MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ HIỂN THỊ RA ĐÈN LED

MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ HIỂN THỊ RA ĐÈN LED

Mục lục

CHƯƠNG 1.MỞ ĐẦU 4

1.Tổng quan: 4

2.Nôi dung báo cáo : 4

4

CHƯƠNG 2 .VẤN ĐỀ CHUYỂN ĐỔI ADC(SỬ DỤNG MẠCH SO SÁNH) 5

1 . MẠCH SO SÁNH: 5

2. Mạch ADC kiểu so sánh song song 6

3 . Mạch ADC kiểu đếm: 8

4 . Mach ADC sử dụng điện áp răng cưa: 9

5 . Mạch ADC so sánh liên 9

6 . Mạch ADC xấp xỉ liên tiếp 10

7 . Độ chính xác của mạch chuyển đổi tương tự_số : 10

8. Vấn đề giải mã để hiển thị số: 11

9. Lưa chọn phương pháp biến đổi điện áp tương tự thành tín hiệu số: 12

CHƯƠNG 2. VẤN ĐỀ BIẾN ĐỒI NHIỆT ĐIỆN 13

1. Vào đề 13

2 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu 14

3 . Nhiệt kế điện trở :dùng nhiệt điện trở 14

4 . Lựa chọn phương pháp biến đổi nhiệt - điện 16

CHƯƠNG 4 . XEM XÉT VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN CHO TỪNG BỘ PHẬN 17

1 . Cấu trúc cơ bản của một dụng cụ đo nhiệt độ: 17

1

2.Phân loại dụng cụ đo: 17

3. Sơ đồ nguyên lí chức năng : 18

4. Sơ đồ thực tế của các bộ phận tương ứng : 19

CHƯƠNG 5 .VẤN ĐỀ PHỐI HỢP GIỮA CÁC BỘ PHẬN. 33

1 . Phối hợp giữa bộ biến đổi tương tự số và bộ vi điều khiển AT89S52: 33

2.Phối hợp giữa bộ cảm biến và bộ vi điều khiển : 35

3.Phối hợp bộ vi điều khiển với đèn LED 7thanh : 35

CHƯƠNG 6 . TỔNG THỂ TOÀN MẠCH . 36

1. Sơ đồ nguyên lí 38

2.Sơ đồ chân lắp ráp của mạch đo 39

CHƯƠNG 7 . VẤN ĐỀ LẬP TRÌNH CHO IC VI ĐIỀU KHIỂN 40

1.Trình tự thực hiện : 40

2.Lựa chọn ngôn ngữ để lập trình cho IC : 40

3.Xây dựng lưu đồ thuật tốn của chương trình : 41

4.Viết chương trình viết theo ngơn ngữ C: 43

5.Nạp chương trình cho IC vi điều khiển: 45

CHƯƠNG 8 . VẤN ĐỀ ĐO LƯỜNG 49

1.Các định nghóa và đặc trưng chung 49

2. Các đại lượng ảnh hưởng đến tín hiệu đo 50

3.Sơ đồ khối tổng quát của một maïch ño 51

4. Sai số của phép đo 52

5. Chuẩn cảm biến 55

6. Độ nhạy 56

7. Độ nhanh – thời gian hồi ñaùp 56

2

8. Giới hạn sử dụng cảm biến 57

CHƯƠNG 9 THI CÔNG MẠCH ĐIỆN 58

CHƯƠNG 10 . KẾT LUẬN VÀ MỞ RỘNG ĐỀ TÀI . 59

Tài liệu tham khảo 60

3

CHƯƠNG 1.MỞ ĐẦU

1.Tổng quan:

Kĩ thuật số ,một lĩnh vực khơng cịn mang tính thời sự nóng bỏng nhưng vẫn ẩn chứa vơ
số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ , đã đang từng ngày thâm nhập vào đời sống của
chúng ta .Nhưng trong thưc tế các dạng năng lượng thường ở dạng tương tự .Do đó
muốn xừ 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 thưc tế về vấn đề
chuyển đổi ADC , vấn đề xử lí tín hiệu số và vấn đề đo lường các đại lượng không điện

bằng điện .

Để thưc hiện được đề tài này ,dưới sự hướng dẫn của cô giáo THÚY ANH ,
em đã tham khảo một số sách như:

 KỸ THUẬT SỐ THỰC HÀNH của tác giả ĐẮC THẮNG
 ĐO LƯỜNG CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN BẰNG

ĐIỆN
 ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ

2.Nôi dung báo cáo :

Chương 1:Tổng quan
Chương 2:Vấn đề chuyển đổi ADC
Chương 3:Vấn đề chuyển đổi nhiệt - điện
Chương 4:Vấn đề thiết kế mạch đo
Chương 5:Kết quả thu được

4

CHƯƠNG 2 .VẤN ĐỀ CHUYỂN ĐỔI ADC(sử dụng mạch so sánh)

1 . MẠCH SO SÁNH:

Ta quan tâm đến vấn đề mạch so sánh
Ura ở mức cao biểu thị cho mưc logic high

Ur

Ucao U1 Ura

+

U2 -

u=U1-U2

Uthấp

phần
chuyển tiếp

Ura ở mức thấp biểu thị cho mức logic low

5

2 . Mạch ADC kiểu so sánh song song :

6

Urep Uin

R

MSB

BỘ
MÃ
HOÁ

U2 n bit
đầu
ra

1LSE

U1
LSB

2 mũ n trừ1 mạch so sánh
Mạch ADC kiểu so sánh // n bit

_Ví dụ với số bit la` 3 thì có 7 bộ so sánh

7

Đầu vào chia làm tám giải điện áp .6 dải đầu có giá trị la`
S=Uo/7,2dải cịn lại co giá trị la` S/2=Uo/14
Uv trong khoảng 0- Uo/14 thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 000
Uv trong khoảng Uo/14- 3Uo/14 thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 001
Uv trong khoảng 3Uo/14- 5Uo/14 thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 010
Uv trong khoảng 5Uo/14- 7Uo/14 thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 011
Uv trong khoảng 7Uo/14- 9Uo/14 thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 100
Uv trong khoảng 9Uo/14- 11Uo/14 thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 101
Uv trong khoảng 11Uo/14- 13Uo/14 thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 110
Uv trong khoảng 13Uo/14- Uo thì tín hiệu số đầu ra sẽ là 111

3 . Mạch ADC kiểu đếm:

Uv Uss Cp
S Q
_
R Q

RESET

Udac DAC mạch
đếm

Tín hiệu số ra
mạch bao gồm mạch so sánh , FlipFlôp RS ,cổng ANDđẻ đóng mở bộ giao động chuẩn
Cp mạch đếm nbit mắc thành vòng hồi tiếp mạch đếm và FlipFlop được reset nên điện

áp ra UDAC của bộ DAC =0 và cổng and mở ra cho xung Cp vào mạch đếm.lúc nay điên

áp vào Uv lớn hơn Udac nên điện áp so sánh Uss o tri số thấp.Udac tăng theo bâc hình
thang cho đến khi lớn hơn Uv thì Uss chuyển về mức giá trị cao ,qua FlipFlop RS làm Q
đảo =0 dãn đến đóng cổng And .Lúc này tín hiệu trong mạch đếm la` tín hiệu số nbit
tương ứng của tín hiệu vào Uv .

Mạch này chỉ áp dụng cho trường hợp Uv biến đổi tương đối chậm khi đó giá trị số ở
đầu ra ADC tuy rời rạc nhưng khá trung thực .

Cần lưu ý thêm sau mỗi lần chyển đổi các dữ liệu số thu đươc cần phải đưa vaò
mạch lưu trữ hoặc chuyển đến bộ phân sư lý trước khi reset toàn mạch

8

4 . Mach ADC sử dụng điện áp răng cưa:

Uss Cp mạch đầu ra số
đếm RESET
Uv
R Q
_
S Q

Mạch tạo
điện áp
răng cưa

_Tín hiệu điện áp răng cưa là tín hiệu điên áp tăng dần theo thời gian với độ dốc là hằng
số.Khi kích thích điều khiển thì FF được đặt khiến đầu ra Q=1 nên mở cổng AND cho
xung nhịp Cp vào mạch đếm , đồng thời điện thế Udl tăng dần cho đến khi Udl >Uv thì
Uss chuyển lên mức cao làm FF được đặt lại ,Q=0 .Do đó cổng AND bị khóa và mạch
đếm ngừng lại , Uss cũng có thể được dùng để reset, mạch dốc lên .

5 . Mạch ADC so sánh liên tục:

điện áp vào Uss
Mạch Điều

Khiển

đếm đếm xuống
lên

DAC Mạch
Đếm

Udac Dao động chuẩn

Tín hiệu số ra
Mach cho phép tín hiệu đầu vào Uv biến thiên nhanh hơn.
_Nguyên lý hoạt động :khi sự khác biệt giữa Uv và Udac dến một giá trị nào đó do phần
chuyển tiếp của mach so sánh quyết định thì Uss sẽ ở một trong 2 trị số Ucao hoăc

9

Uthấp .Mạch diều khiển căn cứ vào Uss để đưa tín hệu ra đếm lên hay dếm xuống vào
mạch đếm va` do đó Udac sẽ biến đổi theo .Tuy nhiên Udac còn bi giới hạn bởi tần số
của mạch dao động chuẩn nên chỉ có thể bám theo được nhưng biến thiên của tín hiệu
đầu vào đến một tốc độ nào đó.

6 . Mạch ADC xấp xỉ liên tiếp :

Uvào Uss Mạch điều
khiển

DAC Mạch
ghi

Udac

Dao động chuẩn

Tín hiệu số ra

_Mạch có dạng tương tự mạch so sánh liên tuc nhưng ở đây người ta xử dụng một mạch

ghi thay thế cho mạch đếm tương ứng .Mạch này cũng dùng để giảm bớt thời gian
chuyển đổi .Khimạch ghi ở trang thái reset (000) sau đó mạch điều khiển kích thích để bit
lớn nhát đổi trang thái . Có hai trường hợp xảy ra :
_Udac lớn hơn Uv thì bit này bị bỏ đi
_Udac nhỏ hơn Uv thì bit này đươc duy trì .

Sau đó bit kế tiếp xuất hiện va` cứ tiếp tuc như vậy cho đến khi Udac xấp xỉ Uv
với một sai số nhất định với phương pháp này thời gian chuyển đổi dài nhất là 2n lần chu
kì xung của giao động chuẩn đối với mạch Nbit .Trong khi đó nếu so sánh với phương
pháp kia thì thời gian tối đa có thể là (2mũ n) -1 lần chu kì xung chuẩn nhưng với mạch
dạng này có nhươc dim là mạch diều khiển rất rắc rối

7 . Độ chính xác của mạch chuyển đổi tương tự_số :

a)Sai số tĩnh :
khi mạch làm việc thường xuất hiện sai số hệ thống .Các sai số lượng tử bằng một nửa

giá trị điện áp ULSB cần thiết thêm vào điện áp Uv để làm thay đổi 1mã của một bit. Bên

cạnh đó cịn có sai số do kết cấu của mạch gây ra .Vì vậy , trên lý thuyết ,các điểm giữa
của các bậc trên đường gấp khúc nối với nhau thành một đường thẳng với 1hệ số góc
nhất định xuât phát từ gốc toạ độ nhưng trong thực tế , đường nối đó khơng phải là một
đường thẳng mà là một đường gấp khúc và cũng không xuất phát từ gốc toạ độ.Các sai số
do kết cấu của mạch gây ra càng ngày càng được khắc phục tốt hơn để tạo ra ADC gần
như lý tưởng .

10

b)Sai số động :
Tín hiệu đầu vào lien tục biến đổi vì vậy người ta phải tiến hành lấy mẫu tín hiệu qua các

khoảng thời gian bằng nhau gọi là chu kỳ lấy mẫu .Các dữliệu thu được sẽ được chuyển
thành dàng số nhờ các ADC .
c)Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của ADC:
+Phần tạo tín hiệu so sánh :

nếu phần tạo tín hiệu so sánh là mạch DAC thì độ phân giải , độ tuyến tính và độ chính
xác của mạch này cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của tồn mạch .
+Phần tạo so sánh :

Đối với mạch so sanh ,chính khoảng chuyển tiếp của tín hiệu vào là yếu tố quan trọng
gây ra sư kém chính xác của mạch .Ngoài ra khoảng chuyển tiếp thay đổi theo trị tuyệt
đối của điên áp vào và nhiệt độ nên xảy ra hiện tương khơng tuyến tính trong phép so
sánh . Độ chính xác của mạch ADC cịn phụ thc vào độ ổn định của mạch dao động
chuẩn và thời gian giao hoán của cổng logic.

8. Vấn đề giải mã để hiển thị số:

Giả sử sau khi đã biến đổi điện áp tương tự thành tín hiệu số mã nhị phân BCD , ta lại
phải tiếp tục chế biến tín hiệu này để hiển thị được bằng đèn LED 7 thanh .

Ta lập được bảng chân lý sau:
DCBAAB c d e f g
00001111110
00010110000
00101101101
00111111001
01000110011
01011011011
01101011111
01111111000

10001111111
10011111011

Ta coi các thanh đèn sang là biểu thị cho mức 1 ,tối là biểu thị cho mức 0.Như vậy , giá
trị sáng tối củacác thanh đèn là các hàm logic đối với các biến mã nhị phân BCD .Ta sẽ
tiến hành tối thiểu hoá các hàm logic này ,rồi xây dựng mạch giải mã (chỉ xét hàm
a(A,B,C,D) lấy làm tiêu biểu ).

Căn cứ vào bảng trên và sử dụng bảng CACNO để tối thiểu hố ta có :
1011
0111
XXXX
1 1 XX

a=B+D+A.C+A.B.C.D
Từ phương trình trên ta xây dựng được một mach logic dựa trên các phần tử cơ bản như
sau :

11

A

B
a

C b

c

D d

e

f

g

Tương tự như vậy đối với các thanh b,c,d,e,f,g . Như vậy , ta đã xây dựng xong mạch giải
mã tín hiệu nhị phân BCD thành tín hiệu đèn LED 7 thanh.Sau đó , ta chỉ việc sử dụng
những ÍC tích hợp sẵn các cổng logic cơ bản để thiết kế sơ đồ mạch giải mã thực tế

9. Lưa chọn phương pháp biến đổi điện áp tương tự thành
tín hiệu số:

Ta lựa chọn phương pháp ADC kiểu đếm vì các lí do sau:

 Vi mạch sử dụng phương pháp biến đổi này rất thông dụng ,dễ kiếm và rẻ còn
tiền .
 Tương đối thoả mãn các yêu cầu về kỹ thuật,cho phép cho ra được kết quả
tương đối chính xác , sai số ở trong mức giới hạn cho phép .
 Có cả IC biến đổi ADC kiểu đếm được chế tạo kết hợp với bộ giải mã để cho ra
ở đầu ra là mã 7thanh tương thích với hiển thị(IC7017)đèn LED (cũng là loại
đèn hiển thị số rất thông dụng ,dễ kiếm và rẻ tiền) .
 Có thể sử dụng trực tiếp vi mạch này như một Milivonmet nên rất thuận tiện
cho việc thiết kế mạch đo.

12

CHƯƠNG 2. VẤN ĐỀ BIẾN ĐỒI NHIỆT ĐIỆN

ĐỂ ĐO NHIỆT ĐỘ

1 . Vào đề :

Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và giải nhiệt độ
_Phân ra làm 2 phương pháp chính : Đo trực tiếp va` đo gián tiếp
+Đo trưc tiếp la` phương pháp đo trong đó cac chuyển đổi nhiệt điện đươc đặt

trực tiếp trong môi trường cần đo.
+Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặt ngồi mơi trường

cần đo(áp dụng vơi trường hơp đo ở nhiệt độ cao ).
Ta chỉ khảo sát phương pháp đo trực tiếp vì giải nhiệt độ cần đo khơng phải ở

quá cao.
Đo nhiệt độ bằng phương pháp trưc tiếp ta lại khảo sát 2 loại nhiệt kế cặp nhiệt

ngẫu và nhiệt kế nhiệt điện trở.

2 . Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu :

_Cấu tạo : Gồm hai thanh kim loại a,b được hàn với nhau tại một đầu t1 hai
đầu t0 la` đầu tự do .

_Nguyên lý làm việc dựa trên hiệu ứng Thomson và hiệu ứng seebek :khi
nhiệt độ ở đầu t1 khác nhiệt độ ở đầu t0 chúng sẽ tạo nên mọt suất điện động:
Eab(t1,t0)=Eab(t1)-Eab(t0).Nếu giữ nhiệt độ ở đầu t0 khơng đổi thì:
Eab(t1,t0)=Eab(t1-c)=F(t1).

_Sơ đồ nguyên lý của nhiẹt kế ngẫu là 1mili vôn mét

Rd to I M
O
Rđc

to C

to

AB Rp mV
t1 Rf

N

+Rd: điện trở đường dây (quy định là 5 vôn)
+Rdc: điện trở điều chỉnh (điều chỉnh cho Rd =5ôm)
13

_Những nguyên nhân gây sai số ;
 Điện trở mạch đo thay đổi khi nhiệt độ môi trường thay đổi.
UMN=IRv(Rv là điện trở minivônmét)
I=Et/(2Rd+Rdc+Rab+Rv) (Rab là điện
trở cặp nhiệt kế )
Umn=Et.Rv/(2Rd+Rdc+Rab+Rv)
Umn=Et.Rv/(Rmd+Rv)
Rmd(là điện trở mạch đo)=2Rd+Rdc+Rab.
Mặt khác ta có Umn=I.Rv =Et-I.Rmđ Umn giảm
 Nhiệt độ đầu tự do to đươc duy trì ở nhiệt độ chuẩn khơng độ C
nhưng thực tế lại khác nên Et thực tế thường nhỏ hơn trên lý thuyết Phương pháp khắc

phục :có 2 phương phap : giữ ổn nhiệt độ đầu to hoăc dùng thiết bị bù nhiệt. Với cách thứ
nhất ta chỉ viêc ngâm đầu to vào nước đá còn cách thứ 2 ,ta có sơ đồ mạch điện như sau:

Rt a R

c d

to to

a b RR Rđc

t1 b

BỘ NGUỒN

R1,R2,R3làm bằng Mangani
Rt là điện trở động .
Nguyên lý hoạt động :khi nhiệt độ thanh tư do thay đổi thì Rt thay đổi làm cho mạch bù
mất cân bằng dẫn đến việc xuất hiện điện áp Ucd bù vào sức điện động bị thay đổi. Ta
có :

Eab(t1,to)= E’ab(t1,to)+Ucd

3 . Nhiệt kế điện trở :dùng nhiệt điện trở(là môt thiết bị biến đổi nhiệt độ
thành sự thay đổi thương số điện trở R:Rt=f(t) )
+Phân ra làm 2 loại :
-Nhiệt điện trở kim loại :thuường đươc làm bằng Niken,Cu,platin
Quan hệ R-t: Rt=Ro(1+at)

14

Ro: điện trở ở nhiệt độ chuẩn .
a:hệ số nhiệt độ .
t:nhiêt độ môi trường .
Dải nhiệt độ:50 200 độ C .
- Nhiệt điện trở bán dẫn :
Chế tạo từ hỗn hợp các chất oxit bán dẫn đa tinh thể như:
MgO,MgẠl2O2
Đăc tính quan trọng của nó là có độ nhạy nhiệt rất cao gấp hàng chuc lần loại trên.
Dải nhiêt độ rất rộng
Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ: Rt=Ro. Exp[B.(1/T-1/To) ]
Trong đó: To là nhiệt độ chuẩn tuyệt đối
Ro la điện trở của chất bán dẫn ở nhiệt độ To
Rt la điện trở của chất bán dẫn ở nhiệt độ T của môi trường
B là hằng số có giá trị từ 3000 đến 5000 K
Giá trị điện trở thường cỡ 50 Ôm 500 Ôm
- Đo nhiệt độ =diot va tranzitor
Linh kiện điện tử rất nhạy nhiệt nên ta có thể sử dụng 1số linh kiện bán dẫn như
diot hoặc tzt nối theo kiểu Điot(barơ nối với Colector)

C

U U

I B
a) E

b)

Khi đó điện áp U giữa hai cực của ĐIôt là hàm của nhiệt độ . Độ nhạy được xác định theo

biểu thức :

S=dU/dt (độ nhạy có giá trị thường cỡ 2.5 mV/độ C)

15

Để tăng độ tuyến tính, độ ổn định và khả năng thay thế người ta thường mắc theo sơ đồ
hình bên :

U1 U1
T1 T2

I1 I2

Khi nhiệt độ thay đổi ta có :
Ud=Ebe1-Ebe2=(K.T.ln(Ic1/Ic2))/q

Trong đó:K là hệ số
T là nhiệt độ mơi trường tính theo độ K
q là điện tích
Ic1 là dòng collector cua tzt1
Ic2 là dòng collector cua tzt 2

Với tỉ số Ic1/Ic2=const thì Ud tỉ lệ thuận với nhiệt độ T mà không cần nguồn ổn định.
Độ nhạy nhiệt của mạch của mạch này được xác định theo biểu thức sau:

S=d(U1-U2)/dT
Hiện nay trên thị trường có sẵn những IC tích hợp sử dụng phần tử bán dẫn làm nhiệm vụ
cảm biến nhiệt rất tiện lợi.

4. L ựa chọn phương pháp biến đổi nhiệt năng thành điện
năng

Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt áp dụng vào thiết bị đo nhiệt độ đang là một phương
pháp rất phổ biến , tiện lợi . Do đó , em đã lựa chọn phương pháp này áp dụng vào trong
đề tài của mình.Hơn nữa , như em đã nói ở trên phần tử bán dẫn rất nhạy nhiệt nên nó
đảm bảo được độ chuẩn xác tương đối cao ,thoả mãn được tiêu chuẩn yêu câu, chấp nhận
được .

Đặc tính của một số IC thơng dụng :
+AD590 :
Ngõ ra là dòng điện
Độ nhạy là 1A/độ K
Độ chính xác là +4độ C
Nguồn cung cấp :430 V
Dải nhiệt độ từ -55độ C đến 150 độ C
+LX5700
Ngõ ra là điện áp

16

Độ nhạy là 10mV/độ K
Dải nhiệt độ :-55độ C đến 150 độ C
+LM135, LM335:
Ngõ ra là điện áp
Độ nhạy là 10mV/độ K
Dải nhiệt độ :-55độ C đến 150 độ C
Sai số cực đại là 1,5 độ C khi nhiệt độ đo lớn hơn 100 độ C

CHƯƠNG 4 . XEM XÉT VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN

CHO TỪNG BỘ PHẬN

1 . Cấu trúc cơ bản của một dụng cụ đo nhiệt độ:

Một dụng cụ đo nhiệt độ bao gồm ba thành phần chính :

Bộ chuyển Mạch đo Bộ chỉ thị
đổi nhiệt kết quả
điện

-Phần chuyển đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng để đo.
-Phần mạch điện để thực hiện các tính tốn, so sánh cho ra kết .
--Phần chỉ thị kết quả để cho ra thông tin ở một dạng xác định .

2.Phân loại dụng cụ đo:

-Dựa theo cách biến đổi năng lượng thì các dụng cụ đo được phân ra làm hai loại là:
+Dụng cụ đo biến đổi thẳng
+Dụng cụ đo biến đổi bù

-Dựa theo phương pháp so sánh thì các dụng cụ đo được phân ra làm 2 loại là :
+Dụng cụ đo đánh giá trực tiếp
+Dụng cụ đo kiểu so sánh

-Dựa theo phương pháp đưa thơng tin ra thì các dụng cụ đo đươc
phân ra làm 2loại:

+Dụng cụ đo tương tự
+Dụng cụ đo số
-Dựa theo đại lượng đo như: Vơn,Ampe, Ơm… người ta phân dụng

cụ đo ra làm nhiều loại khác nữa.
Ở đây mạch đo em thiết kế là mạch đo biến đổi thẳng ,dùng phương
pháp đo kiểu so sánh , thông tin đưa ra dưới dạng số .

.

17

3. Sơ đồ nguyên lí chức năng :

Bộ cảm Bộ biến đổi Bộ khuếch Bộ biến đổi
biến nhiệt nhiệt đại A/D
điện

Bộ chỉ thị kết Bộ xử lí tín
quả (LED , hiệu(vi
LCD) điều khiển)

Nguyên lý hoạt động của mạch : Xung
IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển nhịp

thành tín hiệu điện .Dựa vào đặc tính rất nhạy của chất bán dẫn với nhiệt độ ,tạo radòng
điện hay điện áp tỉ lệ thuận theo qui luật hàm mũ với nhiệt độ vì sự tác động của nhiệt độ
tạo ra các điện tử tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn . Đo tín hiệu điện ra ,ta biết
được nhiệt độ cần xác định.

Sau khi đã biến đổi nhiêt năng thành điện năng dưới dạng điệnthế , tín hiệu đo được
đưa đến đầu vào Uv của mạch đo .Mạch đo này có chức năng đo đạc tín hiệu điện thế đầu
vào ,biến đổi tín hiệu tương tự này thành tín hiệu số(mã BCD ) rồi giải mã hiển thị kết
quả ra đèn LED 7thanh .kết quả hiển thị này chính là giá trị nhiệt độ đo được .

Mạch đo này sử dung bộ biến đổi ADC kiểu đếm .Mỗi tầng bộ đếm BCD còn kích
thích 1 thanh ghi 4 bit , để ni bộ giải mã và bộ hiển thị . nôi dung của bộ BCDđược
chuyển tới thanh ghi ở mỗi cuối chu kỳ chuyển đổi , sao cho bộ hiển thị chỉ hiển thị số
đếm cuối cùng biểu diễn mức điện thế cần đo.

Lúc ban đầu , khi Udacđếm .Khi bộ đếm tăng dần giá trị thì Udac cũng tăng lên dần theo dạng bậc thang cho đến
khi Udac>Uv một khoảng giá trị nào đó thì Us trở về mức điện thế thấp dẫn đến việc
cổng AND bị khoá , khơng có xung nhịp vào bộ đếm ,do đó bộ đếm ngưng lại thơi khơng
đếm nữa .Q trình chuyển đổi kết thúc .
Tín hiệu ra của bộ so sánh lúc này ở mức thấp biểu thị cho mức logic 0 do đó nó sẽ làm
khởi độmg mạch đơn ổn số 1(OS1)phát xung 1 micro giây tại Q1 làm cho Q1ở mức logic
1 chuyển đến kích thích các thanh ghi tương ứng để lưu trữ và hiển thị .Q1ở mức logic 1
qua cổng đảo đến khởi động bộ đơn ổn 2(OS2) phát xung tái lập mọi bộ đếm về 0 suy ra
đầu ra bộ so sánh lên cao trở lại cho phép xung vào bộ đếm bắt đầu chu kỳ chuyển đổi
mới .

Thanh ghi lưu trữ sẽ cho phép đèn hiển thị không hiện lên những chi tiết của tiến trình
chuyển đổi .Màn hình chỉ thay đổi khi Uv thay đổi , để nội dung của các bộ đếm được
chuyển đến thanh ghi vào cuối mỗi chu kỳ chuyển đổi .

Như vậy , chỉ cần xác định giá trị điện áp vào mạch đo , ta sẽ xác định được nhiệt độ
cần đo, và giá trị hiển thị trên đèn LED chính là giá trị nhiệt độ này .

18

4. Sơ đồ thực tế của các bộ phận tương ứng :

a) Bộ cảm biến nhiệt :

Dựa vào lý thuyết và thực tế của mạch cần thiết kế ta dùng IC cảm biến nhiệt độ để
chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng để đo.Các ICcảm biến có độ chính xác cao ,
dễ kiếm và rẻ tiền .Trong đó ,em thấy IC LM35 là loại thông dụng trên thị trường
hiện nay , rất phù hợp với sơ đồ thiết kế chi tiết mạch.
- Một số tính chất cơ bản của LM35 :

+Có độ biến thiên theo nhiệt độ là : 10mV/độ C.
+Độ chính xác cao , rất nhạy nhiệt , ở nhiệt độ 25 độ C co sai số không vượt quá
1%. Với tầm đo từ 0  128 độ C, tín hiệu điện áp đầu ra tuyến tính với sự thay đổi của
nhiệt độ đầu vào .
+Các thông số kỹ thuật :

 Tiêu tán công suất thấp .
 Dòng làm việc từ 400micro A đến 5mA.
 Dòng ngược 15mA.
 Dòng thuận 10mA.
 Độ chính xác :khi làm việc ở 25 độ C với dòng điện làm việc là

1mA thì điện áp ngõ ra là từ 2.94V đến 3,04V.
+Đặc tính điện :

 Theo thông số của nhà sản xuất LM35 , quan hệ giữa nhiệt độ và
điện áp ngõ ra như sau:
Uout=0,01 x (Tđộ K)=2,73+0,01 x (T độ C)
Vậy ứng với tầm hoạt động từ 0 đến 100 độ C thì giá trị điện áp

tương ứng là:
Với nhiệt độ là 0 độ C thì điện áp ra là 2,73 V .
Với nhiệt độ là 5 độ C thì điện áp ra là 2,78 V.
.

.
.
Với nhiệt độ là 100 độ C thì điện áp ra là 3,73 V.

- Thiết kế mạch cảm biến dùng LM35 : +5V
+Sơ đồ mạch như hình bên:

+Tính tốn và lựa chọn linh kiện: Vout
ta có: Ira thuộc khoảng từ 400microA đến 5mA .
400microA400microA<(5-Vout)/R<5mA LM35 VR

Mà Vout lại thuộc khoảng từ 2,73 đến 3,73 V .
Do đó, ta có 254Mặt khác ,theo thơng số nhà sản xuất LM35, tại nhiệt độ 2+5UđcộcC , Ira=1mA thì
Vout =2,98V,ta có:
400microA<(5-2,98)/R<5mA Ip
Vậy ta chọn R=2,2k P
Chọn biến trở chỉnh offset VR=15k Ir
Ud
b)Bộ khuếch đại :
IN
Up N 19
Ur
UN

-Ucc

HìnhA.I.1: bộ khuếch đại thuật tốn

*Các tính chất cơ bản:
Giữa bộ khuếch đại thuật tốn và
các bộ khuếch đại thông thường về +Ucc

cơ bản khơng có sự khác nhau. Cả Ip
hai loại này đều được dùng để P
khuếch đại điện áp, dòng điện hoặc Ir
công suất. Trong khi các bộ khuếch Ud
đại thông thường phụ thuộc vào các
kết cấu bên trong của mạch thì tác Up N IN

dụng của bộ khuếch đại thuật toán UN Ur
có thể thay đổi được và chỉ phụ
thuộc vào các linh kiện mắc ở mạch
ngồi. Để thực hiện được điều đó, -Ucc

bộ khuếch đại thuật tốn phải có hệ HìnhA.I.1: bộ khuếch đại thuật tốn
số khuếch đại rất lớn, trở kháng
vào rất lớn, trở kháng ra rất nhỏ.

Bộ khuếch đại thuật tốn được biểu diễn ở hình trên. Trong đó: Ud: điện áp vào
hiệu; UP, IP: điện áp vào và dòng điện vào của thuận; UN,IN : điện áp vào và dòng vào của
đảo; Ur , Ir : điện áp ra và dịng điện ra
Bộ khuếch đại thuật tốn khuếch đại hiệu điện áp Ud = UP –UN với hệ số khuếch đại K0 >
0. Do đó điện áp ra : Ur = K0 .Ud = K0 . ( UP - UN )

-Nếu UN = 0 thỉ Ur = K0.UP lúc này điện áp ra Ur đồng pha với điện áp vào UP, vì
vậy người ta gọi cửa P là cửa vào không đảo hoặc cửa vào thuận của bộ khuếch đại thuật
toán và được ký hiệu bởi dấu “+”.

-Nếu UP = 0 thì Ur= -K0 .UN Vì điện áp ra ngược pha với điện áp vào nên N được
gọi là đầu vào đảo của bộ khuếch đại thuật toán và ký hiệu bởi dấu “—“.

Ngồi ra bộ khuếch đại thuật tốn cịn Ur
có hai cửa để đấu với một nguồn cung cấp đối Ur max
xứng ± Ucc và các cửa để chỉnh lệch không và
bù tần số sẽ được nói ở phần sau.

Một bộ khuếch đại thuật tốn lý tưởng có các -vài mV 0 vài mV Ud
tính chất sau: Ur min

+ Trở kháng vào ZV = ∞ Hình A.II.1:Đặc tuyến truyền đạt của
+ Trở kháng ra Zr = 0 bộ khuếch đại thuật toán ứng với tần số
+ Hệ số khuếch đại _K0 = ∞
Trong thực tế không có bộ khuếch đại lý tưởng, thấp
để đánh giá bộ khuếch đại thuật toán thực so
với bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng người ta
căn cứ vào các tham số của nó.
*Hệ số khuếch đại hiệu K0
K0 là hệ số khuếch đại hiệu khi không tải, được
xác định theo biểu thức sau:

20