Nhom24-do_diendung

1.3 Đo điện dung bằng phương pháp đếm xung Mạch đo điện dung sử dụng phương pháp đếm xung bằng cách lợi dụng quá trình quá độ trong mạch RC và tranzito ở chế độ khóa hoặc khếch đại thuậ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Thiết kế thiết bị đo

Xây dựng mạch đo điện dung bằng phương pháp đếm xung

NHÓM 24 TRẦN SỸ NHẬT MINH - 20174056

TRẦN MẠNH CÔNG - 20173690

PHẠM VĂN LƯU - 20174039

Ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Thị Lan Hương

Bộ môn: Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp

HÀ NỘI, 7/2021

Chữ ký của GVHD

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 Giới thiệu một số phương pháp đo điện dung 1

1.1 Cầu xoay chiều R, C song song 1

1.2 Đo điện dung bằng phương pháp cộng hưởng 1

1.3 Đo điện dung bằng phương pháp đếm xung 2

CHƯƠNG 2 Nguyên lý chung của phương pháp đếm xung 3

2.1 Giới thiệu một vài mạch tạo xung 4

Mạch đa hài tự dao động 4

Mạch đa hài đợi: 4

Trigơ 5

CHƯƠNG 3 Thiết kế mạch 6

3.1 Các thành phần trong mạch 6

3.2 Lựa chọn linh kiện 6

IC 555 6

Vi điều khiển 8051 7

Led 7 thanh hiển thị 4 số 8

3.3 Sơ đồ thuật toán 9

3.4 Tính toán thiết kế 10

IC 555 10

Bộ tạo xung sử dụng OPAM, RC 11

CHƯƠNG 4 Kết quả 13

4.1 Đo điện dung sử dụng OPAM + RC 13

4.2 Đo điện dung sử dụng IC 555 15

4.3 Mạch đo điện dung sử dụng OPAM + RC khi vẽ trên Altium 16

CHƯƠNG 5 Kết luận 17

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Mạch cầu R, C song song 1

Hình 1-2 Mạch đo điện dung bằng phương pháp cộng hưởng 1

Hình 1-3 Đo điện dung bằng phương pháp đếm xung 2

Hình 2-1 Quá trình nạp điện trong mạch dao động RC 3

Hình 2-2 Đồ thị dòng điện, điện áp trong quá trình nạp tụ 3

Hình 2-3 Quá trình xả tụ 3

Hình 2-4 Mạch đa hài tự dao động sử dụng tranzito 4

Hình 2-5 Mạch đa hài tự dao động sử dụng IC khuếch đại thuật toán 4

Hình 2-6 Mạch đa hài đợi dùng IC 5

Hình 2-7 Trigơ dùng IC 5

Hình 3-1 IC NE555 và mạch tạo xung vuông với IC NE555 6

Hình 3-2 Vi điều khiển 8051 8

Hình 3-3 Led 7 đoạn 8

Hình 3-4 Sơ đồ thuật toán 9

Hình 3-5 Mạch tạo dao động dùng IC 555 10

Hình 3-6 Bộ tạo xung OPAM - RC 11

Hình 4-1 Đo điện dung sử dụng OPAM + RC 13

Hình 4-2 Đo tụ có điện dung 98 μF ở thang đo 0 – 100 μF 14

Hình 4-3 Đo tụ có điện dung 500 μF ở thang đo 0 – 1000 μF 14

Hình 4-4 Đo tụ có điện dung 1000 μF ở thang đo 0 – 1000 μF 15

Hình 4-5 Đo điện dung sử dụng IC-555 15

Hình 4-6 Mạch được xây dựng trên Altium 16

1

CHƯƠNG 1 Giới thiệu một số phương pháp đo điện dung

1.1 Cầu xoay chiều R, C song song

Hình 1-1 Mạch cầu R, C song song

R3 và R4 lần lượt là các điện trở mẫu có thể thay đổi được

C1 là tụ điện mẫu có thể thay đổi được

Cx là tụ điện cần đo

Nguồn cung cấp là tín hiệu hình sin

Khi cầu đo cân bằng, ta có:

Cx = 𝑅3

𝑅4 𝐶1

1.2 Đo điện dung bằng phương pháp cộng hưởng

Điều kiện cộng hưởng :

𝒘𝟎 = 𝟏

√𝑳𝟎⋅ 𝑪𝟎

Hình 1-2 Mạch đo điện dung bằng phương pháp cộng hưởng

1.3 Đo điện dung bằng phương pháp đếm xung

Mạch đo điện dung sử dụng phương pháp đếm xung bằng cách lợi dụng quá trình quá độ trong mạch RC và tranzito ở chế độ khóa hoặc khếch đại thuật toán ở chế độ so sánh Dựa vào việc đếm xung được tạo ra bởi các mạch tạo xung, ta sẽ tính ra tần số tạo xung của mạch Từ đó, ta sẽ tính được giá trị của tụ

⟹ Kết luận : nhóm chọn phương pháp đếm xung do có đầu ra tín hiệu được

số hóa, dễ dàng ghép với vi điều khiển, máy tính để tính toán, tăng độ chính xác cho mạch đo

Hình 1-3 Đo điện dung bằng phương pháp đếm xung

3

CHƯƠNG 2 Nguyên lý chung của phương pháp đếm xung

Mạch tạo xung vuông có ba loại cơ bản là mạch dao động đa hài, mach đa hài đợi và trigơ Hầu hết các mạch tạo xung đều lợi dụng quá trình quá độ trong mạch RC và tranzito ở chế độ khoá hoặc khuếch đại thuật toán ở chế độ so sánh

Quá trình quá độ trong mạch RC: Mạch tạo xung vuông thường được xây

dựng trên quá trình phóng nạp của tụ điện, tần số của dao động của mạch phụ thuộc vào khoảng thời gian nạp và phóng của tụ điện

Quá trình nạp điện: Giả sử khi t < 0 tụ C không chứa điện Uc = 0 Tại t = 0 khoá K đóng vào 1, tụ C nạp điện từ nguồn E qua điện trở R Điện áp trên tụ tính bằng: trong đó T = R x C, thời gian nạp điện của tụ gần đúng là: tnd = t2 –

t1 = 3T

Quá trình phóng điện: Giả thiết trước thời điểm phóng điện tụ C đã được nạp

đầy Uc = E Tại thời điểm t = 0 khoá K chuyển về 2, tụ C phóng điện qua R (từ +C qua R đến -C) Sau thời gian 3T quá trình phóng điện xem như chấm dứt

Hình 2-3 Quá trình xả tụ.

Hình 2-1 Quá trình nạp điện trong

mạch dao động RC Hình 2-2 Đồ thị dòng điện, điện áp trong quá trình nạp tụ.

4

2.1 Giới thiệu một vài mạch tạo xung

Mạch đa hài tự dao động

Bao gồm 2 loại sử dụng tranzito và IC khuếch đại thuật toán

Hình 2-5 Mạch đa hài tự dao động sử dụng IC khuếch đại thuật toán Nếu chọn R1 =

R2 thì: T = 2.2R C

Mạch đa hài đợi:

Mạch đa hài đợi có hai trạng thái, trong đó có một trạng thái ổn định và một trạng thái không ổn định Khi có nguồn mạch ở trạng thái ổn định Có xung kích thích mạch chuyển sang trạng thái không ổn định một thời gian rồi tự trở về trạng thái ổn định ban đầu chờ xung kích thích tiếp Như vậy cứ một xung vào mạch chuyển đổi trạng thái hai lần cho một xung vuông ra Mạch có thể dùng tranzito hay IC thuật toán

Hình 2-4 Mạch đa hài tự dao động sử dụng tranzito Chu kỳ dao động của mạch: T = 0,7(R3 C2 + R2 C1)

Hình 2-7 Trigơ dùng IC.

6

CHƯƠNG 3 Thiết kế mạch 3.1 Các thành phần trong mạch

➢ Hiển thị: led 7 thanh

➢ Swich hay đổi thang đo

3.2 Lựa chọn linh kiện

IC 555

IC NE555 hoạt động tốt với tần số dưới 500kHz Mạch đo tần số sử dụng chức năng input capture của vi điều khiển, để tăng độ chính xác, ta đảm bảo dải đo nằm trong khoảng dải đếm của timer

Chức năng hoạt động của từng chân:

Hình 3-1 IC NE555 và mạch tạo xung vuông với IC NE555.

7

• Chân 1 (GND): Chân nối GND để giúp cung cấp dòng cho IC hay còn được gọi là mass chung

• Chân số 2 (TRIGGER): Được biết đến là chân đầu vào thấp hơn so với điện

áp so sánh và được sử dụng giống như 1 chân chốt của một tần số áp Mạch

so sánh ở đây được sử dụng là các Transistor PNP với điện áp chuẩn là ⅔ Vcc

• Chân số 3 (OUTPUT): Đây là chân được lấy tín hiệu logic đầu ra Trạng thái tín hiệu ở chân số 3 này được xác định ở mức thấp (mức 0) và mức cao (mức 1)

• Chân số 4 (RESET): Dùng để lập định trạng thái đầu ra của IC 555 Khi chân 4 được nối với Mass thì OUTPUT sẽ ở mức 0 Còn khi chân 4 ở mức cao thì trạng thái đầu ra sẽ phụ thuộc theo mức áp trên chân số 2 và chân số

6 Trong trường hợp, muốn tạo dao động thường chân này sẽ được nối trực tiếp với nguồn Vcc

• Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Chân này được sử dụng để làm thay đổi mức điện áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng

ở các điện trở ngoài nối với chân số 1 GND

• Chân số 6 (THRESHOLD): Là một trong những chân đầu vào để so sánh điện áp và cũng được dùng như một chân chốt

• Chân số 7 (DISCHAGER): Đây được coi như một khóa điện tử và chịu tác động điều khiển từ tầng logic của chân 3 Khi đầu ra là chân OUTPUT ở mức 0 thì khóa này sẽ được đóng và ngược lại Chân số 7 có nhiệm vụ tự nạp và xả điện cho mạch R-C

• Chân số 8 (Vcc): Đây chính là nguồn cấp cho IC 555 hoạt động Chân 8 có

thể được cung cấp với mức điện áp dao động từ 2 – 18V

Vi điều khiển 8051

Vi điều khiển 8051 được Intel thiết kế vào năm 1981 Đây là bộ vi điều khiển

8 bit, được xây dựng với 40 chân DIP (gói nội tuyến kép), 4kb bộ nhớ ROM và

128 byte bộ nhớ RAM, 2 bộ định thời 16 bit Nó bao gồm bốn cổng 8 bit song song, có thể lập trình cũng như định địa chỉ theo yêu cầu Một bộ dao động tinh thể trên chip được tích hợp trong bộ vi điều khiển có tần số tinh thể là 12 MHz

8

Led 7 thanh hiển thị 4 số

Mỗi led là một đoạn Khi mỗi đoạn chiếu sáng thì một phần của chữ số (hệ thập phân hoặc thập lục phân) sẽ được hiển thị Đôi khi có thêm led thứ 8 để biểu thị dấu thập phân khi có nhiều led 7 đoạn nối với nhau để hiển thị các số lớn hơn

10

Hình 3-2 Vi điều khiển 8051

Hình 3-3 Led 7 đoạn

9

3.3 Sơ đồ thuật toán

Hình 3-4 Sơ đồ thuật toán

Bảng đo:

Giá trị đặt tụ 1 5 10 20 50 70 90 96 97 98 99 100 Giá trị hiển thị 1 5 10 20 50 70 90 96 98 98 100 100

Nhận xét: sai số ở các giá trị C lớn do:

11

+ Ưu điểm: Loại bỏ được sai số tính toán

+ Nhược điểm: thời gian đo lâu, không đo được khi tụ C quá nhỏ dẫn tới counter quá lớn

❖ Xét thang đo 0 – 1000 μF

Chọn R=100 Ω thì C = 1 μF ⟺ f = 4809 Hz

C = 1000 μF ⟺ f = 4.8 Hz Chọn giá trị đo Tmax = 1s

Bảng đo:

Giá trị đặt tụ 1 10 100 300 500 800 850 900 950 980 1000 Giá trị hiển thị 1 10 100 300 480 801 801 901 901 961 1000

Bộ tạo xung sử dụng OPAM, RC

Hình 3-6 Bộ tạo xung OPAM - RC

❖ Xét thang đo 0 – 1000 μF

Chọn R1 = R2 = 2000 Ω, R3 = 18000 Ω, + Xét khi chọn R = 1000 Ω ta có :

C = 1 μF ⟺ f = 4745 Hz

C = 1000 μF ⟺ f = 4.75 Hz Chọn giá trị đo Tmax = 1s

Bảng đo:

Giá trị đặt tụ 1 5 20 100 200 500 807 900 968 1000 Giá trị hiển thị 1 5 20 100 201 484 807 807 968 1000

Nhận xét: tại các giá trị điện dung lớn thì sai số lớn nên ta sẽ chọn mạch để đo với các giá trị điện dung C < 500 μF

+ Xét khi chọn R = 100 Ω ta có : Chọn giá trị đo Tmax = 1s

Bảng đo:

Giá trị đặt tụ 5 20 100 200 500 800 900 912 963 970 981 1000 Giá trị hiển thị 6 21 98 201 500 800 897 912 963 970 981 1000

Nhật xét: mạch đã giảm được sai số tại các giá trị điện dung lớn, nên chọn mạch

đo khi đo giá trị điện dung C > 500 μF

13

CHƯƠNG 4 Kết quả 4.1 Đo điện dung sử dụng OPAM + RC

Hình 4-1 Đo điện dung sử dụng OPAM + RC

❖ Lựa chọn bộ tạo xung OPAM + RC

❖ SW1: thay đổi thang đo:

o SW1 = 1: Đo giá trị điện dung từ 0 – 100 μF

o SW1 = 2: Đo giá trị điện dung từ 0 – 1000 μF

❖ SW2: thay đổi giá trị của R:

14

Hình 4-2 Đo tụ có điện dung 98 μF ở thang đo 0 – 100 μF

Hình 4-3 Đo tụ có điện dung 500 μF ở thang đo 0 – 1000 μF

15

Hình 4-4 Đo tụ có điện dung 1000 μF ở thang đo 0 – 1000 μF

4.2 Đo điện dung sử dụng IC 555

Hình 4-5 Đo điện dung sử dụng IC-555

16

4.3 Mạch đo điện dung sử dụng OPAM + RC khi vẽ trên Altium

Hình 4-6 Mạch được xây dựng trên Altium

17

CHƯƠNG 5 Kết luận

❖ Nhóm đã thiết kế được mạch đo điện dung với thang đo từ 0 – 100 μF và 0-1000 μF

❖ Mạch có thể thay đổi giá trị của R sao cho phù hợp với giá trị điện dung cần

đo của tụ để giảm được sai số

❖ Sơ đồ mặt máy thể hiện đúng như mạch mô phỏng Cho thấy được sơ đồ thuật toán đúng yêu cầu bài toán

❖ Nhóm chúng em đã rút ra được những bài học trong việc xây dựng mạch

đo các đại lượng sao cho đúng và hiệu quả với yêu cầu bài toán đề ra

18

Tài liệu tham khảo

[1] "Thiết Kế Thiết Bị Đo", PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

[2] “IC 555: Thông số, sơ đồ, nguyên lý hoạt động và một số mạch ứng dụng.” [Online] Available:https://dientusangtaovn.com/ic-555-so-do-va-chuc-nang-hoat-dong/

[3] “Giới thiệu họ Vi điều khiển 8051” [Online] Available:

ho-vid