BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ

Đề tài: dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết ké mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại ví dụ: Pt, Cu, Zn.. Vi mạch số ,vi mạch tương t

Đề tài: dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết ké mạch đo và cảnh

báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại ( ví dụ: Pt, Cu, Zn ).

Yêu cầu: - Dải đo từ: t 0 C = 0 0 C ÷ t max = ( 100+2*n) 0 C.

- Đầi 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 hiển thị nhiệt độ.

- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t 0 C=0÷2* t max /3 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: T=5 giây.

- Khi nhiệt độ vượt giá trị t 0 C=2* t max /3 Đóng điện động cơ điện 1 chiều 15VDC chạy làm mát.

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

t max /3

- Hiển thị nhiệt độ trên LED 7 thanh.

Trong đó: n Số thứ tự sinh viên trong danh sách trên hệ thống.

PHẦN THUYẾT MINH

Yêu cầu bố cục nội dung: ( trình bày dóng quyển A4<25 trang)

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, mạch hiển thị

- Lựa chọn nguồn 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: từ 10/10/2018 – 10/11/2018

Chú ý: Bài làm copy giống nhau: 0đ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘ

1.1.Tổng quan

1.1.1.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 Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất ( rắn, lỏng, khí) mà chuyển động này có khác nhau ở trạng thái láng, các phân tử dao động quanh vi trí cân bằng nhưng vi 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 sựtruyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý:

1.1.2.Bảo toàn năng lượng.

Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất.Ởtrạng 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

1.2.Các 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:

 Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K )

 Thang Celsius ( 0C ): T( 00C ) = T( 0K ) – 273,15

 Thang Farhrenheit: T( 00F ) = 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

1.3.Sử dụng vi mạch tương tự để đo và cảnh báo nhiệt độ.

Vi mạch số ,vi mạch tương tự lĩnh vực không những mang tới thời

sự nóng bỏng nhưng vẫn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ ,

đă đang từng ngày thâm nhập vào đời sống của chúng ta Nhưng trong thực tế các dạng năng lượng thường ở dạng tương tự Do đó muốn xừ lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số

Xuất phát từ ý tưởng đó, em đã thưc hiện việc xây dựng một mạchđiện đo nhiệt độ hiển thị ra đèn LED Mạch này chỉ mang tính chất thửnghiệm, chưa có tính thưc tế về vấn đề chuyển đổi ADC , vấn đề cảnh báonhiệt độ ra đèn và vấn đề đo lường các đại lượng không điện bằng điện

1.3.1.Biến nhiệt thành điện

Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và giải nhiệt độ

Phân ra làm 2 phương pháp chính : Đo trực tiếp và đo gián tiếp:

 Đo trưc tiếp là phương pháp đo trong đó các chuyển đổinhiệt điện đươc đặt trực tiếp trong môi trường cần đo

 Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặtngoài môi trường cần đo(áp dụng vơi trường hơp đo ở nhiệt độ cao )

Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đokhông phải ở quá cao.Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = (50+n)0C n: số thứ tự sinhviên trong danh sách

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 phân giải điện áp đầu ra là 10mV/ o C

+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 o C

+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ 0 o C – 150 o C 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 0oC đến 141 o C

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

1.4.2 Opam 741

Op Amp là một công cụ có nhiều chức năngKhuếch đại hiệu hai điện thế nhập

Khuếch đại tin hiệu điện

So sánh hai điện thế nhập

Khi V + > V - Khi V + < V - Khi V + = V -

1.4.3 IC TC7107

TC7107 là một bộ chuyển đổi A/D

công suât thấp, hiển thị tốt Bao gôm bộ

giải mã Led 7 thanh, bộ hiện thị, bộ tạo

chuẩn, và bộ tạo xung đồng hồ

Nguyên tắc hoạt động:

 cao

 Không ảnh hưởng bởi nhiễu

 Không cần mạch lấy mẫu và

mạch giữ

 Tích hợp đồng hồ

 Không cần các thành phần

ngoại vi có độ chính xác caoKết quả hiển thị ra led 7 đoạnDISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF

1.4.4 IC 555

Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở thựchiện các chức năng như hình :

Cấu trúc bên trong của LM 555

Nguyên lí hoạt động :

Chân số 1 : (GND) Cho nối mass để lấy dòng cấp cho IC , dòng điện

từ mas chảy vào IC

Chân sô 2: (Trigger Input ) Ngõ vào của một tầng, ở đây mức áp chuẩn bằng 1/3 Vcc, lấy cầu phân áp tạo bởi ba điện trở 5K.Khi mức áp chân 2 xuống đến mức (1/3)Vcc thì chân 3 sẽ chuyển lên mức cao, lúc này khóa điện tử trên chân số 7sẽ hở.

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 thì chân số 3 chốt ở mức áp thấp , chỉ khi chân số 4 đặt ở mức áp cao thì ngõ ra chân 3 mới được tự do và mới có thể lúc cao lúc thấp

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

Chân số 6: (Threshold) Ngõ vào của một tầng so với áp 1.Có mức ápchuẩn bằng 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 cao thì 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 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ

SỬ DỤNG VMTT&VMS

2 Xác định sơ đồ khối cảu hệ thống

2.1.Ý tưởng thiết kế.

2.1.1.Yêu cầu của đề tài.

 Nhiệt độ cần đo: to C= 0o C đến (50+10*N)oC

 Chuẩn hóa đầu ra: 0-20mA

 Cảnh báo: Đưa tín hiệu bằng đèn nhấp nháy, còi khi nhiệt độ vượt quá giá trị cảnh báo: 40+ 10*N

 Hiển thị nhiệt độ đưa ra LED 7 thanh

N là số thứ tự sinh viên trong danh sách.

2.1.2.Sơ đồ khối của hệ thống thiết kế

Ngu nồn

Truyền tải đi xa

Giá trị đặt

Chuy n ển đổi đổi i U-I

ADCvà

Hi n thển đổi ị

C m bi nảm biến ếnvàKhu ch ến đại đo đi o

lườngng

So sánh Nh p nháyấp nháy

T o xungại đo

C nh báoảm biến

2.1.3.Nhiệm vụ của từng khối:

- Khối nguồn :cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động , tất cả thiết bị chỉ ở một trong ba nguồn +12v hoặc - 12v hoặc +5v

-Khối cảm biến và khuếch đại đo lường : cảm biến nhiệt độ biến nhiệt thành điện ở mức vài mV và được cho vào bộ khuếch đại để cho về điện áp chuẩn

-Khối chuyển đổi U-I : chuyển đổi từ điện áp sang dòng điện với mục đích truyền tải đi xa

-Khối ADC và hiển thị : chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và đưa ra màn hình để hiển thị kết quả đo

- Khối so sánh: so sánh với một điện áp đặt trước và đưa ra tín hiệu dung để báo động khi quá nhiệt độ cho phép

- Khối nhấp nháy : thực hiện nhiệm vụ nhấp nháy với thời gian đặt trước khi nhiệt độ trong mức cho phép

- Cảnh báo : thực hiện chức năng báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho

-Khối tạo xung: tạo ra xung vuông cấp cho khối nhấp nháy

2.2.Các thông số của bài tập lớn

STT trong danh sách của em là 2

2.3.Tính toán, thiết kế khối cảm biến và khuếch đại

Điện áp giữa hai chân ra của cảm biến VOUT khi cấp nguồn +5V:

Khi cấp vào khối hiển thị thì điện thế trên mỗi chân ra là khác nhau nhưng điện áp giữa 2 chân vẫn không thay đổi Ucb =10.t(mV)

→R2= −R1 U 0 Ucb chọn R1=10kΩ → R2= −10.(−5)

3,60 ≈13.889 kΩVậy thay R2 bằng điện trở 10kΩ nối tiếp với một biến trở 5kΩ

2.4.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

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

Ta có DISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF

Nối VREF+ với nguồn 5V vậy đầu vào VIN+ phải đưa về từ 5,000V đến 5,070V

Vậy với VIN+ thay đổi từ 3,000V đến 3,07V thì LED hiển thị từ 0000C tới

700C

2.6.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 2tmax/3=(2.160)/3=106,70C tín hiệu ra Uo=-3,33V lấy 3,33V là giá trị cần so sánh

Khi t¿106,70C 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 cóhiện tượng.

Khi t≥106,70C 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

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

Chu kỳ tạo xung: T=Tn+Tx=1,5+1,5=3s

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=1,5

→R8=R9=0,693.C 5 Tn = 1,5

0,693 C 5

Chọn C5 = 470μF→R8=R9= 2

0,693.470 10−6≈ 4,6 k Ω

Khi t¿106,70C 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 t≥106,70C 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

2.9 Khối chuấn hóa từ 0-10v

Ta có: Ucb U 1=(1+R 18

R 19)→ R 18=¿(Ucb U 1−1 ¿R 19 chọn R19=1kΩR18¿ ( 10

18,04 10 −3 −1).103=553,32kΩ

Vậy thay R18 bằng VR4 550kΩ.

Hình 3.9 khối chuẩn hóa từ 0-10v

2.10 Khối chuẩn hóa từ 4-20mA

Hình 3.10 khối chuẩn hóa từ 4-20mA

Ta có:U1 thay đổi từ 0→ 10V thì VIN+ thay đổi từ 2→ 10V đầu ra IL

thay đổi từ 4mA→20mA

2.11.Sơ đồ toàn mạch thiết kế

2.12.Tính toán và thiết kế mạch nguồn

Trong thiết kế có sử dụng các nguồn ± 5V, ± 12V và nguồn cấp được sử dụng từ mạng lưới điện xoay chiều 220V/50Hz ta có mạch nguồn như sau:

2.13 Kết luận

Quá trình đo lường dùng cảm biến nhiệt độ với mạch khá đơn giản và còn nhiều bất cập, mạch còn khá đơn giản để cơ cấu đo chính xác ta nên kết

hợp với vi mạch số, vi xử lý và vi điều khiển để có thể hiển thì trực quan bằng số dễ đọc và quá trình điều khiển cảnh báo có thể dễ dàng hơn ứng dụng cùng với vi mạch số và vi mạch điều khiển ta có thể dùng cảm biến nhiệt độ ứng dụng vào các mạch như mạch báo cháy tự động, mạch đo nhiệt độ lò nung, điều khiển điều hòa không khí, hay trong các lò ấp trứng, nhà bảo quản lạnh ….

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 bộmôn đã giúp đỡ em trong quá trình làm bài tập lớn !!!