ĐỒ án môn học đề tài THIẾT kế, CHẾ tạo MẠCH CHỐNG rò rỉ nước TRONG hệ THỐNG cấp nước SINH HOẠT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH CHỐNG RÒ RỈ
NƯỚC TRONG HỆ THỐNG CẤP NƯỚC SINH HOẠT

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Phạm Thanh Tùng
SINH VIÊN THỰC HIỆN : - Phan Văn Anh - 11019464
- Nguyễn Vũ Hoàng Anh - 11019004
LỚP

: 110194


Mục Lục

CHƯƠNG 1 : Tổng quan về đề tài..............................................................................................................2
1.1

Mục tiêu đề tài............................................................................................................................2

1.2

Tính ứng dụng của đề tài...........................................................................................................2

1.3

Phương pháp nghiên cứu..........................................................................................................2

CHƯƠNG 2 : Cơ sở lý thuyết.....................................................................................................................3
2.1 Tổng quan thiết kế.............................................................................................................................3
2.2 Các linh kiện sử dụng trong mạch......................................................................................................3


IC ổn áp LM7805.........................................................................................................................3



Cầu diode....................................................................................................................................4



Cảm biến nước.............................................................................................................................4



IC LM358....................................................................................................................................5



Biến trở........................................................................................................................................7



Transistor C2383.........................................................................................................................8



Relay..........................................................................................................................................10



Một số linh kiện khác.................................................................................................................12

CHƯƠNG 3 : Thiết kế và thi công mạch...................................................................................................13
3.1 Sơ đồ khối........................................................................................................................................13
3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch......................................................................................................................15
3.3 Nguyên lý hoạt động của mạch........................................................................................................15


Tính tốn thơng số cho khối nguồn............................................................................................15



Tính tốn thơng số khối cảm biến & so sánh.............................................................................16



Tính tốn thơng số cho khối báo động.......................................................................................16

3.4 Sơ đồ mạch in..................................................................................................................................16
3.5 Mạch hoàn thiện..............................................................................................................................17
3.5 Kết luận...........................................................................................................................................17


Đồ án: Thiết kế hệ thống chống rò rỉ nước trong
hệ thống cấp nước sinh hoạt
CHƯƠNG 1: Tổng quan về đề tài
1.1

1.2

1.3

Mục tiêu đề tài
- Thiết kế mạch so sánh sử dụng op-amp để so sánh ngưỡng điện
áp và dùng khóa điện tử transistor để đóng cắt relay.
- Thực nghiệm kiến thức đã học ở trường và nâng cao kiến thức
bản thân.
- Mạch phát hiện rò rỉ nước giúp chúng ta phát hiện sớm nhất khi
hệ thống bị rò rỉ, mạch sẽ phát tín hiệu và cảnh báo âm thanh tới
người dùng.
Tính ứng dụng của đề tài
- Trong cuộc sống ngày càng cơng nghiệp hóa hiện nay. Việc
mang tính tự động là vô cùng cần thiết .Mạch cảm biến nước
giúp ta tự động nhận biết được và truyền tín hiệu đến cơ cấu
chấp hành. Ta có thể áp dụng vào đời sống như : Máy phơi quần
áo tự động , Cửa sổ trời tự động trên những ngôi nhà thông
minh hoặc ô tô, máy bơm tự động trong hệ thống nước... Tùy
vào từng mục đích khác nhau mà ta có thể ứng dụng rộng rãi
Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết đề tài
- Đọc một số tài liệu liên quan
- Thiết kế mạch
- Tham khảo ý kiến của thầy cô
- Thực nghiệm, kiểm chứng đối tượng
- Báo cáo đề tài

CHƯƠNG 2: Cơ sở lý thuyết
2.1 Tổng quan thiết kế
- Ta cần xây dựng thiết kế 3 khối chính trong mạch: khối nguồn,
khối cảm biến & so sánh, khối báo động.
- Khối nguồn sẽ sử dụng điện áp lưới thông dụng 220V.
- Khối so sánh giúp ta có thể tinh chỉnh độ nhạy theo ý muốn, phù
hợp điều kiện thực tế.
- Khối báo động còi hú và Led phát sáng khi có nước.
2.2 Các linh kiện sử dụng trong mạch

 IC ổn áp LM7805
Thông số kĩ thuật:
-

Số chân: 3
Điện áp đầu vào ( input ): 7V – 18V DC
Điện áp đầu ra ( output ): 5V
Dòng ngõ ra 1A
Nhiệt độ hoạt động: 0 0-1250C
Công suất cực đại 5W


- Chân 1 là ngõ vào(input), chân 2 là chân nối đất (Mass), chân 3
là chân ngõ ra(output)
- Ngõ ra output luôn ổn định ở ngưỡng 5V DC dù điện áp input
thay đổi.

 Cầu diode
Diode cầu có cấu tạo gồm 4 diode được đóng gói trong 1 gói duy
nhất gồm 4 chân. Tác dụng làm chỉnh lưu dòng điện xoay chiều về dịng

một chiều
Thơng số kĩ thuật :
-

Điện áp ngược cực đại 1000V
Dòng thuận cực đại
Điện áp rơi thuận : 1V
Dải nhiệt độ hoạt động : −550C -1550C


 Cảm biến nước
- Cảm biến nước là thành phần chính trong mạch. Nó được thiết
kế dây hai lõi, được sử dụng phổ biến trong bất kỳ hệ thống phát
hiện rò rỉ nào dựa trên nguyên tắc ngắn mạch.
- Nếu khơng có nước, trở kháng giứa các dây dẫn lớn và sẽ khơng
có sự truyền dẫn. Khi nào có nước rơi vào dây cảm biến, nó sẽ
ngắn mạch các điểm A và B lại và lúc đó sẽ có sự truyền dẫn
giữa các dây.

 IC LM358


Hình dáng thực tế IC LM358
- LM 358 là bộ khuếch đại thuật toán hiệu suất cao, được xây
dựng trên một con chip đơn silicon. Nó được thiết kế cho một
loạt các ứng dụng tương tự
Đặc trưng của LM358
1. Độ Nhạy cao
2. Hệ só khuếch đại lớn
3. Có bảo vệ ngắn mạch

4. Dải điện áp ngõ vào rộng

Sơ đồ chân IC LM358
Chân 1: Đầu ra của opamp 1
Chân 2: Đầu vào đảo của opamp 1


Chân 3: Đầu vào không đảo của opamp 1
Chân 4: Nối nguồn âm hoặc nối đất của IC
Chân 5: Đầu vào không đảo của opamp 2
Chân 6: Đầu vào đảo của opamp 2
Chân 7: Đầu ra của opamp 2
Chân 8: Chân nối dương nguồn của IC
Các thông số kỹ thuật của LM 358:
-

Điện áp cung cấp: ±18V
Điện áp đầu vào vi sai
Công suất cực đại: 500mW
70o C
Dải nhiệt độ hoạt động: 0
Gói PDIP,SOIC và VSSOP 8 chân

 Biến trở
Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý
muốn. Chúng có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh
hoạt động của mạch điện. Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng
cách thay đổi chiều dài của dây dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác
động khác như nhiệt độ, ánh sáng, bức xạ hoặc điện từ,…
Một số ký hiệu của biến trở:

Hình ảnh của biến trở trong thực tế:

Thơng số sản phẩm:
- Độ dài núm chỉnh: 15mm
- Đường kính núm chỉnh: 7mm
- Loại biến trở: Volume đơn, có 3 chân
Thơng số điện:
- Tổng trở kháng: 1KΩ - 1MΩ (Tùy giá trị biến trở)
- Tổng dung sai kháng chiến: ± 20%
- Đặc tính trở kháng loại: A, B, C, D
- Điện áp hoạt động tối đa: B Linear: DC 50V / AC 25V
- Công suất định mức: B Linear: 0.5W
- Tiếng ồn: Dưới 100mV


- Chống cách điện: Hơn 100MΩ
- Điện áp chịu được: 1 phút ở AC 250 V
Tính chất cơ lý
- Góc quay toàn bộ: 300 ± 10 (độ)
- Khoảng cách quay: 10 ~ 200 gf.cm
- Sức mạnh dừng quay: 3.0Kgf.cm
- Độ bền kéo: đẩy: 7.0kgf phút
Độ bền
- Vòng quay: 10.000 chu kỳ

 Transistor C2383

* Thông số kỹ thuật:

- Model: NPN – TO92
- Điện áp cực đại:  VCBO = 160V
                              VCEO = 160V
                               VEBO = -6V
- Dòng điện cực đại: IC =  1A
- Công suất cực đại: Pc = 900mW
- Nhiệt độ làm việc: -55oC ~ 125oC
 


     Transistor C2383 là transistor nghịch NPN, có cấu tạo gồm 3 lớp bán
dẫn ghép với nhau thành 2 mối nối P-N, thuộc loại transistor nghịch
NPN. Transistor C2383 được sản xuất theo chuẩn TO92.

 
     Transistor C2383 là transistor nghịch có hệ số khuếch đại trong
khoảng 40 đến 310. Transistor C2383 có thế hoạt động với điện áp
VCBO tối đa 30V, dịng điện giới hạn 100mA. Transistor C2383 là
transistor có cơng suất 500mW, có dải nhiệt độ hoạt động rộng từ -55 oC
đến 125oC, tuy nhiên  C2383 hoạt động tốt nhất ở khoảng 25oC. 
 
     Transistor C2383 có đặc tính dịng DC ổn định, hệ số khuếch
đại tuyến tính, một trong những transistor thơng dụng, đươc sử dụng
nhiều trong các mạch điện tử.

 Relay


* Thơng số kỹ thuật:
- Điện áp điều khiển: 5V

- Dịng điện cực đại: 10A
- Thời gian tác động: 10ms
- Thời gian nhả hãm: 5ms
- Nhiệt độ hoạt động: -45oC ~ 75oC
 
       Relay 5 chân HLS8L-5VDC là loại linh kiện đóng ngắt điện cơ đơn
giản. Nó gồm 2 phần chính là cuộn hút và các tiếp điểm. Cấu tạo của
relay được mơ tả trong hình:


Hình 2.12 Sơ đồ kích thước của Relay 5V 5 chân
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 5VDC (vì là mạch mơ phỏng )
Chân 4,chân 5 là : Tiếp điểm
  *    Ứng dụng của rờ-le:
- Nhìn chung , cơng dụng của role là “dùng một năng lượng nhỏ để
đóng cắt nguồn năng lượng lớn hơn”.
- Role được dùng khác thông dụng trong các ứng dụng điều khiển
động cơ và chiếu sáng .

 Một số linh kiện khác.
Điện trở:
- Điện trở là một linh kiện có tính cản trở dịng điện và làm một số chức
năng khác tùy vào vị trí của điện trở trong mạch điện .
- Cấu tạo : điện trở được cấu tạo từ những vật liệu có điện trở suất cao
như làm bằng than, magic kim loại Ni-O 2,oxit kim loại , dây quấn .Để


biểu thị giá trị điện trở .Người ta dung các vòng màu để biểu thị giá trị

điện trở .

Tụ Điện:
- Tụ điện là linh kiện có khả năng tích điện .Tụ điện cách điện với dòng
điện 1 chiều và cho dòng xoay chiều truyền qua.
- Tụ điện được chia làm hai loại chính : loại khơng phân cực và loại
phân cực .
- Loại phân cực thường có giá trị lớn hơn loại không phân cực , trên hai
chân của loại phân cực có phân biệt chân nối âm , chân nối dương rõ
rang , khi gắn tụ có phân cực vào mạch điện ,nếu được gắn ngược chiều
âm dương , tụ phân cực có thể hư vào hoạt động sai .Ngồi ra người ta
cịn gọi tên tụ điện theo vật liệu làm tụ.
Ví dụ : tụ gốm , tụ giấy , tụ hóa ,..

Cịi chip 5V DC:


Điện áp hoạt động : 3.5 – 5.5 V
Kích thước 9.5 x 12mm
Dòng hoạt động < 25mA
Tần số âm thanh : 2500Hz
Số tiếp điểm : 2

CHƯƠNG 3: Thiết kế và thi công mạch
3.1 Sơ đồ khối
KHỐI
NGUỒN

KHỐI SO
SÁNH ĐIỆN

ÁP

KHỐI BÁO
ĐỘNG


 Khối nguồn: cung cấp nguồn cho hệ thống, ta sử dụng nguồn
AC 220V để biến đổi về nguồn DC 5V. Các linh kiện cần
dùng cho khối nguồn:
- Máy biến áp
- Cầu diode
- IC 7805
- Điện trở
- Led
 Khối cảm biến & so sánh: Khi có nước rơi vào tấm cảm biến,
trong khối sẽ xảy ra sự so sánh điện áp giữa chân V −¿ ¿ và V +¿¿
. Sau đó sẽ đưa ra tín hiệu cho khối cảnh báo. Các linh kiện
cần dung:
- Tấm cảm biến nước
- Biến trở
- Điện trở
- LM 358
 Khối báo động: Báo động cho mọi người biết khi nước bị dò
rỉ. Linh kiện cần có:
- Transistor C2383
- Relay 5V
- Led
- Điện trở
- Cịi Buzzer

3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch

3.3 Nguyên lý hoạt động của mạch
- Khi ta cấp nguồn 220V AC qua máy biến áp sẽ nhận đc nguồn 9V AC.
Khi qua cầu diode ta sẽ đc dòng điện 9V DC. Khi đi qua IC 7805 sẽ
nhận đc là dòng DC 5V để nuôi linh kiện trong mạch. Điện trở sẽ giúp
ta hạn dòng cho LED – Green sáng , để biết được khi nào mạch đã được
cấp nguồn. Tụ điện sẽ san phẳng điện áp giúp nguồn ổn định hơn.
o Khi có khơng có nước: Trở kháng tại dây cảm biến lớn: điện áp tại
chân V +¿¿ < V −¿ ¿ nên V out = 0 . Khi đó, điện thế tại cực B của
transistor bằng 0 , transistor ở trạng thái khóa
 Mạch khơng hoạt động.
o Khi có nước trên dây cảm biến : Nó sẽ ngắn mạch tại các điểm
lại. Ta sẽ điều chỉnh biến trở sao cho V +¿¿ > V −¿ ¿ . Khi đó ngõ ra
OP-AMP sẽ có điện áp V out ≈5V . Khi đó, transistor ở trạng thái mở
( dẫn bão hòa ) => cuộn dây relay có điện => tiếp điểm relay nhảy
=> Cịi phát ra âm thanh để cảnh báo cho mọi người.
 Tính tốn thơng số cho khối nguồn
- Led thường hoạt động ở mức 1,8V – 5V. Dòng khoảng
từ 10mA – 20 mA. Nếu muốn led hoạt động bình
thường ở nguồn 5V thì ta có:


(5 V −1,8 V )
= 320 Ω
10 mA
(5 V −3 V )
: 20 mA = 100 Ω

Gía trị điện trở lớn nhất :
Gía trị điện trở nhỏ nhất

 Ta có thể chọn điện trở trong khoảng 100Ω-320Ω . Trong
mạch này em chọn 220 Ω.
 Tính tốn thơng số khối cảm biến & so sánh.
- Các điện trở R2, R3 được ghép nối tiếp với nhau và được
nối vào chân điện áp ngưỡng V −¿ ¿ của LM 358 theo cầu
phân áp. Ta chọn R2 = R3 = 10KΩ


V −¿ ¿

=

V CC . R 3
R 2+ R 3

5.10000

= 10000+10000 = 2.5 V

- Sử dụng biến trở VR10K có tác dụng điều chỉnh điện
áp vào chân V +¿¿ của LM 358 . Khi điện áp V +¿¿ >= V −¿ ¿
thì điện áp ra sẽ được nối lên mức 1 và đc đưa tới khối
báo động.
 Tính tốn thơng số cho khối báo động.
- Để tránh cho mạch không bị hiện tượng đoản mạch, em
đặt ở giữa chân Vout CỦA UA741 và cực B của transistor
điện trở 2,2k

- Diode được nối vào 2 đâu cuộn cảm trong relay để
nhằm xả dòng của cuộn từ từ khi đóng ngắt mạch điện,
tránh trường hợp Transistor bị cháy do điện áp ngược
xảy ra trong cuộn dây relay.
- Còi Buzzer được gắn nối vào tiếp điểm thường mở của
relay.


3.4 Sơ đồ mạch in

3.5 Mạch hoàn thiện


3.5 Kết luận
 Ưu điểm
- Mạch có tính ứng dụng cao.
- Mạch thiết kế nhỏ gọn, linh hoạt , hoạt động đúng theo
nguyên lý.
- Dễ dàng thi công và sử dụng.
- Chi phí thi cơng rẻ.
- Mạch sử dụng relay để thực hiện đóng cắt thiết bị cảnh
báo. Thay vào việc cảnh báo âm thanh ta có thể thay
vào nhưng bộ máy bơm , động cơ… hoặc sử dụng
những nguồn có cơng suất lớn hơn để thực hiện những
mục đích khác nhau.
 Khuyết điểm
- Các mối hàn vẫn còn xấu.
- Thiếu kinh nghiệm khi thi công mạch in.
- Việc sắp xếp linh kiện còn chưa khoa học.
- Do dây cảm biến tiếp xúc nhiều với nước nên phải

thường xuyên bảo quản, tránh bị oxi hóa.