Mạch đo nhiệt độ

Lời nói đầu
Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ
thuật điện tử nói riêng, việc ứng dụng các IC tích hợp đã làm giảm đi rất nhiều sự phức tạp
của các mạch điện tử, mang lại tính tin cậy cao và phần nào giảm bớt được giá thành sản
phẩm so với mạch có cấu tạo ghép nối nhiều IC đơn chức năng và cách linh kiện rời
rạc.Thông qua việc làm bài tập lớn “Nhập môn điện tử điện tử viễn thông” đã giúp cho sinh
viên chúng em đưa kiến thức đã được học vào trong thực tiễn. Từ đó, chúng em có cơ hội
được tìm hiểu sâu hơn kiến thức đã được học về các linh kiện; phát triển thêm kỹ năng thiết
kế và lắp ráp các mạch điện tử đơn giản.
Mạch đo nhiệt độ được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống của chúng ta.Ví dụ như đo
nhiệt độ phòng làm việc, phòng bảo quản lạnh, lưu trữ hay những khu vực cần nhiệt độ
chính xác và mạch đo nhiệt độ giúp chúng ra điều chỉnh nhiệt độ cho thích hợp.
Chính vì lý do đó mà chúng em lựa chọn thiết kế mạch đo nhiệt độ sử dụng IC
ICL7107. Dưới sự hướng dẫn của thầy giáo: Nguyễn Đức Minh nhóm em đã hoàn thành
bài tập lớn.
Do thời gian có hạn ,mặc dù có nhiều cố gắng song bản báo cáo “Mạch đo nhiệt độ hiển
thị số” của chúng em chắc chắn còn nhiều vấn đề thiếu sót cần cần phải bổ sung, hoàn
thiện. Kính mong các thầy cô giáo thông cảm và có ý kiến đóng góp để chúng em rút kinh
nghiệm.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
1
MỤC LỤC
Lời nói đầu………………………………………………………………….………………1
Mục Lục…………………………………………………………………………………….2
Phần 1:Giới thiệu ý tưởng và xác định chỉ tiêu kỹ thuật cảu sản phẩm……….……… 3
1.1 Phân tích nhu cầu và sự cần thiết của sản phẩm…………………………………… 3
1.2 Các sản phẩm đã có trên thị trường ……………………………………………… 3
1.2.1 Sản phẩm 1: ET CTH−608………………………………………………… 3
1.2.2 Sản phẩm 2: HC520………………………………………………………… 4
1.3 Các chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm………………………………………………… 4
1.3.1 Chức năng của sản phẩm…………………………………………………… 4

1.3.2 Chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm……………………………………………….4
1.3.3 Các yêu cầu phi chức năng………………………………………………… 4
Phần 2: Lập kế hoạch…………………………………………………………………… 5
Phần 3: Lựa chọn phương án kỹ thuật ………………………………………………… 6
3.1 Sơ đồ khối của mạch………………………………………………………………….6
3.2 Các linh kiện sử dụng trong mạch…………………………………………………….6
3.3 Nguyên lí và chức năng của từng khối ……………………………………………….6
Phần 4: Thiết kế mạch………………………………… ……………………………… 14
Phần 5: Triển khai……………………………………………………………………… 29
Phần 6: Thực nghiệm…………………………… ………………………………………31
Phần 7:Tài liệu tham khảo…………………………………………………………….…31
Phần 1:Giới thiệu ý tưởng và xác định chỉ tiêu kỹ thuật của sản phẩm.
2
1.1 Phân tích nhu cầu và sự cần thiết của sản phẩm
Ngày nay khi nền công nghiệp phát triển mạnh, sản phẩm tạo ra ngày càng phong phú
thì nhu cầu lưu trữ hàng hóa trong kho lưu hàng càng nhiều.Việc kiểm soát nhiệt dộ, độ
ẩm khi bảo quản, lưu trữ các sản phẩm công - nông nghiệp trong các kho chứa hàng là
rất quan trọng.Thông thường với các loại hàng hóa được lưu trữ, nhiệt độ, độ ẩm trong
phòng lưu trữ phải luôn duy trì ở 1 mức nhất định.
Cùng với đó, trong các phòng thí nghiệm, trong bệnh viện, trong các nhà kính trồng
cây cảnh, trong các khu sản xuất rau sạch… kỹ thuật viên cũng cần giám sát nhiệt độ, độ
ẩm, ánh sáng… để điều chỉnh môi trường thích hợp với cây trồng.
Đặc biệt, trong các kho hàng cất giữ hàng hóa, gạo thóc, các điểm bảo quản máy móc,
vũ khí, đạn dược v.v… thì vấn đề đo nhiệt độ, độ ẩm và điểm sương của môi trường
không khí là rất cần thiết.
Trong các yếu tố môi trường kể trên, nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến việc
bảo quản sản phẩm và sức khỏe của con người. Biết được giá trị của nhiệt độ chúng ta
có thể có biện pháp phòng tránh và có biện pháp xử lý.
Chính vì những lý do đó mà nhóm chúng em lựa chọn đề tài thiết kế “mạch đo nhiệt độ
sử dụng ICL7107”. ICL7107 là một IC rất thông dụng và có rất nhiều ứng dụng trong

kỹ số.
1.2 Các sản phẩm đã có trên thị trường:
1.2.1 Sản phẩm 1:ET CTH-608
• Thông số của sản phẩm:
- Nhiệt độ cao nhất: 60°C.
- Giá trị thang đo nhỏ nhất: -10°C.
- Hiển thị nhiệt độ và độ ẩm đồng thời.
- Bộ nhớ lưu lại chỉ số nhiệt độ max, min.
- Chọn đơn vị đo độ C-F.
- Sai số 1%.
• Giá thành: 500.000 VNĐ.
• Xuất sứ: Trung Quốc
www.vatgia.com
1.2.2 Sản phẩm 2: HC520
- • Thông số của sản phẩm:
- Nhiệt độ đo cao nhất : 70°C.
- Hiển thị nhiệt độ và độ ẩm đồng thời.
- Có thể tháo rời bộ cảm biến bên ngoài.
3
- Chọn đơn vị đo C-F.
- Sai số 2%.
- • Giá thành: 280.000 VNĐ.
- • Xuất xứ: Korea.
-
www.vatgia.com.vn
-
1.3 Các chỉ tiêu kĩ thuật của sản phẩm
1.3.1 Chức năng của sản phẩm
- Hiển nhiệt độ của những sản phẩm chúng ta muốn đo như: nhiệt độ
trong phòng bảo quản, nhiệt độ của nước, môi trường Qua đó có thể,

chúng ta có thể điều chỉnh sao cho phù hợp.
1.3.2 Chỉ tiêu kĩ thuật của sản phẩm
- • Khoảng hoạt động chính xác nhất: 0°C÷100°C.
- • Độ chính xác: 0,25°C ở nhiệt độ phòng và 0,75°C ở ngoài khoảng
-55°C ÷150°C
- • Đơn vị đo: °C
1.3.3 Chỉ tiêu phi kĩ thuật
- • Mạch in dễ nhìn, làm việc chính xác
- • Mạch dễ sử dụng
- • Giá thành không quá 300 ngàn
-
-
4
-
- Phần 2.Lập kế hoạch
-
-
- Mục - Công việc - Mô tả - Người
thực hiện
- Bắt đầu - Kế hoạch
kết thúc
- Ngày kết
thúc
- 1 - Thiết kế &
- Viết báo cáo
- Sử dụng proteus để thiết
kế mạch, hoàn thành báo
cáo
- Hòa, Dung - 17/11 - 27/11 -
-

- 28/11
- 2 - Tạo slide thuyết
trình
- Sử dụng powpoine để
hoàn thành bài thuyết trình
- Hoàn - 21/11 - 24/11
- 3 - Tìm hiểu thị
trường và Test
mạch
- Đặt mạch in, lắp ráp
mạch và kiểm tra mạch
- Khang,
Thu
- 19/11 - 27/11
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-
-
5
Khối nguồn
Khối cảm biến
nhiệt độ
Khối xử lý và giải
mã n hiệu
Khối hiển thị
- Phần 3. Lựa chọn phương án kỹ thuật
3.1 Sơ đồ khối của mạch:
- Mạch đo nhiệt độ gồm 4 khối chính
-
3.2 Các linh kiện sử dụng trong mạch
- IC: ICL7107, LM7805, LM 35
- Biến trở, điện trở, tụ điện
- LED 7 thanh
- 3.3 Nguyên lý và chức năng của từng khối
- A. Khối Nguồn
- Nguồn điện được sử dụng ở đây là nguồn một chiều lấy từ bộ nguồn một chiều ví
dụ như adapter và được biến đổi phù hợp với yêu cầu của mạch.Nguồn cung cấp điện áp ±5V
DC ổn định cho mạch. Mạch nguồn của mạch sử dụng 2 IC LM7805.
- IC LM7805 có nhiệm vụ tạo ra điện áp ổn định là 5V
DC. Dòng ra từ LM7805 có giá trị cực đại là 1.5 A hoặc 1A
tùy từng nhà sản xuất. LM7805 được đóng vỏ dạng TO220.

Hình bên là sơ đồ chân của LM7805, chân 1 ngoài cùng bên
trái là chân INPUT, ta đưa điện áp dây dương (+) cần hạ
xuống 5V vào đây. Chân thứ 2 là chân mass chung của mạch
điện vào và mạch điện ra. Chân 2 này được nối chung với
phiến tản nhiệt ở trên đỉnh của IC. Chân 3 ngoài cùng bên phải
là chân OUTPUT, điện áp 5V (so với chân 2) được đưa ra tại
đây.
6
Hình 1:IC 7805
(1)
-
- Hình 1: Khối nguồn
-
- Nhìn vào “Hình 2” ta có thể thấy điểm 0V được coi là -5V và điểm 5V ( đầu ra
U4) được coi là mass chung, điểm 10V (đầu ra U3) được coi là 5V. Ta sẽ dùng quy ước điện
áp này để trên để thiết kế mạch. Lý do cho việc quy định lại nguồn này sẽ được trình bày ở
phần ICL7107.
-
- B. Khối cảm biến nhiệt độ
- Khối cảm biến nhiệt độ được sử dụng bao gồm một IC cảm biến nhiệt độ là LM35
và một cầu phân áp gồm một biến trở và một điện trở. Tín hiệu đưa ra tại hai điểm 1 và 2 trên
hình vẽ.Hiệu điện thế (U
1
-U
2
) là tín hiệu cần xử lý.
-
- Hình 2: Khối cảm biến nhiệt độ
-
7

Hình 4: IC LM35
(2)
- IC LM35 dùng để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ thành điện áp. LM35 dùng điện áp trong
khoảng 4 - 30 V. IC LM35 có thể đo được nhiệt độ từ -55 tới 150
o
C nhưng theo khuyến cáo
của nhà sản xuất thì chỉ nên đo trong khoảng từ -40 tới 110
o
C thôi để đảm bảo tính chính
xác.
- Chúng ta xác định chân của LM35 theo hình vẽ bên. Chân 1 bên trái là chân câp
điện Vs, chân 2 là chân tín hiệu ra, chân 3 bên phải là chân nối mass.
-
- C. Khối xử lý và giải mã tín hiệu.
-
∗
Giới thiệu về ICL7107
- ICL7107 là một bộ chuyển đổi AD 3 ½ digit công suất thấp, hiển thị tốt. Bao gồm
trong IC này là bộ giải mã LED 7 đoạn, bộ điều khiển hiển thị, bộ tạo chuẩn và bộ tạo xung
đồng hồ. Các đặc tính của nó bao gồm: tự chỉnh “0” nhỏ hơn 10 uV, điểm “0” trượt không
quá 1uV/
o
C, độ dốc dòng ngõ vào tối đa là 10pA.
-
- -
-
-
- • IC này có các đặc điểm rất
quan trọng sau:
- Độ chính xác rất cao.

- Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
- Không cần mạch lấy mẫu và mạch giữ.
- Tích hợp đồng hồ.
- - Không cần các thành phần
ngoại vi có độ chính xác cao.
-
-
- • Các giá trị định mức:
- Điện áp nguồn:
- V+ → GND : 6V
- V- → GND : -9V
- Điện áp ngõ vào analog: V+ → V-
- Điện áp ngõ vào tham chiếu: V+ → V-
8
Hình 4: sơ đồ chân IC ICL7107
(3)
- Ngõ vào clock: GND → V+
- • Các điều kiện bên ngoài:
- Phạm vi nhiệt độ: 0
o
C → 70
o
C
-
- • Tóm tắt thông tin thiết kế:
- + Tần số bộ dao động:
- f
OSC
= 0.45/RC
- C

OCS
> 50pF; R
OS
C > 50kΩ
- f
OSC
(typical) = 48kHz
- + Chu kỳ dao động:
- t
OSC
= RC/0.4
- + Tần số đồng hồ tích hợp:
- f
CLOCK
= f
OSC
/4
- + Chu kỳ tích hợp:
- t
INT
= 1000x(4/f
OSC
)
- + Dòng tích hợp tối ưu:
- I
INT
= 4uA
- + Điện áp toàn giai ngõ vào analog:
- V
INFS

(typical) = 200mV hoặc 2V
- + Bộ đếm hiển thị:
- COUNT = 1000.V
IN
/V
REF
- + Chu kỳ chuyển đổi:
- t
CYC
= t
CLOCK
x 4000
- t
CYC
= t
OSC
x 16000
- khi f
OSC
= 48kHz thì t
CYC
= 333ms
-
-
∗
Cấu tạo
9
-
- Hình 5: Vùng xử lý tín hiệu tương tự của ICL 7107
(4)

- Hình 5: thể hiện mạch xử lý tương tự của ICL7107. Mỗi chu kỳ đo được chia thành
ba pha: (1) Tự chỉnh “0” (A – Z), (2) tích hợp tín hiệu (INT) và (3) giải tích (DE) và 1 số
thông số khác.
- (1) Pha tự chỉnh “0”
- Trong pha này thực hiện 3 việc:
- • Ngõ vào cao và thấp bị ngắt kết nối khỏi các chân và ngắn mạch nội với chân
COMMON analog.
- • Tụ tạo chuẩn được nạp tới điện áp chuẩn.
- • Một vòng lặp hồi tiếp nối kín quanh hệ thống để nạp cho tụ tự chỉnh “0” CAZ để bù cho
điện áp offset (trôi) trong bộ khuếch đại đệm, bộ tích hợp và bộ so sánh. Vì bộ so sánh nằm
trong vòng lặp nên độ chính xác A-Z chỉ bị giới hạn bởi nhiễu của hệ thống. Trong bất cứ
trường hợp nào, điện áp offset do ngõ vào nhỏ hơn 10uV.
- (2) Pha tích hợp tín hiệu
- Trong quá trình tích hợp tín hiệu, vòng lặp tự chỉnh “0” được mở, ngắn mạch nội
không còn, ngõ vào cao và thấp được nối với các chân ngoại vi. Bộ chuyển đổi lúc này tích
hợp điện áp khác biệt giữa chân IN HI và chân IN LO trong một khoảng thời gian cố định.
Điện áp sai biệt này có thể nằm trong phạm vi rộng: lên tới 1V từ cả hai nguồn. Mặt khác nếu
tín hiệu vào không hồi trở lại nguồn cung cấp thì IN LO có thể bị nối với chân COMMON
10
analog để thiết lập điện áp mode chung chính xác. Cuối pha này các cực của tín hiệu tích hợp
được xác định.
- (3) Pha giải tích
- Còn gọi là tích hợp tham chiếu. Ngõ vào thấp luôn được kết nối nội với chân
COMMON và ngõ vào cao được kết nối qua tụ chuẩn đã được nạp từ pha trước. Mạch trong
IC đảm bảo rằng tụ điện sẽ được nối đúng cực để làm bộ tích hợp ngõ ra chuyển về “0”.Thời
gian cần thiết để ngõ ra chuyển về giá trị “0” tỉ lệ với tín hiệu vào. Đặc biệt số được hiển thị
là:
- DISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF
- (4)Ngõ vào chênh lệch
- Ngõ vào có thể chấp nhận các điện áp chênh lệch trong phạm vi của bộ khuếch đại ngõ

vào, hay cụ thể là từ 0.5V dưới nguồn dương đến 1V trên nguồn âm. Trong phạm vi này hệ
thống có CMRR(common mode rejection ratio) 86 dB. Tuy nhiên cần bảo đảm ngõ ra bộ tích
hợp không bão hòa. Trường hợp xấu nhất là điện áp mode chung tích cực lớn với một điện áp
ngõ vào tích cực âm toàn giai. Tín hiệu ngõ vào âm điều khiển bộ tích phân dương khi phần
lớn độ lắc ngõ ra đã được tận dụng bởi điện thế mode chung tích cực dương. Dành cho những
ứng dụng cao độ lắc của tích hợp ngõ ra có thể được giảm xuống nhỏ hơn độ lắc toàn giai 2V
với ít sai số hơn.Bộ tích phân ngõ ra có thể lắc trong khoảng 0.3V với cả hai nguồn mà không
mất sự tuyến tính.
-
-
- (5)Tham chiếu sai biệt:
- Điện áp tham chiếu có thể được tạo ra mọi nơi từ điện áp nguồn của bộ
chuyển đổi. Nguồn chính của lỗi mode chung là điện áp vòng tạo bởi tụ
tham chiếu nạp hay xả làm sai lạc giá trị điện dung của nó. Nếu có điện áp
mode chung lớn, tụ tham chiếu có thể được nạp (tăng điện áp) khi được
dùng đến để giải tích một tín hiệu dương nhưng sẽ xả (giảm điện áp) khi
được dùng để giải tích một tín hiệu âm. Sự khác biệt trong tham chiếu điện
áp vào dương và âm sẽ gây ra lỗi.Tuy nhiên, bằng cách chọn tụ tham chiếu
chẳng hạn tụ có điện dung đủ lớn thì lỗi này có thể được kiểm soát hơn 0.5
lần đếm.
-
- (6)Vùng xử lý số của ICL7107
-
11
-
- Hình 6:Mạch đồng hồ số
(5)
-
-
-

- Hình 7:Vùng xử lý số của ICL7107
(6)
- D. Khối hiển thị.
-
∗
LED 7 đoạn:
- Led 7 đoạn được dùng rất phổ biến khi cần hiển thị số tự
nhiên hoặc vài chữ cái nhất định.Led 7 đoạn có thể có kích thước
nhỏ khác nhau.
12
- Led 7 đoạn bao gồm nhiều led tích hợp bên trong, các led được nối chung nhau một
chân. Trong thực tế có hai loại led 7 đoạn là led 7 đoạn anod chung và led 7 đoạn katot
chung. Trong bài này ta sử dụng led 7 đoạn anod chung.
-
- Đối với dạng Led anode chung, chân COM phải có mức logic 1 và muốn sáng Led
thì tương ứng các chân s-f,dp sẽ ở mức logic 0.
-
-
- Hình9: nguyên lý của led 7
thanh
(8)
-
-
- Hình10: led 7 thanh thực tế
(9)
13
Hình 8: sơ đồ chân LED 7 thanh
(7
)
-

 Trở hạn dòng bảo vệ led
- Công chính của điện trở là không chế dòng điện qua tải cho phù hơp.
 Tụ điện
- Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện
trườngcủa tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích luỹ điện
tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên của tụ điện trong mạch điện xoay chiều.
 Biến trở
- Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần. Điện trở có thể biến đổi được theo ý muốn.
Chúng có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện.
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
- PHẦN 4. THIẾT KẾ MẠCH
- Bước 1: Khởi động chương trình ISIS bằng cách chọn Start/ All
program/ Proteus7 Professional/ ISIS 7 Professional
-
- Sau đó cửa sổ chương trình sẽ xuất hiện với tất cả các công cụ hỗ trợ thiết kế và chạy mô

phỏng như hình sau:
-
- Bước 2: Chọn linh kiện
- Để lấy linh kiện, ta sẽ chọn nút Component
-
- Sau đó chọn nút Pick Devices:
-
-
-
-
-
- Cửa sổ thư viện linh kiện hiện lên
-
- Để lấy điện trở, vào thư viện DEVICE, rồi chọn RES (nhấp đôi chuột) trong danh mục linh
kiện của thư viện:
-
- Cũng trong thư viện DEVICE:
- Để lấy tụ điện chọn CAP
- Để lấy biến trở ta vào thư viện Resistors, trong khung Sub-category chọn Variable, chọn
3252W-1-103LF và chọn tiếp 3252W-1-503LF
-
- Tương tự ta vào keywords:
• Gõ 7805 để chọn IC LM7805
• Gõ tiếp LM35 để lấy IC LM35
- Trong thư viện linh kiện của Proteus không có IC ICL7107 vì thế ta phải tạo 1 con
ICL7107 trong ISIS
- Vẽ phác thảo cho linh kiện: cần thực hiện thành 2 bước. Bước 1 chỉ dùng công cụ vẽ 2D để
phác thảo. Bước 2 là gắn chân linh kiện vừa phác thảo vừa vẽ sử dụng chức năng vẽ chân
linh kiện.
- Chọn rồi chọn ta vẽ

-
-
- Sau đó ta chọn
- và vẽ được hình
-
- Tiếp theo ta gắn chân cho led 7 đoạn: chọn Divice Pin Mode chọn DEFAULTđể vẽ chân :
-
- =>
-
- =>
- Sau khi vẽ xong chân linh kiện, ta sẽ đặt tên cho các chân
- Nhấn phải chuột vào từng chân, chọn edit properties xuất hiện hộp Edit Pin
- Trong ô Pin Name ta gõ tên chân
- Trong ô Default Pin Number gõ số thứ tự của chân
-
- Tương tự cho các chân ta được
-
- Sau đó ta add chân cho linh kiện
- Ta chọn toàn bộ led vừa tạo, phải chuột chọn make device
- Xuất hiện hộp thoại Make Device, trong hộp thoại:
- -Device Name: ta gõ tên linh kiện (ở đây ta đặt là LED 7D)
- - Reference Prefix : tính chất của linh kiện (led 7 đoạn có tính giống Diode nên ta để là D)
- Các mục khác ta có thể bỏ qua
- Sau đó chọn next chọn Add/Edit
-
- Xuất hiệp hộp thoại Package Device =>Add => xuất hiện hộp thoại Pick Packages =>gõ
7SEG =>7SEG-56 =>OK
-
- Trong hộp thoại Package bây giờ ta sẽ add các chân cho linh kiện tương ứng
- Cuối cùng đc

-
- Rồi chọn Assign Package(s) =>Next
- Ta nhập LED7D vào Name và PCB Package
-
- Sau đó cứ next rồi Ok
- Như vậy là ta đã tạo xong con led 7 đoạn
- Tương tự như thế ta tạo được con ICL7107
-
- Ta cũng add chân vào cho IC
-
-
- Sau khi đã lấy đủ linh kiện ta bắt đầu vẽ mạch nguyên lý.
- ∗Chú ý:
• Chúng ta cần chú ý add đúng thứ tự chân vào đúng tên của nó.
• Click đồng thời vào chân trên sơ đồ mạch vào đúng chân nằm trong cột A của bảng
- Sau khi add chân xong ta chọn Assign Package(s) =>OK
- Bước 3:Sắp xếp và nối dây cho các linh kiện. Sử dụng các linh kiện có
sẵn, các lệnh trong phần mềm ta thực hiện nối dây, nối đất, nối nguồn cho
các linh kiện với nhau. Sắp xếp một cách hợp lý, dễ quan sát. Ta đã thiết kế
được mạch nguyên lý như hình:
-
- Hình 11: Mạch nguyên lý
-
-