Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ. (ví dụ: LM34, LM 35……).

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: VMTT&VMS
Số : 3
Họ và tên HS-SV : NGUYỄN VĂN HÒA
Khoá : .10

Nhóm : 03.

Lớp : TCĐH CNKT Điện 1_K10

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. (ví dụ: LM34, LM 35……).
Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0 ÷ (50 + n)0C..

- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:
1. U=0 ÷ 5V
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 : t0C=0÷3*tmax/4. Thiết kế mạch nhấp nháy
cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau. T0=(1+0,5*a) giây.
- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t 0C= 3*tmax/4

Trong đó:
a: chữ số hàng đơn vị của danh sách (ví dụ: STT=3 →a=3; STT=10→a=0)
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 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 : 14/10/2016

Ngày hoàn thành: 03/12/2016

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO
I.

Khái niệm về nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên tử,
phân tử của một hệ vật chất.Tùy theo từng trạng thái của vật chất (rắn ,lỏng ,khí )

mà chuyển động này khác nhau.
•

•

Ở trạng thái lỏng các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí
cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng
nhất định.
Ở trạng thái rắn các phân tử,nguyên tử chỉ dao đông 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 thấp.
Ở trạng 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.

Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ như
dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biến
nhiệt độ. Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu phương pháp thường dùng nhất đó là dùng nhiệt
điện trở kim loại.
Từ 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:
1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).
2- Thang Celsius ( C ):

T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15.

3- Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 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.

•

Các phương pháp đo nhiệt độ cơ bản:
+ 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.
+ 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.


1.1 Sơ đồ nguyên lý chung của mạch đo:
- Mạch đo gồm có 6 khối cơ bản:
1. Khối cảm biến
2. Mạch khuếch đại
3. Mạch so sánh
4. Khối chỉ thị
5. Khối cảnh báo
6. Mạch chuyển đổi u sang i

Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo :
Khối chỉ thị
Cảm biến

Khuếch đại
điên áp
Mạch so sánh

Chuyển đổi U
sang I
Cảnh báo

Chức năng của các khối trong mạch đo:
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. Ở đây ta dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại
để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp.
b. 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.
c. 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.
d. Mạch chuyển đổi U sang I:
I.2.
a.


Có tác dụng chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang tín hiệu điện áp để hiển thị
ra .
e.

Khối cánh báo : cảnh báo cho người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so
với nhiệt độ cho phép.

Đó là các khối cơ bản dùng trong mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng nhiệt
điện trở kim loại.
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH
CÁC THIẾT BỊ CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH ĐO
Để xác định được các thiết bị mà mình sẽ sử dụng trong quá trình tính toán
thiết kế mạch đo ta đi dựa vào các khối cơ bản trong mạch đo để xác định các linh
kiện mà mình sẽ dùng, sau đây ta sẽ liệt kê các linh kiện sử dụng :
2.1 Cảm biến:
Nhiệt độ là 1 đai lượng vật lý mà ta có thể đo gián tiếp quá các loại cảm biến

nhiệt độ dựa trên sự chuyển động của của các hạt điện tích hình thành nên dòng
điện trong kim loại.
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
Trong bài này chúng ta sẽ sử dụng cảm biến nhiệt IC. Hầu hết các cảm biến
nhiệt IC sử dụng tính chất cơ bản của các lớp tiếp xúc bán dẫn PN là hàm của
nhiệt độ các loại IC thường gặp :





LM135, LM235,LM335: 10mV output
LM35: 10mV/0k output
LM34: 10mV/0F output
AD590: 1A output


Hình 1.1:hình ảnh của cảm biến nhiệt IC LM555 và LM35
•

•

Ưu điểm của IC:
- Dễ dàng tích hợp với các thiết bị khác.
- Gía thành thấp .
- Kích thước gọn nhẹ.

- Ngõ ra có thể là điện áp ,dòng điện hoặc số và tỷ lệ với độ K,F,C.
Nhược điểm của IC:
- Tầm nhiệt độ thấp (-550C÷ 1500C)
-Cần mạch kín

2.2. Bộ khuếch đại thuật toán µA 741 :
Bộ khuếch đại này dùng nhiều trong kỹ thuật điện trở có tác 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.

Hình ảnh thực tế của bộ khuếch đại thuật toán .
2.3. Điện trở :

Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ
hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các
loại điện trở có trị số khác nhau.


Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.

Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý.
2.4 Cơ cấu chỉ thị :
Muốn biết được nhiệt độ thì ta phải hiển thị ra thông qua cơ cấu chỉ thị. Vì
mục đích cuối cùng là chúng ta biết được nhiệt độ và cảnh báo.Chúng ta có nhiều
cơ cấu chỉ thì như điện từ. từ điện, điện động…. trong phạm vi bài này chúng ta đo
dải điện áp từ 0 đến 10V và dải dòng điện từ 0 đến 20mA ta nên dùng cơ cấu chỉ
thị từ điện vì cơ cấu này đo được dòng điện và điện áp 1 chiều với dải đo rộng .
2.5 Các thiết bị cảnh báo :
Để cảnh báo quá nhiệt độ ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc còi để

cảnh báo, hoặc ta có thể sử dụng đồng thời cả hai để cảnh báo quá nhiệt độ. Những
thiết bị này thường mang thông tin nhanh và chính xác, dễ lắp đặt và sử dụng
nguồn điện một chiều hay xoay chiều.

2.6 Nguồn cấp cho mạch :
Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V, 9V hoặc 12V
tùy theo yêu cầu của mạch trên thực tế thì nguồn điện 1 chiều thường được chỉnh
lưu từ nguồn xoay chiều. nguồn cấp của chúng ta gồm có :





Máy biến áp có chức năng hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sử
dụng đó là 5V, 9V, 12V.
Bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot, tụ điện, và điện và cuộn cảm có tác dụng
chỉnh lưu từ dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều. sơ đồ nguyên lý của khối
chỉnh lưu:

2.7.IC 555


Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở thực hiện các
chức năng như hình :


Cấu trúc bên trong của LM 555


Nguyên lí hoạt động :

Chân số 1 : (GND) Cho nối mass để lấy dòng cấp cho IC , dòng điện từ mas
chảy vào IC.
Chân sô 2: (Trigger Input ) Ngõ vào của một tầng, ở đây mức áp chuẩn bằng
1/3 Vcc, lấy cầu phân áp tạo bởi ba điện trở 5K.Khi mức áp chân 2 xuống đến mức
(1/3)Vcc thì chân 3 sẽ chuyển lên mức cao, lúc này khóa điện tử trên chân số 7sẽ
hở.
Chân số 3: (Output) Ngõ ra tín hiệu ở dạng xung (mức áp không thấp thì
cao).
Chân số 4 :(Reset) Xác lập trạng thái ngõ ra .Khi chân số 4 cho nối mass thì
chân số 3 chốt ở mức áp thấp , chỉ khi chân số 4 đặt ở mức áp cao thì ngõ ra chân 3
mới được tự do và mới có thể lúc cao lúc thấp.
Chân số 5:(Control Voltage) Chân điều khiển ,chân này làm thay đổi các
mức điện áp chuẩn trên trên cầu chia volt.
Chân số 6: (Threshold) Ngõ vào của một tầng so với áp 1.Có mức áp chuẩn
bằng 2/3 Vcc.
Chân số 7: (Dirchange) Chân xả điện, chân này là ngõ ra của một khóa điên
(tranistor) khóa điện này đóng mở theo mức áp chân số 3. Khi chân 3 ở mức áp cao
thì khóa điện đóng lại và cho dòng chay qua, ngược lại thì khóa điện hở và cắt
dòng.
Chân số 8: (+Vcc) Chân nguồn nối vào nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC
555.


CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐO
3.1.Ý tưởng thiết kế.
3.1.1.Yêu cầu của đề tài.
Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = (50+n)0C.
-

Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:

 U=0 ÷ 5V
 U= 0 ÷ -5V


I=0÷20mA

 I=4÷20mA
-

Dùng cơ cấu đo để chỉ thị.

-

Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷3tmax/4. Thiết kế

mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng:
T=(1+0,5.a) giây.
-

Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị :

t0C=3tmax/4
Trong đó:
a: chữ số hàng đơn vị của danh sách (ví dụ: STT=3→a=3;
STT=10→a=0)
n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách.
3.1.2: Tính toán, lựa chọn cảm biến.


.LM35 là cảm biến nhiệt độ analog. Nhiệt độ được xác định bằng cách đo

hiệu điện thế ngõ ra của LM35 như sau:
- Chân 1: Chân nguồn VCC
- Chân 2: Chân ra VOUT
- Chân 3: Chân ra GND
+ Một số thông số 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 10 mV/OC
Độ chính xác cao ở 25 OC là 0.5 OC.
Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải. Dải nhiệt độ đo được của LM35 là

từ (-55 - 150) 0C 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
Vậy khi ở nhiệt độ 57 điện áp đầu ra là 0,57 V

3.2.Tính toán và thiết kế mạch nguồn
Trong thiết kế có sử dụng các nguồn , và nguồn cấp được sử dụng từ mạng lưới
điện xoay chiều 220V/50Hz ta có mạch nguồn như sau:

3.3.các thông số của bài tập lớn
STT trong danh sách của em là 07
Vậy n = 07; a = 7
Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = (50+n)0C hay t0C =00C ÷ tmax = 570C
3tmax/4 = 3*57/4=42,750C
T0=(1+0,5.7) = (1+0,5.7) = 4,5(s)
Ta coi tất cả các giá trị đều là tuyến tính và các phép toán chỉ thực hiện trên các giá
trị max của Ucb=0,57V và U0=-5V.
3.4.Tính toán, thiết kế khối cảm biến và khuếch đại
Ta có Ucb =10.t(mV).
Với t = 00C → Ucb=0V
Với t = 570C→ Ucb=10.57.10-3=0,57V
Chọn đầu ra của điện áp chuẩn hóa là:
U= 0 ÷ -5V
Vậy sơ đồ của mạch khuếch đại như hình vẽ:


Ta có:
U0= Ucb với Ucb=0,57V và U0=-5V
→R2= chọn R1=1kΩ R2= kΩ
Vậy thay R2 bằng điện trở 10kΩ nối tiếp với một biến trở 1kΩ.
3.5.Tính toán thiết kế khối chuyển đổi U-I
Đầu vào là U0 đầu ra đưa về chuẩn I=0÷20mA.
Ta có bộ chuyển đổi U-I đảo

KUI


3.6 Khối chuấn hóa từ 0-5v

Ta có: ( chọn R19=1kΩ
R18.=7,7kΩ
Vậy thay R18 bằng VR4 = 8kΩ.

Hình 3.9 khối chuẩn hóa từ 0-5v
3.7 Khối chuẩn hóa từ 4-20mA

Hình 3.10 khối chuẩn hóa từ 4-20mA
Ta có:U1 thay đổi từ 0 thì đầu ra IL thay đổi từ 4mA20mA


3.8.Tính toán, thiết kế khối ADC và hiển thị
Ta có DISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF
Nối VREF+ với nguồn 3V vậy đầu vào VIN+ phải đưa về từ 3,000V đến 3,057V. Ta
sử dụng bộ cộng đảo sau:

VIN+
Vậy chọn R10=5k→R12=3k
Với
Thay R11 bằng VR2 = 270kΩ.
Vậy với VIN+ thay đổi từ 3,000V đến 3,057V thì LED hiển thị từ 000C tới 570C.
3.9.Tính toán thiết kế khối so sánh
Tín hiệu ra Uo là tín hiệu âm sử dụng bộ khuếch đại đảo có K=-1 để chuyển
tín hiệu về tín hiệu dương trước khi cho vào bộ so sánh với giá trị đặt trước.
Với 3tmax/4=(3*57)/4=42,750C tín hiệu ra Uo=-3,33V lấy 3,33V là giá trị cần so
sánh.


K=-1 vậy chọn R6=R7=1kΩ
Khi t42,750C thì U13,33V tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức thấp.

Khi t42,750C thì U13,33V tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức cao.
3.10.Tính toán thiết kế khối tạo xung và khối nhấp nháy
Chu kỳ tạo xung: T=Tn+Tx=4,5+4,5=9s
Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gian
ngưng dẫn của transistor là :
T = RCln2 =0,693 RC
Tn = Tx=0,693.R8.C5=0,693.R9.C5=3
→R8=R9=
Chọn C5 = 470F→R8=R9=


Khi t42,750C tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức thấp. Đầu ra của cổng NOT ở mức
cao, đầu ra của cổng AND theo tín hiệu xung nhịp của bộ tạo xung làm cho đèn
LED nhấp nháy theo tín hiệu xung với thời gian tối và sang bằng nhau và bằng 3s.
Khi t42,750C tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức cao. Đầu ra của cổng NOT ở mức
thấp, tín hiệu ra của cổng AND ở mức thấp đèn LED không hoạt động.
3.11.Tính toán thiết kế khối cảnh báo


Khi t42,750C 0C tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức thấp. Đầu ra của cổng AND ở
mức thấp, transis Q1 không hoạt động, đèn và loa cảnh báo chưa có hiện tượng.
Khi t42,750C 0C tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức cao. Đầu ra của cổng AND ở
mức cao, transis Q1 hoạt động, đèn và loa cảnh báo hoạt động.
3.12.Sơ đồ toàn mạch thiết kế


3.13. 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 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 ….
Trong quá trình làm bài em còn nhiều bất cập và thiếu sót rất mong các thầy cô
giáo thông cảm, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ môn đã giúp đỡ em
trong quá trình làm bài tập lớn !!!