Báo cáo thực hành Vi mạch tương tự và vi mạch số

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 Số : 3 Họ và tên HSSV : Trương Văn Vỹ Nhóm : 3 Lớp : Điện 5 Khoá : 13 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. Yêu cầu: Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0 ÷ (50 + 74)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. Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷2tmax3=83. Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: =(1+0,54) giây. Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t0C= 2tmax3 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. 74

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

-BÁO CÁO BÀI TẬP

VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ

Giáo viên hướng dẫn: Bùi Thị Khánh Hòa

Sinh viên thực hiện: Trương Văn Vỹ

Lớp: Điện 5 – K13

Mã sinh viên: 2018605539

HÀ NỘI – 2020

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

Số : 3

Họ và tên HS-SV : Trương Văn Vỹ Nhóm : 3 Lớp : Điện

5

Khoá : 13 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

Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0 ÷ (50 + 74)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

- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷2*tmax/3=83 Thiết

kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: =(1+0,5*4) 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 74

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 : Ngày hoàn thành: 11-06-2020

GIỚI THIỆU

Ngày nay trong các lĩnh vực của đời sống việc đo và kiểm soát nhiệt độ của bất kì một quá trình, một thiết bị sản xuất nào đó nằm trong một giới hạn cho phép làm việc của chúng là một điều rất cần thiết, tránh gây ra hư hỏng thiết bị, thiệt hại về kinh tế…

Ngày nay với sự phát triển của khoa học của công nghệ các thiết bị đo nhiệt độ càn ngày càng hiện đại, việc đo nhiệt đọ trở lên dễ dàng và chín xác ơn rất nhiều.

Trong bài tập lớn này với trình độ của một người sinh viên năm 3 chúng em xin thiết kế một thiết bị đo và kiểm soát nhiệt độ sủ dụng IC cảm biến nhiệt độ………….

Chương 1: Tổng quan về mạch đo

Mạch đo sử dụng các khối chức năng chính như sau:

 Khối cảm biến nhiệt độ

 Khối khuếc đại điện áp

 Khối so sánh

 Khối hiển thị

 Khối chuyển đổi U/I, I/U

 Khối cảnh báo( còi, đèn…)

 Khối đếm giây

Chức năng chính các khối

Khối cảm biến : khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ thông dụng hiện nay mà ta thường dùng : * cặp nhiệt ngẫu

* nhiệt điện trở kim loại

* IC cảm biến nhiệt độ

 Khối khuếch đại : 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 các mạch điện khác Ta sử dụng bộ khuếch đại thuật toán µA 741

 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 nhiệt độ Sử dụng bộ khuếch đại thuật toán µA 741

 Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang tín hiệu điện áp để hiển thị ra Sử dụng bộ khuếch đại thuật toán µA 741

 khối cánh báo : cảnh báo cho người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so với nhiệt độ cho phép Sử dụng đèn hoặc còi cảnh báo

Đó là các khối cơ bản dùng trong mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng IC cảm biến nhiệt độ

Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính

1, IC cảm biến nhiệt độ

IC cảm biến nhiệt độ có rất nhiều loại, gồm nhiều họ khác nhau

 LM35/LM45 ngõ ra là tín hiệu điện áp(10m/0C)

o LM35 dải đo từ -550c =>1500c, sai số 10C

o LM45 dải đo từ -200c =>1000c, sai số 30C

 Ngõ ra dòng điện

o Dòng điện ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối

o Độ nhạy được điều chỉnh bằng điện trơ ngoài

o Chỉ cần cấp nguồn khoảng 1,2V là IC hoạt động được

 Ngõ ra so sánh LM56, LM26, LM27

o Ngõ ra tương tự

o Ngõ ra so sánh

2, Khuếch đại thuật toán µA741

Bộ khuếch đại này dùng nhiều trong kỹ thuật điện trở có các dụng khuếch đại 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 và dùng trong bộ so sánh để đưa ra khối cảnh báo cho mạch đo

3, Còi và đèn cảnh báo

Ta có thể sử dụng các loại chuông và đèn cảnh báo có sẵn trên thị trường

4, Các thiết bị khác

Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo

3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến

Với yêu cầu dải đo từ 00C tới 1240C ta chọn IC cảm biến LM35 có dải đo từ

-550c =>1500c tương đối gần với dải đo yêu cầu, và sai số tương đối nhỏ , sai số

10C

- LM35 là một cảm biến nhiệt độ analog

Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35

Hình Lm35

nhiệt độ theo thang độ Celsius

chỉnh 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 10mV/oC

+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C

+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C - 150 C 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

3.2 Tính toán, thiết kế mạch đo

Mạch đo gồm các khối cơ bản sau

 Khối nguồn

 Khối khuếch đại điện áp

 Khối tạo xung nhấp nháy cho led

 Khối cảnh báo

3.2.1 Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp

Nguồn cung cấp cho các linh kiện sử dụng trong bài là nguồn 5v, chính vì vậy ta sẽ sử dụng nguồn 12v cho qua IC ổn áp LM7812 cùng với các tụ lọc ta sẽ thu được điện áp đầu ra là 5v

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

a) Chuẩn hóa đầu ra với điện áp ra từ 0=>10v

Mạch khuếch đại vi sai

Nếu R1=R2; Rf = Rg thì khi đó Vout = K(V2-V1)

Trong đó K= Rf/R1

Ở dải đo từ 00C tới 1240C điện áp ngả ra của IC LM35 nằm trong khoảng

từ 0V tới 1.24V

Với chuẩn đầu ra từ 0 => 10V ta có:

Vout max=10v =K(1.24-0)

 K=81, chọn R1 = R2 =10k => Rf = Rg = 81k

b) Chuẩn hóa với đầu ra U= -5v

- Nếu ta cho tín hiệu vào đầu vào đảo (cực âm) và đầu vào không đảo (cực dương) đem chập xuống mass ta sẽ được một mạch khuếch đại đảo

- Hệ số khuếch đại có thể điều

chỉnh được bằng cách điều chỉnh giá trị

các điện trở R2 và R1, hệ số khuếch đại bằng tỷ số giữa hai điện trở

này

K = -R2 / R1 trong đó K là hệ số khuếch đại của mạc

Khi đó điện áp ngã ra của mạch được tính theo công thức:

V out = K.V in

Với điện áp đầu ra của ICLM35 là 0=>1.24V và điện áp ngả ra của OPAMP là 0=>-5V ta có

-5=-K.1.24 =>K=-4.033

=> chọn R1= 10k => R2= 40.33k

Chọn R3 = 8k

Ta có sơ đồ mạch như sau:

c) Mạch chuẩn hóa đầu ra 0-20mV

I t = U vào /R 11

Với yêu cầu đầu ra từ 0-20mV ta có :

20* 10-3=1.24V/R11 => R11=62 (Ω)Ω))

Chọn R10=10k, R9=10k;

d) Chuẩn hóa đầu ra I= 4 ÷ 20 mA

Để tín hiệu ra được chuẩn hóa ta dùng sơ đồ biến đổi U-I với 2 khuếch đại thuật toán

Ta có : Khi U vào biến thiên từ 0 ÷ 1,21 V thì I ra biến thiên từ 4 ÷ 20 mA Lại có:

R23 R19 = R18.R20

Ira = (U v−U1). R20

R10.

1

R50

Chọn R23 = 10k Ω, R18= 20k Ω, R20= 100k Ω , R19 = 200k Ω

U1 = - 0,28 V , R50 = 151,25Ω

3.2.3Tính toán mạch nhấp nháy cho LED

a) khối tạo xung đối xứng 6s (Ω)3s ở mức cao và 3s ở mức thấp)

Sử dụng IC555 kết hợp với điện trở, tụ điện tạo xung.

Với chu kì xung được tính theo công thức T= T n + T x

Trong đó T n = 0.69*(Ω)R 8 +R 9 )*C

T x =0.69*(Ω)R 8 +R 9 )*C

Để có xung đối xứng ta chon R8 sao cho điện trở của R8 so với R9 là không đáng kể, ta chọn R8=100; R9=100k

Khi đó chu kì xung được tính theo công thức T x =2*0.69*R 9 *C

Với yêu cầu sáng trong 3s và tắt trong 3s nghĩa là 3s ở mức cao và 3s ở mức thấp nên chu kì xung là 6s, từ công thức trên ta tính được C=43,45uF

Đầu ra của IC555 được đưa vào một chân của cổng AND, chân còn lại được nối với đầu ra của mạch so sánh

b) Mạch so sánh

Đầu ra của mạch khuếch đại vi sai (0-10V) được đưa vào đầu vào đảo của

OPAMP741, đầu còn lại được đặt ở mức điện áp 6.77V do đèn chỉ nhấp nháy trong khoảng nhiệt độ từ 0-124*2/30C = 0 - 830C

Và tại nhiệt độ 830C này mức điện áp đầu ra của mạch khuếch đại vi sai tương ứng là 6.74V

 Nếu nhiệt độ nhỏ hơn hoặc bằng 830C thì đầu ra của khối khuếch đại vi sai nhỏ hơn hoặc bằng 6.74V

Khi đó UN<UP nên điện áp đẩu ra xấp xỉ bằng +Vcc (mức thấp)

 Nếu nhiệt độ lớn hơn 830C thì đầu ra của khối khuếch đại vi sai lớn hơn 6.74V khi đó UN>UP khi đó điện áp đầu ra xấp xỉ -Vcc (mức cao)

Đầu ra của IC555 được đưa vào một chân của cổng AND, chân còn lại được nối với đầu ra của mạch so sánh Ta có bảng chân lí của cổng AND như sau:X=A.B

Như vậy đầu ra của cổng and sẽ ở mức cao hay đèn sẽ sáng khi cả hai đầu vào đều ở mức cao

Khi đầu ra bộ so sánh ở mức cao thì đầu ra của cổng AND sẽ phụ thuộc vào trạng thái đầu ra của IC555

Do đó đèn sẽ nhấp nháy theo xung đầu ra của IC555

3.2.4 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo

Khi nhiệt độ vượt quá 770C thì đầu ra của khối khuếch đại vi sai lớn hơn 6.74V khi đó UN< UP khi đó điện áp đầu ra xấp xỉ -Vcc (mức thấp) khi đó đèn nhấp nháy sẽ tắt, đồng thời đưa tín hiệu ngả ra của mạch so sánh qua cổng NOT như vậy còi báo động sẽ tác động

3.2.5 Các cơ cấu chỉ thị của dụng cụ đo lường điện tử

Cơ cấu chỉ thị (CCCT) của các đồng hồ đo lường các đại lượng điện được chia thành hai nhóm chính:

 Nhóm chỉ thị bằng kim (hay còn gọi CCCT cơ điện) gồm có CCCT từ điện, điện từ và điện động

 Nhóm chỉ thị số

a CCCT từ điện

Cơ cấu chỉ thị (CCCT) từ điện được cấu tạo gồm hai thành phần cơ bản như hình vẽ dưới đây:

 Phần tĩnh: là một nam châm vĩnh cửu (hình móng ngựa), lõi sắt, cực từ

(bằng sắt non) Giữa cực từ và lõi sắt có khe hở không khí rất nhỏ

 Phần động: Khung dây được quấn bằng dây đồng Khung dây gắn trên

trục, quay trong khe hở không khí

Hình 2: Cơ cấu chỉ thị từ điện

b CCCT điện từ

Dưới đây là sơ đồ cấu tạo CCCT điện từ (Hình 1.9) (bên trái là hình chiếu bằng) Cơ cấu chỉ thị (CCCT) điện động được cấu tạo gồm hai phần như hình vẽ dưới đây:

· Phần tĩnh: Dòng điện cần đo được đưa vào cuộn dây quấn quanh lá thép cố định (gọi là lá thép tĩnh), bên trong có khe hở không khí

Phần động: Lá thép có khả năng di chuyển tương đối (gọi là lá động) với lá tĩnh trong khe hở không khí Lá động gắn với trục trên có gắn kim và lò xo phản kháng

Hình 3: Cơ cấu chỉ thị điện từ

c CCCT điện động

Dưới đây là sơ đồ cấu tạo của cơ cấu chỉ thị điện động

Hình 4: Cơ cấu chỉ thị điện động

 Phần tĩnh là cuộn dây được chia thành hai phần nối tiếp nhau tạo ra từ trường đều khi có dòng chạy qua nó

 Phần động:khung dây được quấn bằng dây đồng Khung dây gắn trên trục quay

3.3 toàn bộ mạch

3.4 Kết luận và hướng phát triển

và còn nhiều bất cập, mạch còn khá đơn giản để cơ cấu đo chính xác ta

Hướng phát triển: để nâng cao độ chính xác cũng như tự động hóa các khâu 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 …