Máy sưởi ấm ứng dụng mạch tự đóng ngắt theo nhiệt độ môi trường

Máy sưởi ấm ứng dụng mạch tự đóng ngắt theo nhiệt độ môi trường. Máy được thiết kế với 3 bộ phận chính là khối tạo và tỏa nhiệt ra môi trường, khối cảm biến nhiệt độ , khối điều khiển mạch đóng ngắt theo nhiệt độ môi trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án môn học, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành ……., người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện giúp chúng em hoàn thành đồ án này.Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy

cô giáo trong khoa Điên – Điện tử đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn học giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng để hoàn thành đồ án này

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và tập thể lớp đã luôn giúp đỡ, động viên chúng em trong suốt quá trình hoàn thành đồ án môn học

Trong quá trình thực hiện đồ án này không tránh khỏi những sai sót, hạn chế Chúng

em rất mong nhận được ý kiến góp ý đánh giá của thầy cô và các bạn

NHẬN XÉT CỦA GVHD

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Ký tên

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: 1

GIỚI THIỆU YÊU CẦU-GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1

1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

1.4 THÔNG SỐ GIỚI HẠN 2

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

CHƯƠNG II: 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG 3

2.2 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 3

2.2.1 DÂY ĐO NHIỆT ĐỘ ĐIỆN TRỞ NHIỆT NTC 10K. 3

2.2.2 IC OPAMP OP07DP 5

2.2.3 IC 74HC112N (FLIPFLOP JK) 7

2.2.4.TRANSISTOR NPN C1815 8

2.2.5 IC 74LS08 (CỔNG AND) 11

2.2.6.DIODE CHỈNH LƯU 1N4007 13

2.2.7 RELAY 14

2.2.8.SENSOR HÀN 60W 16

CHƯƠNG III: 17

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI 17

3.1 GIỚI THIỆU 17

3.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI 17

3.2.1.GIẢI THÍCH CHỨC NĂNG CÁC KHỐI 17

3.3.THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH 18

3.3.1.GIẢI THÍCH NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 18

3.3.2.TÍNH TOÁN LỰA CHỌN LINH KIỆN 20

CHƯƠNG IV: 21

THI CÔNG MẠCH 21

4.1 CHUẨN BỊ LINH KIỆN 21

4.2 VẼ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 22

4.3 VẼ PCB 23

4.4 GIA CÔNG LẮP RÁP VÀ KIỂM TRA MẠCH 24

CHƯƠNG V: 24

KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 24

5.1 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 24

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 24

KẾT LUẬN 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG

Hình Trang Hình 2.1 Dây đo nhiệt độ điện trở nhiệt NTC 10k 3

Hình 2.2 IC OP07DP trong thực tế 5

Hình 2.3 Sơ đồ chân OP07 6

Hình 2.4 IC 74HC112N trong thực tế 7

Hình 2.5 Sơ đồ chân 74HC112N 8

Hình 2.6 Trạng thái hoạt động của FF JK 8

Hình 2.7 Transistor C1815 trong thực tế 9

Hình 2.8 Sơ đồ chân của C1815 9

Hình 2.9 Hoạt động của transistor NPN 10

Hình 2.10 IC 74LS08 trong thực tế 11

Hình 2.11 Sơ đồ chân của 74LS08 12

Hình 2.12 diode 1N4007 trong thực tế 13

Hình 2.13 Sơ đồ chân của 1N4007 14

Hình 2.14 Relay trong thực tế 15

Hình 2.15 Sơ đồ chân của relay 15

Hình 2.16 sensor hàn 60W 16

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 17

Hình 3.2 Sơ đồ mạch 18

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý 23

Hình 4.2 Sơ đồ mạch in 23

Hình 5.1 Mạch hoàn chỉnh 24

Bảng Trang Bảng 1 Trạng thái hoạt động của 74LS08 12

Bảng 2 Trạng thái so sánh của 2 opamp 19

Bảng 3 Gía trị nhiệt độ ứng với từng trở kháng 20

Bảng 4 Danh sách các linh kiện 21

CHƯƠNG I:

GIỚI THIỆU YÊU CẦU-GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Một nghiên cứu của Anh cho thấy việc làm cho da của bệnh nhân ấm lên trước khi phẫu thuật giúp giảm hơn 60% nguy cơ nhiễm trùng vết mổ Phương pháp này có thể được dùng để thay thế biện pháp sử dụng kháng sinh dự phòng trước mổ Nhiệt độ bình thường của cơ thể là 37 độ C, trong khi đó nhiệt độ của da lại thấp hơn khoảng 1,6 độ C Khi cơ thể gặp lạnh (như khi nằm trong phòng mổ hay bị gây mê), các mạch máu ở gần da sẽ co lại, dồn máu tới phần trung tâm của cơ thể Điều này gây bất lợi cho các bạch cầu trong việc tiêu diệt vi khuẩn.Vì vậy, làm tăng nhiệt độ của da lên thành 37 độ C trước khi phẫu thuật giúp cải thiện sự phân phối ôxy, cho phép hệ miễn dịch chiến đấu chống vi khuẩn tụ tập lại trên da

Ngoài ra, sau phẫu thuật người bệnh bị thấm ướt do nước rửa trong lúc mổ và dịch thoát ra trong phẫu thuật nên dễ bị thấm ướt và nhiễm lạnh, làm cho thân nhiệt bệnh nhân giảm mạnh gây khó chịu và làm tăng khả năng bị nhiễm khuẩn ở những vị trí mổ

Vì vậy việc làm ấm cơ thể sau phẫu thuật là rất cần thiết Hiện nay, trên thị trường đã

có nhiều thiết bị sưởi ấm cơ thể với nhiều chức năng và kích thước đa dạng

Qua những thực tế trên, nhóm em quyết định chọn đề tài “ Máy sưởi ấm ứng dụng mạch tự đóng ngắt theo nhiệt độ môi trường” Máy được thiết kế với 3 bộ phận chính

là khối tạo và tỏa nhiệt ra môi trường, khối cảm biến nhiệt độ , khối điều khiển mạch đóng ngắt theo nhiệt độ môi trường

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Đề tài sẽ thực hiện một máy sưởi ấm bệnh nhân ở mức nhiệt dao động trong khoảng

350C-380C Khi cấp nguồn nếu cảm biến đo được từ 350C trở xuống thiết bị sẽ hoạt động và led xanh sáng, từ 380C trở lên sẽ tự ngắt và led tắt cho tới khi nhiệt độ môi trường đo được từ 350C trở xuống thiết bị sẽ hoạt động trở lại Đề tài thực hiện bằng

phương pháp sử dụng các linh kiện điện tử để tạo khối tỏa nhiệt , mạch cảm biến và khuếch đại tín hiệu, mạch đóng ngắt theo nhiệt độ môi trường

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

 Đối tượng nghiên cứu:

 Hoạt động của dây đo nhiệt độ điện trở nhiệt NTC

 Thiết kế mạch đóng ngắt bằng các linh kiện điện tử

 Mạch không sử dụng vi điều khiển

 Phạm vi sưởi ấm chỉ giới hạn bán kính 3m quanh bệnh nhân

 Không có chế độ đặt trước một nhiệt độ cho máy

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu lý luận: thông qua việc đọc phân tích tài liệu cần thiết

phục vụ cho đề tài… thu thập những tài liệu liên quan và hệ thống hóa cơ sở lý luận, đưa ra những quan điểm nghiên cứu cụ thể, rõ ràng, thuyết phục

Phương pháp tiếp cận môi trường: qua những khảo sát trong thực tiễn, nghiên cứu

ứng dụng nhằm mang lại những lợi ích thiết thực, có tính ứng dụng cao và có khả năng phát triển mở rộng

CHƯƠNG II:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Máy sưởi ấm ứng dụng mạch tự đóng ngắt theo nhiệt độ môi trường sẽ cảm biến nhiệt độ thông qua dây đo nhiệt độ điện trở nhiệt NTC và từ nhiệt độ cảm biến được sẽ

cho qua mạch so sánh 2 ngưỡng nhiệt độ dưới dạng điện áp Khi cấp nguồn nếu cảm

biến đo được dưới 360C thiết bị sẽ hoạt động và led sáng, từ 380C trở lên sẽ tự ngắt và

led tắt cho tới khi nhiệt độ môi trường đo được dưới 360C thiết bị sẽ hoạt động trở lại

2.2 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

2.2.1 DÂY ĐO NHIỆT ĐỘ ĐIỆN TRỞ NHIỆT NTC 10K

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng cảm nhận sự biến đổi của các đại lượng vật lý không có

tính chất điện (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…) cần đo thành các đại lượng (thường mang

tính chất điện) có thể đo và xử lý được

Hình 2.1 Dây đo nhiệt độ điện trở nhiệt NTC 10k

Thông số kỹ thuật:

 Cảm biến nhiệt độ từ môi trường thông qua dây đo nhiệt độ điện trở nhiệt NTC

10k NTC là loại điện trở mà trở kháng của nó thay đổi theo nhiệt độ

 Cảm biến nhiệt độ NTC (10K 1% độ chính xác nhiệt độ cao)

 Mặc định : 10K ở 25 Độ C

 Dải đo: -20 độ C > 105 Độ C

 Kích thước dây: 110MM

 Chiều dài đầu sắt: 26MM

 Đường kính đầu cảm biến: 5MM

Đặc điểm :

- điện trở nhiệt hoạt động để cản trở dòng điện Nếu vật dẫn điện tốt thì điện trở sẽ nhỏ

và ngược lại, vật dẫn điện kém thì điện trở sẽ lớn Đặc biệt, nếu vật cách điện thì điện trở sẽ vô cùng lớn Điện trở nhiệt NTC hay thermistor nói chung sẽ cản trở dòng điện của một vật dẫn điện và sau đó chuyển từ điện năng sang nhiệt năng

- Giả sử quan hệ giữa độ lớn của trở kháng và nhiệt độ tuyến tính với nhau, khi đó ta

có công thức:

ΔR=k.Δt Trong đó:

ΔR là lượng thay đổi của trở kháng

Δt là sự thay đổi của nhiệt độ

k là hệ số nhiệt của điện trở

Tính năng và ứng dụng:

- Được sử dụng trong điều hòa không khí gia đình, điều hòa không khí ô tô, tủ lạnh, máy nước nóng, máy rút nước, máy sưởi, máy rửa chén, tủ khử trùng, máy giặt, máy sấy

và các ứng dụng khác đo lường và kiểm soát nhiệt độ

- Sử dụng công nghệ mới do vậy có độ ổn định cao, hiệu quả cao và làm việc với thời gian dài

 Điên áp cung cấp: ± 12 V, ± 15 V, ± 5 V, ± 9 V

 Offset thấp : 10V

 Độ trôi offset thấp : 0,2V/C

 Độ ổn định đối với thời gian cao : 0,2V/tháng

 Ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu : 0,35Vp-p

- Ứng dụng: Dùng trong các mạch khếch đại, mạch làm toán, mạch so sánh

2.2.3 IC 74HC112N (FLIPFLOP JK)

FF là mạch có khả năng lật lại trạng thái ngõ ra tuỳ theo sự tác động thích hợp của ngõ vào, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc lưu trữ dữ liệu trong mạch và xuất dữ liệu ra khi cần

- J = 1, K = 1 là lệnh "flip" hay toggle

Hình 2.6 Trạng thái hoạt động của FF JK

2.2.4.TRANSISTOR NPN C1815

Transistor hay tranzito là một loại linh kiện bán dẫn chủ động, thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hoặc một khóa điện tử Vì đáp ứng nhanh và chính xác nên các transistor được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự và số như khuếch đại, đóng ngắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, và tạo dao động Transistor được tạo thành từ hai chất bán dẫn điện Khi ghép một bán dẫn điện âm nằm giữa hai bán dẫn điện dương ta

được một PNP Transistor Khi ghép một bán dẫn điện dương nằm giữa hai bán dẫn điện âm

Đặc điểm:

C1815 la dòng transistor ngược NPN

Nguyên lý hoạt động:

Hình 2.9 Hoạt động của transistor NPN

- Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E Trong đó (+) là nguồn vào cực C, (-) là nguồn vào cực E

- Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E, trong đó cực (+) vào chân B và cực (-) vào chân E

- Khi công tắc mở, ta thấy rằng mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không

có dòng điện chạy qua, lúc này dòng IC = 0

- Khi công tắc đóng, mối P – N được phân cực thuận khi đó có dòng điện chạy từ nguồn (+) UBE qua công tắc tới R hạn dòng và qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB

- Ngay khi dòng IB xuất hiện, lập tức dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, khi đó dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB

Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB, khi đó có công thức

IC = β.IB Trong đó:

IC là là dòng chạy qua mối CE

IP là dòng chạy qua mối BE

β Là hệ số khuếch đại của transistor

Khi có điện UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại cực rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB Còn lại phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE tạo thành dòng ICE chạy qua transistor

Hình 2.10 IC 74LS08 trong thực tế

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp cung cấp: 4.75V ~ 5.25V

 Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 700C

 Dòng điện ra mức cao: IOH = -0.4mA

 Dòng điện ra mức thấp: IOL = 8Ma

Bảng 1 Trạng thái hoạt động của 74LS08

2.2.6.DIODE CHỈNH LƯU 1N4007

Diode là một linh kiện chỉ cho phép dòng điện chạy qua nó theo một chiều nhất định, chiều ngược lại thì dòng điện không thể đi qua

Diode được cấu tạo từ 2 lớp bán dẫn tiếp xúc với nhau Diode có 2 cực Anot và Katot

Nó chỉ cho dòng điện đi theo 1 chiều từ Anot sang Katot (Chính xác là khả năng cản trở dòng điện theo chiều AK là rất nhỏ, còn KA là rất lớn) Nó được dùng như van 1 chiều trong mạch điện

Hình 2.12 diode 1N4007 trong thực tế

Thông số kỹ thuật:

 Model: plastic, DO-41

 Điện áp làm việc: 50 – 1000V

 Dòng điện giới hạn: Imax= 1A

 Nhiệt độ hoạt động: -55oC ~ 150oC

Sơ đồ chân:

Hình 2.13 Sơ đồ chân của 1N4007

Đặc điểm:

Diode chỉnh lưu là một loại linh kiện điện tử chỉ có 2 cưc, có đặc tính là chỉ cho dòng điện chạy qua theo một chiều Nếu cho dòng điện đi theo chiều ngược lại thì nó không dẫn diện Diode được tạo nên bởi hai chất bán dẫn P và N ghép với nhau Hai chất này khi ghép với nhau tạo thành một tiếp giáp Nếu đặt vào nó một điện trường thuận ( dương vào Anot, âm vào Katot ) thì nó cho dòng qua, tạo nên đặc tính dẫn thuận Nếu đặt điện trường ngược lại thì tiếp giáp này không cho dòng qua, lúc đó chỉ có dòng rò rất nhỏ Như vậy, diode chỉ dẫn điện theo một chiều, người ta có thể gọi là van Ứng dụng của nó là để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành một chiều, dùng để tách sóng tín hiệu ra khỏi sóng mang ( trong phát thanh, )

2.2.7 RELAY

Rơle (relay) là một chuyển mạch hoạt động bằng điện Dòng điện chạy qua cuộn dây của rơle tạo ra một từ trường hút lõi sắt non làm thay đổi công tắc chuyển mạch Dòng điện qua cuộn dây có thể được bật hoặc tắt vì thế rơle có hai vị trí chuyển mạch qua lại Nó là một công tắc vì có 2 trạng thái ON và OFF Rơ le ở trạng thái ON hay OFF phụ thuộc vào có dòng điện chạy qua rơ le hay không

Hình 2.14 Relay trong thực tế

Thông số kỹ thuật:

 Điện áp điều khiển: 12V

 Dòng điện cực đại: 10A

- Chân 1 và chân 2 được nối vào cuộn hút, khi có điện vào cuộn hút sẽ hút tiếp điểm chuyển từ vị trí 4 xuống tiếp điểm 5

- Chân 3: đặt điện áp(nếu là loại Relay 12V thì đặt 12V DC vào đây)

- Chân 4, chân 5: tiếp điểm

Ứng dụng của rờ-le:

- Nhìn chung, công dụng của rờ-le là "dùng một năng lượng nhỏ để đóng cắt nguồn

năng lượng lớn hơn

- Rờ-le được dùng khá thông dụng trong các ứng dụng điều khiển động cơ và chiếu sáng

- Khi cần đóng ngắt nguồn năng lượng lớn, rờ-le thường được ghép nối tiếp Nghĩa là một rờ-le nhỏ điều khiển một rờ-le lớn hơn, và rơ-le lớn sẽ điều khiển nguồn công suất

2.2.8.SENSOR HÀN 60W

Sensor hàn hay còn gọi là ruột mỏ hàn là bộ phận dùng để tạo nhiệt độ trên các mỏ hàn nung trên thị trường Có nhiệt độ nóng đều, nóng ổn định và tốc độ nhanh Dễ dàng tháo lắp và thay thế

CHƯƠNG III:

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI

3.1 GIỚI THIỆU

Máy sưởi ấm ứng dụng mạch tự đóng ngắt theo nhiệt độ môi trường được thiết kế và thi

công với bốn bộ phận chính: Bộ phận cảm biến và khuếch đại tín hiệu, bộ phận điều

khiển thiết bị đóng ngắt, bộ phận tạo nhiệt và bộ phận cấp nguồn

3.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI

Từ các yêu cầu của đề tài, sơ đồ khối hệ thống được thiết kế như sau:

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống

3.2.1.GIẢI THÍCH CHỨC NĂNG CÁC KHỐI

Khối nguồn: + Cấp điện có điện áp 12V cho khối điều khiển đóng ngắt và

khối cảm biến nhiệt độ

+ Cấp điện có điện áp 220V cho sensor hàn để tạo nhiệt và quạt

tản nhiệt

Khối cảm biến: Cảm biến và khuếch đại tín hiệu nhiệt độ từ môi trường, gửi tín hiệu

đến khối điều khiển

Khối điều khiển: Thực hiện so sánh nhiệt độ môi trường với 2 mức nhiệt độ ngưỡng

và điều khiển đóng ngắt theo nhiệt độ, nếu cảm biến đo được dưới 360C thiết bị sẽ hoạt động và led sáng, từ 380C trở lên sẽ tự ngắt và led tắt cho tới khi nhiệt độ môi trường đo được dưới 360C thiết bị sẽ hoạt động trở lại

Khối tạo nhiệt: Tạo nhiệt bằng senser hàn và dùng quạt mini để tản nhiệt ra môi