input, với tính năng giải mã của vi mạch 18 này, sẽ cho ra dữ liệu song song trên các Bus đến các LED song song Chương trình sẽ chọn LED nào và hiển thị nhiệt độ lên LED Khi có 1 sự biến đổi điện áp từ cảm biến, tức sự thay đổi nhiệt độ môi trường cần đo thì mã của 74LS47 cũng sẽ thay đổi phù hợp, tần số quét LED được thiết. .. 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 vi c chuyển mạch số được chính xác Trong phần trình bày thì các. .. cao 1.9 LED 20 Là thiết bị dùng để báo sang khi mạch đo thấy nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép Hình 12 : LED yelow 1.10 Transistor Hình 12 : transistor Nguyên lý hoạt động :Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E , trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E Khi công