bài tập lớn vi mạch thiết kế đo nhiệt độ và tần số

Thiết kế mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ.Hệ thống gồm hai nút START và STOP để khởi dộng và đừng hệ thống., 4 led 7 thanh để hiển thị tần sốthang đo Hz, ( dải đo từ 0 ÷ 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 ÷ 103°C ).

Trường ĐHCN HàNội Bộ Môn ĐLĐK

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Trường ĐHCN HàNội Bộ Môn ĐLĐK

Thiết kế mạch đo tần số và giám sát nhiệt độ.Hệ thống gồm hai nút START

và STOP để khởi dộng và đừng hệ thống., 4 led 7 thanh để hiển thị tần số-thang đo

Hz, ( dải đo từ 0 ÷ 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 ÷ 103°C ).

Hoạt Động:

Khi ấn nút START, hệ thống thực hiện đo và hiển thị kết quả đo với thang đo Hz, cảm biến nhiệt độ cũng cho giá trị đầu ra sau mạch chuẩn hóa, nếu nhiệt độ đạt 83°C thì cảnh báo bằng còi

Khi ấn nút STOP, hệ thống dừng Sử dụng các thiết bị đo để khiểm tra khi cần thiết

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng các

linh kiện bán dẫn đã phần nào giảm bớt được giá thành sản phẩm

Trường ĐHCN HàNội Bộ Môn ĐLĐK

bằng các linh kiện rời Ứng dụng môn kỹ thuật số vào thiết kế các

bộ phận thiết thực hằng ngày giúp chúng tahiểu được môn kỹ thuật

số làm gì và được ứng dụng vào đâu

Mạch đo tần số và đo nhiệt độ cũng được ứng dụng và phục vụ rất nhiều trong cuộc sống của chúng ta

Sau đây em xin thiết kế một mạch đo tần số và đo nhiệt độ là mạchrất rất thông

Trường ĐHCN HàNội Bộ Môn ĐLĐK

1.1.1 Phân tích yêu cầu công nghệ

1.2.1 Liệt kê các phương pháp đo tần số

1.3.1 Trình bày nguyên lý đo tần số trong bài

1.4.1 Các linh kiện cần dùng trong bài

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

2.1.1 Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài

2.2.1.Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế

2.3.1.Mạch phát xung chuẩn cung cấp cho các bộ đếm dùng timer 555

2.4.1 Trình bày sơ đồ chân lý,bảng chân lý và ứng dụng các vi mạch sử dụng.2.5.1 Sơ đồ nguyên lý mạch

2.6.1 Thuyết minh nguyên lý hoạt động của mạch

2.7.1 Xây dựng mô phỏng trên phân mềm proteus và chạy thử

Chương 3: Kết luận

3.1 Các kết quả đạt được

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

3.3 Các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục

Phần II: Giám sát nhiệt độ

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

1.1.2 Phân tích yêu cầu công nghệ

1.4.2 Các linh kiện cần dùng trong bài

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

2.1.2 Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài

2.2.2.Liệt kê các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế

Trường ĐHCN HàNội Bộ Môn ĐLĐK

2.6.2 Thuyết minh nguyên lý hoạt động của mạch

2.7.2 Xây dựng mô phỏng trên phân mềm proteus và chạy thử

Chương 3: Kết luận

3.1.2 Các kết quả đạt được

3.2.2 Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo?

3.3.2 Các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục

PHẦN I: THIẾT KẾ MẠCH ĐO TẦN SỐ.

Chương 1:Các mạch chức năng và sử dụng trong hệ thống.

1.1.1 Yêu cầu công nghệ

Trường ĐHCN HàNội Bộ Môn ĐLĐK

Đối tượng đo là xung vuông , dải đo từ 0Hz ÷9999Hz

Yêu cầu dùng các vi mạch tương tự và vi mạch số để thiết kế Hệ thống gồm hainút 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

1.2.1.Các phương pháp đo tần số

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 đo và một

số yếu tố khác

a) Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng

Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng: Được tiến hành bằng các loại tần số

kế cộng hưởng,tần số kế cơ điện,tần số kế tụ điện,tần số kế chỉ thị số

ƒ+Các tần số kế cơ điện tương tự (tần số kế điện từ, điện động, sắt điện

động): được sử dụng để đo tần số trong khoảng từ 20Hz ÷ 2,5kHz trong các

mạch nguồn với cấp chính xác không cao (cấp chính xác 0,2; 0,5; 1,5; 2,5)

+Các tần số kế điện dung tương tự: để đo tần số trong dải tần từ 10Hz ÷

500kHz, được sử dụng khi hiệu chỉnh, lắp ráp các thiết bị ghi âm và rađiô v.v + Tần số kế chỉ thị số: được sử dụng để đo chính xác tần số của tín hiệu xung và tín hiệu đa hài trong dải tần từ 10Hz ÷50GHz Còn sử dụng để đo tỉ số các tần số, chu kỳ, độ dài các xung, khoảng thời gian

ƒ + Tần số kế trộn tần: sử dụng để đo tần số của các tín hiệu xoay chiều, tín

Trường ĐHCN HàNội Bộ Môn ĐLĐK

1.3.1.Nguyên lý đo tần số trong bài.

+Nguyên tắc hoạt động của mạch đếm tần số rất đơn giản là bằng cách đếm số xung dao động cần được đo trong các khoảng thời gian đúng bằng 1 giây đồng hồ

+Khi đó, về nguyên tắc, để có thể hiển thị được giá trị của số xung dao động đếm được trong các khoảng thời gian 1 giây thì cần phải chốt giá trị đã đếm được trong IC4017 đếm sau những khoảng thời gian đúng 1 giây

để lưu lại giá trị đã được đếm và hiển thị lại giá trị đã được đếm trong 1 giây trước

đó Nếu không chốt lại giá trị của xung dao động đã đếm được thì giá trị hiển thị sẽ

bị ‘trượt’ liện tục theo kết quả đếm được

+Để kiểm soát được giá trị đếm được trong các khoảng thời gian 1 giây thì phải reset bộ đếm sau các khoảng thời gian 1 giây và sau khi IC Giải mã 4017 đã được nhập dữ liệu vào để hiển thị

+Vì vậy, trong thiết kế trên đây cần phải tạo ra một bộ dao động chuẩn với thời gian 1 giây bằng cách sử dụng mạch dao động có tần số 1Hz và tạo ra xung chuẩn đúng 1 giây đồng cho việc điều khiển nhập dữ liệu vào IC4017 thông qua LE và xoá

bộ đếm 4518 thông qua chân lệnh Reset sau mỗi Chu kỳ 1 giây đồng hồ

1.4.1.Các linh kiện cần dùng trong bài.

-IC 555 :Dùng tạo dao động đếm thời gian

-Điện trở R2=222.5015, RV1=1.500125k(66%)

-Tụ điện:C4=0.01uF , C1=0.001F

-IC4017 để tạo ra bộ đếm thập phân

Trường ĐHCN HàNội Bộ Môn ĐLĐK

-Nguồn tín hiệu cần đo : Xung vuông

- 7SEG catot chung,

Chương 2:Thiết kế mạch đo tần

2.1.1.Sơ đồ khối bố trí linh kiện trong bài

2.2.1.Các linh kiện sử dụng trong bản thiết kế

-IC 555 :Dùng tạo dao động đếm thời gian

-Điệntrở:R2=222.5015, RV1=1.500125(66%)

-Tụ điện:C4=0.01F , C1=0.001F

-IC4017 để tạo ra bộ đếm thập phân

-Nguồn tín hiệu cần đo : Xung vuông

- 7SEG catot chung,

Bộ đếm chỉ số BCD

Trường ĐHCN HàNội Bộ Môn ĐLĐK

Điện áp ra là dãy xung vuông

2.4.1.Sơ đồ chân,bảng chân lí và ứng dụng các vi mach sử dụng

Mạch tổ hợp

+Mãhóa

Mã hóa và giải mã không có gì xa lạ và là tấtyếu trong đời sống chúng ta Nó được dùng để dễ nhớ, dễ đặt, dễ làm,….là quy ước chung cũng có thể phổ biến

Trường ĐHCN HàNội Bộ Môn ĐLĐK

cũng có thể bí mật.Chẳng hạn dung chữ để đặt tên cho1con đường,cho1con người, dung 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 thay phức tạp hơn là phải mã hoá các thôngtin dùng trong tình báo, …

Trongcác hệ thống số kể cả viễn thông, máy tính, các đường điều khiển tuỳ 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 nguồn cho mạch ở mức

1, rồi có nhiều đường địa chỉ nhiều bit chẳng hạn 110100 để CPU xác định địa chỉ trong bộ nhớ, rồi dữ liệu dạng hex gửi xuống máy in chọn ra kí tự.Tất cả các tổ hợp bit đó được gọi là các mã số (code) hay mã Và mạch tạo ra các mã số gọi là mạch mã hoá (lập mã: encoder)

+ Bộ mã hóa nhị phân– thập phân( bộ mã hóa 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 lý bộ giải mã BCD

+ 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 có1 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

+ 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 anot chung hay catot chung) để làm các đoạn led cần thiết sáng tạo nên các số hay

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 ohm với 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)

+ 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 được 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:

Hình ảnh thực tế IC555.

+ Sơ đồ chân

Chân 1 (GND): Chân cho nối masse để lấy dòng

Chân 2 (Trigger): Chân so áp với mức áp chuẩn là 1/3 mức nguồn nuôi

Chân 3 (Output): Chân ngả ra, tín hiệu trên chân 3 c1 dạng xung, không ở mức ápthấp thì ở mức áp cao

Chân 4 (Reset): Chân xác lập trạng thái nghĩ với mức áp trên chân 3 ở mức thấp, hay hoạt động

Chân 5 (Control Voltage): Chân làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555.

Chân 6 (Threshold): Chân so áp với mức áp chuẩn là 2/3 mức nguồn nuôi

Chân 7 (Discharge): Chân có khóa điện đóng masse, thường dùng cho tụ xả điện.Chân 8 (VCC): Chân nối vào đường nguồn V+ IC 555 làm việc với mức nguồn

- 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 sẽ 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

- Chân12 (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 IC4017 tạo ra bộ đếm:

+IC đếm BCD 74LS190

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

Chức năng của từng chân như sau:

+ Vcc là chân cấp nguồn 5V

+ GND là chân cấp nguồn Mass

+ Q0 đến Q3 là đầu ra của bộ đếm mã BCD

+ CP là ngõ vào cấp xung Clock cho mạch đếm

+ CE là ngõ cho vào tích cực luôn đặt ở mức logic 0

+ U/D : Chân cấu hình cho đếm lên hay đếm xuống Nếu đếm lên thì mức 0

và đếm lùi là 1

+ PL là ngõ đầu vào thiết lập trạng thái đầu cho mạch đếm : PL = 0 ; Qi = Ai ( i=0,1,2,3)

+ A0 đến A3 là các đầu vào dữ liệu

+ TC và RC là hai ngõ ra dùng để kết nối liên tầng giữa hai con 74LS190

Giản đồ xung của 74ls190

Bảng trạng thái các chân chức năng đặc biệt

+IC giải mã 74HC4511.

74HC4511 trên phần mềm mô phỏng proteus

- Đây là một IC giải mã , nó làm nhiệm vụ giải mã từ mã nhị phân logic (dạng0,1) sang mã của led 7 vạch để xuất ra led 7 vạch Về cấu tạo nó là một tập hợp các mạch tổ hợp gồm các 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 là 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 catot chung có nghĩa là tất cả catot của led nối 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 khiển 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 xa thì chúng ta hiểu khi IC hoạt động thì dữ liệu tại đầu ra sẽ luân phiên nhau được nhớ trong tế bào 4 bit, vậy khi chân số 5 này ở mức 0,giả sử 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 vào cửa ra nên giữ tại đầu ra một mức dữ liệu cố định ).

- Trong sơ đồ mạch chúng ta nối nó với đất

- Chân số 3 nếu =0thì tất cả đầu ra sẽ là mức logic 1.(dùng kiểm tra

led 7 đoạn, bất chấp đầu vào là thế nào )

- Chân số 4 thì có tác dụng ngược lại chân số 3

Bảng chân lí

+Hiển thị ( Led 7 thanh)

Led 7 thanh: là 7 con led xếp với nhau thành một hình, nhằm thể hiện các con

số Một chân của các con led được nối với nhau ( Catot chung hoặc Anot chung), các chân còn lại được đưa ra nhằm phân cực các con led

+Khối tín hiệu cho phép đếm và dừng đếm (7408)

Khối tín hiệu được sử dụng băng cổng AND (7408) khi mạch ở chế độ hoạt đông đầu ra của cổng là mức cao 1 và khi đạt mức thấp thì mạch sẽ dừng

+Cổng NOT.

Ngõ ra Q ở mức cao khi ngõ vào A là đảo (Not) của mức cao, ngõ ra là đảo(ngược lại) của ngõ vào: Q = NOT A Cổng NOT chỉ có thể có một ngõ ra Một cổng NOT cũng có thể được gọi là bộ đảo

+ Cổng AND.

Ngõ ra Q ở mức cao nếu ngõ vàoA "AND" ngõ vào B đều ở mức cao (giống như chân A với B): Q= A AND B Một cổng AND có thể có hai hoặc nhiều ngõ vào Ngõ ra của nó ở mức cao nếu tất cả các ngõ vào ở mức cao

+ Khối tín hiệu cần đo

Nguồn tín hiệu cần đo tín hiệu xung

2.5.1.Sơ đồ nguyên lý của mạch.

2.6.1.T huyết m i n h nguy ê nlý h o ạ t động

+ Khi ta ấn nút POWER nút POWER đóng, nguồn được cấp cho mạch,

Sau đó ấn nút START/STOP mạch hoạt động IC 555 cấp xung cho bộ đếm thời gian và nguồn tín hiệu cần đo cấp xung cho bộ đếm xung hoat động Khi mạch đếm chưa hết tần số thì đầu ra của cổng 7408 vẫn ở mức thấp mạch hoạt động khi đạt hết quá trình đếm xung thì đầu ra của 7408 đạt mức cao hệ thống ngừng đếm

Và đó chính là kết quả đo tần sốcủa nguồn tín hiệu cần đo

+Khi ta muốn đo lại ta ấn nút RESET mạch sẽ về trạng thái 0 Muốn tiếp tục đo ta ấn RESET lần 2

+Khi muốn dùng mạch ta ấn nút START/STOP mạch sẽ dừng lại cả khối đếm xung và đếm thời gian đều dừng lại

2.7.1.Mạch mô phỏng trên phần mềm proteus và chạy thử

+Khi mạch chưa được cấp nguồn

+Khi mạch được cấp nguồn và chạy thử với tần số 450Hz.

Chương 3: Kết luận.

3.1.1.Các kết quả đạt được

Đo tần số xung vuông có dải đo từ 0Hz÷9999Hz

Mạch thiết kế sử dụng các vi mạch số và vi mạch tương tự đã được học, phù hợp với nội dung của học phần

Thiết kế mạch đơn giản, dễ hiểu, độ chính xác tương đối cao.

Sau một thời gian tìm hiểu tài liệu và kiến thức có được của môn vi mạch số và vi

mạch tương tự, được hướng dẫn của thầy giáo bộ môn nhóm 10 đã hoàn thành bài tập lớn về mạch đo tần số, do kiến thức về mạch điện tử chưa có kinh nghiệm nên

trong quá trính thiết kế vẫn dựa nhiều vào lí thuyết nên khi áp dụng vào thực tế cónhững sai sót ngoài ý tưởng ban đầu Nên mong muốn nhận được tư vấn góp ý của thầy cô giáo để bài của nhóm 10 được hoàn thiện hơn

3.2.1 Sai số và nguyên nhân sai số của thiết bị đo

Trong quá trình đo có thể xảy ra sai số

+ Nguyên nhân sai số chủ yếu là nguồn phát xung 1Hz tạo bởi IC 555 Khi ta tính toán các giá trị R2, RV1 đã là tròn nên không thể đáp ứng được sự chính xác tuyệt đối Bên cạnh đó còn do sự nhiễu xung khi ta cấp đồng thời xung 1 Hz và xung x Hz vào 1 con AND

3.3.1.Các hạn chế tồn tại của bản thiết kế và phương hướng khắc phục

a) Hạn chế

+ Mạch sử dụng các linh kiện khá đơn giản nên thiết kế trở nên phức tạp và cồng kềnh, gây lãng phí về tài chính đồng thời chưa đảm bảo được tính linh động và tính chính xác tuyệt đối

+ Một số chức năng của các vi mạch chưa được sử dụng một cách triệt để.b) Phương hướng khắc phục

Sử dụng những linh kiện hợp lý và cao cấp hơn như: bảng LED gồm 4 led 7 thanh tích hợp giải mã, khi đó mạch sẽ trở nên đơn giản hơn rất nhiều, Đồng thời tính toán lại các giá trị điện trở của mạch phát xung và lấy giá trị một cáchchính xác nhất

PHẦN II.THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ