Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

BÀI TẬP LỚN: VMTT-VMS

Sinh viên thực hiện: Vũ Văn Thuy
MSV: 1074040224
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, LM35….).
Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0 ÷ 1060C..
Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:
U=0 ÷ 10V
U= 0 ÷ 5V
I=0÷20mA.
I=4÷20mA
Dùng cơ cấu đo để chỉ thị hoặc LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ.
Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷2*tmax/3. Thiết kế mạch nhấp nháy
cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: T0= 4 giây.
Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t0C= 2*tmax/3
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
Lựa chọn nguồn cung cấp.

.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
..........................................................................................
Hà Nội, ngày……tháng…… năm 2015
Giáo viên hướng dẫn
\

SV: Vũ Văn Thuy

2

Bài Tập Lớn


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

MỤC LỤC
Lời nói đầu................................................................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀMẠCH ĐO..............................................................5
1.1 Sơ đồ nguyên lý chung của mạch đo:................................................................6
Chương II : CÁC THIẾT BỊ CHÍNH DÙNG TRONG MẠCH ĐO............................8
2.1 Cảm biến:...........................................................................................................8
2.2. Bộ khuếch đại thuật toán µA 741 :...................................................................8


Lời nói đầu
Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển trở thành một nước công
nghiệp. Vì vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm
nâng cao năng xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề
quan trọng đáng để chú ý. Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn
đề đo và điều khiển nhiệt độ. Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, các lò luyện gang,
sắt, thép...
Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương tự -vi mạch số và các môn
liên quan nhóm chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt
độ sử dung cảm biến nhiệt điện trở.
Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của thầy
Nguyễn Bá Khá cùng các thầy cô trong bộ môn Đo lường điều khiển đã giúp đỡ
em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này. Do quỹ thời gian hạn hẹp cùng một số
hạn chế về kiến thức thực tế, em đã cố gắng rất nhiều để hoàn thành tốt bài tập
lớn của mình, em rất mong nhận được những sự nhận xét, sửa chữa, góp ý quý
báu của quý thầy cô và các bạn giúp em hoàn thiện hơn nữa trong thời gian sắp
tới!
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày…..tháng…năm 2015
Sinh viên thực hiện

SV: Vũ Văn Thuy

4

Bài Tập Lớn


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).
Thang Celsius ( C ):

T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15.

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.

SV: Vũ Văn Thuy

5

Bài Tập Lớn


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

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

6

Bài Tập Lớn


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

tínhiệu trước khi chuyển vào khối khác.
- 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.
- ADC : dùng cho chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự đo được của cảm
biến thành những tín hiệu dạng số để đưa tín hiệu đi so sánh và chỉ thị
+ 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.
+ Chỉ thị:làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để
hiện kết quả đo
- Hiển thị : cho phép người quản lý thấy được tại thời điểm bất kì của hệ thống
đo để kịp thời sử lý
- Cảnh báo : thực hiện chức năng báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho
phép

SV: Vũ Văn Thuy

7

Bài Tập Lớn


- 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 :

SV: Vũ Văn Thuy

8

Bài Tập Lớn


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

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.



SV: Vũ Văn Thuy

10

Bài Tập Lớn


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

Hình 5 : sơ đồ nối chân LED 7 đoạn
Mạch sẽ hiển thị giá trị nhiệt độ đo được tại mọi thời điểm hệ thống hoạt động, giá trị
hiện thị sẽ được đưa đến ngõ vào của IC giải mã 74LS47 qua các Input, với tính năng
giải mã của vi mạch này, sẽ cho ra dữ liệu song song trên các Bus đến các LED song
song. Chương trình sẽ chọn LED nào và hiển thị nhiệt độ lên LED.
Khi có 1 sự biến đổi điện áp từ cảm biến, tức sự thay đổi nhiệt độ môi trường cần đo
thì mã của 74LS47 cũng sẽ thay đổi phù hợp, tần số quét LED được thiết kế hợp lý để
tránh mắt thường quan sát được.
2.6 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.

2.7 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 :

3. Lý thuyết tổng quan.
3.1:Tính toán, lựa chọn cảm biến.
Yêu cầu đề bài : Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh
báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt.
Dải đo là :
toC = 00C

tmax= 0

1060C.Từ yêu cầu của đề bài em đã sử dụng IC cảm biến

nhiệt độ LM35 và dải đo từ 0 – 1060C.
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 0,5OC.

Dùng bộ khuếch đại không đảo

SV: Vũ Văn Thuy

14

Bài Tập Lớn


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
Ur=(1 +

Khoa Điện

).Uv

Với Uv= 0

1.06V để Ur= 0

10V

UImin= 0mV → Uomin = 0V
UImax = 1.06V→ Uomax = 10V
Chọn R8= 80Ω => R7= 10Ω. Chọn R9= 10kΩ
3.3.2 Chuẩn hóa đầu ra với điện áp 0 – 5V
Dùng mạch khuếch đại không đảo

Mạch này có điện áp ra : Ur=(1+R11/R10).Uv
Với Uv=0 – 1.08V để Ur=0 - 5V

3.3.4 Chuẩn hóa đầu ra có dòng 4

R14=10kΩ

mA

Dùng mạch biến đổi U-I với phụ tải nối đất chung.

SV: Vũ Văn Thuy

16

Bài Tập Lớn


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

thường chọn điều kiện mạch : R5 +(R4+R2) = R6+R3(*)
Ta có IL= (U12-U11)
Ta chọn R2=R3=10kΩ
Khi IL= 4mA ta có U12=0 V
IL=20 mA ta có U12= 1.06 V
Ta có hệ:
4.10-3 = -U11.X(1)

( vớiX=

20.10-3=(1,15 – U11).X

3.5 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo.

SV: Vũ Văn Thuy

18

Bài Tập Lớn


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

Theo bài ra: tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá giá trị
t C=

= 2*106/3= 70.60C ta chọn mức cảnh báo khi nhiệt độ bằng 71 C

suy ra điện áp so sánh là +0.72V
3.6. Tính chọn LED 7
Để LED sang 1 cách bình thường thì trên mỗi đoạn của LED cần cung cấp giá trị dòng
điện khoảng 10mA. Điện áp rơi trên mỗi LED vào khoảng 2mV. Nguồn cung cấp điện
áp cho mạch Vcc= 5V.
Với IC 74LS47 ta có các thông số ngõ ra như sau:
Vo1= 0.4 V .
Io1= 40mA.
Trường hợp ta thiết kế cho LED sang với dòng điện 10mA. Như vậy:
Rhd =(Vcc - V LED – Vo1 )/ ILED=(5V- 2V- 0.4V)/ 10mA= 260 (Ω)
Trong thực tế khi thiết kế ta chỉnh giá trị Rhd sao cho LED sang rõ nhất và lúc này ta
đo được giá trị điện trở hạn dòng là Rhd =330 (Ω)

để chỉnh xuống 5 V nhưng sẽ tiêu tốn 1 lượng năng lượng vì vậy nên dùng 2 bộ chỉnh
lưu điện áp. 1 phương pháp khác là ta có thể dùng khối ổn áp 1 chiều để có đầu ra
thay đổi.Tối ưu nhất ở đây nên dùng phương án 3.
Phương án thiết kế :
 Biến áp: do yêu cầu đặt ra nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào 220V và điện
áp ra là 15V .
 Mạch chỉnh lưu: do những ưu điểm của mạch chỉnh lưu cầu như điện áp ra ít
nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ hơn so với phương pháp cân
bằng nên ta sẽ chọn bộ chỉnh lưu cầu 2 nửa chu kỳ.
 Bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san bằng điện áp để dòng điện phẳng hơn, lọc bằng
tụ điện khá đơn giản và chất lượng học khá cao. Nên ta dùng tụ điện.

SV: Vũ Văn Thuy

20

Bài Tập Lớn


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

 Khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp ra thay đổi từ 0 đến 15V nên ta
dùng IC ổn áp thông dụng là LM 7805 do có dải điện áp ra trong khoảng
1,2V-35V với cách mắc thông thường.

Cơ cấu đo dùng ổn áp LM 7805 dùng để ổn áp đầu ra 5V:

SV: Vũ Văn Thuy


Bài Tập Lớn


Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trong thời gian làm đề tài này em đã biết được thêm nhiều kiến thức thực tế và
ứng dụng được những kiến thức đã học. Qua đó chúng em luyện tập được khả năng tư
duy, cách thức nghiên cứu, giải quyết một vấn đề thực tế.
Mạch đo nhiệt độ được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế như đo nhiệt độ
phòng, đo nhiệt độ để cảnh báo cháy…Mạch đo nhiệt độ là thành phần quan trọng
trong một số mạch chức năng khác như hệ thống đo và điều chỉnh nhiệt độ ở lò cao, bộ
phân ngắt nhiệt, cung cấp nhiệt ở lò sưởi….
 Những việc đã làm được:


Nghiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ



Thiết kế nguồn cung cấp



Chọn linh kiện thiết kế cho hệ thống

