Thiết kế mạch đo nhiệt độ dùng ADC 0809

Thiết kế mạch đo nhiệt độ dùng ADC 0809

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN 6

NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 7

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 8

1.2 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 8

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1.LÝ THUYẾT MẠCH CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ SỐ 9

2.1.1 TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN ĐỔI ADC 9

2.1.1.1 Khái niệm 9

2.1.1.2 Sơ đồ khối ……… ……… 9

2.1.1.3 Khảo sát quan hệ ngõ vào và ngõ ra 8

2.1.2 KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI ADC 10

2.1.2.1 Nguyên tắc mạch chuyển đổi ADC 10

2.1.2.2 Mạch lấy mẫu và giữ 11

2.1.2.3 Đặc tính kỹ thuật 11

2.1.2.4 Các phương pháp chuyển đổi 12

2.2 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 2.2.1 LM35 19

2.2.2 ADC 0809 20

2.2.3 EPPROM 2864 25

2.2.4 74LS247 27

2.2.5 IC cổng đảo Schmitt trigger 74HC14 30

2.2.6 IC cổng AND 74LS08 32

2.2.7 IC cổng OR 74LS32 33

2.2.8 IC 7805 34

2.2.9 IC LM555 36

2.2.10 Led 7 đoạn 38

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 3.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 40

3.1.1 SƠ ĐỒ KHỐI 40

3.1.2 CÁC KHỐI VÀ CHỨC NĂNG 41

3.1.2.1 Khối nguồn 41

3.1.2.2 Khối tạo xung Clock 41

3.1.2.3 Khối tạo xung Start.ALE 42

3.1.2.4 Khối đo nhiệt độ và chuyển đổi 43

3.1.2.5 Khối giải mã và hiển thị 44

3.2 SƠ ĐỒ KHỐI TOÀN MẠCH 46

3.3 SƠ ĐỒ MẠCH IN ……… 47

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 KẾT LUẬN - KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 48

4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 48

PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI CẢM ƠN



Sau hơn hai tháng thực hiện, tập đồ án đã được hoàn thành Có được kết quả đó ngoài

sự nổ lực của bản thân người làm đồ án còn có sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn

và các thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử cùng toàn thể các bạn sinh viên trong lớp, trongkhoa

Em xin trân trọng cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử, những người đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em

Xin chân thành cảm ơn thầy Trương Ngọc Anh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, đóng góp những ý kiến quý báu để em hoàn thành tốt đồ án này

Cuối cùng xin gởi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên đã cùng trao đổi kiến thức và giúp

đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, đặc biệt là trong quá trình làm đồ án này

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Trung Sáu

NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI

chuyển đổi để đo từ 0oC đến 150oC

- Hiển thị ra led 7 đoạn

- Hiển thị số 1 cố định khi nhiệt độ lớn hơn 100oC

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Xã hội loài người luôn tồn tại, vận động và phát triển gắn liền với xã hội tựnhiên.Các yếu tố tự nhiên như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất v.v ảnh hưởng trực tiếp tớiđời sống sinh hoạt cũng như sản suất của con người.Việc đo đạc các yếu tố tựnhiên này có ý nghĩa rất quan trọng,từ đó giúp con người có thể kiểm soát, tácđộng được tới tự nhiên và đưa ra những biện pháp cải tạo tự nhiên theo hướng cólợi cho đời sống của con người

Ngày nay với sự tiến bộ của Khoa học kỹ thuật việc đo lường các yếu tố trong

tự nhiên có thể được thực hiện một cách dễ dàng.Tuy nhiên hiện nay việc truyềnđạt tín hiệu cũng như quá trình điều khiển và chỉ thị phần lớn được thực hiện theophương pháp số.Trong khi đó các tín hiệu tự nhiên như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,tín hiệu âm thanh, áp suất… đều ở dạng tương tự Để kết nối giữa nguồn tín hiệutương tự với các hệ thống xử lý số người ta dùng các mạch chuyển đổi tương tựsang số (ADC) nhằm biến đổi tín hiệu sang số

Nhận thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng ADC

nên em đã quyết định lựa chọn đề tài đồ án môn học 1 của mình là: “Thiết kế mạch

đo nhiệt độ dùng ADC 0809”

1.2 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Do thời gian có hạn, năng lực có hạn, ngoại ngữ còn hạn chế,… trong phạm vi đề tàinày em chỉ tập trung thực hiện những nội dung sau:

2) Thiết kế phần cứng cho mạch đo nhiệt độ dùng ADC 0809 từ 0oC đến 150oC

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN

2.1 LÝ THUYẾT MẠCH CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ - SỐ (ADC)

2.1.1 TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN ĐỔI ADC

VREF : Điện thế tham chiếu phục vụ cho việc chuyển đổi

2.1.1.3 Khảo sát quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra

Giả sử ta có quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra của 1 mạch ADC như sau:

110 101 100 011 010 001 000

3 4 5 6 7 VA (Vol) 2

1

Nhận thấy rằng đường trung bình không đi qua gốc tọa độ Như vậy khi điện áp ngõ vàobiến thiên từ 0 – 0.99999V mà mã số ngõ ra vẫn là 000.

Nếu cộng thêm vào VA một điện thế có giá trị là -0.5V tức -1/2 LBS lúc này đường trungbình sẽ đi qua gốc tọa độ và sự chuyển đổi như sau:

-0.50.50.51.51.52.52.53.53.54.54.55.55.56.56.57.5

Bảng 2.2: Thông số chuyển đổi của ADC sau khi cộng vào 1 điện thế -0.5V

Như vậy độ chính xác sẽ cao hơn, sai số giảm đi ½

2.1.2 KỸ THUẬT BIẾN ĐỔI ADC

Biến đổi Analog-Digital là thành phần cần thiết trong việc xử lý thông tin và các chứcnăng điều khiển sử dụng phương pháp số, tín hiệu thực tế thì ở dạng Analog Một hệthống tiếp nhận dữ liệu giao tiếp A/D để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để

xử lý

2.1.2.1 Nguyên tắc mạch chuyển đổi ADC

Biến đổi ADC (Analog Digital Convertor) có bộ phận chính là mạch so sánh:

Hình 2.3: Sơ đồ khối tổng quát mạch ADC

Do đó nhiệm vụ của mạch tạo tham số và mạch điều khiển logic là thử một bộ hệ số nhịphân ai sao cho hiệu số điện áp vào chưa biết Va và trị nguyên lượng tử hóa sau cùng nhỏ hơn

1 LSB

V a Điện áp

Mạch tạo mã số

So sánh

Mã số ra

2.1.2.2: Mạch lấy mẫu và giữ (Sample and Hold –SH)

Khi nối trực tiếp điện thế tương tự với đầu vào của ADC, nếu điện thế tương tự biến thiên trong quá trình chuyển đổi mạch điện sẽ làm việc sai, mã số ngõ ra không tương ứng với điện áp ngõ vào Người ta sử dụng mạch lấy mẫu và giữ để duy trì điện thế tương tự ngõ vào không đổi trong suốt thời gian thực hiện việc chuyển đổi

Một mạch lấy mẫu và giữ có thể thực hiện như hình vẽ sau:

Hình 2.5: Sơ đồ mạch lấy mẫu và giữ

Hoạt động của mạch như sau:

+ A1 là mạch khuếch đại đệm có trở kháng ngõ vào cao, trở kháng ngõ ra thấp nhằm tạođiều kiện nạp nhanh cho tụ Ch

+ Tại thời điểm t1 khi xung lấy mẫu tác động tụ Ch nhanh chóng đạt đến giá trị VA.

+ Khi xung lấy mẫu chấm dứt tụ Ch duy trì điện áp VA (t1) tại ngõ ra cung cấp cho mạch ADC

2.1.2.3: Đặc tính kỹ thuật của mạch ADC

a) Độ chính xác bất định do lượng tử hoá

2 1

f f

V A (t 1 ) tương tự

b) Độ chính xác

Độ chính xác tuyệt đối là sự sai biệt giữa lý thuyết và trị thực tế của điện áp tương tự vào cho một mã nhị phân Vì một mã số ra tương ứng với một khoảng hẹp của điện áp tương tự vào nên điện áp tương tự vào ở định nghĩa trên được xem như là điểm giữa khoảng

Sai số tuyệt đối gồm: sai số về độ lợi,về không, độ phi tuyến và do nhiễu

Độ chính xác tương đối giống như độ chính xác tuyệt đối như định nghĩa trong trị trànkhung đã được lấy chuẩn vì các điểm rời trên đặc tính chuyển lý thuyết nằm trên một đường thẳng nên độ chính xác tương đối cũng chính là độ phi tuyến

c) Thời gian và tốc độ chuyển đổi

Thời gian chuyển đổi : thời gian chuyển đổi cần cho một lần chuyển đổi hoàn toàn Đối với phần lớn mạch đổi, thời gian này gọi là nghịch đảo của tốc độ chuyển đổi, nếu không có thêm các trì hoãn của hệ thống.Tuy nhiên trong mạch chuyển đổi có tốc độ cao thì lần đổi mới được lệch bắt đầu trước khi lần đổi trước kết thúc nên thời gian đổi và tốc

độ đổi là khác nhau

d) Chỉnh không và độ lợi

Điểm không của mạch đổi ADC được chỉnh sao cho sự chuyển tiếp từ các bit đầu bằng

0 lên LSB xảy ra ở 1/2.2-n trị tràn khung danh định Độ lợi được chỉnh cho chuyển tiếp cuối cùng lên các bit đều bằng 1 xảy ra tràn khung (1-3/2.2-n)

Điểm 0 của mạch chuyển đổi ADC lưỡng cực đươc chỉnh so cho chuyển tiếp đầu trên xảy ra ở toàn khung (1-2-n) và chuyển tiếp ở cuối xảy ra 0_+ tràn khung (1-3.2-n)

2.1.2.4: Các phương pháp chuyển đổi AD

a) Mạch ADC dùng điện thế tham chiếu nấc thang (Ramp.ADC)

- Ngõ ra của mạch tạo mức logic trạng thái 1

 Tại t1 là thời điểm xung điều khiển từ 0 lên 1(Start) Cổng AND cho xung Ck đi quakích bộ đếm làm việc => các ngõ ra Q0, Q1,… Qn-1 có giá trị tăng dần theo tốc độ xung Ck Các ngõ ra Q0, Q1,… Qn-1 thông qua DAC làm cho VA’ và khi VA’ lớn hơn VA => VCOMP = -VCC => ngõ ra mạch tạo mức logic trở về 0 đóng cổng AND

=> bộ đếm ngưng làm việc (dừng lại giữ nguyên trạng thái)

 Tại thời điểm t2 là thời điểm mà xung Start từ cao xuống thấp => bộ đếm bi xoá Lúc này các FF-D xuất dữ liệu chuyển đổi được ra ngoài

Như vậy khi điện áp ngõ vào càng cao, tốc độ của xung đếm là không đổi thì thời gian để ngưỡng VA’ đạt ngưỡng VA càng chậm có nghĩa mã số ra có trị số càng lớn

Trạng thái giữ nguyên Khởi đầu

FF-D FF-D

FF-D

Bộ đếm nhị phân

b) Mạch ADC gần đúng lấy liên tiếp (SAC)

Đối với mạch SAC có điểm khác với ADC dùng diện thế tham chiếu bậc thang là SAC

không sử dụng bộ đếm cung cấp ngõ vào cho DAC, thay vào đó lại dùng thanh ghi Logicđiều khiển sửa đổi nội dung dựa trên thanh ghi theo từng bit một, cho đến khi dữ liệu ở thanh ghi biến thành giá trị số tương đương với ngõ vào tương tự VA trong phạm vi độ phân giải của bộ chuyển đổi

D0 D1 Dn-1

Hình 2.7: Chuyển đổi ADC gần đúng lấy liên tiếp

Nguyên lý hoạt động

 Hoạt động ban đầu với logic điều khiển xoá mọi bit trên thanh ghi về 0, sao cho:

Q0 = Q1 = … = Qn= 0 hay [Q] = 0,tại ngõ ra của DAC là VA’0= 0V

=> VA’0 < VA => đầu ra tới bộ so sánh VCOMP = +VCC vào mạch tạo mức logic để đưa ngõ ra lên mức logic 0 đưa tới logic điều khiển

 Đến bước kế tiếp logic điều khiển đặt thanh ghi có MSB = Qn-1 = 1 các bit còn lại bằng 0 tức là MS: [Q]=1000 MS này được đưa tới ngõ vào số của DAC => Ngõ ra của DAC có VAx = VA1 có thể xảy ra một trong hai trường hợp sau:

Nếu VA’1 > VA thì ngõ ra mạch logic xuống thấp => Logic điều khiển xoá

Tạo mức logic -

+

Nếu VA’1 < VA thì ngõ ra mạch logic vẫn giữ mức 1 => Logic điều khiển duy trì MSB = 1

Tiếp đến logic điều khiển xử lý bít kế tiếp Qn-2 = 0, tức là [Q] = ?100…MS này được đưa vào ngõ vào số của DAC => ngõ ra của DAC có VAx = VA2 và cũng có thể xảy ra một trong hai trường hợp sau:

Nếu VA’2 > VA thì ngõ ra mạch logic xuống thấp =>Logic điều khiển xoá Qn-2 = 1 về 0 Nếu VA’1 < VA thì ngõ ra mạch logic vẫn giữ mức 1 => Logic điều khiển duy trì

Cuối cùng logic điều khiển xử lý bit LSB = Q0 = 1, tức là [Q] = ??? 1 tương tự

này VA’n > VA thì ngõ ra mạch logic xuống thấp =>Logic điều khiển xoá Q0 = 1 về 0 Nếu VA’1 < VA thì ngõ ra mạch logic vẫn giữ mức 1=> Logic điều khiển duy trì Q0 = 1 Quá trình chuyển đổi kết thúc

c) Mạch ADC chuyển đổi song song (FLASH ADC)

Bảng 2.3: Bảng trạng thái

Quan hệ ngõ vào ngõ ra:

Mạch mã hoá ưu tiên tác có ngõ vào là I1, I2, I3……… I7 Mức độ ưu tiên theo thứ tự tăng dần từ I1 → I7

D2D1D0 = 010

FLASH- ADC là ADC tốc độ cao nhất, nhưng đòi hỏi sơ đồ mạch phức tạp hơn các loại khác Ví dụ ADC 6 bit đòi hỏi 63 bộ so sánh tương ứng 64 điện trở, ADC 8 bit đòi hỏi 255 bộ so sánh tương tự và 256 điện trở, ADC 10 bit đòi hỏi 1023 bộ so sánh và 1024 điện trở ….Nói chung thì ADC nhanh n bit cần 2n - 1 bộ so sánh tương tự và 2n điện trở

2.2 GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

Mạch đo nhiệt độ là sự kết hợp giữa ADC và IC cảm biến nhiệt độ LM35.Ngoài ra trong mạch còn sử dụng các IC số khác hỗ trợ cho các chức năng khác như tạo xung,hiển thị v.v

2.2.1 Cảm biến nhiệt độ LM35 (Precision Celsius Temperature Sensor)

Cảm biến LM35 là cảm biến nhiệt độ,khi nhiệt độ có sự thay đổi thì ngõ ra Vout của nó

sẽ có giá trị điện áp tương ứng Từ giá trị điện áp đó ta dùng làm tín hiệu ngõ vào ADC 0809,

sử dụng chức năng chuyển đổi A/D ta sẽ có 1 tín hiệu tương ứng đã được biến đổi.Dùng tínhiệu này chuyển đổi hiện thị ra led từ đó ta có thể thấy được giá trị nhiệt độ mà ta cần đo

IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 EOC 2-5 OE CLK VCC VREF+ GND 2-7 D1

Hình 2.11: Cảm biến nhiệt độ Fahernheit sử dụng nguồn đôi

- Bộ ADC 0809 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi từ tương tự sang

8 bit , bộ chọn 8 kênh và một bộ logic điều khiển tương thích Bộ chuyển đổi AD 8 bit

này dùng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ liên tục Bộ chọn kênh có thể truy xuất bất kỳ

kênh nào trong các ngõ vào tương tự một cách độc lập

- Thiết bị này loại trừ khả năng cần thiết điều chỉnh điểm 0 bên ngoài khả năng điều

chỉnh tỉ số làm tròn ADC 0809 dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý

a) Sơ đồ chân ADC 0809

Hình 2.12: Sơ đồ chân ADC 0809

b)Ý nghĩa các chân

- IN0 đến IN7 : 8 ngõ vào tương tự

- A,B,C : giải mã chọn một trong 8 ngõ vào

- 2-1 đến 2-8 : ngõ ra song song 8 bit

- ALE :cho phép chốt địa chỉ

- START : xung bắt đầu chuyển đổi

- CLK : xung đồng hồ

- REF : điện thế tham chiếu dương

- REF : điện thế tham chiếu âm

- VCC : nguồn cung cấp

- GND : Mass

- OE : cho phép xuất dữ liệu

- EOC : báo hiệu quá trình chuyển đổi xong

c) Sơ đồ khối

Hình 2.13: Sơ đồ khối ADC 0809

d) Các đặc điểm của ADC 0809

- Độ phân giải 8 bit

- Tồng sai số chưa chỉnh định được 1/2LSB;1LSB

- Thời gian chuyển đổi 100µs ở tần số 640 kHz

- Nguồn cung cấp + 5V

- Điện áp gõ vào 0 – 5V

- Tần số xung clock 10kHz – 1280 kHz

- Nhiệt độ hoạt động – 40oC đến 85oC

- Dể dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý

- Không cần điều chỉnh zero hay toàn thang

- Multiplex 8 kênh với địa chỉ logic

Sau khi kích xung start thì bộ chuyển đổi bắt đầu hoạt đông ở cạnh xuống của xungstart, ngõ ra EOC sẽ xuống mức thấp sau khoảng 8 xung clock (tính từ cạnh xuống củaxung start).Lúc này bit cơ trọng số lớn nhất (MSB) được đặt lên mức 1, tất cả các bit cònlại ở mức 0, đồng thời tạo ra điện thế có giá trị Vref/2, điện thế này được so sánh với điệnthế vào in.

- Nếu Vin > Vref/2 thì bit MSB vẫn ở mức 1

- Nếu Vin < Vref/2 thì bit MSB vẫn ở mức 0

Tương tự như vậy bit kế tiếp MSB được đặt lên 1 và tạo ra điện thế có giá trị Vref/4 vàcũng so sánh với điện thế ngõ vào Vin Quá trình cứ tiếp tục cho đến khi xác định đượcbít cuối cùng Khi đó chân EOC lên mức 1 báo cho biết đã kết thúc chuyển đổi

Trong suốt quá trình chuyển đổi chân OE được đặt ở mức 1 ,muốn đọc dữ liệu ra chân

OE xuống mức 0

Trong suốt quá trình chuyển đổi nếu có 1 xung start tác động thì ADC sẽ ngưng chuyểnđổi

Mà ra N cho một ngõ vào tuỳ ý là một số nguyên

Trong đó Vin : Điện áp ngõ vào hệ so sánh

Vref(+) : Điện áp tại chân REF(+)

Vref(-) : Điện áp tại chân REF(-)

Nếu chọn Vref(-) =0 thì N = 256

Vref(+) = Vcc = 5V thì đầy thang là 256

Giá trị bước nhỏ nhất

1 LSB = 5/(28 – 1) = 0.0196 V/byte

Vậy với 256 bước Vin = 5V

Áp vào lớn nhất của ADC 0809 là 5V

f) Biểu đồ thời gian của ADC 0809.

Hình 2.14: Biểu đồ thời gian của ADC 0809

g) Giải thuật đọc ADC

s

Bắt đầu

Xuất tín hiệu chọn kênh Xuất tín hiệu ALE Xuất tín hiệu START

EOC = 1?

Đ

Đọc dữ liệu số Xuất tín hiệu OE

Hình 2.15: Giải thuật đọc ADC

2.2.3 EEPROM 2864

EEPROM có cổng thả nổi (ô nhớ trong EEPROM là những transistor MOS với cổng silic không có mối nối điện) được sử dụng rất thuận tiện khi thiết kế các hệ thống số đặc biệt trong kỹ thuật vi xử lý EEPROM được thiết kế với các ô nhớ có thể xoá và viết lại được.EEPROM được xoá bằng xung điện EEPROM 2864 có dung lượng 8 Kbyte, có 8 ngõ ra song song

a) Sơ đồ chân

Hình 2.16: Sơ đồ chân EEPROM

b) Ý nghĩa các chân

- A0, A1,… A12: đầu vào các địa chỉ

- I/O0, I/O1,…I/O7: data input (write or erase) /data output (read) ngõ vào dữ liệu khi viết hoặc xoá, ngõ ra dữ liệu khi đọc

- OE : ngõ ra cho phép đọc dữ liệu (output enable)

- CE : chân lựa chọn chip (chip enable)

- WE: chân cho phép viết (written enable)

- RDY/BUSY : device ready/ busy

- NC : no connect ( không có kết nối)

- Vcc : nguồn cung cấp

- GND: mass

c)Sơ đồ khối EEPROM

Hình 2.17: Sơ đồ khối EEPROM

d) Bảng trạng thái của EEPROM

Bảng 2.5: Bảng trạng thái của EEPROM

IC74LS47 là loại IC giải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn

là mạch giải mã phức tạp vì mạch phải cho nhiều ngõ ra lên cao hoặc xuống thấp

( tuỳ vào loại đèn led là anod chung hay catod chung) để làm các đèn cần thiết sáng thànhcác số hoặc ký tự IC 74LS47 là loại IC tác động ở mức thấp có ngõ ra cực thu để hở và khả năng nhận dòng đủ cao để thúc trực tiếp các đèn led 7 đoạn loại anod chung