Nhom24-do_diendung

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Thiết kế thiết bị đo Xây dựng mạch đo điện dung phương pháp đếm xung NHÓM 24 TRẦN SỸ NHẬT MINH - 20174056 TRẦN MẠNH CÔNG - 20173690 PHẠM VĂN LƯU - 20174039 Ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Thị Lan Hương Bộ môn: Viện: Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp Điện Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 7/2021 MỤC LỤC CHƯƠNG Giới thiệu số phương pháp đo điện dung 1.1 Cầu xoay chiều R, C song song 1.2 Đo điện dung phương pháp cộng hưởng 1.3 Đo điện dung phương pháp đếm xung CHƯƠNG Nguyên lý chung phương pháp đếm xung 2.1 Giới thiệu vài mạch tạo xung Mạch đa hài tự dao động Mạch đa hài đợi: Trigơ CHƯƠNG Thiết kế mạch 3.1 Các thành phần mạch 3.2 Lựa chọn linh kiện IC 555 Vi điều khiển 8051 Led hiển thị số 3.3 Sơ đồ thuật toán 3.4 Tính toán thiết kế 10 IC 555 10 Bộ tạo xung sử dụng OPAM, RC 11 CHƯƠNG Kết 13 4.1 Đo điện dung sử dụng OPAM + RC 13 4.2 Đo điện dung sử dụng IC 555 15 4.3 Mạch đo điện dung sử dụng OPAM + RC vẽ Altium 16 CHƯƠNG Kết luận 17 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Mạch cầu R, C song song Hình 1-2 Mạch đo điện dung phương pháp cộng hưởng Hình 1-3 Đo điện dung phương pháp đếm xung Hình 2-1 Quá trình nạp điện mạch dao động RC Hình 2-2 Đồ thị dòng điện, điện áp trình nạp tụ Hình 2-3 Quá trình xả tụ Hình 2-4 Mạch đa hài tự dao động sử dụng tranzito Hình 2-5 Mạch đa hài tự dao động sử dụng IC khuếch đại thuật toán Hình 2-6 Mạch đa hài đợi dùng IC Hình 2-7 Trigơ dùng IC Hình 3-1 IC NE555 mạch tạo xung vuông với IC NE555 Hình 3-2 Vi điều khiển 8051 Hình 3-3 Led đoạn Hình 3-4 Sơ đồ thuật toán Hình 3-5 Mạch tạo dao động dùng IC 555 10 Hình 3-6 Bộ tạo xung OPAM - RC 11 Hình 4-1 Đo điện dung sử dụng OPAM + RC 13 Hình 4-2 Đo tụ có điện dung 98 μF thang đo – 100 μF 14 Hình 4-3 Đo tụ có điện dung 500 μF thang đo – 1000 μF 14 Hình 4-4 Đo tụ có điện dung 1000 μF thang đo – 1000 μF 15 Hình 4-5 Đo điện dung sử dụng IC-555 15 Hình 4-6 Mạch xây dựng Altium 16 CHƯƠNG Giới thiệu số phương pháp đo điện dung 1.1 Cầu xoay chiều R, C song song Hình 1-1 Mạch cầu R, C song song R3 R4 điện trở mẫu thay đổi C1 tụ điện mẫu thay đổi Cx tụ điện cần đo Nguồn cung cấp tín hiệu hình sin Khi cầu đo cân bằng, ta có: Cx = 𝑅3 𝑅4 𝐶1 1.2 Đo điện dung phương pháp cộng hưởng Điều kiện cộng hưởng : 𝒘𝟎 = 𝟏 √𝑳𝟎 ⋅ 𝑪𝟎 Hình 1-2 Mạch đo điện dung phương pháp cộng hưởng Giữ nguyên tần số w0, xoay tụ xoay C0 đến vị trí cộng hưởng C02, : 𝒘𝟎 = 𝟏 √𝑳𝟎 ⋅ (𝑪𝟎𝟐 + 𝑪𝒙 ) 1.3 Đo điện dung phương pháp đếm xung Hình 1-3 Đo điện dung phương pháp đếm xung Mạch đo điện dung sử dụng phương pháp đếm xung cách lợi dụng trình độ mạch RC tranzito chế độ khóa khếch đại thuật toán chế độ so sánh Dựa vào việc đếm xung tạo mạch tạo xung, ta tính tần số tạo xung mạch Từ đó, ta tính giá trị tụ ⟹ Kết luận : nhóm chọn phương pháp đếm xung có đầu tín hiệu số hóa, dễ dàng ghép với vi điều khiển, máy tính để tính tốn, tăng độ xác cho mạch đo CHƯƠNG Nguyên lý chung phương pháp đếm xung Mạch tạo xung vng có ba loại mạch dao động đa hài, mach đa hài đợi trigơ Hầu hết mạch tạo xung lợi dụng trình độ mạch RC tranzito chế độ khoá khuếch đại thuật toán chế độ so sánh Hình 2-1 Quá trình nạp điện mạch dao động RC Hình 2-2 Đồ thị dòng điện, điện áp trình nạp tụ Quá trình độ mạch RC: Mạch tạo xung vuông thường xây dựng trình phóng nạp tụ điện, tần số dao động mạch phụ thuộc vào khoảng thời gian nạp phóng tụ điện Quá trình nạp điện: Giả sử t < tụ C không chứa điện Uc = Tại t = khố K đóng vào 1, tụ C nạp điện từ nguồn E qua điện trở R Điện áp tụ tính bằng: T = R x C, thời gian nạp điện tụ gần là: tnd = t2 – t1 = 3T Q trình phóng điện: Giả thiết trước thời điểm phóng điện tụ C nạp đầy Uc = E Tại thời điểm t = khố K chuyển 2, tụ C phóng điện qua R (từ +C qua R đến -C) Sau thời gian 3T trình phóng điện xem chấm dứt Hình 2-3 Quá trình xả tụ 2.1 Giới thiệu vài mạch tạo xung Mạch đa hài tự dao động Bao gồm loại sử dụng tranzito IC khuếch đại thuật toán Hình 2-4 Mạch đa hài tự dao động sử dụng tranzito Chu kỳ dao động mạch: T = 0,7(R3 C2 + R2 C1) Hình 2-5 Mạch đa hài tự dao động sử dụng IC khuếch đại thuật toán Nếu chọn R1 = R2 thì: T = 2.2R C Mạch đa hài đợi: Mạch đa hài đợi có hai trạng thái, có trạng thái ổn định trạng thái khơng ổn định Khi có nguồn mạch trạng thái ổn định Có xung kích thích mạch chuyển sang trạng thái không ổn định thời gian tự trở trạng thái ổn định ban đầu chờ xung kích thích tiếp Như xung vào mạch chuyển đổi trạng thái hai lần cho xung vuông Mạch dùng tranzito hay IC thuật tốn Hình 2-6 Mạch đa hài đợi dùng IC Trigơ Trigơ mạch có hai trạng thái ổn định Khi có nguồn mạch trạng thái ổn định Có xung vào mạch chuyển đổi trạng thái lần Như hai xung vào mạch cho xung Mạch trigơ dùng tranzito hay IC thuật toán Ta xét mạch trigơ smít dùng IC thuật tốn tác dụng đầu vào điện áp sin đưa vào cửa đảo Hình 2-7 Trigơ dùng IC CHƯƠNG Thiết kế mạch 3.1 Các thành phần mạch ➢ Khối nguồn ➢ Mạch tạo xung ➢ Vi xử lý ➢ Thạch anh: để tạo tần số cho vi xử lý ➢ Nút reset vi xử lý ➢ Hiển thị: led ➢ Swich hay đổi thang đo 3.2 Lựa chọn linh kiện IC 555 IC NE555 hoạt động tốt với tần số 500kHz Mạch đo tần số sử dụng chức input capture vi điều khiển, để tăng độ xác, ta đảm bảo dải đo nằm khoảng dải đếm timer Hình 3-1 IC NE555 mạch tạo xung vuông với IC NE555 Chức hoạt động chân: • Chân (GND): Chân nối GND để giúp cung cấp dòng cho IC hay gọi mass chung • Chân số (TRIGGER): Được biết đến chân đầu vào thấp so với điện áp so sánh sử dụng giống chân chốt tần số áp Mạch so sánh sử dụng Transistor PNP với điện áp chuẩn ⅔ Vcc • Chân số (OUTPUT): Đây chân lấy tín hiệu logic đầu Trạng thái tín hiệu chân số xác định mức thấp (mức 0) mức cao (mức 1) • Chân số (RESET): Dùng để lập định trạng thái đầu IC 555 Khi chân nối với Mass thì OUTPUT mức Còn chân mức cao thì trạng thái đầu phụ thuộc theo mức áp chân số chân số Trong trường hợp, muốn tạo dao động thường chân nối trực tiếp với nguồn Vcc • Chân số (CONTROL VOLTAGE): Chân sử dụng để làm thay đổi mức điện áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở ngồi nối với chân số GND • Chân số (THRESHOLD): Là chân đầu vào để so sánh điện áp dùng chân chốt • Chân số (DISCHAGER): Đây coi khóa điện tử chịu tác động điều khiển từ tầng logic chân Khi đầu chân OUTPUT mức thì khóa đóng ngược lại Chân số có nhiệm vụ tự nạp xả điện cho mạch R-C • Chân số (Vcc): Đây nguồn cấp cho IC 555 hoạt động Chân cung cấp với mức điện áp dao động từ – 18V Vi điều khiển 8051 Vi điều khiển 8051 Intel thiết kế vào năm 1981 Đây vi điều khiển bit, xây dựng với 40 chân DIP (gói nội tuyến kép), 4kb nhớ ROM 128 byte nhớ RAM, định thời 16 bit Nó bao gồm bốn cổng bit song song, lập trình định địa theo yêu cầu Một dao động tinh thể chip tích hợp vi điều khiển có tần số tinh thể 12 MHz Hình 3-2 Vi điều khiển 8051 Led hiển thị số Mỗi led đoạn Khi đoạn chiếu sáng thì phần chữ số (hệ thập phân thập lục phân) hiển thị Đôi có thêm led thứ để biểu thị dấu thập phân có nhiều led đoạn nối với để hiển thị số lớn 10 Hình 3-3 Led đoạn 3.3 Sơ đồ thuật toán Hình 3-4 Sơ đồ thuật tốn 3.4 Tính tốn thiết kế IC 555 Hình 3-5 Mạch tạo dao động dùng IC 555 𝑓= 3.ln(2).𝑅.𝐶 ⟹𝐶 = 3.ln(2).𝑅.𝑓 = 0.48 𝑅.𝑓 ❖ Xét thang đo – 100 μF Chọn R=100 Ω thì C = μF ⟺ f = 4809 Hz C = 100 μF ⟺ f = 48 Hz Chọn giá trị đo Tmax = 1s Bảng đo: Giá trị đặt tụ 10 20 50 70 90 96 Giá trị hiển thị 10 20 50 70 90 96 97 98 98 98 99 100 100 100 Nhận xét: sai số giá trị C lớn do: + Tính tốn counter = 48 ⟺ C = 100 μF counter = 48 ⟺ C = 98 μF ⟹ Nếu tần số thấp giá trị tụ điện cao nên sai số lớn + Do vi xử lý thực timer, counter ⟹ Giải pháp 1: Tăng Tmax = 10s để tăng giá trị counter đếm Khi đó: C = 100 μF ⟺ counter = 480 C = 99 μF ⟺ counter = 485 Bảng đo: 10 Giá trị đặt tụ Giá trị hiển thị 3 10 10 98 98 99 99 100 100 + Ưu điểm: Loại bỏ sai số tính tốn + Nhược điểm: thời gian đo lâu, không đo tụ C nhỏ dẫn tới counter lớn ❖ Xét thang đo – 1000 μF Chọn R=100 Ω thì C = μF ⟺ f = 4809 Hz C = 1000 μF ⟺ f = 4.8 Hz Chọn giá trị đo Tmax = 1s Bảng đo: Giá trị đặt tụ 10 100 300 500 800 850 900 950 980 1000 10 100 300 480 801 801 901 901 961 1000 Giá trị hiển thị Nhận xét: sai số lớn giá trị tụ C lớn ⟹ Giải pháp 1: Tăng Tmax = 10s Bảng đo: Giá trị đặt tụ Giá trị hiển thị 3 10 10 100 100 961 961 981 981 990 981 1000 1000 Nhận xét: tăng Tmax lên cao sai số lớn giá trị điện dung lớn ⟹ Giải pháp 2: Sử dụng tạo xung RC + OPAM để tăng tần số với giá trị điện trở tụ điện IC555 Bộ tạo xung sử dụng OPAM, RC Hình 3-6 Bộ tạo xung OPAM - RC 11 𝐟= 𝟏 𝟐.𝐑𝟏.𝐑𝟐 𝟐.𝐑.𝐂.𝐥𝐧( 𝟏+ (𝐑𝟏+𝐑𝟐).𝐑𝟑) ❖ Xét thang đo – 100 μF Chọn R1 = R2 = 2000 Ω, R3 = 18000 Ω, R = 1000 Ω ta có : C = μF ⟺ f = 4745 Hz C = 100 μF ⟺ f = 47.5 Hz Chọn giá trị đo Tmax = 1s Bảng đo: Giá trị đặt tụ Giá trị hiển thị 10 5 10 10 50 49 90 89 98 98 99 98 500 484 807 900 807 807 100 100 ❖ Xét thang đo – 1000 μF Chọn R1 = R2 = 2000 Ω, R3 = 18000 Ω, + Xét chọn R = 1000 Ω ta có : C = μF ⟺ f = 4745 Hz C = 1000 μF ⟺ f = 4.75 Hz Chọn giá trị đo Tmax = 1s Bảng đo: Giá trị đặt tụ Giá trị hiển thị 1 5 20 20 100 100 200 201 968 1000 968 1000 Nhận xét: giá trị điện dung lớn thì sai số lớn nên ta chọn mạch để đo với giá trị điện dung C < 500 μF + Xét chọn R = 100 Ω ta có : Chọn giá trị đo Tmax = 1s Bảng đo: Giá trị đặt tụ Giá trị hiển thị 20 21 100 98 200 201 500 500 800 800 900 897 912 912 963 963 970 970 981 1000 981 1000 Nhật xét: mạch giảm sai số giá trị điện dung lớn, nên chọn mạch đo đo giá trị điện dung C > 500 μF 12 CHƯƠNG Kết 4.1 Đo điện dung sử dụng OPAM + RC Hình 4-1 Đo điện dung sử dụng OPAM + RC ❖ Lựa chọn tạo xung OPAM + RC ❖ SW1: thay đổi thang đo: o SW1 = 1: Đo giá trị điện dung từ – 100 μF o SW1 = 2: Đo giá trị điện dung từ – 1000 μF ❖ SW2: thay đổi giá trị R: o SW2 = 1: R=1000 Ω o SW2 = 2: R=100 Ω ❖ SW3: thay đổi giá trị R: o SW3 = 1: R=1000 Ω o SW3 = 2: R=100 Ω 13 Hình 4-2 Đo tụ có điện dung 98 μF thang đo – 100 μF Hình 4-3 Đo tụ có điện dung 500 μF thang đo – 1000 μF 14 Hình 4-4 Đo tụ có điện dung 1000 μF thang đo – 1000 μF 4.2 Đo điện dung sử dụng IC 555 Hình 4-5 Đo điện dung sử dụng IC-555 15 4.3 Mạch đo điện dung sử dụng OPAM + RC vẽ Altium Hình 4-6 Mạch xây dựng Altium 16 CHƯƠNG Kết luận ❖ Nhóm thiết kế mạch đo điện dung với thang đo từ – 100 μF 0-1000 μF ❖ Mạch thay đổi giá trị R cho phù hợp với giá trị điện dung cần đo tụ để giảm sai số ❖ Sơ đồ mặt máy thể mạch mơ Cho thấy sơ đồ thuật tốn u cầu tốn ❖ Nhóm chúng em rút học việc xây dựng mạch đo đại lượng cho hiệu với yêu cầu toán đề 17 Tài liệu tham khảo [1] "Thiết Kế Thiết Bị Đo", PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [2] “IC 555: Thông số, sơ đồ, nguyên lý hoạt động số mạch ứng dụng.” [Online] Available:https://dientusangtaovn.com/ic-555-so-do-va-chuc-nanghoat-dong/ [3] “Giới thiệu họ Vi điều khiển 8051” [Online] Available: https://sites.google.com/site/t2vietdtk/Downhome/gi/8051/vdk/gioi-thieu-veho-vid 18