Tải bản đầy đủ

Đồ Án: Mạch Cảm Biến Mưa

Đồ Án Môn Học 1

MỤC LỤC
TIÊU ĐỀ

TRANG



LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................4



LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................8



CHƯƠNG I : TỔNG QUAN .........................................................................9




CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................ 10
I. CẢM BIẾN MƯA
II. UA741
III. TRANSISTOR C1815

 CHƯƠNG III : THIẾT KẾ

VÀ THI CÔNG MẠCH...................................... 14

3.1. SƠ ĐỒ KHỐI TRONG MẠCH CẢNH BÁO MƯA............................. 14
3.2. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ............................................................................. 15
1. Khối nguồn
2. Khối so sánh điện áp
3. Khối báo động

3.3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG ................................................................. 16

 CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN................................................................................ 18
Mạch hoạt động ra sao
Ưu Khuyết điểm của mạch



TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................18

1


Đồ Án Môn Học 1

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứng
dụng các thiết bị điện tử vào đời sống cũng ngày càng trở nên phổ biến hơn,
nhất là với thời đại mà các hệ thống nhúng đang lên ngôi. Từ những ứng
dụng đơn như đồng hồ kĩ thuật số , máy chơi nhạc MP3… đến những ứng dụng cho
xã hội như đèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy, cửa tự động … cho đến
những ứng dụng mang tính quy mô, tầm cỡ như Robot, phi thuyền không người
lái, kiểm soát nhà máy hạt nhận… .

Với những kiến thức đã được học và tìm hiểu từ trường học và khoa học

công nghệ của cuộc sống hiện đại, em cũng có mong muốn góp thêm phần
nào vào sự phát triển xã hội bằng cách học hỏi và đưa ra những sản phẩm
có ích cho cuộc sống. Em xin giới thiệu một sản phẩm rất thiết thực cho
cuộc sống của chúng ta:”Mạch cảnh báo mưa “.

Mạch cảnh báo mưa sẽ giúp cho chúng ta nhận biết được khi nào trời bắt
đầu mưa trong khi đang bận làm việc gì đó, không để ý đến thời tiết bên
ngoài.

Phần trình bày chi tiết về Mạch cảnh báo mưa gồm hai phần. P hần thứ nhất là
phần giới thiệu chung, mô tả những chuẩn trên mạch và các hướng, phương pháp
dùng để thiết kế mạch cảnh báo mưa. Phần thứ hai là phần quan trọng nhất, phần này
mô tả các hoạt động và nguyên lý thiết kế mạch cảnh báo mưa .

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 11 năm 2016
Sinh viên thực hiện

2


Đồ Án Môn Học 1

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN

1.1: Lý do chọn đề tài
Trong điều kiện thời tiết thất thường như hiện nay, mưa có thể xuất hiện bất kì
lúc nào và rất khó để dự báo trước được. Những người nội trợ hay bất kì người dùng
nào khác thường không nhận thức được sự xuất hiện của mưa khi họ bận làm việc gì
đó hoặc trong lúc ngủ. Công việc của họ rất khó để thực hiện khi không thể nhận biết
được khi nào trời bắt đầu chuyển mưa. Đây là lý do để em thiết kế nên Mạch cảnh báo
mưa này.

1.2: Mục tiêu đề tài
-

Thiết kế một mạch điện tử sử dụng OP-AMP để so sánh ngưỡng điện áp và cơ chế
đóng ngắt dùng BJT để điều khiển Relay.
- Mạch cảnh báo mưa nhằm giúp cho mọi người nhận biết một cách sớm nhất khi trời
mưa. Bộ phận cảm biến có thể phát hiện ngay từ khi xuất hiện những hạt mưa đầu
tiên và phát ra âm thanh để cảnh báo mọi người trong nhà.

3


Đồ Án Môn Học 1

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1: Tổng quan thiết kế
-

Ta cần thiết kế ba khối chính cho mạch : khối nguồn, khối so sánh điện áp và khối báo
động.

-

Mạch cảnh biến mưa là một công cụ dễ dàng để phát hiện mưa. Nó có thể được sử
dụng như là một công tắc chuyển đổi khi hạt mưa rơi vào tấm cảm biến nước.

-

Để phát hiện khi trời bắt đầu mưa, ta đặt tấm cảm biến nước làm một góc khoảng 30 45 độ so với mặt đất. Điều này làm cho nước mưa chảy qua nó xuống đất và ngăn
ngừa sự báo động xảy ra do nước lưu lại trên tấm cảm biến.
-

Sử dụng còi 12V để hú báo động và LED phát sáng khi trời bắt đầu mưa.

2.2: Các linh kiện dùng trong mạch thiết kế
-

-

Cảm biến nước
Cảm biến nước là thành phần chính của mạch cảnh báo mưa. Nó được làm từ 1
tấm nhựa Bakelite hoặc nhựa mica, với kích thước 5cm x 4cm. Ở 2 bên mặt
được in dây dẫn bằng nhôm, được dính chặt bằng keo epoxy. Khoảng cách giữa
các dây nên có khoảng 3-5mm.
Nếu không có mưa, trở kháng giữa các dây sẽ rất cao và sẽ không có sự truyền
dẫn giữa các dây trong bộ cảm biến. Khi nào có mưa rơi vào tấm cảm biến, nó
sẽ ngắn các điểm A và B lại và lúc đó sẽ có sự truyền dẫn giữa các dây.

Hình 2.2.1: hình dáng tấm cảm biến nước

4


Đồ Án Môn Học 1
-

IC UA741

Hình 2.2.2: Hình dáng UA741
UA741 là bộ khuếch đại thuật toán hiệu suất cao, được xây dựng trên một con
chip đơn silicon. Nó được thiết kế cho một loạt các ứng dụng tương tự.
- Các đặc trưng của UA741
1. Độ nhạy cao.
2. Hệ số khuyếch đại lớn.
3. Có bảo vệ ngắn mạch.
- Ứng dụng
1. Bộ so sánh điện áp.
2. Bộ khuếch đại cộng.
3. Bộ khuếch đại đệm.
4. Máy tích phân.
5. Mạch lọc tích cực.
6. Bộ tạo hàm số.
-

Hình 2.2.3: Sơ đồ chân UA741

5


Đồ Án Môn Học 1

Hình 2.2.4: Cấu tạo bên trong UA741

-

Cấu tạo bên trong của UA741: Mặc dù các thiết kế có thể khác nhau giữa các
sản phẩm và các nhà chế tạo, nhưng tất cả các mạch khuếch đại thuật toán đều
có chung những cấu trúc bên trong, bao gồm 3 tầng:

-

Tầng khuếch đại vi sai, nhiệm vụ khuếch đại độ sai lệch tín hiệu giữa hai ngõ
vào v+ và v-. Nó hội đủ các ưu điểm của mạch khuếch đại vi sai như: độ miễn
nhiễu cao; khuếch đại được tín hiệu biến thiên chậm; tổng trở ngõ vào lớn ...

-

Tầng khuếch đại trung gian, bao gồm nhiều tầng khuếch đại vi sai mắc nối tiếp
nhau tạo nên một mạch khuếch đại có hệ số khuếch đại rất lớn, nhằm tăng độ
nhay cho Op-Amps. Trong tẩng này còn có tầng dịch mức DC để đặt mức phân
cực DC ở ngõ ra.

-

Tầng khuếch đại đệm, tần này nhằm tăng dòng cung cấp ra tải, giảm tổng trở
ngõ ra giúp Op-Amp phối hợp dễ dàng với nhiều dạng tải khác nhau.

-

Các thông số kỹ thuật của UA741:
6


Đồ Án Môn Học 1

1. Absolute maximum ratings:

Symbol

Value

Unit

Supply voltage

±22

V

Vid

Differential input voltage

±30

V

Vi

Input voltage

±15

V

VCC

Parameter

Output short-circuit duration

Infinite

Rthja

Thermal resistance junction to ambient
SO-8
DIP8

125
85

°C/W

Rthjc

Thermal resistance junction to case
SO-8
DIP8

40
41

°C/W

DIP package
SO package

500
400

V

MM: machine model(2)

100

V

CDM: charged device model(3)

1.5

kV

-65 to +150

°C

HBM: human body model(1)
ESD

Tstg

Storage temperature range
2. Operating conditions:

Symbol

VCC
Vicm
Toper

Parameter

UA741I

Supply voltage
Common mode input voltage
range
Operating free air temperature
range

UA741C

5 to 40
±12
-40 to
+105

0 to +70

CHƯƠNG III : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH
3.1: Sơ đồ khối:
7

Unit

V
V
°C


Đồ Án Môn Học 1

KHỐI
NGUỒN



KHỐI SO
SÁNH
ĐIỆN ÁP

KHỐI BÁO
ĐỘNG

Khối nguồn : cung cấp nguồn cho hệ thống , ta sử dụng nguồn +5V. Các linh
kiện cần dùng cho khối nguồn :

+ Điện trở thường 220 Ohm.
+ Tụ gốm 104.
+ Đèn Led.


Khối so sánh điện áp : Khi có mưa rơi vào tấm cảm biến, trong khối
sẽ xảy ra sự so sánh điện áp giữa chân V - và chân V + . Sau đó sẽ đưa ra
tín hiệu để điều khiển khối cảnh báo. Khối so sánh bao gồm:

+ Điện trở 10kOhm.
+ Biến trở 10kOhm.
+ UA741.


Khối báo động : Báo động cho người dùng biết trời bắt đầu mưa, ở đây gồm
có :
+ Đèn Led.
+ BJT C1815.
+ Relay 5V.
+ Còi Buzzer.

8


Đồ Án Môn Học 1

3.2 : Sơ đồ nguyên lý của mạch cảnh báo mưa

Kéo Khung Ra Có Sơ Đồ Bên Trong :D

3.2.1: Tính toán các thông số cho khối nguồn
-

-

Dựa vào công thức : R = (Vcc – VLED)/ILED
Led hoạt động ở mức 1.8V đến 3V dòng từ 10 đến 20mA . Nếu muốn led hoạt
động bình thường ở nguồn 5V thì : Giá trị điện trở nhỏ nhất : (5V - 3V)/20mA =
100 Ohm.
Giá trị lớn nhất : (5V-1.8V)/10mA = 320 Ohm.
Do đó ta chọn điện trở trong khoảng 100 Ohm tới 320 Ohm, ở mạch này em
chọn điện trở 220 Ohm.
Tụ C1 gắn song song với led nhằm ổn định dòng làm cho dòng chảy ổn định
dẫn đến led sáng ổn định và không bị chập chờn.

3.2.2: Tính toán thông số cho khối so sánh điện áp
-

Sử dụng biến trở VR10K có tác dụng điều chỉnh điện áp vào chân V + của
UA741.
Các điện trở R2, R3 được ghép nối tiếp với nhau và được nối vào chân V - của
UA741 theo cầu phân áp.
Khi ta cấp nguồn 5Vdc vào mạch, UA741 sẽ lấy điện áp tham chiếu tại chân V -.
Ta chọn R2=R3=10kOhm, khi đó điện áp tham chiếu V REF=Vcc.R3/(R2+R3) =
Vcc/2 = 2.5V.
- Khi điện áp tại chân V+ > VREF thì điện áp ra mức 1 và được đưa tới
khối báo động.
9


Đồ Án Môn Học 1
3.2.3: Tính toán thông số cho khối báo động
-

Để tránh cho mạch không bị hiện tượng đoản mạch, em đặt ở giữa chân V out của
UA741 và cực B của Transistor C1815 điện trở 10kOhm.

-

Diode 4007 được nối vào 2 đâu cuộn cảm trong relay để nhằm xả dòng của cuộn từ từ
khi đóng ngắt mạch điện, tránh trường hợp Transistor bị cháy do điện áp ngược xảy ra
trong cuộn dây relay.

-

Ở chân COM của relay t nối vào cực dương pin 9V.

-

Một đầu của còi Buzzer được gắn vào chân NO của relay, đâu còn lại được nối vào
nguồn âm của pin 9V.
3.3 : Nguyên lý hoạt động của mạch

-

Ta cấp nguồn 5Vdc vào mạch:

o Khi trời không mưa: điện áp tại chân V + < V- nên VOUT=0. Khi đó thế điện tại cực B

của Transistor sẽ bé hơn thế điện tại cực C và cực E, Transistor ở trạng thái tắt =>
Mạch không hoạt động.
o Khi có nước mưa rơi vào tấm cảm biến nước, nó sẽ ngắn 2 điểm A,B lại. Ta điều

chỉnh biến trở sao cho V+ > V- . Khi đó, ngõ ra của OP-AMP sẽ có điện áp VOUT ≅ 5V.
Lúc này thế điện tại cực B sẽ lớn hơn tại cực C và cực E, Transistor ở trạng thái dẫn
bão hòa => Relay nhảy => Còi phát ra âm thanh cảnh báo cho người dùng.
3.4: Sơ đồ mạch thi công

10


Đồ Án Môn Học 1
3.5 : Sơ đồ mạch in

3.6: Đo đạc , kiểm tra các thông số hoạt động của mạch
- Khi cấp nguồn 5v vào , chân V- của UA741 có điện áp khoảng 2.1V, chân V OUT=0,

mạch không hoạt động.
-

Nhỏ nước vào tấm cảm biến, dùng thang đo 10V để đo chân V + của UA741, sau đó
thay đổi biến áp để chân V + có điện áp khoảng 3V, chân VOUT=3.5V, mạch hoạt động
bình thường.

11


Đồ Án Môn Học 1

CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN
4.1: Kiểm nghiệm quá trình hoạt động của mạch
Sau quá trình đo đạc và kiểm tra, khi cấp nguồn vào mạch hoạt động tốt, khi có
nước mưa rơi vào tấm cảm biến thì cả đèn led sáng và loa lập tức hú còi báo tới người
sử dụng trời bắt đầu mưa.

4.2: Ưu, khuyết điểm của mạch
o Ưu điểm :

+ Có tính ứng dụng cao.
+ Dễ thi công và sử dụng.
+ Chi phí thi công thấp.
o Khuyết điểm :

+ Trong quá trình sử dụng, do tấm cảm biến được đặt ngoài trời nên phải
thường xuyên lau chùi, tránh bị oxi hóa.
+ Mạch hàn còn xấu.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. www.alldatasheet.com/UA741
2. http://codientu.org/threads/365/
3. https://www.renesas.com/en-eu/support/technical-resources/engineer-

school/electronic-circuits-03-op-amps-comparator-circuit.html
4. https://electroskan.wordpress.com/2010/04/29/rain-alarm/
5. Điện tử 1 - Ths. Nguyễn Thị Ngọc Anh – ĐH Công Nghệ TPHCM
6. Điện tử 2 – TS. Võ Đình Tùng- ĐH Công Nghệ TPHCM

12



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×