BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ: cảm biến nhiệt độ

MỤC LỤC Giới thiệu 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO 3 1. Tổng quan 3 2. Biến nhiệt thành điện 4 3. Hình thành sơ đồ khối 7 Chương 2: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 9 1. IC cảm biến nhiệt độ LM35 9 2. Bộ chuyển đổi tương tự số 8 bit ADC0804 9 3. Opam 741 12 4. IC 555 13 5. IC 7483. 13 6. IC 7447 14 7. LED 7 thanh. 14 8. LED báo. 15 9. Transistor 16 10. Điện trở, tụ điện… 17 11. Còi báo. 17 Chương 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MẠCH ĐO. 18 1. Tính toán lựa chọn cảm biến. 18 2. Tính toán thiết kế mạch đo. 18 3. Tính toán thiết kế mạch nguồn cung cấp. 19 4. Tính toán thiết kế mạch khuếch đại chuẩn hóa. 20 5. Tính toán thiết kế mạch nhấp nháy cho LED. 22 6. Xây dựng bộ hiển thị số BCD. 24 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 28 1. Kết luận. 28 2. Hướng phát triển. 29  

MỤC LỤC

Bài tập lớn này nghiên cứu dùng các vi mạch tương tự tinh toán, thiết

kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng IC cảm biến nhiệt độ.

Trong quá trình thiết kế, do kiến thức còn hạn hẹp và trình độ hiểu biết chuyên môn còn tương đối hạn chế nên sẽ khó tránh khỏi những sai sót, khuyết điểm Em rất mong nhận được sự góp và chỉ bảo nhiệt tình từ phía các thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn, có thể áp dụng vào thực tiễn.

Sinh viên làm đề tài.

Ngô Văn Tu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO

1. Tổng quan

Khái niệm về nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động củacác nguyên tử, phân tử của một hệ vật chất Tuỳ theo từng trạng thái của vậtchất (rắn, lỏng, khí) mà chuyển động này có sự khác nhau Ỏ trạng thái lỏng,các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôndịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định Còn ở trạngthái rắn, các phần tử, nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng Cácdạng vận động này của các phân tử, nguyên tử được gọi chung là chuyểnđộng nhiệt Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng khôngsinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt.Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo nguyên lý:

Bảo toàn năng lượng.Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ caođến nơi có nhiệt độ thất.Ởtrạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằngdẫn nhiệt và bức xạ nhiệt

Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn cótruyền nhiệt bằng đối lưu Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệtbằng cách vận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhaucủa hệ do chênh lệch về tỉ trọng

1.1Các thang đo nhiệt độ

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giácường độ của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo củamỗi thời kỳ Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từngvùng,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 ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15

- Thang Farhrenheit: T( 0F ) = 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 cơbản của hệ đơn vị quốc tế (SI) Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánhgiá được nhiệt độ

Vi mạch số ,vi mạch tương tự lĩnh vực không mang tới thời sự nóngbỏng nhưng vẫn ẩn chứa vô số điều bí ẩn và có sức hấp dẫn lạ kỳ, đã đang vàtừng ngày thâm nhập vào đời sống của chúng ta Nhưng trong thực tế cácdạng năng lượng thường ở dạng tương tự.Do đó muốn xử lý chúng theophương pháp kĩ thuật số ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số

Xuất phát từ ý tưởng đó, em đă thưc hiện việc xây dựng một mạch điện

đo nhiệt độ hiển thị ra đèn LED.Mạch này chỉ mang tính chất thử nghiệmthực 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

2. Biến nhiệt thành điện

Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu về kỹ thuật và giảinhiệt 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 đổinhiệt điện đươc đặt trực tiếp trong môi trường cần đo

- Đo gián tiếp là phương pháp đo trong đó dụng cụ đo đặtngoài môi trường cần đo(áp dụng với trường hợp đo ở nhiệt

2.1Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu:

Cấu tạo : Gồm hai thanh kim loại a,b được hàn với nhau tại một đầu t1hai đầu t0 là 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 một suất điệnđộng:

Eab(t1,t0)=Eab(t1)-Eab(t0)

Nếu giữ nhiệt độ ở đầu t0 không đổi :

Eab(t1,t0)=Eab(t1-c)=F(t1)

- Rd: điện trở đường dây (quy định là 5Ω)

- Rdc: điện trở điều chỉnh (điều chỉnh cho Rd = 5Ω)

+ Điện trở mạch đo thay đổi khi nhiệt độ môi trường thay đổi

· + Nhiệt độ đầu tự do to đươc duy trì ở nhiệt độ chuẩn không độ C

nhưng Et thực tế thường nhỏ hơn trên lý thuyết

Đặc tính quan trọng của nó là có độ nhạy nhiệt rất cao gấp hàng

chuc lần loại trên.

Dải nhiệt 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 môitrường

B là hằng số có giá trị từ 3000 đến 5000 K Giá trị điện trở thường cỡ 50 - 500 Ôm

- Đo nhiệt độ = diot và tranzitor

Linh kiện điện tử rất nhạy nhiệt nên ta có thể sử dụng 1số linhkiện bán dẫn như diot hoặc tzt nối theo kiểu diode (Bazơ nối vớiColector)

Khi đó điện áp U giữa hai cực của diode là hàm của nhiệt độ Độnhạy được xác định theo biểu thức :

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

Khi nhiệt độ thay đổi ta có:

Ic2 là ḍng collector cua tzt 2.

Với tỉ số Ic1/Ic2=const Ud tỉ lệ thuận với nhiệt độ T mà khôngcần nguồn ổn định

Độ nhạy nhiệt của mạch của mạch này được xác định theo biểuthức 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

2.3Lựa chọn phương pháp biến đổi nhiệt năng thành điện năng

Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt áp dụng vào thiết bị đo nhiệt độđang là một phương pháp rất phổ biến, tiện lợi Do đó, em đă lựa chọnphương pháp này áp dụng vào trong đề tài của mình.Hơn nữa, như em đănói ở trên phần tử bán dẫn rất nhạy nhiệt,để đảm bảo được độ chuẩn xáctương đối cao,thoả măn được tiêu chuẩn yêu cầu, chấp nhận được

3. Hình thành sơ đồ khối

3.1Sơ đồ khối.

Hình 1 Sơ đồ khối hệ thống.

3.2Yêu cầu cho từng khối :

- Khối nguồn:cung cấp nguồn cho toàn hệ thống hoạt động, tất cả thiết bịchỉ ở một trong hai nguồn +5v hoặc – 5v

- Cảm biến: nhận tín hiệu cần đo ,dùng làm mạch đệm tín hiệu và lọcnhiễu tín hiệu trước khi chuyển vào các khối khác

- Mạch đo: có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu điện nhận được từ bộchuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu kết quả đo của bộ chỉ thị

- Cơ cấu chỉ thị: Là thiết bị hiển thị cho người dùng biết được nhiệt độcủa đối tượng cần đo Có nhiều cơ cấu chỉ thị khác nhau như: từ điện,điện động

- So sánh: làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu vừa đưa về với tín hiệu đã càiđặt.Tuỳ theo tín hiệu ngõ ra, sẽ ra quyết định để cơ cấu chấp hành giatăng, giảm, hay giữ nguyên nhiệt độ thậm chí có thể kết hợp để báođộng hiển thị

- Chỉ thị:làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo đểthể hiện kết quả đo.

- Hiển thị: cho phép người quản lý thấy được tại thời điểm bất kì của hệthống đo để kịp thời sử lý

- Cảnh báo: thực hiện chức năng báo động khi nhiệt độ vượt quá ngưỡngcho phép

3.3Tổng quan mạch đo

3.1.1 Mạch đo

Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý, dựa vào các đặc tính của đạilượng cần đo mà chọn ra loại cảm biến phù hợp để thực hiện việc biến đổi cácthong số cần đo thành đại lượng điện hay điện áp

U = 0 ÷10V

I=4÷20mA

Sau đó qua bọ lọc và khuếch đại tín hiệu

Tín hiệu sau khi được hiệu chỉnh sẽ chuyển qua bộ chuyển đổi ADC

(Analog Digital Converter) bộ này chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dạng sốrồi chuyển qua để so sánh rồi phát cảnh báo nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡngcho phép hoặc chuyển tới phần chỉ thị để hiển thị kết quả ra LED

3.1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ

Đo nhiệt độ là phương pháp đo lường tín hiệu dạng tự nhiên của môitrường, không có điện trong đại lượng cần đo

- Nhiệt độ được phân làm nhiều dải để đo:

+ nhiệt điện kế kim loại

+ nhiệt điện trở kim loại

+ nhiệt điện trở bán dẫn

+ cảm biến thạch anh

Chương 2:GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

1 IC cảm biến nhiệt độ LM35

1.1Giới thiệu chung.

Hình 2: IC cảm biến LM35

Cảm biến nhiệt độ LM35 là một loại cảm biến tương tự rất hay được

ứng dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực Vì nó hoạt động kháchính xác với sai số nhỏ, đồng thời với kích thước nhỏ và giá thành rẻ là mộttrong những ưu điểm của nó Vì đây là cảm biến tương tự (analog sensor) nên

ta có thể dễ dàng đọc được giá trị của nó

1.2Cấu tạo và đặc điểm.

1.2.1 Cấu tạo.

Gồm 3 chân trong đó có 2 chân cấp nguồn và một chân xuất điện áptùy theo nhiệt độ mà cảm biến nhận được

o Chân 1: Chân nguồn Vcc

o Chân 2: Đầu ra Vout

o Chân 3: GND

1.2.2 Đặc điểm.

+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

+ Độ chính xác cao ở 25 là ± 0.50C

+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

+ Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -550C đến 1500C với các mứcđiện áp ra khác nhau Xét một số mức điện áp sau :

• Nhiệt độ -55 C điện áp đầu ra -550mV

• Nhiệt độ 25 C điện áp đầu ra 250mV

• Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV

2 Bộ chuyển đổi tương tự số 8 bit ADC0804

a Giới thiệu chung.

Chíp ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số trong họ các loạtADC800, nó làm việc với +5V và có độ phân giải 8 bit Ngoài độ phângiải thì thời gian chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khiđánh giá một bộ ADC Thời gian chuyển đổi được định nghĩa như là thời

gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhịphân Trong ADC0804 thời gian chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần

số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưng không thểnhanh hơn 110μs

Hình 3: IC chuyển đổi tương tự - số 8 bit ADC0804

b Nguyên lý làm việc.

Chức năng các chân ADC0804:

- Chân CS (chân số 1)chọn chíp: Là một đầu vào tích cực mức thấp

được sử dụng để kích hoạt chíp ADC0804 Để truy cập ADC0804thì chân này phải ở mức thấp

- Chân RD (chân số 2): Đây là một tín hiệu đầu vào được tích cực

mức thấp Các bộ ADC chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhịphân tương đương với nó và giữ nó trong một thanh ghi trong RDđược sử dụng để nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra củaADC0804 Khi CS = 0 nếu một xung cao – xuống – thấp được ápđến chân RD thì đầu ra số 8 bit được hiển diện ở các chân dữ liệuD0 – D7 Chân RD cũng được coi như cho phép đầu ra

- Chân ghi WR (chân số 3) Thực ra tên chính xác là “Bắt đầu

chuyển đổi”): Đây là chân đầu vào tích cực mức thấp được dùng đểbáo cho ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi

WR tạo ra xung cao – xuống – thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu chuyểnđổi giá trị đầu vào tương tự về số nhị phấn 8 bit Lượng thời gian

cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chânCLK IN và CLK R Khi việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thìchân INTR được ép xuống thấp bởi ADC0804

Ngoài ra , cần tạo xung bằng IC 555 cho chân WR này

Hình 4 : Sơ đồ khảo sát ADC0804

- Chân CLK IN (chân số 4) và CLK R (chân số 19): Chân CLK IN

là một chân đầu vào được nối tới một nguồn đồng hồ ngoài khi đồng

hồ ngoài được sử dụng để tạo ra thời gian Tuy nhiên ADC0804cũng có một máy tạo xung đồng hồ Để sử dụng máy tạo xung đồng

hồ trong của ADC0804 thì các chân CLK IN và CLK R được nối tớimột tụ điện và một điện trở Trong trường hợp này tần số đồng hồđược xác định bằng biểu thức:

f=

Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C = 150pF

và tần số nhận được là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là110μ.s

- Chân ngắt INTR (chân số 5): Đây là chân đầu ra tích cực mức

thấp Bình thường nó ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàntất thì nó xuống thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu được chuyểnđổi sẵn sàng để lấy đi Sau khi INTR xuống thấp, ta đặt CS = 0 vàgửi một xung cao xuống thấp tới chân RD lấy dữ liệu ra củaADC0804

- Chân VCC (chân số 20): Đây là chân nguồn nối +5V, nó cũng

được dùng như điện áp tham chiếu khi đầu vào REFV/2 (chân số 9)

để hở

- Chân REFV/2 (chân số 9): Là một điện áp đầu vào được dùng cho

điện áp tham chiếu Nếu chân này hở (không được nối) thì điện ápđầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dãy 0→5V (giống nhưchân VCC) Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp

để thực thi các điện áp đầu vào khác ngoài dãy 0→5V Ví dụ: Nếudãy đầu vào tương tự cần phải là 0 →4V thì REFV/2 được nối với+2V

- Các chân dữ liệu D0 – D7 (Từ chân 11 đến chân 18): Các chân

dữ liệu D0 – D7 (D7 là các bit cao nhất MSB và D0 là bit thấp LSB)

là các chân đầu ra dữ liệu số Đây là những chân được đệm ba trạngthái và dữ liệu được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0

và chân RD bị đưa xuống thấp Để tính điện áp đầu ra ta có thể sửdụng công thức sau:

Dout=Với Dout là đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân) Vin là điện áp đầuvào tương tự và độ phân dãy là sự thay đổi nhỏ nhất được tính như

là (2x/2REFV) chia cho 256 đối với ADC 8 bit

- Chân GND (chân số 10): Đây là những chân đầu vào cấp đất chung

cho cả tín hiệu số và tương tự Đất tương tự được nối tới đất củachân Vin tương tự, còn đất số được nối tới đất của chân VCC Lý do

mà ta phải có hai đất là để cách ly tín hiệu tương tự Vin từ các điện

áp ký sinh tạo ra việc chuyển mạch số được chính xác Trong phầntrình bày thì các chân được nối chung với một đất Tuy nhiên, trongthực tế thu đo dữ liệu các chân đất này được nối tách biệt

3 Opamp 741

Hình 5: Opam 741

OPAMP 741 là một công cụ có nhiều chức năng

Khuếch đại hiệu hai điện thế nhập:

Khuếch Đại Điện Âm or Dương:

So sánh hai điện thế nhập:

Khi V+ > V- Khi V+ < V- Khi V+ = V-

4 IC 555

Hình 6: IC 555.

IC 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạođược xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơngiản, điều chế được độ rộng xung Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạchtạo xung đóng cắt hay là những mạch dao động khác Đây là linh kiện củahãng CMOS sản xuất

- Các thông số cơ bản của IC 555 có trên thị trường :

+ Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555,

NE555, NE7555 )

+ Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng

ngoại)

5 IC 7483.

Là IC dùng để biến đổi số đầu vào tạo ra số đầu ra khác , với mạch mãhoá được cấu tạo bởi các cổng logic như ở hình trên ta có nhận xét rằng trongtrường hợp nhiều phím được nhấn cùng 1 lúc thì sẽ không thể biết được mã số

sẽ ra là bao nhiêu Do đó để đảm bảo rằng khi 2 hay nhiều phím hơn đượcnhấn, mã số ra chỉ tương ứng với ngõ vào có số cao nhất được nhấn, người ta

đã sử dụng mạch mã hoá ưu tiên

chức năng đo và hiển thị nhiệt độ, báo động nhiệt độ tại những khoảng đượclập trình trước cho IC điều khiển.

7.1 Nguyên lý hoạt động.

Mạch sẽ hiển thị giá trị nhiệt độ đo được tại mọi thời điểm hệ thống hoạtđộng, giá trị hiện thị sẽ được đưa đến ngõ vào của IC giải mã 74LS47 qua cácInput, với tính năng giải mã của vi mạch này, sẽ cho ra dữ liệu song song trêncác Bus đến các LED song song Chương trình sẽ chọn LED nào và hiển thịnhiệt độ lên LED

Khi có 1 sự biến đổi điện áp từ cảm biến, tức sự thay đổi nhiệt độ môitrường cần đo thì mã của 74LS47 cũng sẽ thay đổi phù hợp, tần số quét LEDđược thiết kế hợp lý để tránh mắt thường quan sát được

7.2 Tính toán thiết kế.

Để LED sáng 1 cách bình thường thì trên mỗi đoạn của LED cần cungcấp giá trị dòng điện khoảng 10mA Điện áp rơi trên mỗi LED vào khoảng2mV Nguồn cung cấp điện áp cho mạch Vcc= 5V

Với IC 74LS47 ta có các thông số ngõ ra như sau:

Vo1= 0.4 V

Io1= 40mA

Trường hợp ta thiết kế cho LED sang với dòng điện 10mA Như vậy:

Rhd =(Vcc - V LED – Vo1 )/ ILED=(5V- 2V- 0.4V)/ 10mA= 260 (Ω)

Trong thực tế khi thiết kế ta chỉnh giá trị Rhd sao cho LED sang rõ nhất

và lúc này ta đo được giá trị điện trở hạn dòng là Rhd =330 (Ω)

Tại ngõ ra của IC 74LS47, ta mắc thêm điện trở hạn dòng cho IC nàytrong trường hợp LED sang thì điện áp trên LED khoảng 2V, VCE SAT =0.2 V,vậy nên phải có điện trở hạn dòng cho IC này để không sảy ra cháy IC mãhóa

8 LED báo.

Là thiết bị dùng để báo sáng nhấp nháy khi mạch đo thấy nhiệt độ trongphạm vi cho phép

Hình 10: LED