BÁO CÁO ĐỀ TÀI: MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TIP 41C SỬ DỤNG CẢM BIẾN LM35

Tuy nhiên, để đo được trị số chính xác của nhiệt độ lại là vấn đề không đơn giản.Ngàynay với sự phát triển của công nghệ thông tin, công nghệ bán dẫn, sự ra đời của các cảm biến, viđiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ

KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ

-🙢✧🙢 -BÁO CÁO

ĐỀ TÀI: MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TIP 41C SỬ DỤNG CẢM BIẾN LM35

Giảng viên hướng dẫn:

Ths Nguyễn Lê Thế Duy

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Phương Nam Nguyễn Tấn Nguyên

Lê Hoàng Nam Đoàn Hoàng Khang

MSSV: 1900303 MSSV: 1900738 MSSV: 1900274 MSSV: 1900848

LỜI MỞ ĐẦU

Trong các nghiên cứu khoa học , trong công nghiệp và đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là điềurất cần thiết Tuy nhiên, để đo được trị số chính xác của nhiệt độ lại là vấn đề không đơn giản.Ngàynay với sự phát triển của công nghệ thông tin, công nghệ bán dẫn, sự ra đời của các cảm biến, viđiều khiển đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc đo nhiệt độ một cách chính xác hơn , trên cơ sở đó emxin trình bày đề tài : “Nghiên cứu thiết kế mạch đo nhiệt độ dùng LM35”

Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường xuyên gặp trong đời sống sinh hoạt hằng ngày cũng nhưtrong kỹ thuật và công nghiệp Việc đo đạc nhằm xác định chính xác giá trị của nhiệt độ theo cácthang đo từ lâu đã trở thành một vấn đề mà cả những nhà khoa học hàng đầu thế giới cũng nhưnhững người dân thuộc nhiều lĩnh vực đều quan tâm, chính vì lẽ đó những phương pháp xác định đođạc ngày một nhiều hơn và chính xác hơn Hiện nay, việc sử dụng cảm biến nhiệt độ trong khốingành công nghiệp và cả dân dụng ngày càng phổ biến và mang lại hiệu quả cao Đồ án “Thiết kế hệthống đo nhiệt độ” này nhóm em sử dụng cảm biến LM35 với mục đích nhằm nghiên cứu về cácphương pháp đo nhiệt độ và thực hiện thiết kế một thiết bị đo và hiển thị nhiệt độ tự động, chínhxác. 

1 Lí do chọn đề tài

Trong thời gian qua, khoa học máy tính và xử lý thông tin có những bước tiến vượt bậc vàcàng ngày có những đóng góp to lớn vào cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại Đặcbiệt sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật số làm cho ngành kỹ thuật điện tử trởnên phong phú và đa dạng hơn Nó góp phần rất lớn trong việc đưa kỹ thuật hiện đại thâmnhập rộng rãi vào mọi lĩnh vực của hoạt động sản xuất, kinh tế và đời sống hằng ngày củacon người

Với mong muốn tìm hiểu nguyên lý, kỹ thuật trong các hệ thống điều khiển Được hướng dẫncủa thầy Nguyễn Lê Thế Duy, em đã quyết định chọn đề tài “MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT

ĐỘ TIP 41C SỬ DỤNG CẢM BIẾN LM35”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Thực hiện đề tài: “MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TIP 41C SỬ DỤNG CẢM BIẾNLM35” giúp người thực hiện nắm được lý thuyết về đo lường và điều khiển, hiểu đượcnguyên lý điều khiển, các tập lệnh, các khối trong Matlab

- Sản phẩm đề tài trước hết có thể để nghiền cứu, mở rộng ứng dụng trong thực tế sản xuấtcông nghiệp

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Thiết bị đo lường nhiệt độ qua và cảm biến: Tip 41C - Thiết bị đo nhiệt độ của Tip 41C làcảm biến LM35

- Board Arduino Uno: Nắm được cấu trúc phần cứng, lập trình phần mềm và ứng dụng vào

mô hình thực tế

- Tìm hiểu về lý thuyết liên quan

- Viết và thực hiện các chương trình nhỏ

- Xây dựng thuật toán điều khiển trên Matlab

- Viết chương trình thực hiện thuật toán bằng Kit arduino

- Dùng MatLab thực hiện điều khiển

- Thi công mạch

Mục Lục

PHẦN I: Giới Thiệu Tổng Quan Về Đo Lường Nhiệt Độ 1

1 Giới thiệu khái niệm 1

PHẦN II : Linh Kiện 2

1 Module Arduino Uno R3: 2

a) Thông số kỹ thuật: 2

b) Bộ nhớ: 2

2 Tip 41C 3

a) Thông số kỹ thuật của cảm biến LM35 5

b) Sơ đồ chân LM35 6

c) Các tính năng của IC cảm biến nhiệt độ LM35 7

d) Cách sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35: 7

e) Ứng dụng cảm biến nhiệt độ LM35 8

3 Dây cắm 8

PHẦN III : Sơ Đồ 9

10

PHẦN IV: Bộ Điều Khiển FUZZY-PID Cấu Trúc Bộ Mờ Và Hàm Liên Thuộc 11

I Cấu trúc và hàm liên thuộc 11

1 Cấu trúc 11

2 Hàm liên thuộc 12

II Xây dựng luật hợp thành 14

2.1 Bảng luật hợp thành 14

2.2 PID đáp ứng thực tế 15

Phần V: Hình ảnh mô hình thực tế 16

PHẦN VI: Kết Luận 18

PHẦN I: Giới Thiệu Tổng Quan Về Đo Lường Nhiệt Độ

1 Giới thiệu khái niệm

Đo lường là một quá trình đánh giá định hướng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số với đơn vị đo.

Kết quả đo lường là giá trị bằng số của đại lượng cần đo Ax, nó bằng tỷ số của đại lượng cần

đo X và đơn vị đo X0.

Vậy quá trình có thể viết dưới dạng:

Ax = X/X0

⇔ X= Ax.X0 Đây là phương trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo với mẫu và cho ra kết quả bằng số.

Quá trình đo được tiến hành thông qua các thao tác cơ bản về đo lường sau:

 Thao tác xác định mẫu và thành lập mẫu.

 Thao tác so sánh

 Thao tác biến đổi

 Thao tác thể hiện kết quả hay chỉ thị.

 Phân loại các cách thực hiện phương pháp đo

 Đo trực tiếp : là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất.

 Đo gián tiếp : là cách đo mà kết quả được suy ra từ phép đo ,từ sự phối hợp của nhiều phép đo trực tiếp.

 Đo thống kê : là phép đo nhiều lần một đại lượng nào đó , trong cùng một điều kiện và cùng một giá.Từ đó dùng phép tính xác suất để thể hiện kết quả đo có

độ chính xác cần thiết.

PHẦN II : Linh Kiện

1 Module Arduino Uno R3:

a) Thông số kỹ thuật:

Vi điều khiển: ATmega 328 họ 8 bit

Điện áp hoạt động: 5 VDC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động: 16 MHz

Dòng tiêu thụ: 30 mA + Điện áp vào khuyên dùng: 7-12 VDC

Điện áp vào giới hạn: 6-20 VDC + Số chân Digital I/O: 14 ( 6 chân hardware PWM) + Số chânanalog: 6 ( độ phân giải 10 bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA

Dòng ra tối đa (5V): 500mA

Dòng ra tối đa (3.3V): 50mA

Bộ nhớ flash: 32KB với 0.5KB dùng để bootloader

2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu

ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng

hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM

sẽ bị mất  

1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như mộtchiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khicúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

Các cổng vào ra: Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điệntrở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở nàykhông được kết nối)

      Transistor TIP41C là một transistor lưỡng cực – BJT, TIP41C gồm 3 lớp bán dẫn loại P và loại

N ghép lại với nhau tạo thành transistor phân cực ngược NPN

Hình 1.2 Tip 41C

Transistor TIP41C được đóng gói theo chuẩn TO-220, thứ tự chân từ trái qua phải là  B C E.TIP41C là transistor công suất có hệ số khuếch đại trong khoảng từ 15 đến 75, công suất lên đến65W

       TIP41C được ứng dụng rộng rãi trong các mạch điện tổng quát, mạch khuếch đại âm thanh,mạch khuếch đại công suất tuyến tính.

Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo và kích thước TIP41C

 a) Thông số kỹ thuật của cảm biến LM35

 Độ tự gia nhiệt thấp, 0,08oC trong không khí tĩnh

b) Sơ đồ chân LM35

1 Vcc Điện áp đầu vào là + 5V cho các ứng dụng điển hình

2 Analog ouput Sẽ tăng thêm 10mV nếu cứ tăng 1 ° C Có thể dao động từ -1V (-55 °C) đến 6V (150 ° C)

3 ground Nối mass của mạch

Hình 1.5 

c) Các tính năng của IC cảm biến nhiệt độ LM35

 Điện áp đầu vào tối thiểu và tối đa lần lượt là 35V và -2V Điển hình là 5V

150 ° C Nó có thể dễ dàng được giao tiếp với bất kỳ vi điều khiển nào có chức năng ADC hoặc bất

kỳ nền tảng phát triển nào như Arduino

Cấp nguồn cho IC bằng cách đặt một điện áp quy định như + 5V (VS) vào chân đầu vào và nối chânGround với mass của mạch Có thể đo nhiệt độ ở dạng điện áp như hình dưới đây

Hình 1.6Nếu nhiệt độ là 0 ° C, thì điện áp đầu ra cũng sẽ là 0V Sẽ có sự gia tăng 0,01V (10mV) cho mỗi độtăng nhiệt độ C Điện áp có thể được chuyển đổi thành nhiệt độ bằng cách sử dụng công thức dướiđây

e) Ứng dụng cảm biến nhiệt độ LM35

 Đo nhiệt độ của một môi trường cụ thể

 Cung cấp tính năng tắt nhiệt cho mạch hoặc linh kiện

 Giám sát nhiệt độ pin

 Đo nhiệt độ cho các ứng dụng HVAC

3 Dây cắm

Hình 1.7

PHẦN III : Sơ Đồ

Hình 1.8: Sơ đồ đấu nối giữa các linh kiện

Matlab simmulink

Arduino Uno

Power Supply

DC

TIP 41C Power Transistor

LM 35 Temperature

PWM

0 – 100%

Sơ Đồ Khối

PHẦN IV: Bộ Điều Khiển FUZZY-PID Cấu Trúc Bộ Mờ Và Hàm Liên Thuộc

I Cấu trúc và hàm liên thuộc

1 Cấu trúc

Hình 1.9 Cấu trúc fuzzy

Cấu trúc fuzzy gồm hai đầu vào:

- Tín hiệu sai số e(t) : là tín hiệu so sánh giữa giá trị đặt và tín hiệu đọc về từ cảm biến LM35

- Cách xác định: e(t) = giá trị đặt – giá trị trả về

- Tính hiệu de(t): là biến thiên của sai số theo thời gian

2 Hàm liên thuộc

Hình 2.1 Hàm liên thuộc tín hiệu e(t)

Hình 2.2 Hàm liên thuộc tín hiệu de(t)

Hình 2.3 Hàm liên thuộc cho các output

II Xây dựng luật hợp thành

2.2 PID đáp ứng thực tế

Hình 2.6: Kết quả đáp ứng Fuzzy-PidNhư trên hình với giá trị đặt là 500C, thì giá trị đắp ứng là khoảng 510C

Với mô hình đã thiết kế, thì giá trị đáp ứng là khoảng 510C so với giá trị đặt (setpoint) là 500C Qua

đó ta có thể thấy rằng bộ điều khiển đáp ứng tốt tiệm cận với giá trị đặt ra Cho thấy bộ điều khiểnhoạt động tốt

Phần V: Hình ảnh mô hình thực tế

Hình 2.7: Mô hình thực tế

Hình 2.8: Code thực tế cho bộ điều khiển Fuzzy-Pid

PHẦN VI: Kết Luận

Sau thời gian nỗ lực nghiên cứu, được sự chỉ dẫn của thầy, chúng em đã hoàn thành đề tài. 

Và sau khi thực hiện đồ án chúng em đã rút ra được những kết luận quan trọng về chế tạo

“ MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TIP 41C SỬ DỤNG CẢM BIẾN LM35”:

- Nắm rõ được giao tiếp giữa Arduino và MatLab

- Tìm hiểu về MatLab

- Biết cách thi công mạch và dùng MatLab lập trình mạch

- Thực hiện kết nối và trao đổi dữ liệu giữa thiết bị để đo lường nhiệt độ thông qua cảm biếnLM35

Về phần cứng: Tìm hiểu về mạch đo nhiệt độ và các linh kiện cũng như cách thiết kế và làmmạch thủ công

Đi sâu tìm hiểu một số thuật toán điều khiển

Đề tài này rất phổ biến và có ứng dụng rất cao vào đời sống thực tiễn

Ứng dụng công nghệ đo lường nhiệt độ vào các hệ thống khác

Những mặt hạn chế trong gian đoạn làm đồ án, chúng em đã rất cố gắng nghiên cứu, thiết kế

để có được những kết quả đã nêu trên Tuy nhiên do thời gian và kiến thức của chúng em có hạn,nên trong đồ án còn những hạn chế và thiếu sót mong thầy xem xét và góp ý để chúng em tiến bộ