Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại.

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN
MÔN
: VI MẠCH TƯƠNG TỰ, VI MẠCH SỐ
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : BÙI THỊ KHÁNH HÒA
LỚP
: TỰ ĐỘNG HÓA 1 – K8
SINH VIÊN THỰC HIỆN : LÊ ẤT HỢI
MÃ SV
: 0841240047

Hà Nội: 2015


Đề Tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ
sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại.
Yêu cầu:
- Dải đo từ: t°C = 0°C ÷ tmax = 0-(100+ 50×n)°C
- Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp
1. U=0 ÷ -5V
2. I=0 ÷ 20mA
- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị.
- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t°C=0÷t max/2. Thiết kế mạch
nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng:
0,5+1) = ‫×ﺡ‬a) giây.
- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị: t°C=t max/2
- 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 = 2→a=2; STT=16 →a=6
n: Số thứ tự sinh viên trong danh sách.

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
- 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
I.Tổng quan.
Trong đo lường thì các tín hiệu thường rất nhỏ và tồn tại ở dạng vật lý. Do đó muốn
xử lí chúng, ta phải có những mạch khuếch đại, mạch biến đổi để xử lý những tín hiệu
đó.
Đo nhiệt độ cũng như vậy, có nhiều phương pháp đo 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 trưc tiếp là phương pháp đo trong đó các chuyển đổi nhiệt điện đươc 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 hơp đo ở nhiệt độ cao ).
Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với 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.
Trong kỹ thuật đo lường nhiệt độ ta có nhiều phương pháp để đo nhiệt độ như dùng
cảm biến nhiệt điện trở kim loại , dùng cặp nhiệt ngẫu hay dùng IC cảm biến nhiệt độ.
Sau đây ta sẽ đi tìm hiểu phương pháp thường dùng nhất đó là dùng cặp nhiệt ngẫu.
Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD).

- Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn
tùy theo hình dáng của đầu đo.
- Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ
thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất
định.
- Ưu điểm: độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài
dây không hạn chế.
- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn Cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn Cặp nhiệt điện
- Dải đo: -200~700 độ C
- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, lò sấy, công nghiệp môi trường
hay gia công vật liệu, hóa chất…
II.Hình thành sơ đồ khối
1. Sơ đồ khối.
Mạch đo gồm có 8 khối cơ bản :
1. Khối cảm biến
2. Mạch khuếch đại (Mạch KĐ vi sai)
3. Mạch chuyển đổi U-I

4. Mạch so sánh
5. Mạch cảnh báo
6. Bộ ADC
7. Cơ cấu chỉ thị
8. Khối hiển thị BCD
Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo :

TEMP

Bộ
ADC

Khối hiển
thị BCD

2. Chức năng của các khối trong mạch đo
• Khối cảm
biến có
chức năng biếnMạch
đổi các tín hiệuCơ
không
Khốibiến
cảm: Khối cảm Mạch
KĐ
cấu điện
thành tín hiệu
biến điện thành tín hiệu
điện điện
áp tương ứng.
chuyển

ở đâyU-I
ta dùng cảm
chỉbiến
thị nhiệt
điện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp.
• Khối khuếch đại : Có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, vì
Mạch
so
cảnh
tín hiệu điện do cảm biến đưa
ra thường
là rất béMạch
nên ta
phải khuếch đại lên để
sánh
báo
đưa vào các mạch điện khác.Để hạn chế nhiễu thì người ta thường sử dụng
mạch khuếch đại vi sai.
• Mạch chuyển đổi U sang I: có tác dụng chuyển đổi tín hiệu từ dạng điện áp
sang dòng điện đưa lên các cơ cấu chỉ thị (Cơ cấu điện từ).
• Mạch so sánh : Có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa ra
khối sau. Việc so sánh tín hiệu sẽ được ứng dụng cho mạch cảnh báo khi có sự
quá nhiệt độ.
• Khối cánh báo : Cảnh báo cho người biết rằng nhiệt độ đã tăng quá cao so với
nhiệt độ cho phép.
• 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 nhiệt điện trở

kim loại.
III.Tổng quan mạch đo
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 thông số cần đo thành đại
lượng điện hay điện áp .Sau đó tín hiệu được chuyển qua bộ lọc và khuếch đại lên.


Tín hiệu sau khi được hiệu chỉnh sẽ chuyển qua bộ chuyển đổi U-I để đưa vào cơ cấu
chỉ thị.
Tín hiệu cũng có thể được chuyển thành tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi ADC.
Sau đó tín hiệu số từ ADC được chuyển sang bộ mã hóa BCD và qua bộ giải mã hiển
thị lên màn hình hoặc cơ cấu hiển thị tương ứng
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.
+ Nhiệt điện trở kim loại.
+ Nhiệt điện trở bán dẫn.
+ Cảm biến thạch anh.

Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính
1. Cảm biến PT100
Chọn cảm biến nhiệt điện trở (hay còn gọi là can nhiệt) Pt100 . Cụ thể là cảm biến

nhiệt E52MY
Hãng sản xuất : Omron (Nhật bản)
-Dải đo: 0 - 400 độ C.
- Chiều dài can: 10 cm. D=6.3 mm
- Cách điện cho dây dẫn bên trong: ceramic.
- Vật liệu đầu bao dây: Khuôn nhôm đúc màu xanh.
- Vật liệu ống bảo vệ: SUS 316 ống đúc.
- Nhiệt độ môi trường cho đầu đấu dây: 0 - 80 độ C.
- Loại dây dẫn: 3 dây .


Hình dạng Pt100 (E52MY)

Cấu tạo Pt-100
1.1.Cấu tạo
Pt100 làm từ dây kim loại platinum như tên gọi của nó Pt-100 tức là khi nó đặt
trong môi trường có nhiệt độ là 00C (nước đá) thì điện trở của nó là 100 ôm. Cứ tăng
khoảng 10C thì điện trở tăng lên khoảng 0.39 ôm.
- Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT100:
Cảm biến Pt100 cấu tạo bằng dây kim loại plantium dựa trên nguyên tắc thay đổi điện
trở kim loại theo nhiệt độ(Theo phương trình Callendar-vab dusen).
+ Trong khoảng nhiệt độ từ 0-1000 C ta tính như sau:
R t = R 0 (1+0,391%T)
Với:
Rt : Điện trở ở nhiệt độ T
R0 =100Ω điện trở ở 00 C
Tức là cứ tăng 10 C thì điện trở Pt100 tăng 0,391Ω . Với sai số nhiệt độ là ±0,50C .


Ta đo Pt100 như sau:

Ở 00C thì điện trở của Pt100 là 100 Ω nên để cầu wheatstone cân bằng thì các điện
trở R1 , R2, R3 ta chọn là 100 Ω . L là điện trở dây nối , Eo là điện áp cung cấp , Es là
điện áp ngõ ra.

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
Hình 2.6.Sơ đồ chân OPAMP uA741


Chân 8- Không Dùng
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+ = VNgoài 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
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 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.
Hình 2.10. Sơ đồ chân ADC0804
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.
 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:

Hình 2.11.Xác định giá trị điện trở bằng vòng màu
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 .
- 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:
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.
• 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
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
I.Tính toán, lựa chọn cảm biến.
Ở đề tài này yêu cầu dải nhiệt độ từ t°C = 0°C ÷ t max = 0÷ (100+ 15×n)°C (với n=24)
tức là khoảng 0oC÷460oC cho nên ta sẽ chọn ta sẽ chọn nhiệt điện trở pt100 cụ thể là
E52MY để sử dụng trong đề tài.

- Dải đo: 0 - 400 độ C
- Cấu tạo bằng dây kim loại plantium dựa trên nguyên tắc thay đổi điện trở
kim loại theo nhiệt độ
II.Tính toán, thiết kế mạch đo.


- Mô hình mạch đo trên proteus.

Hình 3.1: mạch cầu hoàn chỉnh với khuếch đại điện áp ra.
-Tính toán các giá trị linh kiện trong mạch.
Ta có

Điều kiện. R4 R7=R5 R6

Với ta có

Chọn:
Tại T = 0
Tại T = 340

= 10k ,
U21=0 V
=>
U21=1.38V =>

= 50k ,
RA = 896 Ω.
Uo=10V

k.


=>
Vậy ta có :
50k ,

= 10k ,

=

k, RA = 896 Ω.

III.Tính toán, thiết kế mạch nguồn.
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.
+ 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:

IV.Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa.
Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:
1. U=0÷ -10V
2. I=0÷20mA
a. Chuẩn hóa đầu ra U=0÷ -5V


- Để chuẩn hóa U=0÷ -10V ta sẽ sử dụng mạch khuếch đại đảo với hệ số khuếch đại
bằng 1(do ở trên tín hiệu điện áp đã được khuếch đại 0÷5V tương ứng với
0oC÷250oC bằng mạch khuếch đại vi sai).
- Sơ đồ mô phỏng trên Proteus.

Hình 3.2.Mạch đo và mạch chuẩn hóa điện áp đầu ra
- Tính toán giá trị linh kiện trong mạch.
• Từ sơ đồ mạch chuẩn hóa ta có hệ số khuếch đại của mạch:
•
+ Chọn
+ Chọn

- Kết luận: Điện áp được chuẩn hóa từ mạch đo qua mạch đảo.
b. Chuẩn hóa đầu ra I=4÷20mA
- 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 0÷20mA) thì ta sử dụng sơ đồ mạch biến đổi
U-I với 2 KĐTT.
- Sơ đồ mô phỏng trên Proteus.


Hình 3.3.Mạch đo và mạch biến đổi U-I
- Tính toán các giá trị linh kiện trong mạch:
• Điều kiện của mạch:
• Biểu thức dòng điện ra:
+ Với

+ Với
• Lấy

,

: =>
,

suy ra:

: =>
.

• Chọn
• Từ

suy ra:

- Kết luận: Mạch cho phép thay đổi được hệ số biến đổi bằng cách thay đổi

.

V.Tính toán mạch nhấp nháy cho LED.
- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t°C=0÷t max/2 (từ 0oC ÷ 170oC). Thiết kế
mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng:
)=‫ﺡ‬
0,5+1×a) giây.
(với STT=24 => a=4 => 3 = ‫ ﺡ‬giây ).
- Với yêu cầu đặt ra như vậy thì giải pháp là dùng một mạch so sánh + mạch tạo xung
vuông đối xứng với T=8s. Cụ thể ta sẽ dùng mạch tạo xung vuông đối xứng sử dụng
IC555.


- Nguyên lý hoạt động chung của mạch: Khi nhiệt độ nằm trong giới hạn 0 oC ÷ 125oC
thì U- < U+ điện áp ra của mạch so sánh ở mức H, qua cổng logic AND điện áp ra
Uo ở mức 1 (dựa vào bảng chân lý). 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 L, qua cổng logic AND điện áp ra U o ở mức 0

(dựa vào bảng chân lý). Khi đó chân 4 (RST) được kéo xuống mức thấp (0V),
IC555 ngừng làm việc => LED không nhấp nháy.
-

Sơ đồ mô phỏng trên Proteus.
Hình 3.4.Mạch nhấp nháy cho LED
- Tính toán các giá trị linh kiện trong mạch:
 Mạch so sánh: Khi U-mạch chuyển từ trạng thái H sang L.
+ Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t°C=0÷t max/2 (từ 0oC ÷ 170oC). Điện
áp ra trên mạch đo là 5V , và điện áp nào được tao ra bằng một mạch phân áp
đơn giản.
+ Ta có U+=5V, chọn R17=1.4kΩ =>

+ Vậy

= 5mA

=1kΩ

 Mạch logic (Cổng logic): Mạch sử dụng một con AND, đầu ra chỉ là 0 hoặc 1.


+ Bảng chân lý của phép nhân logic

A
0
0
1
1

B
0
1
0
1

Z=A.B
0
0
0
1

Hình 3.5. Ký hiệu và bảng chân lý của phép nhân logic
 Mạch tạo xung vuông đối xứng sử dụng IC555( nhấp nháy LED)
+ Với chu kỳ T=8s, ta có T=0.69

và R19=R20 (do thời gian nạp

bằng thời gian xả)
+ Chọn C2=10uF, =>R19=R20=580kΩ
+ Chọn R18=1kΩ, C1=0.01uF
+ Hình mô phỏng xung ra của IC555 ứng với T=5s

Kết luận: Thời gian tụ được nạp chính là thời gian LED sáng và thời gian tụ xả
điện là thời gian đèn tắt trong một chu kỳ.
VI.Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo.
- Khi nhiệt độ vượt quá tmax/2 =170oC thì đưa ra tín hiệu cảnh báo tới loa. Với yêu cầu
như vậy thì ta sử dụng luôn mạch so sánh, cổng logic ở trên + một van bán dẫn đơn
giản sử dụng transistor.

- Nguyên lý hoạt động chung của mạch: Khi nhiệt độ vướt quá t max/2 = 170oC thì U- >
U+ điện áp ra của mạch so sánh ở mức L, qua cổng logic AND điện áp ra U o ở mức
0 (dựa vào bảng chân lý). Chân B của transistor được kéo xuống mức 0, đồng thời
transistor sẽ được phân cực thuận, xuất hiện một dòng điện I EC đi qua loa và làm loa
kêu. Ngược lại thì transistor bị phân cực ngược và không có dòng đi qua loa.


- Sơ đồ mô phỏng trên Proteus.

Hình 3.8.Mạch cảnh báo ra loa khi quá nhiệt độ
- Tính toán các giá trị linh kiện trong mạch:
• Ở đây để đơn giản ta sử dụng loa thạch anh với điện áp danh định là 5V. Van bán
dẫn PNP có thể sử dụng 2N3906, A1015...
• Điện trở tương ứng trên các chân ta chọn như sau: RB = R22 = 10kΩ, RC = R23 =
220Ω.
• Để ứng dụng trong thực tế , có thể sử dụng van bán dẫn kết hợp với rơle để cảnh
báo bằng chuông điện xoay chiều 220V hoặc thiết bị bạn muốn điều khiển.
VII. 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.
+ 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 D1 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 010 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.

- 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.

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


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.

• Ở bít thứ 8 ( giá trị thập phân tương ứng là 128 ). Vì vậy, ta sẽ cộng 8 vào khối
mạch hiển thị đơn vị, cộng 2 vào khối hiển thị hàng chục (nếu có bit tràn thì
cộng vào khối hiển thị hàng trăm) và cộng 1 vào khối hiển thị hàng trăm .
- Tiếp theo là phần hiển thị kết quả: ta sẽ sử dụng IC 7447 để giải mã LED 7 đoạn.
- Sơ đồ mô phỏng trên Proteus.
Hình 3.11.Bộ chuyển đổi 8 bit sang BCD

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển
4.1 Kết luận.
Với đề tài được giao em đã cố gắng hoàn thành trong thời gian quy định. 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.