ĐỒ án môn học đề tài THIẾT kế, CHẾ tạo MẠCH CHỐNG rò rỉ nước TRONG hệ THỐNG cấp nước SINH HOẠT

Đồ án: Thiết kế hệ thống chống rò rỉ nước trong hệ thống cấp nước sinh hoạt CHƯƠNG 1: Tổng quan về đề tài 1.1 Mục tiêu đề tài - Thiết kế mạch so sánh sử dụng op-amp để so sánh ngưỡng điệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH CHỐNG RÒ RỈ

NƯỚC TRONG HỆ THỐNG CẤP NƯỚC SINH HOẠT

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Phạm Thanh Tùng

SINH VIÊN THỰC HIỆN : - Phan Văn Anh - 11019464

- Nguyễn Vũ Hoàng Anh - 11019004 LỚP : 110194

1.3 Phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 2 : Cơ sở lý thuyết 3

2.1 Tổng quan thiết kế 3

2.2 Các linh kiện sử dụng trong mạch 3

 IC ổn áp LM7805 3

 Cầu diode 4

 Cảm biến nước 4

 IC LM358 5

 Biến trở 7

 Transistor C2383 8

 Relay 10

 Một số linh kiện khác 12

CHƯƠNG 3 : Thiết kế và thi công mạch 13

3.1 Sơ đồ khối 13

3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch 15

3.3 Nguyên lý hoạt động của mạch 15

 Tính toán thông số cho khối nguồn 15

 Tính toán thông số khối cảm biến & so sánh 16

 Tính toán thông số cho khối báo động 16

3.4 Sơ đồ mạch in 16

3.5 Mạch hoàn thiện 17

3.5 Kết luận 17

Đồ án: Thiết kế hệ thống chống rò rỉ nước trong

hệ thống cấp nước sinh hoạt CHƯƠNG 1: Tổng quan về đề tài

1.1 Mục tiêu đề tài

- Thiết kế mạch so sánh sử dụng op-amp để so sánh ngưỡng điện

áp và dùng khóa điện tử transistor để đóng cắt relay.

- Thực nghiệm kiến thức đã học ở trường và nâng cao kiến thức bản thân.

- Mạch phát hiện rò rỉ nước giúp chúng ta phát hiện sớm nhất khi

hệ thống bị rò rỉ, mạch sẽ phát tín hiệu và cảnh báo âm thanh tới người dùng.

1.2 Tính ứng dụng của đề tài

- Trong cuộc sống ngày càng công nghiệp hóa hiện nay Việc mang tính tự động là vô cùng cần thiết Mạch cảm biến nước giúp ta tự động nhận biết được và truyền tín hiệu đến cơ cấu chấp hành Ta có thể áp dụng vào đời sống như : Máy phơi quần

áo tự động , Cửa sổ trời tự động trên những ngôi nhà thông minh hoặc ô tô, máy bơm tự động trong hệ thống nước Tùy vào từng mục đích khác nhau mà ta có thể ứng dụng rộng rãi

1.3 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết đề tài

- Đọc một số tài liệu liên quan

- Thiết kế mạch

- Tham khảo ý kiến của thầy cô

- Thực nghiệm, kiểm chứng đối tượng

- Báo cáo đề tài

CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết

2.1 Tổng quan thiết kế

- Ta cần xây dựng thiết kế 3 khối chính trong mạch: khối nguồn, khối cảm biến & so sánh, khối báo động.

- Khối nguồn sẽ sử dụng điện áp lưới thông dụng 220V.

- Khối so sánh giúp ta có thể tinh chỉnh độ nhạy theo ý muốn, phù hợp điều kiện thực tế.

- Khối báo động còi hú và Led phát sáng khi có nước.

2.2 Các linh kiện sử dụng trong mạch

 IC ổn áp LM7805

Thông số kĩ thuật:

- Số chân: 3

- Điện áp đầu vào ( input ): 7V – 18V DC

- Điện áp đầu ra ( output ): 5V

- Dòng ngõ ra 1A

- Nhiệt độ hoạt động: 0 0 - 125 0 C

- Công suất cực đại 5W

- Chân 1 là ngõ vào(input), chân 2 là chân nối đất (Mass), chân 3

là chân ngõ ra(output)

- Ngõ ra output luôn ổn định ở ngưỡng 5V DC dù điện áp input thay đổi.

 Cầu diode

Diode cầu có cấu tạo gồm 4 diode được đóng gói trong 1 gói duy nhất gồm 4 chân Tác dụng làm chỉnh lưu dòng điện xoay chiều về dòng một chiều

Thông số kĩ thuật :

- Điện áp ngược cực đại 1000V

- Dòng thuận cực đại

- Điện áp rơi thuận : 1V

- Dải nhiệt độ hoạt động : −55 0 C - 155 0 C

 Cảm biến nước

- Cảm biến nước là thành phần chính trong mạch Nó được thiết

kế dây hai lõi, được sử dụng phổ biến trong bất kỳ hệ thống phát hiện rò rỉ nào dựa trên nguyên tắc ngắn mạch.

- Nếu không có nước, trở kháng giứa các dây dẫn lớn và sẽ không

có sự truyền dẫn Khi nào có nước rơi vào dây cảm biến, nó sẽ ngắn mạch các điểm A và B lại và lúc đó sẽ có sự truyền dẫn giữa các dây.

 IC LM358

Hình dáng thực tế IC LM358

- LM 358 là bộ khuếch đại thuật toán hiệu suất cao, được xây

dựng trên một con chip đơn silicon Nó được thiết kế cho một loạt các ứng dụng tương tự

Đặc trưng của LM358

1 Độ Nhạy cao

2 Hệ só khuếch đại lớn

3 Có bảo vệ ngắn mạch

4 Dải điện áp ngõ vào rộng

Sơ đồ chân IC LM358 Chân 1: Đầu ra của opamp 1

Chân 2: Đầu vào đảo của opamp 1

Chân 3: Đầu vào không đảo của opamp 1 Chân 4: Nối nguồn âm hoặc nối đất của IC Chân 5: Đầu vào không đảo của opamp 2 Chân 6: Đầu vào đảo của opamp 2

Chân 7: Đầu ra của opamp 2 Chân 8: Chân nối dương nguồn của IC Các thông số kỹ thuật của LM 358:

- Điện áp cung cấp: ± 18V

- Điện áp đầu vào vi sai

- Công suất cực đại: 500mW

- Dải nhiệt độ hoạt động: 0 70 o C

- Gói PDIP,SOIC và VSSOP 8 chân

 Biến trở

Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý

muốn Chúng có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi chiều dài của dây dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác động khác như nhiệt độ, ánh sáng, bức xạ hoặc điện từ,…

Một số ký hiệu của biến trở:

Hình ảnh của biến trở trong thực tế:

Thông số sản phẩm:

- Độ dài núm chỉnh: 15mm

- Đường kính núm chỉnh: 7mm

- Loại biến trở: Volume đơn, có 3 chân

Thông số điện:

- Tổng trở kháng: 1KΩ - 1MΩ (Tùy giá trị biến trở)

- Tổng dung sai kháng chiến: ± 20%

- Đặc tính trở kháng loại: A, B, C, D

- Điện áp hoạt động tối đa: B Linear: DC 50V / AC 25V

- Công suất định mức: B Linear: 0.5W

- Tiếng ồn: Dưới 100mV

- Chống cách điện: Hơn 100MΩ

- Điện áp chịu được: 1 phút ở AC 250 V

Tính chất cơ lý

- Góc quay toàn bộ: 300 ± 10 (độ)

- Khoảng cách quay: 10 ~ 200 gf.cm

- Sức mạnh dừng quay: 3.0Kgf.cm

- Độ bền kéo: đẩy: 7.0kgf phút

Độ bền

- Vòng quay: 10.000 chu kỳ

 Transistor C2383

* Thông số kỹ thuật:

- Model: NPN – TO92

- Điện áp cực đại: V CBO = 160V

V CEO = 160V

V EBO = -6V

- Dòng điện cực đại: I C = 1A

- Công suất cực đại: Pc = 900mW

- Nhiệt độ làm việc: -55 o C ~ 125 o C

Transistor C2383 là transistor nghịch NPN, có cấu tạo gồm 3 lớp bán dẫn ghép với nhau thành 2 mối nối P-N, thuộc loại transistor nghịch NPN Transistor C2383 được sản xuất theo chuẩn TO92.

Transistor C2383 là transistor nghịch có hệ số khuếch đại trong khoảng 40 đến 310 Transistor C2383 có thế hoạt động với điện áp

V CBO tối đa 30V, dòng điện giới hạn 100mA Transistor C2383 là transistor có công suất 500mW, có dải nhiệt độ hoạt động rộng từ -55 o C đến 125 o C, tuy nhiên C2383 hoạt động tốt nhất ở khoảng 25 o C

Transistor C2383 có đặc tính dòng DC ổn định, hệ số khuếch đại tuyến tính, một trong những transistor thông dụng, đươc sử dụng nhiều trong các mạch điện tử.

 Relay

* Thông số kỹ thuật:

- Điện áp điều khiển: 5V

- Dòng điện cực đại: 10A

- Thời gian tác động: 10ms

- Thời gian nhả hãm: 5ms

- Nhiệt độ hoạt động: -45 o C ~ 75 o C Relay 5 chân HLS8L-5VDC là loại linh kiện đóng ngắt điện cơ đơn giản Nó gồm 2 phần chính là cuộn hút và các tiếp điểm Cấu tạo của relay được mô tả trong hình:

Hình 2.12 Sơ đồ kích thước của Relay 5V 5 chân Chân 1 và chân 2 được nối vào cuộn hút , khi có điện vào cuộn hút

sẽ hút tiếp điểm chuyển từ vị trí 4 xuống tiếp điểm 5 Chân 3 : Đặt điện áp 5VDC (vì là mạch mô phỏng ) Chân 4,chân 5 là : Tiếp điểm

* Ứng dụng của rờ-le:

- Nhìn chung , công dụng của role là “dùng một năng lượng nhỏ để đóng cắt nguồn năng lượng lớn hơn”.

- Role được dùng khác thông dụng trong các ứng dụng điều khiển động cơ và chiếu sáng

 Một số linh kiện khác.

Điện trở:

- Điện trở là một linh kiện có tính cản trở dòng điện và làm một số chức

năng khác tùy vào vị trí của điện trở trong mạch điện

- Cấu tạo : điện trở được cấu tạo từ những vật liệu có điện trở suất cao như làm bằng than, magic kim loại Ni-O ,oxit kim loại , dây quấn Để

biểu thị giá trị điện trở Người ta dung các vòng màu để biểu thị giá trị điện trở

Tụ Điện:

- Tụ điện là linh kiện có khả năng tích điện Tụ điện cách điện với dòng

điện 1 chiều và cho dòng xoay chiều truyền qua.

- Tụ điện được chia làm hai loại chính : loại không phân cực và loại

phân cực

- Loại phân cực thường có giá trị lớn hơn loại không phân cực , trên hai

chân của loại phân cực có phân biệt chân nối âm , chân nối dương rõ rang , khi gắn tụ có phân cực vào mạch điện ,nếu được gắn ngược chiều

âm dương , tụ phân cực có thể hư vào hoạt động sai Ngoài ra người ta còn gọi tên tụ điện theo vật liệu làm tụ.

Ví dụ : tụ gốm , tụ giấy , tụ hóa ,

Điện áp hoạt động : 3.5 – 5.5 V Kích thước 9.5 x 12mm

Dòng hoạt động < 25mA Tần số âm thanh : 2500Hz

Số tiếp điểm : 2

CHƯƠNG 3: Thiết kế và thi công mạch

3.1 Sơ đồ khối

 Khối nguồn: cung cấp nguồn cho hệ thống, ta sử dụng nguồn

AC 220V để biến đổi về nguồn DC 5V Các linh kiện cần dùng cho khối nguồn:

- Máy biến áp

- Cầu diode

- IC 7805

- Điện trở

- Led

 Khối cảm biến & so sánh: Khi có nước rơi vào tấm cảm biến, trong khối sẽ xảy ra sự so sánh điện áp giữa chân V − ¿ ¿ và V + ¿¿

Sau đó sẽ đưa ra tín hiệu cho khối cảnh báo Các linh kiện cần dung:

- Tấm cảm biến nước

- Biến trở

- Điện trở

- LM 358

 Khối báo động: Báo động cho mọi người biết khi nước bị dò

rỉ Linh kiện cần có:

- Transistor C2383

- Relay 5V

- Led

- Điện trở

- Còi Buzzer

3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch

3.3 Nguyên lý hoạt động của mạch

- Khi ta cấp nguồn 220V AC qua máy biến áp sẽ nhận đc nguồn 9V AC Khi qua cầu diode ta sẽ đc dòng điện 9V DC Khi đi qua IC 7805 sẽ nhận đc là dòng DC 5V để nuôi linh kiện trong mạch Điện trở sẽ giúp

ta hạn dòng cho LED – Green sáng , để biết được khi nào mạch đã được cấp nguồn Tụ điện sẽ san phẳng điện áp giúp nguồn ổn định hơn.

o Khi có không có nước: Trở kháng tại dây cảm biến lớn: điện áp tại chân V + ¿¿ < V − ¿ ¿ nên V out = 0 Khi đó, điện thế tại cực B của

transistor bằng 0 , transistor ở trạng thái khóa

 Mạch không hoạt động.

o Khi có nước trên dây cảm biến : Nó sẽ ngắn mạch tại các điểm lại Ta sẽ điều chỉnh biến trở sao cho V + ¿¿ > V − ¿ ¿ Khi đó ngõ ra OP-AMP sẽ có điện áp V out ≈ 5V Khi đó, transistor ở trạng thái mở ( dẫn bão hòa ) => cuộn dây relay có điện => tiếp điểm relay nhảy

=> Còi phát ra âm thanh để cảnh báo cho mọi người.

 Tính toán thông số cho khối nguồn

- Led thường hoạt động ở mức 1,8V – 5V Dòng khoảng

từ 10mA – 20 mA Nếu muốn led hoạt động bình thường ở nguồn 5V thì ta có:

Gía trị điện trở lớn nhất : (5V −1,8V ) 10mA = 320 Ω Gía trị điện trở nhỏ nhất : (5 V −3V ) 20mA = 100 Ω

 Ta có thể chọn điện trở trong khoảng 100Ω-320Ω Trong mạch này em chọn 220 Ω.

 Tính toán thông số khối cảm biến & so sánh.

- Các điện trở R 2 , R 3 được ghép nối tiếp với nhau và được

nối vào chân điện áp ngưỡng V − ¿ ¿ của LM 358 theo cầu phân áp Ta chọn R 2 = R 3 = 10KΩ

 V − ¿ ¿ = V CC R 3

R 2 +R 3 = 10000+10000 5.10000 = 2.5 V

- Sử dụng biến trở VR10K có tác dụng điều chỉnh điện

áp vào chân V + ¿¿ của LM 358 Khi điện áp V + ¿¿ >= V − ¿ ¿

thì điện áp ra sẽ được nối lên mức 1 và đc đưa tới khối báo động.

 Tính toán thông số cho khối báo động.

- Để tránh cho mạch không bị hiện tượng đoản mạch, em đặt ở giữa chân V out CỦA UA741 và cực B của transistor điện trở 2,2k

- Diode được nối vào 2 đâu cuộn cảm trong relay để nhằm xả dòng của cuộn từ từ khi đóng ngắt mạch điện, tránh trường hợp Transistor bị cháy do điện áp ngược xảy ra trong cuộn dây relay.

- Còi Buzzer được gắn nối vào tiếp điểm thường mở của relay.

3.4 Sơ đồ mạch in

3.5 Mạch hoàn thiện