Đồ án TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH BIẾN ĐỔI AD CHO CẢM BIẾN PIM

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước. Ngành cơ điện tử ô tô nói chung đã có những bước tiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể. Để thúc đẩy nề kinh tế của đất nước ngày càng phát triển, giàu mạnh thì phải đào tạo cho thế hệ trẻ đủ kiến thức để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội. Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đào tạo thì phải đưa ra các phương tiện dạy học hiện đại vào trong giảng đường, trường học có như vậy thì trình độ của con người ngày càng cao mới đáp ứng được nhu của xã hội. Trường ĐHSPKT Hưng Yên là một trong số những trường đã rất chú trọng đến việc hiện đại hoá trang thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả trong giảng dạy cũng như giúp sinh viên có khả năng thực tế cao. Để các sinh viên có tăng khả năng tư duy và làm quen với công việc thiết kế, chế tạo chúng em đã được giao cho thực hiện đồ án: “TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI AD CHO CẢM BIẾN PIM ”nhằm củng cố về mặt kiến thức thực tế, tổng hợp và nâng cao kiến thức chuyên nghành

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Đề tài : TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH BIẾN

ĐỔI A/D CHO CẢM BIẾN PIM

Giáo viên hướng dẫn : PHẠM VĂN KIÊM

Lớp : CĐTOK10

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN NGỌC THỊNH

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng yên ngày tháng năm

Giảng viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH CHUYỂN ĐỔI A/D 7

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 7

1.2 NỘI DUNG 8

1.2.1 Cơ sở lý luận 8

1.2.1.1 Khái niệm chung 8

1.2.2.1.2 Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D .8

1.2.2.1.3 Tốc độ chuyển đổi: 8

1.2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI A/D 9

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MỘT SỐ LOẠI LINH KIỆN CÓ TRONG MẠCH 12

2.1 IC ổn áp 7805 12

2.2 Biến trở vi chỉnh 13

2.3 LM324 13

2.4 Cảm biến nhiệt độ LM35 15

2.5 Điện trở 17

2.5.1 Khái niệm 17

2.5.2 Đơn vị 17

2.5.3 Kí hiệu và quy ước 17

2.5.4 Định luật ohm 18

2.5.5 Điện trở mắc song song và nối tiếp 18

2.5.6 Năng lượng hao phí 19

2.5.7 Mã màu điện trở 19

2.5.8 Phân loại 20

2.5.9 Đặc điểm của điện trở 21

2.6 LED 21

2.6.2 Cấu tạo 21

2.6.3 Một số hình ảnh về LED 22

CHƯƠNG III: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 23

3.1 Sơ đồ khối: 23

Hình ảnh thực tế 28

KẾT LUẬN: 29

Hướng phát triển 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

Lời nói đầu

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật trên con đường

công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước Ngành cơ điện tử ô tô nói chung đã có những bước tiến vượt bậc và mang lại những thành quả đáng kể Để thúc đẩy nề kinh

tế của đất nước ngày càng phát triển, giàu mạnh thì phải đào tạo cho thế hệ trẻ đủ kiến thức để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng

đào tạo thì phải đưa ra các phương tiện dạy học hiện đại vào trong giảng đường, trường học có như vậy thì trình độ của con người ngày càng cao mới đáp ứng được

nhu của xã hội Trường ĐHSPKT Hưng Yên là một trong số những trường đã rất chú

trọng đến việc hiện đại hoá trang thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả trong giảng dạy cũng như giúp sinh viên có khả năng thực tế cao

Để các sinh viên có tăng khả năng tư duy và làm quen với công việc thiết kế,

chế tạo chúng em đã được giao cho thực hiện đồ án: “TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN ĐỔI A/D CHO CẢM BIẾN PIM ”nhằm củng cố về mặt kiến

thức thực tế, tổng hợp và nâng cao kiến thức chuyên nghành Sau khi nhận đề tài, nhờ sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẫn cùng với

sự nỗ lực cố gắng, tìm tòi, nghiên cứu tài liệu, đến nay đồ án của em về mặt cơ bản đã hoàn thành Trong quá trình thực hiện dù đã rất cố gắng nhưng do trình độ còn hạn chế kinh nghiệm còn ít nên không thể tránh khỏi sai sót Chúng em mong nhận được

sự chỉ bảo giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo trong khoa để đồ án của chúng em ngày càng hoàn thiện hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo cùng với các thầy cô giáo trong khoa đã giúp chúng em hoàn thành đồ án

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠCH CHUYỂN ĐỔI A/D

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Chương này nêu lên nguyên tắc chung chuyển đổi tín hiệu tương tự (Analog) thành tín hiệu số (Digital) A/D và chuyển đổi tín hiệu số (Digital) thành tín hiệu tương tự (Analog) D/A Nêu một số mạch điện để thực hiện các quá trình đó Các vấn

đề của chương gồm:

- Cơ sở lý luận: Khái niệm chung về chuyển đổi A/D, D/A, các tham số cơ bản, giải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự đầu vào, độ chính xác của qúa trình chuyển đổi A/D, tốc độ chuyển đổi

- Các bước chuyển đổi A/D: lấy mẫu và giữ mẫu, lượng tử hoá, mã hoá

- Các phương pháp chuyển đổi A/D

+ Chuyển đổi A/D theo phương pháp song song

+ Chuyển đổi A/D theo phương pháp đếm đơn giản

+ Chuyển đổi A/D theo phương pháp hai sườn dốc

So sánh các phương pháp chuyển đổi A/D

- Chuyển đổi A/D phi tuyến: đặc tính của chuyển đổi A/D phi tuyến, đặc tính của

bộ chuyển đổi D/A phi tuyến Đặc tính của bộ chuyển đổi A/D, D/A phi tuyến thực tế

- Các phương pháp chuyển đổi D/A

+ Các bước chyuển đổi D/A

+ Chuyển đổi D/A bằng phương pháp thang điện trở

+ Chuyển đổi D/A bằng phương pháp mạng điện trở

1.2 NỘI DUNG

1.2.1 Cơ sở lý luận

1.2.1.1 Khái niệm chung

Để ghép nối giữa nguồn tín hiệu tương tự với các hệ thống xử lý số người ta dùng các mạch chuyển đổi tương tự - số (viết tắt là A/D) nhằm biến đổi tín hiệu tương

tự sang dạng số Hoặc dùng mạch chuyển đổi số - tương tự (viết tắt là D/A) trong trường hợp cần biến đổi số sang dạng tương tự

1.2.2.1 Các tham số cơ bản

1.2.2.1.1 Giải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự ở đầu vào

Là khoảng điện áp mà bộ chuyển đổi A/D thực hiện được Khoảng điện áp đó có thể lấy trị số từ 0 đến giá trị dương hoặc âm nào đó hoặc cũng có thể là điện áp hai cực tính từ -UAm đến +UAm

1.2.2.1.2 Độ chính xác của bộ chuyển đổi A/D

Tham số đầu tiên đặc trưng cho độ chính xác của bộ A/D là độ phân biệt Ta biết rằng đầu ra của bộ A/D là các giá trị số sắp xếp theo quy luật của một loại mã nào đó Số các số hạng của mã số đầu ra tương ứng với dải biến đổi của điện áp vào, cho biết mức chính xác của phép biến đổi

1.2.2.1.3 Tốc độ chuyển đổi:

Tốc độ chuyển đổi cho biết kết quả chuyển đổi trong một giây được gọi là tần số chuyển đổi fC Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi TC để đặc trưng cho tốc độ chuyển đổi TC là thời gian cần thiết cho một kết quả chuyển đổi Chú ý rằng

f C ≠ 1

Thường f C < 1 Khi bộ chuyển A/D có tốc độ cao thì độ chính xác giảm hoặc ngược lại, nghĩa là tộc độ chuyển đổi và độ chính xác mâu thuẫn với nhau Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà dung hoà giữa các yêu cầu đó một cách hợp lí

1.2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN ĐỔI A/D

Có nhiều phương pháp chuyển đổi A/D, người ta phân ra bốn phương pháp biến đổi sau:

- Biến đổi song song Trong phương pháp chuyển đổi song song, tín hiệu được so sánh cùng một lúc với nhiều giá trị chuẩn Do đó tất cả các bit được xác định đồng thời

và đưa đến đầu ra

- Biến đổi nối tiếp theo mã đếm: Ở đây quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật của mã đếm Kết quả chuyển đổi được xác định bằng cách đếm

số lượng giá trị chuẩn có thể chứa được trong giá trị tín hiệu tương tự cần chuyển đổi

- Biến đổi nối tiếp theo mã nhị phân Quá trình so sánh được thực hiện lần lượt từng bước theo quy luật mã nhị phân Các đơn vị chuẩn dùng để so sánh lấy các giá trị giảm dần theo quy luật mã nhị phân, do đó các bit được xác định lần lượt từ bit có nghĩa lớn nhất (MSB) đến bit có nghĩa nhỏ nhất (LSB)

- Biến đổi song song - nối tiếp kết hợp Trong phương pháp này, qua mỗi bước so sánh có thể xác định được tối thiểu là 2 bit đồng thời

Hình 1.1: Đặc tuyến truyền đạt lý tưởng và thực của mạch chuyển đổi A/D

***Cảm biến áp suất đường ống nạp (Cảm biến chân không)

Cảm biến áp suất đường ống nạp được dùng cho hệ thống EFI kiểu D để cảm nhận

áp suất đường ống nạp Đây là một trong những cảm biến quan trọng nhất trong EFI kiểu D

Bằng cách gắn một IC vào cảm biến này, cảm biến áp suất đường ống nạp cảm nhận được áp suất đường ống nạp như một tín hiệu PIM Sau đó ECU động cơ xác định được thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản trên cơ sở của tín hiệu PIM này

Như trình bày ở hình minh họa, một chíp silic kết hợp với một buồng chân không được duy trì ở độ chân không định trước, được gắn vào bộ cảm biến này Một phía của chip này được lộ ra với áp suất của đường ống nạp và phía bên kia thông với buồng chân không bên trong Vì vậy, không cần phải hiệu chỉnh mức bù cho độ cao lớn vì áp suất của đường ống nạp có thể đo được chính xác ngay cả khi độ cao này thay đổi

Hình 1.2: Cảm biến áp suất đường ống nạp ( Cảm biến chân không)

Hình 1.3: Cấu tạo cảm biến áp suất đường ống nạp

Hình 1.4: Đường đặc tính

Hình 1.5: Sơ đồ mạch điện

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MỘT SỐ LOẠI LINH KIỆN CÓ

TRONG MẠCH 2.1 IC ổn áp 7805

Có lẽ 7805 là mạch nguồn mà mọi người sử dụng nhiều nhất và thông dụng nhất

- Ưu điểm: Giá thành rẻ, dễ lắm ráp

- Nhược điểm: Nhiệt sinh cao, dòng chịu không được cao

Sơ đồ chân:

Chân 1 (Vin): Chân nguồn đầu vào

Chân 2 (GND): Chân nối đất

Chân 3 (Vout): Chân nguồn đầu ra

Cách mắc 7805 điều chỉnh điện áp (5V)

Nguyên lý ổn áp: Thông qua điện trở R2 và D1 gim cố định điện áp chân Rt của Transistor Q1, giả sử khi điện áp chân E đèn Q1 giảm => khi đó điện áp UBE tăng => dòng qua đèn Q1 tăng => làm điện áp chân E của đèn tăng , và ngược lại

- Dòng ofset lối vào: tối đa 30nA (ở 25 độ ).

- Điện áp ofset lối vào: tối đa 3 mV

- Là công suất của Lm324 loại chân cắm (Dip) khoảng 1W

- Tần số hoạt động của LM324 là 1MHz

- Độ lợi khuếch đại điện áp DC của LM324 tối đa khoảng 100 dB

- Khi điện áp V+ > V- thì ngõ ra của op amp ở mức +Vcc

- Khi điện áp V+ < V- thì ngõ ra của op amp ở mức Gnd hoặc -Vcc

Hình 2.3: Sơ đồ chân

2 Lối vào đảo (1) 9 Lối vào đảo (3)

LM35 là cảm biến nhiệt độ analog

Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra của Lm35 Sơ đồ chân của LM35 như sau:

Hình 2.4: Các chân của LM35

Hình 2.5: Biểu đồ trạng thái của cảm biến nhiệt độ LM35

Chân 1: Chân nguồn Vcc

Chân 2: Đầu ra Vout

Chân 3: GND

• Một số thông số chính của LM35:

Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng cũng không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh

• Đặc điểm chính của cảm biến LM35:

+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V.

+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC

+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C - 150 C với các mức điện áp ra khác nhau Xét một số mức điện áp sau:

- Nhiệt độ -55 C điện áp đầu ra -550mV

- Nhiệt độ 25 C điện áp đầu ra 250mV

- Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV

Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ thống này thì đo từ 0 đến 150 Chi tiết các bạn có thể xem trong datasheet của nó

• Tính toán nhiệt độ đầu ra của LM35.

Việc đo nhiệt độ sự dụng LM35 thông thường chúng ta sử dụng bằng cách LM35 - > ADC - > Vi điều khiển

Như vậy ta có: U= t.k

U là điện áp đầu ra

t là nhiệt độ môi trường đo

k là hệ số theo nhiệt độ của LM35 10mV/1 độ C

Giả sử điện áp Vcc cấp cho LM35 là 5V ADC 10bit

Vậy bước thay đổi của LM35 sẽ là 5/(2^10) = 5/1024

Giá trị ADC đo được thì điện áp đầu vào của LM35 là:

(t*k)/(5/1024) =((10^-2)*1024*t)/5 = 2.048*t

Vậy nhiệt độ ta đo được t = giá trị ADC/2048

Tương tự với ADC 11bit và Vcc khác ta cũng tính như trên để được công thức lấy nhiệt độ

2.5 Điện trở

2.5.1 Khái niệm

Điện trở là linh kiện thụ động không thể thiếu trong các mạch điện và điện tử,

chúng có tác dụng cản trở dòng điện, tạo sự sụt áp để thực hiện chức năng tuỳ theo vị trí của điện trở trong mạch

2.5.2 Đơn vị

Ohm (kí hiệu: Ω) là đơn vị trong hệ SI của điện trở, được đặt theo tên Georg Simon Ohm Một ohm tương đương với vôn/ampere Các điện trở có nhiều giá trị khác nhau gồm milliohm (1 mΩ = 10−3 Ω), kilohm (1 kΩ = 103 Ω), và megohm (1 MΩ =

106 Ω)

2.5.3 Kí hiệu và quy ước

Kí hiệu của điện trở trong một sơ đồ mạch thay đổi tùy theo tiêu chuẩn của mỗi quốc gia Có hai loại phổ biến như sau:

Kí hiệu kiểu mỹ Kí hiệu điện trở theo kiểu (IEC)

2.5.5 Điện trở mắc song song và nối tiếp

• Điện trở mắc song song

• Điện trở mắc nối tiếp

• Điện trở mắc hỗn hợp

2.5.6 Năng lượng hao phí

Giải tích:

2.5.7 Mã màu điện trở

Trong thực tế, để đọc được giá trị của một điện trở thì ngoài việc nhà sản xuất in trị số của nó lên linh kiện thì người ta còn dùng một qui ước chung để đọc trị số điện trở và các tham số cần thiết khác Giá trị được tính ra thành đơn vị Ohm (sau đó có thể viết lại thành kí lô hay mêga cho tiện)

Trong hình:

• Điện trở ở vị trí bên trái có giá trị được tính như sau:

R = 45 × 102 Ω = 4,5 KΩ

Bởi vì vàng tương ứng với 4, xanh lục tương ứng với 5, và đỏ tưong ứng với giá trị số

mũ 2 Vòng màu cuối cho biết sai số của điện trở có thểtrong phạm vi 5% ứng với màu kim loại vàng

• Điện trở ở vị trí giữa có giá trị được tính như sau:

2.5.8 Phân loại

Có 5 loại điện trở chính:

- Điện trở than ép

- Điện trở than

- Điện trở oxit kim loại.

- Điện trở dây quấn

2.5.9 Đặc điểm của điện trở.

- Điện trở làm việc phụ thuộc vào nhiệt độ của nó, do đó trị số thay đổi khi có dòng chảy qua do có hiện tượng biến đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt trên thân điện trở

- Giá trị điện trở còn thay đổi theo thời gian hay trong những điều kiện đặc biệt theo tần số tín hiệu xoay chiều tác động lên nó

- LED (viết tắt của Light Emitting Diode, tạm dịch: điốt phát quang) là các điốt

có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại Giống như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n

- Tương tự như bóng đèn tròn bình thường nhưng không có dây tóc ở giữa, đèn

LED tạo ra nhiều ánh sáng hơn, tỏa nhiệt ít hơn so với các thiết bị chiếu sáng khác

2.6.2 Cấu tạo

- Mỗi điểm LED (Light Emitting Diode) là một diode cực nhỏ, phát sáng do sự vận động của các electron bên trong môi trường bán dẫn Để chiếu sáng toàn bộ màn hình, các đèn nền LED phải xếp tương ứng 1-1 với ma trận điểm ảnh màu

- Việc sắp xếp như vậy cho phép điều chỉnh độ sáng chính xác đến từng điểm ảnh trên toàn bộ màn hình, mang lại sự tương phản tốt hơn và loại bỏ được hiện tượng lệch màu tại các góc mà màn hình LCD chiếu sáng nền bằng đèn huỳnh quang (CCFL) thường gặp phải Ngoài ra, "bóng đèn" LED lại tiêu tốn ít điện năng hơn những thiết bị phát sáng khác.

- Tuy nhiên, màn hình càng lớn càng cần nhiều LED và giá thành vì thế cũng leo thang đến mức chóng mặt

Hình 2.6:Cấu tạo của đèn led

2.6.3 Một số hình ảnh về LED

Hình 2.7: Các loại led thường gặp

CHƯƠNG III: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

3.1 Sơ đồ khối:

Khối cảm biến mạch so sánh Khối hiển thị

3 2 S ơ

đ ồ

m ạ c h

Nguyên lý: Mạch đo điện và báo mức điện áp.

Mạch hoạt động như sau :

- Mạch đo điện áp cho bình ắc quy 6Vol

- Khi điện áp của bình đầy thì tất cả các đèn cùng sáng hiển thị trạng thái bình điện khỏe và đủ điện

- Chúng ta có thể đặt được 4 mức để hiển thị điện áp còn lại trong bình bằng 4 đèn led

- Khi bình sụt áp xuống dưới 5vol thì đèn led 1 tắt đi

- Nguyên lý hoạt động của từng khối trong mạch.

1 Khối nguồn

- Khối nguồn chúng ta có thể cấp điện từ 5 đến 12V một chiều

- Khối nguồn có tác dụng ổn định điện áp đầu vào xuống 5vol để cho các linh kiện hoạt động

2 Khối so sánh và hiển thị

Khi nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ LM35

Phần mạch cảm biến nhiệt độ: Phần cảm biến nhiệt độ mạch sử dụng cảm biến LM35 có giải nhiệt độ đo được từ 0 ~ 150°C Cảm biến LM35 biến đổi giá trị nhiệt độ thành điện áp tương ứng Với cảm biến LM35 thì độ biến đổi là 10mV/oC Tại thời điểm 0°C thì đầu ra của LM35 là 10mV ==> tại 150°C thì điện áp đầu ra là 1.5V Nên dựa theo điện áp đầu ra này chúng ta có thể đưa vào ADC đọc dữ liệu hay cho vào bộ

so sánh để tạo tín hiệu điều khiển

- Trong mạch chúng em sử dụng ic so sánh LM324 – ic này có tác dụng lật trạng thái đầu ra khi tín hiệu đầu vào thay đôi

- Tín hiệu ở chân đảo của lm324 tức chân (-) được đặt trước 1 điện áp để so sánh.ví dụ chúng ta muốn khi điện áp ắc quy cần đo sụt xuống dưới 5v thì led sáng thì chúng ra đặt điện áp tại chân số 2 là 5vol bằng cách điều chỉnh biến trở R11

- Nếu tin hiện tại chân 3 lớn hơn 5V thì đầu out tức chân 1 sẽ out là mức 1 tức 5vol và đèn led được phân cực thuận và sáng lên

- Khi tín hiệu tại chân 3 nhỏ hơn 5vol thì tín hiệu tại chân 1 sẽ lật trạng thái về mức 0V và đèn tắt đi