Nghiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ và thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị máy tính

- Nghiên cứu phơng pháp đo nhiệt độ - Thiết kế mạch đo nhiệt độ, hiển thị máy tính Bộ giáo dục đào tạo TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Hà NộI Khoa điện Bộ môn ktđ & thcn - o0o đồ án tốt nghiệp Đề tài: nghiên cứu phơng pháp đo nhiệt độ thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị máy tính Giáo viên hớng dẫn: Th.S Lê thị hà nguyễn minh th Nguyễn văn ktđ&thcn k3 k3 Sinh viên thực hiện: Lớp: Hà NộI - 04/2008 Bộ giáo dục đào tạo Trờng ĐHBK Hà Néi ……………… Céng hoµ x· héi chđ nghØa ViƯt Nam §éc lËp tù h¹nh ………………… NhiƯm vơ thiÕt kế tốt nghiệp Họ tên: Nguyễn Minh Th Nguyễn Văn Quyết Khoá : K3 Khoa : Điện - Nguyễn Minh Th - Nguyễn Văn Quyết - Nghiên cứu phơng pháp đo nhiệt độ - Thiết kế mạch đo nhiệt độ, hiển thị máy tính Đề tài thiết kế: Ngiên cứu phơng pháp đo nhiệt độ thiết kế thiết bị đo nhiệt độ, hiển thi máy tính Các số liệu ban đầu : Dải nhiệt độ đầu vào từ 0á1000C Sai số cho phép thiết bị 1,5% Mục đích yêu cầu toán: Ngiên cứu phơng pháp đo nhiệt độ Phân tích đề tài, chọn phán thiết kế Thiết kế phần cứng tổng thể Ngiên cứu chi tiết linh kiªn sư dơng thiÕt kÕ TÝnh sai sè cđa mạch thiết kế Các vẽ: Sơ đồ khối chức Sơ đồ mạch đo Giáo viên hớng dẫn: Thạc sĩ : Lê Thị Thanh Hà Ngµy giao nhiƯm vơ thiÕt kÕ: Ngµy hoµn thµnh nhiƯm vơ thiÕt kÕ: Chđ nhiƯm bé m«n (Ký, ghi rõ họ tên) Cán hớng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) Sinh viên hoàn thành đồ án (Ký, ghi rõ họ tên) Mục lục Chơng : Các phơng pháp đo nhiệt độ 1.1 Khái niệm nhiệt độ 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Thang đo nhiệt độ 1.1.3 Sơ lợc phơng pháp đo nhiệt độ 1.2 Đo nhiệt độ phơng pháp tiếp xúc 1.2.1 Đo nhiệt độ 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 ®é b»ng cỈp nhiƯt ngÉu…………………… - Ngun Minh Th - Nguyễn Văn Quyết - Nghiên cứu phơng pháp ®o nhiƯt ®é - ThiÕt kÕ m¹ch ®o nhiƯt ®é, hiển thị máy tính 1.2.3 IC cảm biến nhiệt độ 1.2.3.1 LM335 1.2.3.2 ADC22100 1.3 Đo nhiệt độ phơng pháp không tiếp xúc 1.3.1 Hoả quang kế phát xạ 1.3.2 Hoả quang kế cờng độ sáng 1.3.3 Hoả quang kế màu sác Chơng : Tính toán thiết kế tổng thể thiết bị đo 2.1 Sơ đồ khối 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 xử lý thông tin 2.2.3.1 ADC 0809 mạch phụ 2.2.3.2 Vi xử lý 89C51 mạch phụ 2.2.3.3 Lu đồ thuật toán chơng trình 2.2.4 Thiết kế nguồn cung cấp 2.2.4.1 Khái niệm bô ổn áp 2.2.4.2 Nguyên tắc ổn áp 2.2.4.3 Sơ đồ khối nguồn cung cấp ổn định 2.2.5 Sơ đồ nguyên lý card thu thập liệu Chơng : Linh kiện sử dụng thiÕt kÕ ………………… 3.1 Bé biÕn ®ỉi 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 - Nguyễn Minh Th - Nguyễn Văn Quyết - Nghiên cứu phơng pháp đo nhiệt độ - Thiết kế mạch đo nhiệt độ, hiển thị máy tính 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 chơng trình 3.3 Cổng truyền th«ng RS 232………………………………… 3.3.1 VỊ chn RS 232……………………………………… 3.3.2 Cổng nối tiếp RS 232 3.3.3 Các yêu cầu chuẩn RS 232 với phần tạo dạng phát 3.4 Giíi thiƯu vỊ m¸y tÝnh PC…………………………………… 3.4.1 Giíi thiƯu chung máy tính 3.4.2 Các cổng vào máy tính 3.4.3 Cổng nối tiếp Chơng : Đánh gi¸ sai sè chung…………………………… 4.1 Sai sè cđa senser……………………………………… 4.2 Sai số khuếch đại 4.3 Sai số ADC 4.3 Kết luận => sai số toàn mạch 4.4 C¸ch hiƯu chØnh sai sè……………………………………… - Ngun Minh Th - Nguyễn Văn Quyết - Nghiên cứu phơng pháp ®o nhiƯt ®é - ThiÕt kÕ m¹ch ®o nhiƯt ®é, hiển thị máy tính Lời nói đầu Đo nhiệt độ phơng pháp thờng gặp đo lờng, đà có từ lâu, giai đoạn có phơng pháp đo khác Trớc công nghệ điên tử bán dẫn cha phát triển mạch đo chủ yếu dựa kỹ thuật tơng tự, phơng pháp xử lý chủ yếu dựa vào phần cứng giá trị có sai số lớn, thiết bị cồng kềnh, lắp đặt không thuận tiện Đến đầu năm 80 năm cuối kỷ 20, công nghệ bán dẫn vi mạch phát triển mạnh, với phát triển khoa học kỹ thuật đặc biệt kỹ thuật số đà đợc ứng dụng rộng rÃi ngành đo lờng điều khiển làm thay đổi hẳn phơng pháp xử lý tín hiệu đo Trớc xử lý tín hiệu đo chủ yếu đo phần cứng ngày việc xử lý đợc mềm hoá với đời sensor thông minh đà làm cho thiết bị đo ngày thông minh độ xác cao Ngày xuất hiên nhiều phơng pháp đo nhiệt độ sử dụng cảm biến loại cặp nhiệt, nhiệt điện trở hay bán dẫn sử dụng phơng pháp phân tích phổ để xác định nhiệt độ Đối với nơi không trực tiếp đặt đợc đầu đo nhiệt độ (nơi có nhiệt độ cao) Nhìn chung phơng pháp đo nhiệt độ có nhiều nét giống nhng cách xử khác nhau, tuỳ vào mục đích yêu cầu kỹ thuật công việc cụ thể nhng mục đích cuối phép đo thể giá trị nhiệt độ với khoảng sai số cho phép chấp nhận đợc Phần chi tiết em xin trình bày dới Chơng Các phơng pháp đo nhiệt độ 1.1 Khái niệm nhiệt độ: 1.1.1 Khái niệm: Nhiệt độ đại lý đặc trng cho cờng độ chuyển động nguyên tử, phân tư cđa mét hƯ vËt chÊt T theo tõng tr¹ng thái vật chất ( rắn, lỏng, - Nguyễn Minh Th - Nguyễn Văn Quyết - Nghiên cứu phơng pháp đo nhiệt độ - Thiết kế mạch đo nhiệt độ, hiển thị máy tính khí) mà chuyển động có khác trạng thái lỏng, phân tử dao động quanh vi trí cân nhng vi trí cân dịch chuyển làm cho chất lỏng 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 đợc gọi chung chuyển động nhiệt Khi tơng tác với bên có trao đổi lợng nhng không sinh công, trình trao đổi lợng nói gọi truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt tuân theo nguyên lý: Bảo toàn lợng Nhiệt tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất trạng thái rắn, sù trun nhiƯt x¶y chđ u b»ng dÉn nhiƯt xạ nhiệt Đối với chất lỏng khí dẫn nhiệt xạ nhiệt có truyền nhiệt đối lu Đó tợng vận chuyển lợng nhiệt cách vận chuyển phần khối vật chất vùng khác hệ chênh lệch tỉ trọng 1.1.2 Thang đo nhiƯt ®é: Tõ xa xa ngêi ®· nhËn thøc đợc tợng nhiệt đánh giá cờng độ cách đo đánh giá nhiệt độ theo đơn vị đo thời kỳ Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng đợc định nghĩa theo tõng vïng, tõng thêi kú ph¸t triĨn cđa khoa häc kü tht vµ x· héi HiƯn chóng ta cã thang đo nhiệt độ là: Thang nhiệt độ tut ®èi ( K ) Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15 Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67 Đây thang đo nhiệt độ đợc dùng phổ biÕn nhÊt hiƯn Trong ®ã thang ®o nhiƯt ®é tuyệt đối (K) đợc quy định đơn vị đo hệ đơn vị quốc tế (SI) Dựa thang đo đánh giá đợc nhiệt độ - Nguyễn Minh Th - Nguyễn Văn Quyết - Nghiên cứu phơng pháp đo nhiệt độ - Thiết kế mạch đo nhiệt độ, hiển thị máy tính 1.1.3 Sơ lợc phơng pháp đo nhiệt độ: Nhiệt độ đại lợng đo gián tiếp sở tính chÊt cđa vËt phơ thc nhiƯt ®é HiƯn chóng ta có nhiều nguyên lí cảm biến khác để chế tạo cảm biến nhiệt độ nh: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phơng pháp quang dựa phân bố phổ xạ nhiệt, phơng pháp dựa dÃn nở vật rắn, lỏng, khí dựa tốc độ âm Có ph ơng pháp đo chính: dải nhiệt độ thấp trung bình phơng pháp đo phơng pháp tiếp xúc, nghĩa chuyển đổi đợc đặt trực tiếp môi trờng đo Thiết bị đo nh: nhiệt điện trở, cặp nhiệt, bán dẫn dải nhiệt độ cao phơng pháp đo phơng pháp không tiếp xúc ( dụng cụ dặt môi trờng đo) Các thiết bị đo nh: cảm biến quang, hoả quang kế ( hoả quang kế phát xạ, hoả quang kế cờng độ sáng, hoả quang kế màu sắc) 1.2 Đo nhiệt độ phơng pháp tiếp xúc 1.2.1 Đo nhiệt độ nhiệt điện trở: Nguyên lý hoạt động: Điện trở số kim loại thay ®ỉi theo nhiƯt ®é vµ dùa vµo sù thay ®ỉi điện trở ngời ta đo đợc nhiệt độ cần ®o NhiƯt ®iƯn trë dïng dơng ®o nhiƯt độ làm việc với dòng phụ tải nhỏ để nhiệt sinh dòng nhiệt điện trở nhỏ so với nhiệt nhận đợc từ môi trờng 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 đợc chia thành nhiệt điện trở kim loại nhiệt điện trở bán dẫn 1.2.1.1 Nhiệt điện trở kim loại: Quan hệ nhiệt điện trở nhiệt độ tuyến tính, tính lặp lại quan hệ cao nên thiết bị đợc cấu tạo đơn giản Nhiệt điện trở kim loại thờng có dạng dây kim loại màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ Trong điện trở kim loại dợc chia thành loại: Kim loại quý (Pt) Kim loại thờng (Cu, Ni) - Nguyễn Minh Th - Nguyễn Văn Quyết - Nghiên cứu phơng pháp đo nhiệt độ - Thiết kế mạch đo nhiệt độ, hiển thị máy tính Platin đợc chế tạo với độ tinh khiết cao, cho phép tăng độ xác đặc tính điện trở nó, Platin trơ mặt hoá học ổn định tinh thể, cho phép hoạt động tốt dải nhiệt độ rộng Ngoài lại có tính lặp cao, sai số ngẫu nhiên thấp ( dới 0,01%), có độ sai khác 0.01 0C Niken có độ nhạy cao so víi Platin nhng Niken cã tÝnh ho¸ häc cao, dƠ bị oxy hoá nhiệt độ tăng dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế ( dới 2500C ) Tuy lại có giá thành rẻ đáp ứng mặt kỹ thuật hay đợc sử dụng Đồng đợc sử dụng nhiều thay đổi nhiệt độ đồng có độ tuyến tính cao, giống nh Niken hoạt tính hoá học đồng lớn nên dải nhiệt độ làm việc đông bị hạn chế ( dới 180 0C ) Để đạt đợc 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 00C Các nhiệt điện trở có trị số lớn thờng dùng đo dải nhiệt độ thấp cho phép thu đợc độ nhạy cao Để sử dụng cho mục đích công nghiệp nhiệt điện trở có vỏ bọc tốt, chống đợc va chạm rung mạnh Đối với bạch kim điện trở nhiệt độ giới hạn từ 660 0C đợc biểu diễn biểu thức: Rt = Ro(1+At+Bt2 ) Trong Ro nhiệt độ 00C Đối với bạch kim tinh khiết thì: A = 3,940.10-3/ 0C B = -5,6.10-7/ 0C Trong kho¶ngtõ -190 00C quan hệ điện trở bạch kim với nhiệt độ có dạng: Rt = { 1+At+Bt2+C(t-100)3 Trong C = -4,10.10-12/ 0C Đối với đồng ta có công thức: Rt = Ro(1+t) Trong đó: Ro - ®iƯn trë ë nhiƯt ®é 00C 0 - hƯ số nhiệt độ khoảng nhiệt độ 0V 4,3.10-3/ 0C Trong khoảng nhiệt độ từ -500C 1500C Loại dùng đợc môi trờng có độ ẩm khí ăn mòn - Nguyễn Minh Th - Nguyễn Văn Quyết - Nghiên cứu phơng pháp đo nhiệt độ - Thiết kế mạch đo nhiệt độ, hiển thị máy tính Trong thực tế có loại nhiệt điện trở TCM-0879-01T3 đồng công thức mô tả: Rt = 50(1+4,3.10-3T) () 1.2.1.2 Nhiệt điện trở bán dẫn: Nhiệt điện trở bán dẫn đợc chế tạo từ hỗn hợp nhiều oxit kim loại kh¸c (vÝ dơ nh: CuO, MnO…) Mét sè nhiƯt điện trở bán dẫn đặc trng quan hệ: Rt = A.eB/T Trong ®ã A: H»ng sè chÊt phơ thc vµo tÝnh chÊt vËt lý cđa chÊt bÊn dÉn, kÝch thớc hình dạng vật B: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý chất bán dẫn T: Nhiệt độ Kenvin nhiệt điện trở Nhợc 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 nh ng thông thờng 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 sÏ cã sai sè sù thay ®ỉi nhiƯt điện trở đờng dây nhiệt độ môi trờng thay đổi 1.2.2 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 đà chứng minh mối hàn có nhiệt độ t t0 khác mạch khép kín có dòng điện chạy qua Chiều dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ tơng ứng mối hàn nghĩa t > t0 dòng điện chạy theo hớng ngợc lại Nếu để hở đầu xuất sức điện động nhiệt Khi mối hàn cã cïng nhiƯt ®é ( vÝ dơ b»ng t0 ) sức điện động tổng bằng: EAB = eAB(t0) + eAB(t0) = Tõ ®ã rót ra: eAB = eAB(t0) Khi t0 t khác sức điện động tỉng b»ng: EAB = eAB(t) – e+AB(t0) - Ngun Minh Th - Nguyễn Văn Quyết - Nghiên cứu phơng pháp đo nhiệt độ - Thiết kế mạch đo nhiệt độ, hiển thị máy tính Phơng trình phơng trình cặp nhiệt ngẫu ( sức ®iƯn ®éng phơ thc vµo hƯ sè nhiƯt ®é cđa mạch vòng t t0) Nh cách đo sức điện động ta tìm đợc nhiệt độ đối tợng Phơng pháp đợc sử dụng nhiều công nghiệp cần đo nơi có nhiệt ®é cao 1.2.3 IC c¶m biÕn nhiƯt ®é Cã rÊt nhiều hÃng chế tạo linh kiện điện tử đà sản xuất loại IC bán dẫn dùng để đo dải nhiệt độ từ -55á150 0C Trong mạch tổ hợp IC, cảm biến nhiệt thờng điện áp líp chun tiÕp p-n mét lo¹i tranzitor lo¹i bipola 1.2.3.1 Loại LM 335 IC loại LM 335 có điện ¸p ngâ tØ lƯ trùc tiÕp víi nhiƯt ®é thang đo C, điện áp 10mV/ 0C sai số không tuyến tính 1,8 mV cho1,8 mV cho toàn thang đo Điện áp nguồn nuôi thay đổi từ 4Vá30V LM 335 đợc chế tạo cho thang đo: -55á150 0C loại LM 335 LM 35D -40á110 0C loại LM35C LM35CA 0á100 0C lo¹i LM35DA 1.2.3.2 Lo¹i AD22100 AD22100 cã hƯ sè nhiƯt độ 22,5 mV/ 0C Điện áp ngõ có công thức: Vout = (V+/5V).(1,375V+22,5mV/ 0C.T) Trong đó: V+: Trị số điện áp cấp T : Nhiệt độ cần đo Các IC họ AD22100: AD100KT/KR cho dải nhiệt độ từ 0á1000C AD100AT/AR cho dải nhiệt độ từ -40á850C AD100ST/SR cho dải nhiệt độ đo từ -50á1500C Hình dạng bên AD22100: - Nguyễn Minh Th - Nguyễn Văn Quyết