Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dung IC cảm biến nhiệt độ.

Bài tập lớn VMTT&VMS

LỜI NÓI ĐẦU
Đất nước ta hiện nay đang trên đà phát triển trở thành một nước công nghiệp.Vì
vậy vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năng
xuất và chât lượng sản phẩm đồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọng đáng để
chú ý.Trong thực tế có rất nhiều bài toán liên quan đến vấn đề đo và điều khiển
nhiệt độ.Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, các lò luyện gang, sắt, thép...
Trong kì này sau khi học môn vi mạch tương tự -vi mạch số và các môn liên quan
nhóm chúng em được giao đề tài: Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dung
IC cảm biến nhiệt độ.
Trong quá trình làm đề tài được sự giúp đỡ hết sức tận tình của cô giáo hướng
dẫn “ Tống Thị Lý ” cùng các thầy cô trong bộ môn “Đo lường điều khiển” số đã
giúp đỡ em hoàn thành đúng thời hạn đề tài này. Nhưng do lượng kiến thức còn
hạn chế nên trong đề tài này không tránh khỏi thiếu sót. Em mong được sự đóng
góp của thầy cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn.

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang 1


Bài tập lớn VMTT&VMS

MỤC LỤC
MỤC LỤC.....................................................................................................................2
* Sơ đồ chân và chức năng các chân..................................................................8
2.2.4.Bộ chuyển đổi tương tự số 8 bit ADC0804..............................................11
2.2.5.Khuếch đại thuật toán LM358.................................................................15

2.2.6.IC 7447......................................................................................................19
2.2.7.LED 7 thanh..............................................................................................19
2.2.8.LED báo....................................................................................................20
2.2.9.Transistor...................................................................................................21
2.2.10.Điện trở, tụ điện.....................................................................................22
2.2.11.Còi báo....................................................................................................23
2.3.1.Lựa chon cam biến...................................................................................23
2.3.2.Tinh toán thiết kế mạch chuân hoá........................................................25
2.3.3. Mạch nhâp nháy cho Led........................................................................29
2.3.4. Mạch canh báo........................................................................................30
Các bộ chuyển đổi ADC thuộc những thiết bị được sử dụng rộng rãi nhât để thu dữ
liệu. Các máy tinh số sử dụng các giá trị nhị phân, nhưng trong thế giới vật lý thì
moi đại lượng ở dạng tương tự (liên tục).Nhiệt độ, áp suât (khi hoặc chât lỏng), độ
âm và vận tốc và một số it những đại lượng vật lý của thế giới thực mà ta gặp hằng
ngày.Một đại lượng vật lý được chuyển về dòng điện hoặc điện áp qua một thiết bị
được goi là các bộ biến đổi.Các bộ biến đổi cũng có thể coi như các bộ cam biến.
Mặc dù chỉ có các bộ cam biến nhiệt, tốc độ, áp suât, ánh sáng và nhiều đại lượng
tự nhiên khác nhưng chúng đều cho ra các tin hiệu dạng dòng điện hoặc điên áp ở
dạng liên tục. Do vậy, ta cần một bộ chuyển đổi tương tự số sao cho bộ vi điều
khiển có thể đoc được chúng. Một chip ADC được sử dụng rộng rãi là ADC0804.
.....................................................................................................................................30
CHƯƠNG III:XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG...................................................36
3.1.Mạch tạo xung: IC LM555.............................................................................36
3.2.Mạch đo...........................................................................................................37
3.3. Khối ADC (analog digitor converter).............................................................38
3.4. Khối giai mã cho 8 bit đầu vào.....................................................................39
3.5. Khối hiển thị....................................................................................................40
3.6. Khối canh báo.................................................................................................40
CHƯƠNG IV:PHÂN TÍCH VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ................................................42

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang 2


Bài tập lớn VMTT&VMS

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘ
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 ):

3-

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

Nhóm 1-Điện 1-K8

T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15.

Trang 3


Bài tập lớn VMTT&VMS

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.Các phương pháp đo nhiệt độ
1.2.1.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 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.
1.2.2.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.
1.3.Khảo sát đặc tính nhiệt độ cần đo
-Nhiệt độ cần đo :tºC=0ºC đến (50+10*N)ºC
(với N là thứ tự sinh viên trong danh sách lớp)
-Chọn N=1 dải nhiệt độ cần đo của nhóm em từ 0ºC-60ºC
-Giá trị cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá 50ºC

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang 4


Bài tập lớn VMTT&VMS

CHƯƠNG II:THIẾT KẾ MẠCH ĐO,CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ
2.1.Sơ đồ khối của hệ thống
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
Sơ đồ khối của hệ thống đo:

Mạch
khuếch
đại,
chuẩn
hóa

Mạch nguồn

Cảm
Biến

Mạch so
sánh

Chỉ
thị

Mạch nhấp nháy
cho LED

Còi báo

Hiển thị
BCD

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang 5


Bài tập lớn VMTT&VMS

(**)Vai trò tác dụng của các khối:
•
Khối nguồn : làm nhiệm vụ đảm bảo nguồn cấp cho cảm biến luôn là +5V
nguồn nuôi cảm biến.
•
Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu ra cho các mạch so sánh, khuếch
đại, vào ADC.
•
Mạch khuếch đại : khuếch đại và chuẩn hóa các điện áp, dòng điện theo yêu
cầu bài toán.
•
Chỉ thị: là các Ampmeter hoặc Volmeter hiển thị dòng hoặc áp vị trí cần đo
và trước 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 đặt.

•
Mạch nhấp nháy: đèn LED nhấp nháy trong chế độ nhiệt độ bình thường, tắt
khi vượt quá nhiệt theo yêu cầu bài toán.
•

Hiển thị mã BCD.

2.2. Các linh kiện sử dụng trong hệ thống
2.2.1. IC cảm biến nhiệt LM35 :

(Chân 1 VCC, chân 2 OUT, chân 3 GND)

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang 6


Bài tập lớn VMTT&VMS

Cảm biến LM 35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp
đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius.Chúng cũng
không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh.
Đặc điểm chính của cảm biến LM35 :
+ Điện áp đầu vào từ 0V đến 10V
+ Độ chính xác cao ở 25℃ là 0.5℃
+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải
Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ 0℃ - 150℃ với các mức điện áp ra khác
nhau. Xét một số mức điện áp sau .
Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp. Đối với hệ
thống này thì đo từ 0℃ đến +103℃
LM35 có 3 chân : 2 chân cấp nguồn và 1 chân xuất điện áp ra tùy theo nhiệt độ
Nhiệt độ tăng 1C thì điện áp xuất ra ở chân out của LM35 tăng 10mV
2.2.2.Giới thiệu về IC 7805 ( IC ổn áp 5V)
Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao,sử dụng IC

ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản.Các loại ổn
áp thường được sử dụng là IC 78xx,với xx là điện áp cần ổn áp.Ví dụ 7805 ổn áp
5V, 7912 ổn áp -12V. Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tự nhau.

LM7805 ( kiểu chân TO220: 1-IN, 2-GND, 3-OUT)

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang 7


Bài tập lớn VMTT&VMS

Ngõ ra OUT luôn ổn định ở +5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi.Mạch
này dùng để bảo vệ những linh kiện chỉ hoạt động ở điện áp +5V.
Mạch trên lấy nguồn một chiều từ một nguồn ngoài với điện áp trên 5V và nhỏ
hơn 35V để đưa vào ngõ IN 7805.Khi kết nối mạch điện, do nhiều nguyên nhân
người dùng dễ nhầm lẫn cực tính của nguồn cung cấp khi đấu nối vào mạch,trong
trường hợp này rất dễ ảnh hưởng đến các linh kiện trên board mạch.Vì lí do đó
gắn nối tiếp 1 diode có dòng phù hợp trước chân IN của LM7805 để tránh gây hư
hại các linh kiện phía sau khi lắp ngược cực.
2.2.3.Giới thiệu về IC 555
Đây là IC loại 8 chân được sử dụng rất phổ biến để làm: mạch đơn ổn, mạch
dao động đa hài, bộ chia tần, mạch trễ, …Nhưng trong mạch này, IC 555 được sử
dụng làm bộ phát xung.
Thời gian được xác lập theo mạch định thời R, C bên ngoài. Dãy thời gian tác
động hữu hiệu từ vài micro giây đến vài giờ.
IC này có thể nối trực tiếp với các loại IC: TTL/ CMOS/ DTL.
* Sơ đồ chân và chức năng các chân.

Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 555

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang 8


Bài tập lớn VMTT&VMS

Hình 1.2: Cấu trúc IC 555
*)Chức năng các chân:
+ Chân 1 : ( GND ) Nối mass.
+ Chân 2 : ( TRIGGER ) Nhận xung kích để đổi trạng thái.
+ Chân 3 : ( OUT ) Ngõ ra.
+ Chân 4 : ( RESET ) Trả về trạng thái đầu.
+ Chân 5 : ( CONTROL VOLTAGE ) Lấy điện áp điều khiển tần số dao động.
+ Chân 6 : ( THRESHOLD ) Lập mức ngưỡng cho tầng so sánh.
+ Chân 7 : ( DISCHARGE ) Đường xả điện cho tụ trong mạch định thời
+ Chân 8: ( Vcc ) Nối với nguồn dương.

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang 9


Bài tập lớn VMTT&VMS

*)Nguyên lý hoạt động.

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý tạo dao 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

= [0].

Sau đó, khi S = [0] thì Q = [1] và

Khi R = [1] thì

= [0].

= [1] và Q = [0].

Tóm lại: khi S = [1] thì Q = [1] và khi R = [1] thì Q = [0], = [1], transistor
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
Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang


Bài tập lớn VMTT&VMS

nên S = [1], Q = [1] và = [0]. Ngõ ra của IC ở mức 1.

Khi = [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp trên tụ tăng.

Khi nhả công tắc, Op-amp 1 có V- = [1] lớn hơn V+ nên ngõ ra của Op-amp 1
ở mức 0, S = [0], Q và

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 = [1]. Ngõ ra của IC ở mức 0.

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

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang


Bài tập lớn VMTT&VMS

chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và
CLK IN nhưng không thể nhanh hơn 110μs.

Hình 3: IC chuyển đổi tương tự - số 8 bit ADC0804
b.

Nguyên lý làm việc.
Chức năng các chân ADC0804:

-

Chân CS (chân số 1) chọn chíp: Là một đầu vào tích cực mức thấp được

sử dụng để kích hoạt chíp ADC0804. Để truy cập ADC0804 thì chân này phải
ở mức thấp.
Chân RD (chân số 2): Đây là một tín hiệu đầu vào được tích cực mức
thấp. Các bộ ADC chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân tương
đương với nó và giữ nó trong một thanh ghi trong. RD được sử dụng để nhận
dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra của ADC0804. Khi 0CS = nếu một xung cao
– xuống – thấp được áp đến chân RD thì đầu 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.

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang


Bài tập lớn VMTT&VMS

Hình 4 : Sơ đồ khảo sát ADC0804
-

Chân CLK IN (chân số 4) và CLK R (chân số 19): Chân CLK IN là

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

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.

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang


Bài tập lớn VMTT&VMS

-

Chân VCC (chân số 20): Đây là chân nguồn nối +5V, nó cũng được

dùng như điện áp tham chiếu khi đầu vào REFV/2 (chân số 9) để hở.
Chân REFV/2 (chân số 9): Là một điện áp đầu vào được dùng cho điện
áp tham chiếu. Nếu chân này hở (không được nối) thì điện áp đầu vào tương tự
cho ADC0804 nằm trong dãy 0-5V→(giống như chân VCC). Tuy nhiên, có
nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin cần phải khác ngoài dãy
0→5V. Chân /2REFV được dùng để thực thi các điện áp đầu vào khác ngoài
dãy 0→5V. Ví dụ: Nếu dãy đầu vào tương tự cần phải là 0 →4V thì REFV/2
được nối với +2V.
Các chân dữ liệu D0 – D7 (Từ chân 11 đến chân 18): Các chân dữ liệu
D0 – D7 (D7 là các bit cao nhất MSB và D0 là bit thấp LSB) là các chân đầu
ra dữ liệu số. Đây là những chân được đệm ba trạng thái và dữ liệu được
chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD bị đưa xuống thấp.
Để tính điện áp đầu ra ta có thể sử dụng công thức sau:
Dout=
Với Dout là đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân).Vin là điện áp đầu vào tương tự
và độ phân dãy là sự thay đổi nhỏ nhất được tính như là (2x/2REFV) chia cho
256 đối với ADC 8 bit.
-

Chân GND (chân số 10): Đây là những chân đầu vào cấp đất chung cho

cả tín hiệu số và tương tự. Đất tương tự được nối tới đất của chân Vin tương
tự, còn đất số được nối tới đất của chân VCC. Lý do mà ta phải có hai đất là để
cách ly tín hiệu tương tự Vin từ các điện áp ký sinh tạo ra việc chuyển mạch số
được chính xác. Trong phần trình bày thì các chân được nối chung với một đất.
Tuy nhiên, trong thực tế thu đo dữ liệu các chân đất này được nối tách biệt.

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang


Bài tập lớn VMTT&VMS

2.2.5.Khuếch đại thuật toán LM358.

Hình 6. sơ đồ khối LM358
LM358 cấu tạo gồm có 2 kênh khuếch đại thuật toán
Kênh 1: chân 2,chân 3 là chân đầu vào và chân 1 là chân đầu ra
Kênh 2: chân 5,chân 6 là chân đầu vào và chân 7 là chân đầu ra
Chân 4 là chân nối với nguồn âm, chân 8 là chân nối nguồn dương.
(**)Giới thiệu về một số khuếch đại thuật toán (KĐTT)
-Khái niệm
Khuếch đại có nghĩa là dùng năng lượng nhỏ làm thay đổi một năng lượng lớn
khác. Năng lượng nhỏ gọi là năng lượng điều khiển.Năng lượng lớn gọi là
năng lượng bị điều khiển.
Bộ KĐTT cũng như các bộ khuếch đại thông thường khác đều dùng để khuếch
đại điện áp,dòng điện và công suất.Tính ưu việt của bộ KĐTT là tác dụng của
mạch điện có bộ KĐTT có thể thay đổi được dễ dàng bằng việc thay đổi các

phần tử mạch ngoài (coi bộ KĐTT như hộp đen).Để thực hiện được điều đó,
bộ KĐTT phải có các đặc tính co bản là :hệ số khuếch đại lớn, trở kháng cửa
vào rất lớn và trở kháng ra của nó rất nhỏ.
Trước đây, bộ KĐTT thường được sử dụng trong việc thực hiện các phép toán
giải tích ở các máy tính tương tự,nên được gọi là KĐTT.Ngày nay, KĐTT
được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong kỹ thuật đo lường và điều khiển.
Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang


Bài tập lớn VMTT&VMS

Do công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử ngày càng phát triển, nên đã chế tạo
được các mạch tích hợp(các vi mạch- IC) của KĐTT gần lý tưởng. Và các vi
mạch KĐTT trong các mạch điện tử đơn giản cũng được coi là lý tưởng. Tuy
nhiên, các vi mạch KĐTT luôn có các thông số thực là hữu hạn.

-Khuếch đại thuật toán lý tưởng
KĐTT được dùng để khuếch đại điện áp, dòng điện hay công suất ,để thiết kế
các mạch điện tử chức năng. Một KĐTT được ký hiệu như trên sơ đồ 1.1.2.

Ký hiệu các chân ra của KĐTT

: Ngõ vào âm
: Ngõ vào dương
+Ecc: Ngõ cấp điện áp dương
-Ecc: Ngõ cấp điện áp âm
: Tín hiệu cửa ra
KĐTT lý tưởng có trở kháng vào vô cùng lớn (

∞), trở kháng ra bằng 0

(ZO =0) hệ số khuếch đại vòng hở vô cùng lớn (KO =∞) và điện áp cửa ra bằng
0V, khi điện áp các ngõ vi sai bằng nhau (UO=0V, khi

).

Trong thực tế kỹ thuật không có bộ KĐTT lý tưởng. Để đánh giá được các bộ
KĐTT thực so với KĐTT lý tưởng ta căn cứ vào các thông số của mạch tích
hợp KĐTT thực với thông số ly tưởng trên. Nhưng trong thiết kế các mạch
điện tử đơn giản ta vẫn có thể coi các IC KĐTT thực được sử dụng như một
KĐTT lý tưởng.

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang


Bài tập lớn VMTT&VMS

Mạch điên tương đương KĐTT lý tưởng

Trong đó,

là trở kháng vào của KĐTT,

điện áp vào đến của vào đảo,

là trở kháng ra của KĐTT,

là điện áp vào đến cảu vào không đảo,

là

điện áp vào vi sai. Từ sơ đồ, ta có biểu thức cho điên áp ra:

Trong đó , điện áp vi sai ở cửa vào:

-Các mạch khuếch đại cơ bản dùng KĐTT
Mạch khuếch đại đảo

: điện áp vào cần khuếch đại
: điện trở mạch phản hồi âm
: điện trở mạch vào
Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang


Bài tập lớn VMTT&VMS

: điện trở nói đất với của vào không đảo
Tại nút N ta có:

=0

Vậy
Mặt khác, do dòng điện chảy qua

bằng 0, nên điện áp tại nút N bằng 0, hay

=0.Vậy ta có kết quả:

Hệ số khuếch đại điện áp của mạch :

Vậy biểu thức của tín hiệu ra:

Mạch khuếch đại không đảo

Mạch khuếch đại không đảo

Mạch lặp lại điện áp

Vì điện trở của vào của KĐTT ô cùng lớn, nên dòng điện chảy qua

bằng

0.Từ đó ta có:
Trong khi đó ta có:

Nhóm 1-Điện 1-K8

=

Trang


Bài tập lớn VMTT&VMS

Vậy hệ số khuếch đại điện áp của mạch khuếch đại không đảo :
được viết như sau:

=

sẽ

=

Vậy tín hiệu ra xác định bằng biểu thức:

2.2.6.IC 7447
IC dùng để giải mã tín hiệu rồi đưa tín hiệu đã được giải mã hiển thị qua LED
7 thanh.

2.2.7.LED 7 thanh.

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang


Bài tập lớn VMTT&VMS

Tại khối hiển thị ta dùng IC giải mã 4 ngõ vào thành 7 ngõ ra để xây dựng bộ
hiển thị số BCD.
*Nguyên lý hoạt động:
Mạch sẽ hiển thị giá trị nhiệt độ đo được tại mọi thời điểm hệ thống hoạt động,
giá trị hiện thị sẽ được đưa đến ngõ vào của IC giải mã 74LS47 qua các Input,
với tính năng giải mã của vi mạch này, sẽ cho ra dữ liệu song song trên các

Bus đến các LED song song. Chương trình sẽ chọn LED nào và hiển thị nhiệt
độ lên LED.
Khi có 1 sự biến đổi điện áp từ cảm biến, tức sự thay đổi nhiệt độ môi trường
cần đo thì mã của 74LS47 cũng sẽ thay đổi phù hợp, tần số quét LED được
thiết kế hợp lý để tránh mắt thường quan sát được.
* Tính toán thiết kế:
Để LED sang 1 cách bình thường thì trên mỗi đoạn của LED cần cung cấp giá
trị dòng điện khoảng 10mA. Điện áp rơi trên mỗi LED vào khoảng 2V. Nguồn
cung cấp điện áp cho mạch Vcc= 5V.
Với IC 74LS47 ta có các thông số ngõ ra như sau:
Vo1= 0.4 V .
Io1= 40mA.
Trường hợp ta thiết kế cho LED sang với dòng điện 10mA. Như vậy:
Rhd =(Vcc - V LED – Vo1 )/ ILED=(5V- 2V- 0.4V)/ 10mA= 260 (Ω)
Trong thực tế khi thiết kế ta chỉnh giá trị Rhd sao cho LED sang rõ nhất và lúc
này ta đo được giá trị điện trở hạn dòng là Rhd =330 (Ω).
Tại ngõ ra của IC 74LS47, ta mắc thêm điện trở hạn dòng cho IC này trong
trường hợp LED sang thì điện áp trên LED khoảng 2V, VCE SAT =0.2 V, vậy
nên phải có điện trở hạn dòng cho IC này để không sảy ra cháy IC mã hóa.
2.2.8.LED báo.
Là thiết bị dùng để báo sáng nhấp nháy khi mạch đo thấy nhiệt độ trong phạm
vi cho phép.

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang


Bài tập lớn VMTT&VMS

2.2.9.Transistor

Hình 13 : Transistor
Transitor hay còn gọi là bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình
thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor
thuận,
nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược.
Nguyên lý hoạt động:
Muốn cho tranzito làm việc ta phải cung cấp cho các chân cực của nó một điện
áp một chiều thích hợp. Có ba chế độ làm việc của tranzito là: chế độ tích cực
(hay chế độ khuếch đại), chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa. Cả hai loại
tranzito P-N-P và N-P-N đều có nguyên lý làm việc giống nhau, chỉ có chiều
nguồn điện cung cấp vào các chân cực là ngược dấu nhau.

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang


Bài tập lớn VMTT&VMS

-

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.
2.2.10.Điện trở, tụ điện.

-

Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được

làm từ hợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra
được các loại điện trở có trị số khác nhau.
Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn
điện được ngăn cách bởi điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt,
tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.
Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng
lượng điện trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện
thế xoay chiều, sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở
kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều.

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang


Bài tập lớn VMTT&VMS

2.2.11.Còi báo.

Còi báo làm nhiệm vụ phát tín hiệu âm thanh báo động khi xảy ra sự cố nhiệt
độ tăng quá giới hạn cho phép.

2.3.Tính toán các khối
+ Nhiệt độ cần đo: tºC=0ºC đến (50+10N)ºC
+ Chuẩn hoá 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
Với N=1 ta có: - Nhiệt độ cần đo: 0-60ºC
-Giá trị cảnh báo: 50ºC
2.3.1.Lựa chọn cảm biến
Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp
đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Chúng cũng
không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh
Đặc điểm chính của cảm biến LM35
+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V
+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC
+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C
+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang

Bài tập lớn VMTT&VMS

Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C - 150 C với các mức điện áp ra
khác nhau.

Hình ảnh LM35

Cấu tạo bên ngoài: LM35 có 3 chân:
-

+Vs: chân nguồn
Vout: chân xuất điện áp ra, điện áp này sẽ thay đổi tuyển tính theo nhiệt

độ môi trường cần đo.
GND: chân mass
Khi ở 0*C thì điện áp đầu ra của LM35 là 0V, cứ tăng lên 1*C thì điện áp đầu
ra sẽ tăng lên 10mV. Với đề bài, nhiệt độ cần đo từ 0-60*C thì điện áp đầu ra

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang


Bài tập lớn VMTT&VMS

của LM35 sẽ thay đổi từ 0-600mV. Nhiệt độ cảnh báo là 50*C, lúc này điện
áp đầu ra của LM35 là 500mV.
2.3.2.Tính toán thiết kế mạch chuẩn hoá

*)Chuẩn hoá đầu ra 0-10V

Với mạch khuếch đại không đảo ta có công thức:
Tín hiệu ra xác định bằng biểu thức:
U0 = (1+R20/R21)UI (*)
Với bài ra có: UI = 0 – 0.6V
Chuẩn hoá áp ra: U0 = 0 – 10V
Ta có: 10 = (1+R20/R21)0.6
R20/R21=47/3
R20=47kΩ, R21=3kΩ
Chọn R22= 10kΩ.

Nhóm 1-Điện 1-K8

Trang