Đang tải... (xem toàn văn)
MỤC LỤC MỤC LỤC 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 7 1 1 Giới thiệu về đề tài 7 1 1 1 Khái niệm 7 1 1 2 Thang đo nhiệt độ 7 1 1 3 Sơ lược về phương pháp đo nhiệt độ 8 1 2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xú.
MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .7 1.1 Giới thiệu đề tài 1.1.1 Khái niệm .7 1.1.2 Thang đo nhiệt độ 1.1.3 Sơ lược phương pháp đo nhiệt độ 1.2 Đo nhiệt độ phương pháp tiếp xúc 1.2.1 Đo nhiệt độ nhiệt kế điện trở 1.2.2 Nhiệt điện trở kim loại 1.2.3 Nhiệt điện trở bán dẫn 10 1.2.4 Đo nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu 10 1.2.5 IC cảm biến nhiệt độ 11 1.3 Đo nhiệt độ phương pháp không tiếp xúc 12 1.3.1 Hoả quang kế phát xạ .12 1.3.2 Hoả quang kế cường độ sáng 13 1.3.3 Hoả quang kế màu sắc 14 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17 2.1 Tổng quan chip ardunino .17 2.1.1 Ardunino uno 17 2.1.2 Thông số kỹ thuật Arduino Nano 24 2.1.3 Arduino uno Schematic 27 2.2 Thiết kế nguồn nuôi cho vi xử lý 27 2.2.1 Chuyển nguồn AC~220V sang DC-9V 27 2.3 Thiết kế mạch nạp giao tiếp máy tính 28 2.4 Lập trình cho Arduino uno 28 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT KẾ, THI CƠNG 30 3.1 Cảm biến MXL90614 30 3.1.1 Nguyên tắc hoạt động .30 3.1.2 Đặc điểm thiết kế 31 3.1.3 Trường nhìn 32 3.1.4 Tính sai sót 33 3.2 Đặc điểm kỹ thuật 34 3.2.1 Thông số kỹ thuật 34 3.2.2 Đặc tính DC 34 3.2.3 Đặc điểm kỹ thuật đo lường 34 3.3 Sơ đồ mạch Arduino với mlx90614 .35 3.4 Code 37 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO .40 DANH MỤC HÌNH Hình 1 Hình dạng bên ngồi AD22100 .10Y Hình Bo mạch Arduino UNO 15 Hình 2 Bo mạch Arduino MEGA 2560 16 Hình Bo mạch Arduino Due 16 Hình Hình ảnh thực tế Arduino Nano .17 Hình Các chân đầu vào/ra Arduino nano 17 Hình In Circuit Serial Programming .22 Hình Sơ đồ mở rộng chân cho Arduino Nano 25 Hình Mạch chuyển nguồn từ AC~220V sang DC-9V .25 Hình Lựa chọn dòng Arduino 27 Hình 10 Chọn cổng giao tiếp cho Arduino Hình Phổ xạ hồng ngoại 28 Hình Trường nhìn 30 Hình 3 Trường nhìn thiết kế tốt 31 Hình Mạch nguyên lý 33 Hình Mạch thực tế 34 DANH MỤC BẢNG BI Bảng 1 Bảng nhận xét chung loại cảm biến 12Y Bảng Chức chân 16 Bảng 2 Bảng chân ICSP .19 Bảng Bảng thông số kỹ thuật Arduino uno .21 LỜI NÓI ĐẦU Hiện Cơng nghiệp hố - Hiện đại hố đóng vai trị quan trọng việc nâng cao suất lao động Những thành tựu cách mạng khoa học kỹ thuật áp dụng rộng rãi vào kinh tế đưa đến đổi thay chưa có lịch sử lồi người Nhận thức tầm quan trọng khoa học công nghệ có ảnh hưởng định đến chiến lược phát triển đất nước, Nhà nước ta sức đào tạo nghiên cứu khoa học kỹ thuật, khuyến khích đầu tư nhằm phát triển nhanh khoa học kỹ thuật nước nhà Là sinh viên chuyên ngành điện tủ công nghiệp, sau thời gian học tập rèn luyện Trường Đại sư phạm kỹ thuật Hưng Yên, giảng dạy tận tình thầy với cố gắng nỗ lực thân, em giao đề tài tốt nghiệp “Thiết kế chế tạo máy đo thân nhiệt từ xa sử dụng cảm biến không tiếp xúc” Khi giao đồ án tốt nghiệp, xác định công việc quan trọng nhằm đánh giá lại tồn kiến thức mà tiếp thu trình học tập trường, em có nhiều cố gắng Đề tài đề tài thiết cần thiết Việt Nam tồn giới Vì tình hình dịch bênh COVID – 19 lây lan khắp nơi toàn giới mà thiết bị đo thân nhiệt lại thô sơ phải dùng đến sức người để sử dụng, đồ án em tập trung sâu vào cơng việc là, nghiên cứu chế tạo máy đo thần nhiệt từ xa sử dụng cảm biến không tiếp xúc, sử dụng cảm biến không tiếp xúc Đồ án gồm phần Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Tính tốn thiết kế thi cơng Chương 4: kết luận kiến nghị Sau tháng tìm hiểu tham khảo, với ý thức nỗ lực thân với giúp đỡ tận tình thầy, đặc biệt cơ……………… giúp em tận tình trình làm đồ án Qua đồ án cho em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới cô……………………và thầy mơn Trong q trình hồn thành đồ án, với trình độ kiến thức chun mơn chưa nhiều, kinh nghiệm thực tế cịn thời gian có hạn nên đồ án em khơng thể tránh thiếu sót Do đó, em kính mong bảo thêm thầy, cô đóng góp bạn để em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài 1.1.1 Khái niệm Nhiệt độ đại lượng vật 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 Còn 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 toàn 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 1.1.2 Thang đo nhiệt độ Từ xa xưa người nhận thức tượng nhiệt đánh giá cường độ cách đo đánh giá nhiệt độ theo đơn vị đo thời kỳ Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng định nghĩa theo vùng, 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 (C): T(0C) = T(0K) – 273,15 Thang Farhrenheit: T(0F) = T(0K) – 459,67 Đây thang đo nhiệt độ dùng phổ biến Trong thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) quy định đơn vị đo hệ đơn vị quốc tế (SI) Dù thang đo đánh giá nhiệt độ 1.1.3 Sơ lược phương pháp đo nhiệt độ Nhiệt độ đại lượng đo gián tiếp sở tính chất vật phụ thuộc nhiệt độ Hiện có nhiều ngun lí cảm biến khác để chế tạo cảm biến nhiệt độ như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phương pháp quang, dựa phân bố phổ xạ nhiệt, phương pháp dựa dãn nở vật rắn, lỏng, khí dựa tốc độ âm… Có phương pháp đo chính: Ở dải nhiệt độ thấp trung bình phương pháp đo phương pháp tiếp xúc, nghĩa chuyển đổi đặt trực tiếp môi trường đo Thiết bị đo như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt, bán dẫn Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo phương pháp khơng tiếp xúc (dụng cụ dặt ngồi môi trường đo) Các thiết bị đo nhiệt cảm biến quang, hỏa quang kế (hỏa quang kế phát xạ, hoả quang kế cường độ sáng, hoả quang kế màu sắc)… 1.2 Đo nhiệt độ phương pháp tiếp xúc 1.2.1 Đo nhiệt độ nhiệt kế điện trở + Nguyên lý hoạt động: Điện trở số kim loại thay đổi theo nhiệt độ dựa vào thay đổi điện trở người ta đo nhiệt độ cần đo Nhiệt điện trở dùng dụng cụ đo nhiệt độ làm việc với dòng phụ tải nhỏ để nhiệt sinh dòng nhiệt điện trở nhỏ so với nhiệt nhận từ môi trường thí nghiệm Yêu cầu vật liệu dùng làm chuyển đổi nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ lớn ổn định, điện trở suất lớn… Trong công nghiệp nhiệt điện trở chia thành nhiệt điện trở kim loại nhiệt điện trở bán dẫn 1.2.2 Nhiệt điện trở kim loại Quan hệ nhiệt điện trở nhiệt độ tuyến tính, tính lặp lại quan hệ cao nên thiết bị cấu tạo đơn giản Nhiệt điện trở kim loại thường có dạng dây kim loại màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ Trong điện trở kim loại dược chia thành loại: + Kim loại quý (Pt) + Kim loại thường (Cu, Ni…) Platin chế tạo với độ tinh khiết cao, cho phép tăng độ xác đặc tính điện trở nó, Platin cịn trơ mặt hố học ổn định tinh thể, cho phép hoạt động tốt dải nhiệt độ rộng Ngồi lại cịn có tính lặp cao, sai số ngẫu nhiên thấp (dưới 0,01%), có độ sai khác 0.01 C Niken có độ nhạy cao so với Platin Niken có tính hố học cao, dễ bị oxy hố nhiệt độ tăng dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế (dưới 250 C) Tuy lại có giá thành rẻ đáp ứng mặt kỹ thuật hay sử dụng Đồng sử dụng nhiều thay đổi nhiệt độ đồng có độ tuyến tính cao, giống Niken hoạt tính hố học đồng lớn nên dải nhiệt độ làm việc đông bị hạn chế (dưới 180 C) Để đạt độ nhạy cao nhiệt điện trở phải lớn muốn phải giảm tiết diện tăng chiều dài dây Để có độ bền học tốt nhiệt điện trở kim loại có trị số điện trở R vào khoảng 100 C Các nhiệt điện trở có trị số lớn thường dùng đo dải nhiệt độ thấp cho phép thu độ nhạy cao Để sử dụng cho mục đích cơng nghiệp nhiệt điện trở có vỏ bọc tốt, chống va chạm rung mạnh Đối với bạch kim điện trở nhiệt độ giới hạn từ đến 660 C biểu diễn biểu thức: Rt = Ro(1+At+Bt ) Trong Ro nhiệt độ C -3 -7 Đối với bạch kim tinh khiết thì: A = 3,940.10 / C B = -5,6.10 / C Trong khoảngtừ -190 đến C quan hệ điện trở bạch kim với nhiệt độ có dạng: Rt = { 1+At+Bt +C(t-100) Trong C = -4,10.10 -12 / C 0 Trong khoảng nhiệt độ từ -50 C 150 C Loại dùng mơi trường có độ Èm khí ăn mịn Trong thực tế có loại nhiệt điện trở TCM-0879-01T3 đồng công thức mô tả: Rt = 50(1+4,3.10 -3 ) 1.2.3 Nhiệt điện trở bán dẫn Nhiệt điện trở bán dẫn chế tạo từ hỗn hợp nhiều oxit kim loại khác (ví dơ nh: CuO, MnO…) Một số nhiệt điện trở bán dẫn đặc trưng quan hệ: Rt = A.e B/T Trong A: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý chất bấn dẫn, kích thước hình dạng vật B: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý chất bán dẫn T: Nhiệt độ Kenvin nhiệt điện trở Nhược điểm nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số phi tuyến điện trở với nhiệt độ Điều gây khó khăn cho việc có thang đo tuyến tính việc lầm lẫn nhiệt điện trở sản xuất hàng loạt Nhiệt điện trở dùng mạch đo để đo điện trở thông thường dùng mạch cầu không cân bằng, thị Logomet từ điện cần tự động cân bằng, nhánh nhiệt điện trở sản xuất hàng loạt Nếu dùng cầu dây dụng cụ có sai sè sù thay đổi nhiệt điện trở đường dây nhiệt độ môi trường thay đổi 1.2.4 Đo nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu + Nguyên lý làm việc Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu mạch từ có hay nhiều dẫn điện gồm dây dẫn A B Sebeck chứng minh mối hàn có nhiệt độ t t khác mạch khép kín có dịng điện chạy qua Chiều dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ tương ứng mối hàn nghĩa t > t dịng điện chạy theo hướng ngược lại Nếu để hở đầu xuất sức điện động nhiệt Khi mối hàn có nhiệt độ (ví dụ t0) sức điện động tổng bằng: EAB = eAB(t0) + eAB(t0) = Từ rót ra: eAB = eAB(t0) Khi t0 t khác sức điện động tổng bằng: EAB = eAB(t) – e+AB(t0) Phương trình phương trình cặp nhiệt ngẫu (sức điện động phụ thuộc vào hệ số nhiệt độ mạch vòng t t0) Như cách đo sức điện động ta tìm nhiệt độ đối tượng Phương pháp sử dụng nhiều công nghiệp cần đo nơi có nhiệt độ cao 1.2.5 IC cảm biến nhiệt độ + Loại LM 335 Có nhiều hãng chế tạo linh kiện điện tử sản xuất loại IC bán dẫn dùng để đo dải nhiệt độ từ - C Trong mạch tổ hợp IC, cảm biến nhiệt thường điện áp líp chuyển tiếp p-n loại tranzitor loại bipola IC loại LM 335 có điện áp ngõ tỉ lệ trực tiếp với nhiệt độ thang đo 0C, điện áp 10mV/ 0C sai số không tuyến tính ±1,8 mV cho tồn thang đo Điện áp nguồn ni thay đổi từ ợc chế tạo cho thang đo: - C loại LM 335 LM 35D - C loại LM35C LM35CA C loại LM35DA + Loại AD22100 AD22100 có hệ số nhiệt độ 22,5 mV/ C Điện áp ngõ có cơng thức: + Vout = (V /5V).(1,375V+22,5mV/ C.T) Hình 1 Hình dạng bên ngồi AD22100 + V : Điện áp nguồn nuôi 430 VDC Vo: Đầu GND: nối vào 0V NC: bá trống 1.3 Đo nhiệt độ phương pháp không tiếp xúc + Nguyên lý hoạt động Dưạ định luật xạ vật đen tuyệt đối, tức vật hấp thụ lượng theo hướng với khả lón Bức xạ nhiệt vật đặc trưng mật độ phổ E nghĩa số lượng xạ đơn vị độ dài sóng Quan hệ mật độ xạ vật đen tuyệt nhiệt độ độ dài sóng biểu diễn cơng thức: E =-5(ec-1)-1 Trong đó: C1: Hằng số C1= 37,03.10 C2: Hằng số vá C2= 1,432.10 -7 -2 1.3.1 Hoả quang kế phát xạ Đối với vật đen tuyệt đối lượng xạ toàn phần đơn vị bề mặt E t (vớ -2 Jm2.sgrad4) Tp: Nhiệt độ vật theo lý thuyết vật thực 10 04 p Định luật Stefan-Boltzmann, tổng lượng xạ tỷ lệ với lũy thừa thứ tư nhiệt độ tuyệt đối Định luật dịch chuyển Wien, tích bước sóng cực đại nhiệt độ coi số, thực mô-đun nhiệt kế hồng ngoại TNm Bức xạ hồng ngoại mục tiêu đo thu thập gương hồng ngoại thông qua lọc IR 8um cắt tần số đầu báo nhiệt hồng ngoại Tín hiệu dị khuếch đại số hóa chuyển đổi OP AD độ nhiễu thấp tuyến tính cao Nhiệt độ mơi trường xung quanh cảm biến (thường bao gồm gói với máy dị nhiệt) đặt không gian gần hệ thống quang học để phát thay đổi nhanh chóng nhiệt độ mơi trường Phần xử lý tín hiệu nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ để tính tốn nhiệt độ bề mặt mục tiêu thuật toán toán học 3.1.2 Đặc điểm thiết kế Mô-đun nhiệt kế hồng ngoại TNm thiết kế đặc biệt để có độ nhạy cao, độ xác cao, Tiếng ồn thấp tiêu thụ điện thấp Một số tính thiết kế góp phần vào hiệu suất: Máy dò nhiệt dẻo MEMS kỹ thuật bù nhiệt độ mơi trường xác cao cẩn thận sử dụng cho mô-đun nhiệt kế hồng ngoại TNm ZyTemp phát triển thiết bị Hồng ngoại-Hệ thống-Trên-Chip độc quyền tích hợp tất mục phần cứng vào IC Sử dụng công nghệ SoC cải tiến này, hồng ngoại TNm mô-đun nhiệt kế trở thành sản phẩm nhỏ gọn giá phải Sản phẩm ZyTemp chịu sốc nhiệt 10degC / 18degF cách trung thực Sản phẩm chúng tơi thành thạo việc trì độ xác điều kiện môi trường thay đổi rộng rãi Đối với ví dụ, 26 lỗi thay đổi mơi trường IRT cũ đạt đến 1,6degC, yêu cầu lên đến 30 phút để ổn định, chênh lệch lỗi TNm ZyTemp 0,7degC, cần phút để khôi phục lại Các sản phẩm TNm hoạt động từ nguồn điện Volt, nhiều IRT cũ khác yêu cầu Nguồn cung cấp Volt ZyTemp trì nhiệt độ theo dõi NIST Phịng thí nghiệm đo lường quốc gia tiêu chuẩn sơ cấp Tất sản phẩm TNm hiệu chuẩn theo tiêu chuẩn hồng ngoại theo dõi nguồn Dữ liệu hiệu chuẩn số sê-ri lưu EEPROM mơ-đun 3.1.3 Trường nhìn D: S = 1: Hình Trường nhìn Khi Khoảng cách 10 inch, kích thước điểm đo 10 inch Khi Khoảng cách 20 inch, kích thước điểm đo 20 inch Nói cách khác, FOV (Trường nhìn) 26,6 x = 53,2 độ Cẩn thận với họa tiết Thiết kế tốt, khơng có họa tiết 27 Hình 3 Trường nhìn thiết kế tốt Họa tiết thiết kế xấu Cảm biến "nhìn thấy" cạnh vỏ Vì vậy, phép đo thực tế giá trị trung bình mục tiêu thực cạnh nhà 3.1.4 Tính sai sót Hiểu độ phát xạ đối tượng, "độ phát xạ" đặc trưng thành phần quan trọng xử lý thích hợp phép đo hồng ngoại Cụ thể, độ phát xạ tỷ lệ xạ phát bề mặt vật đen xạ lý thuyết dự đoán từ định luật Planck Vật liệu độ phát xạ bề mặt đo lượng lượng phát bề mặt trực tiếp Được Quan sát Có nhiều biến ảnh hưởng đến độ phát xạ đối tượng cụ thể, chẳng hạn bước sóng quan tâm, trường nhìn, hình dạng hình học vật đen nhiệt độ Tuy nhiên, mục đích ứng dụng người sử dụng nhiệt kế hồng ngoại, bảng toàn diện hiển thị độ phát xạ nhiệt độ tương ứng bề mặt vật thể khác hiển thị Vui lòng truy cập trang web ZyTemp: http://www.zytemp.com/tutorial/emissivity.asp để kiểm tra độ phát xạ vật liệu quan tâm 28 3.2 Đặc điểm kỹ thuật 3.2.1 Thông số kỹ thuật Đặc điểm Ký hiệu Xếp hạng Điện áp cung cấp DC V+ 9.0V VIN Dải điện áp đầu vào -0.5 to V+ + 0.5V Lưu ý: Các ứng suất vượt đưa bảng Xếp hạng Tối đa Tuyệt đối gây lỗi vận hành hư hỏng thiết bị Đối với điều kiện hoạt động bình thường, xem đặc tính điện AC / DC 3.2.2 Đặc tính DC 3.2.3 Đặc điểm kỹ thuật đo lường Phạm vi đo lường Phạm vi hoạt động -33~220°C / -27~428°F -10~50°C / 14~122°F Độ xác Tobj = 15 ~ 35 ° C, Tamb = 25 ° C→ +/-0.6°C Độ xác tồn dải #AC +/-2%, 2°C Độ phân giải 1/16°C=0.0625 (Phạm vi đầy đủ) Thời gian phản hồi (90%) Tỉ lệ Phát Xạ Tần số cập nhật sec 1:1 0.01~1 step.01 1.4Hz Kích thước Chiều dài sóng 12x13.7x35mm 5um-14um 9g 3V or 5V Option 3.3 Sơ đồ mạch Arduino với mlx90614 29 Hình Mạch nguyên lý 30 Hình Mạch thực tế 31 3.4 Code #include #include #include Adafruit_MLX90614 mlx = Adafruit_MLX90614(); const int rs = 8, en = 9, d4 = 10, d5 = 11, d6 = 12, d7 = 13; LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7); const int coi_bao = A0; float nhiet_do; void setup() { pinMode(coi_bao, OUTPUT); lcd.begin(16, 2); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("N.DO HIEN TAI:"); mlx.begin(); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("T.THAI: B.THUONG"); bao_dong_coi(1,500); } void loop() { nhiet_do= mlx.readAmbientTempC(); if(nhiet_do>38) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("T.THAI: C.BAO!!!"); bao_dong_coi(1,250); } else { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("T.THAI: B.THUONG"); } lcd.setCursor(0, 0); lcd.print(" "); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("N.DO HIEN:"); lcd.print(nhiet_do); delay(100); } void bao_dong_coi(int lan_bao,int thoi_gian_bao){ for(int i=0;i