BÀI tập lớn môn Vi mạch tương tự

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 LỚN: VMTT
Số : 4
Họ và tên HS-SV : . Nhóm : 4
MSV :
Lớp : 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: t
0
C =t
min
– t
max
= 0-(60+n)
0
C.
- Đầu ra: + Chuẩn hóa đầu ra: U=0-10V và I=0-20mA.
+ Dùng cơ cấu đo để chỉ thị.
- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng đèn, còi khi nhiệt độ vượt giá trị cảnh báo: U
d
=(t
max
-
t
min
)/2

- n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách.
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, thiết kế mạch cảnh báo.
-
Kết luận và hướng phát triển
Yêu cầu về thời gian : Ngày giao đề : 06-12-2013 Ngày hoàn thành: 15-12-2013
BỘ CÔNG THƯƠNG
Mẫu: MC - 11)
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
Khoa Điện
BÀI TẬP LỚN
MÔN HỌC :
VI MẠCH TƯƠNG TỰ
Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tinh toán, thiết kế mạch đo và cảnh
báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ.
Giáo viên hướng dẫn:
MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan về mạch đo
1. 1 Khái niệm về nhiệt độ………………………………………………………
1. 1. 1 Khái niệm……………………………………………………………
1. 1. 2 Thang đo nhiệt độ……………………………………………………
1. 1. 3 Sơ lược về phương pháp đo nhiệt độ…………………………………

1. 2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc……………………………………
1.3 Đo nhiệt độ cao bằng phương pháp tiếp xúc…………………………………
1.4 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc……………………………
1.5 Tổng quan về mạch đo………………………………………………………
1.5.1 sơ đồ khối………………………………………………………………
1.5.2 vai trò tác dụng của các
khối………………………………………………………………………………
Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính
2.1.Giới thiệu về IC cảm biến nhiệt LM35…………………………………………
2.2.Giới thiệu về IC ổn áp 7805……………………………………………………
2.3.Giới thiệu IC LM358…………………………………………………………
2.4.Led biby………………………………………………………………………
Chương 3.Tính toán và thiết kế
3.1. Tính toán các khối……………………………………………………………
3.2. Sơ đồ tổng thể ………………………………………………………………
3.3. Thuyết minh
CHƯƠNG 1
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ

1. 1 Khái niệm về nhiệt độ
1. 1. 1 Khái niệm:
Nhiệt độ là đại lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên tử, phân tử của
một hệ vật chất. Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất ( rắn, lỏng, khí) mà chuyển động
này có khác nhau. ở trạng thái láng, các phân tử dao động quanh vi trí cân bằng nhưng vi
trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định.
Còn ở trạng thái rắn, các phần tử, nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng.
Các dạng vận động này của các phân tử, nguyên tử được gọi chung là chuyển động nhiệt.
Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quá trình
trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt. Quá trình truyền nhiệt trên tuân
theo 2 nguyên lý:

Bảo toàn năng lượng.
Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất.Ởtrạng
thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt.
Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyền nhiệt
bằng đối lưu. Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyển các
phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉ trọng.
1. 1. 2 Thang đo nhiệt độ:
Tõ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độ của nó
bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ. Có nhiều đơn vị
đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng,từng thời kỳ phát triển của khoa học
kỹ thuật và xã hội. Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độ chính là:
Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).
Thang Celsius ( C ): T(
0
C ) = T(
0
K ) – 273,15.
Thang Farhrenheit: T(
0
F ) = T(
0
K ) – 459,67.
Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay. Trong đó thang đo
nhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị quốc
tế (SI). Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ.
1. 1. 3 Sơ lược về phương pháp đo nhiệt độ:
Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc nhiệt
độ. Hiện nay chúng ta có nhiều nguyên lí cảm biến khác nhau để chế tạo cảm biến nhiệt
độ như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phương pháp quang dựa trên phân bố phổ bức xạ
nhiệt, phương pháp dựa trên sự dãn nở của vật rắn, lỏng, khí hoặc dựa trên tốc độ âm…

Có 2 phương pháp đo chính:
Ở dải nhiệt độ thấp và trung bình phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc, nghĩa
là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ngay trong môi trường đo. Thiết bị đo như: nhiệt
điện trở, cặp nhiệt, bán dẫn.
Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo là phương pháp không tiếp xóc ( dông cụ dặt
ngoài môi trường đo).
1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc
Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếpxúc. Có hai
loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu. Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt
điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất
trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo. Đốivới môi trường khí hoặc
nước, chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy. Với vật rắn khi
đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn
hao nhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém. Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và
nhiệt kế càng lớn càng tốt. Khi đo nhiệtđộ của các chất hạt (cát, đất…), cần phải
cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có
cáp nối ra ngoài

1.3. Đo nhiệt cao độ bằng phương pháp tiếp xúc
Ở môi trường nhiệt độ cao từ 1600oC trở lên, các cặp nhiệt ngẫu không chịu được
lâu dài, vì vậy để đo nhiệt độ ở các môi trường đó người ta dựa trênhiện tượng quá trình
quá độ đốt nóng cặp nhiệt:
ϴ= ƒ(ṭ)= ∆T(1-
Trong đó :ϴ: là lượng tăng nhiệt độ của đầu nóng trong thời gian t
∆T - hiệu nhiệt độ của môi trường đo và cặp nhiệt
∂: hằng số thời gian của cặp nhiệt ngẫu
Dựa trên quan hệ này có thể xác định được nhiệt độ của đối tượng đo mà không
cần nhiệt độ đầu làm việc của cặp nhiệt ngẫu phải đạt đến nhiệt độ ấy. Nhúng nhiệt ngẫu
vào môi trường cần đo trong khoảng (0,4 – 0,6)s, ta sẽ được phần đầu của đặc tính quá
trình quá độ của nhiệt ngẫu và theo đó tính được nhiệt độ của môi trường. Nếu nhiệt độ

đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu trong thời gian nhúng vào môi trường cần đo đạt nhiệt độ
vào khoảng một nửa nhiệt độ môi trường thì nhiệt độ tính được có sai số không quá hai
lần sai số của nhiệt kế nhiệt nhẫu đo trực tiếp. Phương pháp này dùng để đo nhiệt độ của
thép nấu chảy.
1.4. Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc:
Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp
thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất. Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặc
trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diện tích
của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng.
1.5 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ
1.5.1: Sơ đồ khối
Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì phụ thuộc vào đặc tính của đại
lượng cần đo ,điều kiện đo, cũng như độ chính xác yêu cầu của một phép đo mà ta có thể
thực hiện bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của hệ thống đo lường khác nhau trên cơ
sở của các hệ thống đo lường khác nhau.
Sơ đồ của một hệ thống đo lường tổng quát:
Khối chuyển đổi  Mạch đo  Chỉ thị


Sơ đồ khối đo:
1.5.2:vai trò tác dụng của các khối

AD
Chỉ
Thị
LED
Mạch
chuyển
đổi U/I
Bộ

khuếch
đại
Cảm
biến
Còi, đèn
Mạh
So
Sáh
Khối chuyển đổi: làm nhiệm vụ đổi trực tiếp các đại lượng vật lý đặc trưng cho đối
tượng cần đo biến đổi các đại lượng thành các đại lượng vật lý thống nhất (dòng điện hay
điện áp ) để thuận lợi cho việc tính toán.
-Khối so sánh: làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa về với tín hiệu đã cài
đặt.Tuỳ theo tín hiệu ngõ ra, sẽ ra quyết định để cơ cấu chấp hành gia tăng, giảm, hay giữ
nguyên nhiệt độ thậm chí có thể kết hợp để báo động hiển thị .
-Mạch đo: có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu điện nhận được từ bộ chuyển
đổi sao cho phù hợp với yêu cầu kết quả đo của bộ chỉ thị.
-Khối chỉ thị:làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để thể
hiện kết quả đo.
Hệ thống đo lường số được áp dụng để thực hiện đề tài này vì có các ưu điểm: các tín
hiệu tương tự qua biến đổi thành các tín hiệu số có các xung rõ ràng ở trạng thái 0,1 sẽ
giới hạn được nhiều mức tín hiệu gây sai số .Mặt khác ,hệ thống này tương thích với dữ
liệu của máy tính,qua giao tiếp với máy tính ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật. Có thể
hiện ra mà hình LCD, LED 7 đoạn, LED đơn.
-Khối khuếch đại dùng làm ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng
một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở
đầu ra.
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH
1.Giới thiệu về IC cảm biến nhiệt LM35
Hình ảnh IC LM35
SƠ đồ chân ICLM35

Chân 1: Chân nguồn Vcc
Chân 2: Đầu ra Vout
Chân 3: GND
Cảm biến LM 35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra
của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Chúng cũng không yêu cầu cân
chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh.
Đặc điểm chính của cảm biến LM35
+ Điện áp đầu vào từ 0V đến 10V
+ 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 0o C - 150o C với các mức điện áp ra khác nhau.
Xét một số mức điện áp sau .
Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp. Đối với hệ thống này
thì đo từ 0oC đến 120oC
LM35 có 3 chân : 2 chân cấp nguồn và 1 chân xuất điện áp ra tùy theo nhiệt độ
Nhiệt độ tăng 1C thì điện áp xuất ra ở chân out của LM35 tăng 10mV
*Phạm vi làm việc theo đề bài yêu cầu là:từ 0○ C đến +120 ○ C. Với dải điện áp như bài
cho =>Nên dùng ADC 10bit.Với điều kiện thông thường ta ko cần đo nhiệt độ âm vì thế
sẽ chỉ có từ 0->10v.
Hoạt động với dải điện áp vào:0V tới 10 V.
Với tải đầu ra:0,1 ôm cho 1 mA dòng qua tải.
Hệ số tự phát nhiệt (nhiệt lượng tỏa ra khi làm việc) so với môi trường chung quanh:0,08
độ C.
*Tính toán đầu ra của LM 35
Việc đo nhiệt độ sử dụng LM35 thông thường chúng ta sử dụng bằng cách
LM35 - > ADC - > Vi điều khiển
Dùng ADC 10 bit. Giá trị của ADC này từ [-1024 đến 1024] nên ta chỉ lấy giá trị dương
giá trị ADC của nó là 0 đến 2048.
LM 35 có nhiệt độ tối đa là 150○C. Mà bài yêu cầu nằm trong khoảng là t= (0○C

-120○C)
Cứ 10mV tương ứng với 1○C nên :
+ Tại 0○C thì giá trị đầu ra của LM35 thì điện áp 0V
Mà với LM35 nhiệt độ Max là 150˚C thì điện áp đầu ra là 1,5V.
+Theo bài tại 120○C thì giá trị đầu ra của LM35 là : 120*0,01=1,2 V
Ta thấy giá trị đầu ra nhỏ so với giá trị max là 10V
Điện áp tương ứng là 1,2V mà LM35 thay đổi trong 10mV.
2,IC7805(IC ổn áp 5V)
Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, sử dụng IC ổn áp
thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản.Các loại ổn áp thường
được sử dụng là IC 78xx, với xx là điện áp cần ổn áp.Ví dụ 7805 ổn áp 5V, 7812 ổn áp
12V. Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tự nhau, dưới đây là minh họa cho IC ổn áp
7805
Sơ đồ phía dưới IC 7805 có 3 chân:
* Chân số 1 là chân IN (hình vẽ trên)
* Chân số 2 là chân GND (hình vẽ trên)
* Chân số 3 là chân OUT (hình vẽ trên)
Ngõ ra OUT luôn ổn định ở 5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi.Mạch này dùng để
bảo vệ những mạch điện chỉ hoạt động ở điện áp 5V (các loại IC thường hoạt động ở điện
áp này). Nếu nguồn điện có sự cố đột ngột: điện áp tăng cao thì mạch điện vẫn hoạt động
ổn định nhờ có IC 7805 vẫn giữ được điện áp ở ngõ ra OUT 5V không đổi.
Mạch trên lấy nguồn một chiều từ một máy biến áp với điện áp từ 7V đến 9V để đưa vào
ngõ IN. Khi kết nối mạch điện, do nhiều nguyên nhân, người dùng dễ nhầm lẫn cực tính
của nguồn cung cấp khi đấu nối vào mạch, trong trường hợp này rất dễ ảnh hưởng đến
các linh kiện trên board mạch. Vì lí do đó một diode cầu được lắp thêm vào mạch, diode
cầu đảm bảo cực tính của nguồn cấp cho mạch theo một chiều duy nhất, và nguời dùng
cũng không cần quan tâm đến cực tính của nguồn khi nối vào ngõ IN nữa.
3.IC LM358
Từ hình trên bạn có thể thấy rằng bộ khuếch đại hoạt động có hai đầu vào và một đầu ra
trong một LM358 độc lập. Đầu vào là tại pin 2 (pin tiêu cực) và 3 (pin tích cực), pin tích

cực được sử dụng cho thông tin phản hồi tích cực và tiêu cực pin được sử dụng cho phản
hồi tiêu cực. Trong điều kiện lý tưởng khi không có thông tin phản hồi được áp dụng, thu
được của các bộ khuếch đại hoạt động nên vô hạn. Khi điện áp tại pin 2 là hơn điện áp tại
pin 3 sẽ tăng sản lượng đối với điện áp tối đa tích cực và tăng nhẹ tại pin tiêu cực so với
pin tích cực sẽ làm giảm sản lượng theo hướng tối đa tiêu cực. Tính năng này của bộ
khuếch đại hoạt động làm cho nó phù hợp với mục đích phát hiện mức độ.
Làm việc của các mạch rất đơn giản như chúng ta biết LM358 so sánh điện áp tại đầu vào
pin và cung cấp cho bạn các đầu ra và đưa ra các chỉ thị
4.led biby
Là bộ phận báo động trong mạch thiết kế này…
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.1.Tính toán các khối
 Mạch khuếch đại vi sai:
Trong bài, sử dụng mạch khuếch đại vi sai cơ bản có nhiệm vụ khuếch đại điện áp thỏa
mãn yêu cầu của đề bài Ura=0-10V
Hình 4: Mạch khuếch đại vi sai cơ bản
Mạch khuếch đại này có điện áp ra
=(1+)-
Nếu chọn Thì = ()
Chọn =5k , =0V,mà =1,2V nên =41,7k
 Mạch chuyển đổi U/I
Yêu cầu của bài là chuyển đổi nguồn U=0-10v đến dòng I=0-20mA
Hình ảnh sơ đồ biến đổi u/I
Ta có U1=10V
Từ sơ đồ ta có Uo=(1+ Rl/R1)U1 lại có Uo=(Rl+R1)IL
Suy ra IL=(1/R1)U1
Mà ta lại có IL=20mA (theo yêu cầu bài cho dòng diện biến đổi 0-20mA)
Suy ra R1=500(ôm)
Chọn RL=0.2k,R3=10k
 Mạch so sánh và cảnh báo

Giả sử mạch khuếch đại từ 1,2V lên 5V
Với mạch điện thông thường thì khoảng chuẩn hóa từ 3V-5V
Còn LM35 thì chuẩn hóa là 5V nên
Ta có hệ số khuếch đại là K=5/1,2=4,17
Dải nhiệt độ bài cho là (0- 120
0
C) nên
Nhiệt độ trung bình t
tb
= ( t
max
– t
min
)/2 = ( 120
0
– 0
0
)/2= 60
0
C nên
ta chọn nhiệt độ cảnh báo
Là t
cb=
t
tb=
60
0
C
 U
cb

=0,6V
Mạch so sánh và cảnh báo ta dùng LM358 làm nhiệm vụ so sánh Uv IC với U
cài đặt
Khi Uvao>= Ucai đặt thì phát tín hiệu cảnh báo(led biby sáng)
Sơ đồ mạch so sánh
 Mạch nguồn cung cấp
ở bài này ta có điện áp chuẩn cung cấp cho ICLM35 là 5V để hoạt động chuẩn
xác nhất thì điện áp cung cấp phải luôn luôn ổn định thì sai số của cảm biến sẽ
chính xác hơn rất nhiều
Do vậy ta sử dụng nguồn +5V
Điều chỉnh điện áp :dùng biến áp 7805
Sơ đồ mạch điều chỉnh điện áp
3.2.Sơ đồ tổng thể(chụp từ protus)
3.3.thuyết minh nguyên lý hoạt động
Cấp nguồn cho mạch ,nguồn qua IC ổn áp 7805 nguồn ra luôn được ổn định với
điện áp 5V cho IC cảm biến nhiệt độ LM35 hoạt động tối ưu nhất ,,, IC cảm biến LM35
có dải cảm biến nhiệt độ tối đa là 150
0
C theo yêu cầu bài cho thì dải nhiệt độ cho
phép là (0- 120
0
C) LM35 nhận tín hiệu đầu vào là nhiệt độ đưa ra đầu ra la điện áp với
độ phân dải là 10mV/oC .lúc này tín hiệu đưa ra có giá trị từ (0V-0,120V),tín hiệu đầu ra
của LM35 được đưa đến khuệch đại điện áp (đáp ứng thỏa mãn điện áp cho mạch so sánh
và cảnh báo )lúc này mức điện áp được khuếch đại lên (0V-10V) đầu ra của mạch khuếch
đại đưa đến bộ chuyển đổi U/I từ 0V-10V thành(0-20)mA lúc này mạch so sánh và
cảnh bao làm nhiệm vu so sánh với tín hiệu đã được cài đặt và đưa ra cảnh báo với
T
cb
= ( t

max
– t
min
)/2 = ( 120
0
– 0
0
)/2= 60
0
C , U
cb
=0,60V
KẾT LUẬN:
Trên đây là toàn bộn bài làm của em do kinh nghiệm chưa nhiều,vẫn còn nhiều thiếu
sót. Nên mong quý thầy cô góp ý để bài làm của em được hoàn thiện hơn,rút kinh nghiệm
cho lần sau. Em xin chân thành cám ơn!