Thiết kế và chế tạo mạch cảm biến từ trường và hiển thị cảnh báo qua LED sử dụng nguồn 5VDC | Báo cáo đồ án Cơ bản về điện tử - Điện tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN 1
CƠ BẢN VỀ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mạch cảm biến từ trường và
hiển thị cảnh báo qua LED sử dụng nguồn 5VDC Sinh viên thực hiện: Đỗ Cao Sơn Mã SV: 21011658
Hà Ngọc Sơn Mã SV: 21012560 Lớp: N01
Cán bộ hướng dẫn: TS. Lương Văn Sử Khoa Điện – Điện tử TS. Đào Tô Hiệu Khoa Điện – Điện tử Hà Nội 2022 MỤC LỤC
MỤC LỤC HÌNH VẼ...............................................................................2
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ CÁC GIẢI PHÁP THỰC HIỆN ............................. 2
1.1 Mở đầu ............................................................................................................... 2
1.2. Mạch cảm biến từ trường và hiển thị cảnh báo qua LED sử dụng nguồn
5VDC ....................................................................................................................... 2
1.2.1. Module cảm biến từ A3144 ........................................................................ 2
1.2.2. Nguyên lý hoạt động .................................................................................. 4
1.3. Ứng dụng .......................................................................................................... 6
1.4. Ưu điểm & nhược điểm .................................................................................... 6
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................................................ 7
2.1. Sơ đồ nguyên lý ................................................................................................ 7
2.2. Nguyên lý hoạt động ......................................................................................... 7
2.3. Sơ đồ 3D ........................................................................................................... 9
2.4 Tính toán, lựa chọn tham số mạch và linh kiện ................................................ 10
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ KẾT LUẬN .......................................... 11
3.1 Kết quả thực nghiệm ........................................................................................ 11
3.2 Kết luận và hướng phát triển của đề tài ............................................................ 13
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 15 MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cách sử dụng cảm biến hall 3144.................................................................3
Hình 1.2: Cảm biến Hall A3144...................................................................................3
Hình 1.3: Cấu hình chân cảm biến Hall A3144............................................................4
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến Hall phát hiện từ trường.........................5
Hình 1.5: Cảm biến khi có từ trường............................................................................6
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống......................................................................................7
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý............................................................................................8
Hình 2.3: Sơ đồ 3D.......................................................................................................9
Hình 2.4: Tính toán thông số để lựa chọn linh kiện....................................................10 Hình 3.1:
Mạch cảm biến từ trường khi chưa được cấp nguồn
5VDC.........................11
Hình 3.2: Mạch cảm biến khi đã được cấp nguồn 5VDC và chưa có từ trường......... 12
Hình 3.3: Mạch cảm biến khi đã được cấp nguồn 5VDC và có từ trường ................. 13 lOMoARcPSD|47880655 LỜI NÓI ĐẦU
Với xu hướng phát triển của các thiết bị điện – điện tử gắn liền với cuộc
sống thì nhu cầu sử dụng các thiết bị điện – điện tử trong đời sống sinh hoạt cũng
như trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ tăng không ngừng. Từ
trường là một ứng dụng quan trọng và được ứng dụng nhiều trong các thiết bị
điện – điện tử. Chính vì vậy nhóm chúng em đã quyết định thiết kế và chế tạo
mạch cảm biến từ trường và hiển thị cảnh báo qua LED sử dụng nguồn 5VDC.
Chúng em xin cảm ơn đại học Phenikaa đã đưa bộ môn Project môn học
này vào chương trình dạy. Môn này giúp chúng em tự mày mò nguyên cứu các
linh kiện điện, các phần mềm vẽ mạch và nguyên lí hoạt động của các linh kiện
đó hay là mạch đó. Đây là những kiến thức hữu ích cho chúng em. Đồng thời
chúng em cũng xin cảm ơn hai thầy giáo Lương Văn Sử và thầy Đào Tô Hiệu đã
hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện. 1 lOMoARcPSD|47880655
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ CÁC GIẢI PHÁP THỰC HIỆN 1.1 Mở đầu
Tổng quan về mạch cảm biến từ trường và hiển thị cảnh báo qua LED sử
dụng nguồn 5VDC là sử dụng cảm biến từ trường để phát hiện từ trường và báo qua đèn LED.
1.2. Mạch cảm biến từ trường và hiển thị cảnh báo qua LED sử dụng nguồn 5VDC
1.2.1. Module cảm biến từ A3144 a. Giới thiệu
Cảm biến Hall A3144 là loại cảm biến tích hợp và non-latching, được sử
dụng rộng rãi để xác định cực từ. Cảm biến từ độ nhạy cao, có thể hoạt
động trong môi trường nhiệt độ lên tới 140°C. A3144 hall sensor là cảm
biến từ tích hợp nguyên khối, điện áp hoạt động từ 4.5V đến 24V, xuất tín
hiệu logic. Giữ một nam châm gần cảm biến sẽ làm cho chân đầu ra bật
tắt. Điều này tạo ra một cảm biến hiện diện mạnh mẽ. Cảm biến có 2 mặt,
ví dụ một mặt xác định cực từ dương và mặt còn lại sẽ xác định cực từ
âm.Có hai loại cảm biến Hall chính có sẵn trên thị trường, loại đầu tiên
có đầu ra analog và loại thứ hai có đầu ra digital. Nhưng ở đây chỉ nói về
cảm biến Hall A3144 cho đầu ra digital. Cảm biến Hall này có kích thước
nhỏ, tiêu thụ ít điện năng và dễ dàng giao tiếp với các loại bộ điều khiển.
Có hai loại cảm biến hiệu ứng Hall chính, một loại cho đầu ra analog và
loại còn lại cho đầu ra digital. A3144 là cảm biến Hall đầu ra digital, có
nghĩa là nếu nó phát hiện ra nam châm, đầu ra sẽ giảm xuống mức thấp
nếu không đầu ra sẽ vẫn ở mức cao. Bắt buộc phải sử dụng một điện trở
kéo lên như hình dưới để giữ cho đầu ra ở mức cao khi không phát hiện thấy nam châm. 2 lOMoARcPSD|47880655
Hình 1.1(nguồn ảnh trang 16)
Trong sơ đồ mạch trên, điện trở R1 (10K) được sử dụng như một điện trở
kéo lên và tụ điện C1 (0,1uF) được sử dụng để lọc bất kỳ tiếng ồn nào có
thể được kết hợp với đầu ra digital.
Ứng dụng nhiều trong hệ thống tự động hóa để đo tốc độ, bên trong cảm
biến vị trí để phát hiện các đối tượng có từ tính, trong động cơ có chổi than
(brushless DC motor) để phát hiện cực từ và trong hệ thống cảnh báo cửa
từ, vv Các cảm biến này có sẵn trên thị trường hoặc trên các cửa hàng trực
tuyến. Cảm biến Hall A3144 được hiển thị trong hình 1:
Hình 1.2: Cảm biến Hall A3144 (nguồn ảnh trang 16) b. Đặc điểm 3 lOMoARcPSD|47880655
Cảm biến có ba chân được thể hiện trong hình 2. Chân đầu tiên là chân
nguồn, sử dụng để cấp nguồn DC 5V cho cảm biến. Chân thứ hai là chân
nối đất, sử dụng để cấp mass cho cảm biến.
Tương tự, chân thứ ba là chân đầu ra digital được kết nối giao tiếp với bộ
điều khiển như vi điều khiển hoặc Arduino, v.v. Cần mắc thêm điện trở
pull-up có giá trị 10k ohm vào giữa chân 1 và 3 để giữ cho đầu ra luôn ở
mức logic cao khi không có từ trường. Và cần thêm 1 tụ điện 0,1μF mắc
vào giữa chân 2 và 3 để lọc nhiễu tín hiệu đầu ra digital.
Hình 1.3: Cấu hình chân cảm biến Hall A3144 (nguồn ảnh trang 16)
Thông số kỹ thuật cảm biến Hall A3144:
Cảm biến hiệu ứng Hall đầu ra digital
Điện áp hoạt động: 4,5V đến 28V (thường là 5V) Dòng đầu ra: 25mA
Có thể được sử dụng để phát hiện cả hai cực của nam châm
Điện áp đầu ra bằng điện áp hoạt động
Nhiệt độ hoạt động: -40 ° C đến 85 ° C
Thời gian Bật và Tắt mỗi lần là 2uS
Có bảo vệ phân cực nghịch
Thích hợp cho các ứng dụng ô tô và công nghiệp
1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Cảm biến Hall A3144 có một vật liệu có từ trường, nhưng các điện tích
của từ trường này không ở vị trí tích cực. Các điện tích di chuyển đến vị trí
tích cực khi có điện áp cấp vào các chân đầu vào. Khi chùm hạt điện tích
đi qua từ trường này thì có 1 lực tác dụng lên các hạt điện tích và chùm tia 4 lOMoARcPSD|47880655
sẽ bị phản xạ trở lại theo đường thẳng. Chùm tia này sẽ dẫn điện. Sau đó,
tạo ra một mặt phẳng có từ trường và mặt phẳng thứ hai có chùm tia mang
dòng điện bị lệch. Kết quả là, mặt thứ nhất có điện tích dương và mặt thứ
hai mang điện tích âm. Các điện áp ở giữa hai mặt này được gọi là điện áp
Hall. Nếu lực giữa chùm tia sáng và từ trường là bằng nhau, thì hai mặt sẽ
k bị tách. Có nghĩa là không có sự thay đổi dòng điện, sau đó dùng điện áp
Hall để đo mật độ từ thông.
Có 2 dạng tín hiệu Anolog và Digital :
Dạng tín hiệu Digital với mức dòng đạt 100mA có thể điều khiển trực tiếp
rơ le 5V, còi chip 5V,hoặc đưa trực tiếp vào các IO của Vđk,…
Dạng tín hiệu Anolog với dải áp từ 0-5V với mức dòng tối đa đạt 20mA có
thể đọc trực tiếp từ các bộ ADC của AVR,PIC.
Module sử dụng opamp LM393 với độ nhạy cao.
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến Hall phát hiện từ trường(nguồn ảnh trang 16)
Khi có từ trường biến thiên qua đầu cảm biến (ở trường hợp này là có sự di
chuyển của nam châm) thì đầu ra của cảm biến hall có sự thay đổi điện áp 5 lOMoARcPSD|47880655
Hình 1.5 (nguồn ảnh trang 16) 1.3. Ứng dụng
Được sử dụng để phát hiện nam châm (vật thể) trong hệ thống tự động hóa
Được sử dụng trong hệ thống báo động cửa từ Đo tốc độ trên ô tô
Phát hiện cực của nam châm trong động cơ BLDC
Trong ứng dụng thực tế, cảm biến này được dùng làm công tắc từ, cảm
biến hành trình, cảm biến đo mực chất lỏng và cảm biến đo tốc độ vòng quay
1.4. Ưu điểm & nhược điểm
• Ưu điểm: là cảm biến từ có độ nhạy cao, bản thân nó là 1 mạch tích
hợp nguyên khối với các thông số kỹ thuật từ tính chặt chẽ. Cảm biến
này được thiết kế để hoạt động liên tục trong điều kiện nhiệt độ lên đến
1500C và hoạt động ổn định khi điện áp và dòng điện thay đổi. Nó cũng
có thể dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển vì nó hoạt động trên logic
transistor.Vì vậy, nếu bạn đang tìm kiếm một cảm biến phát hiện nam
châm để đo tốc độ của một vật thể chuyển động hoặc chỉ để phát hiện
vật thể thì cảm biến này là sự lựa chọn hoàn hảo.
• Nhược điểm: độ nhạy của chúng đối với nhiễu điện từ, thường xảy ra
trong các mạch vận hành. Ngoài ra, việc sử dụng các mô-đun điện tử
phức tạp trong thiết kế của thiết bị ở một mức độ nào đó sẽ ảnh hưởng
đến độ tin cậy của nó, làm giảm nhẹ nó. Những nhược điểm này của.
cảm biến không được coi là khuyết điểm của nó, mà chỉ được tính đến
khi làm việc với thiết bị. 6 lOMoARcPSD|47880655
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1. Sơ đồ nguyên lý
Xuất phát từ các yêu cầu của đề tài, chúng ta có sơ đồ khối của thiết bị như trên hình 2.1.
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống
2.2. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của mạch như sau:
-) Mạch cảm biến từ trường này sử dụng 1 nguồn 5VDC, 2 điện trở , 2
bóng đèn led và cảm biến từ trường hall a3144.
+) Nguyên lý hoạt động của hall a3144: Cảm biến Hall A3144 có một vật
liệu có từ trường, nhưng các điện tích của từ trường này không ở vị trí tích
cực. Các điện tích di chuyển đến vị trí tích cực khi có điện áp cấp vào các
chân đầu vào. Khi chùm hạt điện tích đi qua từ trường này thì có 1 lực tác
dụng lên các hạt điện tích và chùm tia sẽ bị phản xạ trở lại theo đường
thẳng. Chùm tia này sẽ dẫn điện.
-) Đầu tiên cấp cho mạch nguồn 5VDC, mắc nối tiếp bóng đèn 1 led 5mm
( LED vàng ) với một điện trở 470Ω, cực dương nguồn nối với cực dương
bóng đèn , cực âm nối với điện trở. Khi đó đèn vàng sáng cảnh báo mạch
đã được cấp nguồn thành công. Cực dương của nguôn tiếp tục mắc nối
tiếp với chân dương của bóng đèn LED 2 ( LED đỏ ) và chân 1 của hall
3144. Chân âm của LED 2 mắc nối tiếp với 1 điện trở 470Ω và điện trở
này mắc nối tiếp với chân 2 của a3144. Chân 3 của A3144 mắc với nguồn
âm. Lúc này a3144 có vai trò như 1 công tắc. Khi có từ trường công tắc
này đóng làm dòng điện đi qua từ chân 3 đến chân 2 và từ chân 2 đi qua 7 lOMoARcPSD|47880655
điện trở đến với bóng đèn led 2. Giúp bóng đèn này phát sáng. Khí đèn
LED 2 sáng cxung là đèn cảnh báo có từ trường. Sơ đồ mạch in:
Hình 2.2: Sơ đồ mạch in 8 lOMoARcPSD|47880655 2.3. Sơ đồ 3D Hình 2.3: Sơ đồ 3D 9 lOMoARcPSD|47880655
2.4 Tính toán, lựa chọn tham số mạch và linh kiện. Hình 2.4
-) Dựa vào kết quả tính toán như trên ta có thể thấy cường độ dòng điện khi
đi qua LED là 1/94(A)=10,64(mA). Mà đèn LED 5mm hoạt động được ở mức dưới 30mA.
-) Vậy ta lựa chọn linh kiện gồm có
+) 2 đèn LED 5mm (1 vàng, 1 đỏ) +) 2 điện trở 470 Ω +) 1 cảm biến hall A3144
+) 1 cồng cấp nguồn cho mạch 10 lOMoARcPSD|47880655
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ KẾT LUẬN
3.1 Kết quả thực nghiệm
Hình 3.1 ( hình ảnh mạch cảm biến từ trường khi chưa được cấp nguồn 5VDC) 11 lOMoARcPSD|47880655
Hình 3.2 ( hình ảnh mạch cảm biến khi đã được cấp nguồn 5VDC và chưa có từ trường) 12 lOMoARcPSD|47880655
Hình 3.3 ( hình ảnh mạch cảm biến khi đã được cấp nguồn 5VDC và đã
phát hiện có từ trường)
-) Thiết bị hoạt động ổn định
+) LED1 ( đèn vàng ) sáng khi thiết bị được cấp nguồn 5VDC báo hiệu
thiết bị đã đươc cấp nguồn thành công.
+) LED2 ( đèn đỏ ) không sáng khi cảm biến không phát hiện từ trường ,
đèn sáng khi cảm biến phát hiện từ trường.
3.2 Kết luận và hướng phát triển của đề tài - Về kiến thức:
+ Đã nghiên cứu về mạch cảm biến từ trường và hiển thị cảnh báo qua LED sử dụng nguồn 5VDC. + Cảm biến Hall A3144
+ Biết cách sử dụng phần mềm vẽ mạch proteus. - Về thực nghiệm: 13 lOMoARcPSD|47880655
+ Chế tạo thành công thiết bị mạch cảm biến từ trường và hiển thị cảnh báo qua LED
+Nâng cao kỹ năng vận hành thiết bị đo, dụng cụ điện tử. 14 lOMoARcPSD|47880655
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. https://icdayroi.com/module-cam-bien-tu-a3144-module-cam-
bien-hall- a3144
2. https://blog.mecsu.vn/gioi-thieu-cam-bien-hall-a3144/ 3. Nguồn hình:
Hình 1.1: https://blog.mecsu.vn/gioi-thieu-cam-bien-hall-a3144/
Hình 1.2: https://blog.mecsu.vn/gioi-thieu-cam-bien-hall-a3144/
Hình 1.3: https://blog.mecsu.vn/gioi-thieu-cam-bien-hall-a3144/ Hình
1.4: https://icdayroi.com/module-cam-bien-tu-a3144-module-cambien- hall-a3144
Hình 1.5: https://icdayroi.com/module-cam-bien-tu-a3144-module-
cambien-hall-a3144 15