Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ.(có file mô phỏng)






 !"# $%&&'
BÀI TẬP: VMTT
Số : 3
Họ và tên HS-SV :  Lớp : 
Khoá : .7 Khoa : .
()
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 =0
0
C ÷ t
max
= 0 ÷ (50 + 65)
0
C
- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:
1. U=0 ÷ 10V
2. U= 0 ÷ -5V
3. I=0÷20mA.
4. I=4÷20mA
- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị.
- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t
0
C=0÷2*t

max
/3=77. Thiết kế mạch nhấp nháy cho
LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: τ=(1+0,5*5) giây.
- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t
0
C= 2*t
max
/3

 !"
→
!"# !$%
→
!%&
 '(')*'+,
*)+,
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 mạch nhấp nháy cho LED
- Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo.
-
Kết luận và hướng phát triển
Yêu cầu về thời gian : Ngày giao đề : Ngày hoàn thành: 4-12-2014
-)

Ngày nay trong các lĩnh vực của đời sống việc đo và kiểm soát nhiệt độ của bất kì một quá trình, một thiết
bị sản xuất nào đó nằm trong một giới hạn cho phép làm việc của chúng là một điều rất cần thiết, tránh
gây ra hư hỏng thiết bị, thiệt hại về kinh tế…
Ngày nay với sự phát triển của khoa học của công nghệ các thiết bị đo nhiệt độ càn ngày càng hiện đại,
việc đo nhiệt đọ trở lên dễ dàng và chín xác ơn rất nhiều.
Trong bài tập lớn này với trình độ của một người sinh viên năm 3 chúng em xin thiết kế một thiết bị đo và
kiểm soát nhiệt độ sủ dụng IC cảm biến nhiệt độ………….
&./%0123%0456%789$&:#
Mạch đo sử dụng các khối chức năng chính như sau:
• Khối cảm biến nhiệt độ
• Khối khuếc đại điện áp
• Khối so sánh
• Khối hiển thị
• Khối chuyển đổi U/I, I/U
• Khối cảnh báo( còi, đèn…)
• Khối đếm giây
Chức năng chính các khối
Khối cảm biến : khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện thành tín
hiệu điện tương ứng. Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ thông dụng hiện nay mà ta thường
dùng : _ cặp nhiệt ngẫu
_ nhiệt điện trở kim loại
_ IC cảm biến nhiệt độ
• Khối khuếch đại : có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, vì tín hiệu điện do
cảm biến đưa ra thường là rất bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào các mạch điện khác. Ta sử
dụng bộ khuếch đại thuật toán µA 741.
• Mạch so sánh : có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa ra khối sau. Việc so
sánh tín hiệu sẽ được ứng dụng cho mạch cảnh báo khi có sự quá nhiệt độ. Sử dụng bộ khuếch đại
thuật toán µA 741
• Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang tín hiệu điện áp để hiển
thị ra . Sử dụng bộ khuếch đại thuật toán µA 741

• khối cánh báo : cảnh báo cho người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so với nhiệt độ cho phép. Sử
dụng đèn hoặc còi cảnh báo
Đó là các khối cơ bản dùng trong mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng IC cảm biến nhiệt độ
&./%0;2<=<>&<?578@>&<A>BC&D%&
1E9B<A%%&<?>:
IC cảm biến nhiệt độ có rất nhiều loại, gồm nhiều họ khác nhau
 LM35/LM45 ngõ ra là tín hiệu điện áp(10m/
0
C)
o LM35 dải đo từ -55
0
c =>150
0
c, sai số 1
0
C
o LM45 dải đo từ -20
0
c =>100
0
c, sai số 3
0
C
 Ngõ ra dòng điện
o Dòng điện ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối
o Độ nhạy được điều chỉnh bằng điện trơ ngoài
o Chỉ cần cấp nguồn khoảng 1,2V là IC hoạt động được
 Ngõ ra so sánh LM56, LM26, LM27
o Ngõ ra tương tự
o Ngõ ra so sánh

;F&5A&:$<>&5>>#@%GHI1. bộ khuếch đại này dùng nhiều trong kỹ thuật điện trở có các dụng
khuếch đại các tín hiệu điện như điện áp, dòng điện, công suất. trong phạm vi bài này ta sẽ sử dụng khếch
đại thuật toán để khuếch đại điện áp đưa ra từ cảm biến và dùng trong bộ so sánh để đưa ra khối cảnh báo
cho mạch đo.
JK<7L:M%E%&B@#
Ta có thể sử dụng các loại chuông và đèn cảnh báo có sẵn trên thị trường
I@>&<A>BCF&@
• <?%>NO
• P:<?%
•
&./%0J2D%&>#@%Q>&<A>FA9$&:#
JR1D%&>#@%Q!6&S%E9B<A%
Với yêu cầu dải đo từ 0
0
C tới 115
0
C ta chọn IC cảm biến LM35 có dải đo từ -55
0
c =>150
0
c
tương đối gần với dải đo yêu cầu, và sai số tương đối nhỏ , sai số 1
0
C
.
TJU là một cảm biến nhiệt độ analog
Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35.
V%&T9JU
Sơ đồ chân của LM35 như sau:
1.

Chân 1: Chân nguồn Vcc
Chân 2: Đầu ra Vout
Chân 3: GND
Một số thông số chính của LM35:
Cảm biến LM35 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 4V đến 30V
+ 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 -55 C - 150 C với các mức điện áp ra khác nhau. Xét một số mức
điện áp sau :
- Nhiệt độ -55 C điện áp đầu ra -550mV
- Nhiệt độ 25 C điện áp đầu ra 250mV
- Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV
JR;D%&>#@%Q>&<A>FA9$&:#
Mạch đo gồm các khối cơ bản sau
• Khối nguồn
• Khối khuếch đại điện áp
• Khối tạo xung nhấp nháy cho led
• Khối cảnh báo
JR;R1D%&>#@%Q>&<A>FA9$&%05W%5%0X
Nguồn cung cấp cho các linh kiện sử dụng trong bài là nguồn 5v, chính vì vậy ta sẽ sử dụng nguồn
12v cho qua IC ổn áp LM7812 và LM7912 cùng với các tụ lọc ta sẽ thu được điện áp đầu ra là 5v.
JR;R;D%&>#@%Q>&<A>FA9$&F&5A&:$<Q&5Y%&Z6
6[&5Y%&Z6:\5N67=<:<?%@N6>]^_`1^7
$&F&5A&:$<7<a6<

Nếu R
1
=R2; R
f
= R
g
thì khi đó V
out
= K(V
2
-V
1
)
Trong đó K= R
f
/R
1
ở dải đo từ 0
0
C tới 115
0
C điện áp ngả ra của IC LM35 nằm trong khoảng từ 0V tới 1.15V
Với chuẩn đầu ra từ 0 => 10V ta có:
V
out

max
=10v =K(1.15-0)
 K=87, chọn R
1

= R
2
=10k => R
f
= R
g
= 87k.
B[&5Y%&Z67=<:\5N6)_ U7
- Nếu ta cho tín hiệu vào đầu vào đảo (cực âm) và đầu vào không
đảo (cực dương) đem chập xuống mass ta sẽ được một mạch khuếch đại đảo.
- Hệ số khuếch đại có thể điều chỉnh được bằng cách điều chỉnh giá trị
các điện trở R
2
và R
1
, hệ số khuếch đại bằng tỷ số giữa hai điện trở
này.
K = -R
2
/ R
1
trong đó K là hệ số khuếch đại của mạc
Khi đó điện áp ngã ra của mạch được tính theo công thức
V
out
= KV
in
Với điện áp đầu ra của ICLM35 lad 0=>1.15V và điện áp ngả ra của OPAMP là 0=>-5V ta có
-5=-K.1.15 =>K=-4.38
=> chọn R

1
= 10k => R
2
= 43.8k
Chọn R
3
= 8k
Ta có sơ đồ mạch như sau:
[9$&&5Y%&Z6:\5N6^ ;^9

>
_)
7L#
b
11
=<cd5\5:\5N6>]^ ;^9>6Z2
;^e1^
J
_1R1Ub
11
_`
11
_UHRUfg9[
&S%1^_1^FQh_1^Fi
"[&5Y%&Z6:\5N6_Ij;^9
Để tín hiệu ra được chuẩn hóa ta dùng sơ đồ biến đổi U-I với 2 khuếch đại thuật toán.
Ta có : Khi U vào biến thiên từ 0 ÷ 1,21 V thì I ra biến thiên từ 4 ÷ 20 mA.
Lại có:
R
23.

R
19
= R
18
.R
20
I
ra
=
Chọn R
23
= 10k Ω, R
18
= 20k Ω, R
20
= 100k Ω , R
19
= 200k Ω
U
1
= - 0,28 V , R
50
= 151,25Ω
JR;RJD%&>#@%9$&%&X%&@c&#Tk(
6[F&l<>$#m5%0:l<mn%0HafJRUaO9n6#7LJRUaO9n>&X[
op"P%0UUUFA>&q7=<:<?%>NOQ>P:<?%>$#m5%0R
=<&5FVm5%0:.q>D%&>&r#g%0>&n_
%
s
m

N#%0:Z 
%
_^Rthef
u
s
h
[e

m
_^Rthef
u
s
h
[e
vZm5%0:l<mn%0>6&#%ua6#&#:<?%>NOw6ua#7=<hLF&g%0:@%0FvQ>6&S%
u_1^^ih_1^^F
Khi đó chu kì xung được tính theo công thức 
m
_;e^Rthe
h
e
Với yêu cầu sáng trong 3,5s và tắt trong 3,5s nghĩa là 3,5s ở mức cao và 3,5s ở mức thấp nên chu
kì xung là 7s, từ công thức trên ta tính được C=50,5uF
Đầu ra của IC555 được đưa vào một chân của cổng AND, chân còn lại được nối với đầu ra của mạch so
sánh.
B[9$&a#a@%&
\5ra của mạch khuếch đại vi sai (0-10V) được đưa vào đầu vào đảo của OPAMP741, đầu còn lại được
đặt ở mức điện áp 6.77V do đèn chỉ nhấp nháy trong khoảng nhiệt độ từ 0-115*2/3
0
C = 0-77

0
C.
Và tại nhiệt độ 77
0
C này mức điện áp đầu ra của mạch khuếch đại vi sai tương ứng là 6.74V
 Nếu nhiệt độ nhỏ hơn hoặc bằng 77
0
C thì đầu ra của khối khuếch đại vi sai nhỏ hơn hoặc bằng
6.74V
Khi đó U
N
<U
P
nên điện áp đẩu ra xấp xỉ bằng +Vcc (mức thấp)
 Nếu nhiệt độ lớn hơn 77
0
C thì đầu ra của khối khuếch đại vi sai lớn hơn 6.74V khi đó U
N
>U
P
khi
đó điện áp đầu ra xấp xỉ -Vcc (mức cao)
Đầu ra của IC555 được đưa vào một chân của cổng AND, chân còn lại được nối với đầu ra của mạch so
sánh. Ta có bảng chân lí của cổng AND như sau:X=A.B
A B X
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Như vậy đầu ra của cổng and sẽ ở mức cao hay đèn sẽ sáng khi cả hai đầu vào đều ở mức cao.

Khi đầu ra bộ so sánh ở mức cao thì đầu ra của cổng AND sẽ phụ thuộc vào trạng thái đầu ra của IC555
Do đó đèn sẽ nhấp nháy theo xung đầu ra của IC555
3.2.4 D%&>#@%Q>&<A>FA9$&E%&B@#R
Khi nhiệt độ vượt quá 77
0
C thì đầu ra của khối khuếch đại vi sai lớn hơn 6.74V khi đó U
N
< U
P
khi đó
điện áp đầu ra xấp xỉ -Vcc (mức thấp) khi đó đèn nhấp nháy sẽ tắt, đồng thời đưa tín hiệu ngả ra của mạch
so sánh qua cổng NOT như vậy còi báo động sẽ tác động
JR;RU@/X5&x>&Cw6"P%0P:#.y%0:<?%>p
Cơ cấu chỉ thị (CCCT) của các đồng hồ đo lường các đại lượng điện được chia thành hai nhóm
chính:
• Nhóm chỉ thị bằng kim (hay còn gọi CCCT cơ điện) gồm có CCCT từ điện, điện từ và điện động
• Nhóm chỉ thị số
 '.
Cơ cấu chỉ thị (CCCT) từ điện được cấu tạo gồm hai thành phần cơ bản như hình vẽ dưới đây:
• /0'1là một nam châm vĩnh cửu (hình móng ngựa), lõi sắt, cực từ (bằng sắt non). Giữa cực từ
và lõi sắt có khe hở không khí rất nhỏ.
• /02 Khung dây được quấn bằng dây đồng. Khung dây gắn trên trục, quay trong khe hở
không khí.
345-678''.
9 '.
Dưới đây là sơ đồ cấu tạo CCCT điện từ (Hình 1.9) (bên trái là hình chiếu bằng). Cơ cấu chỉ thị
(CCCT) điện động được cấu tạo gồm hai phần như hình vẽ dưới đây:
· Phần tĩnh: Dòng điện cần đo được đưa vào cuộn dây quấn quanh lá thép cố định (gọi là lá thép tĩnh),
bên trong có khe hở không khí .
Phần động: Lá thép có khả năng di chuyển tương đối (gọi là lá động) với lá tĩnh trong khe hở không khí.

Lá động gắn với trục trên có gắn kim và lò xo phản kháng.

34"-678''.
 2
Dưới đây là sơ đồ cấu tạo của cơ cấu chỉ thị điện động
34:-678'2
• Phần tĩnh là cuộn dây được chia thành hai phần nối tiếp nhau tạo ra từ trường đều khi có dòng chạy
qua nó.
• Phần động:khung dây được quấn bằng dây đồng. Khung dây gắn trên trục quay.
3.3 >#L%B9$&
JRIzA>5%7L&.=%0&@>>N<v%
Kết luận : quá trình đo lường dùng cảm biến nhiệt độ với mạch khá đơn giản và còn nhiều bất cập, mạch
còn khá đơn giản để cơ cấu đo chính xác ta
.=%0&@>>N<v%2 để nâng cao độ chính xác cũng như tự động hóa các khâu ta nên kết hợp với vi mạch
số, vi xử lý và vi điều khiển để có thể hiển thì trực quan bằng số dễ đọc và quá trình điều khiển cảnh báo
có thể dễ dàng hơn . ứng dụng cùng với vi mạch số và vi mạch điều khiển ta có thể dùng cảm biến nhiệt
độ ứng dụng vào các mạch như mạch báo cháy tự động, mạch đo nhiệt độ lò nung, điều khiển điều hòa
không khí, hay trong các lò ấp trứng, nhà bảo quản lạnh ….