Đồ Án Cơ Sở 1 Mạch Cảm Biến Độ Ẩm.docx

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CƠ SỞ 1 MẠCH CẢM BIẾN ĐỘ ẨM Ngành CƠ ĐIỆN ĐIỆN TỬ Chuyên ngành ĐIỆN CÔNG NGHIỆP LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN CƠ SỞ 1

MẠCH CẢM BIẾN ĐỘ ẨM

Ngành: CƠ - ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

Chuyên ngành: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, khoa học kỹ thuật rất phát triển, con người bước vào một thời đại khoa học mới-thời đại mà mỗi giờ,mỗi phút thậm chí mỗi giây trôi qua lại xuất hiện những phát minh, tiến bộ khoa học

Công nghệ mới xuất hiện liên tục, từ đó thành tựu khoa hoc - kỹ thuật được áp vào thực tiễn Chính vì vậy, con người ngày càng tận hưởng được cuộc sống tiện nghi và thoải mái hơn Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy thiết bị công nghệ hiện diện khắp nơi

và nhiều lĩnh vực

Trên thế giới, hàng ngàn viện nghiên cứu, trung tâm với hàng triệu Kỹ Sư vẫnđang miệt mài nghiên cứu để đóng góp cho nhân loại những cải tiến, những kỹ thuậtmới nhằm phục vụ cuộc sống Có thể nhận định rằng: khoa học - kỹ thuật có sức mạnhlớn nhất hiện nay Nó có thể chi phối về quân sự, kinh tế… thể hiện vị thế của một

quốc gia trên trường quốc tế

Việt Nam không nằm ngoái xu thế của thời đại, các nhà nghiên cứu, các kỹ sư,đặc biệt là thế hệ trẻ, các bạn sinh viên vẫn đang tích cực, say mê nghiên cứu khoa học

để tìm ra những kỹ thuật mới, trao đổi học hỏi và tiếp thu công nghệ mới trên thế giới

để phục vụ cho công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước

Dẫu biết rằng trình độ khoa học kỹ thuật ở Việt Nam ở nhiều lĩnh vực vẫn còn cókhoảng cách khá xa với các nước tiên tiến trên thế giới, nhưng với lòng say mê họchỏi, tiếp thu nhanh kiến thức, đức tính cần cù, thông minh và chịu khó, tôi tin rằng:một ngày không xa, chúng ta sẽ bắt kịp và hòa nhập vào “dòng chảy công nghệ” trênthế giới

Để phát triển công nghệ mới thì trước hết phải nắm chắc và hiểu rõ những vấn đề

cơ bản trong mỗi lĩnh vực Đó cũng chính là lý do tôi tiến hành nghiên cứu đề tài này, mục tiêu của tôi là làm rõ một số yếu tố chủ yếu, cơ bản nhất để có thể phát triển các kỹ thuật, sản phẩm mới hơn, hiện đại hơn trong tương lai

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu Đồ Án Cơ Sở 1 với chủ đề: THIẾT KẾ

VÀ THI CÔNG MẠCH CẢM BIẾN ĐỘ ẨM Tôi đã nhận được sự quan tâm hướng rất tận tình của quý thầy, cô tại trường Đại Học Công Nghệ Tp HCM Thông qua việcdẫn trình bày kết quả của đồ án, tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy HOÀNG VĂN VINH

đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án môn học

Bản thân rất mong sẽ tiếp tục nhận được sự quan tâm, hướng dẫn tận tình của quý thầy cô

Trân trọng

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 2-1 cảm biến độ ẩm

Hình 2-2 Tụ điện phân cực

Hình 2-3 Tụ không phân cực (tụ gốm)

Hình 2-4 điện trở

Hình 2-5 transistor

Hình 2-6 Sơ đồ cấu tạo bên trong IC 555

Hình 2-7 IC 555

MỤC LỤ

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH 6

1 Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 8

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: 8

1.2 NỘI DUNG ĐỀ TÀI: 8

1.3 YÊU CẦU ĐỀ TÀI: 8

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: 8

1.5 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN: 9

2 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

2.1 CẢM BIẾN ĐỘ ẨM : 10

2.2 TỤ ĐIỆN: 10

2.2.1 Tụ điện phân cực: 10

2.2.2 Tụ không phân cực: 11

2.2.3 Điện trở: 11

2.3 TRANSISTOR 12

2.3.1 Cấu tạo: 12

2.3.2 Kí hiệu và hình ảnh thực tế 12

2.4 IC LM555: 14

2.4.1 Cấu tạo: 14

2.4.2 Chức năng từng chân 14

2.4.3 Cấu tạo bên trong và nguyên tắc hoạt động 15

3 CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 18

3.1 TÍNH TOÁN: 18

3.1.1 Khối nguồn: 18

3.1.2 Khối cảm biến: 18

3.1.3 Khối xử lý và phát tín hiệu: 19

3.1.4 Khối tác động: 20

3.2 THIẾT KẾ: 20

3.2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 21

4 CHƯƠNG 4 : THI CÔNG MẠCH 21

4.1.1 Mạch thực tế: 23

5 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 24

5.1 Kết luận … 24

5.2 Hướng phát triển đề tài 24

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

Tài liệu tham khảo: 25

1 Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI:

Nhắc lại kiến thức căn bản của môn điện tử

Khảo sát một số linh kiện có trong mạch

Hoàn thiện kỹ năng làm mạch

Mạch hoạt động tốt

1.2 NỘI DUNG ĐỀ TÀI:

Sữ dụng phẩn mềm thiết kế mạch,tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của các linh kiện,các khối trong mạch.Phương pháp làm mạch in

1.3 YÊU CẦU ĐỀ TÀI:

Khi có tín hiệu vào đến khối cảm biến là mức nước trong đất ( hay độ ẩm) giảm sẽlàm thay đổi trạng thái đầu ra là một động cô nào đó

Cấu tạo đơn giản,dễ dàng lắp đặt,linh kiện dễ tìm kiếm,thông dụng

Nguồn đưa vào điều khiển là nguồn DC9v

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

Thu thập thông tin từ những bạn bè đang làm trong lĩnh vực điện tử,từ những tài liệu mà trước đây đã học.Sữ dụng phàn mềm proteus để thiết kế mạch và chạy mô phỏng

1.5 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN:

Gồm 5 chương:

Chương 1: Giới thiệu đề tài Chương 2 : Cơ sở lý thuyết

Chương 3 : Tính toán và thiết kế

Chương 4 : Thi công mạch

Chương 5 : Kết luận

2 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 CẢM BIẾN ĐỘ ẨM :

Loại cảm biến này được sử dụng nhiều trong các dự án tự động như :đọc độ ẩm đấthoặc áp dụng vào các hệ thống tưới tiêu tự động Cảm biến độ ẩm đất, trạng thái đầu ramức thấp (0V), khi đất thiếu nước đầu ra sẽ là mức cao (5V), độ nhạy cao chúng ta có thểđiều chỉnh được bằng biến trở Phần đầu đo được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm củađất, khi độ ầm của đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấplên mức cao

Hình 2-4 điện trở.

2.3 TRANSISTOR

2.3.1 Cấu tạo:

Transistor gồm 3 lớp bán dẫn ghép nối với nhau hình thành hai lớp tiếp giáp PN

Cơ bản có hai loại transistor theo 2 cách ghép: ghép theo thứ tự PNP thì ta

có loại pnp, ghép theo thứ tự NPN ta có loại npn.Ba lớp bán dẫn được nối ra 3

cực của transistor, cực nối với lớp giữa gọi là cực gốc (base) Hai cực còn lại là

cực phát (Emitter) và cực góp (Collector).Sơ đồ tóm tắt đơn giản:

2.3.2 Kí hiệu và hình ảnh thực tế

Hình 2.5: Cấu tạo của Transistor

Ngoài thực tế, cũng có những IC nhìn rất giống transistor, nên để chọn đúngtransistor nên dựa vào số hiệu được ghi trên transistor sẽ được giới thiệu ở phần sau

Ở ngoài chợ điện tự người ta hay gọi các transistor công suất nhỏ là “bọ”, và công suấtlớn là “sò”.

Kí hiệu trên thân transistor:

Có nhiều nước sản xuất transistor nhưng chủ yếu là Nhật bản, Mỹ và Trung

Quốc.Transistor do Nhật Bản sản xuất thường kí hiệu bắt đầu với các chữ cái A…,

B…, C…, D…(A564, B733,C828,…) Các Transistor do Mỹ sản xuất thường kí

hiệu bắt đầu bằng 2N (vd: 2N3055,…) Các transistor do trung Quốc sản xuất bắt đầubằng số 3

2.3.2.1 Xác định các cực B,C,E

Đối với các transistor công suất lớn thì thứ tự chân (nhìn theo mặt có số hiệusản phẩm) lần lượt là B,C,E Các transistor công suất nhỏ thì thường chân E ở bên trái,

ta cần xác định chân B và C là được

Cách xác định: dùng đồng hồ vạn năng Để đồng hồ đo điện trở than 1kOhm Đặt

cố định một que đo vào từng chân , que kia chuyển sang hai chân còn lại, nếu kim lên bằng nhau thì chân có que đặt cố định là chân B, nếu que đồng hồ cố định là que đen thì

là transistor ngược, là que đỏ thì là transistor thuận

2.3.2.2 Các thông số kỹ thuật

Dòng điện cực đại: Dòng giới hạn của transistor, vượt qua dòng này transistor

bị hỏng

Điện áp cực đại: Điện áp tối đa đặt vào CE để transistor không bị đánh thủng

Hệ số khuếch đại: Hệ số khếch đại k bằng dòng BE / dòng CE đặc trưng cho

khả năng khuếch đại dòng điện của transistor

Công suất cực đại: Là công suất tiêu thụ của một transistor P=UCE.ICE Nếu

P>PMAX thì transistor bị cháy

2.3.3 Phân cực cho Transistor

2.3.3.1 Cấp điện cho transistor.

Ta cấp nguồn DC cho transistor, Vcc nối vào chân C, mass nối vào E

2.3.3.2 Phân cực cho transistor

Để transistor sẵn sàng hoạt động, sự khuếch đại tín hiệu của transistor dựa vào quátrình phân cực này: Đặt vào chân B của transistor một dòng Ib là tat đã phân cực

cho Transistor Về cơ bản Hệ số khuếch đại=IC/IB

Vì đáp ứng nhanh và chính xác nên các transistor được sử dụng trong nhiều ứngdụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, vàtạo dao động

- Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng tháicủa tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cao nó tương ứng với

gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng mà trong thực

tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 ->0.75V)

- Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thìngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra tùy theo

mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường hay nối

chân này lên VCC

- Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC

555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND Chân này

có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chânsố

5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho

điện áp chuẩn được ổn định

- Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác

và cũng được dùng như 1 chân chốt

- Chân số 7(DISCHAGER) : có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều

khiển bỡi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này đóng lại.ngược

lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng

dao động

- Chân số 8 (Vcc): Chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động Nó được cấp điện

áp từ 2V >18V (Tùy từng loại 555, thấp nhất là con NE7555)

2.4.3 Cấu tạo bên trong và nguyên tắc hoạt động

V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset.

Khi mới đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời hằng (Ra+Rb)C

- Q = 1 > Transistor dẫn, điện áp trên chân 7 xuống 0V !

- Tụ C xả qua Rb Với thời hằng Rb.C

- Điện áp trên tụ C giảm xuống do tụ C xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống dưới2Vcc/3

* Tụ C tiếp tục "XẢ" từ điện áp 2Vcc/3 > Vcc/3:

với điện áp ban đầu là Vcc/3.

Tóm lại: Trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp trên tụ C chỉ daođộng quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3 (Xem dường đặc tính tụ điện phóng nạp ở trên)

- Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp ở thời điểm

điện áp trên C bằng 2Vcc/3.Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C

- Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thời điểmđiện áp trên C bằng Vcc/3 Xả điện với thời hằng là Rb.C

- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện

Công thức tính tần số điều chế độ rộng xung

+ Tần số của tín hiệu đầu ra là :f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2))

+ Chu kì của tín hiệu đầu ra: t = 1/f

+ Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì: t1 = ln2 (R1 + R2).C

+ Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì: t2 = ln2.R2.C

Như vậy trên là công thức tổng quát của 555 Tôi lấy 1 ví dụ nhỏ là : để tạo được xung dao động là f = 1.5Hz Đầu tiên tôi cứ chọn hai giá trị đặc trưng là R1 và C2 sau đó

ta tính được R1 Theo cách tính toán trên thì ta chọn : C = 10nF, R1 =33k > R2 = 33k

3 CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH

3.1 TÍNH TOÁN:

Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch cảm biến độ ẩm:

- Khối đầu vào là tín hiệu đưa vào, ở đây tín hiệu vào là độ ẩm

- Sau đó tín hiệu sẽ được truyền về khối xử lý

- Khối cảm biến có chức năng cảm nhận độ ẩm, mà phần tử chính là mạch đồng được thiết kế hở để nối vào J1

- Gồm các linh kiện: R1, R2, R3, R4 và transistor Q2( C1815)

- Khi độ ẩm ở mức thấp Dòng điện đi qua khiến transistor được phân cực theo điềukiện VC>VB>VE

VB = VCC.* R2 / ( R1 +R2) = (9*4700)/(10000+4700) = 2,9V

VE= VCC*R3 / ( R1+R3) = (9*1000)/(10000+1000) = 0,8V

Vì VE = VC – VCE nên suy ra VC > VE

- R1và R2 làm nhiệm vụ phân cực cho transistor Q1

- R4 làm cầu phân áp cho cực B của Q1

- Q1 và R3 làm cầu phân áp cho chân 4 (chân Reset) của IC555, khi cảm ứng được

độ ẩm, mạch thông, chân 4 của IC được kéo lên mức cao, IC hoạt động

3.1.3 Khối xử lý và phát tín hiệu:

C1

10uf

R 4

- Gồm các linh kiện: IC555, R1, R2 và C1

- Dòng kiện kích đi từ khối cảm biến đi tới chân 4 Reset khiến IC555 hoạt động

- Điện áp ở chân số 4 = (VCC*R3) / (R3 + R1) = (9V*1000)/(1000+470) = 6.1V mức cao,

mạch bắt đầu hoạt động

- Chân 8 VCC được nối với nguồn

- Chân 1 GND nối mass

- R1, R2, C1 được nối với chân 2 TR, 6 TH, 7 DC như hình để quyết định tần số của

tín hiệu đầu ra tại chân 3 Q theo công thức:

f = 1/(ln2.C.(R5 + 2R4)) = 1/(ln2.10-6.(103+2.100.103) = 0.71 Hz

> Tương đương với chu kỳ T= 1/f = 1/0.71 = 1.4s.

3.1.4 Khối tác động:

R3

330

D1 DIODE

RL1

Q2 c1815

D3 LED-YELLOW

R4 1k

- Gồm các linh kiện:R3, R4, LED và re lay, bjt

- Tín hiệu đầu ra tại chân 3 xuất kích bjt kích re lay đóng làm cho động cơ bơm nước hoạt động

3.2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH

- Nguồn 9V cấp cho mạch

- Khi cảm biến độ ẩm tiếp xúc với đất với độ ẩm của đất ở mức cao thì cảm biến suất mức 0 và Transistor không dẫn rơle không đóng động cơ không hoạt

động.Ngược lại, khi độ ẩm của đất ở mức thấp thì cảm biến suất tín hiệu mức 1 khi

đó Transistor dẫn kích đóng rơle làm cho động cơ hoạt động khi độ ẩm của đất ở mức thấp

- R3 và R4 làm nhiệm vụ phân cực cho transistor Q1

- Q1 và R3 làm cầu phân áp cho chân 4 (chân Reset) của IC555, khi cảm ứng được

độ ẩm của đất ở mức thấp, mạch thông, chân 4 của IC được kéo lên mức cao, IC hoạt động

- Điện trở R1, R2 và tụ C1 quyết định tần số dao động của IC555

- Chân số 3 Output nối với transistor

4 CHƯƠNG 4 : THI CÔNG MẠCH

Dựa vào sơ đồ nguyên lý , tính toán thiết kế Ta vẽ mạch trên phần mềm protues, và xuất ra layout

SƠ ĐỒ MẠCH IN

Sau đó, in mạch đã vẽ trên máy tính ra tờ giấy bóng 1 mặt (giấy thuốc), bước tiếptheo sẽ là ủi chuyền nhiệt để chuyển toàn bộ mực in trên giấy sang board đồng Sau khiboard đồng đã dính hết tất cả các đường mạch mà ta đã vẽ trên máy tính thì ta mangboard đồng đó ngâm trong dung dịch thuốc ăn mòn, những chỗ nào có dính mực in thìđồng sẽ không bị ăn mòn (đường đồng được giữ lại) và những vùng đồng không có mực

in thì thuốc sắt sẽ ăn mòn hết Sau khi đã ngâm trong dung dịch xong ta lấy ra rửa vàđánh tan mực in thì trên board đồng sẽ còn những đường đồng y như những gì ta đã vẽtrên máy Tiến hành khoan và hàn linh kiện để có một mạch in hoàn chỉnh

4.1.1 Mạch thực tế:

Mạch thực tế

5 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN

5.1 Kết luận

 Mạch chạy ổn định, khi độ ẩm ở mức thấp thì động cơ hoạt động

 Ưu nhược điểm của mạch:

- Ưu điểm: Độ chính xác cao, kết hợp tốt với các module khác

- Nhược điểm: Chi phí cao, bo mạch lớn…

5.2 Hướng phát triển đề tài

- Có thể kết hợp với các module khác để tạo thành các hệ thống khác như hệ thống đọc độ ẩm đất hoặc áp dụng vào các hệ thống tưới tiêu tự động

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tham khảo:

[1] Nguyễn Thị Ngọc Anh (2014) Điện tử tương tự 1, Giáo trình Hutech, TP.HCM.[2] Nguyễn Đức Quý (2011) Giáo trình điện tử cơ bản, Trường Cao Đẳng Nghề CơĐiện và Thủy Lợi

[3] Nguyễn Quỳnh Anh Điện tử cơ bản, Giáo trình Đại Học Giao Thông Vận Tải,TP.HCM

[4] www.ebook.edu.vn

[5] www.tailieu.vinhuni.edu.vn

[6] http://www.dientuvietnam