đồ án đo nhiệt độ PT100 (1) (2)

đồ án về đo nhiệt độ dùng PT 100, dùng led để hiển thị, chạy trên phần mềm protues.đây là đồ án môn vi mach số . đồ án nói về các cảm biến nhiệt độ, các Ic , mô phỏng và chạy trên phần mềm protues, có thế chỉnh sửa nhiệt độ dựa vào pt 100

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ HIỂN THỊ SỐ TỪ 00 ĐẾN 99 0 C VỚI CẢM BIẾN Pt 100 (SAI SỐ 1 0 C)

Họ và tên thành viên nhóm I lớp Tự Động Hóa 1 _ k6:

1 0641240007 Nguyễn Tuấn Anh

• Sơ đồ khối của toàn bộ hệ thống:

1. Khối cảm biến nhiệt độ

2. Khối khuếch đại thuật toán

3. Khối biến đổi ADC

4. Khối giải mã nhị phân BCD

5. Khối giải mã led 7 thanh

6. Khối hiển thị

• Thiết kế chương trình mô phỏng

• Kết luận.

LỜI NÓI ĐẦU

Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường xuyên gặp trong đời sốnghàng ngày cũng như trong kỹ thuật và công nghiệp việc đo nhiệt độchính vì thế là một yêu cầu thiết thực hiện nay cảm biến đo nhiệt độ là

cảm biến được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp cũng như trongdân dụng.

Đồ án môn học này nghiên cứu về phương pháp đo nhiệt độ hiển

thị số từ 00 đến 99 0 C bằng cảm biến nhiệt độ PT100.

Sơ đồ khối của hệ thống

• KHỐI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Khối giải

mã nhị phân sang BCD

Khối khuếch đại

Khối biến đổi ADC

Khối cảm

biến nhiệt

độ

- Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ).

- Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector )

- Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,

…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo

- Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định

- Ưu điểm: độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều

dài dây không hạn chế.

- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn Cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn Cặp nhiệt điện

- Dải đo: -200~400oC

- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất…

Hiện nay phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ

Platinum Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dảinhiệt đo được dài Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm (khi ở

0 oC) Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao

- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây Loại 4 dây cho kết quả đo chính xác nhất

• Cảm biến đo nhiệt độ PT100

Cảm biến nhiệt độ PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại ( RTD) PT100 được cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở 0oC là 100 Ohm Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định

Hình 2: bảng giá trị điện trở của PT100

-Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT100:

1. Các thông số cơ bản và nguyên tắc hoạt động

a. Các thông số cơ bản :

Dây cảm biến nhiệt PT100 bao gồm một đầu dò ống trụ có đường kính4mm và chiều dài ống trụ là 30mm ,2 dây đầu ra có chiều dài 1m

Hình 3: hình dạng PT100

Dải nhiệt độ đo được là từ -200ºC đến 500ºC

b.Sơ đồ cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ

Hình 4: cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ PT100

Điện trở của ống trụ RPT100 = RPT + R3 + R2

L2,L3 được nối với 2 dây đầu ra

• Nguyên tắc hoạt động

Khi có sự thay đổi nhiệt độ trên đầu dò thì dẫn đến sự thay đổi điện trở của ống trụ Mỗi giá trị nhiệt độ khác nhau tương ứng với mỗi giá trị điện trở khác nhau.Ở 10 ºC thì đo được giá trị điện trở RPT100 =107,6

Ω Khi tăng 1ºC thì RPT tăng sấp xỉ 0,4Ω

• Cầu đo điện trở:

1.Ký hiệu và định nghĩa: KĐTT được dùng để khuếch đại điện áp,

dòng điện hay công suất, để thiết kế các mạch điện tử chức năng Một

KĐTT được ký hiệu như trên sơ đồ hình 6

Hình 6: Ký hiệu đại thuật toán

• Hai ngõ vào( ngõ vào đảo có điện áp Vi-, ngõ vào không đảo có điện áp Vi+)

• Vùng khuếch đại: V0 = Avo ΔVi nằm trong khoảng ±Vs

• Vùng bão hòa dương: V0 = +Vcc, ΔVi > Vs

• Vùng bão hòa dương: V0 = -Vcc, ΔVi < Vs

• ±Vs là các mức ngưỡng của điện áp vào

2 Các mạch khuếch đại cơ bản:

a) MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẢO:

Hình 8:Khuếch đại đảo với KĐTT

Hệ số khuếch đại: KU=

b) MẠCH KHUẾCH ĐẠI KHÔNG ĐẢO:

Hình 9:Khuếch đại không đảo với KĐTT

Hệ số khuếch đại: KU=

c) MẠCH CỘNG

cộng đảo:

V0 1 1 i

Hình 13: mạch tích phân

điện áp ra:

f) MẠCH VI PHÂN

dT

dV RC

Hình 14:mạch vi phân

điện áp ra:

• MẠCH ĐO SỬ DỤNG :

Hình 15: mạch đo và khối khuếch đại

Ta sử dụng mạch trừ với hệ số khuếch đại :

V0=(V2-V1)

RV1 dùng để điều chỉnh cho vôn kế chỉ 0V PT100 ở 00C

• KHỐI BIẾN ĐỔI ADC

Chíp ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số trong họ các loạt ADC800,

nó làm việc với +5V và có độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thờigian chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ

ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân TrongADC0804 thời gian chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồđược cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưng không thể nhanh hơn110μs Các chân của ADC0804 được mô tả như sau:

Hình 15: Sơ đồ các chân ADC0804 2.2 Chức năng các chân ADC0804:

- Chân CS (chân số 1) – chọn chíp: Là một đầu vào tích cực mức thấp

được sử dụng để kích hoạt chíp ADC0804 Để truy cập ADC0804 thìchân này phải ở mức thấp

-Chân RD (chân số 2): Đây là một tín hiệu đầu vào được tích cực mức

thấp Các bộ ADC chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân tươngđương với nó và giữ nó trong một thanh ghi trong RD được sử dụng để

nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra của ADC0804 Khi 0CS = nếumột xung cao – xuống – thấp được áp đến chân RD thì đầu ra số 8 bitđược hiển diện ở các chân dữ liệu D0 – D7 Chân RD cũng được coinhư cho phép đầu ra.

- Chân ghi WR (chân số 3) Thực ra tên chính xác là “Bắt đầu chuyển

đổi”): Đây là chân đầu vào tích cực mức thấp được dùng để báo choADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xungcao – xuống – thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vàotương tự Vin về số nhị phấn 8 bit Lượng thời gian cần thiết để chuyểnđổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN và CLK R Khiviệc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thì chân INTR được ép xuốngthấp bởi ADC0804

Hình 16: Sơ đồ khảo sát ADC0804

- Chân CLK IN (chân số 4) và CLK R (chân số 19): Chân CLK IN là

một chân đầu vào được nối tới một nguồn đồng hồ ngoài khi đồng hồngoài được sử dụng để tạo ra thời gian Tuy nhiên ADC0804 cũng cómột máy tạo xung đồng hồ Để sử dụng máy tạo xung đồng hồ trong củaADC0804 thì các chân CLK IN và CLK R được nối tới một tụ điện vàmột điện trở (hình 1.4) Trong trường hợp này tần số đồng hồ được xácđịnh bằng biểu thức:

f=

Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C = 150pF và tần

số nhận được là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là 110sμ

- Chân ngắt INTR (chân số 5): Đây là chân đầu ra tích cực mức thấp.

Bình thường nó ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nóxuống thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu được chuyển đổi sẵn sàng đểlấy đi Sau khi INTR xuống thấp, ta đặt CS = 0 và gửi một xung caoxuống – thấp tới chân RD lấy dữ liệu ra của ADC0804

- Chân Vin (+) và Vin (-):

Đây là các đầu vào tương tự vi sai mà Vin = Vin(+) – Vin(-) Thôngthường Vin(-) được nối xuống đất và Vin (+) được dùng như đầu vàotương tự chuyển đổi về dạng số

-Chân VCC (chân số 20): Đây là chân nguồn nối +5V, nó cũng được

dùng như điện áp tham chiếu khi đầu vào /2REFV (chân số 9) để hở

- Chân /2REFV (chân số 9): Là một điện áp đầu vào được dùng cho

điện áp tham chiếu Nếu chân này hở (không được nối) thì điện áp đầu

vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dãy 05V→(giống như chânVCC) Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vincần phải khác ngoài dãy 0→5V Chân /2REFV được dùng để thực thicác điện áp đầu vào khác ngoài dãy 0→5V Ví dụ: Nếu dãy đầu vàotương tự cần phải là 0 →4V thì /2REFV được nối với +2V

- Các chân dữ liệu D0 – D7 (Từ chân 11 đến chân 18): Các chân dữ

liệu D0 – D7 (D7 là các bit cao nhất MSB và D0 là bit thấp LSB) là cácchân đầu ra dữ liệu số Đây là những chân được đệm ba trạng thái và dữliệu được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD bịđưa xuống thấp Để tính điện áp đầu ra ta có thể sử dụng công thức sau:

Dout=

Với Dout là đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân) Vin là điện áp đầu vàotương tự và độ phân dãy là sự thay đổi nhỏ nhất được tính như là(2x/2REFV) chia cho 256 đối với ADC 8 bit

- Chân GND (chân số 10): Đây là những chân đầu vào cấp đất chung

cho cả tín hiệu số và tương tự Đất tương tự được nối tới đất của chânVin tương tự, còn đất số được nối tới đất của chân VCC Lý do mà taphải có hai đất là để cách ly tín hiệu tương tự Vin từ các điện áp ký sinhtạo ra việc chuyển mạch số được chính xác Trong phần trình bày thì cácchân được nối chung với một đất Tuy nhiên, trong thực tế thu đo dữ liệucác chân đất này được nối tách biệt

*Từ những điều trên ta kết luận rằng các bước cần phải thực hiện khi chuyển đổi dữ liệu bởi ADC0804 là:

-Bật CS = 0 và gửi một xung thấp lên cao tới chân WR để bắt đầu

-Sau khi chân INTR xuống thấp, ta bật CS = 0 và gửi một xung caoxuống thấp đến chân RD để lấy dữ liệu ra khỏi chip ADC0804.

Hình 17:khối giải mã nhị phân sang BCD

đầu vào 8 bit nhị phân Ta sử dụng IC74LS83 và các cổng logic để thựchiện bài toán trên

74LS83 là IC cộng 2 số 4 bit nhị phân.

Hình 18:Sơ đồ chân IC74LS83.

-A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4 : các chân đầu vào của 2 số nhị phân A, B

- S1,S2,S3,S4: đầu ra nhị phân

-C4 số nhớ của phép cộng

CO: số nhớ ban đầu

Hình 19: mạch logic của 74LS83.

Quá trình biến đổi nhị phân sang BCD

Đầu tiên ta chuyển số nhị phân 4 bit thành số BCD: hai số BCD có giátrị từ 010 đến 910 khi cộng lại cho kết quả từ 010 đến 1810 , để đọc được kếtquả dạng BCD ta phải hiệu chỉnh kết quả có được từ mạch cộng nhịphân

Hình 20: kết quả tương đương giữa 3 loại mã.

Nhận thấy:

- Khi kết quả <10 mã nhị phân và BCD hoàn toàn giống nhau

- Khi kết quả >= 10 để có mã BCD ta phải cộng thêm 6 cho mãnhị phân

Để giải quyết vấn đề hiệu chỉnh này trước tiên ta sẽ thực hiện một mạchphát hiện kết quả trung gian của mạch cộng 2 số nhị phân 4 bit.mạch nàynhận kết quả trung gian của phép cộng 2 số nhị phân 4 bit và cho ở ngõ

ra Y=1 khi kết qủa này >= 10,ngược lại,Y=0

Hình 32: sơ đồ cộng 2 số 4 bít Cách hoạt động:

• IC thứ nhất cho kết quả trung gian của phép cộng hai số nhị phân

• IC thứ hai dùng hiệu chỉnh để có kết quả là số BCD

- Khi kết quả <10,IC2 nhận ở ngõ vào A số 0000 (do Y=0) nên kếtquả không thay đổi

- Khi kết quả trung gian >=10,IC 2 nhận ỡ ngõ vào A số 0110 (doY=1) và kết quả được hiệu chỉnh như đã nói trên

• Ở bít thứ 5 ( giá trị thập phân tương ứng là 16 ) Vì vậy, ta sẽ cộng

6 vào khối mạch hiển thị đơn vị, và cộng 1 vào khối hiển thị hàngchục

• Ở bít thứ 6 ( giá trị thập phân tương ứng là 32 ) Vì vậy, ta sẽ cộng

2 vào khối mạch hiển thị đơn vị, và cộng 3 vào khối hiển thị hàngchục

• Ở bít thứ 7 ( giá trị thập phân tương ứng là 64 ) Vì vậy, ta sẽ cộng

4 vào khối mạch hiển thị đơn vị, và cộng 6 vào khối hiển thị hàngchục Lúc này cĩ thể xuất hiện bit tràn ở hàng chục nên ta sẽ đưavào khối hiển thị hàng trăm

• Ở bít thứ 8 ( giá trị thập phân tương ứng là 128 ) Vì vậy, ta sẽcộng 8 vào khối mạch hiển thị đơn vị, cộng 2 vào khối hiển thịhàng chục (nếu cĩ bit tràn thì cộng vào khối hiển thị hàng trăm) vàcộng 1 vào khối hiển thị hàng trăm

• KHỐI GIẢI MÃ BCD SANG LED 7 THANH (IC4511)

IC4511 là IC đóng gói dạng DIP 16, IC4511 có chức năng lànhận tín hiệu với hệ số BCD từ các ngõ vào là D1, D2, D3, D4 đểøthực hiện giải mã sang hệ số thập phân ở ngõ ra là Qa, Qb, Qc, Qd,

Qe, Qf, Qg điều khiển led 7 đoạn hiển thị số thập phân

-Chân 4 BI có chức năng kiểm tra mạch, tích cực mức thấp, khi nốimass thì các ngõ ra từ Qa đến Qg có mức áp là 0v, led 7 đoạn khôngsáng

-Các chân 7, 1, 2, 6 tương ứng với các ngõ vào của tín hiệu BCD làD1, D2, D3, D4 để thực hiện việc giải mã từ hệ số BCD sang hệ sốthập phân.

-Các chân 13, 12, 11, 10, 9, 15, 14 tương ứng các ngõ ra là Qa đến Qg,các ngõ ra này cấp cho các chân a, b, c, d, e, f, g của led 7 đoạn loạicatod chung hiển thị số thập phân.

-Chân 8 GND nối mass

-Chân 16 Vcc nối nguồn dương

° Nguyên lý hoạt động của IC 4511: chưcù năng của IC 4511 là

nhận tín hiệu thuộc hệ số BCD từ các chân ngõ vào D1, D2, D3, D4sau đó thực hiện giải mã và điều khiển led 7 đoạn thực hiện hiển thịsố thập phân

Hình 34: sơ đồ khối logic của 4511

• KHỐI HIỂN THỊ(LED 7 THANH)

Trước hết hãy xem qua cấu trúc và loại đèn led 7 đoạn của một số đènđược cấu tạo bởi 7 đoạn led có chung anode (AC) hay cathode (KC);được sắp xếp hình số 8 vuông (như hình trên) ngoài ra còn có 1 led conđược đặt làm dấu phẩy thập phân cho số hiện thị; nó được điều khiểnriêng biệt không qua mạch giải mã Các chân ra của led được sắp xếp

thành 2 hàng chân ở giữa mỗi hàng chân là A chung hay K chung.

Hình 35: sơ đồ cấu tạo và hình dạng led 7 thanh.

Cấp nguồn cho chân nào thì đoạn tương ứng với chân đó sáng

Ví dụ như hình trên nếu đưa chân 0 lên mức logic 1 thì đoạn 0 sẽ sáng.Nếu cấp cho chân 5 và chân 4 thì đoạn 5 và 4 sáng tạo thành số 1.

Tương tự nếu hiển thị số 2 thì mức logic tương ứng của chân abcdefg là1101101

Chân 6- Điện áp ngưỡng Chân7- Xả điện (Cửa ra phụ)

Hình 36: mạch tạo xung

Các thông số xung với phần trên ta có:

Thời gian nạp ( có xung ra): tn=0,69 �n, hay tn = 0,69(RA+ RB)CThời gian xả điện ( không có xung ra): tx=0,69 �x , hay tx =

0,69RBC

Hình 37: thiết kế mạch đoKẾT LUẬN

Đề tài chúng em tìm hiểu còn khá nhiều hạn chế chỉ dừng lại ởmức độ mô hình nghiên cứu và chưa có điều kiện khai thác cấu tạo thực

tế của mạch đo Nhóm chúng em hy vọng một ngày nào đó sẽ có điềukiện tìm hiểu cụ thể hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn