đo và điều khiển nhiệt độ môi trường

Đồ án tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU. Ngày nay, kỹ thuật vi xử lý đã có những bước nhảy vọt trong việc chế tạo vi mạch điện tử mà đặc trưng là vi mạch vi xử lý, đã tạo một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển của khoa học, những thành tựu trong kỹ thuật vi mạch, công nghệ thông tin, công nghệ chế tạo µC, µP đã mở ra một khả năng to lớn trong công nghiệp chế tạo máy tính, điều khiển các quá trình sản xuất, quản lý đời sống xã hội. Trong những năm gần đây việc phát triển công nghiệp hoá, hiện đại hoá là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu cho bất kỳ một quốc gia nào trong việc xây dựng và quản lý đất nước. Việc ứng dụng các thiết bị đo và hệ thống đo lường có sử dụng kỹ thuật vi điện tử, vi xử lý và máy tính ngày càng có hiệu quả, tạo ra các hệ thống thông minh nhờ cài đặt bộ vi xử lý µC, µP. Điều này cho phép các kỹ sư đo lường có trong tay một công cụ mạnh để thu thập dữ và xử lý thông tin, điều khiển tự động các quá trình sản xuất. Một hệ vi xử lý có quy mô ứng dụng rất lớn, vấn đề là phải dựa trên những yêu cầu cụ thể mà tổ chức phần cứng của hệ ở mức tối thiểu (Nhằm tăng tốc độ, giảm giá thành và tăng độ tin cậy) và xây dựng phần mềm điều khiển thật tối ưu nhằm tăng khả linh hoạt và mềm dẻo trong các phép xử lý, gia công và biến đổi tín hiệu mà hệ phải thực hiện. Do vậy, đối với kỹ sư đo lường, chúng ta nên tìm hiểu và áp dụng kỹ thuật vi xử lý một cách thành thạo. Chính vì điều đó em đã chọn đề tài “ Đo và điều khiển nhiệt độ môi trường “ để có điều kiện tìm hiểu sâu hơn về hệ vi xử lý (cụ thể là 89C51). Hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ làm những công việc sau: - Đọc mã phím từ bàn phím và kiểm tra xem phím nào được nhấn để thực hiện công việc tương ứng với phím đó. Đồ án tốt nghiệp - Ghi lại những thông về thời gian và nhiệt độ. - Cho phép hiện thị cả thời gian và nhiệt độ theo yêu cầu cụ thể. - Giao tiếp với máy tính. Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1.Phương pháp đo nhiệt độ. Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một đại lượng quan trọng do vai trò quyết định trong nhiều tính chất vật lý của vật chất. Một trong những đặc điểm quan trọng tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Đặc biệt là trong các ngành nhiệt, hoá, và nhất là ngành luyện kim. Đo nhiệt độ có thể dùng các đơn vị khác nhau, xuất phát từ các định luật nhiệt động học người ta xác định đơn vị nhiệt độ đặc trưng tổng quát cho mọi trường hợp. Các đơn vị nhiệt độ tuyệt đối được xác định tương tự nhau dựa trên tính chất của khí ký tưởng. - Thang đo nhiệt độ động học tuyệt đối: Đơn vị nhiệt độ là 0 K ( Nhiệt độ Kelvin ).Trong nhiệt độ Kelvin người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái nước - nước đá - hơi. Từ nhiệt độ tuyệt đối người ta xác định được các đơn vị nhiệt độ mới là nhiệt độ Celsious và nhiệt độ Fahrenheit bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ. - Thang đo nhiệt độ Celsious: Đơn vị nhiệt độ là 0 C. Một độ Celsious bằng một độ Kelvin. Quan hệ giữa nhiệt độ Kelvin và nhiệt độ Celsious được xác định bằng biểu thức: T ( 0 C) = T( 0 K) – 273,15 - Thang nhiệt độ Faherenhit: Đơn vị nhiệt độ là 0 F. Quan hệ với nhiệt độ Celsious và nhiệt độ Kelvin T( 0 C) = ( T( 0 F) – 32 ) . 9 5 Đồ án tốt nghiệp T( 0 F) = ( T( 0 C) + 32 ) . 5 9 Tuỳ theo nhiệt độ cần đo người ta có thể dùng các phưong pháp khác nhau. Thông thường nhiệt độ đo được chia ra làm ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình, nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ nhiệt độ trung bình và thấp phưong pháp đo là phưong pháp tiếp xúc nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp trong môi trường đo. Đối với nhiệt độ cao đo bằng phưong pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ngoài môi trường đo . 1.1.1.Đo nhiệt độ bằng phưong pháp tiếp xúc . Phưong pháp đo thường gặp trong công nghiệp là nhiệt kế tiếp xúc. Có hai loại: Nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu. Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng nh cách lắp ghép của chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo. Đối với môi trường nước hoặc không khí, chuyển đổi được đặt theo ngược với dòng chảy. Với vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ từ vật sang chuyển đổi và dễ gây tổn hao nhiệt, nhất là đối với vật dẫn nhiệt kém. Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt. Khi đo nhiệt độ của các hạt (cát , đất …) cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường đo và thường dùng nhiệt kế điện trở có cáp nối ra ngoài. a . Nhiệt kế điện trở . Nhiệt kế nhiệt điện trở là chuyển đổi có điện trở thay đổi theo sù thay đổi của nó. Tuỳ theo tác động nhiệt của dòng điện cung cấp chay qua chuyển đổi mà người ta chia thành: Nhiệt điện trở đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng. Đồ án tốt nghiệp Trong nhiệt điện trở đốt nóng, dòng điện chạy qua rất lớn làm nhiệt độ của nó tăng lên cao hơn nhiệt độ của môi trường, nên có sự toả nhiệt ra môi trường xung quanh. Nhiệt điện trở loại này được dùng để đo lưu lượng của dòng chảy, phân tích các chất hoá học …. Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể được chế tạo bằng dây Platin, đồng, niken, bán dẫn … quấn trên một lõi cách điện đặt trong vỏ bằng kim loại có đầu nối ra ngoài. Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể dùng mạch đo bất kỳ để đo điện trở nhưng thông thường dùng mạch cầu không cân bằng. Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo là: Có hệ số nhiệt độ lớn, bền hoá học khi có tác dụng của môi trường, điện trở suất lớn, khó nóng chảy để giảm tổn hao nhiệt. Trong nhiệt điện trở không đốt nóng, dòng điện chạy qua rất nhỏ không làm tăng nhiệt độ của điện trở và nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ môi trường. Nhiệt điện trở loại này dùng để do nhiệt độ và các đại lượng cơ học nh đo di chuyển. a1. Điện trở kim loại Các loại điện trở kim loại Dựa vào dải nhiệt độ cần đo và các tính chất đặc biệt khác người ta thường chế tạo nhiệt điện trở bằng dây Pt, Ni đôi khi dùng cả Cu, W. Đường kính dây từ 0.02 ÷ 0.06 mm với chiều dài từ 5 ÷ 20 mm. - Nhiệt điện trở Platin (Pt). Platin có thể được chế tạo với độ tinh khiết rất cao ( 99.999% ), điều này cho phép tăng độ chính xác của các tính chất vật lý của vật liệu. Ngoài ra tính trơ về mặt hoá học và sự ổn định trong cấu trúc tinh thể Platin đảm bảo sự ổn định của các đặc tính dẫn điện của điện trở chế tạo từ vật liệu này. Các điện trở làm bằng Platin hoạt động tốt trong một dải nhiệt độ từ -200 0 C ÷ 1000 0 C. Phương trình đặc trưng của chuyển đổi có thể được viết đưới dạng sau: R T = R 0 ( 1 + At + Bt 2 ) ở 0 0 C ÷ 660 0 C R T = R 0 ( 1 + At + Bt 2 + C(1 – t) 3 ) ở 0 0 C ÷ 660 0 C Đồ án tốt nghiệp Trong đó : R 0 là điện trở ở 0 0 C. A, B, C là các hằng số. Đặc tính của nó phi tuyến, với nhiệt độ nhỏ hơn -180 0 C và lớn hơn 660 0 C quan hệ giữa R T = f(t) được cho dưới dạng bảng. Nhược điểm của chuyển đổi nhiệt điện trở Platin là đặc tính phi tuyến, không dùng được trong môi trường ôxi hoá khử nhưng do độ bền hoá học cao hoặc tính dẻo lớn có thể chế tạo thành sợi rất mỏng (đến 1.25 µm) nên được sử dụng rộng rãi. - Nhiệt điện trở Niken (Ni). Niken có độ nhạy nhiệt độ cao hơn nhiều so với Platin và có điện trở suất cho phép chế tạo được các chuyển đổi có kích thước nhỏ. Điện trở của Niken ở 100 0 C lớn gấp 1.617 lần so với giá trị ở 0 0 C, đối với Platin sự chênh lệch giữa hai nhiệt độ này là 1.385. Tính chất dẫn điện của Niken phụ thuộc nhiều vào tạp chất và quá trình nhiệt luyện. Niken là chất có tính chất hoá học cao, nó dễ bị ôxi hoá khi nhiệt độ làm việc tăng. Điều này làm giảm tính ổn định và hạn chế dãi nhiệt độ làm việc của điện trở. Thông thường các nhiệt điện trở chế tạo từ Niken làm việc ở nhiệt độ thấp hơn 250 0 C, ở nhiệt độ cao hơn R T = f(t) không đơn trị. - Nhiệt điện trở đồng (Cu). Đồng được sử dụng trong một số trường hợp vì sự thay đổi nhiệt độ của các nhiệt điện trở được chế tạo bằng đồng có độ tuyến tính cao. Tuy nhiên do hoạt tính hoá học của đồng quá lớn nên các nhiệt điện trở loại này chỉ sử dụng ở dải nhiệt độ từ -50 ÷ 180 0 C. Ngoài ra điện trở suất của đồng nhỏ nên muốn điện trở cao phải tăng chiều dài của dây tức là giảm kích thước của chuyển đổi. Phương trình đặc trưng: R T = R 0 ( 1 + αt) Đồ án tốt nghiệp Trong đó : α là hệ số nhiệt độ . α = 4,3.10 -3 / 0 C trong khoảng 0÷100 0 C. t là nhiệt độ. R 0 là điện trở của chuyển đổi ở 0 0 C. Nếu biết giá trị của R 0 có thể dùng biểu thức: R T2 = R T1 (τ + t 2 ) (τ + t 1 ) Trong đó: R T1 , R T2 là điện trở ứng với nhiệt độ t 1 , t 2 . τ = α 1 là hằng số phụ thuộc vào vật liệu, với Cu thì τ = 234. Khi tính điện trở R 2 ở nhiệt độ t 2 chỉ cần biết điện trở R 1 ở nhiệt độ t 1 bất kỳ. - Nhiệt điện trở Wonfram (W). Wonfram có độ nhạy cao hơn so với Platin khi nhiệt độ dưới 100 0 K và nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao với độ tuyến tính tốt hơn. Từ Wonfram có thể được chế tạo được các sợi rất mảnh để làm các điện trở có trị số cao hoặc tối thiểu hoá kích thước của các chuyển đổi. Tuy nhiên ứng suất của Wonfram có độ ổn định nhỏ hơn so các nhiệt điện trở của Platin . Chế tạo nhiệt kế. Một cách tổng quát sự thay đổi theo nhiệt độ của điện trở là: ∆R = Rα R ∆T sẽ gây nên một tổn hao: V m = ∆R.i Trong đó i là dồng điện chạy qua một điện trở. Thông thường dòng điện i thường được giới hạn ở mức độ vài mA để tránh gây ra nóng đầu dây đo. Để có độ nhạy cao thì phải sử dụng điện trở tương đối lớn, muốn vậy: - Giảm tiết diện dây, việc này bị hạn chế vì giảm tiết diện dây làm cho dây dễ đứt . - Tăng chiều dài dây, việc này cũng bị hạn chế do tăng chiều dài dây làm tăng kích thước chuyển đổi . Đồ án tốt nghiệp Giải pháp thường dùng là Ên định giá trị R = 100 Ω ở 0 0 C. Khi đó nếu dùng Platin đường kính dây khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ nhận được nhiệt kế cỡ 1cm. Trên thực tế các sản phẩm thương mại có điện trở ở 0 0 C là 50, 500, 1000 Ω. Các điện trở có trị số lớn thường được sử dụng để đo các dải đo nhiệt độ thấp, ở đó chúng cho phép đo với độ nhạy tương đối tốt. Khi chọn vật liệu chế tạo nhiệt kế cần chú ý đến hệ số giản nở của các vật liệu cấu thành để tránh gây ra ứng suất trong quá trình làm việc. Độ kín của các vỏ bọc cần được đảm bảo một cách tuyệt đối, ngoài ra vật liệu bọc dây điện trở phải có độ cách điện tốt và tránh mọi hiện tượng điện phân có thể làm hỏng kim loại. a2. Nhiệt điện trở bán dẫn. Một đặc tính quan trọng của loại điện trở này là có độ nhạy nhiệt cao, khoảng 10 lần so với độ nhạy nhiệt của điện trở kim loại. Ngoài ra hệ số nhiệt độ của chúng có giá trị âm và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ. Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo từ hỗn hợp các oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO , MgAl 2 O 4 , Mn 2 O 3 , Fe 3 O 4 . Để chế tạo nhiệt điện trở, các oxit được trộn với nhau theo một tỉ lệ thích hợp, sau đó chúng được nén định dạng. Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt bán dẫn đã phủ bằng một lớp kim loại. Các nhiệt điện trở được chế tạo với hình dạng khác nhau (đĩa, trụ, vòng…) và các phần tử nhạy cảm có thể được bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần. Các vật liệu thường được sử dụng có điện trở suất cao cho phép chế tạo những điện trở có giá trị thích hợp với một lượng vật chất nhỏ và kích thước tối thiểu (mm). Kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ ở từng điểm, đồng thời do nhiệt dung nhỏ nên tốc độ hồi đáp lớn. Độ ổn định của một nhiệt điện trở phụ thuộc vào việc chế tạo nó và điều kiện sử dụng nó. Vỏ bọc của nhiệt điện trở sẽ bảo vệ nó không bị phá huỷ hoá Đồ án tốt nghiệp học và tăng độ ổn định khi làm việc. Trong quá trình sử dụng nhiệt điện trở cần tránh những thăng giáng nhiệt độ đột ngột vì điều này có thể dẫn đến rạn nứt vật liệu. Phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở dải nhiệt độ có thể thay đổi từ một vài độ tuyệt đối đến khoảng 300 0 C. Có thể mở rộng dải nhiệt độ này nhưng khi đó trị số của điện trở sẽ gia tăng đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ cao . Quan hệ điện trở – nhiệt độ. Biểu thức phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ có thể được viết như sau: )exp()()( 2 0 0 TT T RTR β = Trong đó : β là hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn. R 0 là điện trở tuyệt đối ở nhiệt độ T 0 . Có thể biểu diễn độ nhạy nh sau: 2 T bT K + = β α ảnh hưởng của hàm mũ đến điện trở chiếm ưu thế hơn nên điện trở được viết dưới dạng: )exp()( 0 T RTR β = và bá qua sự phụ thuộc của β vào nhiệt độ. Trong trường hợp này độ nhạy được tính nh sau: 2 T R β α −= Giá trị của β nằm trong khoảng 3000 ÷ 5000K. Độ nhạy của nhiệt điện trở cho phép ứng dụng chúng để phát hiện các biến thiên rất nhỏ của nhiệt độ (10 -4 ÷ 10 4 ). Các nhiệt điện trở có thể được sử dụng trong khoảng nhiệt độ từ vài 0 K đến 300 0 K. Để đo nhiệt độ ngoài phạm vi này, cần phải chọn vật liệu đặc biệt, ví dụ Cacbua Silic, và có biện pháp bảo vệ hữu Đồ án tốt nghiệp hiệu các nhiệt điện trở có giá trị nhỏ hơn 25 0 C (khoảng 50Ω hoặc 1000Ω). Việc lựa chọn giá trị xác định của điện trở phụ thuộc vào điện trở của thiết bị đo. - Nhiệt điện trở Silic. Đây là một điện trở bán dẫn có những đặc điểm sau: Hệ số nhiệt độ của điện trở suất có giá trị cỡ 0,7%/ 0 C ở 25 0 C. Sù thay đổi của nó tương đối nhỏ nên có thể tuyến tính hoá đặc tính của cảm biến trong vùng nhiệt độ làm việc bằng cách mắc thêm một điện trở phụ, song song hay nối tiếp phụ thuộc vào mạch đo . Các điện trở Silic được chế tạo bằng công nghệ khuyếch tán tạp chất vào đơn tinh thể Silic. Sù thay đổi nhiệt của điện trở suất của Silic phụ thuộc vào nồng độ pha tạp chất và nhiệt độ . Với nhiệt độ nhỏ hơn 120 0 C (dải nhiệt độ làm việc của Silic) thì điện trở suất tăng khi nhiệt độ tăng do độ linh động tải giảm mà nồng độ thực tế không đổi. Hệ số nhiệt độ của điện trở càng nhỏ khi pha tạp chất càng mạnh. b . Cặp nhiệt ngẫu Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt ngẫu Nếu hai dây dẫn nối với nhau tại hai điểm 1 và 2, mét trong hai điểm đó được đốt nóng thì trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện dây bởi suất điện động gọi là suất điện động nhiệt điện, là hiệu số các hàm nhiệt độ của hai điểm nối đó. E T = f(t 1 ) – f(t 2 ) Mạch điện như vậy gọi là cặp nhiệt ngẫu. Điểm được đốt nóng gọi là đầu công tác, điểm còn lại gọi là đầu tự do là hằng số f(t 2 ) = const. Như thế: E T = f(t 1 ) – C Biểu thức trên là cơ sở cho phép đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu nhiệt. [...]... vi phn iu khin chớnh khụng b xung t ln nhau, cỏc b phn hot ng nhp nhng vi nhau CHONG 2 S KHI - MCH NGUYấN Lí NGUYấN Lí HOT NG 2.1.S khi Mạch đo nhiệt độ Bàn phím RTC1288 7 Hiển thị LCD ADC0809 Khối vi điều khiển 89C52 Hiển thị LED Mạch điều khiển nhiệt độ RS232 Máy tính ỏn tt nghip 2.2 S mch nguyờn lý.v nguyờn lý hot ng u tiờn khi cú ngun cung cp thỡ vi iu khin hot ng v c s liu thu v thi gian... khi qua mch lp a vo kờnh 0 ca ADC0809 Tớn hiu xung Clock 500Khz cho ADC c to t mch dao ng thch anh Chõn Refferen ỏn tt nghip + (16) ca ADC c ni vi in ỏp +5V tng ng vi 256 mc Tớn hiu s D0 ữ D7 t ADC s vào Port 0 ca 89C52 Vi iu khin 89C52 s c d liu t Port 0 vo, ADC c iu khin bng 2 bit P1.0 v P1.1 ADC mt khong 100 às bin i Ngoi ra ADC bin i cũn phi cú mt xung Start, xung ny phỏt ra t cng P1.0 ca vi . tính được nhiệt độ môi trường. Nếu nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu trong thời gian nhóng trong môi trường đo đạt được vào khoảng nửa nhiệt độ môi trường cần đo thì nhiệt độ này có sai. theo nhiệt độ cần đo người ta có thể dùng các phưong pháp khác nhau. Thông thường nhiệt độ đo được chia ra làm ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình, nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ nhiệt độ trung. Celsious và nhiệt độ Fahrenheit bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ. - Thang đo nhiệt độ Celsious: Đơn vị nhiệt độ là 0 C. Một độ Celsious bằng một độ Kelvin. Quan hệ giữa nhiệt độ Kelvin và