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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BỘ MÔN KTĐ & THCN - o0o ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ HIỂN THỊ MÁY TÍNH Giáo viên hướng dẫn: Th.S LÊ THỊ THANH HÀ Sinh viên thực hiện: NGUYỄN MINH THƢ NGUYỄN VĂN QUYẾT KTĐ&THCN – K3 Líp: HÀ NỘI - 04/2008 Bé giáo dục đào tạo Trường ĐHBK Hà Nội ……………… Cộng hoà xã hội chủ nghỉa Việt Nam Độc lập tự hạnh ………………… NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ tên: Nguyễn Minh Thư Nguyễn Văn Quyết Khoá : K3 Khoa : Điện Đề tài thiết kế: Ngiên cứu phương 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 sè cho phép thiết bị 1,5% Mục đích yêu cầu toán: Ngiên cứu phương pháp đo nhiệt độ Phân tích đề tài, chọn phán thiết kế Thiết kế phần cứng tổng thể Ngiên cứu chi tiết linh kiên sử dụng thiết kế Tính sai số mạch thiết kế Các vẽ: Sơ đồ khối chức Sơ đồ mạch đo Giáo viên hớng dẫn: Thạc sĩ : Lê Thị Thanh Hà Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế: CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên) CÁN BỘ HỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) SINH VIÊN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN (Ký, ghi rõ họ tên) Mục lục Chương : Các phương 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 lược phương pháp đo nhiệt độ…………… 1.2 Đo nhiệt độ phương 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 độ cặp nhiệt ngẫu…………………… 1.2.3 IC cảm biến nhiệt độ……………………………… 1.2.3.1 LM335……………………………………… 1.2.3.2 ADC22100…………………………………… 1.3 Đo nhiệt độ phương pháp không tiếp xúc………… 1.3.1 Hoả quang kế phát xạ……………………………… 1.3.2 Hoả quang kế cường độ sáng……………………… 1.3.3 Hoả quang kế màu sác……………………………… Chương : 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 Lưu đồ thuật toán chương 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……………… Chương : Linh kiện sử dụng thiết kế ………………… 3.1 Bộ biến đổi 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……………………………………………… 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 chương trình……………………………… 3.3 Cổng truyền thông RS 232………………………………… 3.3.1 Về chuẩn RS 232……………………………………… 3.3.2 Cổng nối tiếp RS 232…………………………………… 3.3.3 Các yêu cầu chuẩn RS 232 víi phần tạo dạng phát… 3.4 Giới thiệu máy tính PC…………………………………… 3.4.1 Giới thiệu chung máy tính…………………………… 3.4.2 Các cổng vào máy tính………………………… 3.4.3 Cổng nối tiếp…………………………………………… Chương : Đánh giá sai sè chung…………………………… 4.1 Sai số senser……………………………………… 4.2 Sai số khuếch đại…………………………… 4.3 Sai số ADC……………………………………………… 4.3 Kết luận => sai số toàn mạch…………………… 4.4 Cách hiệu chỉnh sai số……………………………………… Lời nói đầu Đo nhiệt độ phương pháp thường gặp đo lường, có từ lâu, giai đoạn có phương pháp đo khác Trước công nghệ điên tử bán dẫn chưa phát triển mạch đo chủ yếu dùa kỹ thuật tương tự, phương pháp xử lý chủ yếu dùa 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 ứng dụng rộng rãi ngành đo lường điều khiển làm thay đổi hẳn phương pháp xử lý tín hiệu đo Trước xử lý tín hiệu đo chủ yếu đo phần cứng ngày việc xử lý mềm hoá với đời sensor thông minh làm cho thiết bị đo ngày thông minh độ xác cao Ngày xuất hiên nhiều phương pháp đo nhiệt độ sử dụng cảm biến loại cặp nhiệt, nhiệt điện trở hay bán dẫn sử dụng phương pháp phân tích phổ để xác định nhiệt độ Đối với nơi không trực tiếp đặt đầu đo nhiệt độ (nơi có nhiệt độ cao) Nhìn chung phương pháp đo nhiệt độ có nhiều nét giống cách xử khác nhau, tuỳ vào mục đích yêu cầu kỹ thuật công việc cụ thể mục đích cuối phép đo thể giá trị nhiệt độ với khoảng sai sè cho phép chấp nhận Phần chi tiết em xin trình bày Chƣơng CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 Khái niệm nhiệt độ: 1.1.1 Khái niệm: Nhiệt độ đại lý đặc trưng cho cường độ chuyển động nguyên tử, phân tử hệ vật chất Tuỳ theo trạng thái vật chất ( rắn, lỏng, khí) mà chuyển động có khác trạng thái láng, phân tử dao động quanh vi trí cân 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 gọi chung chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên có trao đổi lượng không sinh công, trình trao đổi lượng nói gọi truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt tuân theo nguyên lý: Bảo toàn lượng Nhiệt tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất Ở trạng thái rắn, truyền nhiệt xảy chủ yếu dẫn nhiệt xạ nhiệt Đối với chất lỏng khí dẫn nhiệt xạ nhiệt có truyền nhiệt đối lưu Đó tượng vận chuyển lượng nhiệt cách vận chuyển phần khối vật chất vùng khác hệ chênh lệch tỉ trọng 1.1.2 Thang đo nhiệt độ: Từ xa xưa người nhận thức tượng nhiệt đánh giá cường độ cách đo đánh giá nhiệt độ theo đơn vị đo thời kỳ Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng định nghĩa theo vùng, thời kỳ phát triển khoa học kỹ thuật xã hội Hiện chóng ta có thang đo nhiệt độ là: Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ) Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15 Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67 Đây thang đo nhiệt độ dùng phổ biến Trong thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) quy định đơn vị đo hệ đơn vị quốc tế (SI) Dùa thang đo đánh giá nhiệt độ 1.1.3 Sơ lược phương pháp đo nhiệt độ: Nhiệt độ đại lượng đo gián tiếp sở tính chất vật phụ thuộc nhiệt độ Hiện chóng ta có nhiều nguyên lí cảm biến khác để chế tạo cảm biến nhiệt độ như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phương pháp quang dùa phân bố phổ xạ nhiệt, phương pháp dùa dãn nở vật rắn, lỏng, khí dùa tốc độ âm… Có phương pháp đo chính: Ở dải nhiệt độ thấp trung bình phương pháp đo phương pháp tiếp xúc, nghĩa chuyển đổi đặt trực tiếp môi trường đo Thiết bị đo như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt, bán dẫn Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo phương pháp không tiếp xúc ( dông cụ dặt môi trường đo) Các thiết bị đo nh-: cảm biến quang, hoả quang kế ( hoả quang kế phát xạ, hoả quang kế cường độ sáng, hoả quang kế màu sắc)… 1.2 Đo nhiệt độ phƣơng pháp tiếp xúc 1.2.1 Đo nhiệt độ nhiệt điện trở: Nguyên lý hoạt động: Điện trở số kim loại thay đổi theo nhiệt độ dùa vào thay đổi điện trở người ta đo nhiệt độ cần đo Nhiệt điện trở dùng dụng cụ đo nhiệt độ làm việc với dòng phụ tải nhỏ để nhiệt sinh dòng nhiệt điện trở nhỏ so với nhiệt nhận từ môi trường 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 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 cấu tạo đơn giản Nhiệt điện trở kim loại thường có dạng dây kim loại màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ Trong điện trở kim loại dược chia thành loại: Kim loại quý (Pt) Kim loại thường (Cu, Ni…) Platin 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 ( 0,01%), có độ sai khác 0.01 0C… Niken có độ nhạy cao so với Platin Niken có tính hoá học cao, dễ bị oxy hoá nhiệt độ tăng dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế ( 2500C ) Tuy lại có giá thành rẻ đáp ứng mặt kỹ thuật hay sử dụng Đồng 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 ( 180 0C ) Để đạt 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 thường dùng đo dải nhiệt độ thấp cho phép thu độ nhạy cao Để sử dụng cho mục đích công nghiệp nhiệt điện trở có vỏ bọc tốt, chống va chạm rung mạnh… Đối với bạch kim điện trở nhiệt độ giới hạn từ  660 0C 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 khoảngtừ -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 - điện trở nhiệt độ 00C 0 - hệ số nhiệt độ khoảng nhiệt độ 00V 4,3.10-3/ 0C