Đồ án môn học kỹ thuật điện tử mạch cảm biến nhiệt độ có cảnh báo

Đồ án kỹ thuật điện tử mạch cảm biến nhiệt độ có cảnh báo giúp giám sát và điều khiển nhiệt độ hiệu quả, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

• Tác giả: Thiều Chí Công
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Thị Bích Ngọc
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện – Điện tử
• Đề tài: Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC dùng IC555, L298
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm về Mạch Cảm Biến Nhiệt Độ có Cảnh Báo

Mạch cảm biến nhiệt độ có cảnh báo là một hệ thống điện tử quan trọng trong kỹ thuật điện tử hiện đại. Mạch này được thiết kế để phát hiện và giám sát nhiệt độ môi trường, đồng thời cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép. Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ rất đa dạng trong các lĩnh vực công nghiệp, y tế, và hệ thống điều hòa không khí. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện, sau đó xử lý và so sánh với giá trị ngưỡng được cài đặt trước. Khi nhiệt độ vượt mức an toàn, mạch cảnh báo sẽ kích hoạt đèn LED, còi báo động hoặc gửi tín hiệu điều khiển đến các thiết bị khác. Đây là một đồ án quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ thuật điện tử tại các trường đại học công nghệ.

1.1. Thành phần chính của mạch cảm biến

Mạch cảm biến nhiệt độ bao gồm ba thành phần chính: cảm biến nhiệt độ (như LM35), mạch xử lý tín hiệu (bao gồm các vi mạch như LM358, LM393), và mạch điều khiển cảnh báo (sử dụng transistor hoặc relay). Cảm biến LM35 là lựa chọn phổ biến do độ chính xác cao và dễ sử dụng. Mạch so sánh (comparator) được sử dụng để so sánh tín hiệu từ cảm biến với giá trị ngưỡng đã cài đặt.

1.2. Ứng dụng thực tế trong điện tử

Cảm biến nhiệt độ có cảnh báo được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống làm mát máy chủ, tủ lạnh công nghiệp, lò nướng, và các thiết bị điều khiển môi trường. Trong kỹ thuật điện tử, những mạch này giúp bảo vệ thiết bị khỏi quá nhiệt và đảm bảo an toàn hoạt động.

II. Nguyên Lý Hoạt Động của Mạch Cảm Biến Nhiệt Độ

Nguyên lý hoạt động của mạch cảm biến nhiệt độ có cảnh báo dựa trên chuyển đổi năng lượng nhiệt thành tín hiệu điện. Cảm biến nhiệt độ (temperature sensor) sản sinh điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Tín hiệu này được truyền đến mạch xử lý nơi được khuếch đại bằng các opamp như LM358 hoặc LM393. Mạch so sánh (comparator) sẽ so sánh tín hiệu đầu vào với điện áp ngưỡng được đặt bằng triết áp (potentiometer). Khi nhiệt độ vượt ngưỡng, đầu ra của comparator chuyển mức cao, kích hoạt mạch cảnh báo gồm LED, relay hoặc còi báo. Quá trình này diễn ra liên tục, cho phép giám sát nhiệt độ thực thời. Thiết kế mạch phải đảm bảo ổn định và chính xác trong đồ án kỹ thuật điện tử hiện đại.

2.1. Quá trình chuyển đổi tín hiệu

Cảm biến LM35 chuyển đổi nhiệt độ thành điện áp với độ nhạy 10mV/°C. Tín hiệu analog này đi vào mạch xử lý bao gồm bộ khuếch đại dùng opamp. Sau khi khuếch đại, tín hiệu được so sánh với điện áp tham chiếu từ triết áp 100k trong mạch comparator để xác định khi nào cảnh báo.

2.2. Mạch so sánh và cảnh báo

Bộ so sánh (IC493 hoặc LM393) nhận hai tín hiệu: tín hiệu từ cảm biến và tín hiệu tham chiếu từ triết áp. Khi tín hiệu cảm biến cao hơn tín hiệu tham chiếu, đầu ra chuyển mức HIGH, kích hoạt relay hoặc transistor để bật đèn LED hoặc còi cảnh báo.

III. Các Linh Kiện Sử Dụng trong Đồ Án

Để thực hiện mạch cảm biến nhiệt độ có cảnh báo, cần sử dụng các linh kiện chất lượng cao và phù hợp với yêu cầu thiết kế. Vi mạch LM35 là cảm biến nhiệt độ chính, cung cấp độ chính xác ±0.5°C. Vi mạch LM358 hoặc LM393 đóng vai trò là bộ khuếch đại và so sánh tín hiệu. Nguồn ổn áp 7805 cung cấp điện áp 5V ổn định cho toàn mạch. Triết áp 100k được sử dụng để cài đặt ngưỡng cảnh báo linh hoạt. Diode 1N4007 bảo vệ mạch khỏi dòng ngược từ các thiết bị như relay. Các điện trở tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo độ nhạy phù hợp. Tụ điện lọc nhiễu và ổn định nguồn. LED và relay làm thiết bị báo cánh báo cuối cùng. Tất cả linh kiện được lựa chọn dựa trên datasheet chi tiết trong quá trình thiết kế đồ án kỹ thuật điện tử.

3.1. Cảm biến và vi mạch xử lý

Cảm biến LM35 hoạt động với nguồn 4-30V, phù hợp để đo nhiệt độ từ -55°C đến +150°C. Opamp LM358 là lựa chọn tối ưu để khuếch đại tín hiệu nhỏ từ cảm biến với gain linh hoạt. Comparator LM393 so sánh nhanh và chính xác tín hiệu với tín hiệu tham chiếu.

3.2. Linh kiện điều khiển và bảo vệ

Nguồn ổn áp 7805 đảm bảo cung cấp 5V ổn định cho toàn mạch. Relay được sử dụng để điều khiển các thiết bị công suất cao. Diode 1N4007 bảo vệ mạch logic khỏi dòng ngược khi relay mở. LED chỉ báo trạng thái cảnh báo để dễ dàng quan sát.

IV. Quy Trình Thiết Kế và Thực Thi Đồ Án

Quy trình thực hiện đồ án mạch cảm biến nhiệt độ tuân theo các bước khoa học và có hệ thống. Đầu tiên, sinh viên phải nghiên cứu kỹ lưỡng datasheet của các linh kiện chính như LM35, LM358, LM393, và IC 7805. Bước thứ hai là thiết kế sơ đồ khối để xác định luồng tín hiệu từ cảm biến đến mạch cảnh báo. Tiếp theo, vẽ mạch nguyên lý chi tiết với tất cả các kết nối, điện trở, và tụ điện. Tính toán các giá trị linh kiện dựa trên công thức thiết kế để đạt được độ nhạy và ngưỡng cảnh báo mong muốn. Bước mô phỏng sử dụng phần mềm Proteus để kiểm tra hoạt động trước khi thi công. Sau đó, thiết kế mạch PCB layout chi tiết, sắp xếp linh kiện hợp lý, và vẽ đường dẫn điện. Cuối cùng, thi công mạch thực tế, lắp ráp linh kiện, kiểm tra và chỉnh sửa các lỗi. Toàn bộ quá trình được ghi chép trong báo cáo đồ án chi tiết theo hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn.

4.1. Thiết kế và mô phỏng

Sinh viên phải vẽ sơ đồ khối chi tiết, sau đó thiết kế mạch nguyên lý đầy đủ. Sử dụng phần mềm Proteus để mô phỏng, kiểm tra hoạt động của mạch cảm biến và mạch cảnh báo trước khi thi công. Mô phỏng giúp phát hiện lỗi sớm và tinh chỉnh các giá trị linh kiện để đạt hiệu suất tối ưu.

4.2. Thi công và kiểm tra

Thiết kế mạch PCB chi tiết, sắp xếp linh kiện logic và cân bằng chiều dài đường dẫn. Thi công mạch trên bảng PCB bằng các kỹ thuật hàn chuyên nghiệp. Tiến hành đo lường và kiểm tra các thông số điện áp, dòng điện, và phản ứng cảnh báo. Viết báo cáo đồ án đầy đủ theo yêu cầu của giáo viên hướng dẫn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Động cơ hiện nay đã trở thành một bô phận không thể thiếu trong bất kỳ lĩnh vực từ các công xưởng, nhà máy với những động cơ vận hành với công suất lớn cho đến những thiết bị gia dụng trong gia đình như máy sấy, máy hút bụi, máy giặt, quạt,….Với ứng dụng vô cùng hiệu quả và đa dạng trong các lĩnh vực khác nhau, , động cơ trở thành một tiêu chuẩn bắt buộc đối với mọi nghành nghề kỹ thuật, đặc biệt là ngành kỹ thuật điện. Vì vậy em chọn để tài đồ án môn học “ Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC dùng IC 555, L298 ” với mong muốn được tìm hiểu nguyên lý hoạt động của một động cỏ. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Điện tử được ứng dụng rộng rãi và phổ biến trong mọi lĩnh vực nên với sinh viên học ngành kỹ thuật thì yêu cầu cần phải được trang bị kiến thức điện, điện tử để có thể phân tích, thiết kế, thi công, lắp đặt và vận hành, bảo trì, bảo dưỡng các thiết bị điện tử, dây chuyền sản xuất trong công nghiệp.

Nhằm mục đích áp dụng kiến thức đã học lý thuyết môn kỹ thuật điện tử vào trong thiết kế ứng dụng thực tế nên em quyết định chọn thực hiện đề tài: “Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC dùng IC 555, L298”. Với việc thực hiện đồ án môn học này cũng nhằm giúp em hiểu được chức năng của các linh kiện dùng trong mạch, sự liên kết của chúng trong việc thiết kế mạch điện tử và sử dụng các linh kiện điện tử. Ngoài ra, việc thực hiện đồ án cũng giúp em hiểu được: cách tính toán thiết kế mạch; biết sử dụng phần mềm Proteus để mô phỏng cũng như thiết kế PCB cho mạch điện tử; biết cách kiểm tra một số vấn đề linh kiện trong mạch khi có hư hỏng,… 9 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. BIẾN TRỞ CÚC ÁO 100K Ký hiệu Hình ảnh thực tế Cấu tạo: Biến trở (Tên tiếng Anh là Variable Resistor) hay còn có tên gọi khác là triết áp là linh kiện điện tử có 3 cực, bên trong nó có bộ phận trượt/xoay sẽ làm giá trị trở thay đổi.

Do đó nó được gọi là biến trở. Biến trở được ứng dụng thực tiễn rất nhiều trong mạch điện tử cần thay đổi giá trị về thông số như mạch tăng áp, hạ áp,. Tuỳ vào nhu cầu cũng như mục đích sử dụng mà chúng ta sẽ chọn cho mình các linh kiện điện tử phù hợp nhất trong việc sửa chữa hay trong thiết kế mạch. 10 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công Thông số kỹ thuật:  Mức trở kháng tiêu chuẩn: 10 to 1M ohm  Sai số: ±30%  Góc quay: 210°± 20°  Nhiệt độ: -10℃ to +70℃  Điện áp làm việc: 50V/DC (100-500K ohm) 25V/DC (>500K ohm)  Tuổi thọ quay: 20±2 cycles 11 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công Datasheet của biến trở cúc áo 100k 12 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công 2.

DIODE 1N4007 Ký hiệu Hình ảnh thực tế Cấu tạo: 1N4007 là một diode đa năng được sử dụng rộng rãi. Nó thường được dùng làm bộ chỉnh lưu trong phần nguồn điện của các thiết bị điện tử để chuyển đổi điện áp AC thành DC với các tụ lọc khác. Nó là một diode của dòng 1N400x, trong đó cũng có những diode tương tự khác từ 1N4001 đến 1N4007 và sự khác biệt duy nhất giữa chúng là điện áp ngược lặp lại tối đa. Nó cũng có thể được sử dụng trong bất kỳ ứng dụng chung nào cần diode.

Diode 1N4007 được chế tạo để làm việc với điện áp cao và nó có thể dễ dàng xử lý điện áp dưới 1000V. Với dòng điện trung bình 1000mA hay 1A, công suất tiêu thụ 3W, kích thước nhỏ và giá rẻ diode này rất lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau. 13 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công Thông số kỹ thuật:  Loại diode: diode ứng dụng chung chỉnh lưu silicon  Điện áp ngược lặp lại tối đa là: 1000 V  Dòng Forward trung bình: 100mA  Dòng Forward tối đa không lặp lại: 30A  Công suất tiêu thụ tối đa là: 3W  Nhiệt độ lưu trữ và hoạt động phải là: -55 đến +175 độ C Datasheet của Diode 1N4007 14 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công 2. ĐỘNG CƠ 775 12VDC 15000 RPM Ký hiệu Hình ảnh thực tế Cấu tạo: Động cơ 775 12VDC 15000rpm 1 ổ bi phía trước, 1 ổ bi phía sau.

Động cơ có thể dùng làm động cơ cho robot, làm mô hình học tập, chế tạo các loại máy khoan mini cầm tay, Khoan mạch điện tử, máy mài mini, mắt cắt gỗ, sắt, meka… Làm máy bơm nước mini, máy hút bụi, máy thổi bụi, và các loại máy khác. Có thể sử dụng được điện áp 12 – 24VDC. Thông số kỹ thuật:  Điện áp định mức: 12V  Dòng không tải: ở 12V, 1.2A 15 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công  Dòng điện roto bị khóa: 4.7A  Công suất không tải: 14.4W  Tốc độ sản phẩm: khoảng 15000 vòng / phút  Đường kính động cơ: 44mm  Chiều dài động cơ: 66.5mm (không có trục)  Đường kính trục của trục: 5mm  Chiều dài trục động cơ: 16mm  Trọng lượng sản phẩm: khoảng 350 gram 2. IC 7805 Ký hiệu Hình ảnh thực tế 16 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công Cấu tạo: Ic 7805 ic ổn áp dùng ổn định điện áp 5v ngõ ra, với ngõ vào cực đại là 18v cực tiểu là 7v.

Số lượng chân ít rất thích hợp cho các mạch điện tử có điện áp nhỏ, tích hợp sẵn trong gói TO-200. Đối với IC 7805 hiện nay đều có tích hợp bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ ngắn mạch và giữ vùng hoạt động an toàn các Transistor công suất trong mạch, để bảo vệ cho nó về cơ bản không thể phá hủy. Nếu đủ chìm nhiệt được cung cấp 7805 có thể cung cấp hơn 1A sản lượng hiện tại. Mặc dù thiết kế chủ yếu là điều chỉnh điện áp cố định, các thiết bị này có thể được sử dụng với các thành phần bên ngoài để có được điện áp điều chỉnh và dòng.

Mạch tích hợp của IC 7805 17 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công Thông số kỹ thuật:  Chân: 3  Điện áp ngõ ra: 5V  Điện áp ngõ vào: 7V ~ 20V; 8V ~ 12V  Dòng ngõ ra: 1A  Nhiệt độ hoạt động: 0°C – 125°C  Công suất cực đại: 5W 18 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công Datasheet của IC 7805 19 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công Nguyên lý hoạt động: Sơ đồ chân của IC 7805  Chức năng chân Pin 1 - INPUT: Chức năng của chân 1 là cho điện áp đầu vào. Điện áp đầu vào nên rơi vào khoảng 7V đến 35V ( Điện áp đầu vào nên là 7,2V để có thể tối đa hiệu quả của IC ) Pin 2 - GROUND: Nối đất trung tính ( 0V ) Pin 3 - OUTPUT: Cho ra giá trị ổn áp của điện áp, khoảng từ 4,8V ~ 5,2V  Sơ đồ khối: 20 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công Sơ đồ khối của IC 7805 Sơ đồ khối bao gồm bộ khuếch đại lỗi, phần tử chuyển nối tiếp, bộ tạo dòng, điện áp tham chiếu, mạch khởi động, bảo vệ SOA và bảo vệ nhiệt. Ở đây bộ khuếch đại hoạt động thực hiện như một bộ khuếch đại lỗi ( Error Amplifier ). Các diode Zener được sử dụng để đưa ra các điện áp tham chiếu.

Transistor là phần tử chuyể nối tiếp. Nó được sử dụng để tiêu tán năng lượng bổ sung dưới dạng nhiệt. Nó kiểm soát điện áp đầu ra bằng cách kiểm soát dòng điện giữa đầu vào và đầu ra. SOA là Khu vực Hoạt động An toàn.

Trên thực tế, đó là các điều kiện về điện áp và dòng điện mà thiết bị dự kiến sẽ làm việc mà không có bất kỳ sự hư hỏng nào. Ở đây để bảo vệ SOA, bóng bán dẫn lưỡng cực được thực hiện với một điện trở nối tiếp và một bóng bán dẫn phụ. Tản nhiệt được thực hiện để bảo vệ nhiệt khi có điện áp cung cấp cao. 21 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công  Sơ đồ đấu nối mạch ổn áp IC 7805 22 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công C 1 – Nó là tụ điện nhánh, được sử dụng để bỏ qua các gai điện áp ở mức độ rất nhỏ đối với đất.

C 2 và C 3 – Chúng là tụ lọc. C 2 được dùng để làm biến đổi chậm điện áp đầu vào đoạn mạch về dạng ổn định. C 3 dùng để làm biến đổi chậm điện áp ra từ bộ điều chỉnh trong mạch về dạng ổn định. Khi giá trị của các tụ điện này tăng lên, sự ổn định sẽ được mở rộng.

Nhưng những tụ điện này không thể lọc những thay đổi rất nhỏ trong điện áp đầu vào và đầu ra. C 4 – giống như C 1 , nó cũng là một tụ nhánh, được sử dụng để loại bỏ các gai điện áp ở mức độ rất nhỏ đối với đất. Điều này được thực hiện mà không ảnh hưởng đến các linh kiện khác. IC 555 Ký hiệu Hình ảnh thực tế 23 GVHD: Võ Thị Bích Ngọc Sinh viên: Thiều Chí Công Cấu tạo: IC định thời 555 được giới thiệu vào năm 1970 bởi Signetic Corporation và đã đặt tên cho bộ đếm thời gian SE / NE 555.

Về cơ bản, nó là một mạch định thời nguyên khối tạo ra độ trễ hoặc dao động thời gian chính xác và rất ổn định. Khi so sánh với các ứng dụng của op-amp trong cùng vùng làm việc, 555 IC cũng đáng tin cậy không kém và có giá thành rẻ. Ngoài các ứng dụng của nó như là một bộ dao động đơn ổn và bộ dao động bất ổn, bộ định thời 555 cũng có thể được sử dụng trong bộ chuyển đổi nguổn dc-dc, đầu dò logic số, máy phát sóng, máy đo tần số tương tự và máy đo tốc độ, máy đo và điều chỉnh nhiệt độ, bộ điều chỉnh điện áp, v. IC được thiết lập để hoạt động ở một trong hai chế độ “one-shot” - đơn ổn (monostable) hoặc dưới dạng dao động tự do - dao động bất ổn (astable).

SE 555 có thể được sử dụng ở nhiệt độ trong khoảng từ - 55°C đến 125°. NE 555 có thể được sử dụng trong phạm vi nhiệt độ từ 0° đến 70°C. Thông số kỹ thuật:  Mức điện áp hoạt động: 5V ~ 18V.