Đang tải... (xem toàn văn)
Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ Giáo Viên Bộ Môn :TỐNG THỊ LÝ Sinh viên thực hiện :VŨ THỊ LAN ANH Mã sinh viên: 0941040611 Lớp: Điện 7K9 LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển trở thành một nước công nghiệp.Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năng xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọng đáng để chú ý.Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn đề đo và điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, các lò luyện gang, sắt, thép... Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương tự vi mạch số và các môn liên quan nhóm chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dung IC cảm biến nhiệt độ. Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của cô giáo hướng dẫn “ Tống Thị Lý ” đã giúp đỡ em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này. Nhưng do lượng kiến thức còn hạn chế nên trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót. Em mong được sự đóng góp của thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN MÔN VI MẠCH TƯƠNG TỰ Đề Tài: Dùng vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ Giáo Viên Bộ Môn: TỐNG THỊ LÝ Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THỊ THANH BÌNH Mã sinh viên: 0941040297 Lớp: ĐIỆN – K9 LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta đà phát triển trở thành nước công nghiệp Vì vấn đề điều khiển vận hành thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao xuất chất lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí vấn đề quan trọng đáng để ý.Trong thực tế có nhiều toán liên quan đến vấn đề đo điều khiển nhiệt độ.Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, lò luyện gang, sắt, thép Trong kì sau học môn vi mạch tương tự -vi mạch số môn liên quan nhóm chúng em giao đề tài: Thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dung IC cảm biến nhiệt độ Trong trình làm đề tài giúp đỡ tận tình cô giáo hướng dẫn “ Bùi Thị Khánh Hoà ” thầy cô môn “Đo lường điều khiển” số giúp đỡ em hoàn thành thời hạn đề tài Nhưng lượng kiến thức hạn chế nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót Em mong đóng góp thầy cô để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Mục lục Chương 1: Tổng quan mạch đo Chương 2: Giới thiệu thiết bị, linh kiện cần cho hệ thống Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo 3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến 3.2 Tính toán, thiết kế mạch nguồn cấp 3.3 Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa 3.4 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED 3.5 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo 3.6 Sơ đồ tổng thể mạch dùng phần mềm mô mạch 3.7 Bộ giải mã BCD Kết luận phương hướng phát triển Chương : Tổng 1 quan mạch đo Khái niệm nhiệt độ Khái niệm: Nhiệt độ đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động nguyên tử, phân tử hệ vật chất Tuỳ theo trạng thái vật chất (rắn, lỏng, khí) mà chuyển động có khác Ở trạng thái lỏng, phân tử dao động quanh vị trí cân vị trí cân dịch chuyển làm cho chất lỏng hình dạng định Còn trạng thái rắn, phần tử, nguyên tử dao động xung quanh vị trí cân Các dạng vận động phân tử, nguyên tử gọi chung chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên có trao đổi lượng không sinh công, trình trao đổi lượng nói gọi truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt tuân theo nguyên lý: Bảo toàn lượng: Nhiệt tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất Ở trạng thái rắn, truyền nhiệt xảy chủ yếu dẫn nhiệt xạ nhiệt Đối với chất lỏng khí dẫn nhiệt xạ nhiệt có truyền nhiệt đối lưu Đó tượng vận chuyển lượng nhiệt cách vận chuyển phần khối vật chất vùng khác hệ chênh lệch tỉ trọng 1 Thang đo nhiệt độ: Từ xa xưa người nhận thức tượng nhiệt đánh giá cường độ cách đo đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo thời kỳ Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng định nghĩa theo vùng, thời kỳ phát triển khoa học kỹ thuật xã hội Hiện có thang đo nhiệt độ là: Thang nhiệt độ tuyệt đối (K) Thang Celsius (C): Thang Farhrenheit: T (0F) = T (0K) – 459, 67 T (0C) = T (0K) – 273,15 Đây thang đo nhiệt độ dùng phổ biến nay.Trong thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) quy định mét đơn vị đo hệ đơn vị quốc tế (SI).Dựa thang đo đánh giá nhiệt độ 1.2 Đo nhiệt độ phương pháp tiếp xúc Phương pháp đo nhiệt độ công nghiệp thường nhiệt xúc Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo nhiệt kế nhiệt điện trở cặp nhiệt ngẫu cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt chuyển đổi với môi trường đo Đối với môi trường khí nước, chuyển đổi đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy Với vật rắn đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng truyền từ vật sang chuyển đổi gây tổn hao nhiệt, với vật dẫn nhiệt Do diện tích tiếp xúc vật đo nhiệt kế lớn tốt Khi đo nhiệt độ chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối 1.3 Đo nhiệt độ phương pháp không tiếp xúc: Đây phương pháp dựa định luật xạ vật đen tuyệt đối, tức vật hấp thụ lượng theo hướng với khả lớn Bức xạ nhiệt vật thể đặc trưng nghĩa số lượng xạ đơn vị thời gian với đơn vị diện tích vật xảy đơn vị độ dài sóng 1.4 Tổng quan phương pháp đo nhiệt độ 1.4.1: Sơ đồ khối Để thực phép đo đại lượng phụ thuộc vào đặc tính đại lượng cần đo, điều kiện đo, độ xác yêu cầu phép đo mà ta thực nhiều cách khác sở hệ thống đo lường khác sở hệ thống đo lường khác 1.4.2: Vai trò tác dụng khối: • Khối nguồn : làm nhiệm vụ đảm bảo nguồn cấp cho cảm biến +5V nguồn nuôi cảm biến • Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu cho mạch so sánh, khuếch đại, vào ADC • Mạch khuếch đại : khuếch đại chuẩn hóa điện áp, dòng điện theo yêu cầu toán • Chỉ thị: Ampmeter Volmeter hiển thị dòng áp vị trí cần đo trước sau chuẩn hóa • Mạch so sánh: so sánh điện áp đầu cảm biến với điện áp đặt, để đưa cảnh báo để LED nhấp nháy bình thường • Còi báo: báo động nhiệt độ vượt giá trị đặt • Mạch nhấp nháy: đèn LED nhấp nháy chế độ nhiệt độ bình thường, tắt vượt nhiệt theo yêu cầu toán • Hiển thị mã BCD Chương : Giới thiệu linh kiện thiết bị sử dụng hệ thống đo 2.1 Giới thiệu IC cảm biến nhiệt LM35 : Hình ảnh LM35 (Chân VCC, chân OUT, chân GND) Cảm biến LM 35 cảm biến nhiệt mạch tích hợp xác cao mà điện áp đầu tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng không yêu cầu cân chỉnh vốn chúng cân chỉnh Đặc điểm cảm biến LM35: + Điện áp đầu vào từ 0V đến 10V + Độ xác cao 25℃ 0.5℃ + Trở kháng đầu thấp 0.1 cho 1mA tải Dải nhiệt độ đo LM35 từ 0℃ - 150℃ với mức điện áp khác Xét số mức điện áp sau Tùy theo cách mắc LM35 để ta đo giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ thống đo từ 0℃ đến +103℃ LM35 có chân: chân cấp nguồn chân xuất điện áp tùy theo nhiệt độ Nhiệt độ tăng 1C điện áp xuất chân out LM35 tăng 10mV 2.2: Giới thiệu IC 7805 ( IC ổn áp 5V) Với mạch điện không đòi hỏi độ ổn định điện áp cao, sử dụng IC ổn áp thường người thiết kế sử dụng mạch điện đơn giản Các loại ổn áp thường sử dụng IC 78xx,với xx điện áp cần ổn áp Ví dụ 7805 ổn áp 5V, 7912 ổn áp -12V Việc dùng loại IC ổn áp 78xx tương tự LM7805 ( kiểu chân TO220: 1-IN, 2-GND, 3-OUT) Ngõ OUT ổn định +5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi Mạch dùng để bảo vệ linh kiện hoạt động điện áp +5V (các loại IC, vi điều khiển thường hoạt động điện áp này) Mạch lấy nguồn chiều từ nguồn với điện áp 5V nhỏ KĐTT dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hay công suất ,để thiết kế mạch điện tử chức Một KĐTT ký hiệu sơ đồ 1.1.2 Hình 1.1.2 Ký hiệu chân KĐTT : Ngõ vào âm : Ngõ vào dương +Ecc: Ngõ cấp điện áp dương -Ecc: Ngõ cấp điện áp âm : Tín hiệu cửa KĐTT lý tưởng có trở kháng vào vô lớn (∞), trở kháng (Z O =0) hệ số khuếch đại vòng hở vô lớn (KO =∞) điện áp cửa 0V, điện áp ngõ vi sai (UO=0V, ) Trong thực tế kỹ thuật KĐTT lý tưởng Để đánh giá KĐTT thực so với KĐTT lý tưởng ta vào thông số mạch tích hợp KĐTT thực với thông số ly tưởng Nhưng thiết kế mạch điện tử đơn giản ta coi IC KĐTT thực sử dụng KĐTT lý tưởng Mạch điên tương đương KĐTT lý tưởng Trong đó, trở kháng vào KĐTT, trở kháng KĐTT, điện áp vào đến vào đảo, điện áp vào đến cảu vào không đảo, điện áp vào vi sai Từ sơ đồ, ta có biểu thức cho điên áp ra: Trong , điện áp vi sai cửa vào: 2.4.3.Các mạch khuếch đại dùng KĐTT Mạch khuếch đại đảo : điện áp vào cần khuếch đại : điện trở mạch phản hồi âm : điện trở mạch vào : điện trở nói đất với vào không đảo Tại nút N ta có:=0 Vậy Mặt khác, dòng điện chảy qua 0, nên điện áp nút N 0, hay =0.Vậy ta có kết quả: Hệ số khuếch đại điện áp mạch : Vậy biểu thức tín hiệu ra: Mạch khuếch đại không đảo Mạch khuếch đại không đảo Mạch lặp lại điện áp Vì điện trở vào KĐTT ô lớn, nên dòng điện chảy qua 0.Từ ta có: Trong ta có: = Vậy hệ số khuếch đại điện áp mạch khuếch đại không đảo : sau: == Vậy tín hiệu xác định biểu thức: viết Chương : Tính toán, thiết kế mạch đo Dải đo từ t*C= 0*C – tmax = 0*C – (50+10*3)*C - Chuẩn hóa đầu với mức điện áp U = ÷ 10V I = ÷ 20mA Dùng cấu đo để thị Khi nhiệt độ giới hạn bình thường t*c = – 2.tmax/3 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng tối nhau: t= (1+0,5.4)=3(s) - Đưa tín hiệu cảnh báo còi nhiệt độ vượt giá trị: t= 40+10*3=70 - Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân Xây dựng hiển thị số BCD 3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến Cảm biến lựa chọn IC LM35 Việc đo nhiệt độ sử dụng LM35 thông thường sử dụng cách : LM35 - > ADC - > Vi điều khiển Dùng ADC 10 bit Giá trị ADC từ [-1024 đến 1024] nên ta lấy giá trị dương giá trị ADC đến 2048 LM 35 có nhiệt độ tối đa 150 Mà yêu cầu nằm khoảng t= (0 -127) Cứ 10mV tương ứng với nên : + Tại giá trị đầu LM35 điện áp 0V Mà với LM35 nhiệt độ Max 150˚C điện áp đầu 1,5V +Theo 103 giá trị đầu LM35 : 80*0,01=0,8V Ta thấy giá trị đầu nhỏ so với giá trị max 10VĐiện áp tương ứng 0,8V mà LM35 thay đổi 10mV 3.2 Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp Vì hầu hết nguồn sử dụng mạch nguồn chiều mà thực tế nguồn lại nguồn xoay chiều với điện áp 220V => Biến đổi dòng xoay chiều sang chiều Tính chọn máy biến áp: Ở có hai nguồn đó: +5V, +12V/-12V, cần sử dụng máy biến áp có nhiều cấp điện áp để lấy hai cấp điện áp dùng Hoặc ta hạ xuống 12V dùng biến trở để chỉnh xuống 5V tiêu tốn lượng lượng nên dùng chỉnh lưu điện áp Một phương pháp khác ta dùng khối ổn áp chiều để có đầu thay đổi Phương án thiết kế : Dùng IC ổn áp chiều + Biến áp : Do yêu cầu đặt nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào 220V điện áp 12V + Mạch chỉnh lưu : ưu điểm mạch chỉnh lưu cầu điện áp nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ so với phương pháp cân nên ta chọn chỉnh lưu cầu pha nửa chu kỳ + Bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san điện áp để dòng điện phẳng hơn, lọc tụ điện đơn giản chất lượng học cao Nên ta dùng tụ điện + Khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp +5V, +12V/-12V Ta dùng IC7812/IC7912 7805 + Sơ đồ khối mạch nguồn: Hình 18: Sơ đồ khối mạch nguồn Dùng IC ổn áp 7805 cấp nguồn vào ổn định 5V cho IC LM35 3.3 Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa 3.3.1 : Chuẩn hóa đầu với mức điện áp U= 10V Dùng khuếch đại không đảo Với mạch khuếch đại không đảo ta có công thức: - Tín hiệu xác định biểu thức: U0 = (1+RF/R1)UI (*) Với có: UI = – 0.8V Chuẩn hoá áp ra: U0 = – 10V Ta có: 10 = (1+RF/R1)0.8 RF/R1=12.5 RF(R7)=11.5 kohm, R1(R8)=1kohm Chọn R4 = 10k 3.3.4 Chuẩn hóa đầu có dòng 4mA Dùng mạch biến đổi U-I với khuếch đại thuật toán Điều kiện mạch là: R2.R5=R1.R6 Biểu thức dòng điện ra: IL=(UI2-UI1).R1/(R2.R3) - Khi IL=4(mA) => UI2=0V - Khi IL=20(mA) => UI2=0.8V Ta có hệ: 4.10^-3 = - (UI1.R1)/(R2.R3) 20.10^-3 = (0.8 – UI1).R1/(R2.R3) => = (10- UI1)/(-UI1) => UI1= -2.5V R1/R2=R3/625 Chọn R1=R2=10k, R5=R6=1k => R3= 625ohm Chọn RL=2.2 ohm 3.4 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED Dùng mạch tạo xung vuông đối xứng với IC NE555 Theo yêu cầu toán thời gian sáng thời gian tối LED bằng: =(1+0,5.4)=3 (s ) Ta có R10=R11=10kΩ Từ công thức R11.C1.0,69= suy C1=435 uF 3.5 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo Dùng mạch so sánh khuếch đại thuật toán Theo ra: tín hiệu cảnh báo còi nhiệt độ vượt giá trị T=40+10*3 chọn mức cảnh báo nhiệt độ 70 suy điện áp so sánh +0,7V Xây dựng hiển thị số BCD a Sử dụng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân - ADC0804 chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Chip có điện áp nuôi +5V độ phân giải bit - Nguyên lý hoạt động chung mạch: Để ADC0804 làm việc chân CS phải đặt mức thấp Chân RD nhận tín hiệu vào tích cực mức thấp, đồng thời chân RW phải có xung cao xuống thấp để IC bắt đầu trình chuyển đổi Cụ thể mạch sử dụng IC555 để tạo xung vuông LED D1 tắt báo cho người dùng biết trình chuyển đổi hoàn tất RD mức thấp, tín hiệu số đưa PORT D (DB0-BD7) Quá trình lặp lặp lại điện áp chân VIN chuyển đổi sang mã nhị phân - Sơ đồ mô Proteus - Số nhị phân bit có giá trị lớn 255 Vì ta sử dụng LED đoạn để hiển thị kết tương ứng với số hàng đơn vị, hàng chục hàng trăm - Từ nhận xét chúng em chia thành khối mạch sau: khối hiển thị LED đoạn hàng đơn vị, khối mạch hiển thị hàng chục khối hiển thị hàng trăm - Cách chuyển đổi số nhị phân tự nhiên bit thành số BCD: + Đầu tiên ta chuyển số bit thành số BCD: hai số BCD có giá trị từ 010 đến 910 cộng lại cho kết từ 010 đến 1810 , để đọc kết dạng BCD ta phải hiệu chỉnh kết có từ mạch cộng nhị phân + Dưới kết tương đương loại mã: thập phân, nhị phân BCD - Nhận thấy: + Khi kết = 10 để có mã BCD ta phải cộng thêm cho mã nhị phân - Để giải vấn đề hiệu chỉnh trước tiên ta thực mạch phát kết trung gian mạch cộng số nhị phân bit Mạch nhận kết trung gian phép cộng số nhị phân bit cho ngõ Y=1 kết qủa >= 10, ngược lại, Y=0 - Bảng thật: - Mạch cộng số BCD thực theo sơ đồ: Hình 28 Mạch cộng số nhị phân bit - Vận hành: + IC thứ cho kết trung gian phép cộng hai số nhị phân + IC thứ hai dùng hiệu chỉnh để có kết số BCD • Khi kết =10,IC nhận ỡ ngõ vào A số 0110 (do Y=1) kết hiệu chỉnh nói - Như vậy, ta chuyển đổi số nhị phân bit thành số BCD - Tiếp theo ta đổi số bit, bit, bit bit thành số BCD • Ở bít thứ ( giá trị thập phân tương ứng 16 ) Vì vậy, ta cộng vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng vào khối hiển thị hàng chục • Ở bít thứ ( giá trị thập phân tương ứng 32 ) Vì vậy, ta cộng vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng vào khối hiển thị hàng chục • Ở bít thứ ( giá trị thập phân tương ứng 64 ) Vì vậy, ta cộng vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng vào khối hiển thị hàng chục Lúc xuất bit tràn hàng chục nên ta đưa vào khối hiển thị hàng trăm • Ở bít thứ ( giá trị thập phân tương ứng 128 ) Vì vậy, ta cộng vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng vào khối hiển thị hàng chục (nếu có bit tràn cộng vào khối hiển thị hàng trăm) cộng vào khối hiển thị hàng trăm - Tiếp theo phần hiển thị kết quả: ta sử dụng IC 7447 để giải mã LED đoạn - Sơ đồ mô Proteus KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong thời gian làm đề tài em biết thêm nhiều kiến thức thực tế ứng dụng kiến thức học Qua chúng em luyện tập khả tư duy, cách thức nghiên cứu, giải vấn đề thực tế Mạch đo nhiệt độ ứng dụng drộng rãi thực tế đo nhiệt độ phòng, đo nhiệt độ để cảnh báo cháy…Mạch đo nhiệt độ thành phần quan trọng số mạch chức khác hệ thống đo điều chỉnh nhiệt độ lò cao, phân ngắt nhiệt, cung cấp nhiệt lò sưởi… Những việc làm được: Nghiên cứu phương pháp đo nhiệt độ Thiết kế nguồn cung cấp Chọn linh kiện thiết kế cho hệ thống Sơ đồ khối chức sơ đồ mạch đo Những việc chưa làm được: Chưa chỉnh sai số mạch khuếch đại Mạch chưa tối ưu, sử dụng số thiết bị điện tử Hi vọng mạch nhiều ứng dụng rộng tương lai ... 273,15 Đây thang đo nhiệt độ dùng phổ biến nay.Trong thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) quy định mét đơn vị đo hệ đơn vị quốc tế (SI).Dựa thang đo đánh giá nhiệt độ 1.2 Đo nhiệt độ phương pháp tiếp... tổn hao nhiệt, với vật dẫn nhiệt Do diện tích tiếp xúc vật đo nhiệt kế lớn tốt Khi đo nhiệt độ chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo thường dùng nhiệt kế nhiệt điện... phương pháp tiếp xúc Phương pháp đo nhiệt độ công nghiệp thường nhiệt xúc Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo nhiệt kế nhiệt điện trở cặp nhiệt ngẫu cách lắp ghép chúng