4. Ph−ơng pháp nghiên cứu
3.3.5.1. Vi mạch ICL7107
• Sơ đồ khối của vi mạch ICL 7107 nh− hình 3.13:
Vi mạch ICL 7107 là một mạch tích hợp chuyển đổi tín hiệu từ dạng t−ơng tự sang dạng số và kết hợp với bộ giải mã bên trong để đ−a tín hiệu hiển thị lên LED 7 thanh.
Hình 3.13. Sơ đồ khối trong vi mạch ICL 7107
Đây là một vi mạch chuyển đổi A/D và giải mã hiển thị số đ−ợc tích hợp bên trong một con IC nên nó làm việc rất ổn định và chính xác, với độ tin cậy t−ơng đối cao.
Vi mạch có dải điện áp đầu vào biến đổi từ 0V đến 20V nhờ cầu phân áp có mức chuyển đổi tuyến tính toàn phần. Do đó việc chọn vi mạch ICL7107 để làm bộ chuyển đổi AD và hiển thị chỉ số đo nhiệt độ bằng LED 7 thanh là hoàn toàn phù hợp.
•Sơ đồ chân và chức năng từng chân của vi mạch ICL 7107
+ Sơ đồ chân của vi mạch ICL 7107 nh− hình 3.14:
+ chức năng từng chân của ICL 7107: vi mạch ICL 7107 là một linh
kiện có 40 chân với chức năng của từng chân nh− sau:
Chân 1: đ−ợc nối với d−ơng nguồn cung cấp +5V (U+ CC).
Từ chân số 2 đến chân số 8 là các chân tín hiệu đ−a vào LED để hiển thị những con số hàng đơn vị.
Từ chân số 9 đến chân 14 và chân 25 là các chân tín hiệu số để đ−a vào LED hiển thị những con số hàng chục.
Từ chân số 15 đến chân số 18 và chân số 22 đến chân số 24 là các chân tín hiệu số để đ−a vào LED hiển thị các con số hàng trăm.
Chân số 19: đ−a tín hiệu hiển thị số 1 hàng nghìn.
Chân số 20: đ−a tín hiệu số vào LED hiển thị khi tín hiệu đo là âm.
Chân số 21: là chân nối đất của tín hiệu số.
hình 3.14. Sơ đồ cấu tạo của ICL 7107
Chân số 26: là chân nối với âm nguồn cung cấp -5V (U-CC). Chân số 27: là chân lấy tín hiệu vào khâu tích phân.
Chân số 28 kết hợp với chân số 27 tạo thành mạch tích phân (INTEGRATOR).
Chân số 29 là chân đ−a tín hiệu vào mạch tự động trở về không (AUTO ZERO).
Chân số 30: tín hiệu t−ơng tự có cực tính là âm đ−a vào mạch AD. Chân số 31: tín hiệu t−ơng tự có cực tính là d−ơng đ−a vào mạch AD. Chân số 32: tín hiệu nối đất (GND).
Chân số 33: nối với tụ C2.
Chân số 34: là chân hiệu chỉnh (REF) nối với chân 33 qua tụ C2. Chân số 35: là chân hiệu chỉnh (REF) mức thấp (LOW).
Chân số 36: là chân hiệu chỉnh (REF) mức cao (HIGH). Chân số 37: không sử dụng.
Chân số 38, 39, 40: là các chân tạo thành mạch tạo dao động. 3.3.5.2. Bộ hiển thị
Với những −u điểm nổi bật nh− đã trình bày ở ch−ơng 2 và cũng do điều kiện kinh tế do đó chúng tôi sử dụng đèn LED 7 thanh có anôt chung hiển thị chữ số mầu đỏ.
3.3.5.3. Sơ đồ nguyên lý của bộ đo l−ờng hiển thị dùng vi mạch ICL7107 ICL7107
Sơ đồ nguyên lý của bộ đo l−ờng và hiển thị dùng vi mạch ICL7107 nh− hình 3.14.
Hoạt động của sơ đồ nh− sau: tín hiệu cần đo đ−ợc đ−a vào chân 31, 30 là điện áp một chiều biến đổi từ 0 9Vữ , tín hiệu này đ−ợc chuyển vào mạch điện tử của ICL7107, nó đ−ợc lấy tích phân kết hợp với R1, C1 ở chân 27, 28 trong khoảng thời gian nào đó chẳng hạn từ 0ữt1, khi đó ta có:
1 1 0 1 1 t v tp A v U U U U dt t R C = ∫ = − VớiR1=470KΩ;C1=0, 22μF.
Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý bộ hiển thị LED dùng vi mạch ICL7107
Sau khi lấy tích phân của tín hiệu vào Ud thì Utp đ−ợc đ−a vào bộ so sánh, tuỳ theo mức độ tín hiệu vào mà bộ so sánh sẽ cho tín hiệu so sánh vào
cổng AND mở cho xung nhịp vào, mạch đếm hoạt động cho đến khi dung l−ợng mạch hết. Mạch điều khiển sẽ điều khiển mạch điện tử hoạt động đ−a tín hiệu điện áp chuẩn vào mạch tích phân để lấy tích phân Uchuẩn trong khoảng thời gian từ 0ữt2 là: 2 2 0 1 0 t c tp chuan A U U U dt t U R C R C = = + = ì ∫
Do Uchuẩn có cực tính ng−ợc với Uv nên sau khoảng thời gian t2, Uchuẩn=0V và điện áp so sánh USS=0, cổng AND đóng lại, lúc này tín hiệu đếm đ−ợc trong mạch sẽ là tín hiệu số t−ơng ứng với tín hiệu điện áp đ−a vào Uv. Tín hiệu số này đ−ợc đ−a qua bộ giải mã vào chỉ thị LED kết quả nhiệt độ cần đo sẽ t−ơng ứng với chữ số hiển thị trên thiết bị hiển thị LED.
Để hạn chế dòng vào LED chúng tôi chúng tôi tiến hành tính tiến hành tính toán nh− sau:
Do đặc điểm của vi mạch ICL7107 là: + Tín hiệu điện áp vào là từ: 0ữ20V.
+ Tín hiệu điện áp ra là từ: ±1,999mVữ±1,999V . + Dòng điện làm việc: ±100μA.
+ Nguồn cung cấp cho vi mạch là: ±5V .
và đặc điểm của bộ hiển thị LED 7 thanh hiển thị ánh sáng màu đỏ là: + Dòng điện cấp cho mỗi thanh sáng là từ: 5mAữ20mA.
+ Nguồn cung cấp cho đèn là: ±5V .
Nh− vậy, mỗi thanh LED sáng cần một điện trở hạn dòng là:
Ω = − − = 150 100 20 999 , 1 5 A mA V V R μ , chọn R=150Ω
Mặt khác, để so sánh nhiệt độ đặt và nhiệt độ đo bằng cảm biết một cách trực quan, trong đề tài này tôi có sử dụng hai con ICL7107 với sơ đồ nguyên lý giống nhau nh− hình 3.14. Để chỉ thị nhiệt độ đặt và nhiệt độ thực tế trong tủ nuôi cấy vi khuẩn một cách đồng thời.
Tất cả các khối trong mạch điều khiển và đo l−ờng đều cần phải cung cấp nguồn nuôi cho chúng. Các mạch khuếch đại thuật toán đ−ợc sử dụng trong mạch điều khiển đều làm việc ở điện áp l−ỡng cực lớn nhất là ±15V, nh−ng trong đề tài này chúng tôi thiết kế dùng nguồn nuôi l−ỡng cực có điện áp là ±9V , còn nguồn nuôi cho bộ hiển thị là ±5V.
Yêu cầu đối với nguồn nuôi là: nguồn nuôi phải có tính ổn định cao cả khi điện áp l−ới xoay chiều thay đổi và tải thay đổi. Chất l−ợng điện áp nguồn nuôi phải ổn định và bằng phẳng.
Cấu trúc của nguồn nuôi: gồm có một biến áp có điểm giữa, cầu chỉnh l−u bằng Diode làm nhiệm vụ chỉnh l−u điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều.
Giá trị trung bình của điện áp chỉnh l−u đ−ợc xác định theo biểu thức sau:
2 2 2 d U U π ì =
Trong đó: U2 là giá trị điện áp thứ cấp máy biến áp(MBA).
Với giá trị điện áp cần cung cấp cho nguồn nuôi trong mạch điều khiển là ±9V và ±5Vnên ta có dải điện áp làm việc trong khoảng ±9V±10%V và
5V 10% ± ± . Xét tr−ờng hợp điện áp chỉnh l−u là: 10 10 9 9 9, 9 , 5 5 5, 5 100 100 d d U = V+ ì = V U = V+ ì = V
Khi đó ta có điện áp thứ cấp của MBA là:
2 2
9,9 5,5
11 , 6
2 2 2 2
U = ìπ = V U = ìπ = V
Chọn Diode chỉnh l−u loại 2N4004 có các thông số kỹ thuật là: UD = 400V, ID = 1A
Với các giá trị điện áp này khi qua bộ chỉnh l−u sẽ đ−ợc điện áp một chiều nh−ng chất l−ợng điện áp thấp và không bằng phẳng ch−a thể cung cấp cho mạch điều khiển đ−ợc. Do đó để nâng cao chất l−ợng điện áp chỉnh l−u thì trong đề tài này ở bộ chỉnh l−u lấy điện áp ra là ±9V chúng tôi sử dụng hai IC ổn áp 7809 và 7909, còn bộ chỉnh l−u lấy điện áp ra là ±5Vchúng tôi sử dụng hai IC ổn áp 7805 và 7905, ngoài ra ở tr−ớc và sau IC có mắc thêm các tụ điện
nhằm nâng cao tính bằng phẳng cho điện áp. Sơ đồ của khối nguồn nh− hình 3.15a, 3.15b sau:
Hình 3.15a. Sơ đồ nguồn nuôi cho điện áp ra ±9V
Hình 3.15b. Sơ đồ nguồn nuôi cho điện áp ra ±5V
Theo kinh nghiệm ng−ời ta th−ờng chọn tụ C1 = C3 = 1000μF/ 25VDC
nhằm cải thiện điện áp vào IC ổn áp. Còn tụ C2 = C4 = 100μF/ 25VDC nhằm cải thiện điện áp nguồn nuôi.
Máy biến áp: vừa có nhiệm vụ cách ly điện áp vừa làm nhiệm vụ hạ điện áp xuống mức yêu cầu. Đối với nguồn nuôi chúng tôi sử dụng hai MBA có điểm giữa có điện áp thứ cấp là 12V và 6V, còn nguồn cung cấp cho mạch tạo xung răng c−a đồng bộ chúng tôi sử dụng một MBA có điện áp thứ cấp là 9V xoay chiều.
3.3.7.Mạch điều khiển tự động nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn
* Sơ đồ nguyên lý mạch tự động điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn nh− hình 3.16 sau:
* Nguyên lý hoạt động của mạch này nh− sau: ban đầu tủ ch−a làm việc, đặt nhiệt độ cho tủ bằng điều chỉnh VR3,VR4. Cấp nguồn điện 220V xoay chiều cho tủ, cầu chỉnh l−u cho ra điện một chiều đ−ợc ổn áp bằng hai IC ổn áp 7809 và 7909, cấp nguồn cho mạch điều khiển. Do cảm biến đ−ợc đặt trong tủ nên nhiệt độ thực trong tủ đ−ợc cảm biến nhiệt độ LM335 cảm nhận và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp t−ơng ứng 10mV/0C. Tín hiệu điện áp này qua khâu so sánh và khuếch đại thuật toán U3A(TL084) cho ra tín hiệu thích hợp để so sánh với tín hiệu điện áp đặt (t−ơng ứng với nhiệt độ đặt). Sai lệch giữa nhiệt độ đặt với nhiệt độ thực trong tủ đo đ−ợc nhờ cảm biến đ−ợc đ−a đến khâu so sánh thứ hai là U2A(TL082) để so sánh với tín hiệu xung răng c−a đồng bộ đ−ợc tạo ra từ mạch tạo tín hiệu điện áp xung răng c−a đồng bộ và cho ra tín hiệu dạng xung chữ nhật, sau đó đ−ợc chuyển thành xung nhọn khi qua mạch vi phân R4- C2, xung nhọn này có cả xung d−ơng và âm, khi qua Diode (D2) sẽ đ−ợc xung nhọn d−ơng khi đó trên cuộn sơ cấp của máy biến áp có xung cảm ứng sang thứ cấp để điều khiển Triac. Khi nhiệt độ thực trong tủ thay đổi thì xung nhọn này sẽ mở Triac với góc mở t−ơng ứng để thay đổi điện áp đặt vào bộ tạo nhiệt và kết quả là nhiệt độ sẽ thay đổi theo.
Khi nhiệt độ thực trong tủ mà cảm biến nhận đ−ợc gần bằng nhiệt độ đặt thì mạch điều khiển sẽ điều khiển góc kích lớn, làm cho Triac bị khoá, không cấp điện áp cho sợi đốt, lúc đó l−ợng nhiệt cấp cho buồng đốt vẫn tăng do quán tính đến lúc nào đó l−ợng nhiệt trong buồng đốt giảm và dao động quanh nhiệt độ đặt. Khi l−ợng nhiệt độ trong tủ giảm nhỏ hơn nhiệt độ đặt thì mạch điều khiển lại điều khiển để Triac mở với góc kích nhỏ, điện áp cấp cho bộ tạo nhiệt tăng cho đến khi nhiệt độ trong buồng đốt bằng nhiệt độ đặt và quá trình lại lặp lại.
3.3.8. Sơ đồ mạch in
*Sơ đồ mạch in khối đo l−ờng và hiển thị: Hình 3.17:
Trong đó: J1,J2,J3,J4,J5,J6 là các chân cắm LED 7 thanh; J7 là chân đ−a tín hiệu cần đo; J8 là chân đ−a nguồn cấp ±5V ; R1=...=R21=R=150Ω là các điện trở hạn dòng cho LED, dây vàng là dây nối.
Hình 3.17
Hình 3.18
kết luận và kiến nghị
Qua một thời gian thực tập và hoàn thành đề tài tốt nghiệp mặc dù đã gặp rất nhiều khó khăn và thời gian còn hạn chế nh−ng với sự nỗ lực của bản
thân cùng với sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của các thầy, cô giáo, của các cô (chú) và các anh (chị) làm việc ở phòng Vật t− và Thiết bị Y tế thuộc bệnh viện Bạch Mai Hà Nội, của bạn bè đồng nghiệp, đặc biệt là sự giúp đỡ quý báu của thầy Phạm Việt Sơn đến nay đề tài “Nghiên cứu và thiết kế mạch tự
động điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn” đã hoàn thành. Từ những
kết quả đã đạt đ−ợc tôi mạch dạn đ−a ra một số kết luận và kiến nghị sau:
1. Kết luận
- Đã nghiên cứu và thiết kế thành công bộ tự động điều chỉnh nhiệt độ cho tủ nuôi cấy vi khuẩn theo đúng yêu cầu thực tế.
- Đã áp dụng tốt những kiến thức đã học và những kiến thức thực tế vào việc thiết kế mạch tự động điều chỉnh nhiệt độ.
- Từ những kiến thức học tập đ−ợc ở nhà tr−ờng và những kiến thức thực
tế chúng tôi đã trực tiếp tính toán, thiết kế và lắp ráp mạch điện tử. Qua đó đã củng cố thêm những kiến thức, kỹ năng và khả năng t− duy giải quyết các vấn đề chuyên môn.
- Qua đề tài chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu kỹ về vi khuẩn thấy đ−ợc
những −u và nh−ợc điểm của nó với cuộc sống con ng−ời và trong sản xuất cũng nh− trong nghiên cứu khoa học.
- Trong đề tài này khi thiết kế chúng tôi sử dụng cảm biến LM335 để đo
nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn. Đây là ph−ơng pháp đơn giản có độ chính xác cao và đặc biệt là độ nhạy t−ơng đối cao đảm bảo tốt cho việc điều khiển.
- Đề tài có thiết kế mạch đo và chỉ thị số sử dụng vi mạch ICL7107 để
tiện cho việc theo dõi và điều khiển nhiệt độ.
2.Kiến nghị
Đề tài này có ý nghĩa thực tiễn cao. Đặc biệt là trong nông nghiệp nh− ngành Chăn nuôi Thú y và Bảo vệ Thực vật rất cần có những tủ kiểu này để nghiên cứu và thí nghiệm. Chính vì những lợi ích to lớn đó mà đề tài cần phải
đ−ợc tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn để có thể đ−a vào sản xuất nhằm nội địa hoá trang thiết bị.
Đề tài này chỉ sử dụng các linh kiện điện tử để thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ, nếu có thể sử dụng vi điều khiển để thiết kế và điều khiển thì mạch có thể đơn giản và chính xác hơn.
Mục lục
Trang
Mở đầu...1
1. Đặt vấn đề...1
2. Mục đích của đề tài...2
3. Nội dung của đề tài...2
4. Ph−ơng pháp nghiên cứu...3
Ch−ơng 1: tìm hiểu đặc điểm, điều kiện sinh sống của vi khuẩn và tác động của môi tr−ờng đối với sự phát triển của vi khuẩn...3
1.1. Khái niệm chung...4
1.2. Đặc điểm chung của vi khuẩn...5
1.2.1. Kích th−ớc nhỏ bé ... 5
1.2.2. Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh... 5
1.2.3. Sinh tr−ởng nhanh, phát triển mạnh... 5
1.2.4. Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị... 6
1.2.5. Phân bố rộng, chủng loại nhiều ... 6
1.3. Điều kiện sinh sống của vi khuẩn...6
1.3.1. Thành phần tế bào và các chất dinh d−ỡng của vi khuẩn 7 1.3.2. Nguồn thức ăn cacbon của vi khuẩn... 9
1.3.3. Nguồn thức ăn nitơ của vi khuẩn ... 10
1.3.4. Nguồn thức ăn khoáng của vi khuẩn... 11
1.4. Tác động của môi tr−ờng đối với điều kiện phát triển của vi khuẩn...12
1.4.1. Cơ chế tác dụng của các yếu tố môi tr−ờng lên vi khuẩn... 13
1.4.2. Tác động của các yếu tố vật lý... 14
1.4.3. Tác động của các yếu tố hóa học... 16
1.5. Kết luận...17
Ch−ơng 2: giới thiệu chung về tự động điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn đang đ−ợc sử dụng hiện nay...18
2.1. Nguyên lý cấu tạo chung...19
2.2. Nguyên lý làm việc chung...20
2.2.1. Buồng tạo nhiệt... 22
2.2.2. Khối tạo nhiệt... 22
2.2.3. Mạch điều khiển... 22
2.2.3.1. Mạch điều khiển bằng các thiết bị cơ khí ...22
2.2.3.2. Mạch điều khiển bằng các thiết bị bán dẫn ...23
2.2.4. Mạch đo l−ờng... 26
2.2.4.1. Khâu chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu ...27
2.2.4.2. Mạch chỉ thị số ...27
2.2.5. Cảm biến nhiệt độ ... 32
2.2.5.1. Khống chế nhiệt độ bằng nhiệt kế ...34
2.2.5.2. Khống chế nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt độ Pt100 ...38