Thiết kế mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ.Hệ thống gồm hai nút Start và Stop để khởi dộng và đừng hệ thống, 4 led 7 thanh để hiển thị tần sốthang đo Hz, ( dải đo từ 0Hz ÷ 9999Hz ,đối tượng đo là xung vuông hoặc tín hiệu xoay chiều. Một cảm biến nhiệ độ LM335 để giám sát nhiệt độ ( dải đo từ 0°C ÷ 103°C ).
Trang 1Giới Thiệu
Đề tài: Đo tần số và giám sát nhiệt độ
1.Nội dung:
Thiết kế mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ.Hệ thống gồm hai nút Start và Stop
để khởi dộng và đừng hệ thống, 4 led 7 thanh để hiển thị tần số-thang đo Hz, ( dải đo từ 0Hz ÷ 9999Hz ,đối tượng đo là xung vuông hoặc tín hiệu xoay chiều Một cảm biến nhiệ độ LM335 để giám sát nhiệt độ ( dải đo từ 0°C ÷ 103°C )
2.Hoạt động:
Khi ấn nút Start, hệ thống thực hiện 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 83°C thì cảnh báo bằng còi
Khi ấn nút Stop, hệ thống dừng Sử dụng các thiết bị đo để khiểm tra khi cần thiết.
Trang 2Lời Mở Đầu
Trong thời đại ngày nay, việc tự động hóa trong các ứng dụng thực tiễn và quá trình sản xuất mang một ý nghĩa vô cùng to lớn.Có thể nói tự động hóa là ngành đánh dấu cho sự phát triển của công nghiệp thế giới nói chung và mỗi quốc gia nói riêng Tự động hóa trong sản xuất làm tăng năng suất , giảm giá thành và nâng cao chất lượng sảnphẩm Là sinh viên chuyên ngành Điện của trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, chúng
em luôn trao dồi kiến thức để có nền tảng ,phát huy được tính sáng tạo
Nhắc tới Tự động hóa không thể không nhắc tới bộ môn : “Vi mạch tương tự và
vi mạch số” Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu và tham khảo nhóm chúng em đã hoàn thành bài nghiên cứu: “ Đo tần tốc độ động cơ và giám sát nhiệt độ” Động cơ là một thiết bị phổ biến , được sử dụng rộng rãi chính vì thế việc tính toán và chọn động
cơ sao cho cần thiết là vô cùng quan trọng Cũng tương tự như vậy, nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường thấy ở ngoài thực tiễn cũng như trong kĩ thuật và sản xuất, việc đo nhiệt độ cũng chính vì thế là một yêu cầu thiết thực Bài nghiên cứu của chúng em hi vọng sẽ giúp mọi người hiểu rõ được về cách chọn động cơ cũng như tính toán được nhiệt độ !
Chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo: Nguyễn Thu Hà đã giảng dạy chúng
em bộ môn “ Vi mạch tương tư và vi mạch số ” cũng như đã giúp đỡ chúng em rất nhiều
để hoàn thành được bài nghiên cứu này Tuy vậy ,do kiến thức còn hạn chế nên đề tài của chúng em còn nhiều thiếu xót,rất mong được sự góp ý của thầy cô và các bạn Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trang 3Mục Lục
Phần I :Thiết kế mạch đo tần số……….…5
Chương 1: Các mạch chức năng và sử dụng trong hệ thống……… …… 5
1.1 phân tích yêu cầu công nghệ ……….… 5
1.2 Liệt kê các phương pháp đo tần số ……… 5
1.3 Trình bày nguyên lý đo tần số trong bài ……… 6
1.4 Các linh kiện cần dùng trong bài……… 7
Chương 2: Thiết kế hệ thống mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ……… …8
2.1 Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài……….….8
2.2 liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế……….… 8
2.3 Mạch phát xung chuẩn cung cấp cho các bộ đếm dùng timer 555……… 9
2.4 Các vi mach sử dụng và ứng dụng trong bài……… …… 9
2.5 Sơ đồ chân,chức năng chân,bảng chân lý các linh kiện sử dụng trong bài… 13
2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch……… 22
2.6.1 Thuyết minh nguyên lý hoạt động của mạch……… … … 22
2.7 Xây dựng mô phỏng trên phân mềm proteus và chạy thử……… 23
Chương 3: Kết luận……….…… 24
3.1 Các kết quả đạt được……… 24
3.2 Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo? 25
3.3 Các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục……… 25
Trang 4Phần II: giám sát nhiệt độ……….26
Chương 1: Trình bày về các mạch chức năng sử dụng trong hệ thống……….… 26
1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ ……… 26
1.2 Các linh kiện cần dùng trong bài……… 26
Chương 2: Thiết kế hệ thống mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ………… …….….27
2.1 Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài……… 27
2.2 liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế……….…27
2.3 Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với điện áp đầu ra từ (0÷10)V.27 2.4 Sơ đồ chân lý và ứng dụng các vi mạch sử dụng……….…… 28
2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch……… 32
2.6 Nguyên lý hoạt động của mạch giám sát nhiêt độ……….33
2.7 Xây dựng mô phỏng trên phân mềm proteus và chạy thử……… 33
Chương 3: Kết luận………34
3.1 Các kết quả đạt được……… 34
3.2 Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo? 35
3.3 Các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục……….35
Trang 5PHẦN I: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TẦN SỐ.
Chương 1: Các mạch chức năng và sử dụng trong hệ thống.
1.1 Yêu cầu công nghệ.
Thiết kế mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ.Hệ thống gồm hai nút Start và Stop
để khởi dộng và đừng hệ thống, 4 led 7 thanh để hiển thị tần số-thang đo Hz, ( dải đo từ 0Hz ÷ 9999Hz ,đối tượng đo là xung vuông hoặc tín hiệu xoay chiều Một cảm biến nhiệ độ LM335 để giám sát nhiệt độ ( dải đo từ 0°C ÷ 103°C )
1.2 Các phương pháp đo tần số.
Việc lựa chọn phương pháp đo tần số được xác định theo khoảng đo,theo độ chính xácyêu cầu,theo dạng đường cong và công suất nguồn tín hiệu có tần số đo và một số yếu
tố khác
a) Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng.
Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng: Được tiến hành bằng các loại tần số
kế cộng hưởng, tần số kế cơ điện, tần số kế tụ điện,tần số kế chỉ thị số
+ Các tần số kế cơ điện tương tự (tần số kế điện từ, điện động, sắt điện
động): được sử dụng để đo tần số trong khoảng từ 20Hz ÷ 2,5kHz trong các
mạch nguồn với cấp chính xác không cao (cấp chính xác 0,2; 0,5; 1,5; 2,5)
+ 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 rađiô v.v + Tần số kế chỉ thị số: được sử dụng để đo chính xác tần số của tín hiệu xung và tín hiệu đa hài trong dải tần từ 10Hz ÷50GHz Còn sử dụng để đo tỉ số các tần số, chu kỳ, độ dài các xung, khoảng thời gian
b) Đo tần số bằng phương pháp so sánh.
Đo tần số bằng phương pháp so sánh: được thực hiện nhờ ôxilôscôp, cầu
xoay chiều phụ thuộc tần số, tần số kế đổi tần, tần số kế cộng hưởng
Trang 6+ Sử dụng ôxilôscôp: được thực hiện bằng cách đọc trực tiếp trên màn hình
hoặc so sánh tần số cần đo với tần số của một máy phát chuẩn ổn định (dựa
trên đường cong Lítsazua) Phương pháp này dùng để đo tần số các tín hiệu
xoay chiều hoặc tín hiệu xung trong dải tần từ 10Hz đến 20MHz
+ Tần số kế trộn tần: sử dụng để đo tần số của các tín hiệu xoay chiều, tín
hiệu điều chế biên độ trong khoảng từ 100kHz ÷20GHz trong kĩ thuật vô
tuyến điện tử
+ Cầu xoay chiều phụ thuộc tần số: để đo tần số trong khoảng từ 20Hz
-20kHz
+ Tần số kế cộng hưởng: để đo tần số xoay chiều tần số tín hiệu điều chế
biên độ, điều chế xung trong khoảng từ 50kHz ÷ 10GHz; thường sử dụng
khi lắp thiết bị thu phát vô tuyến
1.3 Nguyên lý đo tần số trong bài.
Trong bài này đo tần số bằng phương pháp so sánh
Dùng IC 555 phát ra 1 xung chuẩn có tần số f =1 HZ Như vậy chu kỳ
T=1/f=1/1=1 (s)
Giả sử xung cần đo có tần số là x (Hz) Như vậy chu kỳ sẽ bằng 1/x (s)
Như vậy ta thấy trong 1 giây IC 555 thực hiện được 1 chu kỳ ( tức 1 lần lặp lại tín hiệu) thì xung cần đo sẽ thực hiện được x chu kỳ( Tức x lần lặp lại tín hiệu)
Ta sẽ đưa cùng 1 lúc 2 giá trị tần số này cùng một lúc vào một phần tử logic AND, đầu ra của con AND sẽ đưa vào mạch đếm Xung 1 Hz sẽ được khống chế sao cho chỉ phát ra xung trong 1 chu kỳ tức 1 s
Ta thấy trong 1s xung 1 Hz thực hiện được 1 chu kỳ thì xung x Hz thực hiện được x chu kỳ
Khi hết 1 giây xung 1 Hz sẽ ngừng cấp xung vào 1 đầu con AND như vậy đầu
ra của con AND sẽ bằng 0 (không có tín hiệu), mạch đếm sẽ dừng đếm Lúc nàymạch đếm sẽ đếm được tần số của xung x Hz
Trang 71.4 Các linh kiện cần dùng trong bài.
- IC 5555 : Dùng tạo dao động đếm thời gian
- Điện trở: RA=1k , RB=215
- Tụ điện :C4=0.001F , C1=10nF
- IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân
- Nguồn tín hiệu cần đo : Xung vuông
- 7SEG cathode chung,
- IC 74LS190 và IC 74HC4511,7408
- Cổng NOT, AND
- Switch (Chuyển mạch 2 cổng )
- Button ,SW-DPTS (nút ấn,công tắc)
Trang 8Chương 2: Thiết kế mạch đo tần
2.1 Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài.
Bộ tạo Bộ đếm Bộ đếm 4 Bộ giải Hiển thị xung 1HZ thập phân chỉ số BCD mã 7SEG led 7SEG
đo
2.2 Các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế.
- IC 5555 : Dùng tạo dao động đếm thời gian
- Điện trở: RA=1k , RB=215
- Tụ điện : C4=0.001F , C1=0.01uF
- IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân
- Nguồn tín hiệu cần đo : Xung vuông
- 7SEG cathode chung,
- IC 74LS190 và IC 74HC4511
- Cổng NOT, AND(7408)
- Switch (Chuyển mạch 2 cổng )
-Button ,SW-DPTS (nút ấn,công tắc)
Trang 92.3 Mạch phát xung chuẩn cung cấp cho các bộ đếm dùng timer 555.
Chu kì của xung được tính theo công thức:
Điện áp ra là dãy xung vuông
2.4 Các vi mach sử dụng và ứng dụng trong bài:
Trang 10là cho phép đi,đứng, dừng trong giao thông, rồi viết bức thư sử dụng chữ viết tắt, kíhiệu riêng để giữ bí mật hay phức tạp hơn là phải mã hoá các thông tin dùng trongtình báo, …
Trong các hệ thống số kể cả viễn thông, máy tính, các đường điều khiển tuỳ chọn hay
dữ liệu được truyền đi hay xử lí đều phải ở dạng số hệ 2 chỉ gồm 1 và 0, có nhiềuđường tín hiệu chỉ có 1 bit như đường điều khiển mở nguồn cho mạch ở mức 1, rồi
có nhiều đường địa chỉ nhiều bit chẳng hạn 110100 để CPU xác định địa chỉ trong
bộ nhớ, rồi dữ liệu dạng hex gửi xuống máy in cho in ra kí tự Tất cả các tổ hợp bit đóđược gọi là các mã số (code) hay mã Và mạch tạo ra các mã số gọi là mạch mã hoá(lập mã: encoder)
+ Bộ mã hóa nhị phân – thập phân ( bộ mã hoa BCD)
Bộ mã hóa nhị-thập phân là mạch điện có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số hệ thập phânthành mã hệ nhị phân Dạng mã này còn được gọi là mã BCD
+ Bảng chân lý bộ giải mã BCD:
Trang 112.4.2 Mạch giải mã :
Mạch giải mã là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hoá tức là nếu có 1 mã số
áp vào ngõ vào thì tương ứng sẽ có 1 ngõ ra được tác động, mã ngõ vào thường ít hơn
mã ngõ ra Tất nhiên ngõ vào cho phép phải được bật lên cho chức năng giải mã.Mạch giải mã được ứng dụng chính trong ghép kênh dữ liệu, hiển thị led 7 đoạn, giải
mã địa chỉ bộ nhớ
a) Giải mã BCD sang led 7 đoạn :
Một dạng mạch giải mã khác rất hay sử dụng trong hiển thị led 7 đoạn đó là mạchgiải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch này phức tạp hơn nhiều so với mạch giải mãBCD sang thập phân đã nói ở phần trước bởi vì mạch khi này phải cho ra tổ hợp cónhiều ngõ ra lên cao xuống thấp hơn (tuỳ loại đèn led anode chung hay cathodechung) để làm các đoạn led cần thiết sáng tạo nên các số hay kí tự
Để đèn led hiển thị 1 số nào thì các thanh led tương ứng phải sáng lên, do đó, cácthanh led đều phải được phân cực bởi các điện trở khoảng 180 đến 390 ohm vớinguồn cấp chuẩn thường là 5V IC giải mã sẽ có nhiệm vụ nối các chân a, b, g củaled xuống mass hay lên nguồn (tuỳ A chung hay K chung)
2.4.3 Mạch dãy:
Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ được tạo bởi các mạch lật và các mạchlogic cơ bản và các biến ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào tổ hợp biến vào mà cònphụ thuộc vào cả trạng thái hiện tại của mạch
a) Thanh ghi và thanh ghi dịch :
Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lưu giữ dưc liệu hoặc biến đổi dữ liệu
số từ nối tiếp sang song song và ngược lại mỗi mạch lật chỉ lưu giữ được 1 bit,vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit phải tạo từ bấy nhiêu mạch lật
Trang 12Thanh ghi nhận dữ liệu song song.
- Mạch dao động hình sin
- Mạch dao động đa hài
- Mạch dao động nghẹt
- Mạch dao động dùng IC
Trang 132.4.5 Mạch khuếch đại vi sai đo lường.
Khuếch đại vi sai là bộ khuếch đại hiệu 2 điện áp vào Hiện nay, thường sử dụngkhuếch đại thuật toán với sơ đồ đảo và không đảo để xây dựng mạch và dùng phản hồi
âm để ổn định hệ số khuếch đại
Có 2 loại mạch khuếch đại vi sai cơ bản là:
- Mạch khuếch đại vi sai đơn giản
- Mạch khuếch đại vi sai cải tiến
2.4.6 Mạch so sánh tương tự
Mạch so sánh tương tự có nhiệm vụ so sánh 1 điện áp vào (U1) với một điện áp chuẩn(Uch) Trong mạch so sánh tín hiệu ra(Uo)chỉ có hai mức, mức điện áp cao(mức H-tương ứng mức logic 1 của số 1 hệ nhị phân) và mức điện áp thấp(mức L-tương ứngmức logic 0,số 0 hệ nhị phân)
2.5 Sơ đồ chân,chức năng chân,bảng chân lý các linh kiện sử dụng trong bài:
2.5.1 IC 555
Hình ảnh thực tế IC555 Sơ đồ chân IC 555
Trang 14
IC555 trên phần mềm mô phỏng proteus
+ Chức năng chân
- Chân 1 (GND): Chân cho nối V- để lấy dòng
- Chân 2 (Trigger): Chân so áp với mức áp chuẩn là 1/3 mức nguồn nuôi
- Chân 3 (Output): Chân ngả ra, tín hiệu trên chân 3 c1 dạng xung, không ở mức áp thấpthì ở mức áp cao
- Chân 4 (Reset): Chân xác lập trạng thái nghĩ với mức áp trên chân 3 ở mức thấp, hayhoạt động
- Chân 5 (Control Voltage): Chân làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555
- Chân 6 (Threshold): Chân so áp với mức áp chuẩn là 2/3 mức nguồn nuôi
- Chân 7 (Discharge): Chân có khóa điện đóng masse, thường dùng cho tụ xả điện
- Chân 8 (VCC): Chân nối vào đường nguồn V+ IC 555 làm việc với mức nguồn từ 3đến 15V
Trang 15-Chân 13(E): Tích cực mức thấp.
-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
Sơ đồ xung ra ở các chân:
Trang 17+ Chức năng chân:
-Chân Vcc: là chân cấp nguồn V+
-Chân GND: là chân cấp nguồn V-
-Chân Q0- Q3: là đầu ra của bộ đếm mã BCD
-Chân CP: là ngõ vào cấp xung Clock cho mạch đếm
-Chân CE: là ngõ cho vào tích cực luôn đặt ở mức logic 0
-Chân U/D : Chân cấu hình cho đếm lên hay đếm xuống Nếu đếm lên thì mức 0 và đếm lùi là 1
-Chân PL: là ngõ đầu vào thiết lập trạng thái đầu cho mạch đếm : PL = 0 ; Qi = Ai ( i=0,1,2,3)
-Chân A0-A3: là các đầu vào dữ liệu
-Chân TC & RC: là hai ngõ ra dùng để kết nối liên tầng giữa hai con 74LS190
+ Giản đồ xung của 74LS190:
Bảng trạng thái các chân chức năng đặc biệt:
Trang 182.5.4 IC giải mã 74HC4511.
IC 74HC4511 trên proteus Sơ đồ chân 74HC4511
+ Đây là một IC giải mã , nó làm nhiệm vụ giải mã từ mã nhị phân logíc (dạng 0,1) sang mã của led 7 vạch để xuất ra led 7 vạch về cấu tạo nó là một tập hợp các mạch tổ hợp gồm cách linh kiện số logic như các cổng and , or , việc thiết kế một mạch như vậykhông hẳn là quá khó ,chỉ cần xây dựng mạch tổ hợp lả chúng ta hoàn toàn có thể làm được ,nhưng điều đó khiến chúng ta mất thời gian ,không đảm bảo chất lượng sử dụng ,
=>dùng IC tích hợp cho tiện
+ Chúng ta tìm hiểu sơ đồ chân của nó như sau :
+ Chú ý là loại này dùng cho seg 7 vạch loại cathot chung có nghĩa là tất cả cathot của led nốí chung với nhau và nối với đất ,như vậy dữ liệu đẩy vào led sẽ tích cực ở mức cao tức là mức 1 thì mới làm led sang
+ Chức năng chân : 4511 Có 16 chân
- Chân 16 : luôn là chân nối với nguồn dương (5 v ), chân số 8 nối với đất
- Chân 1,2,7,6 : là chân đưa dữ liệu đầu vào ,chúng ta có thể chọn dữ liệu loại này là dữ liệu logic tức là dạng 1,0,1,0…
7 chân đầu ra là chân 9 ,10,11,12,13,14,15.sẽ xuất ra dữ liệu của dạng 7 vạch
Trang 19-Chân số 5: là chân dùng để điều khỉên tế bào nhớ ,chần này = 0 thì IC hoạt động bình thường , còn = 1 thì dữ nguyên trạng thái ở các đầu ra ,và dữ cho đến khi nó trở về chân này được chuyển về 0 thì đầu ra lại tiếp tục hoạt động (nếu hiểu sâu sa thì chúng ta hiểukhi IC hoạt động thì dữ liệu tại đầu ra sẽ luân phiên nhau được nhớ trong tế bào 4
bít ,vậy khi chân số 5 này ở mức 0 giả sự gọi là đóng cửa thì IC hoạt động bình thường không vấn đề gì ,nhưng khi nó = 1 tức là mở cửa thì dữ liệu trong tế bào nhớ trào ra và đẩy liên tục vào cửa ra nên giữ tại đầu ra một mức dữ liệu cố định )
- Trong sơ đồ mạch chúng ta nối nó với đất
- Chân số 3: nếu =0 thì tất cả đầu ra sẽ là mức logic 1.(dùng kiểm tra led 7 đoạn ,bất chấp đầu vào là thế nào )
- Chân số 4: thì có tác dụng ngược lại chân số 3
+ Bảng chân lí:
2.5.5 LED 7 thanh: