Đang tải... (xem toàn văn)
BÀI TẬP LỚN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰBÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ BÀI TẬP LỚN VI MẠCH TƯƠNG TỰ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BÀI TẬP LỚN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ ĐỀ SỐ SINH VIÊN: NGUYỄN ĐỨC HƯNG MÃ SINH VIÊN: 2018605428 LỚP: TĐH 3- K13 N= 27, a= Hà Nội, ngày tháng 06 năm 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI MỤC LỤC MỤC LỤC BÀI TẬP LỚN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO 1.Khái niệm nhiệt độ .4 2.Các thang đo nhiệt độ 3.Sử dụng vi mạch tương tự để đo cảnh báo nhiệt độ 4.Biến nhiệt thành điện CHƯƠNG : GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 1.Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 2.Mạch tích hợp KĐTT µA741 .9 3.IC 555 10 5.IC 7843 13 IC 7447 giải mã led đoạn 14 7.IC ổn áp 78xx 79xx 16 8.Led 17 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH ĐO 18 3.1) Ý tưởng thiết kế 18 3.2) Tính tốn, lựa chọn cảm biến 19 3.3) Tính tốn, thiết kế khối khuếch đại khối chuẩn hóa 20 3.4) Tính tốn, thiết kế mạch so sánh 21 3.5) Mạch cảnh báo 21 3.6) Mạch nhấp nháy .22 3.7) ADC0804 24 3.9) 3.10) Khối nguồn 29 Cơ cấu thị 30 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI 3.11) Kết luận 31 BÀI TẬP LỚN: VI MẠCH TƯƠNG TỰ NỘI DUNG: Đề tài: Dùng vi mạch tương tự tính tốn, thiết kế mạch đo cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ngẫu Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 0-(100+10*n)0C Đầu ra: Chuẩn hóa đầu với mức điện áp: U=0 ÷ 10V U= ÷ -5V I=0÷20mA I=4÷20mA Dùng cấu đo để thị Khi nhiệt độ giới hạn bình thường : t0C=0÷tmax/2 Thiết kế mạch nhấp nháy cho LED với thời gian sáng tối bằng: T0=(1+0,5*a) giây Khi nhiệt độ vượt giá trị t0C=tmax-2*n Đóng điện cho động điện TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI chiều 5VDC chạy làm mát Đưa tín hiệu cảnh báo cịi nhiệt độ vượt giá trị : t0C=tmax/2 Trong đó: a: chữ số hàng đơn vị danh sách (ví dụ: STT=3→a=3; STT=10→a=0) n: Số thứ tự sinh viên danh sách PHẦN THUYẾT MINH Yêu cầu bố cục nội dung: Chương 1: Tổng quan mạch đo Chương 2: Giới thiệu thiết bị Chương 3: Tính tốn, thiết kế mạch đo - Tính tốn, lựa chọn cảm biến - Tính tốn, thiết kế mạch đo - Lựa chọn nguồn cung cấp - Tính tốn, thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa - Tính tốn mạch nhấp nháy cho LED - Tính tốn, thiết kế mạch cảnh báo - Kết luận hướng phát triển TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO 1.Khái niệm nhiệt độ Nhiệt độ đại lý đặc trưng cho cường độ chuyển động nguyên tử, phân tử hệ vật chất Tuỳ theo trạng thái vật chất ( rắn, lỏng, khí) mà chuyển động có khác trạng thái láng, phân tử dao động quanh vi trí cân vi trí cân ln dịch chuyển làm cho chất lỏng khơng có hình dạng định Cịn trạng thái rắn, phần tử, nguyên tử dao động xung quanh vị trí cân Các dạng vận động phân tử, nguyên tử gọi chung chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên ngồi có trao đổi lượng khơng sinh cơng, q trình trao đổi lượng nói gọi truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt tuân theo nguyên lý: Bảo tồn lượng Nhiệt tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất Ở trạng thái rắn, truyền nhiệt xảy chủ yếu dẫn nhiệt xạ nhiệt Đối với chất lỏng khí ngồi dẫn nhiệt xạ nhiệt cịn có truyền nhiệt đối lưu Đó tượng vận chuyển lượng nhiệt cách vận chuyển phần khối vật chất vùng khác hệ chênh lệch tỉ trọng 2.Các thang đo nhiệt độ Từ xa xưa người nhận thức tượng nhiệt đánh giá cường độ cách đo đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo thời kỳ Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng định nghĩa theo vùng,từng thời kỳ phát triển khoa học kỹ thuật xã hội Hiện có thang đo nhiệt độ là: Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ) Thang Celsius ( 0C ): T( 0C ) = T( K ) – 273,15 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( K ) – 459,67 Nhiệt độ đo nhiệt kế Nhiệt độ đo đơn vị khác biến đổi công thức Trong hệ đo lường quốc tế, nhiệt độ đo đơn vị Kelvin, kí hiệu K Trong đời sống Việt Nam nhiều nước, đo độ C Dựa thang đo đánh giá nhiệt độ 3.Sử dụng vi mạch tương tự để đo cảnh báo nhiệt độ Vi tương tự vi mạch số lĩnh vực mang tới thời nóng bỏng mà cịn ẩn chứa vơ số điều bí ẩn có sức hấp dẫn lạ kỳ, ngày thâm nhập vào đời sống Trong thực tế dạng lượng thường dạng tương tự Do muốn xử lí chúng theo phương pháp kĩ thuật số ta phải biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Xuất phát từ ý tưởng đó, em thưc việc xây dựng mạch điện đo nhiệt độ hiển thị đèn LED Mạch mang tính chất thử nghiệm, chưa có tính thực tế vấn đề chuyển đổi ADC, vấn đề cảnh báo nhiệt độ đèn vấn đề đo lường đại lượng không điện điện 4.Biến nhiệt thành điện Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật dải nhiệt độ Phân làm phương pháp chính: Đo trực tiếp đo gián tiếp: Đo trực tiếp phương pháp đo thiết bị đo đặt trực tiếp môi trường cần đo Đo gián tiếp phương pháp đo dụng cụ đo đặt ngồi mơi trường cần đo (áp dụng với trường hợp đo nhiệt độ cao ) Ta khảo sát phương pháp đo trực tiếp với giải nhiệt độ cần đo cao Dải đo từ: t0C =00C ÷ tmax = 00C ÷ (100+10*n)0C (n: số thứ tự sinh viên danh sách): n=27 => t 0C TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI = 00C ÷ 3700C Do em giao đề tài số dùng cặp nhiệt ngẫu nên em sử dụng cặp nhiệt ngẫu loại J có dải đo từ: -40 0C ÷ 7500C TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI CHƯƠNG : GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH *Các thiết bị gồm: - Cặp nhiệt ngẫu loại J - Mạch tích hợp KĐTT µA741 - ADC0804 - LM7805 , LM7812, LM7912 - IC 7843,IC 7447 - Còi, Led, Led thanh, trở, tụ, ốt 1.Cặp nhiệt điện (Thermocouple) a) Cấu tạo điển hình cặp nhiệt cơng nghiệp Hình 1.1: Cấu tạo cặp nhiệt 1) Vỏ bảo vệ 5) Bộ phận lắp đặt 2) Mối hàn 6) Vít nối dây 3) Dây điện cực 7) Dây nối 4) Sứ cách điện 8) Đầu nối dây – Đầu làm việc điện cực (3) hàn nối với hàn vảy, hàn khí hàn tia điện tử Đầu tự nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ vít nối (6) dây đặt đầu nối dây (8) Để cách ly điện cực người ta dùng ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ hoá học đủ độ bền nhiệt nhiệt độ làm việc Để bảo vệ điện cực, cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm sứ chịu nhiệt thép chịu nhiệt Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt khơng nhỏ không lớn Trường hợp vỏ thép mối hàn đầu làm việc tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI – Trên thị trường có nhiều loại Cặp nhiệt điện khác (E, J, K, R, S, T…) loại Cặp nhiệt điện cấu tạo chất liệu khác nhau, từ sức điện động tạo khác dẫn đến dải đo khác Người sử dụng cần ý điều để lựa chọn loại Cặp nhiệt điện phù hợp với yêu cầu – Đồng thời lắp đặt sử dụng loại Cặp nhiệt điện cần ý tới điểm sau đây: Dây nối từ đầu đo đến điều khiển ngắn tốt (vì tín hiệu truyền dạng điện áp mV nên dây dài dẫn đến sai số nhiều) Thực việc cài đặt giá trị bù nhiệt (Offset) để bù lại tổn thất mát đường dây Giá trị Offset lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ dài, chất liệu dây môi trường lắp đặt Không để đầu dây nối Cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường cần đo Đấu nối chiều âm, dương cho Cặp nhiệt điện b) Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu loại J Hình 1.2: Hình ảnh thức tế cặp nhiệt ngẫu – Cấu tạo: Gồm chất liệu kim loại Sắt Constantan, hàn dính đầu, đầu T1 gọi đầu nóng, hai đầu cịn lại khơng hàn T2 gọi đầu lạnh đầu chuẩn TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Cảnh báo : thực chức báo động nhiệt độ vượt ngưỡng cho Cơ cấu đo thị: Là thiết bị hiển thị điện áp (Voltmeter), dòng điện (Ammeter) tương ứng với nhiệt độ đo Có nhiều loại cấu đo thị khác như: điện, điện từ, cảm ứng… Vì dịng điện dịng chiều điện áp chiều với giá trị bé nên ta dùng cấu thị từ điện để hiển thị giá trị dòng điện điện áp thời điểm xác định 3.2) Tính tốn, lựa chọn cảm biến – Có dải cần đo là: t0C = 00C ÷ 1850C Vì em chọn cặp nhiệt ngẫu loại J có dải đo : -40 ~ 750oC, có hệ số K=0,055mV/oC – Coi điểm tham chiếu ln có nhiệt độ T2 = oC phương trình sức điện động tuyến tính Cơng thức tính điện áp cảm biến : Ucb = K*(T1-T2) tương ứng là: e= 0,055*T1 mV Với : T1 = 00C => Ucb = mV Với : T1 = 1850C => Ucb = 10.175 mV Với : T1 = 3700C => Ucb = 20.35 mV 24 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI 3.3) Tính tốn, thiết kế khối khuếch đại khối chuẩn hóa a) Khối khuếch đại – Điện áp chuẩn hóa đầu : ~ -5V mà điện áp cảm biến : → 20.35mV Vậy chọn mạch khuếch đại đảo có hệ số khuếch đại : ≈ -245.7 – Sơ đồ mạch: Hình 3.31: Mạch khuếch đại đảo với KĐTT Với : UA= Ucb => = -245.7 Chọn R1 = 1kΩ R2=245.7kΩ, R3 = 10kΩ b) Khối chuẩn hóa U-I – Sơ đồ mạch chuẩn hóa: Hình 3.33: Mạch chuẩn hóa U-I 25 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI Mạch chuẩn hóa có cơng thức tính: Khi +) UIN = (mV) → U+= = 4.07( mV) +) UIN = 20.35(mV) → U+= 20.35 ( mV) Yêu cầu chuẩn hóa I= 4-20 mA Có hệ số chuyển đổi : KUI = = = = → R12 = 1,0175Ω 3.4) Tính tốn, thiết kế mạch so sánh – Nhiệt độ giới hạn là: tgh=tmax/2 = 370/2 = 185oC → Uss = 4.5/2 = 2.25V – Khi điện áp vào UB < Uss điện áp UC mức thấp, điện áp vào UB > Uss điện áp UC mức cao – Sơ đồ mạch: Hình 3.4: Mạch so sánh 3.5) Mạch cảnh báo – Khi nhiệt độ vượt quá: tmax/2 = 370/2 = 185oC UB>2.25 V điện áp UC mức cao đưa tín hiệu cịi cảnh báo – Khi UB < 2.25 V điện áp UC mức thấp nên mạch cảnh báo khơng hoạt động Vì sử dụng AND IC 7408 với chân nối +5V 26 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Bảng chân lý IC 7408: A B Z=A*B A B 0 1 Z – Sơ đồ mạch: Hình 3.5: Mạch cảnh báo Khi tín hiệu vào chân 7840 mức thấp ( tương ứng Uin2.25V) tín hiệu chân mức cao nên tranzitor loại NPN dẫn nên còi cảnh báo hoạt động 3.6) Mạch nhấp nháy – Ngược với mạch cảnh báo, mạch nhấp nháy hoạt động nhiệt độ dưới: tmax/2 = 370/2 = 185oC UB < 2.25 V điện áp UC mức thấp đưa tín hiệu mạch nhấp nháy – Khi UB > 2.25 V điện áp UC mức cao nên mạch nhấp nháy khơng hoạt động Vì sử dụng NOR với chân nối đất 27 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Bảng chân lý IC 7408: A B Y 1 0 1 A Y B – Sơ đồ mạch: Hình 3.6: Mạch tạo xung vng, đèn nhấp nháy Khi tín hiệu vào chân NOR mức thấp ( tương ứng U B < 2.25V) tín hiệu chân NOR mức cao tác động vào chân ( chân reset ) IC 555 làm mạch tạo xung hoạt động làm đèn nháy với: τ=4.5 Khi tín hiệu vào chân NOR mức cao ( tương ứng U B > 2.25V) tín hiệu chân NOR mức thấp khơng có tín hiệu vào chân ( chân reset ) IC 555 làm mạch tạo xung không hoạt động nên đèn tắt Mạch tạo xung sử dụng IC 555 có yêu cầu thời gian đèn sáng tối có τ=1+a*0,5 ( mà n=27, a=7) → τ=4.5 Ta có: τ= RA*C15=RB*C15=4.5 Chọn C15= 100uF → RA=RB= 45kΩ 28 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI 3.7) ADC0804 – Sơ đồ mạch : Hình 3.71: Mạch hoạt động ADC – Các chân 1,2,8,10,7 ADC nối xuống mức thấp để ADC hoạt động – Chân số cấp xung từ IC 555 với thời gian : τ nạp = τxả=R78*C17=R76*C17=104*10-4= Chân 3: Có chức báo cho ADC biết để bắt đầu trình chuyển đổi Nếu CS = WR cấp xung cao xuống thấp ADC0804 bắt đầu trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin thành số nhị phân bit Khi việc chuyển đổi hồn tất chân INTR ADC hạ xuống thấp Chân 5: Là chân tích cực mức thấp Bình thường chân trạng thái cao việc chuyển đổi tương tự số hồn tất chuyển xuống mức thấp để báo cho CPU biết liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy – Sử dụng đồng hồ ADC0804với chân CLK IN CLK R: CLK IN (chân số 4), chân vào nối tới đồng hồ sử dụng để tạo thời gian Tuy nhiên ADC0804 c ũng có tạo xung đồng hồ riêng Để dùng đồng hồ riêng chân CLK IN CLK R (chân số 19) nối với tụ điện điện trở Tần số đồng hồ xác định biểu thức: f = 29 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Chọn R = 10 kΩ, C = 150 pF tần số nhận f = 606 kHz thời gian chuyển đổi 110 µs – Chân số (Vref/2): Chân số 9, chân điện áp đầu vào dùng làm điện áp tham chiếu Vì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 ( Vin) nằm dải đến +5Vnên chân để hở ADC0804 có đầu bit nên có 8=256 trạng thái tương ứng với giá trị từ 0→255 nên ta có kích thước bước ( điện áp để tăng giảm giá trị): a= 5/255= 19,6mV – Chân số chân số (Vin (+) Vin (-)): Đây đầu vào tương tự vi sai, Vin = Vin(+) – Vin(-) Thông thường Vin(-) nối tới đất Vin(+) dùng làm đầu vào tương tự chuyển đổi dạng số – Vcc: Chân số 20, chân nguồn nuôi +5V Chân dùng làm điện áp tham chiếu đầu vào Vref/2 để hở – Chân số 18 – 11(D0 – D7): Là chân liệu số (D7 bit cao MSB D0 bit thấp LSB) Để tính điện áp đầu ta tính theo cơng thức sau: Dout = Vin / Kích thước bước 3.8) Bộ hiển thị số BCD – Số nhị phân bit có giá trị lớn 255 Vì vậy, em sử dụng LED để hiển thị kết tương ứng với số hàng đơn vị, hàng chục hàng trăm – Em chia thành khối mạch sau: khối xử lý đổi số nhị phân sang BCD gồm khối (khối đơn vị, khối hàng chục, khối hàng trăm) khối giải mã gồm LED đoạn để hiển thị kết 30 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Sơ đồ khối hiển thị số BCD Hình 3.81: Sơ đồ khối hiển thị số BCD a) Cách chuyển đổi số nhị phân tự nhiên bit thành số BCD: Để đổi số nhị phân sang BCD em sử dụng IC 7483 để cộng bit: Mạch cộng bit : Hình 3.82: Mạch cộng bit 31 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Xét chuyển đổi số nhị phân bit thành số BCD sử dụng IC 7483 cổng logic để hiệu chỉnh kết quả: Chuyển số bit thành số BCD: Khi cộng bit mã nhị phân ta giá trị từ 010-1510 số BCD có giá trị từ 10910 Vậy để đọc kết dạng BCD ta phải hiệu chỉnh kết có từ mạch cộng nhị phân Bảng kết tương đương mã nhị phân mã BCD: TP 10 11 12 13 14 15 NHỊ PHÂN BCD BCD đọc theo NP S4 S3 S2 S1 c4 s4 s3 s2 s1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 16 17 18 19 20 21 Nhận thấy: Khi kết = 10 để có mã BCD ta phải cộng thêm cho mã nhị phân 32 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI – Để giải vấn đề hiệu chỉnh trước tiên ta thực mạch phát kết trung gian mạch cộng số nhị phân bit Mạch nhận kết trung gian phép cộng số nhị phân bit cho ngõ Y=1 kết qủa >= 10,ngược lại Y=0 cổng logic OR cổng AND hình Hoạt động: – IC thứ cho kết trung gian phép cộng hai số nhị phân – IC thứ hai dùng hiệu chỉnh để có kết số BCD Khi kết =10, IC nhận ngõ vào A số 0110 610 (do Y=1) kết hiệu chỉnh nói – Dựa vào bảng kết tương đương mã nhị phân mã BCD ta phát thấy kết >=10 tín hiệu chân S4 ln s2=1 s3=1 ( S4=1 AND ( s2=1 OR s3=1)) Vậy ta có cổng logic OR thứ AND hình Như ta chuyển đổi mã nhị phân bit sang mã BCD – Khi chân B IC thứ có tín hiệu mà kết trung gian IC 7483 >15
