BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ

BỘ CÔNG THƯƠNG

CÔNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN: VMTT&VMS
Số : 1
Họ và tên HS SV: ……………………………………… Lớp: LT CĐ – ĐH
Khóa : ………
Khoa : Điện.
NỘI DUNG
Đề tài: dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số tính toán, thiết ké mạch đo và cảnh
báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại ( ví dụ: Pt, Cu, Zn ).
Yêu cầu:

-

-

-

Dải đo từ: t0C = 00C ÷ tmax = ( 100+2*n) 0C.
Đầi 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 hiển thị nhiệt độ.
Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường: t0C=0÷2* tmax/3. Thiết kế

mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng và tối bằng nhau và
bằng: T=5 giây.
Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C=2* tmax/3. Đóng điện động cơ điện 1
chiều 15VDC chạy làm mát.
Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt giá trị t0C=2*
tmax/3
Hiển thị nhiệt độ trên LED 7 thanh.
Trong đó: n Số thứ tự sinh viên trong danh sách trên hệ thống.

Yêu cầu bố cục nội dung:

PHẦN THUYẾT MINH
( trình bày dóng quyển A4<25 trang)

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, mạch hiển thị
- Lựa chọn nguồn 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.
Yêu cầu về thời gian: từ 10/10/2018 – 10/11/2018
Chú ý: Bài làm copy giống nhau: 0đ


TRƯỞNG BỘ MÔN

GIÁO VIÊN

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ĐO NHIỆT ĐỘ
1.1.Tổng quan
1.1.1.Khái niệm về nhiệt độ.
Nhiệt độ là đại lượng 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 láng,
các phân tử dao động quanh vi trí cân bằng nhưng vi 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:
1.1.2.Bảo toàn năng lượng.
Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ
thất.Ởtrạng 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.
1.2.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:


Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).



Thang Celsius ( 0C ): T( 00C ) = T( 0K ) – 273,15.



Thang Farhrenheit: T( 00F ) = T( 0K ) – 459,67.

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.
1.3.Sử dụng vi mạch tương tự để đo và cảnh báo nhiệt độ.
Vi mạch số ,vi mạch tương tự lĩnh vực không những mang tới thời
sự nóng bỏng nhưng vẫn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ ,
đă đang từng ngày thâm nhập vào đời sống của chúng ta .Nhưng trong thực
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, chưa có tính thưc 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.
1.3.1.Biến nhiệt thành điện

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 và đo gián tiếp:


Đo trưc tiếp là phương pháp đo trong đó các 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
ngoài môi trường cần đo(áp dụng vơi trường hơp 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 = (50+n)0C. n: số thứ tự sinh
viên trong danh sách.
1.4. Lựa chọn cảm biến
1.4.1. Giới thiệu về IC cảm biến nhiệt LM35
Hình ảnh IC LM35

Sơ đồ chân của LM35:


Chân 1: Chân nguồn Vcc
Chân 2: Đầu ra Vout
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 phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC
+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 oC
+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải
Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ 0o C – 150o C 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 0oC đến 141 oC
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

1.4.2.Opam 741


Op Amp là một công cụ có nhiều chức năng
Khuếch đại hiệu hai điện thế nhập

Khuếch đại tin hiệu điện

So sánh hai điện thế nhập
. Khi V+ > V- .
. Khi V+ < V- .
. Khi V+ = V- .

1.4.3. IC TC7107
TC7107 là một bộ chuyển đổi A/D

công suât thấp, hiển thị tốt. Bao gôm bộ
giải mã Led 7 thanh, bộ hiện thị, bộ tạo
chuẩn, và bộ tạo xung đồng hồ.
Nguyên tắc hoạt động:



cao
Không 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

1.4.4. IC 555

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

Cấu trúc bên trong của LM 555

Nguyên lí hoạt động :


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.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ
SỬ DỤNG VMTT&VMS

2. Xác định sơ đồ khối cảu hệ thống
2.1.Ý tưởng thiết kế.
2.1.1.Yêu cầu của đề tài.





Nhiệt độ cần đo: to C= 0o C đến (50+10*N)oC.
Chuẩn hóa đầu ra: 0-20mA
Cảnh báo: Đưa tín hiệu bằng đèn nhấp nháy, còi khi nhiệt độ
vượt quá giá trị cảnh báo: 40+ 10*N.
Hiển thị nhiệt độ đưa ra LED 7 thanh.
N là số thứ tự sinh viên trong danh sách.

2.1.2.Sơ đồ khối của hệ thống thiết kế

Nguồn


Chuyển đổi
U-I

Cảm biến
và
Khuếch đại
đo lường

Truyền tải đi xa

ADC
và
Hiển thị

Giá trị đặt

So sánh

Cảnh báo

Nhấp nháy

Tạo xung


2.1.3.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 và khuếch đại đo lường : cảm biến nhiệt độ biến
nhiệt thành điện ở mức vài mV và được cho vào bộ khuếch đại để cho về
điện áp chuẩn.
-Khối chuyển đổi U-I : 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 màn hình để hiển thị kết quả đo.
- Khối so sánh: so sánh với một điện áp đặt trước và đưa ra tín hiệu
dung 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
-Khối tạo xung: tạo ra xung vuông cấp cho khối nhấp nháy.


2.2.Các thông số của bài tập lớn
STT trong danh sách của em là 2
Vậy N = 2;
Dải đo từ: to C= 0o C đến (50+10*N)oC hay t0C =00C ÷ tmax = 700C
2tmax/3 = 2.160/3=46.70C
T= (1+0,5.1) = 1.5(s)
Ta coi tất cả các giá trị đều là tuyến tính và các phép toán chỉ thực hiện trên
các giá trị max của Ucb=3.6V và U0=-5V.
2.3.Tính toán, thiết kế khối cảm biến và khuếch đại
Điện áp giữa hai chân ra của cảm biến VOUT khi cấp nguồn +5V:
Khi cấp vào khối hiển thị thì điện thế trên mỗi chân ra là khác nhau nhưng
điện áp giữa 2 chân vẫn không thay đổi Ucb =10.t(mV).
Với t = 00C → Ucb=0V
Với t = 700C→ Ucb=10.70.10-3=0.70V
Chọn đầu ra của điện áp chuẩn hóa để tiến hành chuẩn hóa các khối như
báo động và khối chuẩn hóa dòng từ 0- 20mA:
Ucb= 0 ÷ -5V khi to từ 0o đến 70oC.
Vậy sơ đồ của mạch khuếch đại như hình vẽ:

Ta có:
U0= 1cb với V1cb=3.6V và U0=-5V


→R2= chọn R1=10kΩ R2= 13.889 kΩ
Vậy thay R2 bằng điện trở 10kΩ nối tiếp với một biến trở 5kΩ.

2.4.Tính toán thiết kế khối chuyển đổi U-I
Đầu vào là U0 đầu ra đưa về chuẩn I=0÷20mA.
Ta có bộ chuyển đổi U-I đảo

KUI
2.5.Tính toán, thiết kế khối ADC và hiển thị
Ta có DISPLAY COUNT = 1000.VIN/VREF
Nối VREF+ với nguồn 5V vậy
đầu vào VIN+ phải đưa về từ
5,000V đến 5,070V.

Vậy với VIN+ thay đổi từ
3,000V đến 3,07V thì LED
hiển thị từ 0000C tới 700C.
2.6.Tính toán thiết kế khối so sánh


Tín hiệu ra Uo là tín hiệu âm sử dụng bộ khuếch đại đảo có K=-1 để
chuyển tín hiệu về tín hiệu dương trước khi cho vào bộ so sánh với giá trị
đặt trước.
Với 2tmax/3=(2.160)/3=106,70C tín hiệu ra Uo=-3,33V lấy 3,33V là giá trị
cần so sánh.

K=-1 vậy chọn R6=R7=1kΩ
Khi t46,70C thì U13,33V tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức thấp.
Khi t46,70C thì U13,33V tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức cao.


2.7.Tính toán thiết kế khối cảnh báo

Khi t106,70C tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức thấp. Đầu ra của cổng AND
ở mức thấp, transis Q1 không hoạt động, đèn và loa cảnh báo chưa có hiện
tượng.
Khi t106,70C tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức cao. Đầu ra của cổng AND
ở mức cao, transis Q1 hoạt động, đèn và loa cảnh báo hoạt động.
2.8.Tính toán thiết kế khối tạo xung và khối nhấp nháy
Chu kỳ tạo xung: T=Tn+Tx=1,5+1,5=3s
Thông thường trong mạch dao động ta có công thức tính thời gian
ngưng dẫn của transistor là :
T = RCln2 =0,693 RC
Tn = Tx=0,693.R8.C5=0,693.R9.C5=1,5


→R8=R9=
Chọn C5 = 470F→R8=R9=

Khi t106,70C tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức thấp. Đầu ra của cổng NOT
ở mức cao, đầu ra của cổng AND theo tín hiệu xung nhịp của bộ tạo xung
làm cho đèn LED nhấp nháy theo tín hiệu xung với thời gian tối và sang
bằng nhau và bằng 3s.
Khi t106,70C tín hiệu ra của bộ so sánh ở mức cao. Đầu ra của cổng NOT ở
mức thấp, tín hiệu ra của cổng AND ở mức thấp đèn LED không hoạt
động.
2.9 Khối chuấn hóa từ 0-10v
Ta có: ( chọn R19=1kΩ
R18.=553,32kΩ
Vậy thay R18 bằng VR4 550kΩ.


Hình 3.9 khối chuẩn hóa từ 0-10v

2.10. Khối chuẩn hóa từ 4-20mA

Hình 3.10 khối chuẩn hóa từ 4-20mA


Ta có:U1 thay đổi từ 0 thì VIN+ thay đổi từ 2 đầu ra IL thay đổi từ
4mA20mA

2.11.Sơ đồ toàn mạch thiết kế

2.12.Tính toán và thiết kế mạch nguồn


Trong thiết kế có sử dụng các nguồn , và nguồn cấp được sử dụng từ
mạng lưới điện xoay chiều 220V/50Hz ta có mạch nguồn như sau:

2.13. 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 thì trực quan
bằng số dễ đọc 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 ….
Trong quá trình làm bài em còn nhiều bất cập và thiếu sót rất mong
các thầy cô giáo thông cảm, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ
môn đã giúp đỡ em trong quá trình làm bài tập lớn !!!