Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ. (ví dụ: LM34, LM 35……).

: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ. (ví dụ: LM34, LM 35……).CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO I. Khái niệm về nhiệt độ Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên tử, phân tử của một hệ vật chất.Tùy theo từng trạng thái của vật chất (rắn ,lỏng ,khí ) mà chuyển động này 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. • Ở trạng thái rắn các phân tử,nguyên tử chỉ dao đông 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. 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 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.

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 : 3

Họ và tên HS-SV : NGUYỄN VĂN HÒA Nhóm : 03 Lớp : TCĐH CNKT Điện 1_K10

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 IC cảm biến nhiệt độ. (ví dụ: LM34, LM 35……).

Yêu cầu: - Dải đo từ: t 0 C =0 0 C ÷ t max = 0 ÷ (50 + n) 0 C

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

1 U=0 ÷ 5V

2 U= 0 ÷ -5V

3 I=0÷20mA.

4 I=4÷20mA

- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị.

- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t 0 C=0÷3*t max /4 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau T0=(1+0,5*a) giây

- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t 0 C= 3*t max /4

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

- Tính toán, thiết kế mạch 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 : 14/10/2016 Ngày hoàn thành: 03/12/2016

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO

I. Khái niệm về nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên tử,phân tử của một hệ vật chất.Tùy theo từng trạng thái của vật chất (rắn ,lỏng ,khí )

mà chuyển động này 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

• Ở trạng thái rắn các phân tử,nguyên tử chỉ dao đông xung quanh vị trí cânbằng Các dạng vận động này của các phân tử, nguyên tử được gọi chung làchuyển động nhiệt Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượngnhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sựtruyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý: Bảo toànnăng 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 xạnhiệt

- 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 cáchvận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ dochênh lệch về tỉ trọng

Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ nhưdùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biếnnhiệt độ Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu phương pháp thường dùng nhất đó là dùng nhiệtđiện trở kim loại

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 thờikỳ.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( 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

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

• Các phương pháp đo nhiệt độ cơ bản:

+ 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 kếnhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tínhchất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đốivới môi trường khíhoặc nước,chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắnkhi đặt nhiệt kế sát vào vật,nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gâytổn 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 nhiệtđộ của các chất hạt (cát, đất…),cần phảicắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở cócáp nối ra ngoài

+ 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 vậthấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất.Bức xạ nhiệt của mọivật thể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với mộtđơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng

1.1 Sơ đồ nguyên lý chung của mạch đo:

- Mạch đo gồm có 6 khối cơ bản:

6 Mạch chuyển đổi u sang i

Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo :

I.2. Chức năng của các khối trong mạch đo:

a. Khối cảm biến :

Khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệuđiện 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 docảm biến đưa ra thường là rất bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào các mạchđiện khác

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 nhiệtđiện trở kim loại

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

CÁC THIẾT BỊ CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH ĐO

Để xác định được các thiết bị mà mình sẽ sử dụng trong quá trình tính toánthiết kế mạch đo ta đi dựa vào các khối cơ bản trong mạch đo để xác định các linhkiện mà mình sẽ dùng, sau đây ta sẽ liệt kê các linh kiện sử dụng :

2.1 Cảm biến:

Nhiệt độ là 1 đai lượng vật lý mà ta có thể đo gián tiếp quá các loại cảm biếnnhiệt độ dựa trên sự chuyển động của của các hạt điện tích hình thành nên dòngđiện trong kim loại

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ thông dụng hiện nay mà tathường dùng:

 LM135, LM235,LM335: 10mV output

 LM35: 10mV/0k output

 LM34: 10mV/0F output

 AD590: 1A output

Hình 1.1:hình ảnh của cảm biến nhiệt IC LM555 và LM35

• Ưu điểm của IC:

- Dễ dàng tích hợp với các thiết bị khác

- Gía thành thấp

- Kích thước gọn nhẹ

- Ngõ ra có thể là điện áp ,dòng điện hoặc số và tỷ lệ với độ K,F,C

• Nhược điểm của IC:

- Tầm nhiệt độ thấp (-550C÷ 1500C)

-Cần mạch kín

2.2 Bộ khuếch đại thuật toán µA 741 :

Bộ khuếch đại này dùng nhiều trong kỹ thuật điện trở có tác dụng khuếch đạicác tín hiệu điện như điện áp, dòng điện, công suất Trong phạm vi bài này ta sẽ sửdụng khếch đại thuật toán để khuếch đại điện áp đưa ra từ cảm biến và dùng trong

bộ so sánh để đưa ra khối cảnh báo cho mạch đo

Hình ảnh thực tế của bộ khuếch đại thuật toán

2.3 Điện trở :

Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từhợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được cácloại điện trở có trị số khác nhau

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.

Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý

2.5 Các thiết bị cảnh báo :

Để cảnh báo quá nhiệt độ ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi đểcảnh báo, hoặc ta có thể sử dụng đồng thời cả hai để cảnh báo quá nhiệt độ Nhữngthiết bị này thường mang thông tin nhanh và chính xác, dễ lắp đặt và sử dụngnguồn điện một chiều hay xoay chiều

2.6 Nguồn cấp cho mạch :

Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V, 9V hoặc 12Vtùy theo yêu cầu của mạch trên thực tế thì nguồn điện 1 chiều thường được chỉnhlưu từ nguồn xoay chiều nguồn cấp của chúng ta gồm có :

 Máy biến áp có chức năng hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sửdụng đó là 5V, 9V, 12V.

 Bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot, tụ điện, và điện và cuộn cảm có tác dụngchỉnh lưu từ dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều sơ đồ nguyên lý của khốichỉnh lưu:

2.7.IC 555

Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở thực hiện cácchức năng như hình :

Cấu trúc bên trong của LM 555

Chân số 3: (Output) Ngõ ra tín hiệu ở dạng xung (mức áp không thấp thì cao).

Chân số 4 :(Reset) Xác lập trạng thái ngõ ra Khi chân số 4 cho nối mass thìchân số 3 chốt ở mức áp thấp , chỉ khi chân số 4 đặt ở mức áp cao thì ngõ ra chân 3mới được tự do và mới có thể lúc cao lúc thấp

Chân số 5:(Control Voltage) Chân điều khiển ,chân này làm thay đổi các mức điện áp chuẩn trên trên cầu chia volt

Chân số 6: (Threshold) Ngõ vào của một tầng so với áp 1.Có mức áp chuẩnbằng 2/3 Vcc

Chân số 7: (Dirchange) Chân xả điện, chân này là ngõ ra của một khóa điên(tranistor) khóa điện này đóng mở theo mức áp chân số 3 Khi chân 3 ở mức áp caothì khóa điện đóng lại và cho dòng chay qua, ngược lại thì khóa điện hở và cắt dòng

Chân số 8: (+Vcc) Chân nguồn nối vào nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC

555

CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐO 3.1.Ý tưởng thiết kế.

3.1.1.Yêu cầu của đề tài.

Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = (50+n)0C

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

 U=0 ÷ 5V

 U= 0 ÷ -5V

 I=0÷20mA

 I=4÷20mA

- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị

- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷3tmax/4 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng:

n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách.

3.1.2: Tính toán, lựa chọn cảm biến.

.LM35 là cảm biến nhiệt độ analog Nhiệt độ được xác định bằng cách đohiệu điện thế ngõ ra của LM35 như sau:

- Chân 1: Chân nguồn VCC

- Chân 2: Chân ra VOUT

- Chân 3: Chân ra GND

+ Một số thông số của LM35

Cảm biến LM35:

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 cânchỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh Đặc điểm chính của cảm biến LM35

• Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

• Độ phân giải điện áp đầu ra là 10 mV/OC

• Độ chính xác cao ở 25 OC là 0.5 OC

• Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải Dải nhiệt độ đo được của LM35 là

từ (-55 - 150) 0C với các mức điện áp ra khác nhau

• Xét một số mức điện áp sau :

- Nhiệt độ -55 C điện áp đầu ra -550mV

- Nhiệt độ 25 C điện áp đầu ra 250mV

Vậy khi ở nhiệt độ 57 điện áp đầu ra là 0,57 V

3.2.Tính toán và thiết kế mạch nguồn

Trong thiết kế có sử dụng các nguồn , và nguồn cấp được sử dụng từ mạng lưới điện xoay chiều 220V/50Hz ta có mạch nguồn như sau:

3.3.các thông số của bài tập lớn

STT trong danh sách của em là 07

Ta có:

U0= Ucb với Ucb=0,57V và U0=-5V

→R2= chọn R1=1kΩ R2= kΩ

Vậy thay R2 bằng điện trở 10kΩ nối tiếp với một biến trở 1kΩ

3.5.Tính toán thiết kế khối chuyển đổi U-I

Đầu vào là U0 đầu ra đưa về chuẩn I=0÷20mA

Ta có bộ chuyển đổi U-I đảo

KUI

3.6 Khối chuấn hóa từ 0-5v

Ta có: ( chọn R19=1kΩ

R18.=7,7kΩ

Vậy thay R18 bằng VR4 = 8kΩ

Hình 3.9 khối chuẩn hóa từ 0-5v

3.7 Khối chuẩn hóa từ 4-20mA

Hình 3.10 khối chuẩn hóa từ 4-20mA

Ta có:U1 thay đổi từ 0 thì đầu ra IL thay đổi từ 4mA20mA

3.8.Tính toán, thiết kế khối ADC và hiển thị

Ta có DISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF

Nối VREF+ với nguồn 3V vậy đầu vào VIN+ phải đưa về từ 3,000V đến 3,057V Ta

Vậy với VIN+ thay đổi từ 3,000V đến 3,057V thì LED hiển thị từ 000C tới 570C

3.9.Tính toán thiết kế khối so sánh

Tín hiệu ra Uo là tín hiệu âm sử dụng bộ khuếch đại đảo có K=-1 để chuyển tín hiệu về tín hiệu dương trước khi cho vào bộ so sánh với giá trị đặt trước

Với 3tmax/4=(3*57)/4=42,750C tín hiệu ra Uo=-3,33V lấy 3,33V là giá trị cần so sánh

K=-1 vậy chọn R6=R7=1kΩ

Khi t42,750C thì U13,33V tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức thấp

Khi t42,750C thì U13,33V tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức cao

3.10.Tính toán thiết kế khối tạo xung và khối nhấp nháy

Chu kỳ tạo xung: T=Tn+Tx=4,5+4,5=9s

Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gianngưng dẫn của transistor là :

T = RCln2 =0,693 RC

Tn = Tx=0,693.R8.C5=0,693.R9.C5=3

→R8=R9=

Chọn C5 = 470F→R8=R9=

Khi t42,750C tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức thấp Đầu ra của cổng NOT ở mức cao, đầu ra của cổng AND theo tín hiệu xung nhịp của bộ tạo xung làm cho đèn LED nhấp nháy theo tín hiệu xung với thời gian tối và sang bằng nhau và bằng 3s.Khi t42,750C tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức cao Đầu ra của cổng NOT ở mức thấp, tín hiệu ra của cổng AND ở mức thấp đèn LED không hoạt động.

3.11.Tính toán thiết kế khối cảnh báo

Khi t42,750C 0C tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức thấp Đầu ra của cổng AND ở mức thấp, transis Q1 không hoạt động, đèn và loa cảnh báo chưa có hiện tượng.Khi t42,750C 0C tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức cao Đầu ra của cổng AND ở mức cao, transis Q1 hoạt động, đèn và loa cảnh báo hoạt động.

3.12.Sơ đồ toàn mạch thiết kế

Trong quá trình làm bài em còn nhiều bất cập và thiếu sót rất mong các thầy cô giáo thông cảm, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ môn đã giúp đỡ emtrong quá trình làm bài tập lớn !!!