Bài tập lớn vi mạch tương tự và vi mạch số

BÀI TẬP LỚN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ
Nhóm: 2

Lớp: TĐH3_K9

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 đầu ra với các mức điện áp:
1. U=0 ÷ 10V.
2. U= 0 ÷ -5V.
3. I=0÷20mA.
4. I=4÷20mA.
- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị hoặc LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ
- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷tmax-n. Thiết kế mạch
nhấp nháy cho LED với thời gian sáng bằng 2 lần thời gian tốivà bằng:
T0=(1+0,5*a) giây.
- Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C=0÷tmax-2n. đóng điện cho động cơ điện 1
chiều 5DVC chạy làm mát.
- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi và LED khi nhiệt độ vượt giá trị :
t0C= tmax-2n.
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.

1

PHẦN THUYẾT MINH
Yêu cầu về 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
- Lựa chọn nguồn cung cấp.
- Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa
- Tính toán mạch nhấp nháy cho LED
- Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo.
- ...
Kết luận và hướng phát triển.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO
1. Khái niệm về nhiệt độ.
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.
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:

3


 Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).
 Thang Celsius ( 0C ): T( 0C ) = T( K ) – 273,15.
 Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( K ) – 459,67.
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.
2. 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.
3. 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: t0C =00C ÷ tmax = 00C ÷ (100+10*n)0C (n: số thứ tự sinh viên
trong danh sách): n=51 => t0C = 00C ÷ 6100C. 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.
4


CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH
*

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

TC7107.
LM7805 , LM7812, LM7912.
Còi, Led, Led 7 thanh, điện trở, tụ điện, đi-ốt.

1. Cặp nhiệt ngẫu (Thermocouple)

a)

Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt ngẫu công nghiệp.

Hình 1.1: Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu.
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 ngẫu đó được cấu tạo bởi 1 chất liệu khác
nhau, từ đó sức điện động tạo ra cũng khác nhau dẫn đến dải đo cũng khác
5


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, 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.
b) 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.

6

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(-2.2mv ~41.22mv).
– 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:
7


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:
• 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).

3. IC 555
Hình 3.1: Sơ đồ chân IC 555

8


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

Hình 3.2: Cấu trúc bên trong của LM 555
 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.
4. 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...
9


– 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...

+ 79xx gồm có 3 chân :
+ 78xx gồm có 3 chân :
1 : GND - Chân nối đất
1 : Vin - Chân nguồn đầu vào
2 : Vin - Chân nguồn đầu vào
2 : GND - Chân nối đất
3 : Vo - chân nguồn đầu ra.
3 : Vo - chân nguồn đầu ra.
5.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 .)
10


+ 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 .
6) ADC 10 bit TC7107:

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 là 51 nên có:
+ Dải đo từ: t0C = 00C ÷ 6100C.
+ Đầu ra: Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp:
11


- U=0 ÷ 10V
- U= 0 ÷ -5V
- I=0÷20mA.
- I=4÷20mA
- Dùng cơ cấu đo để chỉ thị hoặc LED 7 thanh hiển thị nhiệt độ
o

- Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường : t0C=0÷tmax-n=0 ÷559 C.
Thiết kế -mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng bằng 2 lần thời
gian tốivà bằng: T0=(1+0,5*a) =1.5s.
- Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C=0÷tmax-2n=508 đóng điện cho động cơ
điện 1 chiều 5DVC chạy làm mát.
- Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi và LED khi nhiệt độ vượt giá trị :
o

t0C= tmax-2n=508 C
- Dùng TC7107 chuyển điện áp sang mã nhị phân. Xây dựng bộ hiện
thị số.
– Sơ đồ khối hệ thống:

Cơ cấu chỉ thị

– 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.

12


• 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.
3.2) Tính toán, lựa chọn cảm biến.
– Có dải cần đo là: t0C = 00C ÷ 6100C. Vì vậy em chọn cặp nhiệt ngẫu loại J
có dải đo : -40 ~ 750oC, có hệ số K=0,055mV/oC.(-2.2mV ÷41.25mV)
– Coi điểm tham chiếu luôn có nhiệt độ T2 = 0 oC 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 .
• Với : T1 = 00C
=> Ucb = 0 mV.
0
• Với : T1 = 610 C => Ucb = 33.55mV.
3.3) Tính toán, thiết kế khối khuếch đại và khối chuẩn hóa.
a) Khuếch đại vi sai(mạch trừ) :
- Để chuẩn hóa 0÷10V thì ta sử dụng mach khuếch đại vi sai điện áp ra của
cặp nhiệt ngẫu, để chuyển điện áp từ đầu ra cặp nhiệt ngẫu thành 10V để sử
dụng điện áp 10V cho các mạch sau.
- Đầu ra trên hai đầu cảm biến cặp nhiệt ngẫu là điện áp (1oC~0.0055mV)
nên ở đây ta sẽ sử dụng mạch khuếch đại vi sai đơn giản với sơ đồ không
đảo. Mạch dùng phản hồi âm để ổn định hệ số khuếch đại.
- Với đề bài này thì ta sẽ khuếch đại tín hiệu luôn ở mạch vi sai (điện áp ra từ
0÷10V tương ứng với dải nhiệt độ 0÷610C).

13


Hình 3.2.Mạch khuếch đại vi sai đơn giản

- Tính toán các giá trị của kiện trong mạch.
U 0 = Ui 2

- Ta có:

R4
R2
R2
(1 +

) − Ui1
R3 + R 4
R1
R1

R3 R1
=
R4 R2
R2
Suy ra : U 0 = (Ui 2 − Ui1)
R1

Nếu chọn điều kiện :

-Tại T=0oC : Chọn Ui1=0V và Ui2=0V => Uo = 0V.
-Tại T=610oC : Chọn Ui1=0V và Uo=5V, U i2 = 33.55mV
Suy ra:

R2
5
=
= 296.7 (1)
R1 33.55*10−3

Từ (1) chọn R1 = 1kΩ => R 2 = 296.7kΩ.
Vậy R3 = R1 = 1kΩ => R4 = R2 = 296.7kΩ.
Chuẩn hóa 0÷-5v
– Để chuẩn hóa 0÷-5v thì cần khối khuếch đại đảo tín hiệu mạch chuẩn hóa
0÷10v với hệ số khuếch đại là -2, để chuyển điện áp 10V thành -5V để sử
dụng điện áp -5V cho các mạch sau

b)

-Sơ đồ mạch :
14


Hình 3.33: Mạch chuẩn hóa 0÷-5v
Tính toán các giá trị linh kiện trong mạch:
Ta có: Uo = −

R2
= −2
R1

Chọn R1=10k, suy ra: R2=20kΩ, R3= 10kΩ

d, Chuẩn hóa 0÷20mA
– Để chuẩn hóa 0÷20mA thì cần bộ chuyển đổi U-I để chẩn hóa tín hiệu 10v thành
20mA.
– sơ đồ mạch:

15


• Yêu cầu chuẩn hóa I=0÷ 20 mA. Vậy hệ số chuyển đổi :

•

KUI =

=

=

20mA
10V

→ R3 = 500 Ω.

e, Chuẩn hóa 4÷20mA
– Để chuẩn hóa 4÷20mA thì cần bộ chuyển đổi U-I để chẩn hóa tín hiệu 10v thành
4÷20mA.

– sơ đồ mạch:

16


• Khi điện áp vào thay đổi từ: 0 ÷ 10V thì Uin+ thay đổi từ 2÷ 10V.
• Yêu cầu chuẩn hóa I=4÷ 20 mA. Vậy hệ số chuyển đổi :

KUI =

=

=

4mA 20mA
÷
2V

10V

→ R3 = 500 Ω.

3.4.Tính toán, thiết kế mạch so sánh
o

– Nhiệt độ giới hạn là: tgh=tmax-2n = 610-2n = 508 C
→ Uss =

10*(610 − 2n)
=8.32 (V).
610

– Khi điện áp vào Uin < Uss thì điện áp ra Uo ở mức cao, nếu điện áp vào U in >
Uss thì điện áp ra Uo ở mức thấp.
- Sơ đồ mạch:
17


Hình 3.4: Mạch so sánh.
3.5. Mạch cảnh báo.
- Khi nhiệt độ vượt quá tmax-2n=508oC thì đưa ra tín hiệu cảnh báo tới loa.
Với yêu cầu như vậy thì ta sử dụng luôn mạch so sánh + một bộ NOT..

- Nguyên lý hoạt động chung của mạch: Khi nhiệt độ vượt quá tmax-2n=
508oC thì U- > U+ điện áp ra của mạch so sánh ở mức L(thấp).Khi tín hiệu
qua bộ NOT tín hiệu được phủ định trở thành mức H(cao) xuất hiện dòng
chạy qua loa làm loa kêu. Ngược lại không có dòng đi qua loa.

Hình 3.8.Mạch cảnh báo ra loa khi quá nhiệt độ
- Để ứng dụng trong thực tế , có thể sử dụng rơle để cảnh báo bằng
chuông điện xoay chiều 220V hoặc thiết bị bạn muốn điều khiển.

18


3.6. Mạch động cơ làm mát:
- Khi nhiệt độ vượt quá tmax-2n=508oC thì cho chạy động cơ 5VDC làm

-

mát. Với yêu cầu như vậy thì ta sử dụng luôn mạch so sánh + một bộ
NOT + một van bán dẫn đơn giản sử dụng transistor.
Nguyên lý hoạt động chung của mạch: Khi nhiệt độ vượt quá t max-2n=
508oC thì U- > U+ điện áp ra của mạch so sánh ở mức L(thấp). Chân B của
transistor được kéo xuống mức 0, đồng thời transistor sẽ được phân cực
thuận, xuất hiện một dòng điện IEC đi qua quạt làm quạt quay. Ngược lại thì
transistor bị phân cực ngược (R=∞) và không có dòng chạy qua động cơ.

Hình 3.8.Mạch làm mát bằng động cơ 5VDC

3.7. Mạch nhấp nháy.
– Ngược với mạch cảnh báo, mạch nhấp nháy hoạt động khi nhiệt độ dưới:
o

tmax-2n = 508 C  Uin- Khi Uin < 4.16 V thì tín hiệu ra của mạch so sánh ở mức cao nên mạch nhấp
nháy hoạt động, khi Uin > Uss=8.32 V thì tín hiệu ra của mạch so sánh ở
mức thấp mạch nhấp nháy không hoạt động.

– Sơ đồ mạch:
19


Hình 3.6: Mạch tạo xung vuông, đèn nhấp nháy
• Khi tín hiệu từ đầu ra mạch so sánh ở mức cao ( tương ứng U in<4V) được
đưa vào chân 4 của IC 555 sẽ tác động vào chân 4 (chân reset ) của IC 555
làm mạch tạo xung hoạt động làm đèn nháy với: τ=1.5s.
• Khi tín hiệu từ đầu ra mạch so sánh ở mức thấp ( tương ứng U in>4V) được
đưa vào chân 4 của IC 555 sẽ tác động vào chân 4 (chân reset ) của IC 555
làm mạch tạo xung ngừng hoạt động.
 Mạch tạo xung sử dụng IC 555 có yêu cầu thời gian đèn sáng bằng 2 lần thời
gian tối có Tn=1+a*0,5 ( mà n=51, a=1) → τ=1.5s.
Ta có: Tn= 0.69(RA+RB)*C=1.5s và Tx=0.69 RB*C để Tn=2Tx thì RA=RB
Chọn C= 100uF → RA=RB= 10.8 kΩ.
3.8.

Bộ hiển thị nhiệt độ dùng ADC 10 bit TC7107.

– Số nhị phân 10 bit có giá trị lớn nhất là 1023. 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.
– Mạch khối xử lý tín hiệu điện sang số nhị phân sang 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.

20

Hình 3.7: Sơ đồ khối bộ hiển thị nhiệt độ bằng LED 7 thanh.
Ta có:
Vin +
Số hiển thị= 1000
Vref +

3.8. Khối nguồn.
 Cấu trúc khối nguồn:

21


Hình 3.91: Mạch khối nguồn
– Biến áp có nhiệm vụ biến áp 220V/ 50 Hz thành điện áp 15V/ 1A.
– Cầu diode 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.
3.9. 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.

22


Hình 3.10: Cơ cấu chỉ thị từ điện.
 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.
3.10. 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 ….
23

– Trong quá trình làm bài chúng em còn nhiều bất cập và thiếu sót rất mong
các thầy cô giáo thông cảm, chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô
giáo bộ môn đã giúp đỡ em trong quá trình làm bài tập lớn.

24