BỘ CÔNG THƯƠNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BÀI TẬP LỚN: vi

mạch tương tự

Số : 1
Họ và tên HS-SV : Mầu Tiến Hưng
Khoá : 8

Nhóm : 2 . Lớp : TĐH1 MSV :0841240084

Khoa : Điện.
NỘI DUNG

Đề tài: Dùng các vi mạch tương tự tính toán, thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt
ngẫu.
Yêu cầu: - Dải đo từ: t0C =tmin – tmax = 0-(100+10*n)0C.
-

Đầu ra: + Chuẩn hóa đầu ra: U=0 : -5V và I=4-20mA.
+ Dùng cơ cấu đo để chỉ thị.
Khi nhiệt độ trong giới hạn bình thường t0C= 0-200. Thiết kế mạch nhấp nháy cho led với
thời gian sáng và tối bằng nhau và bằng 1(s).


Tính toán, thiết kế mạch cảnh báo
Dùng phần mềm mô phỏng mạch
Kết luận và hướng phát triển.

Chương 1 : Tổng quan về mạch đo
1.1 Khái niệm về nhiệt độ
1.1.1 Khái niệm:
Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên
tử,phân tử của một hệ vật chất.Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất (rắn, lỏng, khí)
mà chuyển động này có khác nhau.Ở trạng thái lỏng, các phân tử dao động quanh
vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng
không có hình dạng nhất định.Còn ở trạng thái rắn,các phần tử,nguyên tử chỉ dao
động xung quanh vị trí cân bằng.Các dạng vận động này của các phân tử,nguyên tử
được gọi chung là chuyển động nhiệt.Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng
lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự
truyền nhiệt.Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý:
Bảo toàn năng lượng :
Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất. Ở
trạng thái rắn,sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt.
Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyền
nhiệt bằng đối lưu.Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận
chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch
về tỉ trọng.
1. 1. 2 Thang đo nhiệt độ:
Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độ của
nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ.Có nhiều
đơn vị đo nhiệt độ,chúng được định nghĩa theo từng vùng,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:
1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).
2- Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15.

lường khác nhau trên cơ sở của các hệ thống đo lường khác nhau
Bản vẽ sơ đồ khối nguyên lý mạch đo :

3


TEMP

Khối cảm
biến

Bộ
ADC

Khối hiển
thị BCD

Mạch KĐ
điện áp

Mạch
chuyển U-I

Cơ cấu
chỉ thị

1.5.2:Vai trò tác dụng của các khối

•
•

Đó là các khối cơ bản dùng trong mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng cặp
nhiệt ngẫu

Chương 2 : Giới thiệu về các thiết bị chính
2.1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt ngẫu
*Nguyên lý hoạt động : Hiệu ứng nhiệt điện

Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt
điện. Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá
học khác nhau được nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt độ hai
mối hàn là t và t0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Sức điện động
xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện động nhiệt điện. Nếu một đầu của
4


cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hở thì giữa hai cực xuất hiện
một hiệu điện thế. Hiện tượng trên có thể giải thích như sau:
Trong kim loại luôn luôn tồn tại một nồng độ điện tử tự do nhất định phụ thuộc bản
chất kim loại và nhiệt độ. Thông thường khi nhiệt độ tăng, nồng độ điện tử tăng.
Giả sử ở nhiệt độ t0 nồng độ điện tử trong A là NA(t0), trong B là NB(t0) và ở nhiệt
độ t nồng độ điện tử trong A là NA(t), trong B là NB(t), nếu NA(t0) > NB(t0) thì nói
chung NA(t) > NB(t).
Xét đầu làm việc (nhiệt độ t), do NA(t) > NB(t) nên có sự khuếch tán điện tử từ A ->
B và ở chổ tiếp xúc xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t) có tác dụng cản trở sự
khuếch tán. Khi đạt cân bằng eAB(t) sẽ không đổi.

Vật liệu chế tạo
Để chế tạo cực nhiệt điện có thể dùng nhiều kim loại và hợp kim khác nhau. Tuy
nhiên chúng phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Sức điện động đủ lớn (để dể dàng chế tạo dụng cụ đo thứ cấp).

- Tầm đo: -270 độ đến 1330 độ C

- Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay
6


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 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S,
T. Cần lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp.
- Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn
đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ
cho nó ( offset trên bộ điều khiển ).

2.Bộ khuếch đại thuật toán uA741
Chân 1- Chỉnh Không
Chân 2- Nhập Trừ
Chân 3- Nhập Cộng
Chân 4- Điện Nguồn -V
Chân 5- Không Dùng
Chân 6- Chân Xuất
Chân 7- Điện Nguồn +V
Chân 8- Không Dùng

Hình 2.6.Sơ đồ chân OPAMP uA741

7


Chân 4- Hồi phục
Chân 5- Điện áp điều khiển
Chân 6- Điện áp ngưỡng
Chân 7- Xả điện
Chân 8- Nguồn cấp dương

Hình 2.7.Sơ đồ và chức năng các chân IC555

Mạch tích hợp IC555 là mạch tích hợp tương tự - số được ứng dụng rộng rãi. Khi
kết hợp với các phần tử R,C bên ngoài cho phép có được mạch tạo xung đơn (mạch

8


định thì) có độ rộng xung mong muốn, hoặc mạch dao động tạo dãy xung vuông có tần
số xác định.
Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động tốt. Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối

tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần. Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3
VCC nối vào chân dương của OA 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2.
Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích. Khi điện áp ở
chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset .
Hinh 2.9.Nguyên lý hoạt động IC555

Hình 2.8.Sơ đồ nguyên lý IC555
Chu kỳ xung phụ thuộc rất nhiều vào các phần tử R,C bên ngoài.
• Thời gian nạp (có xung ra): tn = 0.69(RA+RB)C
• Thời gian xả điện (không có xung ra): tn = 0.69RBC
• Chu kì: T=0.69(RA+2RB)C
4.ADC0804


+ CLK IN và CLK R: CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tới đồng hồ ngoài được sử
dụng để tạo thời gian. Tuy nhiên ADC0804 cũng có một bộ tạo xung đồng hồ riêng.
Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK R (chân số 19) được nối với một
tụ điện và một điện trở. Tần số đồng hồ được xác định bằng biểu thức: f=1,1/RC.
VD: Với R = 10 kΩ, C = 150 pF và tần số f = 606 kHz và thời gian chuyển đổi là
110 µs.
 Ngắt INTR (Interupt): Chân số 5, là chân ra tích cực mức thấp. Bình thường chân
này ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi tương tự số hoàn tất thì nó chuyển
xuống mức thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi. Sau
khi INTR xuống thấp, cần đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống thấp tới chân RD
để đưa dữ liệu ra.

10


 Vin (+) và Vin (-): Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương tự vi sai, trong đó
Vin = Vin(+) – Vin(-). Thông thường Vin(-) được nối tới đất và Vin(+) được dùng
làm đầu vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số.
 Vcc: Chân số 20, là chân nguồn nuôi +5V. Chân này còn được dùng làm điện áp
tham chiếu khi đầu vào Vref/2 để hở.

 Vref/2: Chân số 9, là chân điện áp đầu vào được dùng làm điện áp tham chiếu. Nếu
chân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dải 0
đến +5V. Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác với
dải 0 đến +5V. Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0 đến
+5V.
 D0 – D7, chân số 18 – 11, là các chân ra dữ liệu số (D7 là bit cao nhất MSB và D0 là
bit thấp nhất LSB). Các chân này được đệm ba trạng thái và dữ liệu đã được
chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD đưa xuống mức thấp. Để

Transitor hay còn gọi là bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành
hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép
theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược.
Kí hiệu:

Nguyên lý hoạt động:

12


Muốn cho tranzito làm việc ta phải cung cấp cho các chân cực của nó một điện áp
một chiều thích hợp. Có ba chế độ làm việc của tranzito là: chế độ tích cực (hay chế độ
khuếch đại), chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa. Cả hai loại tranzito P-N-P và N-P-N
đều có nguyên lý làm việc giống nhau, chỉ có chiều nguồn điện cung cấp vào các chân
cực là ngược dấu nhau.
+ Chế độ ngắt: Cung cấp nguồn điện sao cho hai tiếp xúc P-N đều phân cực ngược.
Tranzito có điện trở rất lớn và chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua nên tranzito coi
như không dẫn điện.
+ Chế độ dẫn bão hòa: Cung cấp nguồn điện sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều phân
cực thuận. Tranzito có điện trở rất nhỏ và dòng điện qua nó là khá lớn.
Ở chế độ ngắt và chế độ dẫn bão hòa, tranzito làm việc như một phần tử tuyến tính
trong mạch điện. Ở chế độ này tranzito như một khóa điện tử và nó được sử dụng
trong các mạch xung, các mạch số.
+ Chế độ tích cực: Ta cấp nguồn điện sao cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận, và
tiếp xúc góp TC phân cực ngược. Ở chế độ tích cực, tranzito làm việc với quá trình biến
đổi tín hiệu dòng điện, điện áp, hay công suất và nó có khả năng tạo dao động, khuếch
đại tín hiệu...
6.Cơ cấu chỉ thị.

Là thiết bị hiển thị cho người dùng biết được nhiệt độ của đối tượng cần đo. Có

7.Thiết bị cảnh báo
Để cảnh báo quá nhiệt ta có thể sử dụng chuông cảnh báo hoặc coài cảnh báo, hoặc
ta có thể sử dụng đồng thời cả hai để cảnh báo quá nhiệt. Những thiết bị này thường

14


hoạt động đơn giản dễ dàng lắp đặt và sử dụng được cả nguồn một chiều hay xoay
chiều.
8.Nguồn cấp cho mạch.
Trong mạch sử dụng nguồn điện 1 chiều với cấp điện áp 5V, -12V/+12V tùy theo yêu
cầu của mạch trên thực tế thì nguồn điện 1 chiều thường được chỉnh lưu từ nguồn
xoay chiều. nguồn cấp của chúng ta gồm có :
Máy biến áp có chức năng hạ áp từ 220V xuống cấp điện áp thấp mà ta sử dụng đó
là 5V, -12V+.
Bộ chỉnh lưu cầu gồm có các điot, tụ điện, và điện và cuộn cảm có tác dụng chỉnh
lưu từ dòng xoay chiều sang dòng 1 chiều. sơ đồ nguyên lý của khối chỉnh lưu:

Hình 2.12. Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 1 pha với các tải khác nhau

Chương 3 : Tính toán, thiết kế mạch đo
3.1 Tính toán, lựa chọn cảm biến
Dải đo từ: toC = tmin÷ tmax = 0÷(100+10.n)
Với n=30 → toC = 0 ÷400oC.

cho nên ta sẽ chọn cặp nhiệt ngẫu làm từ chromel/coben để sử dụng trong đề tài.
• Cực dương là chromel, cực âm là coben là hợp kim gồm 56%Cu + 44% Ni.

• Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 800oC, Eđ = 66 mV.
• Nhiệt độ làm việc dài hạn < 600oC.

3.4 Tính toán thiết kế mạch khuếch đại, chuẩn hóa
3.4.1: Chuẩn hóa đầu ra với mức điện áp U= 0

-5V

Sơ đồ mạch khuếch đại đo lường :

Vậy điện áp ra được xác định bởi biểu thức với điều kiện bình thường là R4R7=R5R6

Uo= Ung.

.(

+ 1)

Với U0= -5V và Ung=Ura= -0,0164 V ta có :

17


.(

+ 1) =

=

= 304,9

Chọn R4= R5 = R6 = R7 = 1k



Nên : R9=
Thay vào (*) ta có
16,4(R4+R5)=20R4R3
Chọn R3=16,4Ω
Ta có : R4+R5=20R4
Chọn R4=10 Ω
Suy ra R5=190 Ω
3.5 Tính toán mạch nhấp nháy cho LED

20


Theo yêu cầu bài toán thời gian sáng và thời gian tối của LED bằng nhau và bằng
=(1+0,5*0)=1 (s )
Nguyên lý hoạt động chung của mạch: Khi nhiệt độ nằm trong giới hạn 0 oC ÷ 200oC thì
U- > U+ điện áp ra của mạch so sánh ở mức L, qua cổng logic NOT điện áp ra U o ở mức
H . Khi đó chân 4 (RST) được đưa lên mức cao, IC555 hoạt động và chân 3 có xung ra
làm cho LED nhấp nháy. Tương tự U- < U+ điện áp ra của mạch so sánh ở mức H, qua
cổng logic NOT điện áp ra Uo ở mức L . Khi đó chân 4 (RST) được kéo xuống mức thấp
(0V), IC555 ngừng làm việc => LED không nhấp nháy
Do mạch tạo xung vuông đối xứng nên:
Ta có R13=R14=10kΩ
Từ công thức R14.C1.0,69= suy ra C1=145uF
3.6 Tính toán , thiết kế mạch cảnh báo

- Khi nhiệt độ vượt quá t max/2 =200oC thì đưa ra tín hiệu cảnh báo tới loa. Với yêu cầu
như vậy thì ta sử dụng luôn mạch so sánh, + một van bán dẫn đơn giản sử dụng
transistor.
- Nguyên lý hoạt động chung của mạch: Khi nhiệt độ vướt quá t max/2 = 200oC thì U-

dao động nối với chân CLK IN và CLK R. Chọn R23 = 10 kΩ, C5 = 150 pF => tần số
f = 606 kHz (f=1,1/RC) và thời gian chuyển đổi là 110 µs.
+ Chân INTR là chân ngắt được nối với LED D 1 thông qua R24 = 220 Ω .
 Mạch tạo xung vuông dùng IC555.
+ Ở đây ta chọn thời gian lấy mẫu là 1s:
• T=0.69

• Chọn
+ Cứ sau 1s IC lại chuyển đổi 1 lần và khi đó điện áp được chuyển đổi sang mã
nhị phân liên tục.
2. Xây dựng bộ hiển thị số BCD.
- Số nhị phân 8 bit có giá trị lớn nhất là 255. Vì vậy ta sẽ sử dụng 3 LED 7 đoạn để
hiển thị kết quả tương ứng với các số hàng đơn vị, hàng chục và hàng trăm.
- Từ nhận xét này chúng em chia thành các khối mạch như sau: khối hiển thị bằng
LED 7 đoạn hàng đơn vị, khối mạch hiển thị hàng chục và khối hiển thị hàng
trăm.
- Cách chuyển đổi số nhị phân tự nhiên 8 bit thành số BCD:
+ Đầu tiên ta chuyển số 4 bit thành số BCD: hai số BCD có giá trị từ 0 10 đến 910
khi cộng lại cho kết quả từ 010 đến 1810 , để đọc được kết quả dạng BCD ta
phải hiệu chỉnh kết quả có được từ mạch cộng nhị phân.
+ Dưới đây là kết quả tương đương giữa 3 loại mã: thập phân, nhị phân và
BCD.

23


- Nhận thấy:
+ Khi kết quả = 10 để có mã BCD ta phải cộng thêm 6 cho mã nhị phân.
- Để giải quyết vấn đề hiệu chỉnh này trước tiên ta sẽ thực hiện một mạch phát hiện