Nhom24-do_diendung

Giới thiệu một số phương pháp đo điện dung1.1 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.. Nguồn cung cấp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Thiết kế thiết bị đo

Xây dựng mạch đo điện dung bằng phương

pháp đếm xung NHÓM 24TRẦN 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

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 7/2021

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

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 =

1.2 Đo điện dung bằng phương pháp cộng hưởng

Điều kiện cộng hưởng :

Giữ nguyên tần số w0, và xoay tụ xoay C0 đến vị trí cộng hưởng C02, như

4

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

vậy :

1.3 Đo điện dung bằng phương pháp đếm xung

Mạch đo điện dung sử dụng phương pháp đếm xung bằng cách lợi dụng quátrình 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 hiệuđược số hóa, dễ dàng ghép với vi điều khiển, máy tính để tính toán, tăng độ chínhxác cho mạch đo

5

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

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 đahài đợi và trigơ Hầu hết các mạch tạo xung đều lợi dụng quá trình quá độtrong 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 phụthuộc 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 = 0khoá K đóng vào 1, tụ C nạp điện từ nguồn E qua điện trở R Điện áp trên tụtính 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 chấmdứt

6

Hình 2-5 Quá trình nạp điện trong

mạch dao động RC. Hình 2-4 Đồ thị dòng điện, điện áp

trong quá trình nạp tụ.

Hình 2-6 Quá trình xả tụ.

2.1 Giới thiệu một vài mạch tạo xung

2.1.1 Mạch đa hài tự dao động

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

Hình 2-8 Mạch đa hài tự dao động sử dụng IC khuếch đại thuật toán Nếu chọn R1 =

R2 thì: T = 2.2R C

2.1.2 Mạch đa hài đợi:

Mạch đa hài đợi có hai trạng thái, trong đó có một trạng thái ổn định vàmột trạng thái không ổn định Khi có nguồn mạch ở trạng thái ổn định Cóxung 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 mộtxung vào mạch chuyển đổi trạng thái hai lần cho một xung vuông ra Mạch cóthể dùng tranzito hay IC thuật toán

7

Hình 2-7 Mạch đa hài tự dao động sử dụng tranzito Chu kỳ

dao động của mạch: T = 0,7(R3 C2 + R2 C1)

Hình 2-9 Mạch đa hài đợi dùng IC.

2.1.3 Trigơ

Trigơ là mạch có hai trạng thái ổn định Khi có nguồn mạch ở mộttrạng thái ổn định nào đó Có một xung vào mạch chuyển đổi trạng tháimột lần Như vậy cứ hai xung vào mạch cho một xung ra Mạch trigơ

có thể dùng tranzito hay IC thuật toán Ta xét mạch trigơ smít dùng ICthuật toán khi tác dụng đầu vào là điện áp sin đưa vào cửa đảo

Hình 2-10 Trigơ dùng IC.

8

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

3.2.1 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:

9

Hình 3-11 IC NE555 và mạch tạo xung vuông với IC NE555.

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

• Chân số 2 (TRIGGER): Được biết đến là chân đầu vào thấp hơn so vớiđiện 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 Trạngthái tín hiệu ở chân số 3 này được xác định ở mức thấp (mức 0) và mứccao (mức 1)

• Chân số 4 (RESET): Dùng để lập định trạng thái đầu ra của IC 555 Khichân 4 được nối với Mass thì OUTPUT sẽ ở mức 0 Còn khi chân 4 ở mứccao 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 nốitrực tiếp với nguồn Vcc

• Chân số 5 (CONTROL VOLTAGE): Chân này được sử dụng để làm thayđổi 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 sánhđiện áp và cũng được dùng như một chân chốt

• Chân số 7 (DISCHAGER): Đây được coi như một khóa điện tử và chịutác 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

3.2.2 Vi điều khiển 8051

Vi điều khiển 8051 được Intel thiết kế vào năm 1981 Đây là bộ vi điềukhiển 8 bit, được xây dựng với 40 chân DIP (gói nội tuyến kép), 4kb bộ nhớROM và 128 byte bộ nhớ RAM, 2 bộ định thời 16 bit Nó bao gồm bốn cổng 8bit song song, có thể lập trình cũng như định địa chỉ theo yêu cầu Một bộ daođộng tinh thể trên chip được tích hợp trong bộ vi điều khiển có tần số tinh thể là

12 MHz

10

3.2.3 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 biểuthị dấu thập phân khi có nhiều led 7 đoạn nối với nhau để hiển thị các số lớn hơn 10

11

Hình 3-12 Vi điều khiển 8051

Hình 3-13 Led 7 đoạn

3.3 Sơ đồ thuật toán

12

Hình 3-14 Sơ đồ thuật toán

Bảng đo:

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

+ Tính toán counter = 48 ⟺ C = 100 μF

counter = 48 ⟺ C = 98 μF

⟹ Nếu tần số càng thấp thì giá trị tụ điện càng cao nênsai số càng lớn

+ Do vi xử lý thực hiện timer, counter

⟹ Giải pháp 1: Tăng Tmax = 10s để tăng các giá trị counter đếmđược

Khi đó: C = 100 μF ⟺ counter = 480

13

C = 99 μF ⟺ counter = 485Bảng đo:

Giá trị đặt

+ Ưu điểm: Loại bỏ được sai số tính toán

+ Nhược điểm: thời gian đo lâu, không đo được khi tụ C quánhỏ 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 10

0 300 500 800 850 900 950 980 1000Giá trị hiển thị 1 10 10

 Xét thang đo 0 – 100 μF

Chọn R1 = R2 = 2000 Ω, R3 = 18000 Ω, R = 1000 Ω ta có :

C = 1 μF ⟺ f = 4745 Hz

C = 100 μF ⟺ f = 47.5 Hz Chọn giá trị đo Tmax = 1sBảng đo:

 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 20 100 200 500 807 900 968 100

0Giá trị hiển thị 1 5 20 100 201 484 807 807 968 100

0

Nhận xét: tại các giá trị điện dung lớn thì sai số lớn nên ta sẽ chọn mạch để đovới 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 1000Giá 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

15

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

Hình 4-17 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:

Hình 4-18 Đo tụ có điện dung 98 μF ở thang đo 0 – 100 μF.

Hình 4-19 Đo tụ có điện dung 500 μF ở thang đo 0 – 1000 μF

17

Hình 4-20 Đo tụ có điện dung 1000 μF ở thang đo 0 – 1000 μF

4.2 Đo điện dung sử dụng IC 555

Hình 4-21 Đo điện dung sử dụng IC-555

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

18

Hình 4-22 Mạch được xây dựng trên Altium

19

 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

20

Tài liệu tham khảo

[1] "Thiết Kế Thiết Bị Đo", PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương, Trường Đại họcBách 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

https://sites.google.com/site/t2vietdtk/Downhome/gi/8051/vdk/gioi-thieu-ve-21