BT lớn vi mạch ,vi mạch tương tự ,vi mạch số

: 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, LM35….). độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ ( ví dụ: LM34, LM35….). Yêu cầu: Dải đo từ: toC =0oC ÷ tmax = 0 ÷ (50 + n)o¬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 hoặc LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ. Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷3tmax4. 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= 3tmax4 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

Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0 ÷ (50 + n)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÷2*tmax/3 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 : t0C= 2*tmax/3

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

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

là chuyển 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

sự truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý: Bảotoàn năng lượng

- Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độthấp Ở trạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt vàbức xạ nhiệt

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

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

là dùng nhiệt điện trở kim loại

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giácường độ của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗithời 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

 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 bảotính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đốivới môitrường khí hoặc nước,chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòngchảy.Với vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vào vật,nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sangchuyển đổi và sẽ gây tổn hao nhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém.Do vậy diệntích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt.Khi đo nhiệtđộ của cácchất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo và thườngdùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp 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 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 gianvới một đơn 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 kimloại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp

b Khối khuếch đại :

Khối chỉ thị

Cảm biến Khuếch đại điên

áp

Chuyển đổi Usang ICảnh báoMạch so sánh

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 cácmạch 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 nhiệtđộ

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 nhiệtđiện trở kim loại

Chương II CÁC THIẾT BỊ CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH ĐO

Để xác định được các thiết bị mà mình sẽ sử dụng trong quá trình tínhtoán thiết kế mạch đo ta đi dựa vào các khối cơ bản trong mạch đo để xác địnhcác linh kiện 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 cảmbiến nhiệt độ dựa trên sự chuyển động của của các hạt điện tích hình thành nêndòng điện 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 khuếchđại các tín hiệu điện như điện áp, dòng điện, công suất Trong phạm vi bài này ta

sẽ sử dụng khếch đại thuật toán để khuếch đại điện áp đưa ra từ cảm biến vàdùng 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

từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra đượccác loại 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

2.4 Cơ cấu chỉ thị :

Muốn biết được nhiệt độ thì ta phải hiển thị ra thông qua cơ cấu chỉ thị Vìmục đích cuối cùng là chúng ta biết được nhiệt độ và cảnh báo.Chúng ta cónhiều cơ cấu chỉ thì như điện từ từ điện, điện động… trong phạm vi bài nàychúng ta đo dải điện áp từ 0 đến 10V và dải dòng điện từ 0 đến 20mA ta nêndùng cơ cấu chỉ thị từ điện vì cơ cấu này đo được dòng điện và điện áp 1 chiềuvới dải đo rộng

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.Những thiết bị này thường mang thông tin nhanh và chính xác, dễ lắp đặt và sửdụng nguồn 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 đượcchỉnh lưu 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

sử dụng đó là 5V, 9V, 12V

Bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot, tụ điện, và điện và cuộn cảm có tácdụng chỉnh lưu từ dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều sơ đồ nguyên lýcủa khối chỉnh lưu:

Chương III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐO

3 Lý thuyết tổng quan.

3.1: Tính toán, lựa chọn cảm biến.

Yêu cầu đề bài : Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo vàcảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt

Yêu cầu: Dải đo từ: t0C = 00C ÷ tmax = 0 ÷(50+n )0C

Với n là số thứ tự sinh viên trong danh sách

Số thứ tự trong danh sách là n = 55 vậy dải đo trong bài này là :

toC = 00C tmax= 0 ÷ (50 + 55)0C = 0 105 0C Từ yêu cầu của đề bài em đã

sử dụng IC cảm biến nhiệt độ LM35 và dải đo từ 0 - 1050C

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 cầucân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh Đặc điểm chính của cảm biếnLM35

 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

- Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV

Vậy khi ở nhiệt độ 105 điện áp đầu ra là 1,05 V

3.2 Tính 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

+ -

R15=657,5

R1=10

OPMAP R2=10k

_ - -

R13=378,8 R12=100

R14=200 OPAMP

+Dùng bộ khuếch đại đảo

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

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

Dòng điện đầu ra IF= = và Ur= (1+ ).Uv

Với Uv = 0V và IF = 0 ,

UImin = 0V → IFmin = 0mA

UImax = 1,36V → IFmax = 20mA

R4= 55 => R6= 570Ω Chọn R3=10kΩ

3.3.4 Chuẩn hóa đầu ra có dòng 4mA

Dùng mạch biến đổi U-I với phụ tải nối đất chung

Thường chọn điều kiện mạch : R7 +(R16+R9) = R5+R8(*)

= 0,012R16 (3)

Từ (*) và (3) ta có R16=100Ω , R5=600Ω ,R7=500Ω

3.4 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED

Theo yêu cầu bài toán thời gian sáng và thời gian tối của LED bằng nhau vàbằng

=(1+0,5.2)= 2 (s )

Ta có R10=R11=10kΩ

Từ công thức R11.C1.0,69= suy ra C1=289,8 uF

3.5 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo.

Theo bài ra: tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá giá trị

tC== =70oC ta chọn mức cảnh báo khi nhiệt độ bằng 70C

suy ra điện áp so sánh là +0,7V

3.6 Tính toán thiết kế nguồn :

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:

Máy biến áp

Bộ chỉnh lưa cầu dùng 4 điot

Tụ điện C để lọc

Cuộn cảm L để dàn phẳng dòng điện

Sơ đồ nguyên lý:

Tính chọn máy biến áp:

Ở đây chúng ta có hai nguồn đó là nguồn cho điện áp đặt ở bộ so sánh 5V

và nguồn cấp cho OA là 12V như vậy cần sử dụng máy biến áp có nhiều cấpđiện áp để lấy ra hai cấp điện áp mình dùng Hoặc ta có thể hạ xuống 12V rồidùng con biến trở để chỉnh xuống 5 V nhưng sẽ tiêu tốn 1 lượng năng lượng vìvậy nên dùng 2 bộ chỉnh lưu điện áp 1 phương pháp khác là ta có thể dùng khối

ổn áp 1 chiều để có đầu ra thay đổi

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 phươngpháp 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, lọcbằng tụ điện khá đơn giản và chất lượng học khá cao Nên ta dùng tụđiện

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 trongkhoảng 1,2V-35V với cách mắc thông thường

Cơ cấu đo dùng ổn áp LM 7805 dùng để ổn áp đầu ra 5V:

Cơ cấu chỉ thị :

Vì dòng điện ra là dòng 1 chiều và điện áp ra cũng là 1 chiều với giá trị bénên 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 đềugọi 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 (phầntĩnh) sinh ra mômen quay Mq làm khung dây lệch khỏi vị trí ban đầumột góc α Mômen quay

Được tính theo biểu thức:

Mq = e.dW/dw = B.S.W.I (5.1)Với : B: Độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu

W: Số vòng dây của khung dây Tại vị trí cân bằng ,moomen quay bằng mômen cản:

Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B,S,W,D là hằng số nên góc lệch α tỷ lệbậc nhất với dòng điện I chạy qua khung dây

Các đặc tính chung: Từ biểu thức (5.1) suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện cócác đặc tính cơ bản sau:

- Chỉ đo được dòng điện một chiều

- Đặc tính thang đo đều

- Độ nhạy là một hằng số

4.Sơ đồ mạch đo của toàn bộ quá trình thiết kế cùng mô phỏng protues:

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trong thời gian làm đề tài này em đã biết được thêm nhiều kiến thức thực

tế và ứng dụng được những kiến thức đã học Qua đó chúng em luyện tập đượckhả năng tư duy, cách thức nghiên cứu, giải quyết một vấn đề thực tế

Mạch đo nhiệt độ được ứng dụng rất drộng rãi trong thực tế như đo nhiệt

độ phòng, đo nhiệt độ để cảnh báo cháy…Mạch đo nhiệt độ là thành phần quan

trọng trong một số mạch chức năng khác như hệ thống đo và điều chỉnh nhiệt độ

ở lò cao, bộ phân ngắt nhiệt, cung cấp nhiệt ở lò sưởi…

Những việc đã làm được:

 Nghiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ

 Thiết kế nguồn cung cấp

 Chọn linh kiện thiết kế cho hệ thống

 Tính sai số cho toàn hệ thống

 Sơ đồ các khối chức năng và sơ đồ mạch đo

Những việc chưa làm được:

 Chưa chỉnh được sai số của mạch khuếch đại

 Mạch còn chưa tối ưu, và còn sử dụng nhiều thiết bị điện tử quá

Hi vọng mạch còn nhiều ứng rộng trong tương lai

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian làm việc khẩn trương và nghiêm túc với sự say mê vàlòng nhiệt tình cao, được sự hướng dẫn và chỉ bảo nhiệt tình của giáo viênhướng dẫn, đã giúp em củng cố, mở mang thêm những kiến thức đã được họctrong suốt thời gian qua để hoàn thành bài tập lớn này Tuy nhiên do thời gian

làm bài tập lớn có hạn nên bài tập lớn của em cũng còn nhiều thiếu sót mongrằng sẽ được sự giúp đỡ của Thầy và Cô trong bộ môn.