BÀI TẬP LỚN MÔN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TẦN SỐ VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ

GIỚI THIỆU BÀI TẬP LỚNĐề Tài:Thiết Kế Mạch Đo Tần Số Và Giám Sát Nhiệt ĐộNội Dung Thiết kế mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ. Hệ thống gồm 2 nút start và stop để khởi động và dừng hệ thống, 4 Led 7 thanh để hiển thị giá trị đo tần sốthang đo Hz, ( Dải đo từ 0 Hz÷9999Hz), Đối tượng đo là xung vuông hoặc tín hiệu xoay chiều. Một cảm biến nhiệt độ LM335 để giám sát nhiệt độ( Dải đo từ 0°C÷(100+n)°C)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

*********

BÀI TẬP LỚN MÔN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ VÀ VI MẠCH SỐ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH- ĐO TẦN SỐ VÀ GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ

Nguyễn Văn Linh

GIỚI THIỆU BÀI TẬP LỚN

LỜI MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết, khoa học công nghệ đang phát triển một cách nhanh chóng trong những năm gần đây, đặc biệt là ngành kỹ thuật điện-điện tử

Sự xuất hiện của các vi mạch, IC số tổng hợp đã giúp cho kích thước mạch nhỏ gọn, tiện lợi hơn

Trải qua sự phát triển của khoa học công nghệ, giờ đây chúng ta đã chế tạo ra rất nhiều loại tần số, phục vụ trong ngành điện tử viễn thông, công nghệ thông tin, tự động hóa

Máy đo tần số là 1 thiết bị cho phép chúng ta biết được tần só của tín hiệu

1 cách chính xác, góp phần vào việc đo và điều khiển tín hiệu

Cảm biến nhiệt độ và thiết bị biến đổi cho chúng ta biết được nhiệt độ củamôi trường hoặc thiết bị chúng ta muốn giám sát nhiệt độ

Với những kiến thức được học trên lớp và tìm hiểu thực tế Trong thời gianyêu cầu nhóm em đã hoàn thành đồ án môn học với nội dung “Mạch Đo Tần Số

Và Giám Sát Nhiệt Độ” Do kiến thức chuyên ngành còn thiếu nhiều thực tếnên đồ án không tránh khỏi những sai sót, mong các thầy cô góp ý kiến để đồ ánđược hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thu Hà đã giúp đỡ nhóm emhoàn thành bài tập lớn này!

MỤC LỤC

Chương 1: Trình bày về các mạch chức năng sử dụng trong hệ thống 6

1.1.Phân tích yêu cầu công nghệ 6

1.2.Liệt kê các phương pháp đo tần số 6

1.3.Trình bày về nguyên lý đo tần số trong bài 7

1.4.Các mạch chức năng cần dùng trong bài 7

1.4.1.Mã hóa và mạch giải mã 8 1.4.1.1 Mã hóa 8

1.4.1.2 Mạch giải mã 9

1.4.2.Mạch dãy 10 1.4.3: Bộ đếm 11 1.4.4.Mạch dao động 11 1.4.5.Mạch khuếch đại vi sai đo lường 12 1.4.6.Mạch so sánh tương tự 12 Chương 2: Thiết kế mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ 12

2.1 Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài 12

2.1.1 Mạch đo tần số 12 2.1.2 Mạch giám sát nhiệt độ 13 2.2 Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế 13

2.2.1 Trong mạch đo tần số 13 2.2.2 Mạch giám sát nhiệt độ 13 2.3 Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với điện áp đầu ra từ (0÷10)V 14

2.4 Xây dựng mạch phát xung chuẩn cung cấp cho các bộ đếm dùng timer 555 .16

2.5 Sơ đồ chân, bảng chân lý và ứng dụng các vi mạch sử dụng 17

2.5.1 Các vi mạch của mạch đo tần số 17 2.5.2 Các vi mạch của mạch giám sát nhiệt độ 28 2.6.sơ đồ nguyên lý của mạch 35

2.6.1.sơ đồ nguyên lý của mạch đo tần số 35

2.6.2 sơ đồ nguyên lý của mạch giám sát nhiệt độ 36

2.7.Thuyết minh nguyên lý hoạt động của các mạch 36

2.7.1.Nguyên lý hoạt động của mạch đo tần số 36 2.7.2.Thuyết minh nguyên lý hoạt động của mạch giám sát nhiệt độ 37 2.8 Xây dựng mạch mô phỏng trên phần mêm proteus và chạy thử 37

2.8.1.mô phỏng mạch đo tần số 38 2.8.2.mô phỏng giám sát nhiệt độ 40 Chương 3: Kết Luận 43

3.1 Các kết quả đạt được 43

3.2 Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo 43

3.3 Các hạn chế tồn tại và phương hướng khắc phục 44

3.4 Kết luận chung 44

Chương 1: Trình bày về các mạch chức năng sử dụng

trong hệ thống

Đối với mạch đo tần số, đối tượng đo là xung vuông hoặc tín hiệu xoay chiều,

dải đo từ 0Hz ÷9999Hz

Đối với mạch giám sát nhiệt độ, dùng cảm biến nhiệt độ LM335 giám sát nhiệt

độ có dải đo từ 0°C ÷ (100+n)°C Với n là số dư của phép chia tổng số cuối cùng trong mã sinh viên của các SV trong nhóm cho 10 Như vạy đối với nhóm

em n bằng số dư của phép chia =2,8 Vậy n=8

Yêu cầu dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số để thiết kế Hệ thống gồm hai nút Start và Stop để khởi động và dừng hệ thống, 4 Led 7 thanh để hiển thị giá trị đo tần số

Khi ấn nút Start, hệ thống thực hiện đo và hiển thị kết quả với thang Hz, cảm biến nhiệt độ cũng cho giá trị đầu ra ssau mạch chuẩn hóa, nếu nhiệt độ đạt (80+n)°C thì cảnh báo bằng còi

Khi ấn Stop, hệ thống dừng Sử dụng các thiết bị đo để kiểm tra khi cần thiết

1.2.Liệt kê các phương pháp đo tần số

Tần số là một trong các thông số quan trọng nhất của quá trình giao động có chu kì Tần số được xác định bởi số các chu kì lặp lại của sự thay đổi tín hiệu trong một dơn vị thời gian

Chu kì là khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại độ lớn và chiều biến thiên

Khoảng tần số được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như: vô tuyến điện

tử, tự động hóa, thông tin liên lạc, tự động hóa, từ một phần Hz đến hàng ngìn GHz

Việc lựa chọn phương pháp đo tần số được xác định theo khoảng đo, theo độ chính xác yêu cầu, theo dạng đường cong và công suất nguồn tín hiệu có tần số cần đo và một số yếu tố khác

Để đo tần số của tín hiệu điện ta sử dụng hai phương pháp biến đổi thẳng và phương pháp so sánh

Tần số mét là dụng cụ để đo tần số đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng được tiến hành bằng các loại tần số mét cộng hưởng, tần số mét cơ điện, tần số mét tụ điện, tần số mét chỉ thị số đo tần số bằng phương pháp so sánh được thực hiện nhờ ôsilôscốp, cầu xoay chiều phụ thuộc tần số, tần số mét đổi tần, tần

số mét cộng hưởng, …

1.3.Trình bày về nguyên lý đo tần số trong bài.

Trong bài này chúng em đo tần số bằng phương pháp so sánh

Chúng em dùng IC 555 phát ra 1 xung chuẩn có tân số 1 HZ Như vậy chu kỳ T=1/f=1/1=1 (s)

Giả sử xung cần đo có tần số là x (Hz) Như vậy chu kỳ sẽ bằng 1/x (s)

Như vậy ta thấy trong 1 giây IC 555 thực hiện được 1 chu kỳ ( tức 1 lần lặp lạitín hiệu) thì xung cần đo sẽ thực hiện được x chu kỳ( Tức x lần lặp lại tín hiệu)

Ta sẽ đưa cùng 1 lúc 2 giá trị tần số này cùng một lúc vào một phần tử logic AND, đầu ra của con AND sẽ đưa vào mạch đếm Xung 1 Hz sẽ được khống chế sao cho chỉ phát ra xung trong 1 chu kỳ tức 1 s

Ta thấy trong 1s xung 1Hz thực hiện được 1 chu kỳ thì xung x Hz thực hiện được x chu kỳ

Khi hết 1 s xung 1Hz sẽ ngừng cấp xung vào 1 đầu con AND như vậy đầu ra của con AND sẽ bằng 0 (không có tín hiệu), mạch đếm sẽ dừng đếm Lúc nàymạch đếm sẽ đếm được tần số của xung x Hz

1.4.Các mạch chức năng cần dùng trong bài.

1.4.1.Mã hóa và mạch giải mã.

1.4.1.1 Mã hóa

Mã hóa và giải mã không có gì xa lạ và là tất yếu trong đời sống chúng ta Nóđược dùng để dễ nhớ, dễ đặt, dễ làm,….là quy ước chung cũng có thể phổ biếncũng có thể bí mật Chẳng hạn dùng chữ để đặt tên cho 1 con đường, cho 1 conngười, dùng số trong mã số sinh viên, trong thi đấu thể thao, quy ước đèn xanh,

đỏ, vàng tương ứng là cho phép đi,đứng, dừng trong giao thông, rồi viết bức thư

sử dụng chữ viết tắt, kí hiệu riêng để giữ bí mật hay phức tạp hơn là phải mãhoá các thông tin dùng trong tình báo, …

Trong các hệ thống số kể cả viễn thông, máy tính, các đường điều khiểntuỳ chọn hay dữ liệu được truyền đi hay xử lí đều phải ở dạng số hệ 2 chỉ gồm

1 và 0, có nhiều đường tín hiệu chỉ có 1 bit như đường điều khiển mở nguồncho mạch ở mức 1, rồi có nhiều đường địa chỉ nhiều bit chẳng hạn 110100 đểCPU xác định địa chỉ trong bộ nhớ, rồi dữ liệu dạng hex gửi xuống máy in cho

in ra kí tự Tất cả các tổ hợp bit đó được gọi là các mã số (code) hay mã Vàmạch tạo ra các mã số gọi là mạch mã hoá (lập mã: encoder)

- Bộ mã hóa nhị phân – thập phân ( bộ mã hoa BCD)

Bộ mã hóa nhị-thập phân là mạch điện có nhiệm vụ chuyển 10 chữ số hệ thập phân thành mã hệ nhị phân Dạng mã này còn được gọi là mã BCD

-Bảng chân lí bộ mã hóa BCD :

1.1.1.1 Mạch giải mã

Mạch giải mã là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hoá tức là nếu có 1

mã số áp vào ngõ vào thì tương ứng sẽ có 1 ngõ ra được tác động, mã ngõ vào thường ít hơn mã ngõ ra Tất nhiên ngõ vào cho phép phải được bật lên cho chức năng giải mã Mạch giải mã được ứng dụng chính trong ghép kênh dữ liệu,hiển thị led 7 đoạn, giải mã địa chỉ bộ nhớ

A, Giải mã BCD sang led 7 đoạn

Một dạng mạch giải mã khác rất hay sử dụng trong hiển thị led 7 đoạn đó là mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn Mạch này phức tạp hơn nhiều so với mạch giải mã BCD sang thập phân đã nói ở phần trước bởi vì mạch khi này phải cho

ra tổ hợp có nhiều ngõ ra lên cao xuống thấp hơn (tuỳ loại đèn led anode chung hay cathode chung) để làm các đoạn led cần thiết sáng tạo nên các số hay kí tự.Trước hết hãy xem qua cấu trúc và loại đèn led 7 đoạn của một số đèn được cấu tạo bởi 7 đoạn led có chung anode (AC) hay cathode (KC); được sắp xếp hình

số 8 vuông (như hình trên) ngoài ra còn có 1 led con được đặt làm dấu phẩy thập phân cho số hiện thị; nó được điều khiển riêng biệt không qua mạch giải

mã Các chân ra của led được sắp xếp thành 2 hàng chân ở giữa mỗi hàng chân

là A chung hay K chung Thứ tự sắp xếp cho 2 loại như trình bày ở dưới đây :

Hình 2.3 Cấu trúc và chân ra của 1 dạng led 7 đoạn

Để đèn led hiển thị 1 số nào thì các thanh led tương ứng phải sáng lên, do đó,các thanh led đều phải được phân cực bởi các điện trở khoảng 180 đến 390 ohmvới nguồn cấp chuẩn thường là 5V IC giải mã sẽ có nhiệm vụ nối các chân a,b, g của led xuống mass hay lên nguồn (tuỳ A chung hay K chung)

1.4.2.Mạch dãy

Mạch dãy là mạch logic có các phần tử nhớ được tạo bởi các mạch lật và các mạch logic cơ bản và các biến ra của mạch không chỉ phụ thuộc vào tổ hợp biến vào mà còn phụ thuộc vào cả trạng thái hiện tại của mạch

A, Thanh ghi và thanh ghi dịch

Thanh ghi là dãy mạch nhớ có chức năng lưu giữ dưc liệu hoặc biến đổi dữ liệu số từ nối tiếp sang song song và ngược lại mỗi mạch lật chỉ lưu giữ được 1 bit, vậy thanh ghi dài bao nhiêu bit phải tạo từ bấy nhiêu mạch lật

Thanh ghi nhận dữ liệu song song

Mạch chốt dữ liệu :

Bộ ghi dịch :

Mạch dao động hình Sin.

Mạch dao động đa hài

Mạch dao động nghẹt

Mạch dao động dùng IC

1.4.5.Mạch khuếch đại vi sai đo lường.

Khuếch đại vi sai là bộ khuếch đại hiệu 2 điện áp vào Hiện nay, thường sửdụng khuếch đại thuật toán với sơ đồ đảo và không đảo để xây dựng mạch vàdùng phản hồi âm để ổn định hệ số khuếch đại

Có 2 loại mạch khuếch đại vi sai cơ bản là:

- Mạch khuếch đại vi sai đơn giản

- Mạch khuếch đại vi sai cải tiến

1.4.6.Mạch so sánh tương tự

Mạch so sánh tương tự có nhiệm vụ so sánh 1 điện áp vào (U1) với mộtđiện áp chuẩn (Uch) Trong mạch so sánh tín hiệu ra(Uo)chỉ có hai mức,

mức điện áp cao(mức H-tương ứng mức logic 1 của số 1 hệ nhị phân) và

mức điện áp thấp(mức L-tương ứng mức logic 0,số 0 hệ nhị phân)

Chương 2: Thiết kế mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ

2.1 Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài

4 bộ giải

mã 7Seg

Hiển Thị Led 7Seg

Start Stop

Còi,đènbáo

2.2 Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế

2.2.1 Trong mạch đo tần số

- IC NE 5555 : Dùng tạo dao động đếm thời gian

-Mạch khuếch đại vi sai đo lường: OPAMP,điện trở res, tín hiệu trừ

-Mạch so sánh: LM358, điện trở res, tín hiệu so sánh, transistor MPSL01

2.3 Xây dựng mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với điện áp đầu ra từ (0÷10)V

-Tính toán đầu ra cho cảm biến LM335

LM335 có dải nhiệt độ tối đa( trong proteus) là 125 °C

Ngõ ra điện áp tuyến tính 10mV/1°K

Như vậy:

Tại 0°C tương đương với 273°K điện áp đầu ra u=2.73v

Chúng em thiết kế mạch giám sát nhiệt đọ có dải đo từ 0°C đến 108°C

Tại 108°C tương đương với 381°C điện áp đầu ra là 3.81v

Dựa vào công thức của mạch khuếch đại vi sai cải tiến :

Điều kiện: R7.R4=R6.R5

Ta có: U0=(U2-U1)

-Thấy tại 0°C thì điện áp ra của cảm biến = 2.73 v

Như vậy muốn chuẩn hóa thành 0V ta sẽ cấp 1 giá trị điện áp = +2.73 vvào chân U1

-Tại 108°C điện áp đầu ra là 3.81v

Muốn chuẩn hóa đầu ra =10v Chọn R1=1.5k, R2=1k, R3=2k

Áp dụng công thức ta được

Chọn R5=R7=2.5 k, R6=R4=810

Như vậy mạch chuẩn hóa cho cảm biến nhiệt độ với điện áp đầu ra từ (0÷10)V là:

Hình 2.3: Mạch chuẩn hóa điện áp

2.4 Xây dựng mạch phát xung chuẩn cung cấp cho các bộ đếm dùng timer 555

2.5 Sơ đồ chân, bảng chân lý và ứng dụng các vi mạch sử dụng.

2.5.1 Các vi mạch của mạch đo tần số.

1 IC 555

Sơ đồ khối 555 :

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

là chân chung

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

- Chân 3 (OUTPUT) : chân này là chân dùng để lấy tín hiệu ra logic Trạngthái của tín hiệu ra được xác định theo mức 0 và 1 1 ở đây là mức cáo nó tương ứng gần bằng Vcc nếu (PWM=100%) và mức 0 tương đương với 0V nhưng trong thực 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 theo các mức biển áp ngoài hay dùng các điện trở ngoài nối GND Chân này có thể không nối cũng được nhưng để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số 5 xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF->0.1uF các tụ này lọc nhiễu và giữ cho điện áp chuẩn 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 điều khiển bởi tầng logic của chân 3 Khi chân 3 ở mức điện áp thấp thì khóa này đóng lại , ngược lại thì nó mở ra Chân 7 tự nạp xả điện cho mạch R_C lúc IC 555 dùng như 1 tầng dao động

- Chan 8 (VCC): đây là chân cung cấp áp và dòng cho IC hoạt động không

có chân này coi như IC chết Nó được cấp điện áp từ 2->18V

2 IC 4017

IC 4017 để tạo ra bộ đếm thập phân

- Sơ đồ chân:

Hoạt động :

- Chân 14( CLK) nhận xung

- Chân (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 11, 10, 9) (Q0-Q9) đưa dữ liệu ra ngoài, mỗi lần kích một xung vào, một chân sé được đưa lên mức cao một cách tuần tự, các chân còn lại ở mức thấp

- Chân 13(E): Tích cực mức thấp

- Chân 15(MR): Chân reset, mỗi khi kích lên mức cao, IC được reset

- Chân 12 (CO): Trong 5 xung đầu ( từ Q0 - Q4 lần lượt lên mức cao) CO ở mức cao, 5 xung tiếp theo (từ Q5 – Q9 lần lượt lên mức cao) CO ở mức thấp.

Sơ đồ xung ra ở các chân:

Mạch dùng IC 4017 tạo ra bộ đếm :

3 IC đếm BCD 74ls190

Là IC tích hợ bộ đếm thập phân đồng bộ, đầu ra song song Nó có chức năngđếm thuận hoặc nghịch.Đặc biệt có thể đặt trước giá trị đếm với chân điều khiển giá nạp giá trị

Chức năng các chân:

2 Chân cấp nguồn : 16 (VCC) và chân 8(GND)

3 Nhóm chân dữ liệu nạp vào : A(15) B(1) C (10) D(9)

4 Nhóm chân dữ liệu đầu ra : Qa (3) Qb(2) Qc(6) Qd(7)

5 Chân cấp xung clock CLK :14

6 Chân chọn chế độ đếm thuận nghịch D/U :5

7 Chân cho phép đếm Enable :4

8 Chân nạp giá trị load :11

9 Chân xung đếm ra RCO :13

Giản đồ xung của 74ls190 :

1 IC giải mã 74hc4511

- Đây là một IC giải mã , nó làm nhiệm vụ giải mã từ mã nhị phân logíc (dạng 0,1) sang mã của led 7 vạch để xuất ra led 7 vạch về cấu tạo nó là mộttập hợp các mạch tổ hợp gồm cách linh kiện số logic như các cổng and ,

or , việc thiết kế một mạch như vậy không hẳn là quá khó ,chỉ cần xây dựng mạch tổ hợp lả chúng ta hoàn toàn có thể làm được ,nhưng điều đó khiến chúng ta mất thời gian ,không đảm bảo chất lượng sử dụng , =>dùng IC tích hợp cho tiện

- Chúng ta tìm hiểu sơ đồ chân của nó như sau :

-Chú ý là loại này dùng cho seg 7 vạch loại cathot chung có nghĩa là tất cả cathot của led nốí chung với nhau và nối với đất ,như vậy dữ liệu đẩy vào led

sẽ tích cực ở mức cao tức là mức 1 thì mới làm led sang

- 4511 Có 16 chân

- Chân 16 luôn là chân nối với nguồn dương (5 v ), chân số 8 nối với đất

- Chân 1,2,7,6 là chân đưa dữ liệu đầu vào ,chúng ta có thể chọn dữ liệu loại này là dữ liệu logic tức là dạng 1,0,1,0…

- 7 chân đầu ra là chân 9 ,10,11,12,13,14,15.sẽ xuất ra dữ liệu của dạng 7 vạch

- Chân số 5 là chân dùng để điều khỉên tế bào nhớ ,chần này = 0 thì IC hoạt động bình thường , còn = 1 thì dữ nguyên trạng thái ở các đầu ra ,và dữ cho đến khi nó trở về chân này được chuyển về 0 thì đầu ra lại tiếp tục hoạt động.(nếu hiểu sâu sa thì chúng ta hiểu khi IC hoạt động thì dữ liệu tại đầu ra sẽ luân phiên nhau được nhớ trong tế bào 4 bít ,vậy khi chân số 5 này ở mức 0 giả sự gọi là đóng cửa thì IC hoạt động bình thường không vấn đề gì ,nhưng khi nó = 1 tức là mở cửa thì dữ liệu trong tế bào nhớ trào ra và đẩy liên tục