Do mua nuoc va cung cap nang luong cho diem do

PHẦN LÝ THUYẾT CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG Khóa luận của tôi là một phần nằm trong đề tài lớn: “Xây dựng mạng cảm nhận không dây WSN thu thập các thông số môi trường trên cơ sở vi điều kh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

======000=====

Vũ Ngọc Thành

THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐẦU ĐO MỨC NỨỚC VÀ TÍNH

TOÁN HỆ CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG CHO ĐIỂM ĐO

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐẦU ĐO MỨC NỨỚC VÀ

TÍNH TOÁN HỆ CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG CHO

ĐIỂM ĐO

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

Cán bộ hướng dẫn: PGS-TS Vương Đạo Vy

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành khoá luận này tôi xin bày tỏ lời chân thành cám ơn đến thầy giáo

PGS-TS Vương Đạo Vy Người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn và chỉ đạo tôi trong suốt

quá trình thực hiện khoá luận này

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy giáo, cô giáo, các cán bộ trong

trường Đã trang bị cho tôi những kiến thức về khoa học và những kinh nghiệm sống

trong suốt thời gian tôi học tập tại trường Đồng thời tạo điều kiện cho tôi về trang thiết

bị, máy móc và môi trường học tập lành mạnh Làm nền tảng cho tôi có thể hoàn thành

khoá luận một cách tốt nhất và đúng thời gian quy định của trường

Nhân đây tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến các anh chị, các bạn trong nhóm

nghiên cứu và người thân trong gia đình đã tạo điều kiện tốt nhất về vật chất, tinh thần,

luôn đi sát và giúp đỡ tôi những lúc tôi gặp khó khăn, chia sẻ những tâm tư và nguyện

vọng của tôi khiến tôi có đủ nghị lực vươn lên hoàn thành tốt khoá luận này

TÓM TẮT NỘI DUNG

Trong rất nhiều ứng dụng phục vụ sản xuất, nghiên cứu, bảo vệ môi trường, cảnh

báo các thảm họa thiên nhiên… chúng ta cần biết một số tham số liên quan đến môi

trường như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lượng mưa,.v v Những tham số này sẽ được dùng

để đánh giá điều kiện môi trường, để từ đó đưa ra những quyết định đúng đắn Đặc biệt

khi người ta cần khảo sát môi trường tại những nơi có độ độc hại cao, địa hình hiểm trở…

thì những tham số đó cần được truyền đến trung tâm xử lý Trong hoàn cảnh đó thì

phương thức truyền thông tin hiệu quả nhất sẽ là phương thức truyền vô tuyến Trong

khóa luận, tôi đã đề cập tới vấn đề thiết kế, chế tạo đầu đo mức nước và tính toán hệ cung

cấp năng lượng cho điểm đo Như vậy trong phạm vi khóa này tôi phải thiết kế và chế tạo

được đầu đo có độ tin cậy cao, chính xác, đơn giản và giá thành thấp nhất mà vẫn thực

hiện đầy đủ chức năng của một điểm đo Đồng thời tính toán hệ thống cung cấp năng cho

điểm đo, đảm bảo điểm đo luôn luôn hoạt động trong mọi hoàn điều kiện thiên nhiên

Mục lục

Tóm tắt nội dung

Phần lý thuyết

Chương 1: Giới thiệu chung 5

1.1 Tổng quan về hệ thống cảnh báo môi trường 5

1.1.1 Giới thiệu về nút mạng không dây 5

1.1.2 Đặc điểm CC1010 được sủ dụng trong nút mạng 6

1.1.3 Cấu trúc của mạng không dây 8

1.1.4 Đánh giá chung về mạng sử dụng CC1010 12

1.2 Các phương pháp đo mức nước 12

1.2.1 Các phương pháp đo mức nước hiện nay đang được sử dụng 12

1.2.2 Lý do chọn phương pháp đo 13

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và nguyên tắc hoạt động của mạch đo mức nước 14

2.1 Cơ sở lý thuyết 14

2.1.1 Khái niệm cơ bản mạch Trigger 14

2.1.2 Trigger đối xứng (RS - trigger) dùng tranzito 14

2.1.3 Trigger Schimtt dùng tranzito 16

2.1.4 Trigger schimtt dùng IC tuyến tính 18

2.2 Mạch đo mức nước 23

2.2.1 Đặc điểm của IC 4093 NAND Trigger Schimtt 23

2.2.2 Nguyên tắc hoạt động của mạch đo mức nước 27

Chương 3: Tính toán hệ cung cấp năng lượng cho điểm đo dùng pin mặt trời 34

3.1 Đặc điểm cấu tạo 34

3.2.1 Sơ đồ tương đương 35

3.2.2 Hiệu suất biến đổi quang điện của pin mặt trời 36

3.3 Hệ thống nguồn điện pin mặt trời 37

3.4 Tấm pin mặt trời 40

3.4.1 Ghép nối tiếp các module pin mặt trời 40

3.4.2 Ghép song song các module pin mặt trời 42

3.5 Tích trữ năng lượng trong hệ thống năng lượng pin mặt trời 43

3.5.1 Nguyên lý của tự điều khiển 45

3.5.2 Bộ điều khiển nối tiếp 45

3.6 Thiết kế hệ năng lượng mặt trời 46

3.6.1 Tính điện năng tải yêu cầu 46

3.6.2 Năng lượng pin mặt trời 47

3.6.3 Số module mặt trời cần dùng 48

3.6.4 Dung lượng của bộ Acquy tính theo Ampe-giờ (Ah) 48

Phần thực nghiệm Chương 4 Thực nghiệm 50

Kết luận và hướng phát triển của đề tài 52

Tài liệu tham khảo 53

PHẦN LÝ THUYẾT CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG

Khóa luận của tôi là một phần nằm trong đề tài lớn: “Xây dựng mạng cảm nhận

không dây WSN thu thập các thông số môi trường trên cơ sở vi điều khiển CC1010”

của nhóm nghiên cứu do thầy PGS.TS Vương Đạo Vy hướng dẫn.Vì vậy để đưa ra được

cái nhìn chính xác và cụ thể về nhiệm vụ về khóa luận của mình Trước hết tôi xin giới

thiệu tổng quan về hệ thống thu thập các thông số môi trường mà nhóm của chúng tôi đã

thực hiện

1.1 Tổng quan về hệ thống thu thập các thông số môi trường

1.1.1 Giới thiệu về nút mạng không dây

Trong rất nhiều ứng dụng phục vụ sản xuất, nghiên cứu, bảo vệ môi trường, cảnh

báo các thảm họa thiên nhiên… chúng ta cần biết một số tham số liên quan đến môi

trường như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lượng mưa, v v…

Những tham số này sẽ được dùng để đánh giá điều kiện môi trường để từ đó đưa ra

đươc những quyết định đúng đắn Đặc biệt khi người ta cần khảo sát môi trường tại

những nơi có độ độc hại cao, địa hình hiểm trở, thì những tham số đó cần được truyền

đến trung tâm xử lý Trong hoàn cảnh đó thì phương thức truyền thông hiệu quả nhất sẽ là

phương thức truyền vô tuyến

Với sự phát triển công nghệ nhanh chóng trong các lĩnh vực như MEMs (Micro

ElectroMechanical System), công nghệ truyền không dây, và công nghệ chế tạo IC đã làm

cho việc xây dựng một mạng giám sát môi trường có giá thành rẻ, độ tin cậy cao, dễ lắp

đặt trở thành hiện thực Một mạng như thế gọi là Wireless Sensor Network (WSN), có sử

dụng các linh kiện MEMs

Nhiệm vụ thu thập các thông tin từ môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, áp

chức năng thu thập dữ liệu từ môi trường sau đó biến đổi nó thành tín hiệu điện để đưa dữ

liệu tới nút mạng trong mạng trong mạng WSN Để thực hiện một chức năng trong mạng

WSN này, tôi được sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Vương Đạo Vy đã bắt tay vào

thiết kế, chế tạo đầu đo mức nước và tính toán hệ thống cung cấp năng lượng cho điểm

đo Đồng thời cũng cần đảm bảo tín hiệu lối ra của đầu đo phù hợp để có thể ghép nối với

nút mạng trong mạng WSN

Để có một mạng cảm nhận không dây có giá trị về mặt thực tế Nhóm nghiên cứu

của chúng tôi đã và đang nghiên cứu, làm thí nghiệm để tiến tới đưa vào thực tế Để xây

dựng mạng cảm nhận không dây như đã nói ở trên, thì trước hết phải xây dựng các nút

mạng dựa trên một Vi Điều Khiển để thu thập các thông số của môi trường, sau đó truyền

vô tuyến về trạm gốc Tại trạm gốc sẽ có một máy tính và máy tính này sẽ thực hiện xử lý

các tín hiệu đã nhận được Để làm được điều đó chúng tôi đã sử dụng Vi Điều Khiển

CC1010 của hãng Chipcon

1.1.2 Đặc điểm CC1010 được sử dụng trong nút mạng

Các họ vi điều khiển hiện nay có nhiều chủng loại, song qua các thử nghiệm chúng

tôi đã chọn vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon làm nút mạng WSN Vì vi điều khiển

CC1010 có rất nhiều ưu điểm có thể đáp ứng được nhiệm vụ tại nút mạng của WSN Như

độ tích hợp cao, khả năng xử lý nhanh, kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít và giá thành

phù hợp

Cấu trúc chi tiết của Vi Điều Khiển CC1010 bao gồm các phần như sau:

Hình 1.1 Cấu trúc chi tiết của Vi Điều Khiển CC1010

Vi điều khiển CC1010 chứa nhân CPU 8051, được tích hợp với bộ thu phát sóng

vô tuyến, cùng các thành phần phụ trợ khác và có mức tiêu thụ năng lượng thấp, đã được

lựa chọn để xây dựng nút mạng Các thành phần trong CC1010 và đặc tính của chúng như

sau:

Vi xử l ý 8051 và các thành phần phụ trợ

• Tốc độ xử lý bằng 2.5 lần 8051 chuẩn

• 32 kB flash, 2048 + 128 Byte SRAM

• 3 kênh ADC 10 bit, 4 bộ định thời, 2 cổng UART, RTC, Watchdog, SPI, mã hóa

DES, 26 chân vào ra chung

Bộ thu phát sóng vô tuyến

• 300-1000MHz

• Tiêu thụ dòng rất thấp (9.1 mA trong chế độ thu)

• Công suất phát có thể lập trình được (có thể lên tới +10dBm)

• Tốc độ thu phát dữ liệu lên tới 76.8 kbit/s

Nhờ có 3 kênh vào ADC và các cổng vào ra chung, nên có thể nối ba bộ cảm biến

vào mỗi nút mạng (CC1010) phù hợp với nhu cầu đo Mạch ứng dụng CC1010 tương đối

đơn giản, thuận tiện để chế tạo ra các nút WSN hoạt động như một thiết bị độc lập Việc

lập trình cho CC1010 được phép sử dụng các thư viện của 8051 và các bộ dịch cho 8051

Có thể sử dụng assemble hoặc C để lập trình cho CC1010 Trong CC1010 có tích hợp

một bộ gỡ rối, hỗ trợ môi trường phát triển Keil µVision2 qua cổng nối tiếp

1.1.3 Cấu trúc của mạng không dây

a Topology mạng

Việc chọn kiến trúc mạng xuất phát từ yêu cầu về chức năng của mạng Với chức

năng thu thập dữ liệu môi trường chọn topology dạng cây là thích hợp nhất (hình 1.2)

Tuy nhiên, khi cần truyền đi xa (cỡ hàng km) có thế kết hợp giữa topology cây và

topology tuyến tính Khi đó, dữ liệu nhận được từ các nút cảm nhận không truyền được

trực tiếp về trạm gốc nữa mà phải truyền qua một số nút trung gian (hình 1.2)

Hình 1.2: Topology dạng cây cho mạng thu thập dữ liệu môi trường

b Mô hình triển khai của mạng

WSN gồm nhiều nút mạng CC1010 giao tiếp với nhau qua sóng vô tuyến tần số

300-1000Mhz Có ba loại nút mạng: trạm gốc, nút cảm nhận, và nút chuyển tiếp (hay nút

trung gian)

Trạm gốc tiếp nhận dữ liệu từ mạng và chuyển trực tiếp vào máy tính Trong mô

hình mạng đã xây dựng, khối CC1010EB kết nối trực tiếp với máy tính và khối

CC1010EM được đính kèm để thu, phát dữ liệu không dây

Các nút cảm nhận có gắn các đầu đo vừa trực tiếp đo số liệu và truyền về trạm gốc

vừa chuyển tiếp dữ liệu nhận được từ các nút con trong topology dạng cây, gửi về cho nút

cha (hình 1.3)

Hình 1.3: Topology kết hợp giữa dạng cây và tuyến tính để truyền dữ liệu đi xa

hơn

Trong topology ở hình 1.3, một số nút mạng có vi điều khiển CC1010, không có

các bộ cảm nhận, đóng vai trò chuyển tiếp dữ liệu

Hình 1.4: Mô hình triển khai của mạng cảm nhận sử dụng CC1010

Hình 1.5: Mô hình triển khai của mạng cảm nhận khi trạm gốc không gần trung tâm

c Cơ chế hoạt động

WSN thu thập dữ liệu môi trường phải thực hiện 3 chức năng: thu thập dữ liệu,

phân tích dữ liệu và biểu diễn dữ liệu

d Kiến trúc các thành phần

Thành phần phức tạp nhất của hệ thống là phần mềm nhúng trên vi điều khiển

Phần mềm được chấp nhận rộng rãi và trở thành hệ điều hành dành riêng cho các vi điều

khiển trong việc xây dựng WSN là TinyOS

TinyOS có kích thước nhỏ, mã nguồn mở, dùng mô hình hướng sự kiện, với bộ lập

lịch đơn giản cho phép vi điều khiển xử lý nhiều tác vụ song song trong sự hạn chế về tài

nguyên tính toán và không gian nhớ TinyOS sử dụng bộ lập lịch thao tác kiểu FIFO kết

nối mềm dẻo giữa phần cứng và các ứng dụng

TinyOS tạo ra khả năng giao tiếp mạnh cho các nút mạng trong WSN Hiện tại

TinyOS đang được nghiên cứu, chuyển đổi để làm việc với CC1010

Hình 1.6: Kiến trúc chương trình nhúng sử dụng TinyOS và vi điều khiển CC1010

Dựa trên TinyOS và các đặc trưng của CC1010, kiến trúc phần mềm nhúng cho

WSN được đề xuất như biểu diễn ở hình 1.6 Tầng trung gian giữa TinyOS và CC1010 là

thư viện HAL (Hardware Abstraction Library), cho phép TinyOS tương tác với phần

cứng

Tầng phía trên TinyOS là giao thức dẫn đường trong WSN Nó vừa cho phép

truyền dữ liệu an toàn vừa hạn chế hiện tượng thắt cổ chai Tầng trên cùng là các ứng

dụng đặc thù cho WSN bao gồm: module tự cấu hình mạng và tự cấu hình lại mạng,

module thực hiện việc đo các thông số môi trường và chuyển về cho trạm gốc Hai

module này hoạt động theo chế độ định kỳ: sau một khoảng thời gian nhất định, nó được

bộ định thời của CC1010 đánh thức và chuyển sang hoạt động; thực hiện xong nhiệm vụ,

lại chuyển về nghỉ Thời gian cấu hình lại hệ thống và đo dữ liệu không giống nhau và

phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể

Hình 1.7: Các thành phần lớp phân tích dữ liệu

Chọn các ứng dụng web-based trong phân tích và biểu diễn dữ liệu để xử lý dữ liệu

nhận được vì nó có khả năng tương tác với các hệ quản trị cơ sở dữ liệu và khả năng biểu

diễn dữ liệu linh động Chỉ cần một trình duyệt thông dụng để quản lý và khai thác dữ

liệu, không cần phải cài đặt thêm phần mềm nào khác

Tầng phân tích dữ liệu gồm một dịch vụ tiếp nhận dữ liệu từ WSN và cập nhật vào

cơ sở dữ liệu Dữ liệu sẽ được truy vấn từ các ứng dụng web, xử lý và chuyển kết quả về

cho người sử dụng

1.1.4 Đánh giá chung về mạng sử dụng CC1010

Thông qua các thí nghiệm đã được thực hiện, cụ thể là thí nghiệm đo nhiệt độ của

môi trường và truyền dữ liệu qua nút mạng nhằm kiểm định đề xuất sử dụng CC1010 làm

nút mạng xây dựng cấu hình WSN Đánh giá chung như sau: CC1010 có khả năng đáp

ứng đầy đủ yêu cầu của một nut WSN Nó có thể thu thập dữ liệu môi trường, truyền,

nhận và chuyển tiếp dữ liệu về đích Phần mềm nhúng được xây dựng đã thực hiện được

chức năng thu, phát và chuyển tiếp dữ liệu không dây về đích thành công

Các kết quả thí nghiệm đặt ra những vấn đề phải tiếp tục giải quyết: hoàn thiện việc

thiết kế các phần mềm nhúng cho CC1010 theo hướng cài đặt TinyOS lên các nút mạng

Tiến hành các thí nghiệm xem xét đến các giao thức dẫn đường trong mạng, quan tâm

hiện tượng thắt nút chai của dữ liệu tại mỗi nút mạng, khả năng tự cấu hình mạng, vấn đề

tiêu thụ năng lượng của nút mạng

1.2 Các phương pháp đo mức nước

1.2.1 Các phương pháp đo mức nước hiện nay đang được sử dụng

Có nhiều phương pháp khác nhau để đo khối lượng cũng như mức nước có

trong bình chứa, hồ ao, hay sông suối Sau đây là một số phương pháp đo nước mà hiện

nay đang được sử dụng:

- Đo vị trí của phao trên bề mặt của nước

- Đo khối lượng của nước và tính thể tích trong bình sau đo tính ra mức nước hiện có

- Sử dụng phương pháp siêu âm hoặc sóng rađa phát tới bề mặt nước

và đo thời gian phản xạ ngược trở lại Nhờ vào khoảng thời gian đó ta có thể tính

được mức nước tại nơi mà ta cần đo

- Đo tần số khi tác dụng vào thành bình chứa nước Tùy vào tần số để xác định mức nước

- Nước không thể nén giống như không khí Sử dụng bình kín, và sensor áp suất đo được áp suất của không khí Ta sẽ xác định được tỷ lệ giữa nước

và không khí ở trong bình, từ đó xác định được mức nước

- Nước và không khí đều trong suốt nhưng chúng ta lại có chiết suất khác nhau, khi đó sẽ có hiện tượng khúc xạ tại bề mặt tiếp xúc giữa nước và

không khi Vì vậy sử dụng sensor quang học xác định điểm tiếp xúc không khí và

1.2.2 Lý do chọn phương pháp đo mức nước bằng đầu đo

Các phương pháp được nêu ở trên, nói chung là chưa nhiều và đầy đủ Nhưng nó

đã có những phương pháp rất đơn giản đến những phương pháp phức tạp, đòi hỏi kĩ thuật

cao Điều này giúp ta thấy rằng xuất phát từ nhiệm vụ, chức năng của mỗi ứng dụng cụ

thể mà ta chọn ra phương pháp phù hợp nhất Vì vậy sau khi tìm và chọn lựa các phương

pháp tôi đã quyết định chọn phương pháp đo mức nước bằng đầu đo Nghĩa là đầu đo của

tôi sẽ được treo trên mặt nước Sau mỗi khoảng thời gian TC (khoảng thời gian chờ) thì

đầu đo sẽ được thả xuống để kiểm tra mức nước, dựa vào khoảng cách giữa điểm treo ban

đầu tới điểm chạm mặt nước Như vậy là tùy theo yêu cầu cụ thể về tính chính xác và

mức độ cập nhật mà ta có thể điều chỉnh khoảng thời gian TC ngắn hay dài

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH ĐO

MỨC NƯỚC

2.1 Cơ sở lý thuyết về Trigger Schmitt

2.1.1 Khái niệm cơ bản mạch Trigger

Các mạch có hai trạng thái ổn định ở đầu ra được gọi là mạch Trigger, đặc trưng bởi

hai trạng thái ổn định bền theo thời gian và việc chuyển nó từ trạng thái này sang trạng

thái kia (xảy ra tức thời nhờ các vòng hồi tiếp dương nội bộ) chỉ xảy ra khi đặt tới lối vào

thích hợp của nó các xung điện áp có biên độ và cực tính thích hợp Đây là phần tử cơ bản

cấu trúc nên một ô nhớ (ghi, đọc) thông tin số dưới dạng số nhị phân

2.1.2 Trigger đối xứng (RS - trigger) dùng tranzito

Hai hình dưới đã đưa ra dạng mạch nguyên lý của một Trigger RS đối xứng Thực

chất đây là hai mạch đảo dùng T1 và T2 ghép liên tiếp nhau qua các vòng hồi tiếp dương

bằng cặp điện trở R1R3 và R2R4

a - Nguyên lý hoạt động: mạch 2.1 chỉ có hai trạng thái ổn định bền là: T1 mở và T2 khóa

ững với mức điện áp ra Q=1, Q=0 hay T1 khóa T2 mở ứng với trạng thái ra Q=0,

Các trạng thái còn lại là không thể xảy ra (T1 và T2 cùng khóa) hay là không ổn định

(T1 và T2 cùng mở) T1 và T2 không thể cùng khóa do nguồn Ecc khi đóng mạch sẽ đưa

một điện áp dương tới các cực bazơ T1 và T2 có thể cùng mở nhưng do tính chất không lý

tưởng của mạch, chỉ cần một sự chênh lệch vô cùng bé giữa dòng điện trên hai nhánh

(IB1≠ IB2 hay IC1≠ IC2), thông qua các mạch hồi tiếp dương, độ chênh lệch này sẽ bị khoét

sâu nhanh chóng tới mức sơ đồ chuyển về một trong hai trạng thái ổn định bền đã nêu

(chẳng hạn thọat đầu IB1> IB2 từ đó IC1> IC2 các giảm áp âm trên colectơ của T1 và dương

trên colectơ của T2 thông qua phân áp hay R1R3 đưa về làm IB1>> IB2 … dẫn tới T1 mở T2

khóa Nếu ngược lại lúc đầu IB1< IB2 thì sẽ dẫn tới T2 mở T1 khóa)

Tuy nhiên, không nói chắc được mạch sẽ ở trạng thái nào trong hai trạng thái ổn

định đã nêu Để đầu ra đơn vị, trạng thái vào ứng với lúc R=S=1 (cùng có xung dương) là

bị cấm Nói khác đi điều khiện cấm là R.S = 0 (2.1)

Từ việc phân tích trên rút ra bảng trạng thái của Trigger RS cho phép xác định trạng

thái ở đầu ra của nó ứng với tất cả các khả năng có thể của các xung đầu vào ở bảng 2.1

Ở đây chỉ số n thể hiện trạng thái hiện tại, chỉ số (n+1) thể hiện trạng thái tương lai của

đầu ra, dấu chéo thể hiện trạng thái cấm Đầu vào R gọi là đầu vào xóa (Reset) Đầu vào S

gọi là đầu vào thiết lập (Set)

Bảng 2.1: Bảng trạng thái của Trigger Schimtt

2.1.3 Trigger Schimtt dùng tranzitor

Sơ đồ Trigger RS ở trên lật trạng thái khi đặt vào cực bazơ của tranzitor đang khóa

một xung dương có biên độ thích hợp để mở nó (chỉ xét với quy ước logic dương) Có thể

sử dụng chỉ một điện áp vào duy nhất cực tính và hình dạng tùy ý (chỉ yêu cầu mức biên

độ đủ lớn) làm lật mạch Trigger Loại mạch này còn có tên là Trigger Schimtt, được cấu

tạo từ các tranzitor hay IC tuyến tính (còn gọi là bộ so sánh có trễ)

a - Hình 2.2a đưa ra mạch nguyên lý Trigger Schimtt dùng tranzitor và đặc tuyến

truyền đạt của nó Qua đặc tuyến hình 2.2b thấy rõ:

Ura

2.1VVV

* Lúc tăng dần Uvào từ một trị số rất âm thì:

khi UV < Uđóng ; Ura = Ura min

khi UV ≥ Uđóng ; Ura = Ura max (2.2)

* Lúc giảm dần Uvào từ một trị số dương lớn thì:

khi UV < Ungắt ; Ura = Ura max khi UV ≤ Ungắt ; Ura = Ura min (2.3)

b - Có thể giải thích hoạt động của mạch như sau: Ban đầu T1 khóa (do B1 được

đạt tới 1 điện áp âm lớn) T2 mở do (do RC định dòng làm việc từ EC) lúc đó Ura = UCE2 bão

hòa= Ura min. Khi tăng UV tới lúc UV ≥ Uđóng T1 mở qua mạch hồi tiếp dương ghép trực tiếp

từ colecter T1 về bazơ T2 là T2 bị khóa do đột biến điện áp âm từ C1 đưa tới, qua mạch

R1R2 đột biến điện áp dương tại C2 đưa tới bazơ T1…quá trình dẫn tới T1 mở bão hòa, T2

khóa và Ura=Ura max Phân tích tương tự, mạch sẽ lật trạng thái về T1 khóa và T2 mở lúc

Uvào giảm qua giá trị Ungắt

Các giá trị UV đóng và Ungắt do việc lựa chọn các giá trị RC, R1, R2 của sơ đồ 2.2 a

quyết định Hiện tượng trên cho phép dùng Trigger Schimtt như một bộ tạo xung vuông,

nhờ hồi tiếp dương mà quá trình lật trạng thái xảy ra tức thời ngay cả khi Uvào biến đổi từ

từ Hình 2.3 mô tả một ví dụ biến đổi tín hiệu hình sin thành xung vuông nhờ Trigger

Schimtt Giá trị hiệu số UV đóng-UV ngắt gọi là độ trễ chuyển mạch và càng nhỏ (điều mong

muốn) nếu hiệu Ura max- Ura min càng nhỏ hay hệ số suy giảm tín hiệu do phân áp R1, R2

gây ra càng lớn tức là hệ số hồi tiếp dương càng giảm, (điều này làm xấu tính chất của

c - Như trên đã phân tích, mọi cố gắng làm giảm độ trễ chuyển mạch ∆Utrễ = Ura

max - Ura min đều làm xấu đi tính chất hồi tiếp dương và có thể làm mất đi hai trạng thái ổn

định đặc trưng của sơ đồ 2.2a Để khắc phục nhược điểm này, người ta dùng Trigger

Schimtt ghép cực emitơ như hình 2.4a

Mạch hình 2.4a là một tầng khuyếch đại vi sai có hồi tiếp dương qua R1, R2 và hồi

tiếp âm dòng điện qua RE Bằng cách chọn tham số thích hợp, có thể đạt tới trạng thái khi

mạch lật dòng IC của một tranzitor (từ mở chuyển sang khóa) hoàn toàn truyền tới

tranzitor kia, nói khác đi, không xảy ra trạng thái bão hòa ở các tranzitor lúc mở và do đó

nâng cao được mức Ura min (Ura min>UCE bh) làm tăng tần số chuyển mạch lên đáng kể

(100MHz)

Ura Uvao

Ec Rc Rc

R1 T2

2.1.4 Trigger schimtt dùng IC tuyến tính

Trigger schimtt dùng IC tuyến tính thực chất là mạch phát triển tiếp theo của sơ đồ

hình 2.4a, có dạng cơ bản là một mạch cơ bản là một mạch so sánh nhưng nhờ có mạch

hồi tiếp dương nên mức nối và ngắt không trùng nhau như ở bộ so sánh bình thường Do

có hai dạng cơ bản của mạch so sánh do đó cũng có hai dạng cơ bản của Trigger Schimtt

như hình 2.5a và 2.5c

a - Với Trigger Schimtt đảo (hình 2.5a) khi tăng dần Uvào từ một giá trị âm lớn, ta thu

được đặc tính truyền đạt dạng hình 2.5b Tức là:

* Khi UV có giá trị âm lớn Ura = +Ura max

Trên lối vào không đảo (P) có 1

2 1

max ra Pmax

Tăng dần Uvào, trạng thái này không đổi cho tới khi c chưa đạt tới UVngắt Khi Uvào ≥

UV ngát, điện áp U0 giưa hai đầu IC đổi dấu, dẫn tới Ura = - Ura min, qua mạch hồi tiếp dương

có

2 1

min ra Pmin R

U -

Ura R2

R1

a)

R2

p Uvao

R1

K

Ura

c)

và tiếp tục giữ nguyên khi UV tăng

Khi giảm Uvào từ một giá trị dương lớn, cho tới lúc UV = UV đóng mạch mới lật làm

Để đạt được hai trạng thái ổn định cần có điều kiện

1

2 1

+R K R

R

với K là hệ số khuếch đại không tải của IC

Khi đó độ trễ chuyển mạch được xác định bởi:

2 1

1

ra ra

ra ra

R R

b- Với Trigger Schimtt không đảo (hình 2.5c) có đặc tính truyền đạt hình 2.5d dạng

ngược với đặc tính hình 2.5b Thực chất sơ đồ 2.5c có dạng là một bộ so sánh tổng với

một trong hai đầu vào được nối tới đầu ra (U2≡ Ura) Từ phương trình cân bằng dòng điện

cho nút P có:

2 1

vao

U

R

U R

Do cách đưa điện áp vào tới lối vào không đảo (P) nên khi UV có giá trị âm lớn: Ura

= - Ura min và khi UV có giá trị dương lớn: Ura = + Ura max Các phân tích khác tương tự như

với mạch 2.5a đã xét

c- Tương tự như sơ đồ Trigger Schimtt dùng tranzitor hình 2.2a, có thể dùng các

mạch 2.5a và 2.5c để tạo các xung vuông góc từ dạng điện áp vào bất kỳ (tuần hoàn) Khi

đó chu kì xung ra Tra = Tvào điều này đặc biệt có ý nghĩa khi cần sửa và tạo lại dạng một

tín hiệu tuần hoàn với thông số cơ bản là tần số giống nhau (hay chu kì đồng bộ nhau)

Hình 2.6a và 2.6b đưa ra ví dụ giản đồ minh họa biến đổi điện áp hình sin lối vào thành

xung vuông lối ra sử dụng Trigger Schimtt đảo (hình 2.6a) và Trigger Schimtt không đảo

(hình 2.6b)

Các hệ thức từ (2.4) đến (2.9) cho phép xác định các mức ngưỡng lật của Trigger

Schimtt và những thông số quyết định tới giá trị của chúng Trigger Schimtt là dạng mạch

cơ bản để từ đó xây dựng các mạch tạo dao động xung dùng IC tuyến tính

Hình 2.6a Giản đồ biến đổi điện áp hình sin lối vào thành xung vuông lối ra sử dụng

Trigger Schimtt đảo

Hình 2.6b Giản đồ biến đổi điện áp hình sin lối vào thành xung vuông lối ra sử dụng

Trigger Schimtt không đảo

2 Sơ đồ mạch đo mức nước

Out SystemControl

1uF

C4 2.2nF

U1D 8

9 10 U1C 5

6 4

U1B 1

2 3 U1A

R5 1.8K R1

100K

R4 1M R3

10M

R2

100K

Hình 2.7 Sơ đồ mạch đo mức nước

Các linh kiện đã được sử dụng trong sơ đồ trên gồm có:

- Các loại điện trở có giá trị 1.8KΩ,100KΩ, 1MΩ, 10MΩ

- Các loại tụ điện: + Tụ giấy C1 100µF, C3 1ηF

- Chịu được điện áp nhiễu lớn hơn 50% của VDD

- Không giới hạn số lượng và số lần trên lối vào

- Đặc điểm lối ra được bố trí cân đối theo tiên chuẩn

- Dòng rò đầu vào II=75ηA (max) ở VDD=9V, nhiệt độ TA=25oC

- 100% các IC đã được kiểm tra dòng ổn định

- Theo lý thuyết thì dòng ổn định có thể lên tới 20V

- IC 4093 hội tụ tất cả các đặc tính kĩ thuật cần thiết

Hình 2.8 IC 4093

Mô tả chi tiết

HCF 4093B là mạch tích hợp nguyên khối Được chế tạo ở hai dạng DIP và SOP

(như hình 2.8 ở trên) theo công nghệ Bán dẫn oxit kim loại HCF 4093B là loại có 4 mạch

Trigger Schimtt Chức năng của mỗi mạch giống như mạch NAND có 2 lối vào, trạng

thái lối ra phụ thuộc vào trạng thái của hai lối vào Lối ra chuyển trạng thái giữa hai điểm

dương và âm khác nhau sẽ tạo ra dạng tín hiệu Sự khác nhau giữa hai điện áp dương và

âm hình thành hiện tượng trễ điện áp

Hình 2.9 Sơ đồ kết nối chân

Bảng mô tả chi tiết các chân:

Chân số Ký hiệu Tên và chức năng

1,2,5,6,8,9,12,13 A,B,C,D,E,F,G,H Các lối vào

Hình 2.10: Dạng sóng đầu vào và đầu ra của mạch NAND Trigger Schimtt

Với tPLH, tPHL là thời gian trễ trong quá trình truyền

tTLH, tTHL thời gian trễ khi lật trạng thái