Ứng dụng VMTT&VMS thiết kế mạch đo va cảnh báo, và hiển thị nhiệt độ

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

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

PHIẾU GIAO BÀI TẬP LỚN MÔN: VMTT&VMS
Số : ………
Họ và tên HS-SV : Nguyễn Thành Trung 0841040400
Nguyễn Thị Linh Trang 0841040061
Nguyễn Thọ Trọng 0841040401

Lớp : Điện 2
Khoá : 8
Khoa : Điện
I. NỘI DUNG
Đề tài: Ứng dụng VMTT&VMS thiết kế mạch đo va cảnh báo, và hiển thị nhiệt
độ
+ Nhiệt độ cần đo: t0C = 00C đến (50+10*N)0C.
+ Chuẩn hóa đầu ra:
0-10V
0-5V
0-20mA
4-20mA
+ Cảnh báo: Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng đèn nhấp nháy, còi khi
nhiệt độ vượt quá giá trị cảnh báo: 40+10*N
+ Hiển thị nhiệt độ đo được ra Led 7 thanh
N là số thứ tự sinh viên trong danh sách
II. PHẦN THUYẾT MINH
Yêu cầu về bố cục nội dung:
1/ Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ

- Tìm hiểu các phương pháp đo
- Khảo sát đặc tính nhiệt độ cần đo(liên hệ thực tiễn theo nhóm)
- Tính chọn cảm biến (cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ chân, dải đo, cấp
chính xác..)
2/ Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng VMTT&VMS
- Xác định sơ đồ khối của hệ thống
- Tính chọn các khối
3/ Vẽ mạch mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus
4/ Phân tích và nhận xét kết quả
Yêu cầu về thời gian :
Ngày giao đề 25 /9/2015
Ngày hoàn thành : 30/11/2015
Chó ý:
1. Ngoài nội dung hướng dẫn trên lớp nếu sinh viên có câu hỏi, thắc mắc trong
quá tr×nh làm bài tập lớn gửi về địa chỉ :
2. Trước khi bảo vệ bài tập lớn sinh viên phải nộp:
- File mềm gồm file trình bày bài tập lớn và file mô phỏng
- Quyển in khổ giấy A4.

1


Hà nội ngày….tháng …9..năm 2015
Giáo viên hướng dẫn

Trưởng bộ môn

Mục lục
Chương 1 Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ
……………………………………………………………………………………3

I.Tổng quan về phương pháp đo
……………………………………………………………………………………3
1.1 Khái niệm về nhệt độ
……………………………………………………………………………………3
1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc
……………………………………………………………………………………4
1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc
……………………………………………………………………………………4
1.4 Khảo sát đặc tính nhiệt độ cần đo (liên hệ thực tiễn nhóm)
……………………………………………………………………………………4
II.Tính chọn cảm biến
……………………………………………………………………………………5
2.1 Phân loại cảm biến
……………………………………………………………………………………5
2.2 Giới thiệu về cảm biến nhiệt điện trở
……………………………………………………………………………………5
Chương 2 Thiết kế và phân tích mạch đo và cảnh báo nhiệt độ
……………………………………………………………………………………8
I.Xác định sơ đồ khối của hệ thống
……………………………………………………………………………………8
1.1 Sơ đồ khối
……………………………………………………………………………………8
1.2 Vai trò và tác dụng của từng khối
……………………………………………………………………………………9
II.Tính chọn các khối
……………………………………………………………………………………9
2.1 Khối cảm biến
……………………………………………………………………………………9
2.2 Khối khuếch đại, chuẩn hóa đầu ra
……………………………………………………………………………………10

2.3 Khối cảnh báo
……………………………………………………………………………………12
2.4 Khối chuyển đổi ADC
……………………………………………………………………………………13
2.5 Khối giải mã
……………………………………………………………………………………18
2.6 Khối LED 7 thanh
……………………………………………………………………………………26
2.7 Mạch đo
……………………………………………………………………………………27

2


Đánh giá và nhận xét kết quả
……………………………………………………………………………………29

Chương 1
Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ
I. Tổng quan về các phương pháp 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 thấp. 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:

3


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.
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 tiếp xúc.

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. Đối với 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 nhiệt độ 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.
1.3 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.
1.4 Đặc tính nhiệt độ cần đo ( liên hệ thực tiễn nhóm):
Với dải nhiệt độ của nhóm từ 0 đến 700 0C, mạch được ứng dụng đo nhiệt độ
và cảnh báo trong các lò gia nhiệt, lò chân không ( xử lí nhiệt từ thấp đến cao, luyện
kim, hàn…), lò thanh lọc khí quyển nhiệt độ từ 105-7000C….
Đặc tính nhiệt độ thay đổi chậm, quá trình đo kéo dài :
+ Thời gian từ 0 lên 7000C là 40 phút
+ Thời gian từ 7000C xuống nhiệt độ môi trường là 20 phút.

4


Mạch được lắp đặt để đo và hiển thị nhiệt độ lò trong quá trình hoạt động và cảnh
báo khi nhiệt độ lò đạt mức cho phép khi xảy ra sự cố…

II. Tính chọn cảm biến
2.1 Phân loại cảm biến

- Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ).
- Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ).
- Thermistor.
- Bán dẫn ( Diode, IC ,….).
- Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ). Dùng
hồng ngoại hay lazer.
2.2 Giới thiệu về cảm biến nhiệt điện trở

•

Hình1:hình dạng và cấu tạo 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: -200~400oC
- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia
công vật liệu, hóa chất…

5


Hiện nay phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum.
Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài.
Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm (khi ở 0 oC). Điện trở càng cao thì độ
nhạy nhiệt càng cao.

- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Loại 4 dây cho kết quả đo chính xác
nhất.
• Cảm biến đo nhiệt độ PT100
Cảm biến nhiệt độ PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại ( RTD) PT100
được cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt
có giá trị điện trở khi ở 0oC là 100 Ohm. Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử
dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định.
-Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT100:
Rt = R0( 1+ αT+βT2+C(T-100)T3)
Trong đó:
Rt : điện trở tại nhiệt độ T
R0 : điện trở tại 00C(=100Ω)
α=3.9083x10-3
β=-5.775x10-7
C=-4.183x10-12( t<00C) , C=0 ( t>00C)
Với nhiệt độ từ 00C đến 1000C dùng công thức :
Rt = R0( 1+ αT)
Cấu tạo dây đo nhiệt PT100
1. Các thông số cơ bản và nguyên tắc hoạt động
a. Các thông số cơ bản :
Dây cảm biến nhiệt PT100 bao gồm một đầu dò ống trụ có đường kính 4mm và
chiều dài ống trụ là 30mm ,2 dây đầu ra có chiều dài 1m

6


Hình 2: hình dạng PT100
Dải nhiệt độ đo được là từ -200ºC đến 825ºC
b. Sơ đồ cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ

Hình 3: cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ PT100
Điện trở của ống trụ RPT100 = RPT + R3 + R2
L2,L3 được nối với 2 dây đầu ra
• Nguyên tắc hoạt động
Khi có sự thay đổi nhiệt độ trên đầu dò thì dẫn đến sự thay đổi điện trở của ống
trụ .Mỗi giá trị nhiệt độ khác nhau tương ứng với mỗi giá trị điện trở khác nhau.Ở
10 ºC thì đo được giá trị điện trở RPT100 =107,6 Ω . Khi tăng 1ºC thì RPT tăng sấp
xỉ 0,4Ω

7


• Cầu đo điện trở:

Hình 4: mạch nối dây Pt100
Ta sử dụng mạch cầu để đo điện trở, trong đó PT là một nhánh của cầu.
Vo=E*(

)

Khi ở 00C RPT=100Ω.
Nên ta chọn R1 =R2 =R3=100Ω để cầu cân bằng. Suy ra V0/00c= 0V.

Chương 2
Thiết kế và phân tích mạch đo và cảnh báo nhiệt
độ
I. Xác định sơ đồ khối của hệ thống
1.1 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.

8


Sơ đồ khối đo:

Cảm
Biến

Mạch
khuếc
h đại,
chuẩn
hóa

Chỉ
thị

Bộ chuyển
đổi tín
hiệu tương
tự sang số

Bộ giải
mã

LED 7
thanh

LED cảnh
báo nhấp
nháy

Mạch so
sánh,
cảnh báo

Còi báo

1.2 Vai trò tác dụng của các khối
• Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu ra cho các mạch so sánh,
khuếch đại.
• 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.

9


• Mạch so sánh : so sánh điện áp đầu ra của cảm biến với điện áp đặt,
để đưa ra cảnh báo và để LED nhấp nháy.
• Còi báo : báo động khi nhiệt độ vượt quá giá trị cho phép.
• LED cảnh báo nhấp nháy: đèn LED nhấp nháy trong trường hợp
nhiệt độ vượt quá giá trị cho phép
• Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC): để chuyển tín hiệu
giá trị Volt đầu ra của cảm biến mã hóa thành hệ nhị phân
• Bộ giải mã: Để giải mã tín hiệu từ ADC ra LED 7 thanh

• LED 7 thanh: Hiển thị giá trị nhiệt độ tương ứng trên cảm biến

II. Tính chọn các khối (N=65)
2.1 Khối cảm biến

Là cảm biến nhiệt độ pt100 có cấu tạo là một nhiệt điện trở RTD ( RTDResistance Temperature Detector ):Nguyên lý hoạt động nhiệt điện trở dựa
trên sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi điện trở
• Rt = R0 ( 1 + αt)
• Rt : Điện trở ở nhiệt độ t
• R0 : Điện trở ở 0 độ C
• α : Hệ số của nhiệt điện trở

10


Với PT100 1V=1oC. Vậy theo yêu cầu của bài thì cần đo ở nhiệt độ 700C
tương ứng với 700V. Với điện áp ra rất lớn như vậy ta cần phải có 1 mạch phân áp
sao cho đầu ra tương ứng 10mV=10oC để phù hợp với các IC số.
Vì vậy ta lắp thiết bị như hình vẽ.
Ta có: Ur=Uv.R2/(R1+R2)
Với Ur=0,01 V
Uv=1 V
Vậy ta có : R2/(R1+R2)=0,01
 Chọn R2=100 Ω => R1=9,9 kΩ
Từ cách lắp đặt thiết bị trên ta được đầu ra khi đo ở nhiệt độ 700oC tương
ứng với 7.0V
Trong bài này vì là dải đo rất rộng từ 0-700v nên nhóm chúng em chọn bước
nhảy để đo nhiệt độ là 10 độ.
2.2 Khối khuếch đại, chuẩn hóa đầu ra
2.2.1 Chuẩn hóa đầu ra với điện áp 0-10V

Dùng mạch khuếch đại không đảo

Mạch này có điện áp ra : Ur=(1+R8/R7).Uv
Với Uv=0 – 7,0V để Ur=0 - 10V
Uvmin=0V  Urmin=0V
Uvmax=7,0V  Urmax=10V

11


 Chọn R8=4.265kΩ R7=10kΩ R6=10kΩ

2.2.2 Chuẩn hóa đầu ra với điện áp 0 – 5V
Dùng mạch khuếch đại không đảo

Mạch này có điện áp ra : Ur=(1+R11/R10).Uv
Với Uv=0 – 7,0V để Ur=0 - 5V
Uvmin=0V  Urmin=0V
Uvmax=7,0V  Urmax=5V
 Chọn R11=805Ω


R10=705Ω

R9=10kΩ

2.2.3 Chuẩn hóa đầu ra có dòng điện 0 – 20mA
Dùng bộ biến đổi U-I với sơ đồ không đảo

12

Dòng điện đầu ra I12=Ur/(R13+R12) và Ur=(1+R12/R13)
Với Uv= 0 – 7,0V và I12= 0 – 20mA
Uvmin= 0V  I12min= 0mA
Uvmax= 7,0V  I12max= 20mA
 Chọn R12=45Ω

R13=350Ω

R14=10kΩ

2.2.4 Chuẩn hóa dòng điện đầu ra 4 – 20 mA
Dùng mạch biến đổi U-I với phụ tải nối đất chung

Thường chọn điều kiện mạch : R18(R16+R17)=R15.R19
Ta có IL=(Uv-UR18).R19/(R18.R17)
Chọn R15= R16= 10kΩ

13


Khi IL= 4mA ta có Uv= 0V
IL=20mA ta có Uv= 7,0V
Ta có hệ :
4.10-3= - UR18.A

(1)

(A=R19/(R18.R17))

20.10-3= (7,0 – Ur18).A

(2)

Từ (1) và (2) UR18 = -1,99V
 Chọn R19= 78,5 Ω

R18= 100 Ω

R17= 390,73 Ω

2.3 Khối cảnh báo
2.3.1 Cảnh báo bằng còi

Theo đề bài: tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá giá trị
toC=690oC vậy điện áp so sánh là +6.9V
2.3.2 cảnh báo bằng LED

14


Nhờ mạch tạo dao động HE555 nên đèn nhấp nhấy với
Thời gian nạp ( có xung ra): tn=0,69 �n, hay tn = 0,69(R22+ R23)C4
Thời gian xả điện ( không có xung ra): tx=0,69 �x , hay tx = 0,69R20C4
Ở đây ta chọn R22=R23=600Ω, C4=2uF => tn=0,18216 s và tx=0.09108 s
Chân vào 4 được nối chung với đầu vào của còi cảnh báo ở trên
*Sơ lược về IC 555
- Thông số
+ Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555..)

+ Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA
+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V
+ Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V
+ Công suất tiêu thụ (max) 600mW
- Chức năng
+ Tạo xung
+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)
+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)
...
- Sơ đồ chân và chức năng các chân

15


+ Chân số 1(GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân còn gọi là chân
chung.
+ 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 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): Không cần nói cũng bít đó là chân cung cấp áp và dòng cho IC
hoạt động. Không có chân này coi như IC chết. Nó được cấp điện áp từ 2V -->18V .
-Nguyên lý

16


+ Giải thích sự giao động
Ký hiệu 0 là mức thấp bằng 0V, 1 là mức cao gần bằng VCC. Mạch FF là loại RS
Flip-flop,
Khi S=[1] thì Q = [1] và QB = [ 0].
Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và QB= [0].
Khi R = [1] thì QB= [1] và Q = [0].
Tóm lại, khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0] bởi vì QB=
[1], transisitor mở dẫn, cực C nối đất. Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp
ở chân 6 không vượt quá V2. Do lối ra của Op-amp 2 ở mức 0, FF không reset.
Giai đoạn ngõ ra ở mức 1:
Khi bấm công tắc khởi động, chân 2 ở mức 0.
Vì điện áp ở chân 2 (V-) nhỏ hơn V1(V+), ngõ ra của Op-amp 1 ở mức 1 nên S =
[1], Q = [1] và QB= [0]. Ngõ ra của IC ở mức 1.
Khi QB= [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng. Khi nhấn
công tắc lần nữa Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1 ở mức

0, S = [0], Q và QB vẫn không đổi. Trong khi điện áp tụ C nhỏ hơn V2, FF vẫn giữ
nguyên trạng thái đó.
Giai đoạn ngõ ra ở mức 0:
Khi tụ C nạp tiếp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- = 2/3 VCC, R = [1] nên Q = [0] và
QB= [1]. Ngõ ra của IC ở mức 0.
Vì QB= [1], transistor mở dẫn, Op-amp2 có V+ = [0] bé hơn V-, ngõ ra của Op-amp
2 ở mức 0. Vì vậy Q và QB không đổi giá trị, tụ C xả điện thông qua transistor.
Kết quả cuối cùng: Ngõ ra OUT có tín hiệu dao động dạng sóng vuông, có chu kỳ
ổn định
2.4 Khối chuyển đổi ADC
2.4.1 Hình ADC trong mạch protus và sơ đồ các chân của ADC0804

17


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. Các chân của ADC0804 được mô tả như sau:

2.4.2 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

18


chân RD thì đầu 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

- 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 (hình 1.4). Trong trường hợp này tần số
đồng hồ được xác định bằng biểu thức:
f=

19


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.
- 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 VREF/2 (chân số 9) để hở.
- Chân VREF (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.
- 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 (2xVREF/2) 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.
*Từ những điều trên ta kết luận rằng các bước cần phải thực hiện khi chuyển
đổi dữ liệu bởi ADC0804 là:
-Bật CS = 0 và gửi một xung thấp lên cao tới chân WR để bắt đầu chuyển đổi.

20

-Sau khi chân INTR xuống thấp, ta bật CS = 0 và gửi một xung cao xuống thấp đến
chân RD để lấy dữ liệu ra khỏi chip ADC0804.

2.4.3 Mạch tạo dao dộng cho ADC

Mạch này để tạo dao đông cho ADC0804 để cho ADC0804 thực hiện quá trình
chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số
Các thông số xung với phần trên ta có:
Thời gian nạp ( có xung ra): tn=0,69 �n, hay tn = 0,69(R5+ R4)C2
Thời gian xả điện ( không có xung ra): tx=0,69 �x , hay tx = 0,69R4C2.

21


Ở đây ta chọn R5=R4=600Ω, C2=220uF => tn=0,18216 s và tx=0.09108 s

2.4.4 Khối ADC trong mạch

Các chân 1,2,8,10,7 được nối đất
Chân 3 được nối với chân số 3 của mạch tạo dao động HE555
Chân 19 nối với điện trở R3= 10kΩ rồi nối vào chân 4 tiếp nối vào tụ C3=150pF rồi
nối đất
Chân 20 nối với nguồn nuôi
Chân 6 là chân nhận tín hiệu từ PT100 rồi chuyển hóa tín hiệu ra các chân
11,12,13,14,15,16,17,18
2.5 Khối giải mã
2.5.1 IC74LS83

22


74LS83 là IC cộng 2 số 4 bit nhị phân.
-A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4 : các chân đầu vào của 2 số nhị phân A, B.
- S1,S2,S3,S4: đầu ra nhị phân.
-C4 số nhớ của phép cộng.
CO: số nhớ ban đầu.

Mạch logic của 74LS83.
Quá trình biến đổi nhị phân sang BCD

23


Đầu tiên ta chuyển số nhị phân 4 bit thành số BCD: hai số BCD có giá trị từ 0 10 đến
910 khi cộng lại cho kết quả từ 0 10 đến 1810 , để đọc được kết quả dạng BCD ta phải
hiệu chỉnh kết quả có được từ mạch cộng nhị phân

Kết quả tương đương giữa 3 loại mã.
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

24

Bảng sự thật.
•

Ta không dùng ngõ vào S’1 vì từng cặp trị có C 4’S4’S3’S2’ giống nhau thì S1’
= 0 và S1’ = 1

•

Dùng bảng Karnaugh xác định được Y

Y = C 4' + S 4' ( S3' + S 2' )
Mạch cộng 2 số được thực hiện theo sơ đồ sau:

Sơ đồ cộng 2 số 4 bít

25