Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 71 lớn nhất của U1A(TL082), trên cơ sở đó chọn = KR 10 7 . R 8 có tác dụng hạn dòng cho U1A(TL082) chọn = KR 10 8 , chọn = KR 10 5 . Diode D 3 cho xung dơng qua, chọn Diode D 3 (loại 1N4001) có U D3 = 50V và I đm = 1A. 3.3.2. Bộ cảm biến Để có thể đo nhiệt độ đợc chính xác, tất nhiên rất cần có một đầu dò (hay còn gọi là đầu cảm nhận) thích hợp. Đầu dò là một cảm biến nhiệt độ nó có nhiệm vụ là chuyển tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp hay dòng điện. có rất nhiều loại cảm biến nh giới thiệu ở chơng 2. Nhng qua việc nghiên cứu lý thuyết và thực tế cùng với việc tham khảo thị trờng để ứng dụng vào mạch thực tế tôi đi đến chọn phơng pháp đo dùng IC cảm biến nhiệt độ, các cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, dễ tìm và giá thành rẻ. Một trong số đó là loại vi mạch LM335, nó là loại thông dụng trên thị trờng hiện nay, đồng thời nó có những đặc tính làm việc phù hợp với thiết kế chi tiết của mạch. Một số tính chất cơ bản của LM335: - Cảm biến nhiệt độ LM335 có độ biến thiên điện áp theo nhiệt độ là: 10mV/ 0 C. - Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ nhạy. ở nhiệt độ 25 0 C nó có sai số không quá 1%. Khi đo trong khoảng nhiệt độ từ -40 ữ 100 0 C, tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào. - Một số thông số kỹ thuật của LM335: tiêu tán công suất thấp, dòng điện làm việc từ 400 5 A mA ữ , dòng điện ngợc 15mA, dòng điện thuận 10mA. Độ chính xác khi làm việc ở nhiệt độ 25 0 C với dòng làm việc 1mA thì điện áp ngõ ra từ 2,94 3,04VVữ . - Theo thông số của nhà sản xuất thì quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ngõ ra nh sau: 0 10 out UmVTK=ì (mV) 000 0,01 0,01 (273 ) 2,73 0,01 out UTK tC tC=ì=ì+=+ (V) Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 72 Nh vậy, độ biến thiên điện áp tơng ứng với dải nhiệt độ từ 0 0 C đến 100 0 C là 1V. Tính toán mạch cảm biến LM335: sơ đồ mạch nh hình 3.9 sau: Hình 3.9. Sơ đồ mạch cảm biến Với R15 có tác dụng phân áp cho cảm biến, C4 chống nhiễu cho LM335, VR1 là biến trở điều chỉnh tinh để Vout là 10mV/ 0 C Ta có dòng điện làm việc của cảm biến LM335 là: 15 400 5 R A ImA << 0 15 9 400 5 VV A mA R << , Với V 0 là điện áp ngõ ra của vi mạch LM335 ở nhiệt độ 25 0 C. 00 15 99 5 400 VV VV R mA A << mà 0 2,73 3,73VV V < < 15 1,054 15,675 K RK<< (1*) Mặt khác, theo nhà sản xuất ở nhiệt độ 25 0 C thì vi mạch LM335 có dòng I = 1mA và V 0 = 2,98V, suy ra ta có 15 92,98 400 5 VV A mA R << 15 1, 2 15, 05 K RK<< (2*) Từ (1*) và (2*) ta chọn 15 R =10K , còn biến trở điều chỉnh = KVR 10 1 , 4 100CnF= Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 73 3.3.3. Thiết kế mạch chuyển đổi và khuyếch đại Đây là mạch trung gian giữa bộ cảm biến với mạch hiển thị và mạch so sánh. Với mạch này thì đầu vào là cảm biến có điện áp là: U 1 = U out = 2,73 + 0,01 ì t 0 C Khoảng biến thiên điện áp trong dải nhiệt độ từ 0 0 C đến 100 0 C là 1V. Trong khi đó ta cần mức điện áp ra là từ 0V đến 9V để dùng cho mạch hiển thị số và mạch so sánh. Do đó để có điện áp thay đổi từ 0V đến 9V thì ta phải dùng một tín hiệu nữa để so sánh với tín hiệu cảm biến. Từ những phân tích trên ta có sơ đồ mạch hình 3.10 nh sau: Hình 3.10. Sơ đồ mạch chuyển đổi và khuếch đại Trong sơ đồ mạch có sử dụng mạch lặp lại điện áp mà điện áp ra luôn luôn lặp lại điện áp vào (U ra =U vào ). Tác dụng của bộ lặp lại điện áp là đa ra một điện trở vào lớn với dòng vào nhỏ và một điện trở ra rất thấp. Do đó nó chống đợc những tác động qua lại giữa cảm biến và phần tín hiệu đặt, tránh hiện tợng phản hồi làm cho thiết bị điều khiển không chính xác. R 15 có tác dụng phân áp cho cảm biến với nguồn cấp (9V). Điều chỉnh VR 1 sao cho điện Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 74 áp ra qua R 14 ngang bằng với điện áp do cảm biến sinh ra. Điều chỉnh VR 1 sao cho điện áp ra tơng ứng với điện áp ra cảm biến để khi nhiệt độ trong tủ 0 0 C thì tín hiệu điện áp ra U đ =0V. Khâu khuếch đại thuật toán U1C có tác dụng vừa khuếch đại vừa so sánh hai tín hiệu vào từ cảm biến và từ tín hiệu điều chỉnh VR 2 . Tụ điện C 4 có tác dụng bảo vệ quá áp và chống nhiễu cho cảm biến. Tính toán chọn linh kiện cho mạch: từ sơ đồ mạch ta có 14 1 13 14 R UU RR + = + và 2 11 10 0 d UU UU RR += => 10 11 2 11 10 10 11 d R R UUU RR RR = ì+ ì ++ Theo tính chất của bộ khuếch đại thuật toán thì U + = U - nên ta suy ra biểu thức sau: 10 14 11 12 13 14 11 10 10 11 d R RR UUU RR RR RR = ì+ ì ++ + (1**) Trong đó: U 1 là tín hiệu ra của cảm biến và U 1 = 2,73 + 0,01 ì t 0 (V) U 2 là tín hiệu điện áp vào ngõ đảo của bộ khuếch đại thuật toán và U 2 = 2,73V. U d là tín hiệu điện áp ngõ ra của bộ chuyển đổi khuếch đại và U d = kì(U 1 - U 2 ), với k là hệ số khuếch đại và 10 11 R k R = . Xét trờng hợp ở nhiệt độ t = 0 0 C thì U 1 = U 2 và U d = 0V khi đó từ (1**) ta có : 10 14 13 14 11 10 R R RR RR = ++ , để đơn giản ta chọn R 11 = R 13 và R 10 = R 14 . Mà ta có 10 12 11 () d R UUU R = chọn 10 11 9 R k R = = => 10 11 R=9R ì mặt khác, dòng điện làm việc của OA là 1 lv ImA = . Do đó dòng hồi tiếp là 1 ht ImA< 2 11 10 1 d ht UU ImA RR = < + 10 11 92,73 6,27 1 VV R RK mA +> = 11 11 10 6,27 0,627 R KR K> > Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 75 Chọn 11 13 2 R KR== => 10 14 18 R RK = = Chọn Diode zener (D Z ) (loại 1N4372A) có U Z = 3V, I Z = 20mA. Suy ra 12 R = 2,2K . VR2 là biến trở điều chỉnh sao cho điện áp ngang bằng với điện áp U 2 =2,73V, do đó chọn 2 VR = 10K 3.3.4. Mạch tạo tín hiệu chuẩn Đây là mạch tạo tín hiệu chuẩn (hay còn gọi là tín hiệu đặt) mạch này có nhiệm vụ là cho ra một tín hiệu cố định để so sánh với tín hiệu đo đợc từ cảm biến qua bộ so sánh đợc tín hiệu điều khiển. Sơ đồ mạch nh hình 3.11 sau: Hình 3.11. Sơ đồ mạch tạo tín hiệu chuẩn Khối tạo điện áp cố định có dùng IC ổn áp LM317, khối này có điện áp ra tính theo công thức sau: +ì= 20 4 1 125,1 R VR U Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 76 Nh vậy, điện áp ra U 1min = 1,25V, muốn cho U Cmin = 0V thì ta phải tạo một điện áp thích hợp để đáp ứng đợc điều đó chúng tôi tạo ra một mạch điện có nguồn cấp 9V cho qua một điện trở và một biến trở điều chỉnh VR 3 để cho ra U 2 . Thực tế để tạo ra một tín hiệu điện áp có thể chỉ cần dùng một con biến trở điều chỉnh là đợc nhng độ chính xác của nó không đảm bảo.Do đó trong mạch này chúng tôi có sử dụng một mạch khuếch đại thuật toán TL084(U1D) nhằm tạo tín hiệu điện áp ra thay đổi từ 09V ữ với hệ số khuếch đại 15 17 9 R k R ==. Theo kinh nghiệm ngời ta thờng chọn 17 19 10RR K = = , 15 17 990RRK=ì = nhng thực tế không có loại điện trở có giá trị này nên chọn 15 100 R K=, chọn 4 10VR K=, 20 240R =, tụ điện dùng để cải thiện điện áp vào và điện áp U 1 56 1, 0,01CFC F ==. Trờng hợp có nguồn điện vào ổn định rồi thì có thể bỏ C 6 . Chọn Diode Zener (D Z ) (loại 1N4372A) có thông số kỹ thuật là: U đm =3V, I đm =20mA, suy ra 18 2,2 R K=, = KVR 10 3 . 3.3.5. Mạch đo lờng hiển thị Sau khi nghiên cứu thực tế và lý thuyết em tiến hành tính toán thiết kế mạch đo lờng nhiệt độ và hiển thị theo sơ đồ khối sau: Hình 3.12. Sơ đồ khối của mạch đo nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn Để đáp ứng đợc yêu cầu của bài toán và thuận lợi trong thiết kế lắp ráp chúng tôi tiến hành chọn vi mạch ICL7107 (vì trong đó có sẵn bộ chuyển đổi AD và bộ giải mã) và bộ hiển thị LED 7 thanh hiển thị ánh sáng màu đỏ. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 77 3.3.5.1. Vi mạch ICL7107 Sơ đồ khối của vi mạch ICL 7107 nh hình 3.13: Vi mạch ICL 7107 là một mạch tích hợp chuyển đổi tín hiệu từ dạng tơng tự sang dạng số và kết hợp với bộ giải mã bên trong để đa tín hiệu hiển thị lên LED 7 thanh. Hình 3.13. Sơ đồ khối trong vi mạch ICL 7107 Đây là một vi mạch chuyển đổi A/D và giải mã hiển thị số đợc tích hợp bên trong một con IC nên nó làm việc rất ổn định và chính xác, với độ tin cậy tơng đối cao. Vi mạch có dải điện áp đầu vào biến đổi từ 0V đến 20V nhờ cầu phân áp có mức chuyển đổi tuyến tính toàn phần. Do đó việc chọn vi mạch ICL7107 để làm bộ chuyển đổi AD và hiển thị chỉ số đo nhiệt độ bằng LED 7 thanh là hoàn toàn phù hợp. Sơ đồ chân và chức năng từng chân của vi mạch ICL 7107 + Sơ đồ chân của vi mạch ICL 7107 nh hình 3.14: + chức năng từng chân của ICL 7107: vi mạch ICL 7107 là một linh kiện có 40 chân với chức năng của từng chân nh sau: Chân 1: đợc nối với dơng nguồn cung cấp +5V (U + CC ). Từ chân số 2 đến chân số 8 là các chân tín hiệu đa vào LED để hiển thị những con số hàng đơn vị. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 78 Từ chân số 9 đến chân 14 và chân 25 là các chân tín hiệu số để đa vào LED hiển thị những con số hàng chục. Từ chân số 15 đến chân số 18 và chân số 22 đến chân số 24 là các chân tín hiệu số để đa vào LED hiển thị các con số hàng trăm. Chân số 19: đa tín hiệu hiển thị số 1 hàng nghìn. Chân số 20: đa tín hiệu số vào LED hiển thị khi tín hiệu đo là âm. Chân số 21: là chân nối đất của tín hiệu số. hình 3.14. Sơ đồ cấu tạo của ICL 7107 Chân số 26: là chân nối với âm nguồn cung cấp -5V (U - CC ). Chân số 27: là chân lấy tín hiệu vào khâu tích phân. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 79 Chân số 28 kết hợp với chân số 27 tạo thành mạch tích phân (INTEGRATOR). Chân số 29 là chân đa tín hiệu vào mạch tự động trở về không (AUTO ZERO). Chân số 30: tín hiệu tơng tự có cực tính là âm đa vào mạch AD. Chân số 31: tín hiệu tơng tự có cực tính là dơng đa vào mạch AD. Chân số 32: tín hiệu nối đất (GND). Chân số 33: nối với tụ C 2 . Chân số 34: là chân hiệu chỉnh (REF) nối với chân 33 qua tụ C 2 . Chân số 35: là chân hiệu chỉnh (REF) mức thấp (LOW). Chân số 36: là chân hiệu chỉnh (REF) mức cao (HIGH). Chân số 37: không sử dụng. Chân số 38, 39, 40: là các chân tạo thành mạch tạo dao động. 3.3.5.2. Bộ hiển thị Với những u điểm nổi bật nh đã trình bày ở chơng 2 và cũng do điều kiện kinh tế do đó chúng tôi sử dụng đèn LED 7 thanh có anôt chung hiển thị chữ số mầu đỏ. 3.3.5.3. Sơ đồ nguyên lý của bộ đo lờng hiển thị dùng vi mạch ICL7107 Sơ đồ nguyên lý của bộ đo lờng và hiển thị dùng vi mạch ICL7107 nh hình 3.14. Hoạt động của sơ đồ nh sau: tín hiệu cần đo đợc đa vào chân 31, 30 là điện áp một chiều biến đổi từ 09V ữ , tín hiệu này đợc chuyển vào mạch điện tử của ICL7107, nó đợc lấy tích phân kết hợp với R 1 , C 1 ở chân 27, 28 trong khoảng thời gian nào đó chẳng hạn từ 1 0 t ữ , khi đó ta có: 1 1 0 11 t v tp A v U UUUdt t R C == Với 11 470 ; 0,22 R KC F == . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Trờng ĐHNNI-H Nội 80 Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý bộ hiển thị LED dùng vi mạch ICL7107 Sau khi lấy tích phân của tín hiệu vào U d thì U tp đợc đa vào bộ so sánh, tuỳ theo mức độ tín hiệu vào mà bộ so sánh sẽ cho tín hiệu so sánh vào . 77 3.3.5.1. Vi mạch ICL7107 Sơ đồ khối của vi mạch ICL 7107 nh hình 3.13: Vi mạch ICL 7107 là một mạch tích hợp chuyển đổi tín hiệu từ dạng tơng tự sang dạng số và kết hợp với bộ giải mã bên trong. năng từng chân của vi mạch ICL 7107 + Sơ đồ chân của vi mạch ICL 7107 nh hình 3.14: + chức năng từng chân của ICL 7107: vi mạch ICL 7107 là một linh kiện có 40 chân với chức năng của từng. đồ mạch chuyển đổi và khuếch đại Trong sơ đồ mạch có sử dụng mạch lặp lại điện áp mà điện áp ra luôn luôn lặp lại điện áp vào (U ra =U vào ). Tác dụng của bộ lặp lại điện áp là đa ra một điện