BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BỘ MÔN KTĐ & THCN --------------- o0o ---------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ HIỂN THỊ MÁY TÍNH Giáo viên hướng dẫn: Th.S LÊ THỊ THANH HÀ Sinh viên thực hiện: NGUYỄN MINH THƯ NGUYỄN VĂN QUYẾT Líp: KTĐ&THCN – K3 HÀ NỘI - 04/2008 Bé giáo dục và đào tạo Cộng hoà xã hội chủ nghỉa Việt Nam Trường ĐHBK Hà Nội Độc lập tự do hạnh phóc ………………. ………………… NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ và tên: Nguyễn Minh Thư Nguyễn Văn Quyết Khoá : K3 Khoa : Điện 1. Đề tài thiết kế: Ngiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ và thiết kế thiết bị đo nhiệt độ, hiển thi máy tính. 2. Các số liệu ban đầu : Dải nhiệt độ đầu vào từ 0á100 0 C Sai sè cho phép của thiết bị 1,5% 3. Mục đích yêu cầu của bài toán: Ngiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ Phân tích đề tài, chọn phán thiết kế Thiết kế phần cứng tổng thể Ngiên cứu chi tiết các linh kiên sử dụng trong thiết kế Tính sai số của mạch thiết kế 4. Các bản vẽ: Sơ đồ các khối chức năng Sơ đồ mạch đo 5. Giáo viên hớng dẫn: Thạc sĩ : Lê Thị Thanh Hà 6. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 7. Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế: CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) SINH VIÊN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN (Ký, ghi rõ họ tên) Mục lục Chương 1 : Các phương pháp đo nhiệt độ……………… 1.1 Khái niệm về nhiệt độ………………………………… 1.1.1 Khái niệm……………………………………… 1.1.2 Thang đo nhiệt độ………………………………. 1.1.3 Sơ lược về phương pháp đo nhiệt độ…………… 1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc……………… 1.2.1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở………………… 1.2.1.1 Nhiệt điện trở kim loại……………………… . 1.2.1.2 Nhiệt điện trở bán dẫn………………………… 1.2.2 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu…………………… 1.2.3 IC cảm biến nhiệt độ………………………………. 1.2.3.1 LM335………………………………………. 1.2.3.2 ADC22100…………………………………… 1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc………… 1.3.1 Hoả quang kế phát xạ……………………………… 1.3.2 Hoả quang kế cường độ sáng……………………… 1.3.3 Hoả quang kế màu sác……………………………… Chương 2 : Tính toán và thiết kế tổng thể thiết bị đo…… 2.1 Sơ đồ khối của thiết bị đo………………………………… 2.2 Thiết kế phần cứng………………………………………. 2.2.1 senser…………………………………… 2.2.1.1 Khái niệm……………………………………… 2.2.1.2 Cấu tạo LM335………………………………… 2.2.1.3 Nguyên lý hoạt động…………………………… 2.2.1.4 Sơ đồ chân LM741………………… 2.2.2 Mạch chuyển đổi chuẩn hoá…………………………. 2.2.3 Thiết kế card thu thập và xử lý thông tin…………… 2.2.3.1 ADC 0809 và các mạch phụ……………………. 2.2.3.2 Vi xử lý 89C51 và các mạch phụ………… 2.2.3.3 Lưu đồ thuật toán chương trình……… 2.2.4 Thiết kế nguồn cung cấp…………………………… 2.2.4.1 Khái niệm cơ bản về bô ổn áp……………………… 2.2.4.2 Nguyên tắc ổn áp………………………………… . 2.2.4.3 Sơ đồ khối của nguồn cung cấp ổn định…………… 2.2.5 Sơ đồ nguyên lý của card thu thập dữ liệu……………… Chương 3 : Linh kiện sử dụng trong thiết kế ………………… 3.1 Bộ biến đổi ADC 0809……………………………………… 3.1.1 Đặc điểm………………………………………………. 3.1.2 Các thông số kỹ thuật…………………………………… 3.1.3 Sơ đồ chân……………………………………………… 3.1.4 Nguyên lý……………………………………………… 3.1.5 Hoạt động……………………………………………… 3.2 Vi xử lý……………………………………………………… 3.2.1 Đặc điểm………………… ………………………… . 3.2.2 Mô tả…………………………………………………. 3.2.3 Định dạng chân…………………………………………. 3.2.4 Sơ đồ chân………………………………………………. 3.2.5 Timer/ Counter………………………………………… 3.2.6 Chế độ nghỉ…………………………………………… . 3.2.7 Chế độ nguồn giảm…………………………………… . 3.2.8 Các bit khoá chương trình………………………………. 3.3 Cổng truyền thông RS 232………………………………… . 3.3.1 Về chuẩn RS 232……………………………………… . 3.3.2 Cổng nối tiếp RS 232…………………………………… 3.3.3 Các yêu cầu của chuẩn RS 232 víi phần tạo dạng phát… 3.4 Giới thiệu về máy tính PC…………………………………… 3.4.1 Giới thiệu chung về máy tính…………………………… 3.4.2 Các cổng vào ra của máy tính………………………… . 3.4.3 Cổng nối tiếp……………………………………………. Chương 4 : Đánh giá sai sè chung…………………………… 4.1 Sai số của senser……………………………………… 4.2 Sai số của bộ khuếch đại……………………………. 4.3 Sai số của ADC……………………………………………… 4.3 Kết luận => sai số toàn mạch…………………… 4.4 Cách hiệu chỉnh sai số……………………………………… Lời nói đầu Đo nhiệt độ là một trong các phương pháp cơ bản và thường gặp trong đo lường, nó đã có từ lâu, mỗi giai đoạn có những phương pháp đo khác nhau. Trước đây khi công nghệ điên tử và bán dẫn chưa phát triển thì các mạch đo chủ yếu dùa trên kỹ thuật tương tự, phương pháp xử lý chủ yếu dùa vào phần cứng cho nên giá trị đó có sai số lớn, thiết bị cồng kềnh, lắp đặt không thuận tiện . Đến đầu những năm 80 và nhất là những năm cuối thế kỷ 20, khi công nghệ bán dẫn và vi mạch phát triển mạnh, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đặc biệt là kỹ thuật số đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành đo lường điều khiển làm thay đổi hẳn phương pháp xử lý tín hiệu đo. Trước đây xử lý tín hiệu đo chủ yếu là đo bằng phần cứng thì ngày nay việc xử lý được mềm hoá cùng với sự ra đời của những sensor thông minh đã làm cho các thiết bị đo ngày càng thông minh và độ chính xác cao hơn. Ngày nay xuất hiên nhiều phương pháp đo nhiệt độ sử dụng cảm biến loại cặp nhiệt, nhiệt điện trở hay bán dẫn hoặc sử dụng phương pháp phân tích phổ để xác định nhiệt độ. Đối với những nơi không trực tiếp đặt được các đầu đo nhiệt độ (nơi có nhiệt độ quá cao). Nhìn chung các phương pháp đo nhiệt độ có nhiều nét giống nhau nhưng cách xử thì có thể khác nhau, tuỳ vào mục đích và yêu cầu kỹ thuật đối với từng công việc cụ thể nhưng mục đích cuối cùng của phép đo là thể hiện giá trị nhiệt độ với khoảng sai sè cho phép có thể chấp nhận được. Phần chi tiết em xin trình bày dưới đây. Chương 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 Khái niệm về nhiệt độ: 1.1.1 Khái niệm: Nhiệt độ là đại 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 láng, các phân tử dao động quanh vi trí cân bằng nhưng vi 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 một 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 chóng ta có 3 thang đo nhiệt độ chính là: Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ). Thang Celsius ( C ): T( 0 C ) = T( 0 K ) – 273,15. Thang Farhrenheit: T( 0 F ) = T( 0 K ) – 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 một trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị quốc tế (SI). Dùa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ. 1.1.3 Sơ lược về phương pháp đo nhiệt độ: Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc nhiệt độ. Hiện nay chóng ta có nhiều nguyên lí cảm biến khác nhau để chế tạo cảm biến nhiệt độ như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phương pháp quang dùa trên phân bố phổ bức xạ nhiệt, phương pháp dùa trên sự dãn nở của vật rắn, lỏng, khí hoặc dùa trên tốc độ âm… Có 2 phương pháp đo chính: Ở dải nhiệt độ thấp và trung bình phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc, nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ngay trong môi trường đo. Thiết bị đo như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt, bán dẫn. Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo là phương pháp không tiếp xúc ( dông cụ dặt ngoài môi trường đo). Các thiết bị đo nh: cảm biến quang, hoả quang kế ( hoả quang kế phát xạ, hoả quang kế cường độ sáng, hoả quang kế màu sắc)… 1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc 1.2.1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở: Nguyên lý hoạt động: Điện trở của một số kim loại thay đổi theo nhiệt độ và dùa vào sự thay đổi điện trở đó người ta đo được nhiệt độ cần đo. Nhiệt điện trở dùng trong dụng cụ đo nhiệt độ làm việc với dòng phụ tải nhỏ để nhiệt năng sinh ra do dòng nhiệt điện trở nhỏ hơn so với nhiệt năng nhận được từ môi trường thí nghiệm. Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu dùng làm chuyển đổi của nhiệt điện trở là có hệ số nhiệt độ lớn và ổn định, điện trở suất khá lớn… Trong công nghiệp nhiệt điện trở được chia thành nhiệt điện trở kim loại và nhiệt điện trở bán dẫn. 1.2.1.1 Nhiệt điện trở kim loại: Quan hệ giữa nhiệt điện trở của nó và nhiệt độ là tuyến tính, tính lặp lại của quan hệ là rất cao nên thiết bị được cấu tạo đơn giản. Nhiệt điện trở kim loại thường có dạng dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ. Trong điện trở kim loại dược chia thành 2 loại: Kim loại quý (Pt) Kim loại thường (Cu, Ni…) Platin được chế tạo với độ tinh khiết cao, cho phép tăng độ chính xác của các đặc tính điện trở của nó, hơn nữa Platin còn trơ về mặt hoá học và ổn định tinh thể, cho phép hoạt động tốt trong dải nhiệt độ rộng. Ngoài ra nó lại còn có tính lặp rất cao, sai số ngẫu nhiên thấp ( dưới 0,01%), có độ sai khác 0.01 0 C… Niken có độ nhạy cao hơn so với Platin nhưng Niken có tính hoá học cao, dễ bị oxy hoá khi nhiệt độ tăng do vậy dải nhiệt độ làm việc của nó bị hạn chế ( dưới 250 0 C ). Tuy vậy nó lại có giá thành rẻ vẫn đáp ứng về mặt kỹ thuật cho nên cũng hay được sử dụng. Đồng cũng được sử dụng nhiều vì sự thay đổi nhiệt độ của đồng có độ tuyến tính cao, giống nh Niken thì hoạt tính hoá học của đồng lớn nên dải nhiệt độ làm việc của đông bị hạn chế ( dưới 180 0 C ). Để đạt được độ nhạy cao nhiệt điện trở phải lớn muốn vậy phải giảm tiết diện và tăng chiều dài dây. Để có độ bền cơ học tốt các nhiệt điện trở kim loại có trị số điện trở R vào khoảng 100Ω ở 0 0 C. Các nhiệt điện trở có trị số lớn thường dùng đo dải ở nhiệt độ thấp vì ở đó cho phép thu được độ nhạy cao. Để sử dụng cho mục đích công nghiệp các nhiệt điện trở có vỏ bọc tốt, chống được va chạm và rung mạnh… Đối với bạch kim thì giữa điện trở và nhiệt độ trong giới hạn từ 0 ÷ 660 0 C được biểu diễn bằng biểu thức: Rt = Ro(1+At+Bt 2 ) Trong đó Ro là nhiệt độ ở 0 0 C Đối với bạch kim tinh khiết thì: A = 3,940.10 -3 / 0 C B = -5,6.10 -7 / 0 C Trong khoảngtừ -190 ÷ 0 0 C thì quan hệ giữa điện trở của bạch kim với nhiệt độ có dạng: Rt = { 1+At+Bt 2 +C(t-100) 3 Trong đó C = -4,10.10 -12 / 0 C Đối với đồng ta có công thức: Rt = Ro(1+αt). Trong đó: Ro - điện trở ở nhiệt độ 0 0 C α 0 - hệ số nhiệt độ đối với khoảng nhiệt độ bắt đầu từ 0 0 V bằng 4,3.10 -3 / 0 C. [...]... tr cao - Cn cung cp ngun dũng cho nht Cm bin - R tin o bng - Tm o nhit rng phng phỏp khụng tip xỳc - Cu to phc tp Chng 2 TNH TON V THIT K MCH O 2.1 S khi ca thit b o Sensor Mạch đo Chuyển đổi chuẩn hoá ADC Vi xử Max 232 Máy tính lý Hỡnh trờn l s khi ca thit b o nhit hin th mỏy tớnh IC cm bin nhit l LM335 Vỡ giỏ tr in ỏp u ra ca mch o cha th tng thớch vi di lm vic ca ADC ( thụng thng giỏ tr ny... vo Uos thng l linh kin in t cụng sut Tu theo cỏch thit k phn t iu khin m mch n ỏp cú th chia ra lm cỏc n ỏp xung, n ỏp song song, n ỏp hi tip 2.2.4.3 S khi ca ngun cung cp n nh Máy biến áp Cầu diod Lọc ổn áp Cấp cho toàn mạch - Bin ỏp cú nhim v bin ỏp 220V/ 50 Hz thnh in ỏp 18V/ 1A; 9V/ 1A - Cu diod lm nhim v nn in ỏp 18V xoay chiu thnh in ỏp mt chiu - Bộ n ỏp lm nhim v n ỏp in ỏp ra 5V cung cp... ng: Tớn hiu sau khi qua mch lp a vo kờnh 0 ca ADC 0809 Tớn hiu xung clock 500 KHz cho ADC c to t mch dao ng thch anh Chõn Reffren (16) ADC c ni vi in ỏp +5V tng ng vi 256 mc Tớn hiu s D0 n D7 t ADC s vào Port 0 ca vi iu khin 89C51 Vi iu khin ny s c d liu t Port 0 vo, ADC c iu khin bng 2 bớt P1.0 v P1.1 ADC mt khong 100s bin i Ngoi ra ADC bin i cũn phi phỏt mt xung start, xung ny phỏt ra t cng P1.0 . tài thiết kế: Ngiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ và thiết kế thiết bị đo nhiệt độ, hiển thi máy tính. 2. Các số liệu ban đầu : Dải nhiệt độ đầu vào. NGHIỆP Đề tài: NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ HIỂN THỊ MÁY TÍNH Giáo viên hướng dẫn: Th.S LÊ THỊ THANH HÀ Sinh viên thực