Đo nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở pt- 100 dải đo 0- 120 độ, ngưỡng nhạy 1 độ

Đo nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở pt- 100 dải đo 0- 120 độ, ngưỡng nhạy 1 độ

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Trước phát triển cơng nghệ đại hóa ngày việc chế tạo thiết bị đo lường trọng phát triển Một thiết bị đo thông dụng thiết bị đo nhiệt độ với cần thiết cho thiết bị giám sát điều khiển Thông qua đồ án 1, chúng em chọn đề tài để báo cáo “Đo nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở Pt-100 dải đo 0-120 độ, ngưỡng nhạy độ” Đồ án gồm có chương: • CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ • CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN, LỰA CHỌN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐO • CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH VÀ KẾT QUẢ Phần chi tiết chương em xin trình bày CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 Đo nhiệt độ phương pháp tiếp xúc 1.1.1 Đo nhiệt độ nhiệt điện trở a Nguyên lý hoạt động: Do điện trở số kim loại thay đổi theo nhiệt độ nên dựa vào thay đổi điện trở người ta đo giá trị nhiệt độ cần đo Trong công nghiệp nhiệt điện trở chia thành nhiệt điện trở kim loại nhiệt điện trở bán dẫn  Nhiệt điện trở kim loại Nhiệt điện trở kim loại (nhiệt kế điện trở) thường sử dụng cơng nghiệp Quan hệ nhiệt điện trở nhiệt độ gần tuyến tính Nhiệt điện trở kim loại thường có dạng dây kim loại màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ Thường chế tạo từ đồng, platin niken  Nhiệt điện trở Platin: Platin chịu nhiệt độ đến 12000C mà không bị oxy hóa nóng chảy Phương trình đặc trưng viết - dạng: RT=Ro(1+At+Bt2) với nhiệt độ từ 0÷600oC RT=Ro[(1+At+Bt2+C(t-100)3] với nhiệt độ từ -180÷0oC Trong A,B,C số, Ro điện trở 0oC Nhược điểm: có đặc tính phi tuyến, khơng dùng mơi trường oxy hóa khử, có độ bền hóa học cao, tính dẻo lớn, chế tạo thành sợi mỏng nên sử dụng rộng rãi  Nhiệt điện trở Đồng: Dải nhiệt độ làm việc nhiệt điện trở đồng khoảng từ -50oC÷180oC Phương trình đặc trưng biểu diễn dạng: RT=Ro (1+αt) đó: - α = 4,3.10-3 (1/oC) hệ số nhiệt độ nhiệt điện trở - Ro điện trở 0oC  Nhiệt điện trở Niken: Niken sử dụng đến nhiệt độ 250÷300oC Trong khoảng tử 0÷100oC, α=5.10-3 (1/oC) Tính chất điện Niken phụ thuộc nhiều vào tạp chất trình nhiệt luyện Ưu điểm Niken điện trở suất cao, hệ số nhiệt lớn cho phép chế tạo chuyển đổi có kích thước nhỏ Để sử dụng cho mục đích cơng nghiệp nhiệt điện trở có vỏ bọc tốt, chống va chạm rung mạnh… Hình 1.1 Hình ảnh nhiệt điện trở kim loại thực tế  Nhiệt điện trở bán dẫn:  Nhiệt điện trở bán dẫn chế tạo từ hỗn hợp nhiều oxit kim loại khác (ví dụ như: MnO, NiO, CoO…) Quan hệ nhiệt điện trở nhiệt độ đặc trưng biểu thức: RT = A.eβ/T Trong A: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý chất bấn dẫn, kích thước hình dạng vật β: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý chất bán dẫn T: Nhiệt độ tuyệt đối  Phân loại: - Hệ số nhiệt dương PTC-điện trở tăng theo nhiệt độ - Hệ số nhiệt âm NTC- điện trở giảm theo nhiệt độ  Cấu tạo: Hình 1.2 Cấu tạo nhiệt điện trở bán dẫn  Ưu điểm: bền, rẻ tiền, dễ chế tạo  Nhược điểm: có hệ số phi tuyến điện trở với nhiệt độ Điều gây khó khăn cho việc khắc độ Do người ta dùng làm cảm biến đo nhiệt b Một số mạch đo cho nhiệt điện trở  Mạch đo sử dụng nguồn dòng: Hình 1.3 Mạch đo sử dụng nguồn dòng Trong đó: Ura= I RRT (R2/R1)  Mạch đo dạng mạch cầu Hình1.4 Mạch đo dạng mạch cầu 1.1.2 Đo nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu a Cấu tạo Hình 1.5 Cấu tạo đầu đo cặp nhiệt ngẫu Đầu đo cặp nhiệt ngẫu gồm kim loại khác hàn chung với Một đầu gọi đầu nóng Hai đầu lại khơng hàn với gọi đầu lạnh(đầu tự do) b Nguyên lý làm việc Khi có chênh lệch nhiệt độ đầu nóng lạnh cặp nhiệt ngõ cặp nhiệt xuất sức điện động phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ chất vật liệu dùng để chế tạo cảm biến Xét cặp nhiệt điện chế tạo từ kim loại A B hình vẽ: e= K (T1-T2) = K.∆T Trong K độ nhạy cặp nhiệt(µV/oC) Hình1.6 Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu  Một số loại cặp nhiệt ngẫu thường dùng:  Hệ số K số cặp nhiệt: c Mạch bù nhiệt độ đầu tự do: - Dùng nước đá Hình 1.7 Mạch bù nhiệt độ đầu tự dùng nước đá 0oC Phương pháp dùng khó trì nhiệt độ lúc 0oC - Dùng cầu bù: Hình 1.8 Mạch dung cầu bù Phương pháp dùng phổ biến cách điều chỉnh giá trị biến trở hợp lý sức điện động khơng phụ thuộc vào nhiệt độ đầu tự phụ thuộc nhiệt độ đầu đo theo hệ số tỉ lệ 1.1.3 Bán dẫn  Cấu tạo: chế tạo từ chất bán dẫn Có loại diode, transistor, IC  Nguyên lý: dựa mức độ phân cực lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ mơi trường  Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản  Nhược điểm: Do chế tạo từ thành phần bán dẫn nên cảm biến bền, không chịu nhiệt độ cao, độ ẩm, va đập, hóa chất có tính ăn mòn Cảm biến tuyến tính khoảng đó, ngồi khoảng cảm biến tác dụng Một số loại IC phổ biến: Đo nhiệt độ phương pháp không tiếp xúc Phương pháp sử dụng đo nhiệt độ bề mặt vật xa, cao, khó tiếp cận, mơi trường khắc nghiệt(đường ống cao, nhệt độ khu vực q nóng nguy hiểm đến tính mạng) Có phương pháp chính: Đo hồng ngoại hỏa quang kế 1.2.1 Đo hồng ngoại  Nhiệt kế hồng ngoại (IRT) bao gồm thành phần :  Ống dẫn sóng: để thu lượng phát từ bia (target)  Cảm biến hỏa nhiệt kế: có tác dụng chuyển đổi lượng sáng tín hiệu điện  Bộ điều chỉnh độ nhạy: để phối hợp phép đo thiết bị hồng ngoại với số xạ vật thể đo  Mạch cảm biến bù nhiệt: đảm bảo thay đổi nhiệt độ phía bên thiết bị  Công nghệ hồng ngoại sử dụng bước sóng từ 0.7µm-14µm Các bước sóng cao lượng q thấp, cảm biến hồng ngoại khơng thể nhận  Bất kể vật -273oC phát xạ điện tử, theo định luật Flanck: ε = h.f = h.1/T = h.1/(c.λ) Trong đó: ε : mức lượng h: số Flanck f: tần số c: vận tốc ánh sáng λ: bước sóng  Cảm biến hồng ngoại đo mức lượng vật, từ tính nhiệt độ 1.2 10 Hình 2.4 Sơ đồ chân 8051 Chức chân tóm tắt sau: - Từ chân 1÷ Port (P1.0…P1.7) dùng làm Port xuất nhập I/O để giao tiếp bên - Chân (RST) chân để RESET cho 8051 Bình thường chân mức thấp Khi ta đưa tín hiệu lên cao (tối thiểu chu kỳ máy) Thì ghi nội 8051 nạp giá trị khởi tạo ban đầu để khởi động lại hệ thống - Từ chân 10÷17 Port3 (P3.0, P3.1, , P3.7) có hai mục đích : dùng Port xuất/nhập (I/O) chân giữ chức riêng sau: + P3.0 (RXD): Nhận liệu từ Port nối tiếp + P3.1 (TXD): Truyền liệu từ Port nối tiếp + P3.2 (INT0): Ngắt + P3.3 (INT1): Ngắt + P3.4 (T0): Timer/Counter + P3.5 (T1): Timer/Counter + P3.6 (WR): Tín hiệu Strobe ghi liệu lên nhớ bên ngồi + P3.7 (RD): Tín hiệu Strobe đọc liệu lên nhớ bên - Các chân 18, 19 (XTAL2 XTAL1) nối với dao động thạch anh 12 MHz để tạo dao động CHIP - Chân 20 (Vss) nối đất (Vss = 0) 20 - - Từ chân 21÷28 Port (P2.0, P2.1, , P2.7) có hai mục đích: làm Port xuất/nhập (I/O) dùng làm byte cao bus địa ta muốn dùng EPROM RAM Chân 29 (PSEN) dùng để ghép nối tiếp với nhớ ngồi nhằm để đọc chương trình từ nhớ ngồi - Chân 30 (ALE: Address Latch Enable) tín hiệu điều khiển xuất 8051, cho phép phân kênh bus địa bus liệu Port - Chân 31 (EA) cho phép truy nhập bố nhớ hay ngồi Đối với 8051 : + EA = 5V : Chọn ROM nội + EA = 0V : Chọn ROM ngoại + EA = 21V : Lập trình EPROM nội - Các chân từ 32 đến 39 Port (P0.0, P0.1, , P0.7) dùng hai mục đích: Vừa làm byte thấp cho bus địa chỉ, vừa làm bus liệu - Chân 40 (Vcc) nối lên nguồn 5V  Tổ chức nhớ Hình 2.5 Tổ chức nhớ 8051  RAM on-chip bao gồm: • Vùng RAM đa mục đích: có 80 byte từ địa 30H÷7FH Bất kỳ vị trí RAM mục đích chung truy xuất tự cách sử dụng kiểu định địa trực tiếp hay gián tiếp 21 Vùng RAM định địa bit: 8051 chứa 210 vị trí định vị bit, có 128 bit nằm địa từ 20H÷2FH phần lại ghi chức đặc biệt • Các dãy ghi (Register Banks): 32 vị trí nhớ cuối nhớ từ địa byte 00H÷1FH chức dãy ghi Tập hợp lệnh 8051 cung cấp ghi từ R0 ÷R7 địa 00H÷07H máy tính chọn để thực thi Những lệnh tương đương dùng định vị trực tiếp Những giá trị liệu dùng thường xuyên chắn sử dụng ghi • Các ghi chức đặc biệt: + Thanh ghi từ trạng thái chương trình PSW: địa D0H + Thanh ghi B: địa F0H, dùng chung vơi ghi A phép nhân chia + Con trỏ Stack: địa 81H, chứa địa liệu đỉnh stack + Con trỏ liệu DPTR: ghi 16 bit có địa 82H 83H, dùng truy xuất nhớ chương trình nhớ liệu + Các ghi Port: Port 0, Port 1, Port 2, Port + Các ghi định thời: 8051 có đếm/định thời( counter/timer) 16 bit để định thời khoảng thời gian đếm kiện Hoạt động định thời thiết lập ghi TMOD TCON + Các ghi Port nối tiếp: bên 8051 có port nối tiếp để truyền thông với thiết bị đầu cuối, moderm, IC khác Bộ đệm liệu nối tiếp SBUFF địa 99H làm nhiệm vụ ghi liệu truyền nhận liệu truyền + Các ghi ngắt: 8051 có nguyên nhân ngắt Các nguồn ngắt cho phép ghi IE địa A8H Các mức ưu tiên ngắt điều khiển ghi IP địa B8H ADC 0804 • 2.2.3 22 Chip ADC0804 chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 hãng National Semiconductor Chip nhiều hãng khác sản xuất Chip có điện áp ni +5V độ phân giải bit Ngồi độ phân giải thời gian chuyển đổi tham số quan trọng đánh giá ADC Thời gian chuyển đổi định nghĩa thời gian mà ADC cần để chuyển đầu vào tương tự thành số nhị phân Đối với ADC0804 thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ cấp tới chân CLK CLK IN khơng bé 110µs Các chân chức năng: • CS (Chip select): Chân số 1, chân chọn chip, đầu vào tích cực mức thấp sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập tới ADC0804 chân phải đặt mức thấp • RD (Read): Chân số 2, chân nhận tín hiệu vào tích cực mức thấp Các chuyển đổi 0804 chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân giữ ghi Chân RD sử dụng phép đưa liệu chyển đổi tới đầu ADC0804 Khi CS = có xung cao xuống thấp áp đến chân RD liệu dạng số bit đưa tới chân liệu (DB0 – DB7) • WR (Write): Chân số 3, chân vào tích cực mức thấp dùng báo cho ADC biết để bắt đầu trình chuyển đổi Nếu CS = WR tạo xung cao xuống thấp ADC0804 bắt đầu trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin thành số nhị phân bit Khi việc chuyển đổi hoàn tất chân INTR ADC hạ xuống thấp • CLK IN CLK R: CLK IN (chân số 4), chân vào nối tới đồng hồ sử dụng để tạo thời gian Tuy nhiên ADC0804 có tạo xung đồng hồ riêng Để dùng đồng hồ riêng chân CLK IN CLK R (chân số 19) nối với tụ điện điện trở Khi tần số xác định biểu thức: f = 1/(1.1*RC) Với R = 10 kΩ, C = 150 pF ,f = 606 kHz thi gian chuyn i l 110 às Ngt INTR (Interupt): Chân số 5, chân tích cực mức thấp Bình thường chân trạng thái cao việc chuyển đổi tương tự số hồn tất chuyển xuống mức thấp để báo cho CPU biết liệu chuyển đổi 23 sẵn sàng để lấy Sau INTR xuống thấp, cần đặt CS = gửi xung cao xuống thấp tới chân RD để đưa liệu • Vin (+) Vin (-): Chân số chân số 7, đầu vào tương tự vi sai, Vin = Vin(+) – Vin(-) Thông thường Vin(-) nối tới đất Vin(+) dùng làm đầu vào tương tự chuyển đổi dạng số • Vcc: Chân số 20, chân nguồn nuôi +5V Chân dùng làm điện áp tham chiếu đầu vào Vref/2 để hở • Vref/2: Chân số 9, chân điện áp đầu vào dùng làm điện áp tham chiếu Nếu chân hở điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm dải đến +5V Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác với dải đến +5V Chân Vref/2 dùng để thực điện áp đầu khác đến +5V • D0 – D7: chân số 18 – 11, chân liệu số (D7 bit cao MSB D0 bit thấp LSB) Các chân đệm ba trạng thái liệu chuyển đổi truy cập chân CS = chân RD đưa xuống mức thấp Để tính điện áp đầu ta tính theo cơng thức sau: Dout = Vin / Kích thước bước Hình 2.6 Sơ đồ chân ADC0804 2.2.4 LCD 1602 Trong năm gần đây, hình tinh thể lỏng LCD(Liquid Crystal Display) ngày sử dụng rộng rãi dần thay cho đèn LED (7 đoạn nhiều đoạn) Đó ngun nhân sau: • Màn hình LCD có giá thành hạ 24 Khả hiển thị số, kí tự đồ họa tốt nhiều so với đèn LED ( đèn LED hiển thị số số kí tự) • Sử dụng them điều khiển làm tươi LCD giải phóng CPU khỏi cơng việc Còn đèn LED cần CPU ( cách đó) để trì việc hiển thị đữ liệu • Dễ dàng lập trình kí tự đồ họa Các chân chức năng: • 25 Hình 2.7 Hình ảnh LCD 1602 2.3 Tính tốn thiết kế mạch đo 2.3.1 Mạch tạo nguồn dòng LM334 Sử dụng LM334 để tạo nguồn dòng ổn định vào cảm biến (với dòng vào cảm biến mong muốn 1mA) Hình 2.8 Sơ đồ mạch tạo nguồn dòng dùng LM334 26 Ta có: = ++, Trong := ; =; =67.7mV (Điện áp điện trở T=25oC) =0.6mV (điện áp diode T=25oC ) Ta tính tỷ lệ điện trở R1 R2 thông qua giá trị tempco LM334 bao gồm thành phần (227V/₀C) tempco diode (-2.5V/₀C)  = ++= +  Ta mong muốn = 1mA; Chọn Hình 2.9 LM334 ghép nối với PT100 mô qua Proteus 27 2.3.2 Mạch khuếch đại đo lường Trong mạch đo lường thường sử dụng khuếch đại đo lường, mạch kết hợp lặp lại khuếch đại điện áp Mạch khuếch đại đo lường gồm tầng:  Tầng 1: Hai lắp lại dùng khuếch đại thuật toán Với hệ số:  Tầng 2: Khuếch đại vi sai với hệ số:  Hệ số khuếch đại mạch: K== Hình 2.10 Mạch khuếch đại đo lường Do sử dụng ADC0804 ADC bit, điện áp vào ADC 0-5V, mã nhị phân mà ADC chuyển đổi thành có giá trị 0-255 hệ số 10, mà nhiệt độ cần đo từ đến 120°C nên ta có cần khuếch đại cho t = 120°C, =(V) Ta có điện trở PT100 120°C 146.8 Suy hệ số mạch khuếch đại là: K=  K = = = 50.27 Ta chọn :; 28 Hình 2.11 Mạch khuếch đại đo lường mơ qua Proteus 2.4 Mạch nguyên lý chung Hình 2.12 Mạch ngun lý tạo nguồn đơi +-5V 29 Hình 2.13 Mạch nguyên lý chung mô qua Proteus 30 CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH VÀ KẾT QUẢ 3.1 Lưu đồ thuật tốn Cấu hình chung: Kết nối 8051 với LCD1602 • LCD_RS=P1^0 • LCD_EN=P1^1 • LCD_data P0 Kết nối 8051 với ADC0804 • ADC_CS=P1^4 • ADC_RD=P1^5 • ADC_WR=P1^6 • ADC_INTR=P1^7 • ADC_DATA P2 Lưu đồ hàm trễ ms: 31 32  Chương trình Start Khởi tạo LCD: - LCD_CMD(0x01); - LCD_CMD(0x0C); Hàm ghi chuỗi kí tự lên LCD: - LCD_String_Rand(1,1,"BTL VXL ") - LCD_String_Rand(2,1,"Nhiet do:"); S While (1) Đ Hàm đọc liệu từ ADC Hàm tính tốn hiển thị LCD 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thị Huế, “Slide Kỹ thuật đo lường” Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốc Thắng, “Cấu trúc lập trình họ vi điều khiển 8051, Nhà xuất khoa học kỹ thuật” Phạm Thương Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hoa, “Kĩ thuật đo lường đại lượng vật lý “, tập 1, NXB Giáo dục http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Lm324 http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Lm334 http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Adc0804 34 ... nhiệt độ tăng, điện trở kim loại tăng theo quan hệ: RT=Ro (1+ αt+βt2+γ(t -10 0) 3) + α=3.9083. 10 -3 + β=-5,775. 10 -7 + γ=-4 .18 3. 10 -1 2 + Ro =10 0  Phân loại Pt -1 00 + Pt -1 00 dây: 16 + Pt -1 00 dây: + Pt -1 00...CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1. 1 Đo nhiệt độ phương pháp tiếp xúc 1. 1 .1 Đo nhiệt độ nhiệt điện trở a Nguyên lý hoạt động: Do điện trở số kim loại thay đổi theo nhiệt độ nên... đổi điện trở người ta đo giá trị nhiệt độ cần đo Trong công nghiệp nhiệt điện trở chia thành nhiệt điện trở kim loại nhiệt điện trở bán dẫn  Nhiệt điện trở kim loại Nhiệt điện trở kim loại (nhiệt