Báo Cáo Đồ Án I Đề Tài Thiết Kế Mạch Đo Nhiệt Độ Từ 0℃ Đế ℃.Pdf

DANH MỤC HÌNH VẼHÌnh 1.1 Nhiệt kế kiểu đũa Hình 1.2 Cấu tạo của nhiệt kế giãn nở chất lỏng .3 Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu .4 Nguyên lý định luật Plăng .5 Cấu tạo quang hỏa kế .6 Cấu tạo bộ ph

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giáo viên hướng dẫn: ThS Lê Thị Thanh Hà

Nhóm sinh viên thực hiện:

Đo không tiếp xúc

Đo bằng hỏa quang kế

Phương hướng phát triển

Tài liệu tham khảo

DANH MỤC HÌNH VẼ

HÌnh 1.1 Nhiệt kế kiểu đũa

Hình 1.2 Cấu tạo của nhiệt kế giãn nở chất lỏng

.3 Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu

.4 Nguyên lý định luật Plăng

.5 Cấu tạo quang hỏa kế

.6 Cấu tạo bộ phận thu năng lượng bức xạ

.7 Sự phụ thuộc của nhiệt độ với bức sóng

.8 Cấu tạo của hỏa quang kế màu sắc

.9 Cấu tạo của cảm biến hồng ngoại

Sơ đồ khổi

Cảm biến LM35

Nguyên lý phương pháp sấp xỉ liên tiếp

Nguyên lý của ADC

Sơ đồ chân ADC 0804

Sơ đồ chân 8051

Sơ đồ chân LCD

Sơ đồ mô phỏng phần cứng

Sơ đồ mạch

Kết quả hiển thị trong dải đo

Kết quả hiển thị ngoài dải đo

DANH MỤC BẢNG

a Độ giãn nở của vật liệu

a Chức năng các chân P3 của 8051

a Chức năng các chân LCD

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 họ

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

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

Nhiệt kế kiểu đũa

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

a Độ giãn nở của vật liệu

Vật liệu Hệ số dãn nở dài α ( 1/độ )

÷

Thép không rỉHợp kim Inva ( 64% Fe & 36% N )

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

Nhiệt điện trở kim loại

Quan hệ giữa nhiệt độ và trở kháng:

𝑅 = 𝑅0(1 + 𝛼1𝑇 + 𝛼2𝑇2+ 𝛼3𝑇3+ ⋯ )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

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

Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu

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

𝑡1 𝑑𝑡Trong đó 𝛿 ệ ố ậ ệu thomson cho trướ

ệ t đi ệ ạ

ệ t đi ệ ạ

Đây là loạ ệ ẫu đượ ử ụ ổ ế ất vì giá thành tương đố ẻ Đồ ờ

ệ t đi ệ ạ

ại này có thang đo nhiệt độ ệt độ ối đa có thể ịu được lên đế

ệ t đi ệ ạ

ại này đượ ằ ạ ạ ới thang đo

ệ t đi ệ ạ

ệ t đi ệ ạ

Cảm biến bán dẫn

các lớp P N tuyến tính với nhiệt độ môi trường

Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản

Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền

Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử

Đo không tiếp xúc

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

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

guyên lý định luật Plăng

Cấu tạo của hỏa kế quang học

Cấu tạo quang hỏa kế

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

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 ( E Năng lượng ấy làm nóng cặp nhiệt và phát ra sức điện động nhiệt điện:

𝜎𝑇 với 𝜎𝑇là hệ số bức xạ tuyệt đốiCấu tạo của bộ phận thu năng lượng bức xạ

Cấu tạo bộ phận thu năng lượng bức xạ

Nguồn bức xạ 2 Thấu kính hội tụ 3 Gương phản xạ

Bộ phân thu năng lượng 5 Dụng cụ đo thứ cấp

Hỏa quang kế màu sắc

Nhiệt độ ánh sáng phụ thuộc vào bức sóng ánh sáng Bước sóng của

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

Sự phụ thuộc của nhiệt độ với bức sóng

Cấu tạo của hỏa quang kế màu sắc

A Đối tượng đo nhiệt độ Vật kính 2 Đĩa lọc xanh đỏ

Mô tơ Tế bào quang điện Khuếch đại

Tự động chỉnh hệ số khuếch đại

Lọc Khóa đổi nối

Cấu tạo

Cấu tạo của cảm biến hồng ngoại

Trong 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

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

Lựa chọn phương pháp đo

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

Lựa chọn cảm biến đo nhiệt độ

Với yêu cầu đo nhiệt dải đo từ 0 – ℃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

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 bả

a Chức năng chân LM

Chân số Chức năng

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

Chân lấy điện áp ra từ 1 đến 6 v ứng với

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

này thay đổi 10mV/

Chân nối đất

Cảm biến LM35

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

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: 2

Tổng quan về ADC 0804

ADC0804 là một thành phần CMOS đơn mạch với một bộ chuyển đổi analog

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 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

phương pháp sấp xỉ liên tiếp

Nguyên lý của ADC

Thông 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

Chức năng từng chân của ADC 0804

Sơ đồ chân ADC 0804

a Chức năng chân ADC

Mô tả

Chân này được sử dụng nếu sử

dụng nhiều hơn 1 module ADC

Theo mặc định là nối đất

phải được nối đất để đọc

giá trị analog

Chân này phải ở mức cao để bắt

đầu chuyển đổi dữ liệu

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

Lên mức cao cho yêu cầu ngắt

Đầu vào analog vi sai + Kết nối

với đầu vào ADC

Đầu vào tương tự vi sai Kết nối

Lựa chọn vi điều khiển

Lựa chọn vi điều khiển 8051

Tổng quan về vi điều khiển 8051

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

a Chức năng các c của

Chân 18 và 19 (XTAL1 & XTAL2) Hai chân này được sử dụng để nối với bộ dao động Chân 20: được nối vào chân 0V của nguồn cấp.

Chân 21 đến chân 28: được gọi là cổng 2 (Port 2) Tám chân của cổng 2 có 2 công dụng, ngoài chức năng là cổng xuất và nhập như cổng 1 thì cổng 2 này còn là byte cao của bus địa chỉ khi sử dụng bộ nhớ

Chân 29 (PSEN): Chân PSEN là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài, nó được nối với chân OE của ROM ngoài để cho phép đọc các byte mã lệnh trên ROM ngoài PSEN ở mức thấp trong thời gian đọc mã lệnh Khi thực hiện chương trình trong

ội thì PSEN được duy trì ở mức cao

Chân 30 (ALE): Chân ALE cho phép tách các đường dữ liệu và các đường địa chỉ tại Chân 31 (EA): Tín hiệu chân EA cho phép chọn bộ nhớ chương trình là bộ nhớ trong hay ngoài vi điều khiển Nếu chân EA được nối ở mức cao (nối nguồn Vcc), thì vi điều khiển thi hành chương trình trong ROM nội Nếu chân EA ở mức thấp (được nối GND) thì vi điều khiển thi hành chương trình từ bộ nhớ ngoài

Chân 32 đến 39: được gọi là cổng 0 (Port 0) Cổng 0 gồm 8 chân cũng có 2 công dụng, ngoài chức năng xuất nhập, cổng 0 còn là bus đa hợp dữ liệu và địa chỉ, chức năng này

sẽ được sử dụng khi 8051 giao tiếp với các biết bị ngoài có kiến trúc Bus như các vi mạch nhớ

Sơ đồ chân 8051

Lựa chọn màn

Tín hiệu tương tự sau khi qua vi xử lý sẽ được hiển thị lên màn hình để hiển thị nhiệt độ

đo được Ta lựa chọn màn hình LCD LM016L

Tổng quan về LCD LM016L

Thiết bị hiển thị LCD LM016LLiquid Crystal Display) có chức năng hiển thị 16 cột và 2 hàng ký tự được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK LCD LM016L có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác như: khả năng hiển thị kí tự đa dạng (chữ, số,

kí tự đồ họa); dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn rất ít tài nguyên hệ thống, giá thành rẻ,…

Thông số kĩ thuật cơ bản

a Chức năng các chân LCD

Chức năng

chân nối đất cho LCD được nối với

của mạch điều khiển

chân cấp nguồn cho LCD, được nối với

VCC=5V của mạch điều khiển

điều chỉnh độ tương phản của LCD

chân chọn thanh ghi, được nối với logic

"0" hoặc logic "1"

chân chọn chế độ đọc/ghi

Chân cho phép hoạt động

đến D7 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi

Nguồn dương cho đền nền

Nguồn âm cho đèn nền

Sơ đồ chân LCD

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM

Sơ đồ mô phỏng phần cứng

Sơ đồ mô phỏng phần cứng

Chương trình

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC TẾ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT

Sau khi cấp nguồn điện cho mạch (nguồn 5V, 1 chiều) , màn hình LCD sẽ hiển thị nhiệt độ

ở đầu đo cảm biến

Kết quả hiển thị trong dải đo

Khi nhiệt độ đầu đo lớn hơn nhiệt độ của dải đo, màn hình LCD sẽ hiển thị cảnh báo đến người dùng

Kết quả hiển thị ngoài dải đo

Tích hợp: Mạch sử dụng LM35 và vi điều khiển 89C51 có thể dễ dàng tích hợp vào các ứng dụng và hệ thống khác nhau như đo nhiệt độ trong công nghiệp, điều khiển nhiệt độ trong thiết bị điện tử, và các ứng dụng gia đình khác

Nhược điểm

Mạch chống nhiễu tương đối kém và gây ra sai số rất lớn trong quá trình đo

Giới hạn nhiệt độ: LM35 có giới hạn nhiệt độ hoạt động từ 55 độ C đến 150 độ C, vượt quá phạm vi này có thể làm hỏng cảm biến Vi điều khiển 89C51 cũng có giới hạn nhiệt

độ hoạt động, vượt quá giới hạn này có thể gây lỗi hoạt động của vi điều khiển

Cần nguồn điện: Mạch sử dụng LM35 và vi điều khiển 89C51 cần nguồn điện để hoạt động Điều này đòi hỏi nguồn cung cấp ổn định và phù hợp để đảm bảo chính xác của kết quả đo nhiệt độ