đề rài vi mạch 2

1.1.2: Nguyên lý hoạt đông Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý,dựa vào các đặc tính của đối tượngcần đo mà ta chọn một loại cảm biến phù hợp để biến đổi thông số đại lượngvật lý cần đo

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được đồ án này, đầu tiên nhóm thực hiện xin được gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, quý Thầy Cô trong trường và đặc biệt là quý Thầy Cô trong khoa Điện Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội, đã tận tình chỉ dẫn, truyền đạt kiến thức cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm thực hiện trong suốt quá trình học tập vừa qua

Đặt biệt nhóm thực hiện xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Bá Khá đã tận tình hướng dẫn, quan tâm theo dõi và động viên nhóm thực hiện để hoàn thành tốt đồ án này

Ngoài ra, nhóm thực hiện đề tài cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè cùng khóa và người thân chung quanh đã giúp đỡ về vật chất và tinh thần để nhóm thực hiện đạt được thành tích như ngày hôm nay

Trong quá trình làm đồ án, nhóm đã cố gắng chọn lọc nội dung cơ bản và trình bày rõ ràng, có hệthống Tuy nhiên trong quá trình làm do hạn chế về mặt kiến thức và thời gian chuẩn bị ngắn nênchắc chắn còn nhiều thiếu xót nhóm mong sự giúp đỡ của bạn đọc để tài liệu ngày càng hay và hoàn thiện hơn

Xin trân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ chúng tôi trong quá trình soạn thảo và bước đầu hoàn thiện tài liệu này

Nhóm thực hiện đề tài

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 =tmin – tmax = 0-(60+n)0C

- 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: Ud=(tmax

-tmin)/2n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách

-n=26

Vậy :

- Chuẩn hóa đầu ra: U=0-10V và I=0-20mA

- Dải đo từ: t0C =tmin – tmax = 0- 860C

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Mục lục Chương 1: Tổng quan về mạch đo

1.1 Tổng quan về mạch đo

1.1.1 Giới thiệu

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

1.2 Tổng quan về mạch đo

1.2.1 Khái niệm chung

1.2.2 Các phương pháp đi nhiệt độ

Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính

2.1 Cảm biến nhiệt độ

*Đo nhiệt độ với cảm biến DS 18b20

Tổng quan

Lấy nhiệt độ với DC 18b20

Sơ đồ nối cảm biến DC 18b20

*Sử dụng MODULE ANALOG

Giới thiệu chung về MODULE ANALOG

Giới thiệu về MODULE ANALOG EM235

Cách đấu dây

Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo

3.1: Lựa chọn cảm biến và Thiết kế mạch đo

3.2: Thiết kế mạch cảnh báo cho thiết bị

3.3: Thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa, mạch nguồn cung cấp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO

1.1 Tổng quan về mạch đo

1.1.1 Gới thiệu

Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì phụ thuộc vào đặc tính của đại lượng cần

đo ,điều kiện đo, cũng như độ chính xác yêu cầu của một phép đo mà ta có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của hệ thống đo lường khác nhau trên cơ sở của các hệ thống đolường khác nhau

Sơ đồ của một hệ thống đo lường tổng quát:

Khối chuyển đổi - Mạch đo - Chỉ thị

Sơ đồ khối đo

Cảm biến

LED 7 Mạch

chuyển đổi U/I

Bộ khuếch đại

Cảm biến

Còi, đèn

Mạch So Sánh

-Khối chuyển đổi: làm nhiệm vụ đổi trực tiếp các đại lượng vật lý đặc trưng cho đối tượng cần

đo biến đổi các đại lượng thành các đại lượng vật lý thống nhất (dòng điện hay điện áp ) để thuậnlợi cho việc tính toán

-Khối so sánh: làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa về với tín hiệu đã cài đặt.Tuỳ theo tín hiệungõ ra, sẽ ra quyết định để cơ cấu chấp hành gia tăng, giảm, hay giữ nguyên nhiệt độ thậm chí cóthể kết hợp để báo động hiển thị

-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

-Khối chỉ thị:làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để thể hiện kết quả đo

Hệ thống đo lường số được áp dụng để thực hiện đề tài này vì có các ưu điểm: các tín hiệu tương

tự qua biến đổi thành các tín hiệu số có các xung rõ ràng ở trạng thái 0,1 sẽ giới hạn được nhiều mức tín hiệu gây sai số Mặt khác ,hệ thống này tương thích với dữ liệu của máy tính,qua giao tiếp với máy tính ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật Có thể hiện ra mà hình LCD, LED 7hoawcj LED đơn

-Khối khuếch đại dùng làm ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra

1.1.2: Nguyên lý hoạt đông

Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý,dựa vào các đặc tính của đối tượngcần đo mà ta chọn một loại cảm biến phù hợp để biến đổi thông số đại lượngvật lý cần đo thành đại lượng điện ,đưa vào mạch chế biến tín hiệu(gồm:bộcảm biến,hệ thống khuếch đại,xử lý tín hiệu)

Bộ chuyển đổi tín hiệu sang số ADC(Analog Digital Converter) làmnhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và kết nối với vi xử lý

Bộ vi xử lý có nhiệm vụ thực hiện những phép tính và xuất ra nhữnglệnh trên cơ sở trình tự những lệnh chấp hành đã thực hiện trước đó

Bộ dồn kênh tương tự (multiplexers) và bộ chuyển ADC được dùngchung tất cả các kênh Dữ liệu nhập vào vi xử lý sẽ có tín hiệu chọn đúngkênh cần xử lý đê đưa vào bộ chuyển đổi ADC và đọc đúng giá trị đặc trưngcủa nó qua tính toán để có kết quả của đại lượng cần đo

1.2 Tổng quan về đo nhiệt độ

1.2.1 Khái niệm chung

Trong nghiên cứu khoa học, trong sản xuất cũng như trong đời sống sinhhoạt hằng ngày, luôn luôn cần xác định nhiệt độ của môi trường hay của mộtvật nào đó Vì vậy việc đo nhiệt độ đã trở thành một việc làm vô cùng cầnthiết Đo nhiệt độ là một trong những phương thức đo lường không điện

Nhiệt độ cần đo có thể rất thấp (một vài độ Kelvin), cũng có thể rất cao (vàingàn, vài chục ngàn

độ Kelvin) Độ chính xác của nhiệt độ có khi cần tới mộtvài phần ngàn độ, nhưng có khi vài chục độ cũng có thể chấp nhận được Việcđo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên biệt như cặp nhiệtđiện, nhiệt điện trở, diode và transistor, IC cảm biến nhiệt độ, cảm biếnthạch anh … Tùy theo khoảng nhiệt độ cần đo và sai số cho phép mà người ta lựachọn các loại cảm biến và phương pháp đo cho phù hợp

1.2.2 Các phương pháp đo nhiệt độ

Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau Thông thường nhiệt độ đo được chia thành ba dải: Nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình,nhiệt độ cao Ở nhiệt độ trung bình và thấp phương pháp đó là phương pháp tiếp xúc nghĩa là các cảm biến được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo.Đối với nhiệt độ cao đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo

a, Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc

Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếpxúc Có hai loại là: nhiệt

kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đốivới môi trường khí hoặc nước, chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy Với vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi

và sẽ gây tổn hao nhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt Khi đo nhiệtđộ của các chất hạt (cát, đất…), cần phải cắm sâu nhiệt

kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài

b, Đo nhiệt cao độ bằng phương pháp tiếp xúc

Ở môi trường nhiệt độ cao từ 1600oC trở lên, các cặp nhiệt ngẫu không chịu được lâu dài, vì vậy

để đo nhiệt độ ở các môi trường đó người ta dựa trênhiện tượng quá trình quá độ đốt nóng cặp nhiệt:

ϴ= ƒ(ṭ)= ∆T(1-e 1/ ∂

¿

Trong đó :

ϴ: là lượng tăng nhiệt độ của đầu nóng trong thời gian t

∆T - hiệu nhiệt độ của môi trường đo và cặp nhiệt

∂: hằng số thời gian của cặp nhiệt ngẫu

Dựa trên quan hệ này có thể xác định được nhiệt độ của đối tượng đo mà không cần nhiệt độ đầulàm việc của cặp nhiệt ngẫu phải đạt đến nhiệt độ ấy Nhúng nhiệt ngẫu vào môi trường cần đo trong khoảng (0,4 – 0,6)s, ta sẽ được phần đầu của đặc tính quá trình quá độ của nhiệt ngẫu và theo đó tính được nhiệt độ của môi trường Nếu nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu trong thời gian nhúng vào môi trường cần đo đạt nhiệt độ vào khoảng một nửa nhiệt độ môi trường thì nhiệt độ tính được có sai số không quá hai lần sai số của nhiệt kế nhiệt nhẫu đo trực tiếp Phươngpháp này dùng để đo nhiệt độ của thép nấu chảy

c, Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc

Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

2.1 Cảm biến đo nhiệt độ

Trước tiên, cảm biến là gì:Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận,…các đại lượng vật lýkhông điện thành các tín hiệu điện Ví dụ: Nhiệt độ là 1 đại lượng không liên quan đến điện chúng ta phải chuyển nó về 1 đại lượng khác ( điện trở, điện áp ) để phù hợp với các cơ cấu điện tử

Các cảm biến thường dùng trong HVAC : Cảm biến nhiệt, áp suất, độ ẩm, mức nước, lưu lượng gió, lưu lượng khí, đo nồng độ hóa chất trong nước, CO2, khói, …

* Phân loại cảm biến

- Cặp nhiệt điện ( Thermocouple )

- Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector )

- Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác dụng Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được sự chính xác.

- Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh.

Tổng Quan:DS18B20 là IC cảm biến nhiệt độ, chỉ bao gồm 3 chân, đóng gói dạng TO-92 3 chân nhỏ gọn

Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hướng mới trong “ thế giới cảm biến”

IC Cảm biến nhiệt độ DS18B20

Đặc điểm chính của DS18B20 như sau:

+ Lấy nhiệt độ theo giao thức 1 dây (1wire)

+ Cung cấp nhiệt độ với độ phân giải config 9,10,11,12 bit, tùy theo sử dụng Trong trường hợp không config thì nó tự động ở chế độ 12 bit

Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa là 750ms cho mã hóa 12 bit

+Có thể đo nhiệt độ trong khoảng -55 -> +125°C Với khoảng nhiệt độ là -10°C to +85°C thì

độ chính xác ±0.5°C, ±0.25°C , ±0.125°C, ±0.0625°C theo số bít config

+ Có chức năng cảnh báo nhiệt khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép Người dùng có thể lập trình chức năng này cho DS18B20 Bộ nhớ nhiệt độ cảnh báo không bị mất khi mất nguồn vì nó có một mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ ROM trên chip (on chip), giá trị nhị phân được khắc bằng tia laze

+ Cảm biến nhiệt độ DS18B20 có mã nhận diện lên đến 64-bit, vì vậy bạn có thể kiểm tra nhiệt

độ với nhiều IC DS18B20 mà chỉ dùng 1 dây dẫn duy nhất để giao tiếp với các IC này

Với DS18B20 bạn hoàn toàn có thể tạo cho mình mạch cảm biến nhiệt độ theo ý muốn

+ Điện áp sử dụng : 3 – 5.5 V

+ Dòng tiêu thụ tại chế 4mA-20mA

* Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt DS18b20

- Sơ đồ khi sử dụng một cảm biến

- Sơ đồ khi mắc nhiều cảm biến

* Đọc nhiệt độ

Khi bắt đầu chuyển đổi nhiệt độ thì chân DQ sẽ được kéo xuống mức thấp và khi chuyển đổi xong thì ở mức cao.Như vậy ta sẽ căn cứ vào hiện tượng này để xác định khi nào chuyển đổi xong nhiệt độ Lưu ý luôn phải dùng một điện trở tầm 4.7k trở lên vào chân

DQ treo lên nguồn như sơ đồ mắc

Dưới đây là một ví dụ mẫu đo nhiệt độ bằng ds18b20 hiển thị LCD các bạn tham khảo sẽ hiểu rõ hơn về sử dụng cảm biến này như thế nào Đồng thời tham khảo thêm datasheet của ds18b20

*Kết quả:

Cảm biến nhiệt độ LM35

*Mô tả chung

-LM35 là cảm biến có mạch tích hợp cảm biến nhiệt độ chính xác cao

-Hoạt động tốt trong dải nhiệt độ từ -55oC đến +130oC

-Độ chính xác cao, với sai số +-1/40C ở nhiệt độ phòng và +-3/4oC trongkhoảng nhiệt độ -55 đến 130oC

*Cấu tạo chung

LM35 là loại cảm biến có mạch tích hợp bên trong

Cấu tạo bên ngoài gồm:

-Bộ phận chính là đầu cảm biến, được làm từ chất bán dẫn, khi đo nhiệt độ thì bộ phận này sẽ tiếp xúc trực tiếp với môi trường

-Chân gồm 3 chân:

+Vs là chân được cấp nguồn (4V- 30V)

+Vout là chân điện thế ra

+GND là chân mass( nối đất)

*Cảm biến nhiệt IC

Hầu hết các cảm biến nhiệt IC sử dụng tính chất cơ bản của các lớp tiếp xúc bán dẫn P-N là hàm của nhiệt độ

*Các cảm biến nhiệt IC thông dụng:

+ LM135, LM235, LM335 : 10mV/ºK output

*Nguyên lý đo nhiệt độ:

+ Cảm biến tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra ở chỗ tiếp xúc đối tượng cần đo và cảm biến

+ Cảm biến không tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra nhờ vào bức xạ năng lượng nhiệt ở dạng ánh sáng hồng ngoại

*Cảm biến bị tác động bởi môi trường đo gây ra sai số khi đo nhiệt độ Hai phương pháp xử lý tín hiệu nhiệt độ:

+ Phương pháp cân bằng nhiệt độ: xác định hoàn toàn khi không có sự sai lệch đáng kể giữa nhiệt độ bề mặt đo và nhiệt độ cảm biến, tức là cảm biến nhiệt đạt đến giữa cảm biến và nhiệt đốitượng đo

+ Phương pháp dự báo: cảm biến nhiệt không đạt đến trong không gian đo, nhiệt độ được xác định thông qua tốc độ thay đổi nhiệt của cảm biến

Thông số kỹ thuật chính của cảm biến nhiệt họ LM34 và LM35 :

Họ LM34 Mã hiệu Tầm đo Độ chính xác Đầu ra

*Sử dụng MODULE ANALOG

Giới thiệu chung về MODULE ANALOG

Trước hết bạn hãy so sánh việc cộng hai tín hiệu tương tự (analog) với việc cộnghai tín hiệu số (digital), công việc nào đơn giản hơn khi mà kỹ thuật số phát triển nhưhiện nay?

Hay ta lấy một ví dụ đơn giản như sau : Ta cần điều khiển nhiệt độ của một lò nung sao cho đạt được chất lượng nào đó Làm thế nào để đo nhiệt độ về và xử lý nhiệt độ đó như thế nào trong bài toán điều khiển?

*Khái niệm về module analog.

Module analog là một công cụ để xử lý các tín hiệu tương tự thông qua việc xử lý các tín hiệu số

*Analog input

Thực chất nó là một bộ biến đổi tương tự - số (A/D) Nó chuyển tín hiệu tương tự ở đầu vàothành các con số ở đầu ra Dùng để kết nối các thiết bị đo với bộ điều khiển.

*Analog output

Analog output cũng là một phần của module analog Thực chất nó là một bộ biến đổi số - tương

tự (D/A) Nó chuyển tín hiệu số ở đầu vào thành tín hiệu tương tự ở đầu ra Dùng để điều khiểncác thiết bị với dải đo tương tự Chẳng hạn như điều khiển Van mở với góc từ 0-100%, hay điềukhiển tốc độ biến tần 0-50Hzạn như đo nhiệt độ

*Nguyên lý hoạt động chung của các cảm biến và các tín hiệu đo chuẩn trong công nghiệp.

Thông thường đầu vào của các module analog là các tín hiệu điện áp hoặc dòng điện Trong khi

đó các tín hiệu tương tự cần xử lý lại thường là các tín hiệu không điện như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, khối lượng Vì vậy người ta cần phải có một thiết bị trung gian để chuyển cáctín hiệu này về tín hiệu điện áp hoặc tín hiệu dòng điện – thiết bị này được gọi là các đầu đo hay cảm biến

Để tiện dụng và đơn giản các tín hiệu vào của module Analog Input và tín hiệu ra của module Analog Output tuân theo chuẩn tín hiệu của công nghiệp.Có 2 loại chuẩn phổ biến là chuẩn điện

áp và chuẩn dòng điện

- Điện áp : 0 – 10V, 0-5V, ± 5V…

- Dòng điện : 4 – 20 mA, 0-20mA, ± 10mA

Trong khi đó tín hiệu từ các cảm biến đưa ra lại không đúng theo chuẩn Vì vậy người ta cần phải dùng thêm một thiết chuyển đổi để đưa chúng về chuẩn công nghiệp

Kết hợp các đầu cảm biến và các thiết bị chuyển đổi này thành một bộ cảm biến hoàn chỉnh , thường gọi tắt là thiết bị cảm biến, hay đúng hơn là thiết đo và chuyển đổi đo ( bộ transducer)

2.2 Mạch khuếch đại

Khuếch đại là nâng cao độ lớn của tín hiệu điện mà không làm méo dạng của nó

Chất lượng của mạch khuếch đại đặc trưng bằng hệ số khuếch đại và hệ số méo

-Hệ số khuếch đại của tầng khuếch đại : là tỉ số biên độ của đại lượng cùng tên ( I ,U , P)

ở lối ra và lối vào tầng

Hệ số méo :Xác định độ sai lệch dạng tín hiệu ở đầu ra so với đầu vào tầng khuếch đại

-Tầng khuếch đại có chất lượng cao thì hệ số khuếch đại lớn và độ méo tín hiệu nhỏ.-Nguồn cung cấp cho các mạch tích hợp là nguồn một chiều đối xứng có độ lớn từ

±3V-±15V

-Mức điện áp tín hiệu vào có độ lớn không vượt quá điện áp cấp nguồn: 1V- 2V

Analog Input ( A/D) Các con số

Analog Output ( D/A) Các con số

Đầu đo

Thiết bị chuyển đổi

4 – 20 mA

-Mức điện áp đầu ra thường không vượt quá nguồn cấp từ 1V-2V.

-Điện áp lệch ở ngõ vi sai là giá trị giữa 2 ngõ vào của khuếch đại thuật toán vẫn tồn tại khi điện áp cửa ra có giá trị bằng 0

-Điện áp chuyển dịch cửa ra được hiểu là giá trị điện áp cửa ra vẫn còn tồn tại khi điện ápgiữa các cửa vào vi sai bằng 0

2.3 Loa

-Khối nguồn cung cấp điện áp cho khối khuếch đại

-Khối khuếch đại : khuếch đại âm thanh

-Loa: phát âm thanh

-Hiển thị ra LED 7 thanh

Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử, đã sản xuất nhiều loại IC giải mã, IC

số chuyên dùng trong biến đổi ADC, vì vậy cho phép ta sử dụng khâu chỉ thị số dễ dàngnhư dùng LED 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng LCD Ở đó, kết quả đo được thể hiệnbằng các con số trong hệ thập phân

LOA

ĐẠI

LED 7 thanh là công cụ thông dụng được dung để hiển thị các thong số dưới dạng các số

Dưới dạng các số từ 0 đến 9 Mặc dù LCD cũng giúp ta hiện các thông số linh hoạt hơnnhưng LED7 vẫn được sử dụng trong công nghiệp nhiều hơn do các ưu thế của nó: ítchịu tác dụng của nhiệt độ, tạo sự chú ý ở mọi góc nhìn

LED 7 thanh bao gồm 7 thanh LED được đánh dấu bởi thứ tự a, b,c,d,e,g,f và một dấuchấm thập phân ký hiệu là dp Ta có thể xem led 7 thanh này gồm 8 con led, 8 con lednày có một đầu được nối chung và được bố trí theo nguyên tắc nhất định để hiển thị các

số thập phân

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐO 3.1 Tính toán lựa chọn cảm biến và thiết kế mạch đo

LM35 là một cảm biến nhiệt độ ANALOG.Nhiệt độ được xác định bằng cách đo

Chân 1: Chân nguồn Vcc

Chân 2: Đầu ra Vout

Chân 3: GND

Một số thông số chính của LM 35

Cảm biến LM 35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ

lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng cũng không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh

Đặc điểm chính của cảm biến LM35

+ Điện áp đầu vào từ 0V đến 10V

+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC

+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C

+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ 0o C - 150o C với các mức điện áp ra khác nhau Xét một

số mức điện áp sau

Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ thống này thì đo từ

0oC đến 86oC

LM35 có 3 chân : 2 chân cấp nguồn và 1 chân xuất điện áp ra tùy theo nhiệt độ

Nhiệt độ tăng 1C thì điện áp xuất ra ở chân out của LM35 tăng 10mV

*Phạm vi làm việc theo đề bài yêu cầu là :từ 0○ C đến +86 ○ C Với dải điện áp như bài cho

=>Nên dùng ADC 10bit.Với điều kiện thông thường ta ko cần đo nhiệt độ âm vì thế sẽ chỉ có từ 0->10v

Hoạt động với dải điện áp vào:0V tới 10 V

Với tải đầu ra:0,1 ôm cho 1 mA dòng qua tải

Hệ số tự phát nhiệt (nhiệt lượng tỏa ra khi làm việc) so với môi trường chung quanh:0,08 độ C

*Tính toán đầu ra của LM 35

Việc đo nhiệt độ sử dụng LM35 thông thường chúng ta sử dụng bằng cách

LM35 - > ADC - > Vi điều khiển

Dùng ADC 10 bit Giá trị của ADC này từ [-1024 đến 1024] nên ta chỉ lấy giá trị dương giá trị ADC của nó là 0 đến 2048

LM 35 có nhiệt độ tối đa là 130○C Mà bài yêu cầu nằm trong khoảng là t= (0○C -86○C)

Cứ 10mV tương ứng với 1○C nên :

+ Tại 0○C thì giá trị đầu ra của LM35 thì điện áp 0V

Mà với LM35 nhiệt độ Max là 150˚C thì điện áp đầu ra là 1,5V

+Theo bài tại 86○C thì giá trị đầu ra của LM35 là : 86*0,01=0,86 V

Ta thấy giá trị đầu ra rất nhỏ so với giá trị max là 10V

Điện áp tương ứng là 0,86V mà LM35 thay đổi trong 10mV

*Một số ví dụ mô phỏng

Trong ví dụ có hiển thị cả độ C và độ F mô phỏng trên Proteus

3.2 Mạch cảnh báo nhiệt độ cho thiết bị

Mạch cảnh báo nhiệt độ cho thiết bị:

Đây là mạch cảnh báo nhiệt độ đơn giản dùng để bảo vệ các thiết bị quá nhiệt như trong mạch điện tử, máy móc, cảnh báo nhiệt độ môi trường trước khi nhiệt độ làm hỏng thiết bị của chúng

ta Mạch có thể tự động tắt thiết bị ra khỏi nguồn điện khi nhiệt độ tăng cao Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý của mạch cảm biến giới thiệu như sau :

Nhìn trên mạch chúng ta có thể thấy được mạch gồm các phần sau :

+ Phần mạch cảm biến nhiệt độ : Phần cảm biến nhiệt độ mạch sử dụng cảm biến LM35 có giải nhiệt độ đo được từ 0 ~ 86oC ( theo bài yêu cầu) Cảm biến LM35 biến đổi giá trị nhiệt độ thànhđiện áp tương ứng Với cảm biến LM35 thì độ biến đổi là 10mV/oC Tại thời điểm 0oC thì đầu

ra của LM35 là 0V ==> tại 86oC thì điện áp đầu ra là 0,86V Nên dựa theo điện áp đầu ra này chúng ta có thể đưa vào ADC đọc dữ liệu hay cho vào bộ so sánh để tạo tín hiệu điều khiển.+ Phần mạch so sánh Khâu sử dụng LM339 là loại OPAM để so sánh tín hiệu từ cảm biến LM35 và điện áp tham chiếu Điện áp tham chiếu dùng để đặt nhiệt độ cảnh báo và được điều

chỉnh bởi biến trở VR1 và đưa vào đầu đảo của OPAM Tín hiệu từ cảm biến LM35 được đưa vào đầu không đảo Hai tín hiệu này so sánh với nhau để tạo ra tín hiệu điều khiển.

+ Khâu đệm và điều khiển role : Phần đệm mạch sử dụng transitor để đệm công suất cho Rơle Đầu ra được kết nối với các tiếp điểm của Rơle và được cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển

* Nguyên lý hoạt động :

Để bảo vệ thiết bị khi quá nhiệt độ thì chúng ta phải tinh chỉnh biến trở VR1 để có nhiệt độ bảo

vệ mong muốn Tín hiệu đặt này sẽ được so sánh với tín hiệu từ cảm biến LM35 thông qua Opam Bình thường thì điện áp tại chân không đảo sẽ nhỏ hơn tín hiệu đặt nên tín hiệu đầu ra tại chân 3 của LM339 sẽ ở mức 0 nên không kích mở được transitor và role không kích mở Khi có một sự cố nào đó nhiệt độ tăng cao làm điện áp tại chân không đảo cao hơn nhiệt độ ở chân đảo nên đầu ra của Opam sẽ ở mức 1 nên kích mở transitor đóng mở role

Điện áp tham chiếu được điều khiển bởi VR1 được điều khiển trong giải (0 ~ 10V) tương ứng với (0oC ~ 86oC) Nguyên lý của mạch là so sánh tín hiệu đặt và tín hiệu đo được để điều khiển đầu ra.Khi ở nhiệt độ khác nhau thì LM35 sẽ cho ra điện áp khác nhau nằm trong giải nhiệt độ

đo được

Mạch trên có thể ứng dụng vào các mạch bảo vệ nhiệt độ đơn giản.Bảo vệ thiết bị trước khi bị quá nhiệt độ Đối với mạch này thì các bạn có thể dễ dàng lắp đặt và linh kiện dễ dàng

3.3 Mạch khuếch đại, chuẩn hóa, mạch nguồn cung cấp

Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng anh: operational amplifier), thường được gọi tắt là amp là một mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín hiệu đầu vào bao gồm cả tín hiệu BIAS) với hệ

op-số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu ra đơn Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra

Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều các thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa học Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất rẻ Các thiết kế hiện đại đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu

-Giới hạn dòng điện đầu ra — Dòng điện đầu ra phải được giới hạn Thực ra đa số các mạch

khuếch đại thuật toán đã được thiết kế sao cho giới hạn dòng điện đầu ra không vượt quá một trị

số xác định, khoảng 25 mA đối với mạch khuếch đại thuật toán 741 do đó có thể tự bảo vệ mạch

và các mạch bên ngoài không bị hư hỏng

-Giới hạn công suất tiêu tán — Một mạch khuếch đại thuật toán là một mạch khuếch đại tuyến

tính Do đó nó sẽ bị tiêu tán một năng lượng dưới dạng nhiệt năng, tỷ lệ với dòng điện đầu ra và hiệu số điện áp giữa điện áp nguồn và điện áp đầu ra Nếu mạch khuếch đại tiêu tán quá nhiều năng lượng, nhiệt độ của nó có thể tăng lên trên ngưỡng an toàn Mạch có thể bị dẫn đến sụp đổ

do nhiệt ho

Bão hòa — điện áp đầu ra sẽ bị giới hạn ở trị số thấp nhất và cao nhất gần với điện áp nguồn

nuôi.Hiện tượng bão hòa xảy ra khi điện áp đầu ra của mạch khuếch đại đạt đến các giá trị, và thường tùy thuộc vào:

 Trong trường hợp mạch khuếch đại thuật toán sử dụng nguồn lưỡng cực, độ lợi điện áp làm cho điện áp đầu ra dương hơn trị số cao nhất hoặc âm hơn trị số thấp nhất

 Trong trường hợp mạch khuếch đại thuật toán sử dụng nguồn đơn cực, nếu độ lợi điện áp gây ra điện áp đầu ra dương hơn trị số cao nhất, hoặc khi điện áp ra quá thấp, gần điện thế đất hơn trị số giới hạn thấp nhất

 Độ dốc điện áp — Đầu ra của các mạch khuếch đại có thể đạt đến mức thay đổi điện áp

cao nhất của nó Đại lượng tốc độ thay đổi điện áp tối đa đo được thường được hiển thị theo đơn vị vôn trên mili giây Khi đang ở trong thời điểm thay đổi này, mọi thay đổi ở đầu vào đều không ảnh hưởng đến đầu ra Độ dốc của đầu ra mạch khuếch đại thường do các điện dung ký sinh bên trong mạch khuếch đại, đặc biệt là những mạch có hỗ trợ mạch

bù tần số bên trong

 Hàm truyền phi tuyến — Điện áp ra có thể sẽ không tỷ lệ chính xác vối điện áp vi sai

đầu vào Điều này sinh ra méo dạng nếu đầu vào là một tín hiệu có dạng sóng Ảnh hưởng của nó sẽ rất bé trong các mạch có sử dụng hồi tiếp âm

*Ký hiệu

Ký hiệu trên mạch điện của một mạch khuếch đại thuật toán như sau:

Ký hiệu của mạch khuếch đại thuật toán trên sơ đồ điện

Trong đó:

 V+: Đầu vào không đảo

 V−: Đầu vào đảo

 Vout: Đầu ra

 VS+: Nguồn cung cấp điện dương

 VS−: Nguồn cung cấp điện âm

Các chân cấp nguồn (VS+ and VS−) có thể được ký hiệu bằng nhiều cách khác nhau Cho dù vậy, chúng luôn có chức năng như cũ Thông thường những chân này thường được vẽ dồn về góc trái của sơ đồ cùng với hệ thống cấp nguồn cho bản vẽ được rõ ràng Một số sơ đồ người ta có thể giản lược lại, và không vẽ phần cấp nguồn này Vị trí của đầu vào đảo và đầu vào không đảo có thể hoán chuyển cho nhau khi cần thiết Nhưng chân cấp nguồn thường không được đảo ngược lại

- Khối 1: Đây là tầng khuếch đại vi sai (Differential Amplifier), nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch

tín hiệu giữa hai ngõ vào v+ và v- Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ

miễn nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn

- Khối 2: Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ nhay cho Op-Amps Trong tẩng này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân cực DC ở ngõ ra

- Khối 3: Đây là tầng khuếch đại đệm, tần này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở ngõ

ra giúp Op-Amps phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau

Op-Amps thực tế vẫn có một số khác biệt so với Op-Amps lý tưởng Nhưng để dễ dàng trong việc tính toán trên Op-Amps người ta thường tính trên Op-Amps lý tưởng, sau đó dùng các biện pháp bổ chính (bù) giúp Op-Amps thực tế tiệm cận với Op-Amps lý tưởng Do đó để thuận tiện cho việc trình bày nội dung trong chương này có thể hiểu Op-Amps nói chung là Op-Amps lý tưởng sau đó sẽ thực hiện việc bổ chính sau

*Nguồn cung cấp

Op-Amps không phải lúc nào cũng đòi hỏi phải cung cấp một nguồn ổn áp đối xứng ±15VDC,

nó có thể làm việc với một nguồn không đối xứng có giá trị thấp hơn (ví dụ như +12VDC và 3VDC) hay thậm chí với một nguồn đơn +12VDC Tuy nhiên việc thay đổi về cấu trúc nguồn cung cấp cũng làm thay đổi một số tính chất ảnh hưởng đến tính đối xứng của nguồn như Op-amps sẽ không lấy điện áp tham chiếu (reference) là mass mà chọn như hình sau:

Mặc dù nguồn đơn có ưu điểm là đơn giản trong việc cung cấp nguồn cho op-amps nhưng trên thực tế rất nhiều mạch op-amps được sử dụng nguồn đôi đối xứng

*Giả sử ta khuếch đại từ 0,86V lên 5V

Với mạch điện tử thông thường thì khoảng chuẩn hóa là từ 3V-5V

Còn LM35 thì chuẩn hóa là 5V nên :

Hệ số khuếch đại sẽ là K= (5/ 0,86)= 5,831

Dựa vào hệ số khuếch đại ta nên chọn TD A2030

Dải nhiệt độ bài cho là ( 00C- 860C) nên :

Nhiệt độ trung bình ttb = ( tmax – tmin )/2 = ( 860 – 00 )/2= 430C

Sau đây là sơ đồ có sử dụng bộ khuếch đại có tín hiều phát ra bằng còi