BÀI TẬP LỚN vi mạch tương tự: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu.

BỘ CÔNG THƯƠNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BÀI TẬP LỚN: vi

mạch tương tự

Số : 1
Họ và tên HS-SV : Mầu Tiến Hưng
Khoá : 8

Nhóm : 2 . Lớp : TĐH1 MSV :0841240084

Khoa : Điện.
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: t0C =tmin – tmax = 0-(100+10*n)0C.
-

Đầu ra: + Chuẩn hóa đầu ra: U=0 : -5V và I=4-20mA.
+ Dùng cơ cấu đo để chỉ thị.
Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường t0C= 0-200. Thiết kế mạch nhấp nháy cho led với
thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng 1(s).

-

Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng đèn, còi khi nhiệt độ vượt giá trị cảnh báo: U d=(tmax-tmin)/2

-

Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân . Xây dựng bộ hiển thị số BCD.

-

Với n=30

PHẦN THUYẾT MINH
Yêu cầu 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

1


-

Tính toán mạch nhấp nháy cho LED

Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo
Dùng phần mềm mô phỏng mạch
Kết luận và hướng phát triển.

Chương 1 : Tổng quan về mạch đo
1.1 Khái niệm về nhiệt độ
1.1.1 Khái niệm:
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 khác nhau.Ở 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 phần 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 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. 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. 1. 2 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:
1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).
2- Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15.

3- Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67.

2


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.

1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc
Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếpxúc. Có hai
loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu.Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt
điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất
trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo. Đốivới môi trường khí hoặc
nước,chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắn khi đặt
nhiệt kế sát vào vật,nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn hao
nhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém.Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt
kế càng lớn càng tốt.Khi đo nhiệtđộ của các chất hạt (cát, đất…),cần phải cắm sâu
nhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối
ra ngoài.
1.4, Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc:
Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối,tức là
vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất.Bức xạ nhiệt của
mọi vật thể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với
một đơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng.
1.5 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ
1.5.1: Sơ đồ khối
Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì phụ thuộc vào đặc tính
của đại lượng cần đo ,điều kiện đo, cũng như độ chính xác yêu cầu của một phép
đo mà ta có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của hệ thống đo

lường khác nhau trên cơ sở của các hệ thống đo lường khác nhau
Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo :

3


TEMP

Khối cảm
biến

Bộ
ADC

Khối hiển
thị BCD

Mạch KĐ
điện áp

Mạch
chuyển U-I

Cơ cấu
chỉ thị

1.5.2:Vai trò tác dụng của các khối

•
•

•
•
•
•

•

Cảm biến : đo nhiệtMạch
độ, đưa
ra cho
so điện áp đầu
Mạch
cảnhcác mạch so sánh,
khuếch đại.
sánh
báo
Mạch khuếch đại : khuếch đại và chuẩn hóa các điện áp, dòng điện
theo yêu cầu bài toán.
Chỉ thị : là các ammeter hoặc vonmeter hiển thị dòng hoặc áp sau
chuẩn hóa.
Mạch so sánh : so sánh điện áp đầu ra của cảm biến với điện áp đặt,
để đưa ra cảnh báo hoặc để LED nhấp nháy bình thường.
Còi báo : báo động khi nhiệt độ vượt quá giá trị cho phép.
Mạch nhấp nháy : đèn LED nhấp nháy trong chố độ nhiệt độ bình
thường theo yêu cầu bài toán.
Bộ ADC: Có chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu

số.Sau đó đưa lên các bộ phận giải mã để hiển thị.
• Khối hiển thị BCD: Có chức năng chuyển đổi đầu vào 4bit hoặc 8bit
sang bảng mã BCD để hiển thị nhiệt độ tương ứng.

Đó là các khối cơ bản dùng trong mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng cặp
nhiệt ngẫu

Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính
2.1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt ngẫu
*Nguyên lý hoạt động : Hiệu ứng nhiệt điện

Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt
điện. Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá
học khác nhau được nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt độ hai
mối hàn là t và t0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Sức điện động
xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện động nhiệt điện. Nếu một đầu của
4


cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hở thì giữa hai cực xuất hiện
một hiệu điện thế. Hiện tượng trên có thể giải thích như sau:
Trong kim loại luôn luôn tồn tại một nồng độ điện tử tự do nhất định phụ thuộc bản
chất kim loại và nhiệt độ. Thông thường khi nhiệt độ tăng, nồng độ điện tử tăng.
Giả sử ở nhiệt độ t0 nồng độ điện tử trong A là NA(t0), trong B là NB(t0) và ở nhiệt
độ t nồng độ điện tử trong A là NA(t), trong B là NB(t), nếu NA(t0) > NB(t0) thì nói
chung NA(t) > NB(t).
Xét đầu làm việc (nhiệt độ t), do NA(t) > NB(t) nên có sự khuếch tán điện tử từ A ->
B và ở chổ tiếp xúc xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t) có tác dụng cản trở sự
khuếch tán. Khi đạt cân bằng eAB(t) sẽ không đổi.

Vật liệu chế tạo
Để chế tạo cực nhiệt điện có thể dùng nhiều kim loại và hợp kim khác nhau. Tuy
nhiên chúng phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Sức điện động đủ lớn (để dể dàng chế tạo dụng cụ đo thứ cấp).

- Có đủ độ bền cơ học và hoá học ở nhiệt độ làm việc.
- Dễ kéo sợi.
- Có khả năng thay lẫn
- Giá thành rẽ.
Cấu tạo
Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp cơ bản trình bày trên hình 5.4.

Hình 5.4: Cấu tạo cặp nhiệt
1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây điện cực 4) Sứ cách điện
5) Bộ phận lắp đặt 6) Vít nối dây 7) Dây nối 8) Đầu nối dây

5


Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khí
hoặc hàn bằng tia điện tử. Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ các vít
nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8). Để cách ly các điện cực người 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 cặp nhiệt 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 liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá
nhỏ nhưng cũng không được quá lớn. Trường hợp vỏ bằng thép mối hàn ở đầu làm
việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp.
2.2Giới thiệu về cảm biến nhiệt độ TCK (thermocouple)
+Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau là Cromel và Alumel, hàn dính một
đầu.
- Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV).
- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
- Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

- Tầm đo: -270 độ đến 1330 độ C

- Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay
6


đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi có sự chênh
lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V
tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu
lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng
loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S,
T. Cần lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp.
- Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn
đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ
cho nó ( offset trên bộ điều khiển ).

2.Bộ khuếch đại thuật toán uA741
Chân 1- Chỉnh Không
Chân 2- Nhập Trừ
Chân 3- Nhập Cộng
Chân 4- Điện Nguồn -V
Chân 5- Không Dùng
Chân 6- Chân Xuất
Chân 7- Điện Nguồn +V
Chân 8- Không Dùng

Hình 2.6.Sơ đồ chân OPAMP uA741

7

Kí hiệu:

Điện áp làm việc của OPAMP uA741 từ -5V/+5V ÷ -15V/+15V.
OpAmp là một linh kiện có nhiều chức năng:
-

Khuếch đại hiệu hai điện thế nhập

Vo = A(V+ - V-)

-

Khuếch đại điện âm hoặc dương

Vo = AV+(V- = 0)
Vo = -AV- (V+ = 0)
-

So sánh hai điện thế nhập

Vo = Vs s Khi V+ > VVo = -Vs s Khi V+ < VVo = 0

Khi V+ = V-

Ngoài ra, mạch tích phân ,vi phân ,mạch cộng ,mạch trừ...
3. IC555
Chân 1- Nối đất
Chân 2- Ngõ vào xung
Chân 3- Ngõ ra

Chân 4- Hồi phục
Chân 5- Điện áp điều khiển
Chân 6- Điện áp ngưỡng
Chân 7- Xả điện
Chân 8- Nguồn cấp dương

Hình 2.7.Sơ đồ và chức năng các chân IC555

Mạch tích hợp IC555 là mạch tích hợp tương tự - số được ứng dụng rộng rãi. Khi
kết hợp với các phần tử R,C bên ngoài cho phép có được mạch tạo xung đơn (mạch

8


định thì) có độ rộng xung mong muốn, hoặc mạch dao động tạo dãy xung vuông có tần
số xác định.
Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động tốt. Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối

tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần. Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3
VCC nối vào chân dương của OA 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2.
Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích. Khi điện áp ở
chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset .
Hinh 2.9.Nguyên lý hoạt động IC555

Hình 2.8.Sơ đồ nguyên lý IC555
Chu kỳ xung phụ thuộc rất nhiều vào các phần tử R,C bên ngoài.
• Thời gian nạp (có xung ra): tn = 0.69(RA+RB)C
• Thời gian xả điện (không có xung ra): tn = 0.69RBC
• Chu kì: T=0.69(RA+2RB)C
4.ADC0804

Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi
tương tự số thuộc họ ADC080X.
Chip có điện áp nuôi +5V và độ
phân giải 8 bit. Ngoài độ phân
giải thì thời gian chuyển đổi cũng

9
Hình 2.10. Sơ đồ chân ADC0804


là một tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC. Thời gian chuyển đổi được định nghĩa
là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân.
Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới

chân CLK và CLK IN và không bé hơn 110µs. 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 thấp được sử
dụng để kích hoạt Chip ADC0804. Để truy cập tới ADC0804 thì chân 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 một xung cao xuống thấp áp
đến chân RD thì dữ liệu ra dạng số 8 bit được đưa tới các chân dữ liệu (DB0 –
DB7).
+ WR (Write): Chân số 3, đây là chân vào tích cực mức thấp được dùng báo cho ADC
biết để bắt đầu quá trình chuyển đổi.Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao xuống
thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin
thành số nhị phân 8 bit. Khi việc chuyển đổi hoàn tất thì chân INTR được ADC hạ
xuống thấp.

+ CLK IN và CLK R: CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tới đồng hồ ngoài được sử
dụng để tạo thời gian. Tuy nhiên ADC0804 cũng có một bộ tạo xung 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=1,1/RC.
VD: Với R = 10 kΩ, C = 150 pF và tần số f = 606 kHz và thời gian chuyển đổi là
110 µs.
 Ngắt INTR (Interupt): Chân số 5, là chân ra tích cực mức thấp. Bình thường chân
này ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi tương tự số hoàn tất thì nó chuyển
xuống mức thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi. Sau
khi INTR xuống thấp, cần đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống thấp tới chân RD
để đưa dữ liệu ra.

10


 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 và Vin(+) được dùng
làm đầu vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số.
 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:
Vout = Vin / Kích thước bước.
5.Điện trở, transistor.
a.Điện trở
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.
Kí hiệu:

11


Cách đọc điện trở : Vì điện trở rất đa dạng nên để đọc chính xác điện trở ta cần
xác định đúng trị số các vòng màu .

Hình 2.11.Xác định giá trị điện trở bằng vòng màu.
-

Vòng số 4 là vòng ở cuối luôn luôn có mầu nhũ vàng hay nhũ bạc, đây là

-

vòng chỉ sai số của điện trở, khi đọc trị số ta bỏ qua vòng này.
Đối diện với vòng cuối là vòng số 1, tiếp theo đến vòng số 2, số 3.
Vòng số 1 và vòng số 2 là hàng chục và hàng đơn vị.
Vòng số 3 là bội số của cơ số 10.

Sau khi thiết kế mạch chúng ta sẽ phải lựa chọn loại điện trở phù hợp mạch đo, để
hiển thì đầu ra có thể chính xác.
e.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.
Kí hiệu:

Nguyên lý hoạt động:

12


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 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...
6.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...
Cụ thể trong bài ta sẽ sử dụng cơ cấu chỉ thị từ điện.Vì dòng điện ra là dòng 1 chiều
và điện áp ra cũng là 1 chiều với giá trị bé.
Cấu tạo chung: phần tĩnh và phần động
• Phần tĩnh: gồm nam châm vĩnh cửu, mạch từ và cực từ 3 và lõi sắt 6 hình
thành mạch từ kín. Giữa cực từ 3 và lõi sắt 6 có có khe hở không khí đều gọi là
khe hở làm việc, ở giữa đặt khung quay chuyển động.

13


• 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.

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 khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc α. Mômen quay được tính theo biểu
thức:
M q ==B.S.I.W
B: độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu
S: tiết diện khung dây
W: số vòng 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.
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.

7.Thiết bị cảnh báo
Để cảnh báo quá nhiệt ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc coài cảnh báo, hoặc
ta có thể sử dụng đồng thời cả hai để cảnh báo quá nhiệt. Những thiết bị này thường

14


hoạt động đơn giản dễ dàng lắp đặt và sử dụng được cả nguồn một chiều hay xoay
chiều.
8.Nguồn cấp cho mạch.
Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V, -12V/+12V tùy theo yêu
cầu của mạch trên thực tế thì nguồn điện 1 chiều thường được chỉnh lưu từ nguồn
xoay chiều. nguồn cấp của chúng ta gồm có :
Máy biến áp có chức năng hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sử dụng đó
là 5V, -12V+.
Bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot, tụ điện, và điện và cuộn cảm có tác dụng chỉnh
lưu từ dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều. sơ đồ nguyên lý của khối chỉnh lưu:

Hình 2.12. Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 1 pha với các tải khác nhau

Chương 3 : Tính toán, thiết kế mạch đo
3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến
Dải đo từ: toC = tmin÷ tmax = 0÷(100+10.n)
Với n=30 → toC = 0 ÷400oC.

cho nên ta sẽ chọn cặp nhiệt ngẫu làm từ chromel/coben để sử dụng trong đề tài.
• Cực dương là chromel, cực âm là coben là hợp kim gồm 56%Cu + 44% Ni.

• Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 800oC, Eđ = 66 mV.
• Nhiệt độ làm việc dài hạn < 600oC.

3.2 Tính toán, thiết kế mạch đo

15


3.3 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.

16


+ 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:

3.4 Tính toán thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa
3.4.1: Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp U= 0

-5V

Sơ đồ mạch khuếch đại đo lường :

Vậy điện áp ra được xác định bởi biểu thức với điều kiện bình thường là R4R7=R5R6

Uo= Ung.

.(

+ 1)

Với U0= -5V và Ung=Ura= -0,0164 V ta có :

17


.(

+ 1) =

=

= 304,9

Chọn R4= R5 = R6 = R7 = 1k

Vậy ta có :

+ 1 = 304,9

= 303,9

R2 + R3 = 303,9 R1

Chọn R2=R3=1520 Ω vậy R1=10 Ω

3.4.2 Chuẩn hóa đầu ra có dòng 4

mA

Dùng mạch biến đổi U-I với phụ tải nối đất chung

18


Thường chọn điều kiện mạch : R8(R11+R12) = R9R10(*)
Ta có IL= (U12-U11)

Ta có : 16,4 . 10-3.

=20.10

-3

19

Nên : R9=
Thay vào (*) ta có
16,4(R4+R5)=20R4R3
Chọn R3=16,4Ω
Ta có : R4+R5=20R4
Chọn R4=10 Ω
Suy ra R5=190 Ω
3.5 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED

20


Theo yêu cầu bài toán thời gian sáng và thời gian tối của LED bằng nhau và bằng
=(1+0,5*0)=1 (s )
Nguyên lý hoạt động chung của mạch: Khi nhiệt độ nằm trong giới hạn 0 oC ÷ 200oC thì
U- > U+ điện áp ra của mạch so sánh ở mức L, qua cổng logic NOT điện áp ra U o ở mức
H . Khi đó chân 4 (RST) được đưa lên mức cao, IC555 hoạt động và chân 3 có xung ra
làm cho LED nhấp nháy. Tương tự U- < U+ điện áp ra của mạch so sánh ở mức H, qua
cổng logic NOT điện áp ra Uo ở mức L . Khi đó chân 4 (RST) được kéo xuống mức thấp
(0V), IC555 ngừng làm việc => LED không nhấp nháy
Do mạch tạo xung vuông đối xứng nên:
Ta có R13=R14=10kΩ
Từ công thức R14.C1.0,69= suy ra C1=145uF
3.6 Tính toán , thiết kế mạch cảnh báo

- Khi nhiệt độ vượt quá t max/2 =200oC thì đưa ra tín hiệu cảnh báo tới loa. Với yêu cầu
như vậy thì ta sử dụng luôn mạch so sánh, + một van bán dẫn đơn giản sử dụng
transistor.
- Nguyên lý hoạt động chung của mạch: Khi nhiệt độ vướt quá t max/2 = 200oC thì U- <

U+ điện áp ra của mạch so sánh ở mức H. Chân B của transistor được nâng lên mức
1, đồng thời transistor sẽ được phân cực thuận, xuất hiện một dòng điện I EC đi qua

21


loa và làm loa kêu. Ngược lại thì transistor bị phân cực ngược và không có dòng đi
qua loa.
3.7 Sử dụng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân. Xây dựng bộ hiển thị
số BCD.
1. Sử dụng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân.
- ADC0804 là một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Chip có điện áp
nuôi +5V và độ phân giải 8 bit.
- Nguyên lý hoạt động chung của mạch: Để ADC0804 làm việc thì chân CS phải
được đặt ở mức thấp. Chân RD nhận tín hiệu vào tích cực mức thấp, đồng thời
thì chân RW phải có một xung cao xuống thấp để IC bắt đầu quá trình chuyển
đổi . Cụ thể trong mạch sử dụng IC555 để tạo xung vuông. LED D 1 tắt báo cho
người dùng biết quá trình chuyển đổi hoàn tất. RD đang ở mức thấp,
tín hiệu số được đưa ra PORT D (DB0-BD7). Quá trình cứ lặp đi lặp lại và điện áp
chân V IN được chuyển đổi sang mã nhị phân.
- Sơ đồ mô phỏng trên Proteus.

Hình 3.9.Bộ chuyển đổi điện áp sang mã nhị phân 8 bit
- Tính toán giá trị linh kiện trong mạch:
 Mạch chuyển điện áp sang mã nhị phân.

22


+ Thời gian chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số được quyết định bởi bộ

dao động nối với chân CLK IN và CLK R. Chọn R23 = 10 kΩ, C5 = 150 pF => tần số
f = 606 kHz (f=1,1/RC) và thời gian chuyển đổi là 110 µs.
+ Chân INTR là chân ngắt được nối với LED D 1 thông qua R24 = 220 Ω .
 Mạch tạo xung vuông dùng IC555.
+ Ở đây ta chọn thời gian lấy mẫu là 1s:
• T=0.69

• Chọn
+ Cứ sau 1s IC lại chuyển đổi 1 lần và khi đó điện áp được chuyển đổi sang mã
nhị phân liên tục.
2. Xây dựng bộ hiển thị số BCD.
- Số nhị phân 8 bit có giá trị lớn nhất là 255. Vì vậy ta sẽ sử dụng 3 LED 7 đoạn để
hiển thị kết quả tương ứng với các số hàng đơn vị, hàng chục và hàng trăm.
- Từ nhận xét này chúng em chia thành các khối mạch như sau: khối hiển thị bằng
LED 7 đoạn hàng đơn vị, khối mạch hiển thị hàng chục và khối hiển thị hàng
trăm.
- Cách chuyển đổi số nhị phân tự nhiên 8 bit thành số BCD:
+ Đầu tiên ta chuyển số 4 bit thành số BCD: hai số BCD có giá trị từ 0 10 đến 910
khi cộng lại cho kết quả từ 010 đến 1810 , để đọc được kết quả dạng BCD ta
phải hiệu chỉnh kết quả có được từ mạch cộng nhị phân.
+ Dưới đây là kết quả tương đương giữa 3 loại mã: thập phân, nhị phân và
BCD.

23


- Nhận thấy:
+ Khi kết quả <10 mã nhị phân và BCD hoàn toàn giống nhau
+ Khi kết quả >= 10 để có mã BCD ta phải cộng thêm 6 cho mã nhị phân.
- Để giải quyết vấn đề hiệu chỉnh này trước tiên ta sẽ thực hiện một mạch phát hiện

kết quả trung gian của mạch cộng 2 số nhị phân 4 bit. Mạch này nhận kết quả trung
gian của phép cộng 2 số nhị phân 4 bit và cho ở ngõ ra Y=1 khi kết qủa này >= 10,
ngược lại, Y=0.

- Bảng sự thật:

- Mạch cộng 2 số BCD được thực hiện theo sơ đồ:

24


Hình 3.10. Mạch cộng 2 số nhị phân 4 bit
- Vận hành:
+ IC thứ nhất cho kết quả trung gian của phép cộng hai số nhị phân.
+ IC thứ hai dùng hiệu chỉnh để có kết quả là số BCD.
• Khi kết quả <10,IC2 nhận ở ngõ vào A số 0000 (do Y=0) nên kết quả không
thay đổi.
• Khi kết quả trung gian >=10,IC 2 nhận ỡ ngõ vào A số 0110 (do Y=1) và kết
quả được hiệu chỉnh như đã nói trên.
- Như vậy, ta đã chuyển đổi được số nhị phân 4 bit thành số BCD.
- Tiếp theo ta sẽ đổi số 5 bit, 6 bit, 7 bit và 8 bit thành số BCD.
• Ở bít thứ 5 ( giá trị thập phân tương ứng là 16 ). Vì vậy, ta sẽ cộng 6 vào khối
mạch hiển thị đơn vị, và cộng 1 vào khối hiển thị hàng chục.
• Ở bít thứ 6 ( giá trị thập phân tương ứng là 32 ). Vì vậy, ta sẽ cộng 2 vào khối
mạch hiển thị đơn vị, và cộng 3 vào khối hiển thị hàng chục.
• Ở bít thứ 7 ( giá trị thập phân tương ứng là 64 ). Vì vậy, ta sẽ cộng 4 vào khối
mạch hiển thị đơn vị, và cộng 6 vào khối hiển thị hàng chục. Lúc này có thể
xuất hiện bit tràn ở hàng chục nên ta sẽ đưa vào khối hiển thị hàng trăm.

25