ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ DÙNG LM35

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN

MÔN VI MẠCH TƯƠNG TỰ
Đề Tài:

Ứng dụng VMTT&VMS thiết kế mạch đo và cảnh báo
và hiển thị nhiệt độ.
Giáo Viên Bộ Môn : TỐNG THỊ LY
Sinh viên thực hiện : BÙI VĂN CHUNG
Mã sinh viên: 0941040398
Lớp: ĐIỆN 5-K9
LỜI NÓI ĐẦU

Với mục tiêu công nghiệp hóa , hiện đại hóa và tốc độ phát triển
chóng mặt về công nghệ và kĩ thuật cũng như chất lượng đời sống của đất
nước trong thời kì hiện nay thì vấn đề điều khiển và vận hành các thiết bị
công nghiệp nhằm nâng cao năng xuất lao động và chất lượng sản phẩm
đồng thời giảm chi phí là vấn đề quan trọng đáng để . Có thể nhận
thấy:Trong thực tế có rất nhiều vấn đề liên quan đến đo và điều khiển nhiệt
độ.Ví dụ như: lò sấy công nghiệp, các lò luyện gang, sắt, thép,đèn báo
cháy...
Suốt thời gian học vừa qua em được tích lũy một lượng kiến thức mà thầy
cô truyền đạt để xây dựng đề tài : Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử


dụng 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 tiếp thu còn hạn chế nên trong đề tài này không tránh
khỏi thiếu sót. Em mong được sự đóng gó pcũng như lời nhận xét của thầy
cô để đề tài của em được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Mục lục
Chương 1 : Tổng quan về mạch đo
Chương 2 : Giới thiệu các thiết bị, linh kiện cần cho hệ thống
Chương 3 : Tính toán, thiết kế mạch đo.

3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến.


3.2 Tính toán, thiết kế mạch nguồn cấp.
3.3 Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa.
3.4 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED.
3.5 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo.
3.6 Sơ đồ tổng thể mạch và dùng phần mềm mô phỏng mạch.
3.7 Bộ giải mã BCD.

Kết luận và phương hướng phát triển.

Chương 1 : Tổng
•

Khái niệm về nhiệt độ

•

Khái niệm:

quan về mạch đo

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:
•

Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).

•

Thang Celsius ( C ):

•

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

T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15.

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
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.
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 Tổng quan về phương pháp đo nhiệt độ
1.4.1: 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.

Sơ đồ khối của hệ thống đo:


1.4.2: 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.

Chương 2 : Giới thiệu về các linh kiện và thiết bị
sử dụng trong hệ thống đo.
2.1 Giới thiệu về IC cảm biến nhiệt LM35 :
Hình ảnh LM35
(Chân 1 VCC, chân 2 OUT, chân 3 GND)


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 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)

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
(các loại IC, vi điều khiển thường hoạt động ở điện áp này).
Mạch trên lấy nguồn một chiều từ một nguồn ngoài với điện áp trên 5V và
nhỏ hơn 20V 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.
2.3 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.
2.3.1 Sơ đồ chân và chức năng các chân.
Hình 1.1: Sơ đồ chân IC 555
Hình 1.2: Cấu trúc IC 555
Chức năng các chân:
1 : ( GND ) Nối mass.
2 : ( TRIGGER ) Nhận xung kích để đổi trạng thái.
3 : ( OUT ) Ngõ ra.
4 : ( RESET ) Trả về trạng thái đầu.
5 : ( CONTROL VOLTAGE ) Lấy điện áp điều khiển tần số dao

+ Chân
+ Chân
+ Chân
+ Chân
+ Chân
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.

2.3.2: 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 = [0].
Khi R = [1] thì = [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 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.
•

Bộ chuyển đổi tương tự số 8 bit ADC0804

•

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 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
•

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.

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.


•

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.

•

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.

•

IC 7447

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

•

LED 7 thanh.

Hình 11: LED 7 thanh.
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
2mV. 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 R hd 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, V CE SAT =0.2
V, vậy nên phải có điện trở hạn dòng cho IC này để không sảy ra cháy IC
mã hóa.
•

LED báo.

Là thiết bị dùng để báo sáng nhấp nháy khi mạch đo thấy nhiệt độ
trong phạm vi cho phép.

Hình 12: LED
•

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.
•

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.

•

Điện trở, tụ điện.

Hình 14: Điện trở và 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 14111541linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề
mặt 141dẫn điện được ngăn cách bởi 413444điện môi. Khi có chênh
lệch 411điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện 413điện
tích cùng điện lượng nhưng trái dấu.

•

Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích
trữ 46013năng lượng 416019điện trường của tụ điện. Khi chênh lệch
điện thế trên hai bề mặt là 411điện thế xoay chiều, sự tích luỹ điện
tích bị 33chậm pha so với điện áp, tạo nên 193111trở kháng của tụ
điện trong mạch điện xoay chiều.

•

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.


Hình : Còi báo động.

2.4 Giới thiệu về một số khuếch đại thuật toán (KĐTT)
2.4.1.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.
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.

2.4.2.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.

Hình 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 (K O =∞) 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.
Mạch điên tương đương KĐTT lý tưởng

Trong đó, là trở kháng vào của KĐTT, là trở kháng ra của KĐTT,
điện áp vào đến của vào đảo, 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:

2.4.3.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
: 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: =

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

sẽ được

Vậy tín hiệu ra xác định bằng biểu thức:

Chương 3 : Tính

toán, thiết kế mạch đo


Dải đo từ t*C= 0*C – tmax = 0*C – (50+10*5)˚C
v

•

Chuẩn hóa đầu ra với các mức điện áp.

•

U = 0 ÷ 10V.

•

I = 4 ÷ 20mA

•

Dùng cơ cấu đo để chỉ thị.

•

Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường t*c = 0 – 2.tmax/3. Thiết
kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng tối bằng nhau: t=
(1+0,5.3)=2,5(s).

•

Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị: t=
(40+5*10)˚C

•

Dùng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân. Xây dựng bộ
hiển thị số BCD. Hiển thị nhiệt độ đo được ra Led 7 thanh

3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến.

Cảm biến được lựa chọn là IC LM35 .Việc đo nhiệt độ sử dụng
LM35 thông thường chúng ta sử dụng bằng cách :
LM35 - > ADC - > Vi điều khiển
Dùng ADC 10 bit. Giá trị của ADC này từ [-1024 đến 1024] nên ta chỉ lấy
giá trị dương giá trị ADC của nó là 0 đến 2048.
LM 35 có nhiệt độ tối đa là 150. Mà bài yêu cầu nằm trong khoảng là t= (0
-100)
Cứ 10mV tương ứng với 1 nên :

+ Tại 0 thì giá trị đầu ra của LM35 thì điện áp 0V
Mà với LM35 nhiệt độ Max là 150˚C thì điện áp đầu ra là 1,5V.
+Theo bài tại gt 100˚C thì giá trị đầu ra của LM35 là : 100*0,01=1V
Ta thấy giá trị đầu ra rất nhỏ so với giá trị max là 10VĐiện áp tương ứng là
1,00 mà LM35 thay đổi trong 10mV.
3.2 Tính toán, thiết kế mạch nguồn cung cấp
Vì hầu hết các nguồn sử dụng trong mạch đều là nguồn một chiều mà
trên thực tế thì nguồn lại là các nguồn xoay chiều với điện áp là 220V.
=> Biến đổi dòng xoay chiều sang 1 chiều .
Tính chọn máy biến áp: Ở đây chúng ta có hai nguồn đó: +5V, +12V/12V, như vậy cần sử dụng máy biến áp có nhiều cấp điện áp để lấy ra hai
cấp điện áp mình dùng. Hoặc ta có thể hạ xuống 12V rồi dùng con biến trở
để chỉnh xuống 5V nhưng sẽ tiêu tốn 1 lượng năng lượng vì vậy nên dùng 2
bộ chỉnh lưu điện áp. Một phương pháp khác là ta có thể dùng khối ổn áp 1
chiều để có đầu ra thay đổi.
Phương án thiết kế : Dùng IC ổn áp 1 chiều.
•

Biến áp : Do yêu cầu đặt ra nên ta sử dụng biến áp có điện áp vào
220V và điện áp ra là 12V.

•

Mạch chỉnh lưu : do những ưu điểm của mạch chỉnh lưu cầu như điện
áp ra ít nhấp nháy, điện áp ngược mà điôt phải chịu nhỏ hơn so với
phương pháp cân bằng nên ta sẽ chọn bộ chỉnh lưu cầu 1 pha 2 nửa
chu kỳ.

•

Bộ lọc nguồn có nhiệm vụ san bằng điện áp để dòng điện phẳng hơn,

lọc bằng tụ điện khá đơn giản và chất lượng học khá cao. Nên ta dùng
tụ điện.

•

Khối ổn áp theo yêu cầu thiết kế có điện áp ra +5V, +12V/-12V. Ta sẽ
dùng IC7812/IC7912 và 7805.
Sơ

•

đồ khối của mạch nguồn:
Hình 18: Sơ đồ khối mạch nguồn.


Dùng IC ổn áp 7805 cấp nguồn vào luôn ổn định là 5V cho IC LM35

3.3 Tính toán, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa.
3.3.1 : Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp U= 0 10V

Dùng bộ khuếch đại không đảo

Với mạch khuếch đại không đảo ta có công thức:
•

Tín hiệu ra xác định bằng biểu thức:
U0 = (1+RF/R1)UI (*)

Với bài ra có: UI = 0 - 1V
Chuẩn hoá áp ra: U0 = 0 – 10V

Ta có: 10 = (1+RF/R1)1
•
•

RF/R1=897/100
RF(R7)=897ohm, R1(R8)=100ohm

Chọn R4 = 10k.


3.3.4 Chuẩn hóa đầu ra có dòng 4mA
Dùng mạch biến đổi U-I với 2 khuếch đại thuật toán.

Điều kiện của mạch là: R2.R5=R1.R6
Biểu thức dòng điện ra:
IL=(UI2-UI1).R1/(R2.R3)
•

Khi IL=4(mA) => UI2=0V

•

Khi IL=20(mA) => UI2=1,03V

Ta có hệ:
4.10^-3 = - (UI1.R1)/(R2.R3)
20.10^-3 = (1,00 – UI1).R1/(R2.R3)
=> 5 = (10- UI1)/(-UI1) => UI1= -2.5V.
R1/R2=R3/625
Chọn R1=R2=10k, R5=R6=1k => R3= 625ohm

Chọn RL=2.2 ohm.

3.4 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED
Dùng mạch tạo xung vuông đối xứng với IC NE555


Theo yêu cầu bài toán thời gian sáng và thời gian tối của LED bằng nhau và
bằng:
=(1+0,5.3)=2,5 (s )
Ta có R10=R11=10kΩ
Từ công thức R11.C1.0,69= suy ra C1=362.32 uF

3.5 Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo.
Dùng mạch so sánh khuếch đại thuật toán

Theo bài ra: tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá giá trị
tC== =90c ta chọn mức cảnh báo khi nhiệt độ bằng 90C
suy ra điện áp so sánh là +0,9V

3.6 Dùng phần mềm mô phỏng mạch

Hình 3.6: Mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC LM35


•

Xây dựng bộ hiển thị số BCD.

•

Sử dụng ADC0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân.

•

ADC0804 là một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số.
Chip có điện áp nuôi +5V và độ phân giải 8 bit.

•

Nguyên lý hoạt động chung của mạch: Để ADC0804 làm việc thì
chân CS phải được đặt ở mức thấp. Chân RD nhận tín hiệu vào tích
cực mức thấp, đồng thời thì chân RW phải có một xung cao xuống
thấp để IC bắt đầu quá trình chuyển đổi . Cụ thể trong mạch sử dụng
IC555 để tạo xung vuông. LED D1 tắt báo cho người dùng biết quá
trình chuyển đổi hoàn tất. RD đang ở mức thấp, tín hiệu số được đưa
ra PORT D (DB0-BD7). Quá trình cứ lặp đi lặp lại và điện áp chân
VIN được chuyển đổi sang mã nhị phân.

•

Sơ đồ mô phỏng trên Proteus.

•

Số nhị phân 8 bit có giá trị lớn nhất là 255. Vì vậy ta sẽ sử dụng 3
LED 7 đoạn để hiển thị kết quả tương ứng với các số hàng đơn vị,
hàng chục và hàng trăm.

•

Từ nhận xét này chúng em chia thành các khối mạch như sau: khối
hiển thị bằng LED 7 đoạn hàng đơn vị, khối mạch hiển thị hàng chục
và khối hiển thị hàng trăm.

•

Cách chuyển đổi số nhị phân tự nhiên 8 bit thành số BCD:

•

Đầu tiên ta chuyển số 4 bit thành số BCD: hai số BCD có giá trị từ 010
đến 910 khi cộng lại cho kết quả từ 010 đến 1810 , để đọc được kết quả
dạng BCD ta phải hiệu chỉnh kết quả có được từ mạch cộng nhị phân.

•

Dưới đây là kết quả tương đương giữa 3 loại mã: thập phân, nhị phân
và BCD.
•

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.

Bảng

•

sự

thật:

•

Mạch cộng 2 số BCD được thực hiện theo sơ đồ:

Hình 28. Mạch cộng 2 số nhị phân 4 bit
•

Vận hành:

•

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 ỡ ngõ vào A số 0110 (do Y=1)
và kết quả được hiệu chỉnh như đã nói trên.


•

Như vậy, ta đã chuyển đổi được số nhị phân 4 bit thành số BCD.

•

Tiếp theo ta sẽ đổi số 5 bit, 6 bit, 7 bit và 8 bit thành số BCD.

•

Ở bít thứ 5 ( giá trị thập phân tương ứng là 16 ). Vì vậy, ta sẽ cộng 6
vào khối mạch hiển thị đơn vị, và cộng 1 vào khối hiển thị hàng chục.

•

Ở bít thứ 6 ( giá trị thập phân tương ứng là 32 ). Vì vậy, ta sẽ cộng 2
vào khối mạch hiển thị đơn vị, và cộng 3 vào khối hiển thị hàng chục.

•

Ở bít thứ 7 ( giá trị thập phân tương ứng là 64 ). Vì vậy, ta sẽ cộng 4
vào khối mạch hiển thị đơn vị, và cộng 6 vào khối hiển thị hàng chục.
Lúc này có thể xuất hiện bit tràn ở hàng chục nên ta sẽ đưa vào khối
hiển thị hàng trăm.

•

Ở bít thứ 8 ( giá trị thập phân tương ứng là 128 ). Vì vậy, ta sẽ cộng 8
vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng 2 vào khối hiển thị hàng chục
(nếu có bit tràn thì cộng vào khối hiển thị hàng trăm) và cộng 1 vào
khối hiển thị hàng trăm .

•

Tiếp theo là phần hiển thị kết quả: ta sẽ sử dụng IC 7447 để giải mã
LED 7 đoạn.

•

Sơ đồ mô phỏng trên Proteus.

Hình 29: Bộ chuyển đổi 8 bit sang BCD.

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Quá trình làm đề tài đã giúp em hiểu rõ hơn về ứng dụng thực tế của các
linh kiện đã được học và. Qua đó em luyện tập được khả năng tư duy, kĩ
năng sử dụng phần mềm ,cách thức nghiên cứu, giải quyết một số vấn đề
thực tế.
Mô hình mạch đo được thế kế ra có thể sư dụng rộng rãi để đo nhiệt độ