Báo cáo đồ án 2 đề tài thiết kế mạch báo động khi có khói

Báo cáo đồ án 2 đề tài thiết kế mạch báo động khi có khói

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ -0O0 -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2

Đề tài: THIẾT KẾ MẠCH BÁO ĐỘNG KHI CÓ KHÓI

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thị Thu Hà

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Quang Hưng - Nguyễn Xuân Quý Lớp : Liên thông CĐ – ĐH Điện tử 1K4

Hà Nội, tháng 03/2012

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiêntiến đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹthuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sựchính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rất cần thiết góp phần chohoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn, Điện tử đang trở thànhmột ngành khoa học đa nhiệm vụ

Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnhvực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàngngày Một trong những ứng dụng của rất quan trọng của ngành công nghệ điện tử

là các mạch cảm biến với các linh kiện tích hợp cao Mạch cảm biến được ứngdụng rất nhiều trong công nghiệp và các lĩnh vực khác trong cuộc sống với nhữngthiết bịđiều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao

Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em xin làm đề tài: “Thiết kế mạch

báo động khi có khói” Đề tài chúng em thực hiên gồm 03 phần:

Phần 1: Nguyên tắc thiết kế, sơ đồ khối

Phần 2: Phân tích, thiết kế các khối

Phần 3: Nguyên lý hoạt động của mạch

Phần 4: Kết luận – Tài liệu tham khảo

Tuy đã hoàn thành được đề tài nhưng sẽ không tránh khỏi những thiếu sót,vì vậy nhóm mong nhận được sự góp ý của các thầy cô và các bạn để đề tài củanhóm có thể hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, tháng 03 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Quang Hưng – Nguyễn Xuân Quý

hoặc các yếu tố phóng xạ như các cảm biến Có hai cách cơ bản để thiết kế bộcảm biến khói:

- Cách thứ nhất sử dụng nguyên tắc ion hóa Người ta sử dụng một lượng nhỏchất phóng xạ để ion hóa trong bộ cảm biến Không khí bị ion hóa sẽ dẫn điện

và tạo thành một dòng điện chạy giữa hai cực đã được nạp điện Khi các phần

tử khói lọt vào khu vực cảm nhận được ion hóa sẽ làm tăng điện trở trongbuồng cảm nhạn và làm giảm luồng điện giữa hai cực Khi luồng điện giảmxuống tới một giá trị nào đó thì bộ cảm biến phát hiện và phát tín hiệu báođộng

- Cách thứ hai sử dụng các linh kiện thu phát quang Người ta dung linh kiệnphát quang (LED, LED hồng ngoại…) chiếu một tia ánh sang qua vùng bảo

vệ vào một linh kiện thu quang (photo diode, quang trở, photo transistor…).Khi có cháy xảy ra hoặc khi có người hút thuốc trong phòng thì ở khu vực đósẽ xuất hiện khói với mật độ cao Khi có cháy, khói đi ngang qua vùng bảo vệsẽ che chắn hoặc làm giảm cường đọ ánhh sáng chiếu vào linh kiện thu Khicường độ giảm xuống tới một giá trị nào đó thì bộ cảm biến sẽ phát hiện vàphát tín hiệu báo động

- Trong hai cách này thì phương pháp thứ nhất nhạy hơn và hiệu quả hơn nhưngkhó thực thi và lắp đặt Còn cách thứ hai tuy ít nhạy hơn nhưng linh kiện dễkiếm và dễ thực thi Lợi dụng đặc điểm này chúng em chọn cách hai để thiết

kế mạch cảm biến khói và sử dụng bộ phận thu phát chính là cảm biến hồngngoại

II SƠ ĐỒ KHỐI

KHỐI

CẢM BIẾN

KHUẾCH ĐẠI VI SAI

ĐỘNG

1 Khối ổn áp nguồn:

- Biến đổi điện áp 220v xoay chiều thành điện áp 12v xoay chiều

- Chỉnh lưu điện áp 12v xoay chiều thành điện án 12v một chiều

- Ổn áp điện áp

2 Khối cảm biến: Biến đổi tín hiệu khói thành tín hiệu điện

3 Khối khuếch đại vi sai: So sánh, Khuếch đại tín hiệu từ bộ cảm biến

4 Tạo trễ: Khói không ổn định, dẫn tới tín hiệu từ bộ cảm biến không ổn định,

bộ tạo trễ có chức năng tạo trễ tín hiệu, nhằm ổn định tín hiệu báo động trướckhi đưa vào khối báo động

5 Khối báo động: Tạo ra âm thanh báo động

6 Nguyên lý hoạt động: Khi có khói, bộ cảm biến sẽ phát tín hiệu báo động, đưavào khối khuếch đại vị sai Khối khuếch đại vi sai khuếch đại tín hiệu báođộng đưa vào bộ trễ Sau một khoảng thời gian trễ, khi khói vẫn còn thì tínhiệu báo động được đưa đến khối báo động

PHẦN 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ CÁC KHỐI

I KHỐI ỔN ÁP NGUỒN

- Khối nguồn lấy nguồn AC_ 220V từ điện lưới gia đình, dùng biến thế hạ ápxuống 9 Vol_AC, khi qua cầu chỉnh lưu được DC_ 12V, dùng IC 7805 ổ ápcung cấp mức điện áp cho toàn mạch là +5vol

- Biến áp: Biến đổi điện áp xoay chiều 220v thành điện áp xoay chiều 12v

- Cầu chỉnh lưu: Chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, sửdụng

Mạch lọc: Sau khi chỉnh lưu ta thu được điện áp một chiều nhấp nhô, nếukhông có tụ lọc thì điện áp nhấp nhô này chưa thể dùng được vào các mạchđiện tử , do đó trong các mạch nguồn, ta phải lắp thêm các tụ lọc có trị số từvài trăm µF đến vài ngàn µF vào sau cầu Diode chỉnh lưu

- IC ổn áp: KA7805:

- Chân 1: Chân nguồn đầu vào; Đây là chân cấp nguồn đầu vào cho 7805 hoạtđộng Giải điện áp cho phép đầu vào lớn nhất là 40v Điện áp vào phải nằmtrong dải 8v-40v, nếu dưới 8v mạch ổn áp không còn tác dụng

- Chân 2: Chân GND

- Chân 3: Điện áp ra ổn định 5v (4,75v – 5.25v)

II KHỐI CẢM BIẾN

1 Hiện tượng quang dẫn:

- Một số chất bán dẫn là chất cách điện khi không bị chiếu sáng và trởthành chất dẫn điện khi bị chiếu sáng Hiện tượng giảm mạnh điện trở củachất bán dẫn khi bị chiếu sáng gọi là hiện tượng quang dẫn

- Trong hiện tượng quang điện, khi có ánh sáng thích hợp chiếuvào Katot của tế bào quang điện thì electron sẽ bị bật ra khỏi Katot Vì vậy,hiện tượng này còn gọi là hiện tượng quang điện ngoài (hay hiện tượng quangđiện bên ngoài)

- Trong hiện tượng quang dẫn, mỗi photon của ánh sáng kích thích khi bị hấpthụ sẽ giải phóng một electron liên kết để nó trở thành một electron tự

do chuyển động trong khối chất bán dẫn đó Các electron liên kết khi đượcgiải phóng, sẽ để lại một “lỗ trống” mang điện dương Những lỗ trống nàycũng có thể chuyển động tự do từ nút mạng này sang nút mạng khác và cũngtham gia vào quá trình dẫn điện

- Hiện tượng giải phóng electron liên kết để cho chúng trở thành cácelectron dẫn gọi là hiện tượng quang điện bên trong

- Vì năng lượng cần thiết để giải phóng một electron liên kết chuyển nóthành electron dẫn không lớn lắm, nên để gây ra hiện tượng quang dẫn, khôngđòi hỏi photon phải có năng lượng lớn Rất nhiều chất quang dẫn hoạt độngđược với ánh sáng hồng ngoại

2 Quang trở

- Là loại điện trở có giá trị phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào Khi độ

sáng càng mạnh, giá trị nội trở của nó càng nhỏ và ngược lại

- Cấu tạo Quang trở gồm một lớp chất bán dẫn (cadimi sunfua CdS chẳng hạn)

 (1): phủ trên một tấm nhựa cách điện

 (2) Tấm nhựa cách điện

 Có hai điện cực (3) và (4) gắn vào lớp chất bán dẫn đó

- Nối một nguồn khoảng vài vôn với quang trở thông qua một miliampe kế Tathấy khi quang trở được đặt trong tối thì trong mạch không có dòng điện Khichiếu quang trở bằng ánh sáng có bước sóng ngắn hơn giới hạn quang dẫn củaquang trở thì sẽ xuất hiện dòng điện trong mạch

- Điện trở của quang trở giảm đi rất mạnh khi bị chiếu sáng bởi ánh sáng nóitrên Thông thường, điện trở của quang trở khoảng 1000 000 ohms Khi chiếuánh sáng vào, điện trở này giảm xuống rất thấp

3 Quang transistor

- Quang transistor là nới rộng đương nhiên của quang diod Về mặt cấu tạo,quang transistor cũng giống như transistor thường nhưng cực nền để hở.Quang transistor có một thấu kính trong suốt để tập trung ánh sáng vào nối P-

N giữa thu và nền

- Khi cực nền để hở, nối nền-phát được phân cực thuận chút ít do các dòng điện

rỉ (điện thế VBE lúc đó khoảng vài chục mV ở transistor Si) và nối thu-nềnđược phân cực nghịch nên transistor ở vùng tác động

- Vì nối thu-nền được phân cực nghịch nên có dòng rỉ Ico chạy giữa cực thu vàcực nền Vì cực nền bỏ trống, nối nền-phát được phân cực thuận chút ít nêndòng điện cực thu là Ico(1+β) Đây là dòng tối của quang transistor.) Đây là dòng tối của quang transistor.

- Khi có ánh sáng chiếu vào mối nối thu nền thì sự xuất hiện của các cặp điện tử

và lỗ trống như trong quang diod làm phát sinh một dòng điện Iλ do ánh sángnên dòng điện thu trở thành: IC=(β) Đây là dòng tối của quang transistor.+1)(Ico+Iλ)

- Như vậy, trong quang transistor, cả dòng tối lẫn dòng chiếu sáng đều đượcnhân lên (β) Đây là dòng tối của quang transistor.+1) lần so với quang diod nên dễ dàng sử dụng hơn Hình trêntrình bày đặc tính V-I của quang transistor với quang thông là một thông số

Ta thấy đặc tuyến này giống như đặc tuyến của transistor thường mắc theokiểu cực phát chung

- Có nhiều loại quang transistor như loại một transistor dùng để chuyển mạchdùng trong các mạch điều khiển, mạch đếm… loại quang transistor Darlington

có độ nhạy rất cao Ngoài ra người ta còn chế tạo các quang SCR, quangtriac…

4 Thiết kế khối cảm biến khói dựa trên nguyến lý hoạt động của quang transistor

- Khi không có khói ở vùng bảo vệ, quang transistor luôn được chiếu sáng (nhờLed), dẫn tới quang transistor luôn dẫn, điện áp tại chân C của quangtransistor luôn ở mức thấp

- Khi có khói ở vùng bảo vệ, ánh sáng chiếu vào quang transistor giảm, dẫn tớiquang transistor khóa dần, điện áp tại chân C của quang transistor ở mức cao

III KHỐI KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

1 IC thuật toán Opamp LM358:

- Mạch LM358 là bộ khuếch đại thuận và lặp điện áp Bên trong chứa 2 khuếchđại toán học: Bộ thứ 1: chân 2,3 vào, chân 1 ra Bộ thứ 2: chân 5,6 vào, chân 7ra

Vùng bảo vệ

 Khoảng điện áp cung cấp -0.3V đến +32V

 Dòng điện hoạt động ở +5V

 Đây là mạch khuếch đại có hồi tiếp

 Điện trở rất cao, cho nên không làm ảnh hưởng xấu đến tín hiệu cảm biến

2 Mạch khuếch đại thuật toán

- Sử dụng bộ khuếch đại thuật toán thứ 1

 Chân 2 được phân áp nhờ VR 10k, nếu dung nguồn 5v thì điện áp chân 2khoảng 2,5v Biến trở VR có tác dụng chỉnh độ nhạy của LM358

 Chân 3: điện áp vào để so sánh

- Nếu điện áp tại chân 2 > điện áp chân 3 thì đầu ra tại chân 1 có mức logic 0 vàngược lại

- Nguồn 1 chiều 5v được cấp vào chân 8 và 4 của mạch

IV KHỐI TẠO TRỄ

- Vì tín hiệu đầu vào (khói) không ổn định, nên tín hiệu báo động trước khi đưa

ra khối báo động cần qua khối tạo trễ Tín hiệu đầu vào ổn định (khói nhiều)thì mới có báo động

1 Zole cấp nguồn cho IC 555 và 4017

 Nguyên tắc hoạt động của mạch: Khi có tín hiệu báo động, Q1 dẫn, có dòngchạy qua cuộn hút của Rơle, làm cho tiếp điểm 2,3 và 5,6 đóng lại Cấp nguồn5v cho IC555 và IC 4017

 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Rơle

- Rơle là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khitín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định Rơle là thiết bị điện dùng để đóngcắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điệnđộng lực

- Các bộ phận (các khối) chính của rơle gồm :

 Cơ cấu tiếp thu (khối tiếp thu): Có nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đầuvào và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cung cấp tín hiệu phù hợp chokhối trung gian

 Cơ cấu trung gian (khối trung gian): Làm nhiệm vụ tiếp nhận những tínhiệu đưa đến từ khối tiếp thu và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết chorơle tác động

 Cơ cấu chấp hành (khối chấp hành): Làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạchđiều khiển

Cơ cấu tiếp thu ở đây là cuộn dây

Cơ cấu trung gian là mạch từ nam châm điện

Cơ cấu chấp hành là hệ thống tiếp điểm

- Đặc tính vào -ra của rơle: Quan hệ giữa đại lượng vào và ra của rơle như hìnhminh họa

 Khi x biến thiên từ 0 đến x2 thì y = y1 đến khi x= x2 thì y tăng từ y = y1đến y = y2 (nhảy bậc)

 Nếu x tăng tiếp thì y không đổi y = y2 Khi x giảm từ x2 về lại x1 thì y =y2 đến x = x1 thì y giảm từ y2 về y = y1.

 Nếu gọi:

+ X = X2= Xtđ là giá trị tác động rơle

+ X = X1 = Xnh là giá trị nhả của rơle

- Các thông số của rơle

 Hệ số điều khiển rơle với

Pđk là công suất điều khiển định mức của rơle, chính là công suất định mức của cơ cấu chấp hành

Ptđ là công suất tác động, chính là công suất cần thiết cung cấp cho đầu vào để rơle tác động

Với rơle điện từ Pđk là công suất tiếp điểm (nghĩa là công suất tiếp điểm cho phép truyền qua) Ptđ là công suất cuộn dây nam châm hút

Các loại rơle khác nhau thì Knh và Kđk cũng khác nhau

 Thời gian tác động

Là thời gian kể từ thời điểm cung cấp tín hiệu cho đầu vào, đến lúc cơ cấu chấp hành làm việc Với rơle điện từ là quãng thời gian cuộn dây được cung cấp dòng (hay áp) cho đến lúc hệ thống tiếp điểm đóng hoàn toàn (với tiếp điểm thường mở) và mở hoàn toàn (với tiếp điểm thường đóng).Các loại rơle khác nhau ttđ cũng khác nhau

+ttđ < 1.10-3[s] : rơle không quán tính

+ttđ = (150).10-3 [s]: rơle tác động nhanh

+ttđ > 150.10-3[s]: rơle thời gian

- Trong mạch ta sử dụng Role điện từ

 Nguyên lí làm việc: Sự làm việc của loại rơle này dựa trên nguyên lí điện

từ Xét một rơle như hình minh họa Khi cho dòng điện i đi vào cuộn dâycủa nam châm điện thì nắp sẽ chịu một lực hút F Lực hút điện từ đặt vàonắp :

 Khi dòng điện vào cuộn dây i > Itđ (dòng điện tác động) thì lực F hút nắp

và khi lực F tăng thì khe hở giảm làm đóng tiếp điểm (do tiếp điểm đượcgắn với nắp) Khi dòng điện Itv (dòng trở về) thì lực lò xo FLX> F (lực điệntừ) và rơle nhả

2 Bộ tạo trễ: Dùng IC 555 và 4017

- Giả sử trong lúc IC4017 đang trong quá trình đếm, nếu tín hiệu báo độngkhông còn thì Rơle mở, nguồn không được cấp cho IC555 và 4017, các ngõ

ra đều ở mức thấp, mạch sẽ không báo động

 IC555: Là IC tạo dao động tần số cấp xung nhịp cho IC 4017

- Cấu tạo của NE 555 của gồm OP-amp so sánh điện áp , mạch lật và transistor

để xả điện Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động tốt Bên trong gồm 3điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần Cấu tạo này tạo nênđiện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương Op-amp 1 và điện áp 2/3VCC nối vào chân âm của Op-amp2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 Vcc,chân s=1 và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3Vcc, chân R củaFF= và FF được RESET

 Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic.Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mứccao nó tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tươngđương với 0V nhưng mà trong thực tế mức 0 này không được 0V mà nó

 Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nốimasse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạngthái ngõ ra tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạođược dao động thường hay nối chân này lên VCC.

 Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩntrong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài chonối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừnhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổnđịnh

 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 vàchịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức áp thấp thìkhóa này đóng lại.ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho 1mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

 Chân số 8 (Vcc): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòngcho IC hoạt động Không có chân này coi như IC chết Nó được cấp điện

áp từ 2V >18V

- Thiết kế mạch sử dụng IC LM555:

- Khi cấp nguồn cho mạch, điện áp chân 2 (v-) nhỏ hơn chân 3(v+), ngõ ra củaOp-amp 1 ở mức 1 nên S=1,Q=1, ngõ ra của IC ở mức tích cực Lúc này, đầu