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

Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

BỘ CÔNG THƯƠNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BÀI TẬP: Vi mạch tương tự và vi mạch số Số: 2
Họ và tên HS-SV: Nông Đức Nghĩa

Nhóm: 2

Lớp: Tự động hóa 1_K8

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 = 00C ÷ tmax = 0 ÷ (100 +10* n)0C.
- Đầu ra: Chuẩn hóa với mức điện áp:
1.
U = 0 ÷ -5V
2.
I = 4 ÷ 20mA
- Dùng cơ cấu đo chỉ thị
- Khi gặp nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t 0C = 0 ÷ tmax/2. Thiết kế

mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sang tối bằng nhau và bằng: =
(1+0,5*a) giây.
- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá: t 0C = tmax/2.
- Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân. Xây dựng bộ hiện thị
số BCD.
Trong đó:
a: Chữ số hàng đơn vị của danh sách ( VD: STT = 3→a=3; STT = 10→a=0).
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.
- Tíh toán, thiết kế mạch cảnh báo.
- ………
Kết luận và hướng phát triển.
Yêu cầu về thời gian: Ngày giao đề:……………Ngày hoàn thành: 27\11\2015

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO
Nông Đức Nghĩa

Trang_ 1


Trường ĐHCN Hà Nội

1.

Bộ môn VMTT&VMS

Khái niệm về nhiệt độ.
Nhiệt độ là đại 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 láng, các phân tử
dao động quanh vi trí cân bằng nhưng vi 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.

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 ( 0C ): T( 0C ) = T( K ) – 273,15.



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

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 2


Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

Nhiệt độ được đo bằng nhiệt kế. Nhiệt độ được đo bằng các đơn vị khác
nhau và có thể biến đổi bằng các công thức. Trong hệ đo lường quốc tế, nhiệt
độ được đo bằng đơn vị Kelvin, kí hiệu là K. Trong đời sống ở Việt Nam và
nhiều nước, nó được đo bằng độ C. Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể
đánh giá được nhiệt độ.
3.

Sử dụng vi mạch tương tự để đo và cảnh báo nhiệt độ.
Vi tương tự và vi mạch số là lĩnh vực không những mang tới thời sự nóng

bỏng mà còn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ, đã và đang từng
ngày thâm nhập vào đời sống của chúng ta. Trong thực tế các dạng năng lượng
thường ở dạng tương tự. Do đó muốn xử lí 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 đã thưc hiện việc xây dựng một mạch điện
đo nhiệt độ hiển thị ra đèn LED. Mạch này chỉ mang tính chất thử nghiệm, chưa
có tính 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.
4.

Biến nhiệt thành điện
Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và dải

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 thiết bị đo 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 ).

Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo không
phải ở quá cao. Dải đo từ: t 0C =00C ÷ tmax = 00C ÷ (100+10*n)0C (n: số thứ tự
sinh viên trong danh sách): n=46 => t 0C = 00C ÷ 5600C. Do em được giao đề tài
số 2 là dùng cặp nhiệt ngẫu nên em sử dụng cặp nhiệt ngẫu loại J có dải đo từ:
-400C ÷ 7500C

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 3


Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH
*

Các thiết bị chính gồm:
Cặp nhiệt ngẫu loại J.
Mạch tích hợp KĐTT µA741.
-

1.
a)

ADC0804.
LM7805 , LM7812, LM7912.
IC 7843,IC 7447.
Còi, Led, Led 7 thanh, trở, tụ, đi ốt.

Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp.

Hình 1.1: Cấu tạo cặp nhiệt

–

1) Vỏ bảo vệ

5) Bộ phận lắp đặt

2) Mối hàn

6) Vít nối dây

3) Dây điện cực

7) Dây nối

4) Sứ cách điện

8) Đầu nối dây

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.
Trên thị trường hiện nay có nhiều loại Cặp nhiệt điện khác nhau (E, J, K,
R, S, T…) đó là vì mỗi loại Cặp nhiệt điện đó được cấu tạo bởi 1 chất liệu
khác nhau, từ đó sức điện động tạo ra cũng khác nhau dẫn đến dải đo

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 4


Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

cũng khác nhau. Người sử dụng cần chú ý điều này để có thể lựa chọn loại
–

Cặp nhiệt điện phù hợp với yêu cầu của mình.
Đồng thời khi lắp đặt sử dụng loại Cặp nhiệt điện thì cần chú ý tới những
điểm sau đây:
• Dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt (vì tín hiệu
truyền đi dưới dạng điện áp mV nên nếu dây dài sẽ dẫn đến sai số
•

nhiều).
Thực hiện việc cài đặt giá trị bù nhiệt (Offset) để bù lại tổn thất mất
mát trên đường dây. Giá trị Offset lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ dài,

•

b)

chất liệu dây và môi trường lắp đặt.
Không để các đầu dây nối của Cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường

cần đo.
• Đấu nối đúng chiều âm, dương cho Cặp nhiệt điện.
Cấu tạo của cặp nhiệt ngẫu loại J.

Hình 1.2: Hình ảnh thức tế của cặp nhiệt ngẫu
–

Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại Sắt và Constantan, hàn dính một đầu,
đầu T1 gọi là đầu nóng, hai đầu còn lại không hàn T2 gọi là đầu lạnh hoặc
đầu chuẩn.

Hình 1.3: Hình mô phỏng nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt ngẫu
–

Nguyên lý: Khi có chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nóng và lạnh (T1 và
T2) thì ở đầu ra của cặp nhiệt ngẫu xuất hiện một suất điện động e phụ
thuộc vào chênh lệch nhiệt độ và bản chất hai kim loại A và B.

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 5


Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

Hình 1.4: Đường đặc tính của cặp nhiệt ngẫu
* Công thức tính suất điện động e:
e=K(T1-T2)

(cặp nhiệt ngẫu J có K=0,055mV)

–
–
–

Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao, dải đo rộng, rẻ.
Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao,cần
điểm tham chiếu, ít ổn định.
Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
Dải đo: -40 ~ 750oC
Ứng dụng: sản xuất công nghiệp, luyện kim, gia công vật liệu…

2.

Mạch tích hợp KĐTT µA741

–
–

-

Hình ảnh thực tế của µA741:

-

Sơ đồ chân của µA741:

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 6


Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

Chức năng các chân:
Chân 1 _ bù tần số
Chân 2 _ cửa vào đảo
Chân 3 _ cửa vào không đảo
Chân 4 _ nguồn cấp âm
-

Chân 5 _ bù tần số
Chân 6 _ cửa ra
Chân 7 _ nguồn cấp dương
Chân 8 _ không sử dụng

Op Amp là một công cụ có nhiều chức năng:
+ Khuếch đại hiệu hai điện thế:
•

Uo= K( UI+ − UI− )

+ Khuếch đại tín hiệu điện:
•
•

Uo= −K. UI− (UI+ = 0 )
Uo= K. UI+ (UI− = 0 )

+ So sánh điện áp vào UI với điện áp chuẩn UCH:

3.

•

Nếu UI < UCH thì Uo = L ( có mức 0, tương đương điện áp thấp, cỡ 0V).

•

Nếu UI > UCH thì Uo = H ( có mức 1, tương đương điện áp cao, cỡ 3,5V).

IC 555

Hình 3.1: Sơ đồ chân IC 555


Bên trong vi mạch 555 có hơn 20 transistor và nhiều điện trở thực hiện các
chức năng như hình :

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 7


Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

Hình 3.2: Cấu trúc bên trong của LM 555

–
–

–
–

–
–
–

–
4.

Chức năng các chân:
Chân số 1: (GND) Cho nối mass để lấy dòng cấp cho IC , dòng điện từ mas
chảy vào IC.
Chân sô 2: (Trigger Input ) Ngõ vào của một tầng, ở đây mức áp chuẩn bằng
1/3 Vcc, lấy cầu phân áp tạo bởi ba điện trở 5K.Khi mức áp chân 2 xuống
đến mức (1/3)Vcc thì chân 3 sẽ chuyển lên mức cao, lúc này khóa điện tử
trên chân số 7sẽ hở.

Chân số 3: (Output) Ngõ ra tín hiệu ở dạng xung (mức áp không thấp thì
cao).
Chân số 4: (Reset) Xác lập trạng thái ngõ ra .Khi chân số 4 cho nối mass thì
chân số 3 chốt ở mức áp thấp , chỉ khi chân số 4 đặt ở mức áp cao thì ngõ ra
chân 3 mới được tự do và mới có thể lúc cao lúc thấp.
Chân số 5: (Control Voltage) Chân điều khiển ,chân này làm thay đổi các
mức điện áp chuẩn trên trên cầu chia volt.
Chân số 6: (Threshold) Ngõ vào của một tầng so với áp 1.Có mức áp chuẩn
bằng 2/3 Vcc.
Chân số 7: (Dirchange) Chân xả điện, chân này là ngõ ra của một khóa điên
(tranistor) khóa điện này đóng mở theo mức áp chân số 3. Khi chân 3 ở mức
áp cao thì khóa điện đóng lại và cho dòng chay qua, ngược lại thì khóa điện
hở và cắt dòng.
Chân số 8: (+Vcc) Chân nguồn nối vào nguồn nuôi Vcc để cấp điện cho IC
555.

ADC 0804.

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 8


Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

Hình 4.1: Sơ đồ chân ADC0804
–

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 c ũng 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 =
Chọn R = 10 kΩ, C = 150 pF và tần số nhận được f = 606 kHz thì 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.

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 9


Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

•

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:
Dout = Vin / Kích thước bước.

5.

IC 7843.
–
•
•

Trong đó 2 số 4 bit vào là A 4A3A2A1 và
B4B3B2B1.
Số nhớ ban đầu là C0.
Vậy tổng ra sẽ là C4S4S3S2S1, với C4 là số nhớ
của phép cộng

Hình 5.1: Hình ảnh của IC7483


Bảng sự thật:



Thông số:

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 10


Trường ĐHCN Hà Nội



Bộ môn VMTT&VMS

Nhận xét: IC7843 là IC cộng 2 số 4 bit.

6.

IC 7447 giải mã led 7 đoạn.



Sơ đồ chân :


–

Ứng dụng:
Đây là IC giải mã kí giành riêng cho LED 7 thanh Anot chung. Ứng dụng
khi ta cần hiện thị số trên led 7 thanh trong mạch số mà không cần dùng
vi xử lý hoặc muốn tiết kiệm chân.”
Cấu tạo:




–

–

Cách thức hoạt động:
Sơ đồ nguyên lý: Như sơ đồ trên, trong đó:
+ A,B,C,D ( Nối với Vi xử lý, mạch số counter,…)
+ BI/RBO,RBI,LT ( chân điều khiển của 7447, tùy thuộc vào nhu cầu sẽ nối
khác nhau), Chân QA,QB,QC,QD,QE,QF,QG nối lần lượt với chân a,b,c,d,e,f,g
của led 7 thanh anot chung.
Mô tả cách thức hoạt động như sau:

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 11


Trường ĐHCN Hà Nội
•

•

•

7.
–

Bộ môn VMTT&VMS

PORT A,B,C,D : đầu vào của 7447, nhận các giá trị theo nhị phân (BCD)
từ 0 tới 15, tương ứng với mối giá trị nhận được sẽ giải mã ra đầu ra Q
tương ứng.
PORT QA-QG : Nối trực tiếp LED 7 thanh với
QA=a,QB=b,QC=c,QD=d,QE=e,QF=f,QG=g, giá trị hiển thị trên LED 7

thanh phụ thuộc vào giá trị đầu vào PORTA,B,C,D theo bảng sau:

BI/RBO,RBI,LT : Chân điều khiển của 7447, để hiểu rõ bạn cần đọc và tìm
hiểu mức bảng logic sau (Để kích hoạt IC 7447 hoạt động chỉ cần nối
BI/RBO=LT=1 ):

IC ổn áp 78xx và 79xx
Họ 78xx là họ ổn định điện áp đầu ra là dương. Còn xx là giá trị điện áp
đầu ra như 5V, 9V,12V...

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 12


Trường ĐHCN Hà Nội
–
–
–
–
–

Bộ môn VMTT&VMS

Họ 79xx là họ ổn định điện áp đầu ra là âm. Còn xx là giá trị điện áp đầu
ra như : -5V,-9V,-12V…
Sự kết hợp của hai con này sẽ tạo ra được bộ nguồn đối xứng.
Về mặt nguyên lý nó hoạt động tương đối giống nhau
78xx là loại dòng IC dùng để ổn định điện áp dương đầu ra với điều kiện
đầu vào luôn luôn lớn hơn đầu ra 3V.

Tùy loại IC mà nó ổn áp đầu ra là bao nhiêu.
Ví dụ : 7805 có điện áp ra là +5V, 7812 có điện áp ra là +12V...
7905 có điện áp ra là -5V, 7912 có điện áp ra là -12V...

+ 78xx gồm có 3 chân :
1 : Vin - Chân nguồn đầu vào
2 : GND - Chân nối đất
3 : Vo - chân nguồn đầu ra.

+ 79xx gồm có 3 chân :
1 : GND - Chân nối đất
2 : Vin - Chân nguồn đầu vào
3 : Vo - chân nguồn đầu ra.

8. Led 7 thanh.
 Cấu tạo:
– Trong LED 7 thanh

–
–



bao gồm ít nhất là 7 con LED mắc lại với nhau , vì vậy
mà có tên là LED 7 đoạn là vậy ,7 LED đơn được mắc sao cho nó có thể hiển
thị được các số từ 0 - 9 , và 1 vài chữ cái thông dụng, để
phân cách thì người ta còn dùng thêm 1 led đơn để
hiển thị dấu chấm (dot) .
Các led đơn lần lượt được gọi tên theo chữ cái A- B
-C-D-E-F-G, và dấu chấm.

Như vậy nếu như muốn hiển thị ký tự nào thì ta chỉ
cần cấp nguồn vào chân đó là led sẽ sáng như mong
muốn .
Thông số :
LED 7 thanh dù có nhiều biến thể nhưng tựu chung thì cũng chỉ vẫn có 2
loại đó là :
+ Chân Anode chung (chân + các led mắc chung lại với nhau .)
+ Chân Catode chung (Chân - các led được mắc chung với nhau .)
Điện áp giữa Vcc và mass phải lớn hơn 1,3 V mới cung cấp đủ led sáng,
tuy nhiên không được cao quá 3V .

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 13


Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐO.
3.1)

Ý tưởng thiết kế
– Theo yêu cầu của đề tài và số thứ tự trong danh sách của em là
46 nên có:
Dải đo từ: t0C = 00C ÷ 5600C.
Đầu ra: Chuẩn hóa với mức điện áp:
1. U = 0 ÷ -5V
2. I = 4 ÷ 20mA

• Dùng cơ cấu đo chỉ thị.
•
•

•

o

o

Khi gặp nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t C = 0 ÷ 280 C. Thiết kế
mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng tối bằng nhau và bằng:
= 4 giây.
o

Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá: t 0C = 280 C.
• Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân. Xây dựng bộ hiện thị
số BCD.
•

–

–

Sơ đồ khối hệ thống:

Nhiệm vụ của từng khối:
• Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động , tất cả thiết bị
chỉ ở một trong ba nguồn +12v hoặc - 12v hoặc +5v.
• Khối cảm biến: Cảm biến nhiệt độ biến nhiệt thành điện áp ở mức vài

mV.

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 14


Trường ĐHCN Hà Nội
•

•
•
•
•
•

3.2)

Bộ môn VMTT&VMS

Khối khuếch đại đo lường và chuẩn hóa U-I: Khuyếch đại điện áp từ cảm
biến ra điện áp chuẩn, rồi chuyển đổi từ điện áp sang dòng điện với mục
đích truyền tải đi xa.
Khối ADC và hiển thị : Chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số
và đưa ra kết quả ra LED 7 thanh để hiển thị kết quả đo.
Khối so sánh: So sánh với một điện áp đặt trước và đưa ra tín hiệu dùng
để báo động khi quá nhiệt độ cho phép.
Khối nhấp nháy : thực hiện nhiệm vụ nhấp nháy với thời gian đặt trước
khi nhiệt độ trong mức cho phép.
Cảnh báo : thực hiện chức năng báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng

cho.
Cơ cấu đo chỉ thị: Là thiết bị hiển thị điện áp (Voltmeter), dòng điện
(Ammeter) tương ứng với nhiệt độ đo. Có nhiều loại cơ cấu đo chỉ thị
khác nhau như: cơ điện, điện từ, cảm ứng…. 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 dòng điện và điện áp tại thời điểm xác
định.
Tính toán, lựa chọn cảm biến.
0
0
0
– Có dải cần đo là: t C = 0 C ÷ 560 C. Vì vậy em chọn cặp nhiệt ngẫu loại
J có dải đo : -40 ~ 750oC, có hệ số K=0,055mV/oC.
o
– Coi điểm tham chiếu luôn có nhiệt độ T2 = 0 C và phương trình sức
điện động là tuyến tính. Công thức tính điện áp ra của cảm biến là :

Ucb = K*(T1-T2) tương ứng là: e= 0,055*T1 mV .
0
• Với : T1 = 0 C
=> Ucb = 0 mV.
0
• Với : T1 = 280 C => Ucb = 15,4 mV.
0
• Với : T1 = 560 C => Ucb = 30,8 mV.
3.3)
Tính toán, thiết kế khối khuếch đại và khối chuẩn hóa.
a) Khối khuếch đại
– Điện áp chuẩn hóa đầu ra là : 0 ~ -5V mà điện áp ra của cảm biến là :
0 → 30,8mV.

Vậy chọn mạch khuếch đại đảo có hệ số khuếch đại : ≈ -162,5

–

Sơ đồ mạch:

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 15


Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

Hình 3.31: Mạch khuếch đại đảo với KĐTT

Với : UA= Ucb => = -162,5.
Chọn R1 = 1kΩ thì R2=162,5kΩ, R3 = 10kΩ.
b)
–

Khối chuẩn hóa U-I.
Sơ đồ mạch chuẩn hóa:

Hình 3.33: Mạch chuẩn hóa U-I
•

Mạch chuẩn hóa trên có công thức tính:

Khi

+

+) UIN = 0 (mV) → U = = 6,16( mV)
+

•

+) UIN = 30,8 (mV) → U = 30,8 ( mV)
Yêu cầu chuẩn hóa I= 4-20 mA. Có hệ số chuyển đổi :

KUI = = = = → R12 = 1,54 Ω.
3.4)

Tính toán, thiết kế mạch so sánh
o

–

Nhiệt độ giới hạn là: tgh=tmax/2 = 560/2 = 280 C → Uss = 5/2 = 2,5V.

–

Khi điện áp vào UB < Uss thì điện áp ra UC ở mức thấp, nếu điện áp vào UB

–

> Uss thì điện áp ra UC ở mức cao.
Sơ đồ mạch:

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 16


Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

Hình 3.4: Mạch so sánh.
Mạch cảnh báo.

3.5)

o

Khi nhiệt độ vượt quá: tmax/2 = 560/2 = 280 C  UB>2,5 V  điện áp ra

–

UC ở mức cao thì đưa tín hiệu ra còi cảnh báo.
–

Khi UB < 2,5 V  điện áp ra UC ở mức thấp nên mạch cảnh báo không
hoạt động. Vì vậy sử dụng 1 con AND là IC 7408 với 1 chân nối +5V.
• Bảng chân lý của IC 7408:
A
A
B

Z=A*B
Z
0
0
0
B
0
1
0
1
0
0
– Sơ đồ mạch:
1
1
1

Hình 3.5: Mạch cảnh báo.

3.6)

•

Khi tín hiệu vào chân 1 của 7840 ở mức thấp ( tương ứng U in<2,5V) thì
tín hiệu ra ở chân 3 ở mức thấp nên tranzitor loại NPN không dẫn nên còi
cảnh báo không hoạt động.

•

Khi tín hiệu vào chân 1 của 7840 ở mức cao ( tương ứng U in>2,5V) thì

tín hiệu ra ở chân 3 ở mức cao nên tranzitor loại NPN dẫn nên còi cảnh
báo hoạt động.
Mạch nhấp nháy.

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 17


Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

Ngược với mạch cảnh báo, mạch nhấp nháy hoạt động khi nhiệt độ dưới:

–

o

tmax/2 = 560/2 = 280 C  UB < 2,5 V  điện áp ra UC ở mức thấp thì đưa
tín hiệu ra mạch nhấp nháy.
Khi UB > 2,5 V  điện áp ra UC ở mức cao nên mạch nhấp nháy không
hoạt động. Vì vậy sử dụng 1 con NOR với 1 chân nối đất.
• Bảng chân lý của IC 7408:

–

A
0
0

1
1

B
Y
0
1
1
0
0
0
1
0
Sơ đồ mạch:

–

A
Y
B

Hình 3.6: Mạch tạo xung vuông, đèn nhấp nháy
•

Khi tín hiệu vào chân 1 của NOR ở mức thấp ( tương ứng U B < 2,5V) thì
tín hiệu ra ở chân 3 của NOR ở mức cao sẽ tác động vào chân 4 ( chân
reset ) của IC 555 làm mạch tạo xung hoạt động làm đèn nháy với: τ=4.

•

Khi tín hiệu vào chân 1 của NOR ở mức cao ( tương ứng U B > 2,5V) thì
tín hiệu ra ở chân 3 của NOR ở mức thấp sẽ không có tín hiệu vào chân 4
( chân reset ) của IC 555 làm mạch tạo xung không hoạt động nên đèn
tắt.
Mạch tạo xung sử dụng IC 555 có yêu cầu thời gian đèn sáng và tối có
τ=1+a*0,5 ( mà n=46, a=6) → τ=4.



3.7)
–

Ta có: τ= RA*C15=RB*C15=4. Chọn C15= 100uF → RA=RB= 40kΩ.
ADC0804
Sơ đồ mạch :

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 18


Trường ĐHCN Hà Nội

–
–

Bộ môn VMTT&VMS

Hình 3.71: Mạch hoạt động của ADC
Các chân 1,2,8,10,7 của ADC được nối xuống mức thấp để ADC có thể hoạt

động.
Chân số 3 và 5 được cấp xung từ IC 555 với thời gian :
4

-4

τ nạp= τxả=R78*C17=R76*C17=10 *10 = 1.
Chân 3: Có chức năng báo cho ADC biết để bắt đầu quá trình chuyển
đổi. Nếu CS = 0 khi WR được cấp 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.
• Chân 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.
Sử dụng đồng hồ ngoài của ADC0804với chân 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 c ũng 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 =
Chọn R = 10 kΩ, C = 150 pF và tần số nhận được f = 606 kHz thì thời
gian chuyển đổi là 110 µs.
Chân số 9 (Vref/2): Chân số 9, là chân điện áp đầu vào được dùng làm
điện áp tham chiếu. Vì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 ( Vin) nằm
trong dải 0 đến +5Vnên chân 9 được để hở và ADC0804 có đầu ra 8 bit nên

•

–

–

8

–

có 2 =256 trạng thái tương ứng với giá trị từ 0→255 nên ta có kích thước
bước ( là điện áp để tăng giảm 1 giá trị): a= 5/255= 19,6mV.
Chân số 6 và chân số 7 (Vin (+) và Vin (-)): 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.

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 19


Trường ĐHCN Hà Nội
–
–

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.
Chân số 18 – 11(D0 – D7): Là các chân ra dữ liệu số (D7 là bit cao nhất
MSB và D0 là bit thấp nhất LSB). Để tính điện áp đầu ra ta tính theo công
thức sau:
Dout = Vin / Kích thước bước.

3.8)
–

–

a)

Bộ môn VMTT&VMS

Bộ hiển thị số BCD.
Số nhị phân 8 bit có giá trị lớn nhất là 255. Vì vậy, em sử dụng 3 LED 7
thanh để hiển thị kết quả tương ứng với các số hàng đơn vị, hàng chục
và hàng trăm.
Em chia thành 2 khối mạch chính như sau: khối xử lý đổi số nhị phân
sang BCD gồm 3 khối (khối đơn vị, khối hàng chục, khối hàng trăm) và
khối giải mã gồm 3 LED 7 đoạn để hiển thị kết quả.
• Sơ đồ khối bộ hiển thị số BCD.

Hình 3.81: Sơ đồ khối bộ hiển thị số BCD.
Cách chuyển đổi số nhị phân tự nhiên 8 bit thành số BCD:
Để đổi số nhị phân sang BCD thì em sử dụng IC 7483 để cộng các bit:
• Mạch cộng các bit :

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 20


Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

Hình 3.82: Mạch cộng các bit


Xét sự chuyển đổi số nhị phân 4 bit thành số BCD trên được sử
dụng 2 IC 7483 và các cổng logic để hiệu chỉnh kết quả:
• Chuyển số 4 bit thành số BCD: Khi cộng 4 bit mã nhị phân thì ta sẽ

•

được giá trị từ 010-1510 nhưng một số BCD chỉ có giá trị từ 010-910.
Vậy để đọc được kết quả dạng BCD ta phải hiệu chỉnh kết quả có
được từ mạch cộng nhị phân.
Bảng kết quả tương đương giữa mã nhị phân và mã BCD:
TP

NHỊ PHÂN

S4
0
1
2
3
4
5
6
7
8

9
10
11
12
13
14
15

Nông Đức Nghĩa

0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1

S3
0
0

0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1

S2
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0

1
1

BCD

S1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1

c4
0
0
0
0
0
0

0
0
0
0
1
1
1
1
1
1

s4

s3
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0

BCD
đọc
theo
NP
s2

0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
1
1

s1
0
0
1
1
0

0
1
1
0
0
0
0
1
1
0
1

0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1

0

1
2
3
4
5
6
7
8
9
16
17
18
19
20
21

Trang_ 21


Trường ĐHCN Hà Nội


–


–
–

Bộ môn VMTT&VMS

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. 1 cổng logic OR và 1 cổng AND
như hình trên.
Hoạt động:
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 ở ngõ vào A số 0110  610 (do
Y=1) và kết quả được hiệu chỉnh như đã nói trên.
Dựa vào bảng kết quả tương đương giữa mã nhị phân và mã BCD ta phát
hiện thấy kết quả >=10 thì tín hiệu ở chân S4 luôn bằng 1 và hoặc s2=1
hoặc s3=1 ( S4=1 AND ( s2=1 OR s3=1)). Vậy ta có cổng logic OR thứ nhất
và AND như hình.
Như vậy là ta đã chuyển đổi được mã nhị phân 4 bit sang mã BCD.
Khi chân B của IC thứ nhất có tín hiệu mà kết quả trung gian IC 7483 >15
và <31 thì C4=1 và C4=0 khi <=15. Lúc này 2 cổng Logic OR thứ nhất và
AND cho ra tín hiệu =0. Nên ta sử dụng thêm con OR như hình.
Chuyển đổi nhị phân 5 bit.
Ở bit thứ 5 ( giá trị thập phân tương ứng là 16 ). Vì vậy, ta sẽ cộng 6 vào
khối mạch xử lí đơn vị, và cộng 1 vào khối mạch xử lí hàng chục.
Chuyển đổi nhị phân 6 bit.
Ở bít thứ 6 ( giá trị thập phân tương ứng là 32 ). Vì vậy, ta sẽ cộng 2 vào
khối mạch xử lí đơn vị, và cộng 3 vào khối mạch xử lí hàng chục.
Chuyển đổi nhị phân 7 bit.

Ở bít thứ 7 ( giá trị thập phân tương ứng là 64 ). Vì vậy, ta sẽ cộng 4 vào
khối mạch xử lí đơn vị, và cộng 6 vào khối mạch xử lí hàng chục. Lúc này
ngõ ra Y của khối hiệu chỉnh có thể lên mức 1 nên ta sẽ đưa vào khối mạch
xử lí hàng trăm
Chuyển đổi nhị phân 8 bit.
Ở bít thứ 8 ( giá trị thập phân tương ứng là 128 ). Vì vậy, ta sẽ cộng 8 vào
khối mạch xử lí đơn vị, cộng 2 vào khối mạch xử lí hàng chục (Lúc này ngõ
ra Y của khối hiệu chỉnh có thể lên mức 1 ta sẽ cộng vào khối mạch xử lí
hàng trăm) và cộng 1 vào khối mạch xử lí hàng trăm .
Đến đây, ta đã hoàn thành được việc chuyển đổi số nhị phân 8 bit thành
số BCD.

•
–


–


–

–

–


–



Nông Đức Nghĩa

Trang_ 22


Trường ĐHCN Hà Nội
b)
–
–

Bộ môn VMTT&VMS

Hiển thị kết quả ra led 7 thanh.
Sử dụng 3 con IC 7447 và 3 con led 7 thanh để hiện thị mã BCD hàng
trăm, chục và đơn vị.
IC 7447 có ngõ vào tác động mức cao, ngõ ra tác động mức thấp, và chỉ
hoạt động khi ngõ vào LT lên mức cao.
• Sơ đồ mạch:

Hình 3.83: Bộ giải mã và hiển thị
3.9)


Khối nguồn.
Cấu trúc khối nguồn:
M¸y biÕn ¸p

Nông Đức Nghĩa

CÇu diod

Läc

æn ¸p

CÊp cho toµn m¹ch

Trang_ 23


Trường ĐHCN Hà Nội

Bộ môn VMTT&VMS

Hình 3.91: Mạch khối nguồn
–
–
–

–
–
–
3.10)

–

Biến áp có nhiệm vụ biến áp 220V/ 50 Hz thành điện áp 15V/ 1A.
Cầu diod làm nhiệm vụ nắn điện áp ± 15V xoay chiều thành điện áp một
chiều.
IC LM7805 là vi mạch có điện áp đầu ra ổn định và sắp xếp thuận tiện để

lắp các bộ nguồn ổn áp công suất nhỏ, ở đầu ra bộ ổn áp là các điện áp
5V. LM7805 chỉ chịu dòng điện lớn nhất là 1A ( với điều kiện tản nhiệt
tốt ).
Nguồn 5V dùng IC ổn áp LM7805 để ổn định cho ADC 0804,IC
7447,loa, cầu phân áp và Led.
Các tụ dùng để chống nhiễu.
IC LM 7812 và IC 7912 để cấp nguồn cho uA 741 và IC 555.
Cơ cấu chỉ thị.
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 thànhmạch 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 dâyđược 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 3.10: Cơ cấu chỉ thị từ điện.
Nông Đức Nghĩa

Trang_ 24


Trường ĐHCN Hà Nội

–

Bộ môn VMTT&VMS

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
theobiểu thức:
Mq ==B.S.I.W
với

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 nhấtvới dòng điện I chạy qua khung dây.
3.11) Kết luận
– Quá trình đo lường dùng cảm biến nhiệt độ với mạch khá đơn giản và còn
–

nhiều bất cập, mạch còn khá đơn giản để cơ cấu đo chính xác ta nên kết
hợp với vi mạch số, vi xử lý và vi điều khiển để có thể hiển thị trực quan
–

bằng nhiệt độ và quá trình điều khiển cảnh báo có thể dễ dàng hơn .
Ứng dụng cùng với vi mạch số và vi mạch điều khiển ta có thể dùng cảm
biến nhiệt độ ứng dụng vào các mạch như mạch báo cháy tự động, mạch
đo nhiệt độ lò nung, điều khiển điều hòa không khí, hay trong các lò ấp

–

trứng, nhà bảo quản lạnh ….
Trong quá trình làm bài em còn nhiều bất cập và thiếu sót rất mong các
thầy cô giáo thông cảm, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ
môn đã giúp đỡ em trong quá trình làm bài tập lớn !!!

Nông Đức Nghĩa

Trang_ 25