Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục Chương TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ Tùy theo nhiệt độ đo dùng phương pháp khác Thơng thường nhiệt độ đo chia thành ba dải: Nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình, nhiệt độ cao Ở nhiệt độ trung bình thấp phương pháp đo phương pháp tiếp xúc nghĩa cảm biến đặt trực tiếp mơi trường cần đo Đối với nhiệt độ cao đo phương pháp khơng tiếp xúc, dụng cụ đặt ngồi mơi trường đo - Đo nhiệt độ phương pháp tiếp xúc Phương pháp đo nhiệt độ cơng nghiệp thường nhiệt xúc Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo nhiệt kế nhiệt điện trở cặp nhiệt ngẫu cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt chuyển đổi với mơi trường đo Đối với mơi trường khí nước, chuyển đổi đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy Với vật rắn đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng truyền từ vật sang chuyển đổi gây tổn hao nhiệt, với vật dẫn nhiệt Do diện tích tiếp xúc vật đo nhiệt kế lớn tốt Khi đo nhiệt độ chất hạt (cát, đất…), cần phải cắm sâu nhiệt kế vào mơi trường cần đo thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ngồi - Đo nhiệt độ phương pháp khơng tiếp xúc Đây phương pháp dựa định luật xạ vật đen tuyệt đối, tức vật hấp thụ lượng theo hướng với khẳ lớn Bức xạ nhiệt vật thể đặc trưng mật độ phổ E λ nghĩa số lượng xạ dơn vị thời gian với đơn vị diện tích vật xảy đơn vị độ dài sóng Quan hệ mật độ phổ xạ vật đen tuyệt nhiệt độ độ dài sóng biểu diễn cơng thức : Eλ0 = C1λ−5 (e c /( λT ) − 1) −1 Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục Trong : C1, C2 – số, λ - độ dài sóng, T – nhiệt độ tuyệt đối C1=37,03.1017 Jm2/s; C2=1,432.10-2 m.độ 1.2 CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ 1.2.1 Nhiệt điện trở Ngun lý hoạt động loại nhiệt điện trở chủ yếu dựa thay đổi giá trị điện trở loại vật liệu dẫn điện bán dẫn có thay đổi nhiệt độ chúng Chính mà người ta sử dụng nhiệt điện trở làm phần tử cảm biến nhiệt độ; nhiên tùy theo u cầu sử dụng mà người ta dùng nhiệt điện trở kim loại nhiệt điện trở bán dẫn Nhiệt điện trở kim loại Đối với nhiệt điện trở kim loại việc chế tạo thích hợp sử dụng kim loại ngun chất như: platin, đồng, niken Để tăng độ nhạy cảm nên sử dụng kim loại có hệ số nhiệt điện trở lớn tốt Tuy nhiên tùy thuộc vào khoảng nhiệt độ cần kiểm tra mà ta sử dụng nhiệt điện trở loại hay khác Cụ thể: nhiệt điện trở chế tạo từ dây dẫn đồng thường làm việc khoảng nhiệt độ từ -500÷+1500C với hệ số nhiệt điện trở α=4,27.10-3; Nhiệt điện trở từ dây dẫn platin mảnh làm việc khoảng nhiệt   độ -1900÷ +6500C với α=3,968.10-3   ; Nhưng làm việc ngắn hạn,  C đặt điện trở nhiệt chân khơng khí trung tính nhiệt độ làm việc lớn cao Cấu trúc nhiệt điện trở kim loại bao gồm: dây dẫn mảnh kép đơi quấn khung cách điện tạo thành phần tử nhạy cảm, đặt vỏ đặc biệt có cực đưa Giá trị điện trở nhiệt chế tạo từ 10÷100Ω Đối với nhiệt điện trở kim loại quan hệ điện trở với nhiệt độ có dạng sau: R(θ) = R0(1+α.θ +β.θ 2+γ.θ 3+ ) Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục Trong : R0 -điện trở dây dẫn ứng với nhiệt độ ban đầu 00C Rθ -điện trở dây dẫn ứng với nhiệt độ θ θ -nhiệt độ [0C]   α,β,γ -các hệ số nhiệt điện trở = const    C Để thấy rõ chất nhiệt điện trở kim loại, xem qua điện trở suất tính theo cơng thức : ρ= n e.μ − − Trong đó: n- -số điện tử tự đơn vị thể tích e -điện tích điện tử tự µ- -tính linh hoạt điện tử, đặc trưng tốc độ trường có cường độ 1vơn/cm Các kim loại dùng làm điện trở nhiệt thường có điện trở suất nhỏ ρ ≈ 10-5 ÷10-6 Ω/cm, có mật độ điện tử lớn (khơng phụ thuộc vào nhiệt độ) Khi nhiệt R U 10Ω đồng 5Ω platin 20 40 a) 60 I θ° K b) Hình1.1 Đặc tính nhiệt (a) đặc tính vơn_ampe nhiệt điện trở kim loại (b) độ tăng ρ phụ thuộc vào dao động mạng tinh thể kim loại, tức xác định tính linh hoạt điện tử Như có thay đổi nhiệt độ làm cho tính linh hoạt điện tử thay đổi theo Tuy nhiên tính linh hoạt điện tử phụ thuộc vào mật độ tạp chất kim loại Cụ thể điện trở suất kim loại ngun chất xác định theo dạng: ρ = ρ0 + ρ(θ), Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục ρ0 khơng phụ thuộc vào nhiệt độ; ρ(θ) hàm phụ thuộc khơng cố định: ứng với nhiệt độ khoảng tuyến tính ρ(θ) = K.θ, ứng với nhiệt độ thấp (≈ 00C) quan hệ hàm bậc năm nhiệt độ Trên hình 1.1.a biểu diễn mối quan hệ điện trở nhiệt độ, hình 1.1.b dạng đặc tính vơn-ampe nhiệt điện trở kim loại Độ nhạy cảm nhiệt điện trở xác định theo biểu thức: S= dR ΔR ≈ dθ Δθ Trong đó: ∆R -sự thay đổi điện trở có thay đổi nhiệt độ ∆θ Việc sử dụng nhiệt điện trở kim loại để đo nhiệt độ cao tin cậy, đảm bảo độ xác cao đến 0,0010C sai số đo khơng q 0,5 đến 1%; Tuy nhiên dòng tải qua có giá trị khơng lớn Nếu có dòng điện lớn ln chạy qua nhiệt điện trở, q nhiệt lớn nhiều so với mơi trường xung quanh Khi độ q nhiệt xác lập xác định điều kiện truyền nhiệt bề mặt nhiệt điện trở (tốc độ chuyển động mơi trường cần kiểm tra so với nhiệt điện trở, tỷ trọng mơi trường đó) Hiện tượng sử dụng để đo tốc độ thơng lượng (dòng chảy) chất lỏng khí, để đo tỷ trọng khí Bên cạnh ưu điểm thân nhiệt điện trở kim loại có nhược điểm sau: Thứ khâu phi chu kỳ mơ tả phương trình vi phân bậc đơn giản (TP+1)R(t) = Kθ(t) Trong số thời gian T có giá trị từ vài giây đến vài trăm giây K độ nhạy S Thứ hai kích thước nhiệt điện trở kim loại lớn nên hạn chế việc sử dụng để đo nhiệt độ nơi hẹp Nhiệt điện trở bán dẫn Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục Nhiệt điện trở chế tạo từ vật liệu bán dẫn gọi termistor; Chúng sử dụng rộng rãi hệ thống tự động kiểm tra điều khiển Termistor chế tạo từ hợp kim đồng - măng gan ban - măng gan dạng thỏi, đĩa tròn hình cầu Loại hồn tồn trái ngược với nhiệt điện trở kim loại: nhiệt độ tăng điện trở lại giảm theo quy luật: R(θ) = R0.e-αθ = R0(1- αθ + α 2θ 2 - ) (1.7) Trong hệ số nhiệt điện trở termistor thường có giá trị   C α = (0,03 ÷ 0,06)     Điện trở suất termistor tính theo cơng thức: ρ = A.e B/θ Trong đó: A -hằng số phụ thuộc kích thước termistor B -hằng số phụ thuộc tạp chất chất bán dẫn a) R [Ω] b) U Cũng 1200 θ03 > θ02 > θ01 1000 θ01 800 600 400 θ02 200 20 40 60 80 100 θ°C θ03 Hình 1.2 Đặc tính nhiệt (a) đặc tính vơn - ampe (b) nhiệt điện trở bán dẫn I điện trở nhiệt kim loại, termistor có hai đặc tính: Đặc tính nhiệt quan hệ điện trở termistor với nhiệt độ (hình 1.2.a) đặc tính vơn - ampe quan hệ điện áp đặt termistor với dòng điện chạy qua ứng với nhiệt độ θ0 (hình 1.2.b) Chúng ta thấy đặc tính vơn - ampe termistor có giá trị cực đại U ứng với I1 đó, tăng dòng lớn I1 nung nóng termistor làm cho giá trị điện trở giảm xuống Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục Các loại termistor thường chế tạo từ vài chục Ω đến vài chục KΩ Termistor có điện trở lớn cho phép đặt R1 vị trí cần kiểm tra xa so với nơi bố trí hệ thống đo lường Chúng làm việc R2 + RT E _ khoảng nhiệt độ từ –600C đến +1800C, R3 cho phép đo nhiệt độ với độ xác UR U I 0,00050C Để sử dụng termistor nhiệt độ lớn hơn, nhỏ khoảng nhiệt độ làm Rθ θV việc bình thường người ta phải sử dụng Hình 1.3 Sơ đồ cầu điện trở đo nhiệt độ đến tổ hợp chất bán dẫn khác So với điện trở nhiệt kim loại termistor có kích thước trọng lượng nhỏ hơn, cho phép đặt nơi chật hẹp để kiểm tra nhiệt độ đối tượng 1.2.2 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu mạch có từ hai hay nhiều dẫn điện gồm hai dây dẫn A C B Chỗ nối hai kim loại hàn với Nếu nhiệt độ mối t0 A B hàn t t0 khác mạch khép kín có dòng điện chạy qua Chiều dòng nhiệt điện phụ thuộc vào nhiệt độ t t0 t0 A B 1 Hình 1.4 a) Sơ đồ cặp nhiệt ngẫu, b) Sơ đồ nối cặp nhiệt ngẫu tuơng ứng mối hàn, nghĩa t > t0 dòng điện chạy theo hướng ngược lại Nếu để hở đầu hai cực xuất sức điện động (sđđ) nhiệt Như cách đo sđđ ta tìm nhiệt độ t đối tượng đo với t0 = const Cách đấu dụng cụ đo vào mạch biến đổi nhiệt điện hình 1.4b Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục 1.2.3 Cảm biến quang đo nhiệt độ Tất vật thể có nhiệt độ lớn nhiệt độ tuyệt đối phát xạ nhiệt Dụng cụ đo nhiệt độ vật thể xạ nhiệt gọi hoả kế xạ hay cách đơn giản hoả kế Bức xạ nhiệt xạ điện từ tạo chất nội chúng (với xạ huỳnh quang kích thích nguồn ngồi) Ta nhận thấy cường độ xạ nhiệt giảm mạnh nhiệt độ vật giảm Hoả kế dùng chủ yếu để đo nhiệt độ từ 300 - 60000 C cao Để đo nhiệt độ đến 30000 C phương pháp dùng hoả kế khơng phải tiếp xúc với mơi trường đo Ta nhận thấy với phương pháp đo khơng tiếp xúc có tính ưu việt khơng làm sai lệch nhiệt đối tượng đo Ngồi để đo nhiệt độ người ta dùng: Nhiệt kế áp suất, nhiệt kế áp suất khí, nhiệt kế áp suất chất lỏng Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục Chương NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MODUL XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ ĐO NHIỆT ĐỘ 2.1 MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ Bao gồm: 2.1.1 Khối nguồn cấp 2.1.2 Khối nguồn dòng Cảm biến nhiệt độ PT100 cảm biến nhiệt độ dạng điện trở Khi nhiệt độ thay đổi, giá trị điện trở PT100 thay đổi theo cấp cho PT100 giá trị dòng điện khơng đổi giá trị điện áp cảm biến tính theo định luật: U= R I U : Là giá trị điện áp hai đầu cảm biến R : Điện trở cảm biến T0C 2.1.3 Khối ADC Các chuyển đổi ADC thuộc thiết bị sử dụng rộng rãi để thu liệu Các máy tính số sử dụng giá trị nhị phân, giới vật lý đại lượng dạng tương tự (liên tục) Nhiệt độ, áp suất (khí chất lỏng), độ ẩm vận tốc số đại lượng vật lý giới thực mà ta gặp ngày Một đại lượng vật lý chuyển dòng điện điện áp qua thiết bị gọi biến đổi Các biến đổi coi cảm biến Mặc dù có cảm biến nhiệt, tốc độ, áp suất, ánh sáng nhiều đại lượng tự nhiên khác chúng cho tín hiệu dạng dòng điện điên áp dạng liên tục Do vậy, ta cần chuyển đổi tương tự số cho vi điều khiển đọc chúng Một chip ADC sử dụng rộng rãi ADC0804 2.1.4 Khối khuếch đại Vì tín hiệu điện áp có biên độ nhỏ, ta cần có khuếch đại Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục 2.1.5 Khối hiển thị Trong mạch sử dụng khối hiển led đoạn -Bộ phận hiển thò gồm LED đoạn anod chung Vì vi xử lí xử lí liệu số nhò phân (1,0 ) nên cần có giãi mã từ số nhò phân sang số thập phân Sự giải mã dùng giải mã phần cứng (IC giải mã) Tuy nhiên với phần mềm quét LED người ta giảm bớt IC giải mã giảm giá thành mạch điện Nhưng để kết nối với mạch hiển thò phải cần có IC giao tiếp vào port 8051 dùng cho mục đích khác 8255 IC giao tiếp vào song song thông dụng điều khiển phần mềm nên em sử dụng 8255 để giao tiếp với thiết bò ngoại vi (phần hiển thò…) Vì dòng port 8255 nhỏ (lớn port A khoảng 5mA) nên cần có IC đệm dòng để nâng dòng lên đủ kéo cho LED sáng Em chọn IC đệm 74245 Khi đưa liệu để hiển thò tất LED nhận thời điểm cho phép LED nhận liệu nên phải có mạch giải mã để chọn LED 2.2 SƠ ĐỒ NGUN LÝ 2.2.1 Khối nguồn cấp FUSE R16 + C6 D2 in out + BT1 7660 + + C7 C10 + NC C+ C- BT2 C9 GND C8 V+ 3- D1 78L05 AC12V +5V Q5 D468 BT3 Hình 2.4 Nguồn cấp cho mạch OSC LV OUT -5V R18 D3 + R17 gnd F1 C11 Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục 2.2.2 Mạch nguồn dòng +5V R25 Q5 A1015 Q6 A1015 R26 PT100-1 Hình 2.5 Mạch tạo nguồn dòng 2.2.3 Mạch khuếch đại R22 -5V 4558/SO - + R29 R23 -5V Hình 2.6 Mạch khuếch đại khơng đảo 10 Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục +5V +5V R1 Q3 A1015 Q4 A1015 R12 D4 R7 D5 R8 D6 R9 D7 D8 ch1 ch2 c/f bat f c a g b A4 A3d e A2 A1 led A1 CA1 A2 CA2 A3 CA3 A4 CA4 10 11 12 13 14 15 16 R11 f no3 c a g b Q2 A1015 R10 A4A3 d noe A2 dot A1 no1 no2 Q1 A1015 R9 R6 +5V V+ + ISP VCC C15 MAX232 GND RXD-PC TXD-PC RS232 TXD-PC 13 R1IN R2IN 12 R1OUT R2OUT RXD TXD-S 11 T1IN 10 T2IN 14 RXD-PC T1OUT T2OUT C1+ C1C2+ C2V+ V- C1+ R13 ATMEGA8 MASTER + C2 + RESET RESET RXD TXD C12 VCC C1- C3 C1+ C1C2+ C2V+ V- C2+ + PC MOSI MISO SCK GND VCC GND V- + X1 X2 R15 C13 C2- X1 X2 SW1 SW2 SW3 SW4 4MHZ MENU C14 C4 SW1 10 11 12 13 14 RESET PD0/RXD PD1/TXD PD2 PD3 PD4 VCC DGND PB6/X1 PB7/X2 PD5 PD6 PD7 PB0 PC5/SCL PC4/SDA PC3 PC2/ADC2 PC1/ADC1 PC0/ADC0 GND AVREF AVCC PB5/SCK PB4/MISO PB3/MOSI PB2 PB1 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 VCC CHAN2 CHAN1 GND VREF VCC SCK MISO MOSI BUZZ RESET TXD TXD-S c/f ch2 ch1 VCC GND dot g R6 R7 a R8 ATMEGA8 SLAVE RESET PD0/RxD PD1/TxD PD2 PD3 PD4 VCC DGND PB6/X1 PB7/X2 PD5 PD6 PD7 PB0 PC5/SCL PC4/SDA PC3 PC2 PC1 PC0 GND AVREF AVCC PB5/SCK PB4/MISO PB3/MOSI PB2 PB1 10 11 12 13 14 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 led bat ca4 ca3 ca2 ca1 f e d c b R1 R2 R3 R4 R5 HOLD SW2 C/F SW3 - BUZZ + VREF BUZZ GND +5V R25 GND CH 4558/SO Q5 A1015 SW4 CHAN1 R24 + Q6 A1015 R29 R17 R16 R22 -5V C5 - F1 FUSE +5V L1 C6 + in out PT100-1 +5V R19 -5V BT1 D2 7660 R26 4558/SO 3- D1 -5V V+ C10 + BT3 OUT -5V CHAN2 R21 R18 D3 C11 Q7 A1015 Q8 A1015 R28 C9 + GND + C7 OSC LV + C8 BT2 NC C+ C- + AC12V +5V - VCC 78L05 gnd + Q5 D468 R26 R23 +5V R20 +5V R27 PT100-2 Hình 2.7 Sơ đồ ngun lý mạch đo 11 Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục Chương CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 3.1 THUẬT TỐN CHO CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Code chương trình #include // Standard Input/Output functions #include #define FIRST_ADC_INPUT #define LAST_ADC_INPUT unsigned int adc_data[LAST_ADC_INPUT-FIRST_ADC_INPUT+1]; #define ADC_VREF_TYPE 0x00 // ADC interrupt service routine // with auto input scanning interrupt [ADC_INT] void adc_isr(void) { register static unsigned char input_index=0; // Read the AD conversion result adc_data[input_index]=ADCW; // Select next ADC input if (++input_index > (LAST_ADC_INPUT-FIRST_ADC_INPUT)) input_index=0; ADMUX=(FIRST_ADC_INPUT|ADC_VREF_TYPE)+input_index; // Start the AD conversion ADCSRA|=0x40; } // //unsigned int bit ok_hold=1,ok_cf=1,ok_ch=1; bit ch1=1,ch2=0;//xac dinh cac kenh dau vao bit test_ok=0; //*********************************************** void buzz() { unsigned int dem=0; for (dem=0;dem860) ch1=1; else ch1=0; ch2=1; else ch2=0; if ((ch1==1)&&(ch2==1)) { buzz(); delay_ms(500); buzz(); test_ok=0; } else test_ok=1; } { #asm("sei") i=0x10; delay_ms(200); // while(test_ok==0) { test_channel(); } test_ok=0; while (1) { { if (ch1==0) { RT=adc_data[1]; ad=RT/2-245 ; tg=ad;// } else 13 Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục if(ch2==0) { RT=adc_data[2]; ad=RT/2-245 ; tg=ad;// } } if (ok_cf==0) { ad=tg; ad=ad*1.8+32; d1=0; // putchar(0x60); } else { d1=1; } d4=ad/100; d3=(ad-d4*100)/10; d2=(ad-d4*100-d3*10); k_hold=PIND.7; if (k_hold==0) { while(k_hold==0) { k_hold=PIND.7; // } buzz(); } k_cf=PIND.6; // //ok_cf=1 >F if (k_cf==0) { while (k_cf==0) { k_cf=PIND.6; } 14 Ket-noi.com diễn đàn cơng nghệ, giáo dục } k_ch=PIND.5; if (k_ch==0) { while(k_ch==0) { k_ch=PIND.5; } buzz(); ch1=ch1^1; ch2=ch2^1; if (i>200) { bat=adc_data[0]; if (bat[...]... if (batF if (k_cf==0) { while (k_cf==0) { k_cf=PIND.6; } 14 Ket-noi.com diễn đàn công nghệ, giáo dục } k_ch=PIND.5; if (k_ch==0) { while(k_ch==0) { k_ch=PIND.5; } buzz(); ch1=ch1^1; ch2=ch2^1; if (i>200) { bat=adc_data[0]; if (bat