Đề tài thiết kế mạch cảnh báo nhiệt độ và khói sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại và hồng ngoại

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI⃰⃰⃰⃰⃰ ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH TƯƠNG TỰĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ KHÓI SỬDỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI VÀ HỒNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

⃰⃰⃰⃰⃰

ĐỒ ÁN 1: THIẾT KẾ MẠCH TƯƠNG TỰ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ KHÓI SỬ DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI VÀ HỒNG NGOẠI

Giảng viên hướng dẫn: ThS.

Sinh viên thực hiện: Nam

K23B-20A

Khoa Điện- Điện tử

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÊ NHIỆT ĐỘ 3

1, NGUYÊN TẮC NHIỆT ĐỘ: 3

2, SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ: 4

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MẠCH 5

1, BÀI TOÁN: 5

2, THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ: 5

3, TÍNH TOÁN CHỌN LINH KIỆN VÀ LẮP RÁP MẠCH: 6

a) Tính toán và chọn linh kiện: 6

b) Lắp ráp mạch: 8

4, ỨNG DỤNG THỰC TẾ: 11

KẾT LUẬN 12

GIỚI THIỆU

Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường gặp trong đời sống hằng ngày cũng như kỹ thuật và công nghiệp Việc đo nhiệt độ cũng chính vì thế là một yêu cầu thiết thực Hiện nay cảm biến đo nhiệt độ là loại cảm biến được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp cũng như dân dụng Bài tập lớn này nhóm chúng

em nghiên cứu dùng các vi mạch tương tự để tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại

Dải đo từ: t0C = 0- 780°C

Từ yêu cầu của đề bài là sử dụng nhiệt điện trở kim loại và dải đo từ 0 đến

780℃ ta đi tính và lựa chọn cảm biến

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÊ ĐO NHIỆT ĐỘ

1, Nguyên tắc đo nhiệt độ:

 Khái niệm về nhiệt độ và thang đo nhiệt độ

- Nhiệt độ là đại lượng vật lí đặc trưng cho mức chuyển động hỗn loạn của các phần tử trong các vật thể

- Để đo được nhiệt độ thì phải có dụng cụ đo, thông thường trong công nghiệp nhiệt độ được đo bằng cảm biến và phương pháp này tiện lợi là có thể truyền tín hiệu nhiệt độ đi xa, không ảnh hưởng tới sự làm việc của hệ thống khi cần xác định nhiệt độ

- Để đo chính xác nhiệt độ thì cần có hiệu số Tx – T là cực tiểu với

Tx là nhiệt độ cần đo, T là nhiệt độ của cảm biến đặt trong môi trong môi trường cần đo Khi cảm biến được đặt trong môi trường cần đo nhiệt độ, thì nhiệt lượng cảm biến hấp thụ từ môi trường tỷ

lệ với độ chênh lệch nhiệt giữa cảm biến và môi trường theo biểu thức:

dQ= a.A(Tx- T)dt

Với a là độ dẫn nhiệt, A là diện tích bề mặt truyền nhiệt

 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:

 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 thong 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 phếp đo duy nhất

- Đo gián tiếp: là cách đo mà kết quả đo được suy ra từ phép đo, từ

sự phối hợp của nhiều phép đo trực trực tiếp

- Đo thống kê: là phếp đo nhiều lần một đại lượng nào đó, trong cùng một điều kiện và cùng một giá trị Từ đó dung phếp tính xác suất để thể hiện kết quả đo có độ chính xác cần thiết

2, Sơ đồ khối của mạch đo và cảnh báo nhiệt độ:

 Mạch đo gồm có 5 khối cơ bản:

- Khối cảm biến

- Mạch khuếch đại

- Mạch so sánh

- Khối chỉ thị

- Khối cảnh báo

- Mạch chuyển đổi u sang i

 Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo:

 CHỨC NĂNG CÁC KHỐI:

a, Khối cảm biến: Khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng Ở đây ta dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp

b, Khối khuếch đại: Có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, vì tín hiệu điện do cảm biến đưa ra thường là rất bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào các mạch điện khác

c, Mạch so sánh: Có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa ra khối sau Việc so sánh tín hiệu sẽ được ứng dụng cho mạch cảnh báo khi

có sự quá nhiệt độ

d, Mạch chuyển đổi U sang I: Có tác dụng chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang tín hiệu điện áp để hiển thị ra

e, Khối cánh báo:

- Cảnh báo cho người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so với nhiệt độ cho phép

- Đó là các khối cơ bản dùng trong mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở kim loại

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MẠCH.

 Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ như dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại, dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng

IC cảm biến nhiệt độ

 Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu phương pháp thường dùng nhất đó là dùng nhiệt điện trở kim loại:

1, Bài toán:

- Tính toán thiết kế và lắp mạch đo cảnh báo nhiệt độ theo yêu cầu:

 Đo nhiệt độ trong dải từ 0℃ 780℃

- Cảnh báo nhiệt độ bằng LED với các ngưỡng nhiệt độ tùy ý trong toàn dải đo

2, Thiết kế sơ đồ nguyên lý:

- Ta chọn mạch nguyên lý như sau:

- Thuyết minh hoạt động của mạch dựa vào sơ đồ nguyên lý: Mạch đo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở được mô phỏng trên protues với nhiệt điện trở, kết hợp với Led hồng ngoại để cảm nhận có khói Nguyên lý hoạt động dựa trên sự so sánh điện áp của ICLM358 do điện trở tăng theo nhiệt độ

3, Tính Toán Chọn Linh Kiện Và Lắp Ráp Mạch:

a) Tính toán và chọn linh kiện:

 Cảm biến nhiệt: RT1

- Khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng Ở đây ta dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp

- Nhiệt điện trở kim loại có rất nhiều loại nhưng có hai loại thường dùng

là nhiệt điện trở nickel và nhiệt điện trở platin Nhiệt điện trở nickel so với platin thì rẻ tiền hơn song độ tuyến tính chỉ từ -600C đến +2500C mà trong bài này dải

đo max là 7700C nên ta không sử dụng Ta đi sử dụng nhiệt điện trở với dải đo rộng và độ tuyến tính cao Cụ thể trong bài nay ta đi sử dụng nhiệt điện trở MF58

- Cảm biến nhiệt độ (Nhiệt điện trở) được cấu tạo bằng chất bán dẫn kết hợp với kỹ thuật phủ gốm & lớp thủy tinh ngoài cùng, giúp cảm biến có thể hoạt động một cách hiệu quả

- Sản phẩm ứng dụng nhiều trong các bo mạch điện tử, mạch điều khiển (PCB), liên quan đến điều khiển nhiệt độ

Ví dụ: Ứng dụng điều khiển nhiệt độ cho quạt làm mát hệ thống, hoặc điều khiển còi, đèn Các ứng dụng liên quan đến nhiệt độ tích hợp trong PCB, máy sưởi, bếp điện từ

 Thông số kỹ thuật:

 MF58-502-J-3470

 MF58: Nhiệt điện trở NTC

 502 = 5000 Ohm

 J = ± 5%

 B = 3470

 Hình ảnh sản phẩm:

 Điện trở biến đổi VR1

 Các điện trở cố định

 Bộ khuếch đại thuật toán LM358N

 LED

KHỐI NGUỒN

KHỐI CẢM BIẾN KHÓI KHỐI CẢM NHIỆT

KHỐI CHUÔNG BÁO

 Bán dẫn

Từ đó ta bắt đầu tiến hành thiết kế và lắp ráp mạch

b) Lắp ráp mạch:

Sơ đồ khối:

- Sau khi tổng hợp được các linh kiện cơ bản ta tiến hành mô phỏng mạch trên phần mềm proteus:

- Board mạch thực tế:

- Thuyết minh sơ đồ: Mạch đo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở được mô phỏng trên protues với nhiệt điện trở là RT1 Nguyên lý hoạt động dựa trên sự so sánh điện

áp của ICLM358 do điện trở tăng theo nhiệt độ

- Nguồn cấp và từ 7,5-15VDC Mạch sử dụng ic ổn áp 7805 để ổn định điện áp ngõ ra 5V Với dòng điện tối đa 1A Diode D1 dùng để phân cực nguồn vào nhằm bảo vể mạch không bị ảnh hưởng khi cấp nguồn ngược Tụ C1 lọc nguồn vào, tụ C2 lọc nhiểu cao tần từ nguồn vào, Tụ C3 nhằm lọc nhiểu nguồn ra LED D2 báo nguồn, R1 là điện trở hạn dòng cho LED

- Mạch sử dụng nhiệt trở âm (NTC) làm cảm biến nhiệt độ, IC Op-Amp LM358 làm bộ so sánh điện áp ở nhiện độ bình thường giá trị nhiệt trở sấp sỉ bằng giá trị gốc của nhiệt trở, ví dụ: ở 25 độ C giá trị điện trở 10k là 10k

- Lúc này giá trị điện áp tại chân (+) op-amp bằng 2.5V tạo bởi cầu phân áp RT1

và R2 tụ C4 dùng để tạo thời gian biến đổi chậm điện áp khi nhiệt độ thay đổi giúp mạch hoạt động ổn định hơn, tránh quá nhạy với các mức nhiệt độ tức thời Điện áp ngưỡng báo động được đặt bới biến trở RV1(10k) Có thể chỉnh được từ 0-5V cấp vào chân (-) op-amp Ví dụ ta đặt mạch báo động ở nhiệt độ 65 độ C Lúc này điện áp tại chân (+) là VCC/(TR1+R2)*R2 = 5/12*10 = 4.17V vậy ta chỉnh biến trở đặt điện áp khoảng 4.16 V tại chân (-) Vậy khi ở nhiệt độ nhỏ hơn 65 độ C thì V(+)<V(-) -> Ngõ ra Op-amp ở mức thấp xấp sỉ 0V R9 và R10 phân cực cho transitor Q2 Khi ngỏ ra Op-amp bằng 0 thì Q2 không dẫn LED D6 không sáng -> Q4 cũng không dẫn nên chân C Q4 được thả nổi -> không tác động đến mạch còi báo Điện trở R10 hạn dòng cho LED D6, R11 phân cực cho Q4

Khi nhiệt độ lớn hơn 65 độ C giá trị nhiệt trở giảm -> V(+)>V(-) -> ngõ ra op-amp xấp sỉ 5V -> Q2 dẫn -> LED D6 báo sáng -> Q4 dẫn tác động đến khối còi báo động

- Tương tự như ở khối cảm biến nhiệt Khối cảm biến khỏi ở đây ta dùng 1 LED thu và một LED phát đặt rọi vào nhau để một khoảng trống Tức khi bình

thường cường độ hồng ngoại là lớn nhất -> LED thu D3 dẫn với dòng lớn Khi

có khói thì khói sẽ làm giảm cường độ tia hồng ngoại -> LED thu D3 dẫn với dòng nhỏ hơn Ta sẽ chính biếm trở RV2 sao cho khi bình trường LED D7 sáng sau đó ta chỉnh ngược lại một khoảng sau khi D7 tắt

Khi không có khói V(-)>V(+) nên ngõ ra bằng 0, Q3 và Q5 tương tự như ở khỗi cảm biến nhiệt

Khi có khói V(-)<V(+) nên ngõ ra bằng 1 - > tác động đến khối chuông báo

4, Ứng dụng thực tế:

- Sau khi lắp được một mạch cảm biến nhiệt điện trở cơ bản ta có thể mở rộng sang một mạch đo và cảnh báo nhiệt độ hoặc có thể lắp thêm cảm biến khói

và báo cháy to hơn áp dụng nhu cầu thực tế hiện tại

KẾT LUẬN

Quá trình đo lường dùng cảm biến nhiệt độ với mạch khá đơn giản và còn nhiều bất cập, mạch còn khá đơn giản để cơ cấu chính xác ta nên kết hợp với vi mạch số, vi xử lý và vi điều khiển để có thể hiển thì trực quan bằng số dễ đọc và quá trình điều khiển cảnh báo có thể dễ dàng hơn Ứng dụng cùng với vi mạch

số và vi mạch điều khiển ta có thể dùng cảm biến nhiệt độ ứng dụng vào các mạch như mạch báo cháy tự động, mạch đo nhiệt độ lò nung, điều khiển điều hòa không khí, hay trong các lò ấp trứng, nhà bảo quản lạnh …

Qua thời gian nghiên cứu thực hiện, chúng em đã phần nào nắm được căn bản của môn học Đặc biệt là đề tài đã nghiên cứu và làm việc với một số ứng dụng hữu ích Do còn hạn chế về trình độ nên quá trình thực hiện vẫn còn rất nhiều sai sót không mong muốn Chúng em rất mong được sự ủng hộ, giúp đỡ của thầy và các bạn giúp chúng em hoàn thành bài báo cáo tốt hơn!