đo nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu dùng ADC0804, lớn hơn 255 độ

đồ án vi mạch số vi mạch tương tự, dùng ADC0804, thiết kế mạch cảnh báo, chuẩn hóa và mạch nguồn, dùng cặp nhiệt ngẫu, dùng 74LS83 và 74LS247, dùng led 7 thanh, giảm sai số mạch khi nhiệt độ lớn hơn 255 độ, cách tính chi tiết Vref2 cho adc0804

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Yêu cầu: - dải đo từ toC= 0oC đến tmax= 100 + 100*n oC

- Đầu ra chuẩn hóa với các mức điện áp: 1 U= 0 tới -5V

I = 4 tới 20mA

- Dùng cơ cấu đo chỉ thị

- Kho nhiệt độ trong giới hạn bình thường: toC = 0 tới tmax/2 Thiết kế mạch nhấp nháy

cho Led với thời gian sáng tối bằng nhau bằng: t=(1+0.5*a) giây

- Đưa tín hiệu ra còi cảnh báo khi nhiệt độ vựợt quá giá trị: toc= tmax/2

- Dùng ADC 0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân, xây dựng bộ hiển thị BCD

Trong đó: a là chữ số danh sách hàng đơn vị

N số thứ tự sinh viên trong danh sách

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 cần đo

+ Tính toán lựa chọn cảm biến

+ Tính toán thiết kế nguồn cung cấp+ Tính toán các mạch khuếch đại chuẩn hóa, khuếch đại

Sinh Viên: Đào khả Thắng

Chương 1: Tổng quan về mạch đo

1/ Tầm quan trọng của việc kiểm soát nhiệt độ trong công nghiệp

Có thể nói, nhiệt độ là một đại lượng vật lý được quan tâm nhiều không những trong lĩnh vực đời sống sinh hoạt mà còn trong sản xuất công nghiệp Trong công nghiệp sản xuất nói chung, nhiệt độ là yếu tố quan trọng quết định đến chất lượng của sản phẩm công nghiệp Do đó, con người lun muốn kiểm tra và kiểm soát đại lượng vật lý này Để giải quyết điều này đã có nhiều phương pháp đo nhiệt độ khác nhau được đưa ra như: phương pháp đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu, điện trở kiêm loại, IC cảm biến nhiệt độ…

2 Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ sử dụng ic

Mạch đo gồm 6 khối cơ bản sau:

Hình 1.1: Sơ đồ khối mạch đo nhiệt độ

Chức năng chính của từng khối:

• Khối nguồn: cấp nguồn chuẩn cho các khối còn lại làm việc

• Khối cảm biến: biến đổi tiến hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện áp

• Khối chuẩn hóa: điện áp vào lấy từ khối cảm biến được chuẩn hóa thành chuẩn công nghiệp với: tín hiệu điện áp U: 0 ÷ -5V, tín hiệu dòng điện: 4÷20mA

• Khối so sánh: giám sát sự thay đổi của nhiệt độ, phát tín hiệu điều khiển cho khôi cảnh báo

• Khối cảnh báo: cảnh báo bằng đèn led khi nhiệt độ ở trong giới hạn cho phép, phát tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt ngưỡng giới hạn

• Khối hiển thi: hiển thị nhiệt độ…

Chương 2: Giới thiệu về các thiết bị chính

1. Thiết bị cảm biết nhiệt độ (nhiệt ngẫu)

a. Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu còn gọi là can nhiệt

- Cặp nhiệt ngẫu gồm có 2 thanh kim loại A và B khác nhau về bản chất hóa học

được đặt song song với nhau và hàn gắn 1 đầu chung với nhau, đầu này được đưa vào môi trường cần đo

- 2 đầu còn lại dùng để lấy điện áp ra (U) tương ứng với mỗi mức nhiệt khác nhau cỡ mA

- Nguyên lý: Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ) Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì

sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh Một vấn đề đặt ra là phải

ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra

Toleran ce (°C)

Temp

range (°C)

Grad e

Toleran ce (°C)

Temp.

range (°C)

Toleran

ce (°C)

Temp

range (°C)

* 1100)]°C SPC

(T-± 0,6°C or

± 0,1%

+600+16

± 1,5°C or

* 1100)]°C

± 0.004*

|t|

400+120

0 ± 0.75°C0+1200 0.75 ± 2.5°C

* |t| -200-0 1.5

± 2.5°C or

± 1.5% -200-0 STD

± 2.2°C or

± 2,5°C or

± 0.004*

|t| 0+1200 0.75

± 2.5°C or

± 1.1°C or

± 2,5°C or

± 2,5°C or

40-800 1

± 1,5°C or

± 0.0075

* |t| -200-0 1.5

± 2.5°C or

± 1.5% -200-0 STD

± 1.7°C or

± 2,5°C or

± 0.004*

|t| 0.75

± 2.5°C or

± 1.1°C or

± 0.4% 400+900 ± 0.75° 2

± 2,5°C or

± 0.004*

|t| 0.75 ± 1°C or ± 0.75% SPC ± 1°C or ± 0.75% 2 ± 0.0075± 1°C or

* |t| -200-0 1.5 ± 1°C or ± 1.5% -200-0 STD ± 1°C or ± 1.5% -200+40 3 ± 0.015*± 1°C or

|t|

2. Bộ khuếch đại thuật toán µA741 :

Trong kỹ thuật đo lường và cảm biến KĐTT được sử dụng nhiều với các chứcnăng chính: khuếch đại điện áp, dòng điện, khuếch đại công suất, … Trong phạm vi đề

tài này ta sử dụng KĐTT µA741 có hình ảnh thực tế như sau:

Hình 2.2: Khuếch đại thuật toán µA741

Họ và Tên: Đào khả Thắng

Tên gọi và chức năng của các chân:

• – Offset null: bù tần số

• Inverting Input: cửa vào đảo

• Non Inverting Input: cửa vào không đảo

• – Vee : chân cấp nguồn âm

• + Offset null: bù tần số

• Output: cửa ra

• +Vcc: chân cấp nguồn dương

áp ra một chiều ổn định khi mức điện áp đầu vào thay đổi, với xx là điện áp ra tương ứng vd: LM7812 có Vout=+12V; LM7912 có Vout=-12V

Hình ảnh thực tế: về hình dạng cũng như kích thước, khoảng cách chân thì cả 3 IC

kể trên gần giống nhau

4. IC tạo xung vuong NE555

Chức năng : IC 555 là một mạch tích hợp, được sử dụng khá phổ biến trong việc

tạo ra xung vuông điện áp không yêu cầu về độ chính xác cao cũng như tần số lớn

Sơ đ ồ các khối, chân NE555:

Hình 2.4: Hình ảnh thực tế, sơ đồ chân và sơ đồ khối của NE555

• Chân 1 (GND): cho nối GND để lấy nguồn cấp cho IC hay chân còn gọi là chânchung

• Chân 2 (TRIGGER): đây là chân đầu vào thấp hơn điện áp so sánh và được dùngnhư 1 chân chốt hay ngõ vào của 1 tần so áp Mạch so sanh ở đây dùng cáctransitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3 Vcc

Họ và Tên: Đào khả Thắng

• Chân 3 (OUTPUT): chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạng thái củatín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cáo nó tương ứnggần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng trongthực tế nó không được ở mức 0V mà nó trong khoảng (0.35- >0,75V).

• Chân 4 (RESET): dùng lập định mức trạng thái ra Khi chân số 4 nối masse thì ngõ ra ở mức thấp Còn khi chân 4 nối vào mức cao thì trạng thái ngõ ra phụ thuộc vào điện áp chân 2 và chân 6 Nhưng mà trong mạch để tạo được dao động thường nối chân này lên Vcc

• Chân 5 (CANTROL VOLTAGE): dùng thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555 theocác mức biển áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND Chân này có thểkhông nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân 5xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF này lọc nhiễu và giữ cho điện ápchuẩn được ổn định

• Chân 6 (THRESHOLD): là một trong những chân đầu vào so sánh điện áp khác

và cũng được dùng như 1 chân chốt dữ liệu

• Chân 7 (DISCHAGER): có thể xem chân này như 1 khóa điện tử và chịu điềukhiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức điện áp thấp thì khóa nàyđóng lại, ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho mạch RC lúc IC 555dùng như 1 tầng dao động

• Chân 8 (VCC): đây là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động

Thông số kỹ thuật:

5 - Nguồn hỗ trợ: +18V

6 - Công suất tiêu thụ: 600mW

7 - Nhiệt độ hoạt động: 0 o C ÷70 o C

5. Bộ chuyển đổi tương tự số ADC0804

Chức năng: biến đổi tín hiệu điện áp tương tự đầu vào thành tín hiệu số với độ

phân giải 8bit

Hình 2.5: Sơ đồ chân ADC0804

Tên và chức năng của từng chân:

2 Read Tín hiều đầu vào chuyển từ cao xuống thấp để xuất dữ

liệu đã được chuyển đổi tới các chân đầu ra

3 Write Tín hiệu đầu vào chuyển từ thấp lên cao để bắt đầu

quá trình chuyển đổi

4 Clock IN Chân đầu vào để kết nối với đồng hồ bên ngoài

5 Interrupt Chân ra: tín hiệu ra ở mức thấp khi quá trình chuyển

đổi kết thúc

6 Vin (+) Điện áp đầu vào mức cao của tín hiệu Analog

7 Vin (-) Điện áp đầu vào mức thấp của tín hiệu Analog

Ground

Chân nối đất cho tín hiệu Analog

9 Vref/2 Chân đầu vào đặt giá trị điện áp tham chiếu cho tín

hiệu Analog

10 Digital

Ground

Chân nối đất cho tín hiệu Digital

11÷18 D7÷D0 Chân ra của tín hiệu Digital

Họ và Tên: Đào khả Thắng

19 Clock R Sử dụng cùng với chân Clock IN khi sử dụng đồng hồ

bên trong của ADC

20 Vcc Chân cấp dương nguồn, hỗ trợ 5V

6. Bộ cộng nhị phân 4 bit 74LS83

Chức năng: tương tự như các bộ cộng nhị phân khác, IC số 74LS83 có là mạch tích

hợp với khả năng cộng hai số nhị phân 4 bit cho ra kết quả tương đối nhanh

Sơ đồ chân 74LS83:

• A1÷A4: các chân đầu vào số 4 bit thứ nhất

• B1÷B4: các chân đầu vào số 4 bit thứ hai

• C0: số nhớ đầu vào

• ∑1÷∑4: các chân đầu ra của phép cộng

• C4: chân đầu ra của số nhớ

• Vcc: chân cấp nguồn 5V

• GND: chân nối đất

Hình 2.6: Sơ đồ chân 74LS83

Hình 2.7: Sơ đồ khối 74LS83

7. Bộ giải mã LED 7 thanh Anot chung 74LS247

Chức năng: từ số BCD đầu vào chuyển đổi thành tín hiệu đầu ra phục vụ hiển thị cho Led 7 thanh

Sơ đồ chân:

Hình 2.8: Sơ đồ chân 74LS247

Họ và Tên: Đào khả Thắng

Hình 2.9: Bảng trạng thái 74LS247

8. Led 7 thanh Anot chung

Chức năng: Led 7 thanh là một linh kiện được sử dụng khá là phổ biến trong các mạch điện tử hiển thị số Tùy vào nhu cầu hiển thị mà người ta chia thành các loại ledkhác nhau: led đơn, led đôi, led ba,… theo cách kết nối: led 7 thanh kiểu Anot chung, led 7 thanh kiểu Catot chung

Sơ đồ chân led 7 thanh đơn:

Chức năng: IC DM74LS32 là mạch tích hợp dùng để cộng logic hai tín hiệu đầu vào và trả về kết quả cộng ở chân đầu ra.

Sơ đồ chân:

• 1A-1B÷4A-4B: đầu vào tín hiệu logic cần cộng

• Y1÷Y4: kết quả của phép cộng logic tương ưng

• Vcc: chân cấp nguồn cho IC hoạt động, hỗ trợ nguồn 5V

• Dòng điện ra mức cao/thấp: 0.4/8 mA

• Nhiệt độ môi trường làm việc: 00C÷70oC

10. Bộ nhân logic SN74LS08

Chức năng: IC SN74LS08 là mạch tích hợp dùng để nhân logic hai tín hiệu đầu vào và trả về kết quả nhân ở chân đầu ra

Sơ đồ chân:

• 1A-1B÷4A-4B: đầu vào tín hiệu logic cần nhân

• Y1÷Y4: kết quả của phép nhân logic tương ưng

• Vcc: chân cấp nguồn cho IC hoạt động, hỗ trợ nguồn 5V

• GND: chân nối đất

Họ và Tên: Đào khả Thắng

• Nhiệt độ môi trường làm việc: 00C÷70oC.

11. Trong bài này còn sử dụng đến các linh kiện khác như: điện trở, biến trở, tụ không phân cực, tụ phân cực, diode, cầu diode chỉnh lưu, … do những linh kiện kể trên đã quá quen thuộc với bất cứ ai đã tìm hiểu về điện tử nói riêng và điện nói chung nên trong phạm vi nội dung báo cáo này tôi xin phép không đề cập lại để chánh mất thời gian của quý thầy cô và các bạn đọc

Chương 3: Tính toán mạch thiết kế mạch cần đo

670.00

+

CJ

-TC2

mV

+37.3

a) Tính toán, lựa chọn linh kiện

Do các bộ khuếch đại thuật toán dùng trong mạch sử dụng nguồn đối xứng DC ±12V

và các IC số sử dụng nguồn DC 5V nên mạch nguồn được thiết kế như sau:

• Sử dụng 2 IC ổn áp LM7812 và LM7912 để tạo nguồn đối xứng DC ±12V;

Chọn hệ số biến đổi của biến áp: 220V/20V;

Sử dụng cầu diode 2W005G để tạo điện áp DC: khi đó điện áp trên cửa

ra của cầu sẽ là:

• Tính toán mạch lọc: C1=

Trong đó: m tần số đập mạch

= 2×π×f=100π R=

Chọn K=0.02(để được phẳng nhất)Khi đó C1= 3970µF ta chọn C1=4700µF gần thực tế nhất, và C2 ta chọn tụ gốm bằng

104 để lọc các hài cao, bởi tụ gốm lọc được các tần số cao

• Kết quả ta được các điện áp DC ở cửa ra la: -12V DC, +12V DC, +5V DC.b) Sơ đồ mạch nguyên lý

Họ và Tên: Đào khả Thắng

Hình 3.2: Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn

3.2 Tính toán mạch chuẩn hóa U-I

a) Tính toán mạch chuẩn hóa ra U= 0 ÷ -5V

+

CJ

Cảnh báo bằng còi khi khi nhiệt độ lớn hơn 335oC

d) Tính toán, thiết kế mạch so sánh phát hiện ngưỡng nhiệt độ

Với yêu cầu trên ta thực hiện thiết kế mạch so sánh sử KĐTT µA741

Tại 335oC điện áp đầu ra của cảm biến: Ucb=0.05×335=18.3 mV

Do đó mạch chuẩn hóa: Uch= -2.45V

Họ và Tên: Đào khả Thắng

Do mạch so sánh không thể làm việc so sánh ở điện áp âm nên ta khuếch đại đảo điện áp Uch với hệ số K=-1, cho ra nguồn Uch>0 để mang đi so sánh

Khi T=335oC thì mạch chuẩn hóa ra U=2.45V

Vậy muốn chuông kêu khi vươt quá 355oC thì Uch=2,45 để so sánh

e) Tính toán khối cảnh báo

R 4

C10 650uF

C14 0.01uF

R29 220 U58

OPAMP U58(POS_IP)

U59

NOT

D1 LED-RED U59(D)

Khoi Canh Bao

Theo đề yêu cầu thì đèn phải nháy 4.5s và còi kêu khi t>355oC

- Tính toán khối so sánh

+ Ở đây ta không tính toán nhiều, mà chỉ là so sánh điện áp Uch khi nhiệt độ vượt qua mức 335oC khi đó ta dùng một nguồn chuẩn là pin (cell) để có 1 nguồn ổn định và chuẩn để so sánh với áp khi nhiệt độ cần cảnh báo là 2.45V

đã được khuếch đại tính toán ở trên

- Khi nhiệt độ vượt qua mức cảnh báo thì lập tức điện áp từ khối chuẩn hóa U

sẽ vượt qua mốc 2.45V (2.45V ở đây tương ứng với 335oC) thì mạch so sánh lập tức đẩy xuống điện áp thấp  khi đó chân số 4 của IC555 bị cấp điện áp

Tôi chọn R=10k vậy C = 450uF

Thông số kỹ thuật của đèn Led sử dụng trong mạch:

• Điện áp định mức: 1.8÷2V.

Chọn điện trở hạn dòng cho led R13=220Ω.

f) Tính toán điện áp so sánh của chân VREF/2 để hiển thị ra Led 7 đoạn

Do điện áp đầu ra của cảm biến thay đổi 0.05mV/oC nên ta thực hiện tính toán điện áp cấp vào chân VREF/2 sao cho một bước nhảy của ADC tương ứng với

10mV để giá trị số nhị phân đầu ra ADC tương ứng là giá trị nhiệt độ.

Ta có:

Đặt a= =

=2.85 (V)Vậy cần cấp vào chân VREF/2 một điện áp tham chiếu có giá trị 2.85V ta có thể tạo điên áp 2.85V bằng cầu phân áp để được 1 nguồn chuẩn

g) Chuyển mã nhị phân 8 bit thành mã BCD và hiển thị trên led 7 thanh

Để thực hiện việc chuyển đồi mã nhị phân 8 bit sang mã BCD ta dùng IC 74LS83 để thực hiện cộng các số nhị phân tương ứng Nhưng trước hết để làm được điều này, cần xét tới sự tương quan giữa loại mã: mã thập phân, mã nhị phân và mã BCD Ta có bảng sau:

Họ và Tên: Đào khả Thắng

Nhận thấy:

• Khi giá trị <10 thì mã nhị phân và mã BCD hoàn toàn giống nhau

• Khi giá trị ≥10 để có mã BCD ta phải cộng thêm 6 vào 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 quả này ≥ 10, ngược lại Y=0

Ta có bảng sự thật:

Ta không dùng ngõ vào S’1 vì từng cặp trị có C’4S’4S’3S’2 giống nhau thì

S’1 = 0 và S’1 = 1

Dùng bảng Karnaugh xác định được:

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch cộng hai số nhị phân 4 bit

Như vậy ta đã chuyển được số nhị phân 4 bit thanh mã 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 Đến đây có thể sẽ xuất hiện chàn biết ở hàng chục vì thế ta dùng mạch trung gian để cộng 1 vào 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 và cộng 1 vào khối hiển hàng trăm.Đến đây việc chuyển đổi mã nhị phân 8 bit thành mã BCD đã hoàn thành Tiếp đến là việc hiển thị mã BCD lên Led 7 thanh Để hiển thị số thập phân tương ứng với mã BCD vừa chuyển đổi ta chỉ việc kết nối đầu ra của bộ cộng hàng đơn vị, hàng chục và hàng trăm với IC 74LS247 và Led 7 thanh

- ở đây ta nhân 3 tất cả lên và làm y hệt như trên để hiển thị ra được nhiệt độ

đề cho

SAI SỐ: từ 1oC tới 8oC hoặc hơn Phụ thuộc vào Vref/2

Khi nhân thêm 3 bit để giảm sai số nhưng vẫn chưa khắc phục được tình trạng sai số nhiều, sai số lên đến 8 độ C, ta sẽ đi tới phần phát triển và khắc phục sai số.

- Ở đây tuy hơi sai đề nhưng lại khắc phục được khá nhiều sự sai số của ADC

0804 do vượt quá số bit hiển thị, ta sẽ kéo dãn bước nhảy cho ADC 0804 để giảm sai số, phương pháp này ta khuếch đại từ chân cảm biến lên 100 lần và

Họ và Tên: Đào khả Thắng