Nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển máy bơm nước tự động sử dụng IC 555

KHOA ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO NỘI DUNG
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN
(PHẦN PHÂN TÍCH THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG)

ĐỀ TÀI: Nghiên cứu, thiết kế mạch điều khiển máy bơm nước tự
động sử dụng IC 555
SINH VIÊN THỰC HIỆN: NGUYỄN THỊ HỒNG
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN THỊ THU HÀ
MÃ SINH VIÊN: 2019606876


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

2


PHẦN 1:

CÁC YÊU CẦU CỦA BÀI TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU

KHIỂN MÁY BƠM NƯỚC TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG IC555
1.1.

Yêu cầu thiết kế
Như chúng ta đã biết, nước đóng vai trị vô cùng quan trọng trong đời

sống không chỉ riêng con người mà còn cần thiết cho sự sống của vạn vật, đặc
biệt là nước ngọt. Nước cần thiết cho sinh hoạt, cho nơng nghiệp, cơng nghiệp,
các dịch vụ, giải trí… bao hàm toàn bộ các lĩnh vực trong cuộc sống. Do vậy từ
xa xưa con người đã khơng ngừng tìm tòi để khám phá ra cách tận dụng nguồn
lực thiên nhiên này một cách thuận lợi nhất.
Về cơ bản, máy bơm nước giúp con người tiết kiệm thời gian, sức lực
đồng thời thúc đẩy sự phát triển của sản xuất, tiêu dùng, từ đó thúc đẩy nền kinh
tế phát triển.
Từ những nhu cầu trong thực tế và quá trình học tập, nghiên cứu tại trường
Đại Học Công Nghiệp Hà Nội. Em xin phép đưa ra đề tài : “ Mạch điều khiển
máy bơm nước tự động sử dụng IC 555 ”.
Hiện nay, Máy bơm cũng được thiết kế ngày càng hiện đại, thuận tiện phù
hợp với yêu cầu của con người. Để được tự động hóa q trình bơm nước cho
gia đình, tiết kiệm thời gian và tránh lãng phí nguồn điện và nguồn nước thì u
cầu thiết kế là:
• Mạch chạy đúng theo yêu cầu: Khi nước trong bồn (bể) cạn máy bơm tự
động chạy để bơm nước, khi bồn (bể) đầy máy tự động dừng bơm theo sự
điều khiển hồn tồn bằng mạch điện tử đảm bảo khơng nước bị tràn ra
ngồi do qn dừng bơm khi đầy.
• Mạch thiết kế phải nhỏ gọn, an toàn, tránh chập hay hỏng khi gặp các tác
dụng của nước và môi trường xung quanh.
• Thiết kế với chi phí phù hợp, đảm bảo lâu dài và tính ứng dụng cao.
3


• Thiết kế được mạch điều khiển có thể xử lý được tín hiệu từ cảm biến
mức nước để truyển thông tin đến cho khối chấp hành thực hiện đúng với
yêu cầu tín hiệu của cảm biến.
1.2.

Phân tích thiết kế
Khối cảm biến được xem như là một quả tim của cả 1 hệ thống mạch điều

khiển bơm nước tự động. Do đó nhiệm vụ thiết kế một khối cảm biến đảm bảo
được sự đúng đắn về nguyên lý hoạt động, đơn giản, tin cậy, ổn định và linh
hoạt hết sức được quan tâm. Muốn như vậy, cơ bản ta phải thực hiện các bước
sau:
• Xác định yêu cầu thiết kế đã đặt ra.
• Xây dựng sơ đồ khối , chức năng, nguyên lý hoạt động của khối trong
quá trình thiết kế.
• Từ đó thiết kế sơ đồ ngun lí dựa trên một trong các phương pháp thiết
kế phù hợp với yêu cầu.
1.3.

Các phương pháp thiết kế mạch

1.3.1. Phương pháp sử dụng cảm biến mức kiểu điện dung
Cảm biến điện dung mang tới một giải pháp đo lường đáng tin cậy vào
sự thay đổi của độ dẫn điện trên cảm biến. Mức nước thay đổi làm biến dạng
điện độ dẫn điện , bộ xử lý của cảm biến sẽ nhận biết được sự biến đổi này
và chuyển đổi thành tín hiệu 4-20ma hoặc 0-10v .

Hình 1.1: Cảm biến mức kiểu điện dung
4


 Ưu điểm:
Nguyên lí cảm biến đo mức bằng điện dung hoạt động dựa trên sự khác biệt
hằng số điện mơi chất lưu với khơng khí. Điều kiện, điện mơi của lưu chất
phải lớn hơn hằng số điện môi của khơng khí. Theo đó, hằng số của điện

mơi khơng khí rơi vào khoảng 1.0, hằng số điện môi dầu 1.85 đến 5, cịn
nước có điện mơi lớn từ 50 đến 80. Khi các chất lưu thay đổi kéo theo sự
thay đổi của hằng số điện dung mơi tương ứng.
• Sử dụng được trong các ứng dụng có áp suất và nhiệt độ cao.
• Đo mức chất lỏng khoảng cách ngắn nhất 100mm.
• Độ chính xác cao, dùng được cho chất khơng dẫn điện và kể cả
chất dẫn điện .
• Giá thành rẻ
• Đo được xăng, dầu, tích hợp chống cháy nổ. Khoảng cách đo
rộng đo mức chất rắn như: xi măng, hạt nhựa,…
 Nhược điểm:
Dù rằng cảm biến điện dung có nhiều tính năng ưu việt nhưng bất kỳ cảm
biến nào cũng có những hạn chế của nó.
• Khơng dùng cho các bồn chứa có cánh khuấy.
• Sai số của cảm biến là 1%. Khoảng cách xa số cao nhưng nếu đo
khoảng cách gần thì sai số sẽ nhỏ khơng đáng kể mấy.
• Quan trọng về khơng gian lắp đặt . Khoảng cách từ cảm biến tới
thành bồn chứa và khoảng cách từ đầu cảm biến tới đáy bồn phải
lớn hơn yêu cầu của công thức nhà sản xuất (phần này nhờ kỹ
thuật bên bán tính và chọn cảm biến phù hợp cho ta).
1.3.2. Phương pháp sử dụng phao
Đo mức nước dạng phao ON-OFF dùng để báo đầy hoặc báo cạn trong
giới hạn của phao. Phao báo đầy: khi mức nước tới giới hạn trên thì sẽ cho ra
5


Relay OFF, khi nước xuống giới hạn dưới thì sẽ cho ra Relay ON. Phao báo
cạn: tương tự khi mức nước ở dưới cùng thì ON và khi mức nước lên tới giới
hạn trên OFF. Cả hai mức giới hạn ON – OFF này tương ứng NO/ NC bên
trong của cảm biến đo mức nước dạng phao.

Hình 1.2: Cảm biến mức kiểu phao từ
 Ưu điểm
• Giá thấp, nhiều dịng đa dạng
• Ứng dụng đa dạng cho nhiều chất lỏng, ngoại trừ hố chất có ăn mịn
hay kết dính.
• Dễ lắp đặt và bảo trì.
• Tìm mua dễ hơn các cảm biến khác.
 Nhược điểm
• Cơng nghệ lỗi thời. Dễ hư hỏng sau thời gian ngắn sử dụng do phao từ
dể bị kẹt gây báo sai tín hiệu.
1.3.3. Phương pháp lựa chọn
Sau thời gian tìm hiểu và tham khảo, thơng qua những ưu-nhược điểm
và tính thực tế của 2 phương pháp nêu trên, em quyết định chọn phương
pháp thứ 1 để phù hợp với mạch điều khiển em đã thiết kế, và phù hợp với
điều kiện của bản thân.

6


PHẦN 2:
2.1.

XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI

Sơ đồ khối mạch điều khiển máy bơm tự động sử dụng IC555

Khối Cảm Biến

Khối Điều Khiển

Khối Chấp
Hành

Khối Nguồn

2.2.

Nguyên lý hoạt động của các khối

- Khối cảm biến: Nhận biết mức nước để chuyển thành tín hiệu tương tự.
- Khối điều khiển: Nhận tín hiệu từ khối cảm biến sau đó xử lý các tín hiệu đã
nhận.
- Khối chấp hành: Nhận tín hiệu đã xử lý từ khối điều khiển và chấp hành
nguyên lý hoạt động của tín hiệu.
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho tất cả các khối trên.
2.3.

Chức năng của các khối

2.3.1. Khối nguồn
Sử dụng nguồn 12V thông qua Jac DC để cấp nguồn cho các khối trong
mạch. Nên dùng nguồn là Pin để có thể dễ thay thế và lắp đặt.
2.3.2. Khối cảm biến
Cảm biến báo mức chất lỏng dạng điện dung sau khi được lắp đặt vào
bên trong bồn chứa, phần que dài sẽ tiếp xúc trực tiếp với môi chất bên dưới.
Khi mức chất lỏng tiếp xúc với đầu dò cảm biến thì điện cực bên trong sẽ

7

xuất hiện thay đổi. Sau đó, thơng qua các thuật toán được thực hiện tại bộ xử
lý của phần đầu cảm biến, mức chất lỏng bên trong sẽ được xác định.
2.3.3. Khối điều khiển
Khi được cấp điện, đồng thời khối cảm biến đưa thơng tin vào IC555, từ
đó IC555 hoạt động theo chế độ dao động. Tín hiệu từ chân số 3 (OUTPUT)
sẽ đi vào khối chấp hành.
Thông số kỹ thuật:
• Với nguồn điện áp đầu vào nằm trong dải từ 2 – 18V;
• Dịng điện tiêu thụ: 6 – 15mA;
• Cơng suất tiêu thụ lớn nhất (Pmax): 600mW;
• Điện áp logic đầu ra ở mức cao (mức 1): 0.5 – 15V;
• Điện áp logic đầu ra ở mức thấp (mức 0): 0.03 – 0.06V;
Cấu tạo và sơ đồ chân của IC555
IC555 là một trong những IC phổ biến và có nhiều hữu ích trong cuộc
sống.
Cấu tạo của 1 IC NE555 gồm có một bộ OP – AMP dùng để so sánh điện
áp, 1 mạch lật và transistor giúp xả điện. Cấu tạo rất đơn giản nhưng nó được
coi là một mạch tích hợp hoạt động rất tốt và có độ chính xác khá cao.

Hình 2.2: Sơ đồ chân IC555
8


IC555 gồm có 8 chân:
+ Chân số 1 (GND): Dùng để nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân
còn gọi là chân chung.
+ Chân số 2 (TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh
và được dùng như 1 chân chốt hay đầu vào của 1 tần so áp.
+ Chân số 3 (OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic.

Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. Mức 1 là mức cao
tương ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với
0V nhưng trong thực tế mức 0 này trong khoảng từ (0.35 -> 0.75V).
+ Chân số 4 (RESET): Định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối mass
thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra
tùy theo mức áp trên chân 2 và 6. Nếu trong mạch để tạo được dao động
thường hay nối chân này lên VCC.
+ Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn
trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối
GND. Để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông
qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn
được ổn định.
+ Chân số 6 (THRESHOLD): Là một trong những chân đầu vào so
sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.
+ Chân số 7 (DISCHAGER): Có thể xem chân này như 1 khóa điện tử
và chịu điều khiển bỡi tầng logic của chân 3. Khi chân 3 ở mức áp thấp thì
khóa này đóng lại. Ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1
mạch R-C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động.
+ Chân số 8 (VCC): Đây là chân cung cấp áp và dịng cho IC hoạt
động. Nó được cấp điện áp từ 2V -->18V.
Nguyên lý hoạt động của IC555
9


Hình 2.3: Cấu trúc IC555
Nhìn trên sơ đồ cấu tạo trên ta thấy cấu trúc của 555 gồm: 2 OPAM, 3
điện trở, 1 transitor, 1 FF (ở đây là FF RS):
- 2 OP-amp có tác dụng so sánh điện áp.
- Transistor để xả điện.
- Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần.

Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của
Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2. Khi điện áp ở
chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích. Khi điện áp ở chân 6
lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset.

Hình 2.4: Nguyên lý hoạt động IC555
Giải thích sự giao động:
Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC. Mạch FF là
loại RS Flip-flop.
Khi S = [1] thì Q = [1] và QB = [ 0].
10


Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và QB= [0]. Khi R = [1] thì QB= [1] và Q =
[0].
Tóm lại, khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì QB= [1],
transisitor mở dẫn, cực C nối đất. Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện
áp ở chân 6 không vượt quá V2. Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không
reset.
Giai đoạn gõ ra ở mức 1:
Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0.
Vì điện áp ở chân 2 (V-) nhở hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức S
=[1], và Q=[1] và QB=[0]. Ngõ ra của ic ở mức 1.
Khi QB=[0], transistor tắt , tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng. Khi
nhấn cơng tắc lần nữa Op-amp 1 có V- =[1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của
Op=amp 1 ở mức 0, S=[0], Q và QB vẫn khơng đổi. Trong đó điện áp tụ C
nhở hơn V2, FF vẫn giữ nguyên trạng thái đó.
Giai đoạn ngõ ra ở mức 0:
Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V-2/3 Vcc, R =[1] nên
Q=[0] và QB=[1] ngõ ra của ic ở mức 0.

Vì QB =[1], transistor mở dẫn, Op-amp2 có V+=[0] bé hơn V-, ngõ ra
của Op-amp 2 ở mức 0. Vì vậy Q và QB khơng đổi giá trị , tụ C xả điện
thông qua transistor.
Kết quả: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vng, có chu
kỳ ổn định.
2.3.4. Khối chấp hành
Tín hiệu từ chân 3 của IC555 kích ra transistor C548, lúc đó transistor
đóng lại qua đó sẽ kín mạch và cấp nguồn cho relay hoạt động. Khi cấp
nguồn, relay ở trạng thái thường đóng sẽ có điện làm máy bơm hoạt động.
11


Khi nước đầy phao từ ở trạng thái đóng do đó chân 3 của IC555 khơng có tín
hiệu dẫn đến transistor C548 mở và làm hở mạch relay sẽ chuyển sang
thường mở, ngắt máy bơm để nước không bị tràn.

PHẦN 3:

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

12


3.1.

Sơ đồ nguyên lý

3.2.

Kết quả mô phỏng

Mạch mô phỏng proteus

Mạch in

13


14