Thiết kế mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ

Yêu cầu công nghệ của đề tài là chúng ta sẽ phải thiết kế một mạchđo tần số với đối tượng là xung vuông hoặc tín hiệu xoay chiều và một mạchđo , giám sát nhiệt độ , cảnh báo nhiệt độ .Yêu cầu công nghệ của mạchđo tần số :Mạchđo tầngồm hai nútStart vàStop dùng cho hai nhiệm vụ là chúng ta khởiđộng hệ thống và dừng hệ thống .Mạchđo tần sốvớiđối tượng là dòngđiện xoay chiều hoặc là xung vuông .Với dải tần số là c dảiđo từ 0Hz9999Hz .Ngoài việcđo nhiệtđộ thì hệ thống cần hiển thị giá tri đo tần số ra 4 Led 7 thanh.Yêu cầu công nghệ của mạch giám sát nhiệt độ :Mạchđo giám sát nhiệt độ dùng một cảm biến nhiệtđộ LM335 để giám sát nhiệt độ (dảiđo từ 50oC đến 125oC).Cảm biến nhiệt độ cũng cho giá trị đầu ra sau mạch chuẩnhóa , nếu nhiệt độđạt 83oC thì cần cảnh báo bằng còi.Mạch giám sát nhiệt độ cũng gồm có nútStopdừngmạch

BÀI T P L N ẬP LỚN ỚN

Nhóm 11-bài 3

Nguyễn Thị Nhàn

Nguyễn Trọng Nhân Trần Văn Nhuận

Nguyễn Xuân Phong Hàn Thượng Nguyên

Mục lục

Mục lục 1

Chương I: Trình bày về cách mạch chức năng sử dụng trong hệ thống 2

1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ 2

1.1 Liệt kê các phương pháp đo tần số 3

1.2 Trình bày nguyên lý đo tần số trong bài 3

1.3 Các linh kiện sử dụng trong bài 4

Chương II Thiết kế mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ 5

2.1 Sơ đồ bố chí linh kiện trong bài 5

2.2 Các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế 5

2.3 Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với điện áp đầu ra từ (0÷10)V 6

2.4 Sơ đồ chân,bảng chân lý và ứng dụng các vi mạch được sử dụng 9

2.5 Sơ đồ nguyên lý của mạch 16

2.6 Nguyên lý hoạt động của mạch 19

2.7.Mạch mô phỏng trên proteus và chạy thử 19

Chương 3.Kết luận 21

3.1 Các kết quả đạt được 22

3.2 Sai số và nguyên nhân sai số thiết bị đo 22

1 | N h ó m 1 1 T ự đ ộ n g h ó a 2 _ K 8

Chương I: Trình bày về cách mạch chức năng sử

dụng trong hệ thống.

1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ.

NỘI DUNG :

Yêu cầu công nghệ của đề tài là chúng ta sẽ phải thiết kế một mạch

đo tần số với đối tượng là xung vuông hoặc tín hiệu xoay chiều và một mạch đo , giám sát nhiệt độ , cảnh báo nhiệt độ

 Yêu cầu công nghệ của mạch đo tần số :

- Mạch đo tần gồm hai nút Start và Stop dùng cho hai

nhiệm vụ là chúng ta khởi động hệ thống và dừng hệ thống

- Mạch đo tần số với đối tượng là dòng điện xoay chiều

hoặc là xung vuông

- Với dải tần số là c dải đo từ 0Hz-9999Hz

- Ngoài việc đo nhiệt độ thì hệ thống cần hiển thị giá tri đo

tần số ra 4 Led 7 thanh.

 Yêu cầu công nghệ của mạch giám sát nhiệt độ :

- Mạch đo giám sát nhiệt độ dùng một cảm biến nhiệt độ

LM335 để giám sát nhiệt độ (dải đo từ -50oC đến 125oC).

- Cảm biến nhiệt độ cũng cho giá trị đầu ra sau mạch

chuẩn hóa , nếu nhiệt độ đạt 83oC thì cần cảnh báo bằng còi.

2 | N h ó m 1 1 T ự đ ộ n g h ó a 2 _ K 8

- Mạch giám sát nhiệt độ cũng gồm có nút Stop dừng

mạch

HOẠT ĐỘNG :

Khi nút ân Start , hệ thống hiển đo và hiển thị kết quả đo với thang

đo Hz, cảm biến nhiệt độ cũng cho giá trị đầu ra sau mạch chuẩn hóa ,

nếu nhiệt độ đạt 83oC thì cảnh báo bằng còi Khi ấn nút Stop , hệ

thống dừng Sử dụng các thiết bị đo để kiểm tra khi cần thiết

1.2 Liệt kê các phương pháp đo tần số.

Để đo tần số của tín hiệu ta có hai phương pháp đó là phương pháp biến đổi thẳng và phương pháp so sánh

 Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng bao gồm:

- Các tần số kế cơ điện tương tự (tần số kế điện từ, điện động,sắt điện

động) Sử dụng để tần số trong khoảng từ 20 ÷ 2.500Hz trong các mạch nguồn với caaos chính xác không cao (cấp chính xác 0,2; 0,5; 1,5; 2,5)

- Các loại tần số kế này nói chung hạn chế sử dụng vì tiêu thụ công suất

khá lớn và bị rung

- Các tần số kế điện dung tương tự để đo tần số trong dải tần từ 10Hz ÷

500kHz,được sử dụng khi hiệu chỉnh, lắp ráp các thiết bị ghi âm và radio

- Tần số kế chỉ thị số sử dụng để đo chính xác tần số của tín hiệu xung và

các tín hiệu đa hài trong dải tần từ 10Hz ÷ 50GHz Ngoài ra còn sử dụng

để đo tỉ số các tần số, chu kỳ, đo độ dài các xung, và khoảng thời thời gian

 Đo tần số bằng phương pháp so sánh bao gồm:

- Sử dụng oscilloscope được thực hiện bằng cách so sánh tần số cần đo với

tần só của máy phát chuẩn ổn định Phương pháp này để sử dụng đo tần

số các tín hiệu xoay chiều, tín hiệu xung trong dải tần từ 10Hz đến

20MHz

3 | N h ó m 1 1 T ự đ ộ n g h ó a 2 _ K 8

- Tần số kế trộn tần sử dụng để đo tần số của tín hiệu xoay chiều, tín hiệu

điều chế biên độ trong khoảng từ 100kHz đến 20GHz trong kỹ thuật vô tuyến điện tử

- Cầu xoay chiều phụ thuộc tần số để đo tần số trong khoảng từ 20Hz đến

20kHz

- Tần số kế cộng hưởng để đo tần số xoay chiều tần số hiệu điều chế biên

độ, điều chế xung trong khoảng từ 50kHz đến 10GHz; thương được sử dụng khi lắp thiết bị thu phát vô tuyến

1.3 Trình bày nguyên lý đo tần số trong bài.

Trong bài này ta sử dụng phương pháp biến đổi thẳng được tiến hành bằng tần

số kế chỉ thị số

Nguyên lý của một tần số kế chỉ thị số là đếm số xung N tương ứng với số chu kỳ của tần số cần đo fx trong khoảng thời gian gọi là thời gian đo Tdo

Trong khoảng thời gian đo ta đếm được n xung tỉ lệ với tần số cần đo fx Trên hình 1.3 là sơ đồ khối của tần số kế chỉ thị số

1.4 Các linh kiện sử dụng trong bài.

Các linh kiện sử dụng trong bài gồm có:

Chương II Thiết kế mạch đo tần số và giám sát

nhiệt độ.

2.1 Sơ đồ bố chí linh kiện trong bài.

2.2 Các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế.

Số lượng linh kiện sử dụng trong bài:

Khối tạo

Hệ thống giám sát nhiệt

độ

Hệ thống giám sát nhiệt

độ

Sơ đồ khối của mạch:

- Khối cảm biến : khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không

điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng ở đây ta dùng cảmbiến nhiệt nhiệt độ lm335 để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp

Chọn Ra=73Ω, Rb=32.5Ω, Rc=15Ω, Rd=10Ω và vR=10kΩ

6 | N h ó m 1 1 T ự đ ộ n g h ó a 2 _ K 8

50% RV210k

RD 10

RC 10

82.0

D1 LM335

RA 128

RB 10

Cảm biến

Cảm biến Khối khuếch đại

điện áp Khối khuếch đại điện áp Khối Khối so sánh so sánh Khối Khối cảnh báo cảnh báo

Nguồn cấp cho khối cảm biến là +5V.

Với khối cảm biến này với mỗi 1 độ C điện áp đầu ra U21 tăng 8 mV

- Khối khuếch đại : Có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ khối cảm biến đưa

tới, vì tín hiệu điện do cảm biến đưa ra thường là nhỏ nên ta phải khuếch đại lên

để đưa vào các mạch điện khác

- Điện áp ra được xác định bằng biểu thức thường vói điều kiện thường dùng

3 2

- Mạch so sánh : Có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa

ra khối sau Việc so sánh tín hiệu sẽ được ứng dụng cho mạch cảnh báo khi có sự quá nhiệt độ

Ta sử mạch so sánh 2 điện áp trên 1 lối vào để lật trạng thái ra ở điểm mình muốn, sau đây là sơ đồ mạch:

Ta có : tại P thì Up= (Uđ R1 + Uv R 2 ).R12 với R12= R 11 + 1

R 2

Mặt khác Un= 0 (V)

Nếu Up>Un thì Up > 0 vậy Ur = + Ucc ( bão hòa mức dương)

Up>0 suy ra Uđ R1 + Uv R 2 > 0

→ Uv > - R 2 R 1 Uđ

Ngược lại khi Up¿Un thì Ur=0 bão hòa mức âm và đi biểu thức đổi dấu

Vậy là ta tìm hiểu quá trình lật trạng thái khi cho tín hiệu vào thay đổi cụ thể là sự thay đổi của nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi điện áp

Yêu cầu của đề bài là khi quá 10V thì cảnh báo vậy ta chọn 2 giá trị điện trở bằng nhau chọn R1=R2= 1k

Như vậy khi Uv > Uđ= 10V thì điện áp ra khác không và còi báo phía sau sẽ hoạt động cảnh báo Một vấn đề nữa là chọn nguồn cung cấp Ucc sao cho điện

áp ra đủ để còi hoặc đèn hoạt động thường thì ta hay chọn Ucc=15V

8 | N h ó m 1 1 T ự đ ộ n g h ó a 2 _ K 8

- Mạch cảnh báo là mạch còi báo động.

- Khối nguồn :cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động , tất cả thiết

bị chỉ ở một trong ba nguồn +12v hoặc - 12v hoặc +5v

-Khối cảm biến và khuếch đại đo lường : cảm biến nhiệt độ biến nhiệt thành điện ở mức vài mV và được cho vào bộ khuếch đại để cho về điện áp chuẩn

-Khối này ta dùng mạch khuếch đại vi sai cải tiến,áp dụng các công thức cho mạch vi sai cải tiến,ta được sơ đồ chuẩn hóa điện áp

2.4 Sơ đồ chân,bảng chân lý và ứng

E 4 D/U 5

PL 11

U13

74LS190

Chức năng các chân:

Là IC tích hợ bộ đếm thập phân đồng bộ, đầu ra song song Nó có chức năng đếm thuận hoặc nghịch.Đặc biệt có thể đặt trước giá trị đếm với chân điều khiểngiá nạp giá trị

- Chân cấp nguồn : 16 (VCC) và chân 8(GND)

- Nhóm chân dữ liệu nạp vào : A(15) B(1) C (10) D(9)

- Nhóm chân dữ liệu đầu ra : Qa (3) Qb(2) Qc(6) Qd(7)

- Chân cấp xung clock CLK :14

- Chân chọn chế độ đếm thuận nghịch D/U :5

- Chân cho phép đếm Enable :4

- Chân nạp giá trị load :11

- Chân xung đếm ra RCO :13

Bảng trạng thái các chân chức năng đặc biệt :

2.4.2 Bộ khuếch đại thuật toán µA 741

Chân 3 đầu vào không đảo

Chân 2 đầu vào đảo

h ó a 2 _ K 8

3 2

Chân 7 cấp nguồn V .

Chân 4 cấp nguồn V++

Chân 5 và 1 là 2 chân bù điện áp

Tương tự 741 là bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng

OPAMP có 2 chân đầu vào đảo và không đảo 1 chân đầu ra

2.4.3 IC7447

-Là ic hoạt động ở mức tích cực thấp

-Dùng để giải mã cho led 7 thanh anode chung

*Sơ đồ các chân của IC

-Các chân 7,1,2,6 là ngõ vào của tín hiệu BCD

-Các chân 13,12,11,10,9,15,14 nối với led 7 thanh

-Chân 4 là chân cho phép đầu ra

-Chân 5 là chân cho phép loại bỏ số 0 không mong muốn ở các bộ hiển thị-Chân số 3 dùng để kiểm tra các thành đoạn của led 7 thanh cũng như các ngõ đầu ra của IC

h ó a 2 _ K 8

OPAMP

Bảng chân lý của IC7447 ứng với led 7 thanh.

2.4.5 NE 555.

h ó a 2 _ K 8

- Chân 1 (GND): cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC hay chân còn gọi

là chân chung

- Chân 2 : đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùng như

1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp Mạch so sanh ở đây dùng các transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3 Vcc

- Chân 3 : chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cáo nó tương ứng gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng trong thực tế nó không được ở mức 0V mà nó trong khoảng ( 0.35-

>0.75V)

- Chân 4 dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ

ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ ra phụ thuộc vào điện áp chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường nối chân này lên Vcc

- Chân 5 dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theo các mức biển áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuốngGND thông qua tụ điện từ 0.01uF->0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định

- Chân 6 là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu

- Chân 7 có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức điện áp thấp thì khóa này đóng lại , ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho mạch R_C lúc IC

555 dùng như 1 tầng dao động

- Chan 8 (VCC): đây là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động khôngcó chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2->18V

2.4.6 LED 7 thanh anode chung.

h ó a 2 _ K 8

Led 7 thanh: là 7 con led xếp với nhau thành một hình, nhằm thể hiện các con

số Một chân của các con led được nối với nhau ( Katot chung hoặc Anot chung), các chân còn lại được đưa ra nhằm phân cực các con led

Bảng chân lý của Led 7 thanh

đưa dữ liệu ra ngoài,

mỗi lần kích một xung

vào, một chân sé được

đưa lên mức cao một

cách tuần tự, các chân

E 13

- Chân 15(MR): Chân reset, mỗi khi kích lên mức cao, IC được reset.

- Chân 12 (CO): Trong 5 xung đầu ( từ Q0 - Q4 lần lượt lên mức cao) CO ở mức cao, 5 xung tiếp theo (từ Q5 – Q9 lần lượt lên mức cao) CO ở mức thấp

2.4.8 IC 7805

Chân 1 đầu vào điện áp

Chân 3 đầu ra

Chân 2 nối GND

2.5 Sơ đồ nguyên lý của mạch.

Sơ đồ nguyên lý của khối đo tần số

* Khối mạch tạo xung đến giây dùng IC 555:

*Tín hiệu cần đo

h ó a 2 _ K 8

x R

TH 6

CV 5

Ở bài này ta đo tín hiệu xoay chiều với tần số 1500Hz.

* Bộ đếm thập phân

-Khối tín hiệu cho phép đếm và dừng đếm

h ó a 2 _ K 8

x

RESET

j U100

AND

U9

NOT

R3 10k

U10

NOT

1 2

3 U11:A

7408

CLK 14 E 13

MR

Q0 3Q1 2Q2 4Q3 7Q4 10Q5 1Q6 5Q7 6Q8 9Q9 11U12

4017

Khối tín hiệu được sử dụng băng cổng AND 7408 khi mạch ở chế độ hoạt đông đầu ra của cổng là mức thấp 0 và khi đạt mức cao thì mạch sẽ dừng.

-Cổng NOT (inverter - bộ đảo)

Ngõ ra Q ở mức cao khi ngõ vào A là đảo (Not) của mức cao, ngõ ra là đảo (ngược lại ) của ngõ vào : Q = NOT A Cổng NOT chỉ có thể có một ngõ ra Một cổng NOT cũng có thể được gọi là bộ đảo

- Cổng AND

Ngõ ra Q ở mức cao nếu ngõ vào A "AND" ngõ vào B đều ở mức cao (giống như nhân A với B): Q= A AND B Một cổng AND có thể có hai hoặc nhiều ngõvào Ngõ ra của nó ở mức cao nếu tất cả các ngõ vào ở mức cao

2.6 Nguyên lý hoạt động của mạch.

*Với mạch đo tần số

Khi ta ấn nút START/STOP cấp nguồn cho mạch hoạt động IC 555 cấp xung cho bộ đếm thời gian và nguồn tín hiệu cần đo cấp xung cho bộ đếm xung hoat động Khi mạch đếm chưa hết tần số thì đầu ra của cổng 7408 vẫn ở mức thấp mạch hoạt động khi đạt hết quá trình đếm xung thì đầu ra của 7408 đạt mức cao hệ thống ngừng đếm Và đó chính là kết quả đo tần sô của nguồn tín hiệu cần đo

Khi ta muốn đo lại ta ấn nút RESET mach sẽ về trạng thái 0 Muốn tiếp tục đo

ta ấn RESET lần 2

h ó a 2 _ K 8

Khi muốn dừng mạch ta ấn nút START/STOP mạch sẽ dừng lại cả khối đếm xung và đếm thời gian đều dừng lại.

2.7.Mạch mô phỏng trên proteus và chạy thử.

Mạch đo tần số và chạy thử

h ó a 2 _ K 8

Mạch đo và cảnh báo nhiệt độ.

R5 3k

R4 2k

R3 10k

R6 2k

R7 3k

1k

R13 1k

R12 1k -7.49

Q1 2N1711

BUZ1

BUZZER 83.0

3 2

Chương 3.Kết luận

3.1 Các kết quả đạt được

Sau một thời gian tìm hiểu tài liệu và kiến thức có được của môn vi mạch số và

vi mạch tương tự, nhóm 3 đã hoàn thành bài tập lớn về mạch đo tần số, do kiến

thức về môn chưa vững nên còn nhiều sai sót

3.3 Các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục

* Các hạn chế tồn tại trong bản thiết kế :

Mạch đo vẫn còn sai số trong khi đo tần số dòng điện xoay chiều ,đi dây cho các linh kiện vẫn chưa gọn gàng và còn nhiều thiếu xót khác

Thuy t minh nguyên lý ho t đ ng c a m ch ết minh nguyên lý hoạt động của mạch ạt động của mạch ộng của mạch ủa mạch ạt động của mạch

1 Khi ta ấn nut START mạch hoạt động IC 555 cấp xung cho bộ đếm thời gian và nguồn tín hiệu cần đo cấp xung cho bộ đếm xung hoat động

Khối tín hiệu cho phép đếm và dừng đếm

Khi mạch đếm chưa hết tần số thì đầu ra của cổng 7408 vẫn ở mức thấp mạch hoạt động khi đạt hết quá trình đếm xung thì đầu ra của 7408 đạt mức cao hệ thống ngừng đếm Và đó chính là kết quả đo tần sô của nguồn tín hiệu cần đo

Khi ta muốn đo lại ta ấn nút START mach sẽ về trạng thái 0 Muốn tiếp tục

đo ta ấn START lần 2

Khi muốn dùng mạch ta ấn nút STOP mạch sẽ dừng lại cả khối đếm xung và đếm thời gian đều dừng lại

2.7.Xây d ng m ch mô ph ng trên Proteus và ch y th ựng mạch mô phỏng trên Proteus và chạy thử ạt động của mạch ỏng trên Proteus và chạy thử ạt động của mạch ử

File mạch đã được gửi kèm theo bài

Ch ương 3:Kết luận ng 3:K t lu n ết minh nguyên lý hoạt động của mạch ận

3.1.Các k t qu đ t đ ết minh nguyên lý hoạt động của mạch ả đạt được ạt động của mạch ược c

-Dưới sự hướng dẫn của giảng viên,em đã thiết kế được mạch đo tần

số thang đo 0-9999Hz hiển thị kết quả trên led 7 thanh và mạch cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá 86 độ C

h ó a 2 _ K 8