Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dung IC cảm biến nhiệt độ.

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên tử, phân tử của một hệ vật chất.Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất (rắn, lỏng, khí) mà chuyển động này có khác nhau. Ở trạng thái lỏng, các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định.Còn ở trạng thái rắn,các phần tử,nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng.Các dạng vận động này của các phân tử,nguyên tử được gọi chung là chuyển động nhiệt. Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt

Lời nói đầu

Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển trở thành một nước công nghiệp.Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năng xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọng đáng để chú ý.Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn đề đo và điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, các lò luyện gang, sắt, thép

Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương tự -vi mạch số và các môn liên

quan chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ

sử dung IC cảm biến nhiệt độ.

Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của thầy giáo

hướng dẫn “ Nguyễn Bá Khá” cùng các thầy cô trong bộ môn đã giúp đỡ em

hoàn thành đúng thời hạn đề tài này Nhưng do lượng kiến thức còn hạn chế nên trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót Em mong được sự đóng góp của thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Mục lục

Chương 1 : Tổng quan về mạch đo

Chương 2 : Giới thiệu các thiết bị chính

Chương 3 : Tính toán, thiết kế mạch đo

3.1 Tính toán thiết kế nguồn

3.2 Cơ cấu chỉ thị

3.3 Khối ADC trong mạch

3.4 Khối giải mã

3.5 Khối LED 7 thanh

3.6 Tính toán,thiết kế lựa chọn cảm biến

3.7Tính toán, thiết kế mach nguồn cấp

3.8Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa

3.9Tính toán mạch nhấp nháy cho LED

3.10 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo

3.11 Sơ đồ tổng thể mạch và dùng phần mềm mô phỏng mạch

Kết luận và phương hướng phát triển

Chương 1 : Tổng quan về mạch đo 1.1 Khái niệm về nhiệt độ

1.1.1 Khái niệm:

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên tử, phân tử của một hệ vật chất.Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất (rắn, lỏng, khí) mà chuyển động này có khác nhau Ở trạng thái lỏng, các phân

tử dao động quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định.Còn ở trạng thái rắn,các phần tử,nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng.Các dạng vận động này của các phân tử,nguyên tử được gọi chung là chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt.Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý:

Bảo toàn năng lượng :

Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyền nhiệt bằng đối lưu Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉ trọng.

1 1 2 Thang đo nhiệt độ:

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường

độ của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ.Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng,từng thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độ chính là:

1 Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).

2 Thang Celsius ( C ): T( 0 C ) = T( 0 K ) – 273,15.

3 Thang Farhrenheit: T( 0 F ) = T( 0 K ) – 459,67.

Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay.Trong đó thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị quốc tế (SI).Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ.

1.2 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 Đối với 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 nhiệt độ

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.

1.4, 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.

1.5 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ

1.5.1: Sơ đồ khối

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 đo lường khác nhau.

Sơ đồ khối đo :

Mạch khuếch đại, chuẩn

thị

Cảm

1.5.2: Vai trò tác dụng của các khối

• Khối nguồn : làm nhiệm vụ đảm bảo nguồn cấp cho cảm biến luôn là 5V theo yêu cầu đầu vào của cảm biến.

• Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu ra cho các mạch so sánh, khuếch đại.

• Mạch khuếch đại : khuếch đại và chuẩn hóa các điện áp, dòng điện theo yêu cầu bài toán.

• Chỉ thị : là các ammeter hoặc vonmeter hiển thị dòng hoặc áp sau chuẩn hóa.

• Mạch so sánh : so sánh điện áp đầu ra của cảm biến với điện áp đặt, để đưa ra cảnh báo hoặc để LED nhấp nháy bình thường.

• Còi báo : báo động khi nhiệt độ vượt quá giá trị cho phép.

• Mạch nhấp nháy : đèn LED nhấp nháy trong chố độ nhiệt độ bình thường theo yêu cầu bài toán.

Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính 2.1 Giới thiệu về IC cảm biến nhiệt LM35

SƠ đồ chân ICLM35 :

Chân 1: Chân nguồn Vcc

Chân 2: Đầu ra Vout

Chân 3: GND

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 chính xác cao ở 25 là 0.5

+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ 0 - 150 với các mức điện áp ra khác

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

2.2 Giới thiệu về IC 7805 ( IC ổn áp 5V)

Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao,sử dụng IC

ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản.Các loại

ổn áp thường được sử dụng là IC 78xx,với xx là điện áp cần ổn áp.Ví dụ 7805

ổn áp 5V, 7812 ổn áp 12V Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tự nhau, dưới đây là minh họa cho IC ổn áp 7805 :

Sơ đồ phía dưới IC 7805 có 3 chân:

1 Chân số 1 là chân IN (hình vẽ trên)

2 Chân số 2 là chân GND (hình vẽ trên)

3 Chân số 3 là chân OUT (hình vẽ trên)

Ngõ ra OUT luôn ổn định ở 5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi.Mạch này dùng để bảo vệ những mạch điện chỉ hoạt động ở điện áp 5V(các loại IC thường hoạt động ở điện áp này).Nếu nguồn điện có sự cố đột ngột: điện áp tăng cao thì mạch điện vẫn hoạt động ổn định nhờ có IC 7805 vẫn giữ được điện áp ở ngõ ra OUT 5V không đổi.

Mạch trên lấy nguồn một chiều từ một máy biến áp với điện áp từ 7V đến 9V

để đưa vào ngõ IN.Khi kết nối mạch điện,do nhiều nguyên nhân,người dùng dễ nhầm lẫn cực tính của nguồn cung cấp khi đấu nối vào mạch,trong trường hợp này rất dễ ảnh hưởng đến các linh kiện trên board mạch.Vì lí do đó một diode cầu được lắp thêm vào mạch,diode cầu đảm bảo cực tính của nguồn cấp cho mạch theo một chiều duy nhất,và nguời dùng cũng không cần quan tâm đến cực tính của nguồn khi nối vào ngõ IN nữa.

IC này có thể nối trực tiếp với các loại IC: TTL/ CMOS/ DTL.

2.3.1 Sơ đồ chân và chức năng các chân.

Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 555

Hình 1.2: Cấu trúc IC 555

Chức năng các chân:

+ Chân 1 : ( GND ) Nối mass.

+ Chân 2 : ( TRIGGER ) Nhận xung kích để đổi trạng thái

+ Chân 3 : ( OUT ) Ngõ ra

+ Chân 4 : ( RESET ) Trả về trạng thái đầu

+ Chân 5 : ( CONTROL VOLTAGE ) Lấy điện áp điều khiển tần số dao động + Chân 6 : ( THRESHOLD ) Lập mức ngưỡng cho tầng so sánh

+ Chân 7 : ( DISCHARGE ) Đường xả điện cho tụ trong mạch định thời

+ Chân 8 : ( Vcc ) Nối với nguồn dương.

2.3.2: Nguyên lý hoạt động.

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý tạo dao động

Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC Mạch FF là loại RS Flip-flop.

Khi S = [1] thì Q = [1] và = [0]

Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và = [0].

Khi R = [1] thì = [1] và Q = [0].

Tóm lại: khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0], = [1], transistor mở

dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp ở chân 6 không vượt quá V2 Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset.

- Giai đoạn ngõ ra ở mức 1:

Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0.

Vì điện áp ở chân 2(V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S = [1], Q = [1] và = [0] Ngõ ra của IC ở mức 1.

Khi = [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng Khi nhả công tắc, Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 0, S = [0], Q và vẫn không đổi Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơn V2, FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó.

2.4 Giới thiệu về một số khuếch đại thuật toán (KĐTT)

2.4.1.Khái niệm

Khuếch đại có nghĩa là dùng năng lượng nhỏ làm thay đổi một năng lượng lớn khác Năng lượng nhỏ gọi là năng lượng điều khiển.Năng lượng lớn gọi là năng lượng bị điều khiển.

Bộ KĐTT cũng như các bộ khuếch đại thông thường khác đều dùng để khuếch đại điện áp,dòng điện và công suất.Tính ưu việt của bộ KĐTT là tác dụng của mạch điện có bộ KĐTT có thể thay đổi được dễ dàng bằng việc thay đổi các phần tử mạch ngoài (coi bộ KĐTT như hộp đen).Để thực hiện được điều đó, bộ KĐTT phải có các đặc tính co bản là :hệ số khuếch đại lớn, trở kháng cửa vào rất lớn và trở kháng ra của nó rất nhỏ.

Trước đây, bộ KĐTT thường được sử dụng trong việc thực hiện các phép toán giải tích ở các máy tính tương tự,nên được gọi là KĐTT.Ngày nay, KĐTT được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong kỹ thuật đo lường và điều khiển.

Do công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử ngày càng phát triển, nên đã chế tạo được các mạch tích hợp(các vi mạch- IC) của KĐTT gần lý tưởng Và các vi mạch KĐTT trong các mạch điện tử đơn giản cũng được coi là lý tưởng Tuy nhiên, các vi mạch KĐTT luôn có các thông số thực là hữu hạn.

2.4.2.Khuếch đại thuật toán lý tưởng

KĐTT được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hay công suất ,để thiết

kế các mạch điện tử chức năng Một KĐTT được ký hiệu như trên sơ đồ 1.1.2.

Hình 1.4 Ký hiệu các chân ra của KĐTT

: Ngõ vào âm

: Ngõ vào dương

+Ecc: Ngõ cấp điện áp dương

-Ecc: Ngõ cấp điện áp âm

: Tín hiệu cửa ra

KĐTT lý tưởng có trở kháng vào vô cùng lớn (∞), trở kháng ra bằng 0 (Z O =0)

hệ số khuếch đại vòng hở vô cùng lớn (K O =∞) và điện áp cửa ra bằng 0V, khi điện áp các ngõ vi sai bằng nhau (U O =0V, khi ).

Trong thực tế kỹ thuật không có bộ KĐTT lý tưởng Để đánh giá được các bộ KĐTT thực so với KĐTT lý tưởng ta căn cứ vào các thông số của mạch tích hợp KĐTT thực với thông số ly tưởng trên Nhưng trong thiết kế các mạch điện tử đơn giản ta vẫn có thể coi các IC KĐTT thực được sử dụng như một KĐTT lý tưởng.

Mạch điên tương đương KĐTT lý tưởng

Trong đó, là trở kháng vào của KĐTT, là trở kháng ra của KĐTT, điện áp vào đến của vào đảo, là điện áp vào đến cảu vào không đảo, là điện áp vào vi sai Từ sơ đồ, ta có biểu thức cho điên áp ra:

Trong đó , điện áp vi sai ở cửa vào:

Mạch khuếch đại đảo

: điện áp vào cần khuếch đại

: điện trở mạch phản hồi âm

Hệ số khuếch đại điện áp của mạch :

Vậy biểu thức của tín hiệu ra:

Mạch khuếch đại không đảo

Mạch khuếch đại không đảo Mạch lặp lại điện áp

Vì điện trở của vào của KĐTT ô cùng lớn, nên dòng điện chảy qua bằng 0.Từ đó ta có:

Trong khi đó ta có: =

Vậy hệ số khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại không đảo : sẽ được viết như sau: ==

Vậy tín hiệu ra xác định bằng biểu thức:

Chương 3 : Tính toán, thiết kế mạch đo

Vì hầu hết các nguồn sử dụng trong mạch đều là nguồn một chiều mà trên thực tế thì nguồn lại là các nguồn xoay chiều với điện áp là 220V vậy vấn đề đặt ra là phải biến đổi dòng xoay chiều sang 1 chiều

khối nguồn sẽ bao gồm:

nhưng sẽ tiêu tốn 1 lượng năng lượng vì vậy nên dùng 2 bộ chỉnh lưu điện áp

Tối ưu nhất ở đây nên dùng phương án

3 Phương án thiết kế :

 biến áp : do yêu cầu đặt ra nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào

220V và điện áp ra là 15V

 mạch chỉnh lưu : do những ưu điểm của mạch chỉnh lưu cầu như điện

áp ra ít nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ hơn so với phương pháp cân bằng nên ta sẽ chọn bộ chỉnh lưu cầu 2 nửa chu kỳ.

 bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san bằng điện áp để dòng điện phẳng hơn, lọc bằng tụ điện khá đơn giản và chất lượng học khá cao Nên ta dùng

tụ điện.

 khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp ra thay đổi từ 0 đến 15V nên ta dùng IC ổn áp thông dụng là LM 7805 do có dải điện áp ra trong khoảng1,2V-35V với cách mắc thông thường.

3.2:Cơ cấu chỉ thị

Vì dòng điện ra là dòng 1 chiều và điện áp ra cũng là 1 chiều với giá trị bé nên ta dùng cơ cấu chỉ thị từ điện

Cấu tạo chung: gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động

- Phần tĩnh: gồm: nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6 hình thành mạch từ kín Giữa cực từ 3 và lõi sắt 6 có có khe hở không khí đều gọi là khe hở làm việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động.

- Phần động: gồm: khung dây quay 5 được quấn bắng dây đồng Khung dây được gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo) Trên trục quay có hai lò xo cản 7 mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8.

Hình 5.3 Cơ cấu chỉ thị từ điện.

+ Nguyên lý làm việc chung: khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dưới tác động của từ trường nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α Mômen quay được tính theo biểu thức:

- Chỉ đo được dòng điện 1

-Đặc tính thang đo đều

18

- Độ nhạy là 1 hằng

s

3.3 Khối ADC trong mạch

Các chân 1,2,8,10,7 được nối đất

Chân 3 được nối với chân số 3 của mạch tạo dao động HE555

Chân 19 nối với điện trở R 3 = 10kΩ rồi nối vào chân 4 tiếp nối vào tụ C 3 =150pF rồi nối đất

Chân 20 nối với nguồn nuôi

Chân 6 là chân nhận tín hiệu chuyển hóa của ic ra các chân bít

DB0,BD1,BD2,BD3,BD4,BD5,BD6,BD7.

3.4 Khối giải mã

+ IC74LS83

74LS83 là IC cộng 2 số 4 bit nhị phân.

-A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4 : các chân đầu vào của 2 số nhị phân A, B.

- S1,S2,S3,S4: đầu ra nhị phân.

-C4 số nhớ của phép cộng.

CO: số nhớ ban đầu.

Quá trình biến đổi nhị phân sang BCD

Đầu tiên ta chuyển số nhị phân 4 bit thành số BCD: hai số BCD có giá trị từ 0 10

đến 9 10 khi cộng lại cho kết quả từ 0 10 đến 18 10 , để đọc được kết quả dạng BCD ta phải hiệu chỉnh kết quả có được từ mạch cộng nhị phân

3.5 Khối LED 7 thanh

Trước hết hãy xem qua cấu trúc và loại đèn led 7 đoạn của một số đèn được cấu tạo bởi 7 đoạn led có chung anode (AC) hay cathode (KC); được sắp xếp hình số 8 vuông (như hình ) ngoài ra còn có 1 led con được đặt làm dấu phẩy