BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMBÀI TẬP: Vi mạch tương tự và vi mạch số Số: 2 Họ và tên HS-SV: Nguyễn Văn Nhường Nhóm: 2 Lớp: Điện2_K10 Khoa: Điện – Điện tử NỘI DUNG Đề
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
BÀI TẬP: Vi mạch tương tự và vi mạch số Số: 2
Họ và tên HS-SV: Nguyễn Văn Nhường Nhóm: 2 Lớp: Điện2_K10
Khoa: Điện – Điện tử
NỘI DUNG
Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử
dụng cặp nhiệt ngẫu.
Yêu cầu: - Dải đo từ: t0 C =0 0 C ÷ tmax = 0-(100+10*n) 0 C.
- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:
1 U=0 ÷ 10V
2 U= 0 ÷ -5V
3 I=0÷20mA.
4 I=4÷20mA
- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị hoặc LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ
- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t 0 C=0÷tmax/2 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng: T0=(1+0,5*a) giây.
- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị : t 0 C= tmax/2
Trong đó:
a: Chữ số hàng đơn vị của danh sách ( VD: STT = 3→a=3; STT = 10→a=0).
n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách.
PHẦN THUYẾT MINH
Yêu cầu về bố cục nội dung:
Chương 1: Tổng quan về mạch đo
Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính Chương 3: Tính toán, thiết kế mạch đo
- Tính toán, lựa chọn cảm biến
- Tính toán, thiết kế mạch đo
- Lựa chọn nguồn cung cấp.
- Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa
- Tính toán mạch nhấp nháy cho LED
- Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo.
-
Kết luận và hướng phát triển.
Trang 2Ngày giao đề 15 /12/2015 Ngày hoàn thành : 16/01/2016
Trước khi bảo vệ bài tập lớn sinh viên phải nộp:
- File mềm gồm file trình bày bài tập lớn (nếu đánh máy) và file mô phỏng
- Quyển in khổ giấy A4.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO
1 Khái niệm về nhiệt độ.
Nhiệt độ là đại lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên
tử, phân tử của một hệ vật chất Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất ( rắn,lỏng, khí) mà chuyển động này có khác nhau ở trạng thái láng, các phân tửdao động quanh vi trí cân bằng nhưng vi trí cân bằng của nó luôn dịchchuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định Còn ở trạng tháirắn, các phần tử, nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng Cácdạng vận động này của các phân tử, nguyên tử được gọi chung là chuyểnđộng nhiệt Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng khôngsinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt.Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý: Bảo toàn năng lượng.
Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất. Ởtrạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt.Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyềnnhiệt bằng đối lưu Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cáchvận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ dochênh lệch về tỉ trọng
2 Các thang đo nhiệt độ
Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giácường độ của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo củamỗi thời kỳ Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từngvùng,từng thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay chúng
Trang 3 Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).
3 Sử dụng vi mạch tương tự để đo và cảnh báo nhiệt độ.
Vi tương tự và vi mạch số là lĩnh vực không những mang tới thời sự nóngbỏng mà còn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ, đã và đang từngngày thâm nhập vào đời sống của chúng ta Trong thực tế các dạng năng lượngthường ở dạng tương tự Do đó muốn xử lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số
ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số
Xuất phát từ ý tưởng đó, em đã thưc hiện việc xây dựng một mạch điện
đo nhiệt độ hiển thị ra đèn LED Mạch này chỉ mang tính chất thử nghiệm, chưa
có tính thực tế về vấn đề chuyển đổi ADC, vấn đề cảnh báo nhiệt độ ra đèn vàvấn đề đo lường các đại lượng không điện bằng điện
4 Biến nhiệt thành điện
Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và dảinhiệt độ
Phân ra làm 2 phương pháp chính: Đo trực tiếp và đo gián tiếp:
Đo trực tiếp là phương pháp đo trong đó các thiết bị đo được đặt trựctiếp trong môi trường cần đo
Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môitrường cần đo (áp dụng với trường hợp đo ở nhiệt độ cao )
Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo khôngphải ở quá cao Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 00C ÷ (100+10*n)0C (n: số thứ tựsinh viên trong danh sách): n=34 => t0C = 00C ÷ 4400C Do em được giao đề tài
Trang 4số 2 là dùng cặp nhiệt ngẫu nên em sử dụng cặp nhiệt ngẫu loại J có dải đo từ:-400C ÷ 7500C
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH
- Còi, Led, Led 7 thanh, trở, tụ, đi ốt
1 Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
a) Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp.
Hình 1.1: Cấu tạo cặp nhiệt
– Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hànkhí hoặc hàn bằng tia điện tử Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đonhờ các vít nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8) Để cách ly các điện cựcngười ta dùng các ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và
đủ độ bền cơ và nhiệt ở nhiệt độ làm việc Để bảo vệ các điện cực, các cặpnhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt Hệ thống
vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệuchế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không được quá
Trang 5lớn Trường hợp vỏ bằng thép mối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ
để giảm thời gian hồi đáp
– Trên thị trường hiện nay có nhiều loại Cặp nhiệt điện khác nhau (E, J, K, R,
S, T…) đó là vì mỗi loại Cặp nhiệt điện đó được cấu tạo bởi 1 chất liệu khácnhau, từ đó sức điện động tạo ra cũng khác nhau dẫn đến dải đo cũng khácnhau Người sử dụng cần chú ý điều này để có thể lựa chọn loại Cặp nhiệtđiện phù hợp với yêu cầu của mình
– Đồng thời khi lắp đặt sử dụng loại Cặp nhiệt điện thì cần chú ý tới nhữngđiểm sau đây:
• Dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt (vì tín hiệutruyền đi dưới dạng điện áp mV nên nếu dây dài sẽ dẫn đến sai số nhiều)
• Thực hiện việc cài đặt giá trị bù nhiệt (Offset) để bù lại tổn thất mất máttrên đường dây Giá trị Offset lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ dài, chất liệudây và môi trường lắp đặt
• Không để các đầu dây nối của Cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường cầnđo
• Đấu nối đúng chiều âm, dương cho Cặp nhiệt điện
b) Cấu tạo của cặp nhiệt ngẫu loại J.
Hình 1.2:Hình ảnh thức tế của cặp nhiệt ngẫu
– Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại Sắt và Constantan, hàn dính một đầu, đầuT1 gọi là đầu nóng, hai đầu còn lại không hàn T2 gọi là đầu lạnh hoặc đầuchuẩn
Hình 1.3: Hình mô phỏng nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt ngẫu
Trang 6– Nguyên lý: Khi có chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nóng và lạnh (T1 và T2)thì ở đầu ra của cặp nhiệt ngẫu xuất hiện một suất điện động e phụ thuộc vàochênh lệch nhiệt độ và bản chất hai kim loại A và B.
Hình 1.4: Đường đặc tính của cặp nhiệt ngẫu
* Công thức tính suất điện động e:
e=K(T1-T2) (cặp nhiệt ngẫu J có K=0,055mV)
– Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao, dải đo rộng, rẻ
– Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao,cầnđiểm tham chiếu, ít ổn định
– Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
– Dải đo: -40 ~ 750oC
– Ứng dụng: sản xuất công nghiệp, luyện kim, gia công vật liệu…
2 Mạch tích hợp KĐTT µA741
- Hình ảnh thực tế của µA741:
Trang 7Chức năng các chân:
Chân 3 _ cửa vào không đảo Chân 7 _ nguồn cấp dương
- Op Amp là một công cụ có nhiều chức năng:
+ Khuếch đại hiệu hai điện thế:
• Uo= K( UI+ − UI− )
+ Khuếch đại tín hiệu điện:
• Uo= −K UI− (UI+ = 0 )
• Uo= K UI+ (UI− = 0 )
+ So sánh điện áp vào UI với điện áp chuẩn UCH:
• Nếu UI < UCH thì Uo = L ( có mức 0, tương đương điện áp thấp, cỡ 0V)
• Nếu UI > UCH thì Uo = H ( có mức 1, tương đương điện áp cao, cỡ 3,5V)
3 IC 555
Hình 3.1: Sơ đồ chân IC 555
Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở thực hiện cácchức năng như hình :
Trang 8Hình 3.2: Cấu trúc bên trong của LM 555
– Chân số 3: (Output) Ngõ ra tín hiệu ở dạng xung (mức áp không thấp thìcao)
– Chân số 4: (Reset) Xác lập trạng thái ngõ ra Khi chân số 4 cho nối mass thìchân số 3 chốt ở mức áp thấp , chỉ khi chân số 4 đặt ở mức áp cao thì ngõ rachân 3 mới được tự do và mới có thể lúc cao lúc thấp
– Chân số 5: (Control Voltage) Chân điều khiển ,chân này làm thay đổi cácmức điện áp chuẩn trên trên cầu chia volt
– Chân số 6: (Threshold) Ngõ vào của một tầng so với áp 1.Có mức áp chuẩnbằng 2/3 Vcc
– Chân số 7: (Dirchange) Chân xả điện, chân này là ngõ ra của một khóa điên(tranistor) khóa điện này đóng mở theo mức áp chân số 3 Khi chân 3 ở mức
áp cao thì khóa điện đóng lại và cho dòng chay qua, ngược lại thì khóa điện
hở và cắt dòng
– Chân số 8: (+Vcc) Chân nguồn nối vào nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC555
4 ADC 0804.
Trang 9
Hình 4.1: Sơ đồ chân ADC0804
– Các chân khác của ADC0804 có chức năng như sau:
• CS (Chip select): Chân số 1, là chân chọn chip, đầu vào tích cực mức thấpđược sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập tới ADC0804 thìchân này phải được đặt ở mức thấp
• RD (Read): Chân số 2, là chân nhận tín hiệu vào tích cực ở mức thấp Các
bộ chuyển đổi của 0804 sẽ chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân
và giữ nó ở một thanh ghi trong Chân RD được sử dụng để cho phép đưa
dữ liệu đã được chyển đổi tới đầu ra của ADC0804 Khi CS = 0 nếu có mộtxung cao xuống thấp áp đến chân RD thì dữ liệu ra dạng số 8 bit được đưatới các chân dữ liệu (DB0 – DB7)
• WR (Write): Chân số 3, đây là chân vào tích cực mức thấp được dùng báocho ADC biết để bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo raxung cao xuống thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trịđầu vào tương tự Vin thành số nhị phân 8 bit Khi việc chuyển đổi hoàn tấtthì chân INTR được ADC hạ xuống thấp
• CLK IN và CLK R: CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tới đồng hồ ngoàiđược sử dụng để tạo thời gian Tuy nhiên ADC0804 c ũng có một bộ tạoxung đồng hồ riêng Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK
R (chân số 19) được nối với một tụ điện và một điện trở
Tần số đồng hồ được xác định bằng biểu thức: f =
Chọn R = 10 kΩ, C = 150 pF và tần số nhận được f = 606 kHz thì thờigian chuyển đổi là 110 µs
• Ngắt INTR (Interupt): Chân số 5, là chân ra tích cực mức thấp Bìnhthường chân này ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi tương tự số hoàntất thì nó chuyển xuống mức thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu chuyểnđổi sẵn sàng để lấy đi Sau khi INTR xuống thấp, cần đặt CS = 0 và gửimột xung cao xuống thấp tới chân RD để đưa dữ liệu ra
• Vin (+) và Vin (-): Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương tự vi sai,trong đó Vin = Vin(+) – Vin(-) Thông thường Vin(-) được nối tới đất vàVin(+) được dùng làm đầu vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số
Trang 10• Vcc: Chân số 20, là chân nguồn nuôi +5V Chân này còn được dùng làm
điện áp tham chiếu khi đầu vào Vref/2 để hở
• Vref/2: Chân số 9, là chân điện áp đầu vào được dùng làm điện áp tham
chiếu Nếu chân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm
trong dải 0 đến +5V Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp
đến Vin khác với dải 0 đến +5V Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các
điện áp đầu ra khác 0 đến +5V
• D0 – D7, chân số 18 – 11, là các chân ra dữ liệu số (D7 là bit cao nhất
MSB và D0 là bit thấp nhất LSB) Các chân này được đệm ba trạng thái và
dữ liệu đã được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD
đưa xuống mức thấp Để tính điện áp đầu ra ta tính theo công thức sau:
Dout = Vin / Kích thước bước
Bảng sự thật:
Trang 11khi ta cần hiện thị số trên led 7 thanh trong mạch số mà không cần dùng vi
xử lý hoặc muốn tiết kiệm chân.”
Cấu tạo:
Trang 12 Cách thức hoạt động:
– Sơ đồ nguyên lý: Như sơ đồ trên, trong đó:
+ A,B,C,D ( Nối với Vi xử lý, mạch số counter,…)
+ BI/RBO,RBI,LT ( chân điều khiển của 7447, tùy thuộc vào nhu cầu sẽ nối
khác nhau), Chân QA,QB,QC,QD,QE,QF,QG nối lần lượt với chân
a,b,c,d,e,f,g của led 7 thanh anot chung
từ 0 tới 15, tương ứng với mối giá trị nhận được sẽ giải mã ra đầu ra Q
tương ứng
QA=a,QB=b,QC=c,QD=d,QE=e,QF=f,QG=g, giá trị hiển thị trên LED 7
thanh phụ thuộc vào giá trị đầu vào PORTA,B,C,D theo bảng sau:
hiểu mức bảng logic sau (Để kích hoạt IC 7447 hoạt động chỉ cần nối
BI/RBO=LT=1 ):
Trang 14– Sự kết hợp của hai con này sẽ tạo ra được bộ nguồn đối xứng.
– Về mặt nguyên lý nó hoạt động tương đối giống nhau
– 78xx là loại dòng IC dùng để ổn định điện áp dương đầu ra với điều kiện
đầu vào luôn luôn lớn hơn đầu ra 3V
– Tùy loại IC mà nó ổn áp đầu ra là bao nhiêu
2 : Vin - Chân nguồn đầu vào
3 : Vo - chân nguồn đầu ra
8. Led 7 thanh.
Cấu tạo:
– Trong LED 7 thanh bao gồm ít nhất là 7 con LED mắc lại với nhau , vì vậy
mà có tên là LED 7 đoạn là vậy ,7 LED đơn được mắc sao cho nó có thể
hiển thị được các số từ 0 - 9 , và 1 vài chữ cái thông
dụng, để phân cách thì người ta còn dùng thêm 1 led
đơn để hiển thị dấu chấm (dot)
– Các led đơn lần lượt được gọi tên theo chữ cái A- B
-C-D-E-F-G, và dấu chấm
– Như vậy nếu như muốn hiển thị ký tự nào thì ta chỉ
cần cấp nguồn vào chân đó là led sẽ sáng như mong
muốn
Thông số :
LED 7 thanh dù có nhiều biến thể nhưng tựu chung thì cũng chỉ vẫn có 2
Trang 15+ Chân Anode chung (chân + các led mắc chung lại với nhau )
+ Chân Catode chung (Chân - các led được mắc chung với nhau )
Điện áp giữa Vcc và mass phải lớn hơn 1,3 V mới cung cấp đủ led sáng, tuy
nhiên không được cao quá 3V
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐO.
• Dùng cơ cấu đo chỉ thị.
• Khi gặp nhiệt độ trong giới hạn bình thường: toC = 0 ÷ 220oC Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng tối bằng nhau và bằng:
= 4 giây.
• Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá: t 0 C = 220oC.
• Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân Xây dựng bộ hiện thị
số BCD.
– Sơ đồ khối hệ thống:
Cơ cấu chỉ thị
Trang 16– Nhiệm vụ của từng khối:
• 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: Cảm biến nhiệt độ biến nhiệt thành điện áp ở mức vài
mV
• Khối khuếch đại đo lường và chuẩn hóa U-I: Khuyếch đại điện áp từ cảm
biến ra điện áp chuẩn, rồi chuyển đổi từ điện áp sang dòng điện với mục
đích truyền tải đi xa
• Khối ADC và hiển thị : Chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số
và đưa ra kết quả ra LED 7 thanh để hiển thị kết quả đo
• Khối so sánh: So sánh với một điện áp đặt trước và đưa ra tín hiệu dùng
để báo động khi quá nhiệt độ cho phép
• Khối nhấp nháy : thực hiện nhiệm vụ nhấp nháy với thời gian đặt trước
khi nhiệt độ trong mức cho phép
• Cảnh báo : thực hiện chức năng báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng
cho
• Cơ cấu đo chỉ thị: Là thiết bị hiển thị điện áp (Voltmeter), dòng điện
(Ammeter) tương ứng với nhiệt độ đo Có nhiều loại cơ cấu đo chỉ thị
khác nhau như: cơ điện, điện từ, cảm ứng… Vì dòng điện ra là dòng 1
chiều và điện áp ra cũng là 1 chiều với giá trị bé nên ta dùng cơ cấu chỉ
thị từ điện để hiển thị giá trị dòng điện và điện áp tại thời điểm xác định
3.2) Tính toán, lựa chọn cảm biến.
– Có dải cần đo là: t0C = 00C ÷ 2200C Vì vậy em chọn cặp nhiệt ngẫu
loại J có dải đo : -40 ~ 750oC, có hệ số K=0,055mV/oC
– Coi điểm tham chiếu luôn có nhiệt độ T2 = 0oC và phương trình sức
điện động là tuyến tính Công thức tính điện áp ra của cảm biến là :
Ucb = K*(T1-T2) tương ứng là: e= 0,055*T1 mV
• Với : T1 = 00C => Ucb = 0 mV
• Với : T1 = 2200C => Ucb = 12,1 mV
• Với : T1 = 4400C => Ucb = 24,2 mV
3.3) Tính toán, thiết kế khối khuếch đại và khối chuẩn hóa.
a) Khối khuếch đại
– Điện áp chuẩn hóa đầu ra là : 0 ~ -5V mà điện áp ra của cảm biến là :
0 → 24,2mV
Vậy chọn mạch khuếch đại đảo có hệ số khuếch đại :
-5V ÷24,2mV≈ -206,6