BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ ĐẠI HỌ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

saBỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BÀI
LỚN

TẬP

ĐỀ TÀI: Ứng dụng VMTT&VMS thiết kế mạch đo và cảnh báo, hiển thị
nhiệt độ
BỘ MÔN:

VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH

SỐ
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

TỐNG THỊ LÝ

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

Đoàn Duy Đạt

1
Bài tập lớn Vmtt-vms
Sinh viên: Đoàn Duy Đạt


PHIẾU GIAO BÀI TẬP LỚN
Đề tài: Ứng dụng VMTT&VMS thiết kế mạch đo và cảnh báo, hiển thị nhiệt độ ra
LED 7 thanh.

Yêu cầu:
- Dải đo từ toC = 0oC - tmax = 0 – (50 + 10*N) oC
- Chuẩn hóa đầu ra: 4 – 20 mA
- Cảnh báo: Đưa 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 ra Led 7 thanh
N là số thứ tự sinh viên trong danh sách.

2


MỤC LỤC

3


PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘ
I - Các phương pháp đo
1. Phương pháp đo tiếp xúc
a. Nhiệt điện trở kim loại:
–
–
–
–
–

Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV).
Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.

Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,

…
– Tầm đo:-100 0C

Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD
- Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…
được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. 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. 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 tại 0oC. Điện trở càng cao thì độ nhạy
nhiệt càng cao
- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây

4


b. Thermistor
– Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…
– Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
– Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo.
– Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.
– Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch
điện tử.
– Tầm đo: 50-1500C

Cấu tạo Thermistor.

– Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột oxid. Các bột này được hòa
trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt
độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay
đổi.
– Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC - Điện trở tăng theo nhiệt
độ; Hệ số nhiệt âm NTC – Điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là
loại NTC.
– Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150 0C do
vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các
mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt-mít. Cái Block
lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ.

5


c. Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples)
Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng
nhiệt điện. Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản
chất hoá học khác nhau được nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và
nhiệt độ hai mối hàn là t và t 0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng
điện. Sức điện động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện động nhiệt
điện. Nếu một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hở
thì giữa hai cực xuất hiện một hiệu điện thế. Phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp
nhiệt ngẫu là một trong những phương pháp phổ biến và thuận lợi nhất.

Hình b: Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp
Ở môi trường nhiệt độ cao từ 16000 C trở lên, các cặp nhiệt ngẫu không chịu
được lâu dài, vì vậy để đo nhiệt độ ở các môi trường đó người ta dựa trên hiện
tượng quá trình quá độ đốt nóng của cặp nhiệt
d. IC cảm biến nhiệt độ (điốt và tranzitor)

- Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.
- Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
- Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý
đơn giản.
- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
- Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ
các mạch điện tử.
- Tầm đo: -50 <150 0C
- Các IC: LM35,LM335,LM45.

6


- Cấu tạo bán dẫn
- Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những
chất bán dẫn. Có các loại như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý của chúng
là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi
trường. Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho
ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm:
Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý
đơn giản, rẽ tiền,….

Hình c: Sơ đồ mạch nguyên lý của IC bán dẫn đo nhiệt độ

7


2. Phương pháp không tiếpxúc.
Phương pháp hỏa quang kế
– Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học.

– Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt.
– Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với
môi trường đo.
– Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền.
– Thường dùng: Làm các thiết bị đo cho lò nung.
– Tầm đo: -54 <1000 0F.

Cấu tạo hỏa kế
– Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ
của những môi trường mà các cảm biến thông thường không thể tiếp xúc
được (lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến).
– Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc.
Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng
bức xạ năng lượng. Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định.
Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật
cần đo.

8


II - KHẢO SÁT TÍNH NHIỆT ĐỘ CẦN ĐO
Các yêu cầu của hệ thống
– Đo và hiển thị nhiệt độ trong khoảng: toC = 0oC - tmax = 0 – (50+10*N) oC
STT trong danh sách lớp: 11
 Dải đo từ 0 – 160 oC
– Chuẩn hóa đầu ra: 0– 20mA
– Cảnh báo: Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng đèn nhấp nháy, còi khi nhiệt độ
vượt quá giá trị cảnh báo: 150oC
– Hiển thị nhiệt độ đo được ra Led 7 thanh

9


III - TÍNH CHỌN CẢM BIẾN
Từ những yêu cầu đề tài và các phương pháp đo nêu trên em xin chọn phương
pháp đo tiếp xúc sử dụng nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples)
1. Tổng quan về nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples)
Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV).
Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…
Tầm đo: -1001400 oC

Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng (hay
đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn). Khi có sự chênh
lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V
tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu
lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng
loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T.
Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp.
Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn
đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ
cho nó (offset trên bộ điều khiển).

10


2. Cấu tạo
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

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

3. Nguyên lý
Nguyên lý làm việc dựa trên hiệu ứng Thomson và hiệu ứng Peltier:
Hiệu ứng Thomson:
Một vật dẫn đồng chất A. Nếu ở hai điểm M,N có nhiệt độ khác nhau sẽ
sinh ra một suất điện động. Suất điện động này phụ thuộc vào bản chất vật dẫn

và nhiệt độ tại hai điểm

11


12


Hiệu ứng Peltier:
Hai vật dẫn A,B tiếp xúc với nhau và có cùng một nhiệt độ sẽ tạo nên một hiệu
điện thế tiếp xúc. Hiệu điện thế phụ thuộc vào bản chất vật dẫn và nhệt độ.


PHẦN 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ SỬ
DỤNG VMTT&VMS
I - HÌNH THÀNH SƠ ĐỒ KHỐI
1. Sơ đồ khối

ĐỐI
TƯỢNG
CẦN ĐO

CẢM BIẾN

NGUỒN
NUÔI

KHUẾCH ĐẠI
CHUẨN HÓA

KHỐI GIẢI
MÃ

SO SÁNH

CẢNH BÁO

HIỂN THỊ

2. Yêu cầu cho từng khối
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động
- Cảm biến: Nhận tín hiệu cần đo, dùng làm đệm tín hiệu và lọc nhiễu tín hiệu
trước khi chuyển sang các khối khác
- Khuếch đại, chuẩn hóa: Chuẩn hóa tín hiệu theo yêu cầu
- So sánh: làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa về với tín hiệu đã cài đặt.
Tuỳ theo tín hiệu ngõ ra, sẽ ra quyết định để cơ cấu chấp hành gia tăng,
giảm, hay giữ nguyên nhiệt độ thậm chí có thể kết hợp để báo động hiển thị
- ADC: dùng cho chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự đo được của cảm
biến thành những tín hiệu dạng số để đưa tín hiệu đi so sánh và chỉ thị
- Hiển thị: cho phép người quản lý thấy được tại thời điểm bất kì của hệ thống
đo để kịp thời xử lý
- Cảnh báo: thực hiện chức năng báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho
phép

14
Bài tập lớn VMTT& VMS
Sinh viên: Đoàn Duy Đạt


II - TÍNH CHỌN CÁCKHỐI

1. Khối cảm biến
Với cặp nhiệt ngẫu lại J:
+ Sử dụng cặp: Sắt/Constantan (Fe/Cu/Ni)
+ Dải đo: -210 12000C

Hình 2.1: Khối cảm biến
+
+

Ở 0oC điện áp ra là 0 mV
Ở 160oC điện áp ra là 8.56 mV

2. Khối khuếch đại và chuẩn hóa đầu ra
a) Khối khuếch đại đầu ra
Sử dụng mạch khuếch đại vi sai cải tiến. Hệ số khuếch đại Ku = 100
Uo=UI.[(R20+R24)/R18+1].R28/R26
Chọn R20=R24=5kΩ, R28=R29=20kΩ, R26=R27=10kΩ,R18=200Ω

15
Bài tập lớn VMTT& VMS
Sinh viên: Đoàn Duy Đạt


Hình 2.2: Mạch khuếch đại vi sai cải tiến
Điện áp đầu vào là 8.56 mV, điện áp đầu ra bộ khuếch đại là 8.98 V
b) Mạch chuẩn hóa dòng điện I = 0– 20 mA

Hình 2. 3: Khâu chuẩn hóa U-I
Khâu sử dụng mạch biến đổi U-I sử dụng 2 khuếch đại thuật toán
I=(UI2-UI1).R8/(R7.R12), R7.R11=R8.R5

16
Bài tập lớn VMTT& VMS
Sinh viên: Đoàn Duy Đạt


UI2= 8.56 V,UI1= -1 V
Chọn R7 = 10K, R8 = 26K, R12 = 500, R11 =100K và R5 = 38.46K
Thực tế trong mô phỏng: R5 = 6K
3. Khối so sánh

Hình 2.4: Khối so sánh
Ở 149oC điện áp ra là 4.31 V
Ở 150oC điện áp ra là 4.33 V
 Chọn điện áp so sánh là 4.33 V

17
Bài tập lớn VMTT& VMS
Sinh viên: Đoàn Duy Đạt


4. Khối cảnh báo

Hình 2.5: Khối cảnh báo
Sử dụng cảnh báo bằng còi và đèn nhấp nháy
Ở đây sử dụng IC555 để tạo dao động và 74HC08 để tạo tín hiệu cảnh báo
tn=0.69π n, hay tn = 0.69(R6 + R5)C1
Thời gian xả điện ( không có xung ra): tx=0.69 πx , hay tx= 0.69R11C6.
Ở đây ta chọn => C1 = 220uF,C2 = 1n F, R5 =R6 =2kΩ
tn=0.6072s và tx= 0.3036s
T = tn+ tx= 0.6072 + 0.3036 = 0.9108s  f = 1/T = 1.098Hz

Khi nhiệt độ vượt qua mức định sẵn: t = 150 oC điện áp ra của mạch so sánh ở
mức cao và xung áp có sẵn (thông qua phần phi tiếp điểm của 74HC08) làm đèn
nhấp nháy và còi kêu.

18
Bài tập lớn VMTT& VMS
Sinh viên: Đoàn Duy Đạt


5. Khối giải mã

Hình 2.6: Khối giải mã sử dụng IC TC7107
Sơ đồ nối chân như hình trên
ICL7107 của hãng Intersil là một bộ chuyển đổi ADC 3 ½ digit công suất thấp,
hiển thị tốt.
Bao gồm trong IC này là bộ giải mã LED 7 đoạn, bộ điều khiển hiển thị, bộ tạo
chuẩn và bộ tạo xung đồng hồ. Các đặc tính của nó bao gồm: tự chỉnh “0” nhỏ hơn
10 uV, điểm “0” trượt không quá 1uV/oC, độ dốc dòng ngõ vào tối đa là 10pA.
IC này có các đặc điểm rất quan trọng sau:
- Độ chính xác rất cao.
- Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
- Không cần mạch lấy mẫu và mạch giữ.
- Tích hợp đồng hồ.
- Không cần các thành phần ngoại vi có độ chính xác cao
Kết quả hiển thị ra led 7 đoạn
DISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF
19
Bài tập lớn VMTT& VMS
Sinh viên: Đoàn Duy Đạt

Ta có DISPLAY COUNT = 1000.VIN+/VREF+
Nối VREF+ với nguồn 3V
Vì vậy theo Datasheet

Đầu vào VIN+ phải đưa về từ 3,000V đến 3,160V thì Led sẽ hiển thị nhiệt độ từ 0160 0C

20
Bài tập lớn VMTT& VMS
Sinh viên: Đoàn Duy Đạt


Ta sử dụng mạch cộng không đảo để điều chỉn điện áp đưa vào V IN:

Uo = =+ =
= Uo2+ Uo1= 3 + 0.510 = 3.510
Uo1= 0.510, Uo2==3
-Xét khi UI = 2 - 10V tác động  Uo1= 0 - 0.160V: Uo1= 0.160V,UI = 8V chọn R1
= R2 = R3 = 1kΩ
Uo1 = =>R4 = 99K
Uo2= =>UI = 1.495V
6. Khối hiển thị
Sử dụng 5 LED 7 thanh đơn để hiển thị nhiệt độ

21
Bài tập lớn VMTT& VMS
Sinh viên: Đoàn Duy Đạt


22

Bài tập lớn VMTT& VMS
Sinh viên: Đoàn Duy Đạt


PHẦN 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG TRÊN PROTEUS
I.

Mạch nguyên lý

23
Bài tập lớn VMTT& VMS
Sinh viên: Đoàn Duy Đạt


II.

Mạch Layout

24
Bài tập lớn VMTT& VMS
Sinh viên: Đoàn Duy Đạt


III.

Mạch mô phỏng 3D

25
Bài tập lớn VMTT& VMS
Sinh viên: Đoàn Duy Đạt