Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu. Yêu cầu: Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0(100+100n)0C.

Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu. Yêu cầu: Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0(100+100n)0C. Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp: 1. U=0 ÷ 10V 2. U= 0 ÷ 5V 3. I=0÷20mA. 4. I=4÷20mA Dùng cơ cấu đo để chỉ thị hoặc LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷tmax2. Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: T0=(1+0,5a) giây. Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t0C= tmax2 Trong đó: a: chữ số hàng đơn vị của danh sách (ví dụ: STT=3a=3; STT=10a=0) n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách.

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BÀI TẬP: VMTT&VMS

Số : 2

Họ và tên HS-SV : Nguyễn Ngọc Phi Nhóm : 2 Lớp : CĐ ĐH Điện 3 STT : 29

Khoá : 10 Khoa : Điện.

NỘI DUNG

Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu.

Yêu cầu: - Dải đo từ: t 0 C =0 0 C ÷ t max = 0-(100+100*n) 0 C.

- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:

1 U=0 ÷ 10V

2 U= 0 ÷ -5V

3 I=0÷20mA.

4 I=4÷20mA

- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị hoặc LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ

- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t 0 C=0÷t max /2 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: T0=(1+0,5*a) giây.

- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t 0 C= t max /2

Trong đó:

a: chữ số hàng đơn vị của danh sách (ví dụ: STT=3a=3; STT=10a=0) n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách.

PHẦN THUYẾT MINH

Yêu cầu về bố cục nội dung:

Chương 1: Tổng quan về mạch đo

Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính

Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo

- Tính toán, lựa chọn cảm biến

- Tính toán, thiết kế mạch đo

- Lựa chọn nguồn cung cấp.

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

- Tính toán mạch nhấp nháy cho LED

- Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo.

-

Kết luận và hướng phát triển.

Yêu cầu về thời gian :

Ngày giao đề 16 /12/2015 Ngày hoàn thành : 16/01

Mục lục

Chương 1 : Tổng quan về mạch đo 3

1.1 Khái niệm về nhiệt độ 3

1.1.1 Khái niệm: 3

1 1 2 Thang đo nhiệt độ: 3

1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc 4

1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc: 4

1.4 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ 4

1.4.1: Sơđồ khối 4

1.4.2: Vai trò tác dụng của các khối 5

Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính 6

2.1 Giới thiệu về IC cảm biến nhiệt LM35 6

2.2 Giới thiệu về IC 7805 ( IC ổn áp 5V) 8

2.3 Giới thiệu về IC 555 9

2.3.1 Sơđồ chân và chức năng các chân 10

2.3.2: Nguyên lý hoạt động 11

2.4 Giới thiệu về một số khuếch đại thuật toán (KĐTT) 12

2.4.1.Khái niệm 12

2.4.2.Khuếch đại thuật toán lý tưởng 13

2.4.3.Các mạch khuếch đại cơ bản dùng KĐTT 15

Chương 3 : Tính toán, thiết kế mạch đo 17

3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến 17

3.2Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp 18

3.3 Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa 18

3.3.1 : Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp U = 0 ÷ 10V 18

3.3.2 Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp 0 ÷ - 5V 19

3.3.3 Chuẩn hóa đầu ra có dòng điện 0 ÷ 20mA 20

3.3.4 Chuẩn hóa đầu ra có dòng 4 ÷20 mA 20

3.4 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo 22

3.5 Mạch hiển thị 23

3.6 Dùng phần mềm mô phỏng mạch 24

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 25

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

Bảo toàn năng lượng :

Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp Ở

trạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt

Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyềnnhiệt bằng đối lưu Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vậnchuyển 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 triểncủa 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( 0C ) = T( 0K ) – 273,15

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

Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay.Trong đó thang đonhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vịquốc 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 hailoại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo của nhiệt kế nhiệtđiện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chấttrao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đối với môi trường khí hoặcnước, chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắn khi đặtnhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn haonhiệt, 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 nhiệtđộ của các chất hạt (cát, đất…), cần phải cắm sâunhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối

ra ngoài

1.3 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 làvật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất Bức xạ nhiệt củamọi vật thể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian vớimột đơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng

1.4 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ

1.4.1: Sơ đồ khối

Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì phụ thuộc vào đặc tínhcủa 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 lườngkhác nhau trên cơ sở của các hệ thống đo lường khác nhau

Sơ đồ khối đo :

1.4.2: Vai trò tác dụng của các khối

 Khối nguồn : làm nhiệm vụ đảm bảo nguồn cấp cho cảm biến luôn là5V theo yêu cầu đầu vào của cảm biến

CảmBiến

Mạch

nguồn

Mạch khuếch đại, chuẩn hóa

Chỉ thị

Mạch

Mạch nhấp nháy cho LED

 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 điệntheo yêu cầu bài toán

 Chỉ thị : là các ammeter hoặc vonmeter hiển thị dòng hoặc áp sauchuẩn 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 khi vượt quá nhiệt độ cho phép theo yêu cầu bài tâp

Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính

2.1 Giới thiệu về IC cảm biến nhiệt LM35

Hình ảnh IC LM35 :

SƠ đồ chân ICLM35 :

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 nhau Xét một số mức điện áp sau

Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ thống này thì đo từ 0 đến +90

LM35 có 3 chân : 2 chân cấp nguồn và 1 chân xuất điện áp ra tùy theo nhiệt độNhiệt 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, sửdụng IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản Cácloại 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, dướiđây 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 nàydùng để bảo vệ những mạch điện chỉ hoạt động ở điện áp 5V(các loại IC thườnghoạt động ở điện áp này) Nếu nguồn điện có sự cố đột ngột: điện áp tăng cao thìmạch điện vẫn hoạt động ổn định nhờ có IC 7805 vẫn giữ được điện áp ở ngõ raOUT 5V không đổi.

Mạch trên lấy nguồn một chiều từ một máy biến áp với điện áp từ 7V đến 9V đểđưa vào ngõ IN Khi kết nối mạch điện, do nhiều nguyên nhân, người dùng dễnhầm lẫn cực tính của nguồn cung cấp khi đấu nối vào mạch, trong trường hợp nàyrất dễ ảnh hưởng đến các linh kiện trên board mạch.Vì lí do đó một diode cầu đượclắp thêm vào mạch, diode cầu đảm bảo cực tính của nguồn cấp cho mạch theo mộtchiều duy nhất, và nguời dùng cũng không cần quan tâm đến cực tính của nguồnkhi nối vào ngõ IN nữa

2.3 Giới thiệu về IC 555

Đây là IC loại 8 chân được sử dụng rất phổ biến để làm: mạch đơn ổn, mạchdao động đa hài, bộ chia tần, mạch trễ,… Nhưng trong mạch này, IC 555 được sửdụng làm bộ phát xung

Thời gian được xác lập theo mạch định thời R, C bên ngoài Dãy thời gian tác động hữu hiệu từ vài micrô giây đến vài giờ

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.

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 làloại 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 6không 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 racủa 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 vẫngiữ nguyên trạng thái đó

- Giai đoạn ngõ ra ở mức 0:

Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- (= 2/3 VCC), R = [1] nên Q

= [0] và = [1] Ngõ ra của IC ở mức 0

Vì = [1], transistor mở dẫn, Op-amp2 có V+ = [0] bé hơn V-, ngõ ra của

Op-amp 2 ở mức 0 Vì vậy Q và không đổi giá trị, tụ C xả điện thông quatransistor.Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông,

Bộ KĐTT cũng như các bộ khuếch đại thông thường khác đều dùng để khuếchđại điện áp,dòng điện và công suất.Tính ưu việt của bộ KĐTT là tác dụng củamạch 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 KĐTTphải có các đặc tính co bản là:hệ số khuếch đại lớn, trở kháng cửa vào rất lớn vàtrở kháng ra của nó rất nhỏ

Trước đây, bộ KĐTT thường được sử dụng trong việc thực hiện các phép toángiải tích ở các máy tính tương tự,nên được gọi là KĐTT.Ngày nay, KĐTT được sửdụng 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 tạođược các mạch tích hợp(các vi mạch- IC) của KĐTT gần lý tưởng Và các vi mạchKĐTT 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 kếcác mạch điện tử chức năng Một KĐTT được ký hiệu như trên sơ đồ 1.1.2.

Hình 1.1.2 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(ZO =0) hệ số khuếch đại vòng hở vô cùng lớn (KO =∞) và điện áp cửa ra bằng 0V,khi điện áp các ngõ vi sai bằng nhau (UO=0V, khi )

Trong thực tế kỹ thuật không có bộ KĐTT lý tưởng Để đánh giá được các bộKĐTT thực so với KĐTT lý tưởng ta căn cứ vào các thông số của mạch tích hợpKĐTT thực với thông số ly tưởng trên Nhưng trong thiết kế các mạch điện tử đơngiản 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:

2.4.3.Các mạch khuếch đại cơ bản dùng KĐTT

Mạch khuếch đại đảo

: điện áp vào cần khuếch đại

: điện trở mạch phản hồi âm

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:

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

3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến

Cảm biếnđược lựa chọn là IC LM35 Việc đo nhiệt độ sử dụng LM35 thôngthường chúng ta sử dụng bằngcách :

LM35 - > ADC - > Vi điều khiển

Dùng ADC 10 bit Giá trị của ADC này từ [-1024 đến 1024] nên ta chỉ lấy giá trịdương giá trị ADC của nó là 0 đến 2048

LM 35 có nhiệt độ tối đa là 150 Mà bài yêu cầu nằm trong khoảng là t= (0 -90)

Cứ 10mV tương ứng với 1 nên :

+ Tại 0 thì giá trị đầu ra của LM35 thì điện áp 0V

Mà với LM35 nhiệt độ Max là 150˚C thì điện áp đầu ra là 1,5V

+Theo bài tại 90 thì giá trị đầu ra của LM35 là : 90*0,01=0,9V

Ta thấy giá trị đầu ra rất nhỏ so với giá trị max là 10V.Điện áp tương ứng là 0,9V

mà LM35 thay đổi trong 10mV.

3.2Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp

Dùng IC ổn áp 7805 cấp nguồn vào luôn ổn định là 5V cho IC LM35

3.3 Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa.

3.3.1: Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp U= 0 10V

Dùng bộ khuếch đại không đảo

Mạch này có điện áp ra : Ur = (1 + ).Uv

Với Uv = 0 1,1V để Ur = 0 10V

UImin = 0mV → Uomin = 0V

UImax = 1,1V→ Uomax = 10V

Chọn R13 = 1 kΩ => R14 = 8.0909 kΩ Chọn R2 = 10kΩ

3.3.2 Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp 0 -5V

Dùng bộ khuếch đại đảo

Dùng bộ khuếch đại không đảo

Mạch này có điện áp ra : Ur = (1 + ).Uv

Với Uv = 0 1,1V để Ur = 0 5V

UImin = 0mV → Uomin = 0V

UImax = 1,1V→ Uomax = 5V

Chọn R10 = 1 kΩ => R11 = 8.0909 kΩ Chọn R9= 10kΩ

3.3.3 Chuẩn hóa đầu ra có dòng điện 0 20mA

Dùng bộ biến đổi U-I với sơ đồ không đảo