Bài tập lớn Vi Mạch tính toán thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
----------

BÀI TẬP LỚN
VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ
Đề tài: Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ
sử dụng IC cảm biến nhiệt độ.

Giáo viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Lớp:
Mã sinh viên:

BÙI THỊ KHÁNH HÒA
xxxxxxxxxxxxxxx
xxxxxxxxxxxxxxx
xxxxxxxxxxxxxxx

Hà Nội 11/2015

Trang - 1


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BÀI TẬP LỚN: VMTT Số 3
Họ và tên HS-SV: xxxxxxxxxxxxxxxxx
Nhóm: 3 Lớp: xxxxxxxxxxxxxxxxxx

MSV : xxxxxxxxxxxxxxxxxxx

NỘI DUNG
Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng
IC cảm biến nhiệt độ.
Yêu cầu:
- Dải đo từ: t0C = 00C ÷ tmax = 0 ÷ (50 + n)0C.

- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra:
1. U = 0-10V và
2. I = 4 - 20mA.
- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị.
- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t0C = 0 ÷ 2*tmax/3. Thiết kế mạch
nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và thời gian tối bằng nhau và bằng:
τ = (1+0.5*a) giây.

- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị cảnh báo:
-

t0C = 0 ÷ 2*tmax/3.
Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân. Xây dựng bộ hiển thị số
BCD.

Trong đó:

- a: chữ số hàng đơn vị của danh sách (ví dụ: 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
- Tính toán, thiết kế mạch 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.
Chương 4: Kết luận và hướng phát triển
Yêu cầu về thời gian : Ngày giao đề : …………Ngày hoàn thành: 27/11/2013.

Trang - 2


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

Mục Lục

Lời nói đầu
Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường gặp trong đời sống hằng ngày
cũng như trong kỹ thuật và công nghiệp, điều khiển và tự động hóa. Việc đo và

cảnh báo nhiệt độ cũng chính vì thế là một yêu cầu thiết thực. Hiện nay cảm
biến đo nhiệt độ là loại cảm biến được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp
cũng như dân dụng.
Bài tập lớn này nghiên cứu dùng các vi mạch tương tự tinh toán,thiết kế
mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ.
Trong quá trình thiết kế, do kiến thức còn hạn hẹp và trình độ hiểu biết
chuyên môn còn tương đối hạn chế nên sẽ khó tránh khỏi những sai sót, khuyết
điểm. Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo nhiệt tình từ phía các thầy cô
để đề tài được hoàn thiện hơn, có thể áp dụng vào thực tiễn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên làm đề tài.
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

Trang - 3


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO

1. Tổng quan
1.1 Khái niệm về nhiệt độ
Nhiệt độ là đại lượng vật 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 sự khác nhau. Ỏ trạng thái lỏng, các
phân tử dao động quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch
chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định. Còn ở trạng thái rắn,
các phân tử, nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng. Các dạng vận
động này của các phân tử, nguyên tử được gọi chung là chuyển động nhiệt. Khi
tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quá

trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt. Quá trình truyền nhiệt
trên tuân theo nguyên lý:
Bảo toàn năng lượng. Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến
nơi có nhiệt độ thất. Ở trạng 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 truyền
nhiệt bằng đối lưu. Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách
vận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh
lệch về tỉ trọng.
1.2 Các thang đo nhiệt độ
Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá
cường độ của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi
thời kỳ. Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng,
từng thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội. Hiện nay chúng ta có 3
thang đo nhiệt độ chính là:
- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).
- Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15.
- Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67.
Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay. Trong đó
thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơ bản
của hệ đơn vị quốc tế (SI). Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá
được nhiệt độ.
Vi mạch số, vi mạch tương tự lĩnh vực không mang tới thời sự nóng bỏng
nhưng vẫn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ, đã đang và từng
ngày thâm nhập vào đời sống của chúng ta. Nhưng trong thực tế các dạng năng
Trang - 4


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

lượng thường ở dạng tương tự. Do đó muốn xử lý 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 đă thưc hiện việc xây dựng một mạch điện đo
nhiệt độ hiển thị ra đèn LED. Mạch này chỉ mang tính chất thử nghiệm thực tế
về vấn đề chuyển đổi ADC, vấn đề cảnh báo nhiệt độ ra đèn và vấn đề đo lường
các đại lượng không điện bằng điện.

2. Biến nhiệt thành điện
Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và giải
nhiệt 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 chuyển đổi nhiệt điện
được đặt trực tiếp trong môi trường cần đo.
- Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngoài môi
trường cần đo (áp dụng với trường hợp đo ở nhiệt độ cao).
Trong khuôn khuôn khổ yêu cầu của đề tài này ta chỉ khảo sát phương
pháp đo trực tiếp vì giải nhiệt độ cần đo không phải ở quá cao.
Đo nhiệt độ bằng phương pháp trưc tiếp ta lại khảo sát 2 loại nhiệt kế cặp
nhiệt ngẫu và nhiệt kế nhiệt điện trở.
2.1 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu:
Cấu tạo : Gồm hai thanh kim loại a, b được hàn với nhau tại một đầu t1
hai đầu t0 là đầu tự do .
Nguyên lý làm việc: dựa trên hiệu ứng Thomson và hiệu ứng seebek: Khi
nhiệt độ ở đầu t1 khác nhiệt độ ở đầu t0 chúng sẽ tạo nên một suất điện động:
Eab(t1,t0)=Eab(t1)-Eab(t0).
Nếu giữ nhiệt độ ở đầu t0 không đổi :
Eab(t1,t0)=Eab(t1-c)=F(t1).
- Rd: điện trở đường dây (quy định là 5Ω).
- Rdc: điện trở điều chỉnh (điều chỉnh cho Rd = 5Ω).
• Những nguyên nhân gây sai số:
+ Điện trở mạch đo thay đổi khi nhiệt độ môi trường thay đổi.

·
+ Nhiệt độ đầu tự do to đươc duy trì ở nhiệt độ chuẩn không độ C
nhưng Et thực tế thường nhỏ hơn trên lý thuyết.
Phương pháp khắc phục: có 2 phương pháp:
• Giữ ổn nhiệt độ đầu đo hoăc dùng thiết bị bù nhiệt. Với cách
thứ nhất ta chỉ việc ngâm đầu đo vào nước đá.
• Khi nhiệt độ thanh tư do thay đổi Rt thay đổi làm cho mạch
bù mất cân bằng dẫn đến việc xuất hiện điện áp Ucd bù vào
Trang - 5


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

sức điện động bị thay đổi. Ta có : Eab(t1,to)= E’ab(t1,to)
+Ucd.
2.2 Nhiệt kế điện trở
Dùng nhiệt điện trở (là môt thiết bị biến đổi nhiệt độ thành sự thay đổi
thương số điện trở R:Rt=f(t) ).
Phân ra làm 2 loại :
- Nhiệt điện trở kim loại :thuường đươc làm bằng Niken,Cu,platin
Quan hệ R-t: Rt=Ro(1+at)
Ro: điện trở ở nhiệt độ chuẩn.
a:hệ số nhiệt độ.
t:nhiệt độ môi trường.
Dải nhiệt độ:0 - 125 độ C.
- Nhiệt điện trở bán dẫn:
Chế tạo từ hỗn hợp các chất oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO,
MgẠl2O2.
Đặc tính quan trọng của nó là có độ nhạy nhiệt rất cao gấp hàng
chuc lần loại trên.

`
Dải nhiệt độ rất rộng
Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ: Rt=Ro. Exp[B.(1/T-1/To).
Trong đó:
To là nhiệt độ chuẩn tuyệt đối.
Ro la điện trở của chất bán dẫn ở nhiệt độ To.
Rt la điện trở của chất bán dẫn ở nhiệt độ T của môi trường.
B là hằng số có giá trị từ 3000 đến 5000 K
Giá trị điện trở thường cỡ 50 - 500 Ôm
- Đo nhiệt độ = diot và tranzitor
Linh kiện điện tử rất nhạy nhiệt nên ta có thể sử dụng 1số linh kiện
bán dẫn như diot hoặc tzt nối theo kiểu diode (Bazơ nối với Colector).
Khi đó điện áp U giữa hai cực của diode là hàm của nhiệt độ. Độ
nhạy được xác định theo biểu thức :
S = dU/dt (độ nhạy có giá trị thường cỡ 2.5 mV/độ C).
Khi nhiệt độ thay đổi ta có:
Ud = Ebe1 - Ebe2 = (K.T.ln(Ic1/Ic2))/q
Trong đó:
K là hệ số.
T là nhiệt độ môi trường tính theo độ K.
q là điện tích.
Ic1 là ḍng collector cua tzt1.
Ic2 là ḍng collector cua tzt 2.
Trang - 6


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

Với tỉ số Ic1/Ic2=const . Ud tỉ lệ thuận với nhiệt độ T mà không
cần nguồn ổn định.

Độ nhạy nhiệt của mạch của mạch này được xác định theo biểu
thức sau:
S=d(U1-U2)/dT
Hiện nay trên thị trường có sẵn những IC tích hợp sử dụng phần tử
bán dẫn làm nhiệm vụ cảm biến nhiệt rất tiện lợi.
2.3 Lựa chọn phương pháp biến đổi nhiệt năng thành điện năng
Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt áp dụng vào thiết bị đo nhiệt độ
đang là một phương pháp rất phổ biến, tiện lợi. Do đó, em đă lựa chọn
phương pháp này áp dụng vào trong đề tài của mình. Hơn nữa, như em đă
nói ở trên phần tử bán dẫn rất nhạy nhiệt, để đảm bảo được độ chuẩn xác
tương đối cao, thoả măn được tiêu chuẩn yêu cầu, chấp nhận được.

3. Hình thành sơ đồ khối
3.1 Sơ đồ khối.

Trang - 7


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống.

Trang - 8


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

3.2 Yêu cầu cho từng khối :
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động với các mức
điện áp chuẩn như yêu cầu.

- Cảm biến: Nhận tín hiệu cần đo, dùng làm mạch đệm tín hiệu và lọc
nhiễu tín hiệu trước khi chuyển vào các khối khác.
- Mạch đo: Có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu điện nhận được từ bộ
chuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu kết quả đo của bộ chỉ thị.
- Cơ cấu chỉ thị: Là thiết bị hiển thị cho người dùng biết được nhiệt độ của
đối tượng cần đo. Có nhiều cơ cấu chỉ thị khác nhau như: từ điện, điện
động, số...
- So sánh: Làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa về với tín hiệu đã cài
đặt. Tuỳ theo tín hiệu ngõ ra, sẽ ra quyết định để cơ cấu chấp hành gia
tăng, giảm, hay giữ nguyên nhiệt độ thậm chí có thể kết hợp để báo động
hiển thị.
- Nhấp nháy: Thông báo tình trạng, trạng thái làm việc của mạch.
- Cảnh báo: thực hiện chức năng báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng
cho phép.
3.3 Tổng quan mạch đo
3.3.1 Mạch đo
Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý, dựa vào các đặc tính của đại lượng
cần đo mà chọn ra loại cảm biến phù hợp để thực hiện việc biến đổi các thong số
cần đo thành đại lượng điện hay điện áp.
U = 0 – 10V
I = 4 - 20mA
Sau đó qua bọ lọc và khuếch đại tín hiệu.
Tín hiệu sau khi được hiệu chỉnh sẽ chuyển qua sang cơ cấu chỉ thị hoặc
bộ chuyển đổi ADC (Analog Digital Converter) bộ này chuyển đổi tín hiệu
tương tự sang dạng số rồi chuyển qua để so sánh rồi phát cảnh báo nếu nhiệt độ
vượt quá ngưỡng cho phép hoặc chuyển tới phần chỉ thị để hiển thị kết quả ra
LED.
3.3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ
Đo nhiệt độ là phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên của môi
trường, không có điện trong đại lượng cần đo

- Nhiệt độ được phân làm nhiều dải để đo:
+ dải mức thấp
+ dải mức trung bình
+ dải mức cao
- Nhiệt độ được đo với các cảm biến hỗ trợ như
+ cặp nhiệt kế
+ nhiệt điện kế kim loại.
Trang - 9


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

+ nhiệt điện trở kim loại.
+ nhiệt điện trở bán dẫn.
+ cảm biến thạch anh.

Trang - 10


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

Chương 2: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CHÍNH
1.IC cảm biến nhiệt độ LM35
1.1Giới thiệu chung.

Hình 2: IC cảm biến LM35
Cảm biến nhiệt độ LM35 là một loại cảm biến tương tự rất hay được ứng
dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực. Vì nó hoạt động khá chính
xác với sai số nhỏ, đồng thời với kích thước nhỏ và giá thành rẻ là một trong
những ưu điểm của nó. Vì đây là cảm biến tương tự (analog sensor) nên ta có

thể dễ dàng đọc được giá trị của nó.
1.2 Cấu tạo và đặc điểm.
1.2.1 Cấu tạo.
Gồm 3 chân trong đó có 2 chân cấp nguồn và một chân xuất điện áp tùy
theo nhiệt độ mà cảm biến nhận được.
o Chân 1: Chân nguồn Vcc
o Chân 2: Đầu ra Vout
o Chân 3: GND
1.2.2 Đặc điểm.
+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V.
+ Độ chính xác cao với sai số ÷1/40 C ở nhiệt độ phòng và ÷3/40 C trong
khoảng nhiệt độ -55 đến 1500C.
+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải.
+ Đầu ra tuyến tính 10mV/0C.
+ Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -550C đến 1500C 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.
• Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV.
Trang - 11


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

2.Bộ chuyển đổi tương tự số 8 bit ADC0804
a. Giới thiệu chung.
Chíp ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số trong họ các loạt ADC800, nó
làm việc với +5V và có độ phân giải 8 bit. Ngoài độ phân giải thì thời gian
chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ ADC. Thời
gian chuyển đổi được định nghĩa như là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển

một đầu vào tương tự thành một số nhị phân. Trong ADC0804 thời gian
chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và
CLK IN nhưng không thể nhanh hơn 110μs.

Hình 3: IC chuyển đổi tương tự - số 8 bit ADC0804
b. Nguyên lý làm việc.
Chức năng các chân ADC0804:
- Chân CS (chân số 1) chọn chíp: Là một đầu vào tích cực mức thấp
được sử dụng để kích hoạt chíp ADC0804. Để truy cập ADC0804 thì
chân này phải ở mức thấp.
- Chân RD (chân số 2): Đây là một tín hiệu đầu vào được tích cực mức
thấp. Các bộ ADC chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân
tương đương với nó và giữ nó trong một thanh ghi trong. RD được sử
dụng để nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra của ADC0804. Khi
0CS = nếu một xung cao – xuống – thấp được áp đến chân RD thì đầu
Trang - 12


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

ra số 8 bit được hiển diện ở các chân dữ liệu D0 – D7. Chân RD cũng
được coi như cho phép đầu ra.
- Chân ghi WR (chân số 3). Thực ra tên chính xác là “Bắt đầu chuyển
đổi”): Đây là chân đầu vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho
ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi. Nếu CS = 0 khi WR tạo ra
xung cao – xuống – thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị
đầu vào tương tự Vin về số nhị phấn 8 bit. Lượng thời gian cần thiết để
chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN và
CLK R. Khi việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thì chân INTR
được ép xuống thấp bởi ADC0804.

Ngoài ra , cần tạo xung bằng IC 555 cho chân WR này.

Hình 4 : Sơ đồ khảo sát ADC0804
- Chân CLK IN (chân số 4) và CLK R (chân số 19): Chân CLK IN là
một chân đầu vào được nối tới một nguồn đồng hồ ngoài khi đồng hồ
ngoài được sử dụng để tạo ra thời gian. Tuy nhiên ADC0804 cũng có
một máy tạo xung đồng hồ. Để sử dụng máy tạo xung đồng hồ trong
của ADC0804 thì các chân CLK IN và CLK R được nối tới một tụ
điện và một điện trở. Trong trường hợp này tần số đồng hồ được xác
định bằng biểu thức:
f=
Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C = 150pF và
tần số nhận được là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là
110sμ.
Trang - 13


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

- Chân ngắt INTR (chân số 5): Đây là chân đầu ra tích cực mức thấp.
Bình thường nó ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó
xuống thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu được chuyển đổi sẵn sàng
để lấy đi. Sau khi INTR xuống thấp, ta đặt CS = 0 và gửi một xung cao
xuống – thấp tới chân RD lấy dữ liệu ra của ADC0804.
- Chân VCC (chân số 20): Đây là chân nguồn nối +5V, nó cũng được
dùng như điện áp tham chiếu khi đầu vào REFV/2 (chân số 9) để hở.
- Chân REFV/2 (chân số 9): Là một điện áp đầu vào được dùng cho
điện áp tham chiếu. Nếu chân này hở (không được nối) thì điện áp đầu
vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dãy 0-5V→(giống như chân
VCC). Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin

cần phải khác ngoài dãy 0→5V. Chân /2REFV được dùng để thực thi
các điện áp đầu vào khác ngoài dãy 0→5V. Ví dụ: Nếu dãy đầu vào
tương tự cần phải là 0 →4V thì REFV/2 được nối với +2V.
- Các chân dữ liệu D0 – D7 (Từ chân 11 đến chân 18): Các chân dữ
liệu D0 – D7 (D7 là các bit cao nhất MSB và D0 là bit thấp LSB) là
các chân đầu ra dữ liệu số. Đây là những chân được đệm ba trạng thái
và dữ liệu được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân
RD bị đưa xuống thấp. Để tính điện áp đầu ra ta có thể sử dụng công
thức sau:
Dout=
Với Dout là đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân). Vin là điện áp đầu vào
tương tự và độ phân dãy là sự thay đổi nhỏ nhất được tính như là
(2x/2REFV) chia cho 256 đối với ADC 8 bit.
- Chân GND (chân số 10): Đây là những chân đầu vào cấp đất chung
cho cả tín hiệu số và tương tự. Đất tương tự được nối tới đất của chân
Vin tương tự, còn đất số được nối tới đất của chân VCC. Lý do mà ta
phải có hai đất là để cách ly tín hiệu tương tự Vin từ các điện áp ký
sinh tạo ra việc chuyển mạch số được chính xác. Trong phần trình bày
thì các chân được nối chung với một đất. Tuy nhiên, trong thực tế thu
đo dữ liệu các chân đất này được nối tách biệt.
3.Opam 741.

Trang - 14


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

Hình 5: Opam 741.

Trang - 15

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

OPAM 741 là một công cụ có nhiều chức năng
Khuếch đại hiệu hai điện thế nhập:
Khuếch Đại Điện Âm or Dương:
So sánh hai điện thế nhập:
. Khi V+ > V- .
. Khi V+ < V- .
. Khi V+ = V- .
4.Khuếch đại thuật toán LM358.

Hình 6. sơ đồ khối LM358
- LM358 cấu tạo gồm có 2 kênh khuếch đại thuật toán :
Kênh 1: chân 2, chân 3 là chân đầu vào và chân 1 là chân đầu ra.
Kênh 2: chân 5,chân 6 là chân đầu vào và chân 7 là chân đầu ra.
Chân 4 là chân nối với nguồn âm, chân 8 là chân nối nguồn dương.
5.IC 555

Hình 7: IC 555.
IC 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo
được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản,
điều chế được độ rộng xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung
Trang - 16


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

đóng cắt hay là những mạch dao động khác. Đây là linh kiện của hãng CMOS

sản xuất.
- Các thông số cơ bản của IC 555 có trên thị trường :
+ Điện áp đầu vào: 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555,
NE7555..)
+ Dòng điện cung cấp: 6mA - 15mA
+ Điện áp logic ở mức cao: 0.5 - 15V
+ Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 - 0.06V
+ Công suất lớn nhất là : 600mW
- Các chức năng của 555:
+ Là thiết bị tạo xung chính xác
+ Máy phát xung
+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)
+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại).
- Sơ đồ chân IC555 :

Hình 8. sơ đồ chân IC 555
+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC.
+ Chân số 2(TRIGGER): Đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được
dùng như 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp.Mạch so sánh ở đây dùng các
transitor PNP với mức điện áp chuẩn là 2/3Vcc.
+ Chân số 3(OUTPUT): Chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic. Trạng
thái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1. 1 ở đây là mức cao nó tương
ứng với gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng
mà trong thực tế mức 0 này ko được 0V mà nó trong khoảng từ (0.35 => 0.75V).
+ Chân số 4(RESET): Dùng lập định mức trạng thái ra. Khi chân số 4 nối masse
thì ngõ ra ở mức thấp. Còn khi chân 4 nối vào mức áp cao thì trạng thái ngõ ra
tùy theo mức áp trên chân 2 và 6.Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động
Trang - 17

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

thường hay nối chân này lên VCC.
+ Chân số 5(CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn trong
IC 555 theo các mức biến áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài cho nối GND.
Chân này có thể không nối cũng được nhưng mà để giảm trừ nhiễu người ta
thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0,01uF đến 0,1uF các tụ
này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn được ổn định.
+ Chân số 6(THRESHOLD) : là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp
khác và cũng được dùng như 1 chân chốt.
+ Chân số 7(DISCHAGER) : Có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu
điều khiển bỡi tầng logic của chân 3 .Khi chân 3 ở mức áp thấp thì khóa này
đóng lại. Ngược lại thì nó mở ra. Chân 7 tự nạp xả điện cho 1 mạch R-C lúc IC
555 dùng như 1 tầng dao động .
+ Chân số 8 (Vcc): là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động. Nó được cấp
điện áp từ 2V -->18V (Tùy từng loại 555 thấp nhất là con NE7555).
6.IC 7483.
Là IC dùng để biến đổi số đầu vào tạo ra số đầu ra khác , với mạch mã hoá
được cấu tạo bởi các cổng logic như ở hình trên ta có nhận xét rằng trong trường
hợp nhiều phím được nhấn cùng 1 lúc thì sẽ không thể biết được mã số sẽ ra là
bao nhiêu. Do đó để đảm bảo rằng khi 2 hay nhiều phím hơn được nhấn, mã số
ra chỉ tương ứng với ngõ vào có số cao nhất được nhấn, người ta đã sử dụng
mạch mã hoá ưu tiên

Hình 9 : IC7483
7.IC 7447
IC dùng để giải mã tín hiệu rồi đưa tín hiệu đã được giải mã hiển thị qua
LED 7 thanh.
Trang - 18

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

Hình 10 : IC 7447
8.LED 7 thanh.

Hình 11: LED 7 thanh.
Tại khối hiển thị ta dùng IC giải mã 4 ngõ vào thành 7 ngõ ra để xây dựng
bộ hiển thị số BCD.
7.1 Nguyên lý hoạt động.
Mạch sẽ hiển thị giá trị của mã số BCD tương ứng với nhiệt độ đo được tại
mọi thời điểm hệ thống hoạt động, giá trị hiện thị sẽ được đưa đến ngõ vào của
IC giải mã 74LS47 qua các Input, với tính năng giải mã của vi mạch này, sẽ cho
ra dữ liệu song song trên các Bus đến các LED song song. Chương trình sẽ chọn
LED nào và hiển thị nhiệt độ lên LED.
Khi có 1 sự biến đổi điện áp từ cảm biến, tức sự thay đổi nhiệt độ môi
trường cần đo thì mã của 74LS47 cũng sẽ thay đổi phù hợp, tần số quét LED
được thiết kế hợp lý để tránh mắt thường quan sát được.
7.2 Tính toán thiết kế.
Để LED sang 1 cách bình thường thì trên mỗi đoạn của LED cần cung cấp
giá trị dòng điện khoảng 10mA. Điện áp rơi trên mỗi LED vào khoảng 2mV.
Nguồn cung cấp điện áp cho mạch Vcc= 5V.
Với IC 74LS47 ta có các thông số ngõ ra như sau:
Vo1= 0.4 V .
Io1= 40mA.
Trường hợp ta thiết kế cho LED sang với dòng điện 10mA. Như vậy:
Trang - 19


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

Rhd =(Vcc - V LED – Vo1 )/ ILED=(5V- 2V- 0.4V)/ 10mA= 260 (Ω)
Trong thực tế khi thiết kế ta chỉnh giá trị R hd sao cho LED sang rõ nhất và
lúc này ta đo được giá trị điện trở hạn dòng là Rhd =330 (Ω).
Tại ngõ ra của IC 74LS47, ta mắc thêm điện trở hạn dòng cho IC này trong
trường hợp LED sang thì điện áp trên LED khoảng 2V, V CE SAT =0.2 V, vậy nên
phải có điện trở hạn dòng cho IC này để không sảy ra cháy IC mã hóa.
9.LED báo.
Là thiết bị dùng để báo sáng nhấp nháy khi mạch đo thấy nhiệt độ trong
phạm vi cho phép.

Hình 12: LED
10.Transistor

Hình 13 : transistor
Transitor hay còn gọi là bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình
thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận,
nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược.
Nguyên lý hoạt động:
Muốn cho tranzito làm việc ta phải cung cấp cho các chân cực của nó một
điện áp một chiều thích hợp. Có ba chế độ làm việc của tranzito là: chế độ tích
cực (hay chế độ khuếch đại), chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa. Cả hai loại
tranzito P-N-P và N-P-N đều có nguyên lý làm việc giống nhau, chỉ có chiều
nguồn điện cung cấp vào các chân cực là ngược dấu nhau.
- Chế độ ngắt: Cung cấp nguồn điện sao cho hai tiếp xúc P-N đều phân cực
ngược. Tranzito có điện trở rất lớn và chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua nên
tranzito coi như không dẫn điện.
- Chế độ dẫn bão hòa: Cung cấp nguồn điện sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều phân
cực thuận. Tranzito có điện trở rất nhỏ và dòng điện qua nó là khá lớn. Ở chế độ
Trang - 20

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

ngắt và chế độ dẫn bão hòa, tranzito làm việc như một phần tử tuyến tính trong
mạch điện. Ở chế độ này tranzito như một khóa điện tử và nó được sử dụng
trong các mạch xung, các mạch số.
- Chế độ tích cực: Ta cấp nguồn điện sao cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận, và
tiếp xúc góp TC phân cực ngược. Ở chế độ tích cực, tranzito làm việc với quá
trình biến đổi tín hiệu dòng điện, điện áp, hay công suất và nó có khả năng tạo
dao động khuếch đại tín hiệu.
11.Điện trở, tụ điện.

Hình 14: Điện trở và tụ điện.
- Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ
hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được
các loại điện trở có trị số khác nhau.
- Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn
điện được ngăn cách bởi điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt,
tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.
- Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng
lượng điện trường của 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 trở
kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều.
12.Còi báo.
Còi báo làm nhiệm vụ phát tín hiệu âm thanh báo động
khi xảy ra sự cố nhiệt độ tăng quá giới hạn cho phép.

Hình 15: Còi báo động.

Chương 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH
ĐO.
Yêu cầu tính toán và thiết kế với n = 68, a = 8.
a) Dải đo: từ 00C đến tmax = (50 + n)0C = 1180C.
Trang - 21


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

b) Giới hạn nhiệt độ bình thường: từ 00C đến t = 2*tmax/3 = 790C.
c) Thời gian sáng và tắt của đèn báo khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường
là: τ = (1+0.5*a) = 5 giây.
d) Khi nhiệt độ quá 790C còi báo sẽ hoạt động.
1.Tính toán lựa chọn cảm biến.
Căn cứ vào yêu cầu của đề tài và khả năng áp dụng thực tế. Em lựa chọn
sử dụng IC cảm biến nhiệt độ LM35.
Khi nhiệt độ thay đổi 10C thì đầu ra cảm biến sẽ thay đổi 10mV.
2.Tính toán thiết kế mạch đo.
Nguyên lý cơ bản hoạt động của mạch đo: Vì điện áp đầu ra của IC cảm
biến nhiệt độ LM 35 rất nhỏ nên nó được đưa tới mạch khuếch đại và chuẩn
hóa với mức điện áp (U) là 0 ÷ 10V và dòng điện (I) là 4mA ÷ 20mA. Sau đó
được đưa tới cơ cấu chỉ thị.
2.1

Cơ cấu chỉ thị.
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 nhiệt độ tại thời
điểm xác định.
2.1.1 Cấu tạo chung.
Gồm hai phần cơ bản: phần tĩnh và phần động

- Phần tĩnh: gồm: nam châm vĩnh cửu 1; mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6
hình thành mạch từ kín. Giữa cực từ 3 và l.i sắt 6 có có khe hở không khí
đều gọi là khe hở làm việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động.
- Phần động: gồm: khung dây quay 5 được quấn bắng dây đồng. Khung
dây được gắn vào trục quay (hoặc dây căng, dây treo). Trên trục quay có
hai lò xo cản 7 mắc ngược nhau, kim chỉ thị 2 và thang đo 8.

Hình 16: Cơ cấu chỉ thị từ điện.
2.1.2 Nguyên lý làm việc chung
Khi có dòng điện chạy qua khung dây 5 (phần động), dưới tác động
của từ trường nam châm vĩnh cửu 1 (phần tĩnh) sinh ra mômen quay Mq làm
Trang - 22


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α. Mômen quay được tính theo
biểu thức:
Mq ==B.S.I.W
với
B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu
S: tiết diện khung dây
W: số v.ng dây của khung dây
Với một cơ cấu chỉ thị cụ thể do B, S, W, D là hằng số nên góc lệch α
tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I chạy qua khung dây.

2.2
-

2.1.3 Các đặc tính chung:

Từ biểu thức suy ra cơ cấu chỉ thị từ điện có các đặc tính cơ bản sau:
- Chỉ đo được dòng điện 1 chiều.
- Đặc tính thang đo đều độ nhạy là 1 hằng số.
Tính toán thiết kế cơ cấu chỉ thị nhiệt độ.
Giới hạn đo: 00C đến 1500C.
Độ chia nhỏ nhất: 0.10C
Sai số: ± 0.10C.
Hình 17: Cơ cấu chỉ thị nhiệt độ (ví dụ).

3.Tính toán thiết kế mạch nguồn cung cấp.
Vì hầu hết các nguồn sử dụng trong mạch đều là nguồn một chiều mà trên
thực tế thì nguồn lại là các nguồn xoay chiều với điện áp là 220V.
=> Biến đổi dòng xoay chiều sang 1 chiều .
Tính chọn máy biến áp: Ở đây chúng ta có hai nguồn đó: +5V, +12V/-12V,
như vậy cần sử dụng máy biến áp có nhiều cấp điện áp để lấy ra hai cấp điện áp
mình dùng. Hoặc ta có thể hạ xuống 12V rồi dùng con biến trở để chỉnh xuống
5V nhưng sẽ tiêu tốn 1 lượng năng lượng vì vậy nên dùng 2 bộ chỉnh lưu điện
áp. Một phương pháp khác là ta có thể dùng khối ổn áp 1 chiều để có đầu ra
thay đổi.
Phương án thiết kế : Dùng IC ổn áp 1 chiều.
+ Biến áp : Do yêu cầu đặt ra nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào 220V và
điện áp ra là 12V.
+ Mạch chỉnh lưu : do những ưu điểm của mạch chỉnh lưu cầu như điện áp ra
ít nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ hơn so với phương pháp
cân bằng nên ta sẽ chọn bộ chỉnh lưu cầu 1 pha 2 nửa chu kỳ.
Trang - 23


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

+ Bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san bằng điện áp để dòng điện phẳng hơn, lọc
bằng tụ điện khá đơn giản và chất lượng học khá cao. Nên ta dùng tụ điện.
+ Khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp ra +5V, +12V/-12V. Ta sẽ
dùng IC7812/IC7912 và 7805.
+ Sơ đồ khối của mạch nguồn:

Hình 18: Sơ đồ khối mạch nguồn.
Nguồn cấp được mô phỏng như hình vẽ:

Hình 19: Sơ đồ mạch tạo nguồn cấp.
4.Tính toán thiết kế mạch khuếch đại chuẩn hóa.
Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp.
1. U = 0 ÷ 10 V.
2. I = 4 ÷ 20 mA.
4.1. Thiết kế tính toán mạch khuếch đại chuẩn hóa điện áp.
Mạch chuẩn hóa đầu ra của cảm biến LM35 thay đổi từ 0 0C (0 V) đến
1180C (1.18 V).
Sử dụng IC khuếch đại thuật toán opam uA741 và mạch khuếch đại
không đảo để chuẩn hóa tín hiệu điện áp.

Trang - 24


xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

Hình 20: Mô phỏng mạch khuếch đại chuẩn hóa đầu ra 10 V – 1180C.
Tính toán:
UI = 1.18 (Vol)
U0 = 10 (Vol)
Hệ số khuếch đại của mạch: Ku = 1 + = = 8.46

 = 7.46
 Chọn R2 = 1 K => RF = 7.46 K.
4.2. Thiết kế tính toán mạch chuẩn hóa dòng điện.
- Để chuẩn hóa đầu ra ở dạng dòng điện từ mạch đo. Có rất nhiều mạch
biến đổi từ điện áp – dòng điện với khuếch đại thuật toán.
- Đối với yêu cầu của bài này (đầu ra I=4÷20mA) thì ta sử dụng sơ đồ
mạch biến đổi U - I với 2 KĐTT.
- Sơ đồ mô phỏng trên Proteus.

Hình 21: .Mạch đo và mạch biến đổi U-I
- Tính toán các giá trị linh kiện trong mạch:
• Điều kiện của mạch:
Trang - 25