TÌM HIỂU VỀ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ
Phương pháp đo nhiệt độ
Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định đặc tính của vật chất, do đó việc đo nhiệt độ là cần thiết trong cả quy trình kỹ thuật và đời sống hàng ngày Hiện nay, hầu hết các nhà máy và quy trình sản xuất công nghiệp đều yêu cầu thực hiện việc đo nhiệt độ để đảm bảo hiệu quả và chất lượng sản phẩm.
Hiện nay, có nhiều nguyên lý cảm biến nhiệt độ như nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phương pháp quang dựa trên phân bố phổ bức xạ nhiệt, và phương pháp dựa trên sự dãn nở của vật rắn, lỏng, khí hoặc tốc độ âm Tùy thuộc vào nhiệt độ cần đo, các phương pháp này được áp dụng khác nhau, và nhiệt độ đo thường được chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao.
- Ở dải nhiệt độ thấp và trung bình phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc
- Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo là phương pháp không tiếp xúc
1.1.1 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc
Gồm 3 loại: + Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở
+ Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu
+ Đo nhiệt độ bằng cảm biến bán dẫn a Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở
- Cảm biến nhiệt điện trở có 2 loại chính là:
+ Nhiệt điện trở kim loại
+ Nhiệt điện trở bán dẫn
* Nhiệt điện trở kim loại (RTD - resitance temperature detector)
Hình 1.1 Cấu tạo nhiệt điện trở kim loại
Cảm biến nhiệt điện trở kim loại gồm có dây dẫn kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum, … được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo.
Khi nhiệt độ môi trường tăng hoặc giảm, điện trở của RTD cũng sẽ thay đổi theo tỷ lệ thuận Giá trị điện trở của RTD biến đổi tương ứng với nhiệt độ của nó.
* Nhiệt điện trở bán dẫn Thermistor (thermal sensitive resitor)
Hình 1.2 Cấu tạo nhiệt điện trở bán dẫn
- Nguyên lý hoạt động: Điện trở có giá trị thay đổi theo nhiệt độ
A: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn, kích thước và hình dạng của vật. β: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn. T: Nhiệt độ Kenvin của nhiệt điện trở. b Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu
Cặp nhiệt điện là một loại cảm biến đo nhiệt độ, hoạt động dựa trên hiện tượng nhiệt điện, trong đó hai dây dẫn kim loại khác nhau được nối lại và khi một đầu được đốt nóng, sẽ tạo ra dòng điện nhiệt Dòng điện này được gọi là sức điện động nhiệt điện.
Hình 1.3 Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu
Cảm biến nhiệt bán dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn Có các loại như Diode, Transistor, IC
Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-
Cảm biến nhiệt hiện nay được phát triển nhờ công nghệ bán dẫn, mang lại nhiều ưu điểm như độ chính xác cao, khả năng chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản và giá thành rẻ.
Hình 1.4 IC cảm biến nhiệt độ LM35, LM335
1.1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc
Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng dụng cụ đặt bên ngoài môi trường đo, dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối Phương pháp này cho phép vật hấp thụ năng lượng từ mọi hướng với hiệu suất tối ưu.
Gồm các loại: + Hoả quang kế phát xạ.
+ Hoả quang kế cường độ sáng.
+ Hoả quang kế màu sắc.
Lựa chọn phương pháp đo
Điện trở nhiệt NTC là loại điện trở có hệ số nhiệt độ âm, hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ -55 °C đến 200 °C Với kích thước nhỏ gọn, độ bền cao và dễ dàng trong quá trình chế tạo, NTC là lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng.
Độ nhạy nhiệt độ của điện trở nhiệt cao gấp hơn năm lần so với cảm biến nhiệt độ silicon và khoảng mười lần so với nhiệt điện trở RTD.
=>Vì các ưu điểm trên ta sử dụng phương pháp đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trởNTC
LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MẠCH
Lựa chọn thiết bị
- Cảm biến đo nhiệt độ: Cảm biến nhiệt điện trở NTC
Hình 2.1 Cảm biến nhiệt điện trở NTC
Cảm biến nhiệt điện trở NTC được chế tạo từ hỗn hợp bột oxit kim loại như mangan, nickel và cobalt Những bột này được trộn theo tỷ lệ và khối lượng cụ thể, sau đó nén chặt và nung ở nhiệt độ cao Đặc biệt, mức độ dẫn điện của hỗn hợp này sẽ biến đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ.
Kích thước và hình dạng của điện trở nhiệt sẽ phụ thuộc vào mục đích sử dụng và kết cấu của mạch.
Khi nhiệt độ tăng hoặc giảm thì trở kháng của NTC sẽ thay đổi theo công thức: ΔR=k ΔtR=k ΔR=k Δtt (2.1)
ΔR=k ΔtR là sự thay đổi của trở kháng.
ΔR=k Δtt là sự thay đổi của nhiệt độ.
k là hệ số nhiệt của điện trở (Với điện trở NTC, điện trở sẽ giảm theo nhiệt độ, do đó hệ số k sẽ có giá trị âm).
2.1.2 Ứng dụng Đo nhiệt độ môi trường xung quanh với độ nhạy cực cao, giúp phát hiện sự thay đổi của nhiệt độ môi trường, cảm biến tương thích với hầu hết các board vi điều khiển như Arduino Điện trở nhiệt NTC được dùng để làm bảo vệ, ngắt nhiệt Chúng được sử dụng nhiều trong các bảng mạch điện tử Trong thực tế, các bảng mạch này còn có thể là cảm ứng nhiệt của nồi cơm, máy điều hòa nhiệt độ hay cảm ứng của tủ lạnh. Đồng thời, điện trở nhiệt NTC còn được dùng để làm làm cảm ứng nhiệt trong các máy móc thiết bị Đồng thời kiểm soát nhiệt độ và kiểm tra thiết bị gia đình Trong số đó, nổi bật như việc sử dụng điện trở nhiệt trong căn phòng nhà bếp cảm ứng, lò điện, bể khử trùng, lò vi sóng, lò nướng, ấm đun bằng điện….
LCD là các kiểu màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị các thông tin dạng ký tự trong bảng mã ASCII
LCD 16x2 là loại LCD phổ biến, có khả năng hiển thị trên 2 dòng mỗi dòng 16 ký tự.
LCD 16x2 gồm có 16 chân tín hiệu Các chân tín hiệu được mô tả như bảng sau:
Bảng 2.1 Thông số chân LCD 16x2
Số chân Tên Chức năng
3 Vo Điều chỉnh độ tương phản
4 RS Chọn thanh ghi dữ liệu (1)/ lệnh (0)
5 R/W Điều khiển quá trình đọc (1)/ ghi (0)
6 E Chân chốt dữ liệu cho LCD
7 D0 Chân vào/ ra dữ liệu D0
8 D1 Chân vào/ ra dữ liệu D1
9 D2 Chân vào/ ra dữ liệu D2
10 D3 Chân vào/ ra dữ liệu D3
11 D4 Chân vào/ ra dữ liệu D4
12 D5 Chân vào/ ra dữ liệu D5
13 D6 Chân vào/ ra dữ liệu D6
14 D7 Chân vào/ ra dữ liệu D7
K Anode và Cathode đèn nền
2.2.2 Nguyên lý hoạt động LCD16x2
Màn hình LCD 16x2 được trang bị bộ font chữ tiêu chuẩn 5x10 và 5x7 trong bộ nhớ, cho phép hiển thị ký tự dễ dàng Để hiển thị ký tự trên LCD, chỉ cần gửi mã ASCII tương ứng tới bus dữ liệu (D0 D7) Các ký tự này sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ DDAM (Display DRAM) của thiết bị.
Các lệnh riêng điều khiển LCD:
Bảng 2.2 Các lệnh điểu khiển LCD
0 0 0 0 0 0 0 0 1 x Đưa con trỏ về đầu dòng
S Đặt hướng di chuyển con trỏ
0 0 0 0 0 0 1 D C B Bật/tắt màn hình và con trỏ
R/L x x Di chuyển con trỏ/dịch màn hình
7 x x Đặt độ dài giao diện
0 0 0 1 A A A A A A Di chuyển con trỏ trong
1 0 D D D D D D D D Ghi mã ASCII tới màn hình
1 1 D D D D D D D D Đọc mã ASCII từ màn hình
Arduino Uno R3 là một board vi mạch do Arduino.cc phát triển, sử dụng vi điều khiển AVR Atmega328P Thiết kế tối ưu hóa chức năng giúp Arduino dễ dàng kết nối với nhiều thiết bị bên ngoài, mang lại sự tiện lợi trong việc phát triển các dự án điện tử.
Arduino Uno R3 hiện tại được trang bị giao diện USB, bao gồm 6 chân đầu vào analog với độ phân giải 10 bit và 14 cổng kỹ thuật số I/O cho phép kết nối với các thiết bị bên ngoài Trong số 14 chân này, có 6 chân hỗ trợ phát xung PWM, giúp đơn giản hóa việc kết nối và điều khiển nhiều thiết bị sử dụng xung PWM.
Bài viết mô tả về bốn đèn LED trên bo mạch, bao gồm một đèn ở bên phải được dán nhãn ON, sáng lên khi bo mạch được cấp nguồn Ba đèn LED còn lại được dán nhãn TX và RX, sẽ phát sáng khi dữ liệu đang được gửi hoặc nhận giữa bo mạch Arduino và các thiết bị khác thông qua cổng nối tiếp và USB.
Khi nhấn nút Reset trên Arduino, đèn màu cam sẽ nhấp nháy để báo hiệu, với LED được kết nối ở chân số 13 Khi chân số 13 được kích hoạt, LED này sẽ phát sáng.
Arduino Uno R3 kết nối trực tiếp với máy tính qua USB, cho phép giao tiếp với phần mềm lập trình IDE Thiết bị này tương thích với nhiều hệ điều hành như Windows, MAC và Linux, nhưng Windows được coi là nền tảng phù hợp hơn để sử dụng.
Thông số kỹ thuật phần cứng:
Vi điều khiển(Microcontroller): Atmega328 họ 8 bit.
Điện áp hoạt động (Operating Voltage): 5V (chỉ được cấp qua cổng USB).
Tần số hoạt động (Clock Speed): 16MHz.
Điện áp vào khuyên dùng (Input Voltage): 7 – 12 V.
Điện áp vào giới hạn (Input Voltage limits): 6 – 20V.
Số chân Digital I/O: 14 (6 chân hardware PWM).
Số chân Analog (Analog Input): 6 (độ phân giải 10bit).
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30mA.
Dòng ra tối đa (5V): 500mA.
Dòng ra tối đa (3.3V): 50mA.
Bộ nhớ flash (Flash Memory): 32KB
(A.Tmega 328) với 0,5KB dùng bởi Bootloader.
Hình 2.4 Thông số chân Arduino Uno R3
5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là
Vin (Voltage Input): Để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
IOREF: Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V
RESET: Việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
GND (Ground): Chân mass chung cho toàn mạch Arduino.
Arduino UNO có 14 chân digital, từ chân số 0 đến chân số 13, cho phép đọc và xuất tín hiệu Mức điện áp tối đa cho các chân này là từ 0V đến 5V Một số chân digital còn tích hợp các chức năng đặc biệt, mang lại nhiều tính năng hữu ích cho người sử dụng.
Chân PWM (~): PWM được cung cấp bởi các chân 3, 5, 6, 9, 10,
11, cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit bằng hàm analogWrite
Chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial
Chân giao tiếp SPI: 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK).
Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) với độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 1023) để đo điện áp từ 0V đến 5V Khi cấp điện áp 2.5V vào chân này, bạn vẫn có thể sử dụng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V đến 2.5V với độ phân giải 10bit Hai chân analog có chức năng đặc biệt hỗ trợ các ứng dụng khác nhau.
Chân A4 (SDA) và A5 (SCL): 2 chân này dùng để hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị bên ngoài khác.
Hình 2.6 Các chân Analog a Ứng dụng
Điều khiển đèn tín hiệu giao thông, làm hiệu ứng đèn Led nhấp nháy trên các biển quảng cáo…
Điều khiển các thiết bị cảm biến ánh sáng, âm thanh.
Làm đàn bằng ánh sáng.
Làm lò nướng bánh biết tweet để báo cho bạn khi bánh chín.
The Arduino IDE, short for Arduino Integrated Development Environment, is a text editor designed for writing code to upload to Arduino boards This program is compatible with MacOS X and Linux, and it is developed using Java and other open-source software.
Sketch là một chương trình viết bởi Arduino IDE, sketch được lưu dưới a Giao diện làm việc của Arduino IDE
Hình 2.7 Giao diện Arduino IDE
Bài viết này mô tả các nút lệnh menu bao gồm File, Edit, Tools và Help, cùng với các biểu tượng bên dưới cho phép truy cập nhanh vào các chức năng thường dùng của IDE.
Bảng 2.3 Các nút lệnh menu
Biên dịch chương trình đang soạn thảo để kiểm tra các lỗi lập trình.
Biên dịch và upload chương trình đang soạn thảo.
Mở một trang soạn thảo mới.
Mở các chương trình đã lưu.
Lưu chương trình đang soạn.
Mở cửa sổ Serial Monitor để gửi và nhận dữ liệu giữa máy tính và board Arduino.
Hình 2.8 Vùng thông báo b Ứng dụng
Lập trình cho các thiết bị điện tử phục vụ đời sống như robot, máy bay không người lái, game, lập trình cho hệ thống đèn giao thông, ….
Sơ đồ nguyên lí của mạch nhiệt điện trở
Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lí nhiệt điện trở NTC
Mạch được thiết kế dựa vào sự thay đổi của nhiệt điện trở NTC theo nhiệt độ, trong đó chân analog A0 của Arduino được kết nối với NTC để thu thập giá trị ADC Do không thể tính trực tiếp điện trở của NTC, mạch được cấu tạo như một mạch phân áp bằng cách mắc nối tiếp một điện trở 10k ohm với NTC Qua bộ chia điện áp này, Arduino có thể nhận diện điện áp tại chân A0, từ đó suy ra điện trở của NTC Cuối cùng, giá trị nhiệt độ được xác định bằng cách sử dụng điện trở của NTC trong phương trình Stein-Hart.
R t là điện trở nhiệt ở T (Kelvin).
A, B, C hằng số nhiệt điện trở.
Giá trị nhiệt độ tính được sẽ được hiển thị lên LCD thông qua Arduino [3]
Sơ đồ mô phỏng trên Proteus
Hình 2.10 Sơ đồ mô phỏng trên Proteus
XÂY DỰNG PHẦN MỀM VÀ MÔ PHỎNG
Sơ đồ thuật toán
Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán kết thúc
Khai báo thư viện LiquidCrystal.h Khai báo các chân kết nối với LCD
Khai báo LCD 16x2 Đọc giá trị tại chân A0 (0-1023)
Chuyển đổi điện áp sang mức 0-5V và điện trở, sau đó chuyển đổi giá trị điện trở thành nhiệt độ Đưa con trỏ về vị trí hàng 0, cột 0 để hiển thị giá trị nhiệt độ với ký hiệu "T=" Tiếp theo, di chuyển con trỏ đến hàng 8, cột 0 để in giá trị làm tròn của nhiệt độ với ký hiệu "=" Cuối cùng, đưa con trỏ về hàng 12, cột 0 để tiếp tục hiển thị thông tin cần thiết.
"oC" Đưa con trỏ về vị trí hàng 0, cột 1 In giá trị điện trở "R="
Mô phỏng trên phần mềm Proteus
Hình 3.2 Mạch mô phỏng trên Proteus đo nhiệt độ phòng
Mạch thực tế
Hình 3.3: Mạch thực tế khi đo nhiệt độ phòng
Đánh giá, kiểm tra
- Hệ thống mạch hoạt động ổn định, không xảy ra lỗi trong quá trình hoạt động.
- Cảm biến lựa chọn phù hợp với nhiệt độ trong phòng
- Kết quả đo có sai số o Sai số của cảm biến nhiệt NTC là 1%. o Sai số do làm tròn trong tính toán.
Module có thiết kế nhỏ gọn, giúp dễ dàng thay thế và kiểm tra linh kiện trong mạch Nó hoạt động ổn định và có thể được ứng dụng trong thực tế.
- Nhược điểm: o Sai số mạch còn lớn. o Module thiết kế chưa đẹp.