Thiết kế chế tạo thiết bị kiểm tra chất lượng nước

Tất cả các dung dịch có chứa nước thì luôn có độ dẫn điện trong một chừng mực nào đó, hay nói cách khác, ta có thể đo được điện trở của nước nếu biết độ dẫn điện của nó.. Vậy nếu ta xác

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn “ Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy đo độ dẫn nước” là công trình nghiên cứu riêng của tôi, không sao chép từ bất cứ tài liệu nào.Tất

cả các dữ liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả Đặng Thành Trung

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC HÌNH ẢNH 4

DANH MỤC VIẾT TẮT 6

LỜI NÓI ĐẦU 8

PHẦN MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 12

1.1 Tìm hiểu nhiệm vụ 12

1.1.1 Vai trò của nước trong cuộc sống 12

1.1.2 Nước sạch là gì ? 12

1.1.3 Làm sao để xác định đâu là nước sạch ? 12

1.1.4 Độ dẫn điện của nước 15

1.2 Giới thiệu một số dòng máy đo điện trở nước có trên thị trường hiện nay 18

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 22

2.1 Yêu cầu về thiết kế 22

2.2 Sơ đồ tổng quát 22

2.3 Phân tích sơ đồ khối 23

2.4 KHẢO SÁT CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 24

2.4.1 Khuếch đại thuật toán LM324N 24

2.4.2 IC Ổn áp 7805 30

2.4.3 IC nguồn ICL7660 31

2.4.4 Cảm biến nhiệt độ LM35 32

2.4.5 Vi sử lý ATMEGA 16 33

2.4.6 Màn hình hiển thị LCD QC1602A 45

CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO 51

3.1 Thiết kế và phân tích sơ đồ khối 51

3.1.1 Sơ đồ khối chi tiết 51

3.1.2 Phân tích nguyên lý hoạt động sơ đồ khối chi tiết 51

3.2 Sơ đồ nguyên lý của mạch 56

3.2.1 Sơ đồ khối tạo xung 56

3.2.2 Sơ đồ khối nguồn 56

3.2.3 Sơ đồ khối vi điều khiển 57

3.2.4 Sơ đồ khối hiển thị 57

3.2.5 Sơ đồ khối mặt 58

3.2.6 Sơ đồ khối tổng 58

3.2.7 Mạch in 59

3.2.8 Hoàn thiện máy 60

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN CHUNG 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

PHỤ LỤC 63

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Mối quan hệ giữ EC và TDS 16

Hình 1 2 Tương quan giữa TDS và độ dẫn điện 17

Hình 1 3 Model MC315 18

Hình 1 4 Model CD-4302 19

Hình 1 5 Model Hi 99301 19

Hình 1 6 Model MW301 20

Hình 2 1 Sơ đồ khối của máy 22

Hình 2 2 IC LM324 24

Hình 2 3 Sơ đồ diagram 25

Hình 2 4 Sơ đồ chân LM324 25

Hình 2 5 Mạch tạo xung dùng op-amp 26

Hình 2 6 Quá trình tạo xung vuông 27

Hình 2 7 Quá trình tạo xung vuông 30

Hình 2 8 ICL7660 31

Hình 2 9 Nguyên lý ICL7660 31

Hình 2 10 Cảm biến nhiệt độ LM35 32

Hình 2 11 Sơ đồ khối của vi điều khiển ATMEGA 16 33

Hình 2 12 Sơ đồ chân của ATMEGA 16 35

Hình 2 13 Sơ đồ cấu trúc bộ định thời 37

Hình 2 14 Đơn vị đếm 38

Hình 2 15 Sơ đồ đơn vị so sánh ngõ ra 39

Hình 2 16 Sơ đồ bộ biến đổi A/D 40

Hình 2 17 Thanh ghi ADMUX 41

Hình 2 18 Thanh ghi điều khiển và trạng thái ADC 42

Hình 2 19 Thanh ghi dữ liệu ADC 43

Hình 2 20 TEXT LCD QC1602A 45

Hình 2 21 Cách kết nối LCD với nguồn và mạch điều khiển 47

Hình 2 22 Hoạt động của chân RS 48

Hình 2 23 Trình tự giao tiếp với Text LCD 49

Hình 3 1 Sơ đồ khối chi tiết 51

Hình 3 2 Kích thước lý thuyết của cảm biến có hằng số tế bào 1.0 54

Hình 3 3 Sơ đồ khối tạo xung 56

Hình 3 4 Sơ đồ khối nguồn 56

Hình 3 5 Sơ đồ khối vi điều khiển 57

Hình 3 6 Sơ đồ khối hiển thị 57

Hình 3 7 Sơ đồ khối mặt 58

Hình 3 8 Sơ đồ nguyên lý tổng 58

Hình 3 9 Mạch in khối mạch 59

Hình 3 10 Mạch in khối mặt 59

Hình 3 11 Mạch hoàn thiện 60

12 UART Universal asinchonus Receiver Transmitter

19 EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

26 W Watt

31 ASCII American Standard Code for Information Interchange

38 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đều biết, Nước là tài nguyên vật liệu quan trọng nhất của loài người và sinh vật trên trái đất Con người mỗi ngày cần 250 lít nước cho sinh hoạt, 1.500 lít nước cho hoạt động công nghiệp và 2.000 lít cho hoạt động nông nghiệp Nước chiếm 99% trọng lượng sinh vật sống trong môi trường nước và 44% trọng lượng cơ thể con người Ðể sản xuất 1 tấn giấy cần 250 tấn nước, 1 tấn đạm cần 600 tấn nước và 1 tấn chất bột cần 1.000 tấn nước

Có khi nào bạn tự hỏi nước bạn đang uống mỗi ngày có đảm bảo là nước sạch không? Chúng ta không thể phủ nhận được tầm quan trọng của nước sạch, nước là cội nguồn của sự sống, nếu không có nước hoặc nguồn nước bị ô nhiễm nặng thì sự sống trên hành tinh và của chúng ta sẽ bị ảnh hưởng nặng nề Nhưng cũng không ít người vẫn chưa hiểu hết được nước sạch quan trọng như thế nào đối với đời sống con người? Nguy cơ ô nhiễm và khan hiếm nguồn nước sạch là một trong những vấn đề mà chúng

ta đang phải đối mặt hiện nay

Trong thực tế, để xác định nước có sạch hay không, ta phải trải qua rất nhiều xét nghiệm và kiểm tra nồng độ các chất tan trong nước Chi phí cho quá trình này là rất tốn kém và không phải ai cũng có tiền và công sức để làm Vậy làm sao ta có thể xác định được nước có sạch hay không ?

Tất cả các dung dịch có chứa nước thì luôn có độ dẫn điện trong một chừng mực nào đó, hay nói cách khác, ta có thể đo được điện trở của nước nếu biết độ dẫn điện của

nó Dựa vào các chỉ tiêu đánh giá nước sạch ta có thể xác định được giới hạn điện trở của nước sạch Vậy nếu ta xác định được điện trở của nước ta có thể khẳng định một cách tương đối nước có sạch hay không

Với yêu cầu như trên, nhiệm vụ của đề tài là thiết kế và chế tạo 1 thiết bị đo được điện trở của nước một cách nhanh chóng, chính xác, tiện lợi, giá thành có thể chấp nhận được

PHẦN MỞ ĐẦU

a) Lý do chọn đề tài

Hiện nay, khi nền khoa học kỹ thuật càng phát triển, kèm theo đó, vấn đề sức khỏe cũng ngày càng được chú trọng và quan tâm nhiều hơn Vì thế, những thiết bị dùng để kiểm tra độ sạch, chất lượng của nước, thực phẩm ngày càng được thiết kế và chế tạo nhiều hơn trên thị trường

Đặc biệt với nước, 1 trong những thứ không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, thì việc thiết kế, chế tạo ra một thiết bị có thể đo được các thông số của nước để xác định chất lượng nước lại càng được quan tâm hơn Với mong muốn nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy đo độ dẫn nước có những tính năng kỹ thuật tương đương những máy nhập khẩu, thứ hai là tự chủ được thiết bị do mình tự chế tạo, giảm chi phí mua máy và sửa chữa máy cũng như không lệ thuộc quá nhiều vào công ty và hãng cung cấp máy cho bệnh viện, và mong muốn xa hơn là thiết bị do tôi nghiên cứu chế tạo có thể được sử dụng rộng rãi tại các bệnh viện và có thể đưa sản phẩm ra ngoài thị trường với giá cả

và chất lượng cạnh tranh

b) Lịch sử nghiên cứu

Hiện nay trên thị trường, hầu hết các thiết bị đo độ dẫn nước đều được nhập khẩu từ nước ngoài, với giá thành cao và chi phí sửa chữa lớn.Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị đo độ dẫn nước sẽ góp phần giảm thiểu được tối

đa giá thành và chi phí sửa chữa

c) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy đo độ dẫn của nước có tính năng kỹ thuật tương đương với các máy nhập khẩu trên thị trường, nhưng chi phí giá thành sản sản xuất và sửa chữa thấp hơn nhiều so với máy nhập khẩu

- Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là thiết bị đo độ dẫn của nước , đưa ra các thông số kỹ thuật, tính năng,tác dụng của máy nhập khẩu, từ đó lên phương án nghiên cứu,thiết kế và chế tạo thiết bị có tính năng tương đương với thiết bị nhập khẩu

d) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu, đánh giá tính năng kỹ thuật của một số dòng máy đo độ dẫn nước nhập khẩu đang được bán trên thị trường

Từ đó đưa ra phương án thiết kế chế tạo thiết bị sử dụng vi điều khiển Atemaga16 để độ dẫn nước và hiển thị lên trên màn hình LCD Kết quả nghiên cứu cuối cùng của đề tài là một sản phẩm có khả năng ứng dụng thực tế, có độ chính xác tương đương thiết bị ngoại nhập về chức năng, đồng thời giá cả hợp

lý

e) Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là phương pháp nghiên cứu tài liệu, kết hợp khảo nghiệm thực tế, thống kê, đo lường và thiết kế thực tế

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tìm hiểu nhiệm vụ

1.1.1 Vai trò của nước trong cuộc sống

Nước rất cần thiết đối với cuộc sống của con người Nước chiếm 70-75% trọng lượng cơ thể Cơ thể thiếu nước sẽ có các rối loạn chuyển hóa và kém hấp thu Mỗi người cần ít nhất 1,5 lít nước uống mỗi ngày Trong cơ thể, nước là yếu tố trung gian cần thiết cho các phản ứng để chất dinh dưỡng biến đổi thành dạng dễ tiêu hóa và hấp thu Nó tham gia quá trình điều hòa thân nhiệt, làm chất đệm mô bào, tránh bị xây sát Vai trò khác của nước là hòa tan các chất cặn bã và độc tố, giúp triệt tiêu và tống chúng

ra ngoài cơ thể Nó cũng cần thiết cho sự bài tiết phân, nước tiểu, hơi thở, mồ hôi

Ngoài ra nước còn cần cho sinh hoạt hằng ngày như tắm, giặt, vệ sinh, chế biến thực phẩm… Nước còn được tiêu thụ với số lượng lớn trong nông nghiệp, công nghiệp

và để cứu hỏa

1.1.2 Nước sạch là gì ?

Nước sạch là nước không màu, không mùi, không vị, có thể chứa các yếu tố vật

lý, hóa học và vi sinh trong mức độ chuẩn cho phép không gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Tiêu chuẩn vệ sinh nước sạch do Bộ Y Tế ban hành theo QCVN 02:2009/BYT

do Cục Y tế dự phòng và Môi trường biên soạn và được Bộ trưởng Bộ Y tế ban hành theo Thông tư số: 05/2009/TT - BYT ngày 17 tháng 6 năm 2009

TT Tên chỉ tiêu Đơn vị

tính

Giới hạn tối đa cho phép

độ giám sát

(ISO 7887 - 1985) hoặc SMEWW 2120

2160 B

A

(ISO 7027 - 1990) hoặc SMEWW 2130 B

A

khoảng 0,3-0,5

Trong khoảng 6,0 - 8,5

TCVN 6492:1999 hoặc SMEWW 4500 - H+

D

A

Sắt tổng số

(Fe2+ +

Fe3+)(*)

(ISO 6332 - 1988)hoặc SMEWW 3500 - Fe

100ml

(ISO 9308 - 1,2 - 1990) hoặc SMEWW 9222

100ml

(ISO 9308 - 1,2 - 1990) hoặc SMEWW 9222

A

Ghi chú:

- (*) Là chỉ tiêu cảm quan

- Giới hạn tối đa cho phép I: Áp dụng đối với các cơ sở cung cấp nước

- Giới hạn tối đa cho phép II: Áp dụng đối với các hình thức khai thác nước của cá nhân, hộ gia đình (các hình thức cấp nước bằng đường ống chỉ qua xử lý đơn giản như giếng khoan, giếng đào, bể mưa, máng lần, đường ống tự chảy)

1.1.4 Độ dẫn điện của nước

Độ dẫn của một chất được định nghĩa là khả năng thực hiện hoặc truyền nhiệt, điện, âm thanh Đơn vị của nó là Siemens trên mét [S / m] trong hệ đo lường SI hoặc millimhos trên cm [mmho / cm] theo đơn vị Mỹ Nó được ký hiệu là k hoặc s

Sự chuyển động của các hạt tích điện tao nên một dòng điện từ Các vật liệu rắn

có chứa các dòng điện tử bên trong được gọi là vật dẫn điện Vật dẫn điện sẽ phụ thuộc vào các điện tử bên trong chúng sẵn sàng cho quá trình dẫn điện Hầu hết các kim loại đều là vật dẫn điện, vì trong chúng có chứa một số lượng lớn các điện tử tự do ở trạng thái sẵn sàng để chuyển động tao ra dòng điện từ

Trong nước, các vật liệu ion hoặc các chất lỏng có thể tồn tại sự chuyển động của các ion tích điện Hiện tượng này tao ra một dòng điện và được gọi là sự dẫn truyền ion

Độ dẫn điện của nước (Electrical Conductivity : EC ) liên quan đến sự có mặt

của các ion trong nước Các ion này thường là muối của kim loại như NaCl, KCl,

SO2-4, NO-3, PO-4 v.v… Tác động ô nhiễm của nước có độ dẫn điện cao thường liên quan đến tính độc hại của các ion tan trong nước Do đó, độ dẫn điện của nước còn tượng

trưng cho tổng lượng chất rắn hòa tan trong nước ( TDS -Total Dissolved Solids -tổng chất rắn hòa tan , parts per millio -ppm - một phần triệu)… Trong dung dịch loãng,

TDS và EC là một sự so sánh hợp lý Đối với nước thông thường , mối quan hệ giữa TDS và EC có thể xác định qua phương trình sau đây:

TDS (ppm) = 0.64 x EC (μS/cm) = 640 x EC (dS/m)

Hình 1 1 Mối quan hệ giữ EC và TDS

Mối quan hệ trên cũng có thể được sử dụng để kiểm tra trong các phân tích hóa học của nước Tuy nhiên, khi TDS trong nước đạt đến một mức độ nhất định, độ dẫn điện không trực tiếp liên quan đến TDS nữa Nguyên nhân là bởi các cặp ion kết đôi được hình thành, các cặp ion này làm yếu đi sự chuyển động của các ion khác, do đó, khi vượt quá một mức độ cho phép so sánh, TDS trong nước sẽ không còn tỉ lệ với độ dẫn điện nữa Đó cũng là nguyên nhân mối quan hệ trên không áp dụng đối với nước thải

Độ dẫn điện của nước phụ thuộc và tăng tỉ lệ thuận với nhiệt độ nước Nhiệt độ

nước tăng lên 10C thì độ dẫn điện của nước sẽ tăng 2-3% Thông thường độ dẫn điện được đo ở nhiệt độ tiêu chuẩn là 250C

Nước tinh khiết không phải là một chất dẫn điện tốt Nước cất thông thường trong trạng thái cân bằng với lượng khí CO2 trong không khí có dẫn điện khoảng 20 dS

/ m Bởi vì dòng điện được tạo ra bởi sự chuyển động của các dòng ion trong dung dịch, độ dẫn điện tăng lên khi nồng độ của các ion tăng lên

Tùy thuộc vào nồng độ của dung dịch và thành phần của nó, hệ số 1.5 có thể thay đổi Nếu TDS của dung dịch được viết theo muối NaCl, giá trị microSiemen sẽ xấp xỉ 2 lần giá trị TDS NaCl ppm Bảng dưới đây mô tả mối tương quan này

Đo TDS là dựa vào hàm lượng CaCO3 quy đổi trong nước

Giữa điện trở của nước và độ dẫn điện có mối liên hệ với nhau, nếu xác định được điện trở của nước ta có thể xác định một cách tương đối xem nước có sạch hay không

Hình 1 2 Tương quan giữa TDS và độ dẫn

điện

1.2 Giới thiệu một số dòng máy đo điện trở nước có trên thị trường hiện nay

- Môi trường hoạt động: 0 … 500C, 95%RH max

- Điện: 12VDC, Adapter

- Kích thước: 148.5 x 82.5 x 40 mm

- Giá: 2.350.000

Hình 1 3 Model MC315

- Độ phân giải: EC: 0.01mS/cm

+ Việc sửa chữa và bảo dưỡng gặp khá nhiều khó khăn

Chính vì thế, yêu cầu cấp bách đặt ra trong luận văn là chế tạo thành công máy

đo độ dẫn nước có tính năng kỹ thuật tương đương với thiết bị nước ngoài, giá thành hạ nhằm đảm bảo khả năng chủ động trong cung cấp trang thiết bị cũng như đảm bảo được mức đầu tư hiệu quả đối với các trang thiết bị y tế Mặt khác, việc làm chủ công

Hình 1 6 Model MW301

nghệ chế tạo sản phẩm cho phép đơn vị cung cấp sản phẩm trong nước có khả năng hỗ trợ bảo dưỡng, sửa chữa thiết bị trong trường hợp hỏng hóc và đây cũng là vấn đề lớn đối với các sản phẩm nước ngoài hiện nay chưa đáp ứng được hoặc đáp ứng chậm hay giá thành sửa chữa còn quá lớn

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.1 Yêu cầu về thiết kế

Trong thực tế để xác định độ dẫn điện, người ta thường dùng các máy đo điện

trở, cường độ dòng điện hoặc bút đo độ dẫn điện Tuy nhiên các thiết bị này thường đắt tiền, không phổ biến Vì vậy yêu cầu đặt ra là phải chế tạo một mạch đơn giản, dễ sử dụng, giá thành có thể chấp nhận được

Việc đo độ dẫn điện của dung dịch điện li thực tế quy về việc đo điện trở của chúng bằng dòng điện một chiều hay xoay chiều Khi dùng dòng một chiều, trên bề mặt điện cực tiếp xúc với dung dịch có thể xảy ra phản ứng điện hoá tạo nên một điện trở gọi là điện trở phân cực, làm thay đổi điện trở của dung dịch cần xác định Để tránh điện trở phân cực người ta dùng các điện cực không phân cực như calomen, clorua bạc… nhưng tốt hơn hết là dùng dòng xoay chiều có tần số cao

2.2 Sơ đồ tổng quát

Trên cơ sở nhiệm vụ của đề tài ta có sơ đồ thiết kế tổng quát như sau:

Hình 2 1 Sơ đồ khối của máy

( 1 )

Nguồn ổn áp

( 2 ) Khối tạo xung

( 3 ) Mạch đo

( 4 )

Vi sử lý

( 6 ) Hiển thị

( 5 ) Khối cảm biến nhiệt độ

2.3 Phân tích sơ đồ khối

Khối (1) : Là nguồn ổn áp để tạo ra điện áp ổn định giúp mạch hoạt động chính xác và

ổn định

Khối (2) : Là máy phát xung vuông để tạo ra dòng điện xoay chiều nhằm tránh ăn mòn điện cực

Khối (3) : Mạch đo điện trở

Khối (4) : Vi sử lý giúp sử lý tín hiệu thu đƣợc và điều khiển sự hiển thị ra LCD Khối (5): Cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ của dung dịch

Khối (6) : Sử dụng LCD hiển thị kết quả đo đƣợc

2.4 KHẢO SÁT CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

Do yêu cầu đề tài và theo sơ đồ khối tổng quát mà ta đã trình bày ở phần trước Mục này ta tìm hiểu các linh kiện điện tử

2.4.1 Khuếch đại thuật toán LM324N

Mạch khuếch đại thuật toán (tiếng Anh: operational amplifier), thường được

gọi tắt là op-amp là một mạch khuếch đại "DC-coupled" (tín hiệu đầu vào bao gồm cả

tín hiệu BIAS) với hệ số khuếch đại rất cao, có đầu vào vi sai, và thông thường có đầu

ra đơn Trong những ứng dụng thông thường, đầu ra được điều khiển bằng một mạch hồi tiếp âm sao cho có thể xác định độ lợi đầu ra, tổng trở đầu vào và tổng trở đầu ra

Các mạch khuếch đại thuật toán có những ứng dụng trải rộng trong rất nhiều các thiết bị điện tử thời nay từ các thiết bị điện tử dân dụng, công nghiệp và khoa học Các mạch khuếch đại thuật toán thông dụng hiện nay có giá bán rất rẻ Các thiết kế hiện đại

đã được điện tử hóa chặt chẽ hơn trước đây, và một số thiết kế cho phép mạch điện chịu đựng được tình trạng ngắn mạch đầu ra mà không làm hư hỏng

LM324 là một IC khuếch đại thuật toán, công suất thấp bao gồm 4 bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) trong nó

Hình 2 2 IC LM324

Thông thường một bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) thì cần phải có nguồn

đôi Tức là phải có nguồn dương và nguồn âm Chẳng hạn như Opamp 741

Tuy nhiên các Opamp trong LM324 được thiết kế đặc biệt để sử dụng với nguồn

đơn Tức là chỉ cần Vcc và GND là đủ

Một điều đặc biệt nữa là nguồn cung cấp của LM324 có thể hoạt động độc lập

với nguồn tín hiệu Ví dụ nguồn cung cấp của LM324 là 5V nhưng nó có thể làm việc

bình thường với nguồn tín hiệu ở ngõ vào V+ và V- là 15V

Sơ đồ chân của LM324:

Vấn đề cần quan tâm khi thiết kế mạch với IC LM324:

 Điện áp cung cấp: Nguồn cung cấp cho LM324 tầm từ 5V~32V đối với nguồn

đơn và ± 1.5V đến ± 16V đối với nguồn đôi

 Điện áp tối đa ngõ vào: từ 0~32V đối với nguồn đơn và cộng trừ 15V đối với

nguồn đôi

Hình 2 4 Sơ đồ chân LM324 Hình 2 3 Sơ đồ diagram

 Công suất của Lm324 loại chân cắm (Dip): khoảng 1W

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

Tạo xung với LM324

Sử dụng mạch dao động tích thoát dùng OP-AMP (op-amp relaxation oscillator) Ðây là mạch tạo ra sóng vuông còn gọi là mạch dao động đa hài phi ổn (astable mutivibrator) Hình 1.7 mô tả dạng mạch căn bản dùng op-amp

Ta thấy dạng mạch giống như mạch so sánh đảo có hồi tiếp dương với điện thế

so sánh vì được thay bằng tụ C

Hình 2 5 Mạch tạo xung dùng op-amp

Ðiện thế thềm trên VUTP=β.(+VSAT)>0

Ðiện thế thềm dưới VLTP=β.(-VSAT)<0

Giả sử khi mở điện v0 = +VSAT, tụ C nạp điện, điện thế hai đầu tụ tăng dần, khi

VC (điện thế ngõ vào -) lớn hơn vf = VUTP (điện thế ngõ vào +) ngõ ra đổi trạng thái thành -VSAT và vf bây giờ là: vf = VLTP = β (-VSAT) Tụ C bắt đầu phóng điện qua R1, khi VC = 0 tụ C nạp điện thế âm đến trị số VLTP thì mạch lại đổi trạng thái (v0 thành +VSAT) Hiện tượng trên cứ tiếp tục tạo ra ở ngõ ra một dạng sóng vuông với đỉnh dương là +VSAT và đỉnh âm là -VSAT Thời gian nạp điện và phóng điện của tụ C là chu

Khi C nạp điện, điện thê 2 đầu tụ là:

7805 là IC ổn áp điện áp ra +5V

Hình 2 7 Quá trình tạo xung vuông

7805 có 3 chân cho ta kết nối với nó : Chân 1 là chân nguồn đầu vào, chân 2 là chân GND , chân 3 là chân lấy điện áp ra

+ Chân 1 - 2 (Chân điện áp đầu vào) : Đây là chân cấp nguồn đầu vào cho 7805 hoạt động Giải điện áp cho phép đầu vào lớn nhất là 40V Theo datasheet thì giải điện

áp đầu ra là 5V ta nên cho điện áp vào là 35V để mạch lúc nào cũng hoạt động ổn định điện áp không bị lên xuống do nguồn đầu vào

+ Chân 3 ( Chân điện áp đầu ra) : Chân này cho chúng ta lấy điện áp đầu ra ổn định 5V Đảm bảo đầu ra ổn định luôn nằm trong giải từ (4.75V đến 5.25V)

* Đảm bảo thông số : Vi - V0 > 3V Thông số này phải luôn đảm bảo khi cấp nguồn cho 7805 Tức là điện áp cấp vào cho 7805 phải nằm trong 8V đến 40V Nếu dưới 8V thì mạch ổn áp không còn tác dụng Thông thường người ta không bao giờ cấp nguồn

8V vào cả mà người ta phải cấp nguồn lớn hơn ít nhất là gấp đôi nguồn đầu ra để tráng

trường hợp sụt áp đầu vào sinh ra nguồn đầu ra không ổn định trong thời gian ngắn

2.4.3 IC nguồn ICL7660

Đây là IC nguồn khá phổ biến hiện nay Nó giúp tạo ra nguồn 1 chiều Ura với chỉ số âm

so với nguồn Uvào

Ura = - Uvào

Hình 2 8 ICL7660 Hình 2 9 Nguyên lý ICL7660

ICL 7660

2.4.4 Cảm biến nhiệt độ LM35

+ Chân 1 : Chân nguồn đầu vào Vcc

+ Chân 2 : Chân đầu ra Vout

+ Chân 3 : Chân nối GND

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 đƣợc 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 C

+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

Dải nhiệt độ đo đƣợc 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

Hình 2 10 Cảm biến nhiệt độ

LM35

 Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV

2.4.5 Vi sử lý ATMEGA 16

Sơ đồ khối của vi điều khiển ATMEGA 16

Hình 2 11 Sơ đồ khối của vi điều khiển ATMEGA 16

Đặc điểm chung

 Là vi điều khiển 8 bit thuộc dòng AVR có hiệu suất cao, công suất tiêu thụ thấp

 Kiến trúc RISC cao cấp:

 Bộ nhớ chương trình lên tới 16K byte chịu được 10000 lần ghi xoá

 512 byte eeprom chụi được 100000 lần ghi xoá

 RTC với thạch anh ngoài

 4 kênh điều chế độ rộng xung PWM

 Bộ ADC 10 bit, 8 kênh vào, tốc độ lên tới 15ksps

 Chuẩn giao tiếp TWI(I2C), SPI, UART

 Bộ WDT

 Các đặc điểm khác

 Power-on reset and Programmable Brown-out detection

 Bộ dao động nội RC đã đƣợc hiệu chuẩn

AVR sử dụng cấu trúc Harvard, tách riêng bộ nhớ và các bus cho chương trình

và dữ liệu Các lệnh được thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung clock.Bộ nhớ chương trình được lưu trong bộ nhớ Flash

Quản lý ngắt

Ngắt là một cơ chế cho phép thiết bị ngoại vi báo cho CPU biết về tình trạng sẵn

xàng cho đổi dữ liệu của mình.Ví dụ:Khi bộ truyền nhận UART nhận được một byte nó

sẽ báo cho CPU biết thông qua cờ RXC,hợc khi nó đã truyền được một byte thì cờ TX được thiết lập…

Khi có tín hiệu báo ngắt CPU sẽ tạm dừng công việc đạng thực hiện lại và lưu vị trí đang thực hiên chương trình (con trỏ PC) vào ngăn xếp sau đó trỏ tới vector phuc vụ ngắt và thức hiện chương trình phục vụ ngắt đó chơ tới khi gặp lệnh RETI (return from interrup) thì CPU lại lấy PC từ ngăn xếp ra và tiếp tục thực hiện chương trình mà trước khi có ngăt nó đang thực hiện Trong trường hợp mà có nhiều ngắt yêu cầu cùng một lúc thì CPU sẽ lưu các cờ báo ngắt đó lại và thực hiện lần lượt các ngắt theo mức ưu tiên Trong khi đang thực hiện ngắt mà xuất hiện ngắt mới thì sẽ xảy ra hai trường hợp Trường hớp ngắt này có mức ưu tiên cao hơn thì nó sẽ được phục vụ Còn nó mà có mức ưu tiên thấp hơn thì nó sẽ bị bỏ qua

Bộ nhớ ngăn xếp là vùng bất kì trong SRAM từ địa chỉ 0x60 trở lên Để truy nhập vào SRAM thông thường thì ta dùng con trỏ X,Y,Z và để truy nhập vào SRAM theo kiểu ngăn xếp thì ta dùng con trỏ SP Con trỏ này là một thanh ghi 16 bit và được truy nhập như hai thanh ghi 8 bit chung có địa chỉ :SPL :0x3D/0x5D(IO/SRAM) và SPH:0x3E/0x5E

Khi chương trình phục vu ngắt hoặc chương trình con thì con trỏ PC được lưu vào ngăn xếp trong khi con trỏ ngăn xếp giảm hai vị trí.Và con trỏ ngăn xếp sẽ giảm 1 khi thực hiện lệnh push Ngược lại khi thực hiện lệnh POP thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng

1 và khi thực hiện lệnh RET hoặc RETI thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 2 Như vậy con trỏ

ngăn xếp cần được chương trình đặt trước giá trị khởi tạo ngăn xếp trước khi một chương trình con được gọi hoặc các ngắt được cho phép phục vụ Và giá trị ngăn xếp ít nhất cũng phải lớn hơn 60H (0x60) vì 5FH trỏ lại là vùng các thanh ghi

Sơ đồ cấu trúc của bộ định thời:

Hình 2 13 Sơ đồ cấu trúc bộ định thời

Thanh ghi OCR0 luôn được so sánh với giá trị của bộ định thời/bộ đếm Kết quả

so sánh có thể được sử dụng để tạo ra PWM hoặc biến đổi tần số ngõ ra tại chân OC0

Đơn vị đếm

Phần chính của bộ định thời 8 bit là một đơn vị đếm song hướng có thể lập trình được Cấu trúc của nó như hình dưới đây:

 count: tăng hay giảm TCNT0 1

 direction: lựa chọn giữa đếm lên và đếm xuống

 clear: xóa thanh ghi TCNT0

 clkT0: xung clock của bộ định thời

Hình 2 14 Đơn vị đếm