BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỀ TÀI THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO SỬ DỤNG CẶP NHIỆT NGẪU THEO PHƯƠNG PHÁP BÙ NHIỆT ĐỘ MỀM, THANG ĐO 0600 ĐỘ C

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỀ TÀI THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO SỬ DỤNG CẶP NHIỆT NGẪU THEO PHƯƠNG PHÁP BÙ NHIỆT ĐỘ MỀM, THANG ĐO 0600 ĐỘ C CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1Giới thiệu về cặp nhiệt ngẫu Cặp nhiệt ngẫu có tên tiếng Anh là thermocouple, với thermo nghĩa là nhiệt độ, couple là cặp, cặp nhiệt điện là một loại thiết bị đo nhiệt độ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là trong trường hợp cần đo những khu vực có nhiệt độ cao và nhiệt độ dao động liên tục.Ngoài cái tên cặp nhiệt điện, nó còn có các tên gọi khác như cảm biến nhiệt độ can nhiệt, cặp nhiệt ngẫu. 1.1.1 Nguyên lý cặp nhiệt điện Cặp nhiệt điện hoạt động dựa trên một nguyên lý được gọi là hiệu ứng Seebeck. Hiệu ứng Seebeck được phát hiện bởi nhà vật lý học người Đức Thomas Johann Seebeck vào năm 1821.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN -□□&□□ - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỀ TÀI THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO SỬ DỤNG CẶP NHIỆT NGẪU THEO PHƯƠNG PHÁP BÙ NHIỆT ĐỘ MỀM, THANG ĐO 0-600 ĐỘ C Sinh viên thực : Đỗ Mạnh Quyền Giảng viên phụ trách : 20174150 Nguyễn Duy Thức 20174252 Nguyễn Đức Nam 20174089 PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương Hà nội 2021 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH -3 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1Giới thiệu cặp nhiệt ngẫu -4 1.1.1 Nguyên lý cặp nhiệt điện -4 1.1.2 Cấu tạo cặp nhiệt điện -5 1.1.3 Các lưu ý dùng cặp nhiệt 1.1.4 Các loại cặp nhiệt điện 1.2 Nguyên lý phương pháp đo bù nhiệt độ mềm CHƯƠNG THIẾT KẾ -9 2.1 Tính tốn thiết kế -9 2.1.1 Bộ khuếch đại 2.1.2 Chọn ADC cho cảm biến -9 2.2 Lựa chọn linh kiện 10 2.2.1 Bộ khuyếch đại INA128PA 10 2.2.2 ADC 10 bit AD7273BRMZ 11 2.2.3 ADC 13 bit MCP3301 -12 2.2.4 Kit STM32F103C8T6 -14 2.2.5 LCD 1602 xanh dương 15 2.2.6 Cảm biến LM35 -16 2.2.7 AMS1117-3.3V 17 CHƯƠNG SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MẠCH NGUYÊN LÝ 18 3.1 Sơ đồ khối hệ thống -18 3.2 Lưu đồ tổng quát hệ thống 18 3.3 Mạch nguyên lý hệ thống -19 3.4 Sơ đồ dây -20 CHƯƠNG KẾT LUẬN 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 DANH MỤC HÌNH Ả Hình 1 Ngun lý cặp nhiệt điện Hình Cấu tạo cặp nhiệt Hình 1.3 Phương pháp bù nhiệt độ mềm 8Y Hình Bộ khuyếch đại INA128PA -11 Hình 2 Sơ đồ khối chức AD7273 -12 Hình Sơ đồ khối chức MCP3301 -13 Hình KIT STM32F103C8T6 Mini 15 Hình LCD 1602 xanh 15 Hình Sơ đồ chân LCD 1602 16 Hình Sơ đồ chân biến LM35 17 Hình Sơ đồ chân AMS1117-3.3V Hình 3.1 Sơ đồ khối 18 Hình Lưu đồ thuật tốn tồn hệ thống 18 Hình 3 Sơ đồ nguyên lý mạch đo -19 Hình Sơ đồ dây thiết bị 20 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1Giới thiệu cặp nhiệt ngẫu Cặp nhiệt ngẫu có tên tiếng Anh thermocouple, với thermo nghĩa nhiệt độ, couple cặp, cặp nhiệt điện loại thiết bị đo nhiệt độ sử dụng rộng rãi công nghiệp, đặc biệt trường hợp cần đo khu vực có nhiệt độ cao nhiệt độ dao động liên tục.Ngoài tên cặp nhiệt điện, cịn có tên gọi khác cảm biến nhiệt độ can nhiệt, cặp nhiệt ngẫu 1.1.1 Nguyên lý cặp nhiệt điện Cặp nhiệt điện hoạt động dựa nguyên lý gọi hiệu ứng Seebeck Hiệu ứng Seebeck phát nhà vật lý học người Đức Thomas Johann Seebeck vào năm 1821 Hình 1 Nguyên lý cặp nhiệt điện 1.1.2 Cấu tạo cặp nhiệt điện Hình Cấu tạo cặp nhiệt Một cặp nhiệt điện có phận chính:  1.Measuring junction: phận quan trọng cặp nhiệt điện Phần bao gồm kim loại có cấu tạo vật liệu khác hàn đầu với  2.Thermocouple wires: phần dây kết nối để nối phần đo nhiệt độ điều khiển  3.Ceramic insulators: phần sứ cách nhiệt sử dụng để giữ dây cặp nhiệt điện cách điện dọc theo toàn chiều dài đầu dò  4.Protective sheath: phần vỏ bảo vệ bên cặp nhiệt điện Thông thường lớp vỏ làm inox nhiệt độ 1200 độ C trở xuống Còn loại cặp nhiệt điện có thang đo cao 1200 độ C lớp vỏ làm sứ  5.Connection head: phần chứa dây kết nối cặp nhiệt điện Khi ta dùng chuyển đổi cặp nhiệt điện 4-20mA cho vào 1.1.3 Các lưu ý dùng cặp nhiệt  Đấu dây sai cách  Khi kết nối dây từ cặp nhiệt điện vào PLC biến tần, ta đấu dây sai, cặp nhiệt điện không hiển thị Ta cần ý thêm loại cặp nhiệt điện có dây kết nối, khác với loại cảm biến nhiệt độ pt100 dây  Chọn không thang đo nhiệt độ:  Thang đo nhiệt độ yếu tố quan trọng mua cặp nhiệt điện Nếu ta chọn sai thang đo nhiệt độ lắp vào; cảm biến nhiệt độ can nhiệt bị hư hỏng  Hoặc tệ bị nổ cặp nhiệt độ loại sứ  Không dùng chuyển đổi:  Như ta tìm hiểu phía trên, tín hiệu ngõ cặp nhiệt điện dạng điện áp (mV) Loại tín hiệu có đặc điểm dễ bị nhiễu bị sụt áp truyền xa  Vì thế, sử dụng loại cặp nhiệt điện, người ta gần bắt buộc phải dùng chuyển đổi cặp nhiệt điện 4-20mA Lý tín hiệu 4-20mA khơng bị suy giảm truyền xa bị nhiễu 1.1.4 Các loại cặp nhiệt điện Có nhiều loại cặp nhiệt điện khác tùy theo nhiệt độ môi trường đo Về nguyên lý hoạt động, loại cặp nhiệt điện giống Điều khác vật liệu que kim loại mà người ta dùng để chế tạo cặp nhiệt điện Xét hình dạng, ta có loại cặp nhiệt điện khác nhau: cặp nhiệt điện loại dây cặp nhiệt điện loại đầu dò.Còn xét thang đo nhiệt độ, ta có số loại cặp nhiệt điện thường gặp: A Cặp nhiệt điện loại K – Thermocouple Type K  Cặp nhiệt điện loại K (Niken-Crom / Niken-Alumel)  Loại K loại cặp nhiệt điện phổ biến Giá thấp xác cao, đáng tin cậy có phạm vi nhiệt độ rộng  Dãy đo dao động từ -270 đến 1200 C Thông thường sử dụng từ 0…1200 độ C  Sai số tiêu chuẩn cảm biến K khoảng từ +/-2.2 C 0.75%  Có thể tuỳ chọn sai số thấp : +/-1.1 C 0.4% B Cặp nhiệt điện loại J – Thermocouple Type J  Loại cặp nhiệt điện loại J (Iron / Constantan): Loại J phổ biến  Nó có phạm vi nhiệt độ nhỏ tuổi thọ ngắn nhiệt độ cao Loại K Nó tương đương với Loại K chi phí độ tin cậy  Dãy đo nhiệt dộ dao động khoảng: -210 đến 760 C Độ nhạy nhiệt độ cao dòng K  Sai số can nhiệt J : +/-2.2 C 0.75%  Có thể tuỳ chọn sai số thấp : +/-1.1 C 0.4% C Cặp nhiệt điện loại T – Thermocouple Type T  Cặp nhiệt điện loại T (Đồng / Constantan):  Loại T cặp nhiệt điện ổn định thường sử dụng ứng dụng nhiệt độ cực thấp đông lạnh máy làm lạnh cực thấp  Dãy đo nhiệt dộ dao động khoảng: -270 đến 370 C D Cặp nhiệt điện loại N – Thermocouple Type N  Cặp nhiệt điện loại N (Nicrosil / Nisil):  Loại N có độ xác giới hạn nhiệt độ Loại K Loại N đắt chút  Dãy đo nhiệt dộ dao động khoảng: -270 đến 392 C  Sai số can nhiệt N : +/- 2.2C +/- 0.75%  Có thể tuỳ chọn sai số thấp : +/- 1.1C 0.4% E Cặp nhiệt điện loại S – Thermocouple Type S  Cặp nhiệt điện loại S (Bạch kim Rhodium – 10% / Bạch kim): Loại S sử dụng ứng dụng nhiệt độ cao Nó thường tìm thấy ngành cơng nghiệp sinh học, dược phẩm lị đốt Nó đơi sử dụng ứng dụng nhiệt độ thấp độ xác ổn định cao Vỏ bảo vệ thường sứ  Dãy đo nhiệt dộ dao động khoảng: -50 đến 1600 C  Sai số can nhiệt S : +/- 1.5C +/- 25%  Có thể tuỳ chọn sai số thấp : +/- 0.6C 0.1% F Cặp nhiệt điện loại R – Thermocouple Type R  Cặp nhiệt điện loại R (Platinum Rhodium -13% / Bạch kim):  Loại R sử dụng ứng dụng nhiệt độ cao Nó có tỷ lệ Rhodium cao Type S, khiến đắt  Type R giống với Type S hiệu suất Nó đơi sử dụng ứng dụng nhiệt độ thấp độ xác ổn định cao Vỏ bảo vệ luôn sứ  Dãy đo nhiệt dộ dao động khoảng: -50 đến 1500 C  Sai số can nhiệt R : +/- 1.5C +/- 25%  Có thể tuỳ chọn sai số thấp : +/- 0.6C 0.1% G Cặp nhiệt điện loại B – Thermocouple Type B  Cặp nhiệt điện loại B (Platinum Rhodium – 30% / Platinum Rhodium – 6%):  Cặp nhiệt điện loại B sử dụng ứng dụng nhiệt độ cực cao  Nó có giới hạn nhiệt độ cao tất cặp nhiệt điện liệt kê  Nó trì mức độ xác ổn định cao nhiệt độ cao  Dãy đo nhiệt dộ dao động khoảng: đến 1700 C  Sai số can nhiệt B : +/-0.5%  Có thể tuỳ chọn sai số thấp : +/-0.25% 1.2 Nguyên lý phương pháp đo bù nhiệt độ mềm Hình 1.3 Phương pháp bù nhiệt độ mềm Ta đo nhiệt độ đầu tự cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ đầu nóng cặp nhiệt ngẫu nhiệt độ xác cảu cặp nhiệt ngẫu tính theo cơng thức sau : Trong đó: En(tu1) nhiệt độ điểm nóng, En(tur) nhiệt độ đầu tự CHƯƠNG THIẾT KẾ 2.1 Tính tốn thiết kế 2.1.1 Bộ khuếch đại Lựa chọn cảm biến cặp nhiệt điện: Theo yêu cầu đề tài tập dài, khoảng đo từ – 600 oC có loại cặp nhiệt phù hợp loại J loại K Tuy nhiên, ta thấy nhiệt độ Curie niken(loại K ) thấp nhiệt đọ Curie sắt(loại J) điều khiến cho việc đo nhiệt độ từ đến 350 oC (nhiệt độ Curie Niken ) không thuận lợi, đồng thời ta thấy đọ nhạy cặp nhiệt loại J lớn loại K chọn cặp nhiệt loại K phù hợp trường hợp này(chưa tính đến ảnh hưởng mơi trường hay vật liệu cần đo) Đối với cảm biến loại J, với khoảng đo từ -210 đến 760 oC độ nhạy nhiệt 50µV/oC ta thấy dải điện áp đầu ứng với khoảng đo 0-600oC 0-30 mV để tính tốn hiển thị nhiệt độ ta cần khuếch đại trước đưa vào xử lí Điện áp thường dùng vi xử lí 0-5V ta chọn hệ số khuếch đại k=100 điện áp đưa vào vi xử lí tương ứng 0-3V 2.1.2 Chọn ADC cho cảm biến Với khoảng đo lớn (0-600oC), nhiệt độ đo ta chọn cho độ xác tới 0,1oC chấp nhận Với cảm biến LM35, để đo nhiệt độ đến 0,1oC t cần chọn ADC 10bit với 1024 bước đo Vref = 1,28V cho tín hiệu số từ 0-1023(mã nhị phân) ứng với -128oC bước xấp xỉ 0.125oC Với cảm biến cặp nhiệt loại J, tín hiệu cảm biến sau khuếch đại với đầu 0-3V ứng với nhiệt độ 0-600 oC Để đạt độ xác 0,1 oC cần ADC có độ phân giải lớn 6000 bước, nên chọn ADC 13 bit với điện áp sau khuếch đại 03V chọn Vref=5,12V cho tín hiệu số từ 0-8191(13 bit nhị phân) ứng với nhiệt độ 0-1024oC bước ứng với xấp xỉ 0.08 oC Với cách chọn ADC ta cần xử lí tín hiệu từ ADC Với ADC lấy tín hiệu LM35 ta có: t o 1= n 1.28 × (oC) 1024 0.01 Với tín hiệu từ ADC lấy tín hiệu từ cặp nhiệt, ta có: t o 2= n 5.12 × (oC) 8192 0.005 Nhiệt độ cần hiển thị là: to=to1+to2 2.2 Lựa chọn linh kiện Các thiết bị bao gồm:  Bộ Khuyếch đại INA128PA  ADC 10 bit AD7273BRMZ  ADC 13 bit MCP3301  Kit STM32F103C8T6  LCD 1602 xanh dương  Cảm biến LM35  Cặp nhiệt ngẫu  AMS1117-3.3V ổn áp 3.3V  số trở tụ khác 2.2.1 Bộ khuyếch đại INA128PA 2.2.1.1 Giới thiệu INA128 IC khuếch đại điện áp với đầu vào thấp, cung cấp điện áp đầu với độ xác tuyệt đối Với thiết kế đa linh hoạt, cho phép INA128 sử dụng phổ biến cho hàng loạt ứng dụng Với đầu vào tối ưu hóa, thơng tin phản hồi đươc cung cấp với băng thông rộng dải tần số cao (2000Khz – G = 100) Với điện trở đặt khoảng trống từ đến 10,000 INA128 đáp ứng yêu cầu theo tiêu chuẩn công nghiệp INA128 hoạt động điện áp thấp (50µV), Trơi 0.5uV/oC, dịng tĩnh 700 µA – lý tưởng cho batery operate system Có thể chịu điện áp 40V mà không xảy cố 2.2.1.2 Thông số kĩ thuật  Low offset voltage: 50 μV maximum V maximum  Low drift: 0.5 μV maximum V/°C maximum  Low Input Bias Current: nA maximum  High CMR: 120 dB minimum  Inputs protected to ±40 V  Wide supply range: ±2.25 V to ±18 V  Low quiescent current: 700 μV maximum A  Packages: 8-pin plastic DIP, SO-8 Hình Bộ khuyếch đại INA128PA Điện áp đưa qua khuếch đại tỉ lệ theo hệ số G, giá trị hình 2.1 2.2.2 ADC 10 bit AD7273BRMZ 2.2.2.1 Giới thiệu AD7273 ADC 10/ 12-bit, tốc độ cao, công suất thấp Các phận hoạt động từ nguồn điện 2,35 V đến 3,6 V tính tốc độ thơng lượng lên đến MSPS Q trình chuyển đổi thu thập liệu kiểm soát sử dụng CS serial clock, cho phép thiết bị giao tiếp với vi xử lý DSP Tín hiệu đầu vào lấy mẫu lợi CS trình chuyển đổi bắt đầu thời điểm AD7273 / AD7274 sử dụng kỹ thuật thiết kế tiên tiến để đạt mức tiêu tán điện thấp tốc độ thông lượng cao 2.2.2.2 Thông số kĩ thuật  Throughput rate: MSPS  Specified for VDD of 2.35 V to 3.6 V  Power consumption  11.4 mW at MSPS with V supplies  Wide input bandwidth  70 dB SNR at MHz input frequency  Flexible power/serial clock speed management  No pipeline delays  High speed serial interface  SPI®-/QSPI™-/MICROWIRE™-/DSP-compatible  Temperature range: −40°C to +125°C  Power-down mode: 0.1 μV maximum A typ  8-lead TSOT package  8-lead MSOP package Hình 2 Sơ đồ khối chức AD7273 2.2.3 ADC 13 bit MCP3301 2.2.3.1 Giới thiệu Bộ chuyển đổi MCP3301 13-bit analog-to-digital (A / D) có đầy đủ đầu vào tiêu thụ điện thấp gói nhỏ, lý tưởng cho việc chạy pin hệ thống ứng dụng thu thập liệu từ xa MCP3301 có thiết kế dòng điện thấp cho phép hoạt động với dịng điện hoạt động chế độ chờ điển hình tương ứng 50 nA 300 µA Thiết bị có khả chuyển đổi tỷ lệ lên đến 100 ksps với thông số kỹ thuật thử nghiệm phạm vi cung cấp 4,5V đến 5,5V Điện áp tham chiếu thay đổi từ 400 mV đến 5V, mang lại độ phân giải giới thiệu đầu vào 98 µV 1,22 mV MCP3301 có sẵn chân PDIP, 150 triệu SOIC, gói MSOP 2.2.3.2 Thông số kĩ thuật  Full Differential Inputs  ±1 LSB max DNL  ±1 LSB max INL (MCP3301-B)  ±2 LSB max INL (MCP3301-C)  Single supply operation: 4.5V to 5.5V  100 ksps sampling rate with 5V supply voltage  50 nA typical standby current, µA max  450 µA max active current at 5V  Industrial temp range: -40°C to +85°C  8-pin MSOP, PDIP, and SOIC packages  Mixed Signal PICtail™ Demo Board (P/N:MXSIGDM) compatible Hình Sơ đồ khối chức MCP3301 2.2.4 Kit STM32F103C8T6 2.2.4.1 Giới thiệu Kit phát triển STM32F103C8T6 trang bị vi điều khiển STM32F103C8T6 tích hợp lõi ARM-Cotex-M3 32 bit Kit có mức giá rẻ đồng thời kit có chất lượng gia cơng tốt, độ bền cao, thiết kế đơn giản, phù hợp với người tiếp cận với dịng vi điều khiển 32bit 2.2.4.2 Thơng số kĩ thuật MCU  CPU: 32 bit-Cotex M3  Bộ nhớ 64Kb (Flash) + 20kb (SRAM)  Clock max: 72MHz  ADCmax: 12 kênh (12 bit)  Timermax Timer  Giao tiếp: UART bộ, SPI bộ, I2C bộ, CN bộ, USB Kit STM32F103C8T6  Nguồn cấp cho KIT: 36 - VDC  Bộ nhớ EEPROM: AT24C04 (512 Byte) giao tiếp I2C  Thạch anh ngoại: 8MHz + 32,768KHz  Nút nhấn: Pin C9 + Reset  LED báo nguồn  LED: PC13  I/O 48 chân  Trang bị cổng USB Type A  Cổng nạp kiểu SVD (sử dụng mạch nạp ST-Link V2 để nạp code vào chip)  Các chân Port 10 đưa ngồi thơng qua header Hình KIT STM32F103C8T6 Mini 2.2.5 LCD 1602 xanh dương 2.2.5.1 Giới thiệu LCD 1602 xanh dương sử dụng driver HD44780, có khả hiển thị dịng với dịng 16 ký tự, hình có độ bền cao, phổ biến, nhiều code mẫu dễ dàng sử dụng kèm mạch chuyển tiếp I2C 2.2.5.2 Thông số kĩ thuật  Điện áp hoạt động 5V  Kích thước: 80 x 36 x 12.5mm  Chữ trắng, xanh dương  Khoảng cách hai chân kết nối 0.1 inch tiện dụng kết nối với Breadboard  Tên chân ghi mặt sau hình LCD hổ trợ việc kết nối, dây điện  Có đèn led nền, dùng biến trở PWM điều chình độ sáng để sử dụng điện  Có thể điều khiển với dây tín hiệu Hình LCD 1602 xanh 2.2.5.3 Sơ đồ chân LCD 1602 Hình Sơ đồ chân LCD 1602 2.2.6 Cảm biến LM35 2.2.6.1 Giới thiệu Cảm biến nhiệt độ LM35 có điện áp Analog đầu tuyến tính theo nhiệt độ thường sử dụng để đo nhiệt độ môi trường theo dõi nhiệt độ thiết bị, , cảm biến có kiểu chân TO-92 với chân dễ giao tiếp sử dụng 2.2.6.2 Thông số kĩ thuật  Điện áp hoạt động: 4~20VDC  Công suất tiêu thụ: khoảng 60uA  Khoảng đo: -55°C đến 150°C  Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C  Sai số: 0.25°C  Kiểu chân: TO92  Kích thước: 4.3 × 4.3mm Hình Sơ đồ chân cả biến LM35 2.2.7 AMS1117-3.3V 2.2.7.1 Giới thiệu AMS1117-3.3V IC ổn áp có độ ổn định cao chuyên dụng để ổn định điện áp tuyến tính với sụt áp thấp 2.2.7.1 Thơng số kĩ thuật  Điện áp ngõ 3.3V  Dòng tối đa 1A  Áp ngõ vào 1.5 < Vin-Vout < 12V (4.8-8.7VDC)  Dạng chân SOT-223  Nhiệt độ hoạt động âm 40 đến 125 độ C Hình Sơ đồ chân AMS1117-3.3V CHƯƠNG SƠ ĐỒ KHỐI VÀ MẠCH NGUYÊN LÝ 3.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.1 Sơ đồ khối 3.2 Lưu đồ tổng quát hệ thống Hình Lưu đồ thuật tốn tồn hệ thống 3.3 Mạch ngun lý hệ thống