Báo Cáo Đồ Án 1 - Nhóm 1 - Thiết Kế Cảm Biến Nhiệt Độ 0-60 Độ C.pdf

Trong đồ án này, chúng em sẽ tìm hiểu về các phương pháp đo nhiệt độ hiện đại, từ những cảm biến tiếp xúc truyền thống cho đến các công nghệ đo không tiếp xúc sử dụng cảm biến hồng ngoại

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ -         -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN I

Đề tài: Thiết kế mạch đo nhiệt độ

từ 0 ℃ đến 60 ℃

Giáo viên hướng dẫn: ThS Lê Thị Thanh Hà

Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Quang Huy 20202404 Nguyễn Xuân Vang 20202567

Vũ Tiến Mạnh 20202454

Hà Nội, 9 / 2023

DANH MỤC HÌNH VẼ

HÌnh 1.1 Nhiệt kế kiểu đũa 6

Hình 1.2 Cấu tạo của nhiệt kế giãn nở chất lỏng 7

HÌnh 1.3 Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu 8

HÌnh 1.4 Nguyên lý định luật Plăng 10

HÌnh 1.5 Cấu tạo quang hỏa kế 10

HÌnh 1.6 Cấu tạo bộ phận thu năng lượng bức xạ 11

HÌnh 1.7 Sự phụ thuộc của nhiệt độ với bức sóng 11

HÌnh 1.8 Cấu tạo của hỏa quang kế màu sắc 12

HÌnh 1.9 Cấu tạo của cảm biến hồng ngoại 12

HÌnh 2.1 Sơ đồ khổi 14

HÌnh 2.2 Cảm biến LM35 14

HÌnh 2.3 Nguyên lý phương pháp sấp xỉ liên tiếp 15

HÌnh 2.4 Nguyên lý của ADC 16

HÌnh 2.5 Sơ đồ chân ADC 0804 17

Hình 2.6 Sơ đồ chân 8051 19

Hình 2.7 Sơ đồ chân LCD 20

HÌnh 3.1 Sơ đồ mô phỏng phần cứng 21

HÌnh 4.1 Sơ đồ mạch 25

HÌnh 4.2 Kết quả hiển thị trong dải đo 25

HÌnh 4.3 Kết quả hiển thị ngoài dải đo 26

DANH MỤC BẢNG

Ba ng 1.1 Độ giãn nở của vật liệu 6

Ba ng 2.1 Chức năng chân LM 35 14

Ba ng 2.2 Chức năng chân ADC 0804 17

Ba ng 2.3 Chức năng các chân P3 của 8051 18

Ba ng 2.4 Chức năng các chân LCD 20

Lời mở đầu

Nhiệt độ là một đại lượng vật lý cơ bản đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của khoa học và kỹ thuật Việc đo nhiệt độ chính xác và đáng tin cậy là cực kỳ quan trọng cho nhiều ứng dụng, bao gồm quy trình công nghiệp, giám sát môi trường, chăm sóc sức khỏe, quản lý năng lượng và nghiên cứu khoa học Khả năng định lượng và giám sát nhiệt độ một cách chính xác cung cấp thông tin quý giá về hành vi và đặc tính của vật liệu, hệ thống

và các hệ sinh học

Trong những năm gần đây, công nghệ đo nhiệt độ đã có những tiến bộ đáng kể, mang lại những cải tiến đáng kể trong khả năng đo và giám sát nhiệt độ Điều này đã đóng góp quan trọng cho sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của nhiệt độ trong nhiều ngành công nghiệp

và lĩnh vực khoa học khác nhau

Trong đồ án này, chúng em sẽ tìm hiểu về các phương pháp đo nhiệt độ hiện đại, từ những cảm biến tiếp xúc truyền thống cho đến các công nghệ đo không tiếp xúc sử dụng cảm biến hồng ngoại và cảm biến quang phổ Chúng em sẽ xem xét nguyên lý hoạt động của mỗi phương pháp, ưu điểm và hạn chế của chúng, cũng như các ứng dụng phổ biến trong thực

tế

Cuối cùng, thông qua đồ án này, chúng em hy vọng rằng sẽ mang đến cho mọi người cái nhìn tổng quan về tầm quan trọng và ứng dụng của việc đo nhiệt độ trong khoa học và kỹ thuật

CHƯƠNG 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ

Nguyên lý đo nhiệt độ là dựa trên độ dãn nở dài của chất rắn: Lt = Lt0 [ 1 + α (t – t0 )]

Trong đó: Lt và Lt0 là độ dài của vật ở nhiệt độ t và to ; α gọi là hệ số dãn nở dài -

Phân loại :

- Nhiệt kế kiểu đũa : Cơ cấu là gồm 1 ống kim loại có α1 nhỏ và 1 chiếc đũa có α2 lớn

HÌnh 1.1 Nhiệt kế kiểu đũa

- Kiểu bản hai kim loại thường dùng làm rơle trong hệ thống tự động đóng ngắt tiếp :

điểm

B ang 1.1 Độ giãn nở của vật liệu

Vật liệu Hệ số dãn nở dài α ( 1/độ ) Nhôm Al 0,238 10 4÷ 0,310 104 Đồng Cu 0,183 10 4÷ 0,236 10 4

Nguyên lý: Điện trở của kim loại thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ

a) Nhiệt điện trở kim loại

Quan hệ giữa nhiệt độ và trở kháng:

𝑅 = 𝑅0(1 + 𝛼1𝑇 + 𝛼2𝑇2+ 𝛼 𝑇3 3+ ⋯ ) Nhiệt kế nhiệt điện trở thường dùng trong công nghiệp, thường được chế tạo bằng Pt, dây đồng, dây Ni và có ký hiệu là: Pt-100, Cu-100, Ni-100

b) Nhiệt điện trở bán dẫn (NTD)

Quan hệ giữa nhiệt độ và trở kháng:

𝑅 = 𝑅0 exp [𝐵 (1𝑇 −𝑇01)]

T0 là nhiệt độ tuyệt đối, B là hệ số thực nghiệm

Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50 150D.C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt

HÌnh 1.3 Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu

Nguyên lý:

Hiệu ứng thomson: với vật liệu đồng chất A, trên nó có hai điểm phân biệt khác nhau là M

và N có nhiệt độ tương ứng là t1 và t2, thì giữa chúng sẽ xuất hiện một suất điện động

𝐸𝑀𝑁= ∫ 𝛿𝑡2

Trong đó 𝛿 là hệ số vật liệu thomson cho trước

Hiệu ứng Peltier: hai v t li u A và B khác nhau ti p xúc vậ ệ ế ới nhau tại một điểm nào đó thì xuất hi n môt suệ ất điện động 𝑒𝐴𝐵(𝑡)

Hiệu ứng seebeck: kết hợp hai hiệu úng trên xu t hi n suấ ệ ất điện động nhiệt điện Công th c s p x : ứ ấ ỉ

𝐸𝑇= 𝐾𝑇(𝑡𝑛ó𝑛𝑔− 𝑡𝑙ạ𝑛ℎ)

𝐸𝑇 : sức điện động nhi t ng u ệ ẫ

𝐾𝑇: độ nh y c a c p nhi t (ạ ủ ặ ệ 𝜇𝑉/℃)

Phân lo i nhiạ ệt điện:

Có khá nhi u lo i nhiề ạ ệt điện, tùy theo nhu c u và nhiầ ệt độ môi trường đo mà sẽ có lo i phù ạhợp C u t o và nguyên lý hoấ ạ ạt động về cơ bản các lo i nhiạ ệt điện đều giống nhau Điểm khác nhau duy nh t là v t li u c a 2 que kim loấ ậ ệ ủ ại mà người ta dùng để chế tạo nhiệt ngẫu

Nhi ệt điện loại J:

Loại thermocouple này được gia công t 2 v t li u là Fe ừ ậ ệ – Co, thang đo của loại này max 1200º C

Nhi ệt điện loại K:

Đây là loại nhiệt ngẫu được sử dụng ph bi n nhổ ế ất vì giá thành tương đố ẻ Đồi r ng thời thang đo của loại này max là 1200ºC Loại này được ch t o t là Cr và Al ế ạ ừ

Nhi ệt điện loại S:

Loại này có thang đo nhiệt độ khá cao, nhiệt độ ối đa có thể t chịu được lên đến là 1600ºC Loại nhi t ng u này có ph n vệ ẫ ầ ỏ b o v làm b ng sả ệ ằ ứ nên có th chể ịu được nhiệt độ cao

Nhi ệt điện loại R:

Loại này được làm bằng 2 kim loại quý là Platinium (bạch kim) và Rhodium với thang đo max là 1760ºC

Nhi ệt điện loại B:

Giống như thermocouple loại S và R, nhiệt ngẫu loại B cũng được chế tạo từ bạch kim và Rhodium Vì t l thành ph n c a 2 kim loỷ ệ ầ ủ ại này cao hơn nên loại này có th ể đo được max 1820ºC

Nhi ệt điện loại W5:

Là lo i thermocouple có thạ ể đo chịu được nhiệt độ cao nh t trong các lo i nhiấ ạ ệt điện Loại W5 này có thang đo max là 2310ºC Nhiệt ngẫu này bao gồm một vonfram cực dương chứa 3% rheni và c c âm vonfram ch a 25% rheni ự ứ

1.2 Đo không tiếp xúc

1.2.1 Đo bằng hỏa quang kế

a) Nguyên lý hoạt động chung

Nguyên lý đo nhiệt độ bằng hỏa quang kế dựa trên sự bức xạ nhiệt khi các vật trao đổi nhiệt độ để xác định nhiệt độ Cảm biến hỏa quang kế sử dụng nguyên lý rằng bất kỳ một vật nào sau khi nhận nhiệt thì cũng có một phần nhiệt năng chuyển đổi thành năng lượng bức xạ, số lượng được chuyển đổi đó có quan hệ với nhiệt độ, từ năng lượng bức xạ người

ta sẽ biết được nhiệt độ của vật

Hỏa quang kế được chia làm 3 loại chính: Hỏa quang kế bức xạ, hỏa quang kế quang học

và hỏa quang kế màu sắc

b) Hỏa quang kế quang học

Hoả kế quang điện chế tạo dựa trên định luật Plăng Nguyên tắc đo nhiệt độ bằng hoả kế quang học là so sánh cường độ sáng của vật cần đo và độ sáng của một đèn mẫu ở trong cùng một bước sóng nhất định và theo cùng một hướng Khi độ sáng của chúng bằng nhau thì nhiệt độ của chúng bằng nhau

HÌnh 1.4 Nguyên lý định luật PlăngCấu tạo của hỏa kế quang học

HÌnh 1.5 Cấu tạo quang hỏa kế

1- Vật cần đo 2- thấu kính 3-vòng điều chỉnh 4 kính mờ - 5- bóng đèn 6 vòng điều chỉnh 7 kính đỏ 8 kính mắt 9 biến trở- - - -

c) Hỏa quang kế bức xạ

Hỏa quang kế bức xạ dựa trên nguyên tắc bức xạ ánh sáng Thiết bị sẽ đo năng lượng bức

xạ nguồn nhiệt phát ra ( EBX ) Năng lượng ấy làm nóng cặp nhiệt và phát ra sức điện động nhiệt điện:

E = K ET T BX = K T 𝜎𝑇 T4 với 𝜎𝑇 là hệ số bức xạ tuyệt đối

Cấu tạo của bộ phận thu năng lượng bức xạ

HÌnh 1.6 Cấu tạo bộ phận thu năng lượng bức xạ1- Nguồn bức xạ 2 Thấu kính hội tụ 3 Gương phản xạ - - 4- Bộ phân thu năng lượng 5 Dụng cụ đo thứ cấp-

d) Hỏa quang kế màu sắc

Nhiệt độ ánh sáng phụ thuộc vào bức sóng ánh sáng Bước sóng của ánh sáng phát ra càng giảm khi nhiệt độ càng tăng (ở nhiệt độ thấp đối tượng phát ra ánh sáng đỏ, nhiệt độ cao phát ra ánh xanh đến tím) So sánh cường độ ánh sáng xanh và đỏ ta có thể suy ra nhiệt độ của đối tượng Ta lần lượt cho ánh sáng xanh và đỏ của chùm sáng phát ra bởi đối tượng (thông qua hai bộ lọc xanh và đỏ) Cường độ ánh sáng xanh và đỏ được chia cho nhau và

tỷ số giữa hai cường độ ấy cho phép suy ra nhiệt độ

HÌnh 1.7 Sự phụ thuộc của nhiệt độ với bức sóng

Cấu tạo của hỏa quang kế màu sắc

A Đối tượng đo nhiệt độ 1-Vật kính 2-Đĩa lọc xanh đỏ 3-Mô tơ 4-Tế bào quang điện 5-Khuếch đại

6-Tự động chỉnh hệ số khuếch đại

7-Lọc 8-Khóa đổi nối 9- Logomet

b) Cấu tạo

HÌnh 1.9 Cấu tạo của cảm biến hồng ngoạiTrong đó:

- Ống dẫn sóng (waveguide) để thu gom năng lượng phát ra từ bia (target)

- Cảm biến hỏa nhiệt kế (Pysoelectric sensor) có tác dụng chuyển đổi năng lượng sang tín hiệu điện

HÌnh 1.8 Cấu tạo của hỏa quang kế màu sắc

- Bộ điều chỉnh độ nhạy (reference sensor) để phối hợp phép đo của thiết bị hồng ngọai với chỉ số bức xạ của vật thể được đo

- Một mạch cảm biến bù nhiệt (heater equalizer) để đảm bảo sự thay đổi nhiệt độ phía bên trong thiết bị

- Cảm biến hồng ngọai là một cảm biến hỏa điện (pyroelectric sensor) theo sau là bộ chuyển đổi dòng sang áp

1.3 Lựa chọn phương pháp đo

Với yêu cầu đo nhiệt dải đo từ 0 – 60 ℃ sai số 1,5 Đây là dải đo tương đối nhỏ nên %chọn phương pháp đo trực tiếp sử dụng cảm biến bán dẫn

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

2.1 Sơ đồ khối

HÌnh 2.1 Sơ đồ khổiNguyên lý mạch đo: Từ cảm biến đo nhiệt độ, tín hiệu nhiệt độ được chuyển thành dạng tín hiệu điện tương tự Tín hiệu điện tương tự này được đưa vào đầu vào của ADC ADC

có chức năng chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu số để đưa vào vi điều khiển Vi điều khiển được kết nối với một màn hình LCD để hiển thị nhiệt độ tương ứng

2.2 Lựa chọn thiết bị

2.2.1 Lựa chọn cảm biến đo nhiệt độ

Với yêu cầu đo nhiệt dải đo từ 0 – 60 ℃ sai số 1,5 Đây là dải đo tương đối nhỏ nên %chọn phương pháp đo trực tiếp sử dụng cảm biến bán dẫn LM35

Tổng quan về LM35

Cảm biến LM35 là các thiết bị nhiệt độ tích hợp chính xác với một điện áp đầu ra tuyến tính tỷ lệ thuận với nhiệt độ Celsius Thiết bị LM35 có một lợi thế so với các cảm biến khác là nhiệt độ tuyến tính được hiệu chuẩn theo đơn vị Kelvin, vì vậy người dùng không cần phải trừ điện áp hằng số lớn từ đầu ra để có được tỷ lệ Celsius thuận tiện Thiết bị LM35 không yêu cầu hiệu chuẩn hoặc điều chỉnh ngoại vi nào để đạt được độ chính xác thông thường là ±¼°C ở nhiệt độ phòng và ±¾°C trong khoảng nhiệt độ từ 55°C đến -150°C Điểm mạnh của thiết bị LM35 là trở kháng đầu ra thấp, đầu ra tuyến tính và hiệu chuẩn tích hợp chính xác, điều này làm cho việc giao tiếp với mạch đọc hoặc điều khiển trở nên dễ dàng Thiết bị được sử dụng với nguồn cung cấp điện đơn hoặc với nguồn cung cấp dương và âm Vì thiết bị LM35 chỉ tiêu thụ 60 μA từ nguồn cung cấp, nên nhiệt tự làm nóng của nó rất thấp, ít hơn 0.1°C trong không khí đứng yên

Thông số cơ bản

B ang 2.1 Chức năng chân LM 35

Chân số Chức năng

1 Chân cấp nguồn với điện áp từ 0.2V đến 35V

-đổi nhiệt độ từ 55 đến 150 , điện áp ở chân - ℃

2.2.2 Lựa chọn ADC

Đầu ra của cảm biến là tín hiệu tương tự nên cần thêm ADC để chuyển tín hiệu tương tự

đó thành dạng tín hiệu số để đưa vào đầu vào của vi điều khiển

Do sử dụng cảm biến LM35, điện áp đầu ra tăng 10mV với mỗi 1 độ C thay đổi và dải đo yêu cầu từ 0℃ đến 60 Nên đầu ra ADC sẽ là từ 0 đến 60 Vậy nên ta lựa chọn ADC ℃

0804 (8 bit) với đầu ra tối đa là: 28-1 = 255

a) Tổng quan về ADC 0804

ADC0804 là một thành phần CMOS đơn mạch với một bộ chuyển đổi analog-to-digital 8 bit, bộ chuyển mạch 8 kênh và logic điều khiển tương thích với vi xử lý Bộ chuyển đổi A/D 8 bit sử dụng phương pháp liên tiếp – xấp xỉ làm kỹ thuật chuyển đổi Bộ chuyển đổi

có một bộ so sánh ổn định với trở kháng cao, một mạch phân áp 256R với cây công tắc analog và một bộ đăng ký ước lượng tuần tự Bộ chuyển mạch 8 kênh có thể trực tiếp truy cập vào bất kỳ tín hiệu analog đơn kết thúc nào trong 8 tín hiệu

Phương pháp sấp xỉ liên tiếp hoạt động bằng cách xấp xỉ giá trị tín hiệu analog đầu vào bằng cách so sánh nó với một dãy giá trị thử (thường là dãy nhị phân) và xác định giá trị

số tương ứng.Việc so sánh diễn ra cho từng bit của số nhị phân

Cách thực hiện: Xác định điện áp vào có vượt điện áp chuẩn của bit già nhất hay không Nếu nhỏ hơn mang giá trị 0 và giữ nguyên giá trị, nếu vượt mang giá trị “1” và lấy điện áp vào trừ điện áp chuẩn tương ứng Phần dư được đem so sánh với bit trẻ lân cận và lại thực hiện như trên Tiếp tục tiến hành tới bit trẻ nhất Như vậy, trong số nhị phân có bao nhiêu bit thì có bấy nhiêu bước so sánh và điện áp chuẩn Tiến hành so sánh lần lượt với từng đơn vị của bit trẻ nhất Phương pháp này rất đơn giản nhưng mất nhiều thời gian

HÌnh 2.3 Nguyên lý phương pháp sấp xỉ liên tiếp

HÌnh 2.4 Nguyên lý của ADCThông số kĩ thuật của ADC 0804

+ Độ phân giải 8bit

+ Hoạt động với điện áp 2.4 V

+ Bộ tạo xung nhịp trên chip

+ Dải điện áp đầu vào tương tự từ 0 5V với nguồn cung cấp 5V duy nhất

-+ Th i gian chuyờ ển đổi 100 𝜇𝑠

Chức năng từng chân của ADC 0804

Hinh 2.5 Sơ đồ chân 0804

B ang 2.2 Chức năng chân ADC 0804

Tên chân Mô tả

CS

Chân này được sử dụng nếu sử

dụng nhiều hơn 1 module ADC

Chân này phải ở mức cao để bắt

đầu chuyển đổi dữ liệu

CLK IN

Đồng hồ bên ngoài có thể được kết

nối tại đây, RC khác có thể được sử

dụng để truy cập đồng hồ bên trong

INTR

(interrupt) Lên mức cao cho yêu cầu ngắt

Vin (+) Đầu vào analog vi sai + Kết nối

với đầu vào ADC

Vin (-) Đầu vào tương tự vi sai Kết nối

2.2.3 Lựa chọn vi điều khiển

Lựa chọn vi điều khiển 8051

a) Tổng quan về vi điều khiển 8051

Intel MCS-51 (được biết đến nhiều nhất với tên gọi 8051) là vi điều khiển đơn tinh thể kiến trúc Harvard, lần đầu tiên được sản xuất bởi Intel năm 1980, để dùng trong các hệ thống

nhúng

Kiến trúc cơ bản bên trong 8051 bao gồm các khối chức năng sau:

- CPU (Central Processing Unit): đơn vị điều khiển trung tâm

- Bộ nhớ chương trình ROM bao gồm 4 Kbyte

- Bộ nhớ dữ liệu RAM bao gồm 128 byte

- Bốn cổng xuất nhập

- Hai bộ định thời/bộ đếm 16 bit thực hiện chức năng định thời và đếm sự kiện

- Bộ giao diện nối tiếp (cổng nối tiếp) Khối điều khiển ngắt với hai nguồn ngắt ngoài -

- Bộ chia tần số

Sơ đồ chân và chức năng các chân của vi điều khiển 8051

- Chân 1 đến 8: được gọi là Cổng 1 (Port 1), Tám chân này có duy nhất 1 chức năng là xuất và nhập Cổng 1 có thể xuất và nhập theo bit hoặc byte Ta đánh tên cho mỗi chân của Port 1 là P1.X (X = 0 đến 7)

- Chân 9: là chân vào reset của 8051 Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao trong ít nhất

là 2 chu kỳ máy, các thanh ghi trong bộ vi điều khiển được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống Hay nói cách khác là vi điều khiển sẽ bị reset nếu chân này được kích hoạt mức cao

- Chân 10 đến 17: được gọi là Cổng 3 (Port 3) Tám chân này ngoài chức năng là xuất và nhập như các chân ở cổng 1 (chân 1 đến 8) thì mỗi chân này còn có chức năng riêng nữa,

cụ thể như sau:

B ang 2.3 Chức năng các chân P3 của 8051