Bài tập lớn cảm biến nhiệt độ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÀI TẬP LỚN Đề tài: Tìm hiểu cảm biến nhiệt độ ứng dụng GVHD: TS Nguyễn Ngọc Linh Nhóm thực hiện: Nhóm Khoa: Cơ học kỹ thuật & Tự động hóa Lớp: K57M Hà Nội, ngày 10/05/2015 Lời mở đầu Trong thời buổi công nghệ phát triển vũ bão, ngày có nhiều sản phẩm đời với tính đa dạng, phong phú, đặc biệt thông minh Khoa học phát triển làm cho ngành khác phát triển theo, điển hình ngành điện tử, thơng tin, viễn thơng, khí chế tạo, … Các ngành kết hợp lại với tiền đề phát triển loại máy móc thơng minh Một hệ thống máy móc thơng minh cấu thành từ nhiều phận, vi xử lý lập trình phức tạp, cấu chấp hành, cấu xử lý phức tạp, … Có phận vô quan trọng để tạo lên thông minh khơng kể đến loại cảm biến Nhờ có cảm biến, robot ngày phát triển để nhận biết hành động phức tạp ví dụ tay máy nắm lấy cốc thủy tinh cho không vỡ, hệ thống tự động đóng mở cửa có người vào siêu thị, … Có nhiều loại cảm biến chế tạo sử dụng theo mục đích khác đời sống cảm biến cảm nhận nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh, lực, dòng chảy, … Tùy theo loại cơng việc mà loại cảm biến có cách chế tạo khác Một loại cảm biến mà bắt gặp nhiều sống hàng ngày ứng dụng vơ rộng rãi, cảm biến nhiệt độ Dễ dàng bắt gặp loại cảm biến sống máy đo nhiệt độ hiển thị điện tử, lò điện trở có điều khiển, hay đồng hồ lịch vạn niên, … Cảm biến nhiệt độ có ứng dụng vơ rộng rãi phổ biến Chính vậy, nhóm chúng em định thực đề tài loại cảm biến này, tìm hiểu cảm biến nhiệt độ ứng dụng đo nhiệt độ đơn giản Nội dung tập lớn gồm có mục sau:  Giới thiệu chung cảm biến đặc điểm chúng     Nguyên lý đo cảm biến Giới thiệu loại cảm biến thơng dụng Tìm hiểu cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ LM35 mạch điện ứng dụng cụ thể Các thành viên nhóm: STT Bài tập lớn Họ tên Phạm Trần Hoàng Đỗ Văn Lực Lê Tuấn Anh Nguyễn Viết Bình Mã sinh viên 12020162 12020244 12020004 12020525 Ghi Trang Mục lục I Giới thiệu chung .3 Khái niệm Phân loại cảm biến Đường cong chuẩn cảm biến Một số đặc trưng II Nguyên lý đo cảm biến 11 Với cảm biến tích cực 11 Với cảm biến thụ động 13 III Giới thiệu loại cảm biến thông dụng 14 Cảm biến quang 14 Cảm biến nhiệt độ 14 Cảm biến đo vị trí dịch chuyển 14 Cảm biến đo biến dạng 15 Cảm biến đo lực 15 Cảm biến đo vận tốc, gia tốc rung 16 Cảm biến đo áp suất chất lưu 17 Cảm biến đo lưu lượng mức chất lưu 17 Cảm biến thông minh 18 IV Tìm hiểu cảm biến nhiệt độ 18 Sơ lược vấn đề liên quan 18 Cảm biến nhiệt độ 20 V Cảm biến nhiệt độ LM35 mạch điện ứng dụng đo nhiệt độ 32 Tìm hiểu cảm biến LM35 32 Mạch đo nhiệt độ dùng LM35 kết hợp với IC ADC0808 vi điều khiển 8051 35 Tài liệu tham khảo .40 Bài tập lớn Trang I Giới thiệu chung Khái niệm Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận, biến đổi đại lượng vật lý đại lượng khơng có tính chất điện cần đo thành đại lượng điện đo xử lý Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, ánh sáng, độ ẩm, …) tác động lên cảm biến cho ta đặc trưng (s) mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lượng đo Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo (m): s = f(m) (1.1) Trong công thức (1.1), s đại lượng đầu phản ứng cảm biến, x đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại lượng cần đo), thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị kích thích (m) Phân loại cảm biến Có nhiều loại cảm biến chế tạo ứng dụng thực tế, ta phân loại cảm biến theo đặc trưng sau:   Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích + Hiện tượng vật lý o Nhiệt điện o Quang điện o Quang từ o Điện tử o Quang đàn hồi o Từ điện o Nhiệt từ Theo dạng kích thích + Âm o Biên pha, phân cực o Phổ o Tốc độ truyền sóng + Điện o Điện tích, dòng điện o Điện thế, điện áp o Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ) o Điện dẫn, số điện môi, + Từ o Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) o Từ thông, cường độ từ trường o Độ từ thẩm Bài tập lớn + Hiện tượng hóa học o Biến đổi hóa học o Biến đổi điện hóa o Phân tích phổ + Hiện tượng sinh học o Biến đổi sinh hóa o Biến đổi vật lý o Hiệu ứng thể sống + Quang o Biên, pha, phân cực, phổ o Tốc độ truyền o Hệ số phát xạ, khúc xạ o Hệ số hấp thục, hệ số xạ + Cơ o Vị trí o Lực, áp suất o Ứng suất, độ cứng o Moment o Khối lượng, tỷ trọng o Vận tốc chất lưu, độ nhớt + Nhiệt o Nhiệt độ o Thông lượng Trang o Nhiệt dung, tỷ nhiệt + Bức xạ o Kiểu  o Năng lượng o Cường độ Theo tính cảm biến  + + + + + + + Độ nhạy Độ xác Độ phân giải Độ chọn lọc Độ tuyến tính Cơng suất tiêu thụ Dải tần + + + + + + + Độ trễ Khả tải Tốc độ đáp ứng Độ ổn định Tuổi thọ Điều kiện môi trường Kích thước, trọng lượng + + + + + Cơng nghiệp Nơng nghiệp Mơi trường, khí tượng Thơng tin, viễn thông Dân dụng + + + + Giao thông Nghiên cứu khoa học Vũ trụ Quân Theo phạm vi sử dụng  Theo thơng số mơ hình mạch thay + Cảm biến tích cực có đầu nguồn áp nguồn dòng + Cảm biến thụ động đặc trưng thông số R, L, C, … tuyến tính phi tuyến Đường cong chuẩn cảm biến Đường cong chuẩn cảm biến đường cong biểu diễn phụ thuộc đại lượng điện (s) đầu cảm biến vào giá trị đại lượng đo (m) đầu vào Đường cong chuẩn biểu diễn biểu thức đại số dạng s = f(m) Dựa vào đường cong chuẩn cảm biến, ta xác định giá trị m i chưa biết m thông qua giá trị đo si s Để dễ sử dụng người ta thường chế tạo cảm biến có phụ thuộc tuyến tính đại lượng đầu đại lượng đầu vào, phương trình s = f(m) có dạng s = am+b, a, b hệ số, đường cong chuẩn đường thẳng Hình Đường cong chuẩn cảm biến Bài tập lớn Trang  Các phương pháp chuẩn cảm biến: Chuẩn cảm biến phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giá trị s đo đại lượng điện đầu giá trị m đại lượng đo có tính đến yếu tố ảnh hưởng, sở xây dựng đường cong chuẩn dạng tường (đồ thị biểu thức đại số) Khi chuẩn cảm biến, với loạt giá trị biết xác m i m, đo giá trị tương ứng s i s dựng đường cong chuẩn Hình Phương pháp chuẩn cảm biến - Chuẩn đơn giản: Trong trường hợp đại lượng đo có đại lượng vật lý tác động lên đại lượng đo xác định cảm biến sử dụng không nhạy với tác động đại lượng ảnh hưởng dùng phương pháp chuẩn đơn giản Thực chất chuẩn đơn giản đo giá trị đại lượng đầu ứng với giá trị xác định không đổi đại lượng đo đầu vào Việc chuẩn tiến hành theo hai cách: + Chuẩn trực tiếp: giá trị khác đại lượng đo lấy từ mẫu chuẩn phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ xác cao + Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với cảm biến so sánh có sẵn đường cong chuẩn, hai đặt điều kiện làm việc Khi tác động lên hai cảm biến với giá trị đại lượng đo ta nhận giá trị tương ứng cảm biến so sánh cảm biến cần chuẩn Lặp lại tương tự với giá trị khác đại lượng đo cho phép ta xây dựng đường cong chuẩn cảm biến cần chuẩn - Chuẩn nhiều lần Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ trễ từ), giá trị đo đầu phụ thuộc vào giá trị tức thời đại lượng cần đo đầu vào mà phụ thuộc vào giá trị trước đại lượng Trong trường hợp vậy, áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần tiến hành sau: + Đặt lại điểm cảm biến: đại lượng cần đo đại lượng đầu có giá trị tương uwgns với điểm gốc m = s = + Đo giá trị đầu theo loạt giá tị tăng dần đến giá trị cực đại đại lượng đo đầu vào + Lặp lại trình đo với giá trị giảm dần từ giá tri cực đại Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo hai hướng đo tăng dần đo giảm dần Bài tập lớn Trang Một số đặc trưng a Độ nhạy cảm biến Đối với cảm biến tuyến tính, biến thiên đầu s biến thiên đầu vào Δm có liên hệ tuyến tính với nhau: Δs = S.Δm (1.2) Đại lượng S xác định biểu thức S  s gọi độ nhạy cảm biến  m Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S cảm biến xung quanh giá trị m i đại lượng đo xác định tỷ số biến thiên s đại lượng đầu biến thiên m tương ứng đại lượng đo đầu vào quanh giá trị đó: s  S  (1.3)   m  m mi Để phép đo đạt độ xác cao, thiết kế sử dụng cảm biến cần cho độ nhạy S khơng đổi, nghĩa phụ thuộc vào yếu tố sau: - Giá trị đại lượng cần đo m tần số thay đổi - Thời gian sử dụng - Ảnh hưởng đại lượng vật lý khác (không phải đại lượng đo) môi trường xung quanh Giá trị S thường cung cấp nhà sản xuất tương ứng với điều kiện làm việc định cảm biến  Độ nhạy chế độ tĩnh tỷ số chuyển đổi tĩnh Đường chuẩn cảm biến xây dựng sở đo giá trị s i đầu tương ứng với giá trị không đổi mi đại lượng đo đại lượng đạt đến chế độ làm việc danh định gọi đặc trưng tĩnh cảm biến Một điểm Q i(mi, si) đặc trưng tĩnh xác định điểm làm việc cảm biến chế độ tĩnh Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo cơng thức (1.3) độ dốc đặc trưng tĩnh điểm làm việc xét Như vậy, đặc trưng tĩnh khơng phải tuyến tính độ nhạy chế độ tĩnh phụ thuộc vào điểm làm việc Đại lương ri xác định tỷ số giá trị s i đầu giá trị mi đầu vào gọi tỷ số chuyển đổi tĩnh   s   m Q i (1.4) i Từ phương trình (1.4): tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi S đặc trưng tĩnh đường thẳng qua gốc tọa độ  Độ nhạy chế độ động Độ nhạy chế độ động xác định đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian Giả sử biến thiên đại lượng đo m theo thời gian có dạng: m(t )  m0  m1 cost (1.5) Trong m0 giá trị không đổi, m1 biên độ, ω tần số góc biến thiên đại lượng đo Ở đầu cảm biến, hồi đáp s có dạng: s (t )  s0  s1 cos(t ) (1.6) + s0 giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc Q0 đường cong chuẩn chế độ tĩnh Bài tập lớn Trang + s1 biên độ biến thiên đầu thành phần biến thiên đại lượng đo gây nên + φ độ lệch pha đại lượng đầu vào đại lượng đầu Trong chế độ động, độ nhạy S cảm biến xác định tỷ số biên độ biến thiên đầu s1 biên độ biến thiên đầu vào m ứng với điểm làm việc xét Q 0, theo phương trình: s  S  1  m1 Q (1.7) Độ nhạy chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo, S = S(f) Sự biến thiên độ nhạy theo tần số có nguồn gốc qn tính cơ, nhiệt điện đầu đo, tức cảm biến thiết bị phụ trợ, chúng cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên đại lượng đo Bởi xét hồi đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo cảm biến cách tổng thể b Độ tuyến tính Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định dải chế độ đó, độ nhạy khơng phụ thuộc vào đại lượng đo Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính khơng phụ thuộc độ nhạy cảm biến vào giá trị đại lượng đo, thể đoạn thẳng đặc trưng tĩnh cảm biến hoạt động cảm biến tuyến tính chừng đại lượng đo nằm vùng Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm khơng phụ thuộc độ nhạy chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời thông số định hồi đáp (tần số riêng f dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ không phụ thuộc vào đại lượng đo Nếu cảm biến khơng tuyến tính, dựa vào mạch đo thiết bị hiệu chỉnh cho tín hiệu điện nhận đầu tỷ lệ với thay đổi đại lượng đo đầu vào Sự hiệu chỉnh gọi tuyến tính hóa  Đường thẳng tốt Khi chuẩn cảm biến, từ kết thực nghiệm ta nhận loại điểm tương ứng (s i, mi) đại lượng đầu đại lượng đầu vào Về mặt lý thuyết, cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn đường thẳng, nhiên sai số đo, điểm chuẩn (m i, si) nhận thực nghiệm thường không nằm đường thẳng Đường thẳng xây dựng sở số liệu thực nghiệm cho sai số bé nhất, biểu diễn tuyến tính cảm biến gọi đường thẳng tốt Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt lập phương pháp bình phương bé đa thức nội suy Giả sử tiến hành chuẩn cảm biến với N điểm đo, phương trình có dạng: s  am  b Trong đó, hệ số a, b xác định biểu thức sau: i i sm a N m  ii N i  ii s i m m ; b 2 i ii m  N m  s i ms  i  m m Độ lệch tuyến tính Đối với cảm biến khơng hồn tồn tuyến tính, khái niệm độ lệch tuyến tính đưa xác định độ lệch cực đại đường cong chuẩn đường thẳng tốt nhất, tính % dải đo Bài tập lớn Trang c Thermistor Thermistor thuật ngữ thơng dụng thermally sensitive resistor Đầu dò nhiệt chúng chất bán dẫn có α âm / dương Những thiết bị cấu tạo vật liệu sứ có tính chất dẫn điện phụ thuộc vào nhiệt độ Thermistor thường chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể Mangan, Nikel, Coban, Sắt dạng bột trộn với theo tỷ lệ định, sau trộn hỗn hợp nén định dạng thành phiến nung nhiệt độ 1000 C Trên bề mặt phiến sau nung, có hàn dây nối phủ kim loại Với chất oxid khác nhau, tỷ lệ pha trộn khác ta có sản phẩm khác mang tính chất ta muốn có Hình 28 Sơ đồ cấu tạo thermistor Nguyên lý hoạt động thermistor dựa thay đổi bán dẫn theo nhiệt độ T, số lượng cặp điện tử - lỗ trống tăng làm giảm điện trở R T 1  1 T T Re 0 Trong công thức: β số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở, RT: điện trở nhiệt độ 0 cần đo T ( K), R0: điện trở nhiệt độ T0 ( K)   dR ;    RT dTT Đối với nhiệt độ lớn phải dùng phương trình Steinhart – Hart: T  A  B ln RT  C ln3 RT Do tính phi tuyến nên thermistor khơng dùng để đo nhiệt độ mà thường dùng mạch cảnh báo nhiệt độ hay mạch bù nhiệt Hình 29 Mạch cảnh báo nhiệt dùng thermistor Bài tập lớn 27 Trang d Cảm biến nhiệt độ bán dẫn  Cảm biến nhiệt bán dẫn với vật liệu silic (Si): Cảm biến nhiệt bán dẫn chế tạo từ loại bán dẫn thường Silic tinh khiết đơn tinh thể Nó có nguyên lý hoạt động phân cực chất bán dẫn bị ảnh hưởng nhiệt độ Silic tinh khiết đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm Sự thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ Si phụ thuộc vào nồng độ pha tạp (dẫn tới số diện tích tự do) vào nhiệt độ Do vậy, phân hai miền nhiệt độ sau: 120 C, hệ số nhiệt độ điện trở suất dương nghĩa điện trở suất tăng theo nhiệt độ Do độ tuyến tính hạn chế mà dải nhiệt độ 0 ứng dụng điện trở Si là: -50 đến 120 C Trên khoảng 120 C, hệ số nhiệt điện trở Si âm độ tuyến tính Trong vùng nhiệt độ 120 C hệ số nhiệt điện trở khơng phụ thuộc vào mức độ pha tạp Cảm biến nhiệt bán dẫn có ưu điểm dễ chế tạo, rẻ tiền, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt có mạch xử lý đơn giản Tuy vậy, nhược điểm khơng chịu nhiệt độ cao bền Cảm biến nhiệt bán dẫn ứng dụng nhiều việc đo nhiệt độ khơng khí, dùng thiết bị đo dùng bảo vệ mạch điện tử  IC cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt bán dẫn loại cảm biến chế tạo từ chất bán dẫn Có loại diode, transistor, vi mạch tích hợp (IC) Nguyên lý chúng dựa mức độ phân cực lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ mơi trường Ngày với phát triển ngành công nghệ bán dẫn cho đời nhiều loại cảm biến nhiệt với tích hợp nhiều ưu điểm: Độ xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,… Một số cảm biến nhiệt độ dùng phổ biến kể đến IC như: LM35, LM335, LM45 Nguyên lý chúng nhiệt độ thay đổi cho điện áp thay đổi Điện áp phân áp từ điện áp chuẩn có mạch Hình 30 IC cảm biến nhiệt LM35 IC DS18B20 loại IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ chuẩn truyền thông I2C mở xu hướng giới cảm biến Hình 31 IC cảm biến nhiệt DS18B20 Bài tập lớn 28 Trang  Lưu ý sử dụng: Vì chế tạo từ thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt bán dẫn bền, không chịu nhiệt độ cao Nếu vượt ngưỡng bảo vệ làm hỏng cảm biến Cảm biến bán dẫn loại tuyến tính giới hạn đó, ngồi dải cảm biến tác dụng Do cần phải quan tâm đến tầm đo loại cảm biến để đạt xác Loại cảm biến chịu đựng môi trường khắc nghiệt: độ ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh Hình 32 Mạch đo nhiệt độ dùng vi mạch bán dẫn e Hỏa kế & Nhiệt kế xạ  Hỏa kế xạ toàn phần Nguyên lý dựa quy luật: Năng lượng xạ toàn phần vật đen tuyệt đối tỷ lệ với lũy thừa bậc nhiệt độ tuyệt đối vật E T4 Trong công thức: σ số, T nhiệt độ tuyệt đối vật đen tuyệt đối ( K) Thơng thường có hai loại: hỏa kế xạ có ống kính hội tụ, hỏa kế xạ có kính phản xạ Hình a) hỏa kế xạ có ống kính hội tụ, ánh sáng từ nguồn xạ qua thấu kính hội tụ đập tới phận thu lượng tia xạ 4, phận nối với dụng cụ đo thứ cấp Hình b) hỏa kế xạ có kính phản xạ: ánh sáng từ nguồn xạ đập tới gương phản xạ hội tụ tới phận thu lượng tia xạ 4, phận nối với dụng cụ đo thứ cấp Bộ phận thu lượng vi nhiệt kế điện trở tổ hợp cặp nhiệt, chúng phải thỏa mãn yêu cầu sau: Bài tập lớn 29 Trang + Có thể làm việc bình thường khoảng nhiệt độ từ 100 – 150 C + Phải có quán tính nhiệt đủ nhỏ ổn định sau – giây + Kích thước đủ nhỏ để tập trung lượng xạ vào Hỏa kế dùng gương phản xạ tổn thất lượng thấp (~10%), hỏa kế dùng thấu kính hội tụ tổn thất tới 30 – 40% Tuy nhiên loại thứ có nhược ddiemr môi trường nhiều bụi, gương bị bẩn, độ phản xạ giảm sai số tăng Khi đo nhiệt độ hỏa kế xạ sai số thường không vượt 27 C điều kiện: + Vật đo phải có độ đen xấp xỉ + Tỉ lệ đường kính vật xạ khoảng cách đo (D/L) không nhỏ 1/16 + Nhiệt độ môi trường 20±2 C Trong thực tế độ đen vật đo ε < 1, Tdo  1Tdoc Thông thường xác định  theo cơng thức: Tdo  Tdoc T ; ΔT lượng hiệu chỉnh phụ thuộc T đọc độ đen vật đo Hình 33 Hiệu chỉnh nhiệt độ theo độ đen  Hỏa kế quang điện Hỏa kế quang điện chế tạo dựa định luật Plăng: I  T  C   5 e  C RT  1  Trong λ bước sóng, C1, C2 số Nguyên tắc đo nhiệt độ hỏa kế quang học so sánh cường độ sáng vật cần đo độ sáng đèn mẫu bước sóng định theo hướng Khi độ sáng chúng nhiệt độ chúng Hình 34 Sự phụ thuộc cường độ sáng vào bước sóng vào nhiệt độ Từ hình ta nhận thấy phụ thuộc I λ khơng đơn trị, người ta thường cố định bước sóng 0,65μm Bài tập lớn 30 Trang Hình 35 Sơ đồ hỏa kế quang học Nguồn ni; Vật kính; Kính lọc; 4&6 Thành ngăn; Bóng đèn mẫu; Kính lọc ánh sáng đỏ; Thị kính Khi đo, hướng hỏa kế vào vật cần đo, ánh sáng từ vật xạ cần đo nhiệt độ qua vật kính 2, kính lọc 3, vách ngăn 4, 6; kính lọc tới thị kính mắt Bật cơng tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu 5, điều chỉnh biến trở R b để độ sáng dây tóc bóng đèn trùng với độ sáng vật cần đo Sai số độ đen vật đo ε < Khi Tdo xác định công thức:  Công thức hiệu chỉnh: Td o  Tdo c  ln1 Tdo C2  T Giá trị ΔT cho theo đồ thị Ngoài sai số phép đo ảnh hưởng khoảng cách đo, nhiên sai số thường nhỏ Khi mơi trường có bụi làm bẩn ống kính, kết đo bị ảnh hưởng f Nhiệt kế hồng ngoại Nhiệt kế hồng ngoại (IRT) gồm có thành phần: + Ống dẫn sóng (waveguide) để thu gom lượng phát từ bia (target) + Cảm biến có tác dụng chuyển đổi lượng sang tín hiệu điện + Bộ điều chỉnh độ nhạy để phối hợp phép đo thiết bị hồng ngọai với số xạ vật thể đo + Một mạch cảm biến bù nhiệt để đảm bảo thay đổi nhiệt độ phía bên thiết bị khơng bị truyền đến ngõ Bài tập lớn 31 Trang Màng phát lượng hồng ngoại, vi xử lý s ẽ điều khiển việc điều chỉnh độ nhạy bù nhiệt, tiến hành tính tốn nhiệt độ bệnh nhân theo phương trình:  A N T (T a T b 4) a Trong A: Diện tích vùng thể   5,76.108  W / m K 4 : số Stefan – Boltzmann εa: Độ nhạy môi trường (cảm biến) Tb: nhiệt độ thể ( K) Ta: nhiệt độ cảm biến ( K) Cảm biến môi trường nhiệt điện trở có tác dụng điều chỉnh cảm biến đo nhiệt độ (Ta) Cảm biến hồng ngoại cảm biến hỏa điện (Pyroelectric sensor) theo sau chuyển đổi dòng áp Cảm biến hồng ngoại có ưu điểm cảm biến khơng tiếp xúc, có đáp ứng nhanh ngang với cặp nhiệt điện, khơng ảnh hưởng q trình ăn mòn oxy hóa có tính ổn định cao Tuy nhiên có có nhược điểm giá thành cao, mạch điện tử giao tiếp phức tạp, chịu ảnh hưởng bụi, khói, xạ môi trường IV Cảm biến nhiệt độ LM35 mạch điện ứng dụng đo nhiệt LM35 loại cảm biến nhiệt độ phổ biến ứng dụng nhiều thực tế Nó dùng nhiều mạch điện tử nghiên cứu Tìm hiểu cảm biến LM35 LM35 cảm biến nhiệt độ tương tự, nhiệt độ xác định cách đo hiệu điện ngõ LM35 → Đơn vị nhiệt độ: °C → Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C Sơ đồ chân LM35 hình dáng bên ngồi: Hình 36 Sơ đồ chân cảm biến LM 35 Bài tập lớn 32 Trang Hình 37 Hình ảnh thực cảm biến LM35 LM35 không cần phải chỉnh nhiệt độ sử dụng Độ xác thực tế: 1/4°C nhiệt độ phòng 3/4°C ngồi (khoảng -55°C tới 150°C) LM35 có hiệu cao, cơng suất tiêu thụ 60μA, thay đổi nhiệt độ nhanh xác Cảm biến LM35 hoạt động cách cho giá trị hiệu điện định chân Vout (chân giữa) ứng với mức nhiệt độ Như vậy, cách đưa vào chân bên trái cảm biến LM35 hiệu điện 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện chân chân gắn tương ứng vi điều khiển thu nhiệt độ Có thể chế tạo mạch cảm biến nhiệt độ sử dụng LM35 để tự động ngắt điện nhiệt độ vượt ngưỡng tối đa, đóng điện nhiệt độ tháp ngưỡng tối thiểu thông qua module role Cảm biến LM35 cảm biến nhiệt mạch tích hợp xác cao mà điện áp đầu tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng không u cầu cân chỉnh ngồi vốn chúng cân chỉnh  Đặc điểm cảm biến LM35: + Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V + Độ phân giải điện áp đầu 10mV/ C + Độ xác cao 25 C 0.5 C + Trở kháng đầu thấp 0.1 cho 1mA tải 0 Dải nhiệt độ đo LM35 từ -55 C đến 150 C với mức điện áp khác Xét số mức điện áp sau : + Nhiệt độ -55 C điện áp đầu -550mV + Nhiệt độ 25 C điện áp đầu 250mV + Nhiệt độ 150 C điện áp đầu 1500mV Tùy theo cách mắc LM35 để ta đo giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ thống 0 đo từ C đến 150 C Tính tốn nhiệt độ đầu LM35 Việc đo nhiệt độ dụng LM35 thông thường sử dụng cách đưa tín hiệu từ LM35 qua giải mã ADC đến vi điều khiển để xử lý tín hiệu Như ta có: u  t k Trong u: điện áp đầu t: nhiệt độ môi trường đo k: hệ số theo nhiệt độ LM35 10mV/1 C Bài tập lớn 33 Trang Giả sử điện áp Vcc cấp cho LM35 5V, giải mã ADC sử dụng 10bit, bước thay đổi LM35 5/(2^10) = 5/1024 Giá trị ADC đo điện áp đầu vào LM35 là: (t*k)/(5/1024) = ((10^-2)*1024*t)/5 = 2.048*t Vậy nhiệt độ ta đo t = giá trị ADC/2048 Tương tự với ADC 11bit Vcc khác ta tính để cơng thức lấy nhiệt độ: set_adc_channel(0); value = (float)read_adc(); value=value/2.048; Sai số LM35: + Tại độ C điện áp LM35 10mV + Tại 150 độ C điện áp LM35 1.5V ==> Dải điện áp ADC biến đổi 1.5 - 0.01 = 1.49 (V) + ADC 11 bit nên bước thay đổi ADC : n = 2.44mV Vậy sai số hệ thống đo : Y = 0.00244/1.49 = 0.164%  Dải nhiệt độ thay đổi trở kháng theo nhiệt độ LM35 Các biến đổi chuyển đổi đại lượng vật lý nhiệt độ, cường độ anh sáng, lưu tốc tốc độ thành tín hiệu điện phụ thuộc vào biến đổi mà đầu tín hiệu dạng điện áp, dòng, trở kháng hay dung kháng Ví dụ nhiệt độ biến đổi tín hiệu điện sử dụng biến đổi gọi cảm biến nhiệt (thermistor), bọ cảm biến nhiệt đáp ứng thay đổi nhiệt độ cách thay đổi trở kháng đáp ứng khơng tuyến tính Nhiệt độ (0C) Trở kháng cảm biến (kΩ) 29,490 25 10,000 50 3,893 75 1,700 100 0,817 Bảng Trở kháng cảm biến phụ thuộc vào nhiệt độ  Các cảm biến nhiệt họ LM35 Loạt cảm biến LM35 cảm biến nhiệt mạch tích hợp xác cao mà điện áp đầu tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng khơng u cầu cân chỉnh ngồi vốn chúng cân chỉnh Chúng đưa điện áp 10mV cho thay đổi C Mã sản phẩm LM35A LM35 LM35CA LM35C LM35D Bài tập lớn 34 Dải nhiệt độ Độ xác 0 -55 C đến 150 C 1,0 C 0 -55 C đến 150 C 1,5 C 0 -40 C đến 110 C 1,0 C 0 -40 C đến 110 C 1,5 C 0 0 C đến 100 C 2,0 C Bảng Hướng dẫn chọn cảm biến nhiệt họ LM35 Đầu 10mV/F 10mV/F 10mV/F 10mV/F 10mV/F Trang Mạch đo nhiệt độ dùng LM35 kết hợp với IC ADC0808 vi điều khiển 8051 IC ADC0808 vi mạch tích hợp có chức chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (Analog to Digital Converters), độ phân giải ADC 8bit tức chuyển đổi tín hiệu điện tương tự sang 256 mức điện áp so với Vref cấp vào chuyển đổi Hình 38 Sơ đồ chân ADC0808  Ý nghĩa chân: + Các chân từ IN0-IN7 ngõ vào analog + Vref+/Vref- chân cấp áp so sánh + ALE chân cho phép giao tiếp -1 -8 + Từ đến ngõ song song 8bit + START chân cho phép chuyển đổi + EOC chân báo q trình chuyển đổi hồn tất, kiểu dạng cờ ngắt + ADD A, ADD B, ADD C 3bit địa chọn kênh đầu vào từ IN0-IN7 + VCC, GND chân cấp nguồn dương 5V nguồn âm (Mass) + CLOCK chân cấp xung đồng hồ cho IC hoạt động, tốc độ lấy mẫu chuyển đổi phụ thuộc vào này, tối đa 640khz + OUTPUT ENABLE (OE) chân báo cho IC xuất data Port để vi điều khiển lấy  Giản đồ xung giao tiếp IC ADC0808 Bài tập lớn 35 Trang Hình 39 Giản đồ xung giao tiếp ADC0808 Cơng thức tính điện áp chuyển đổi: Vin  (Vref * ADC) / 256 Do độ phân giải ADC0808 8bit lên có 256 mức điện áp so với Vref Tức ta cấp vào Vref 5V tín hiệu input vào 2.5V chẳng hạn giá trị ADC = 256 / = 128 (do Vin = 1⁄2 Vref) từ suy Vref = 2.56V để ADC = 25 điện áp đầu vào input phải 250mV Do tăng/giảm 10mV ADC tăng/giảm giá trị Mà cảm biến nhiệt độ LM35 0 lại có ngõ 10mV thay đổi C suy ADC = 25 LM35 25 C Với cách ta khơng cần phải tính tốn giá trị nhiệt độ sau chuyển đổi mà xuất ln giá trị ADC hình LCD Mạch mơ chương trình: Mạch mơ phần mềm Proteus, mô hoạt động cảm biến LM35 với giải mã ADC0808 vi điều khiển 8051, kết hiển thị hình LCD 16x2 Bài tập lớn 36 Trang Code chương trình: #include #define VREF //VREF=5V //Khai bao chan giao tiep ADC0808 #define ADC0808_DATA P3 //PORT #define ADC0808_A P2_0 //PIN #define ADC0808_B P2_1 #define ADC0808_C P2_2 #define ADC0808_ALE P2_3 #define ADC0808_START P2_4 #define ADC0808_EOC P2_5 #define ADC0808_OE P2_6 #define ADC0808_CLK P2_7 //Khai bao chan giao tiep LCD16x2 4bit #define LCD_RS P0_0 #define LCD_RW P0_1 #define LCD_EN P0_2 #define LCD_D4 P0_4 #define LCD_D5 P0_5 #define LCD_D6 P0_6 #define LCD_D7 P0_7 /*****************ADC0808*********************/ //Ham doc ADC0808 theo kenh unsigned char ADC0808_Read(unsigned char channel) { unsigned char kq; Bài tập lớn 37 Trang ADC0808_A = channel & 0x01; ADC0808_B = channel & 0x02; ADC0808_C = channel & 0x04; ADC0808_ALE = 1; ADC0808_START = 1; ADC0808_ALE = 0; ADC0808_START = 0; while(ADC0808_EOC); while(!ADC0808_EOC); ADC0808_OE = 1; kq = ADC0808_DATA; ADC0808_OE = 0; return kq; } /*****************Ham delay*********************/ void delay_us(unsigned int t){ unsigned int i; for(i=0;i>2)&1; LCD_D7=(Data>>3)&1; } // Ham Gui Lenh Cho LCD void LCD_SendCommand(unsigned char command){ LCD_Send4Bit(command >>4);/* Gui bit cao */ LCD_Enable(); LCD_Send4Bit(command); /* Gui bit thap*/ LCD_Enable(); } void LCD_Clear(){// Ham Xoa Man Hinh LCD LCD_SendCommand(0x01); delay_us(10); } / Ham Khoi Tao LCD void LCD_Init(){ LCD_Send4Bit(0x00); Bài tập lớn 38 Trang delay_ms(20); LCD_RS=0; LCD_RW=0; LCD_Send4Bit(0x03); LCD_Enable(); delay_ms(5); LCD_Enable(); delay_us(100); LCD_Enable(); LCD_Send4Bit(0x02); LCD_Enable(); LCD_SendCommand( 0x28 ); // giao thuc bit, hien thi hang, ki tu 5x8 LCD_SendCommand( 0x0c); // cho phep hien thi man hinh LCD_SendCommand( 0x06 ); // tang ID, khong dich khung hinh LCD_SendCommand(0x01); // xoa toan bo khung hinh } void LCD_Gotoxy(unsigned char x, unsigned char y){ unsigned char address; if(!y)address=(0x80+x); else address=(0xc0+x); delay_us(1000); LCD_SendCommand(address); delay_us(50); } void LCD_PutChar(unsigned char Data){//Ham Gui Ki Tu LCD_RS=1; LCD_SendCommand(Data); LCD_RS=0 ; } void LCD_Puts(char *s){//Ham gui chuoi ky tu while (*s){ LCD_PutChar(*s); s++; } } /**************Show Temp*********************** unsigned char Temp(unsigned char adc){//Tinh nhiet tu adc8bit return ((VREF*adc)/2.56f); //Tinh nhiet } */ void TempShow(unsigned char z){ //Chuyen doi hien thi LCD_Puts("Nhiet do: "); LCD_PutChar((z/100)+48);//Tram LCD_PutChar((z%100/10)+48);//Chuc LCD_PutChar((z%10)+48);//Don vi LCD_Puts("'C"); } /******************Ctr ngat timer 0**************************/ void INT_Timer0()interrupt { //ctr phuc vu ngat tao xung clock cho ADC0808 ADC0808_CLK=~ADC0808_CLK; //Dao bit } Bài tập lớn 39 Trang /******************Ctr chinh**************************/ unsigned char temp; void main(){ //Tao xung clock cho ADC0808 dung ngat timer TMOD=0x02; //Timer0 8bit tu nap lai TH0=TL0=236;//Tao ngat 20us TR0=1;//Khoi dong timer0 ET0=1;//Ngat timer0 EA=1;//Cho phep ngat cuc bo //init LCD_Init();//Khoi tao LCD delay_ms(200); LCD_Puts("Do nhiet ");//Gui chuoi len LCD delay_ms(500); LCD_Clear();//Xoa man hinh LCD_Gotoxy(0,1); LCD_Puts("SangTaoClub.Net"); while(1){ LCD_Gotoxy(0,0); temp=ADC0808_Read(0); //Doc ADC0 //temp=Temp(temp); //Tinh nhiet TempShow(temp); //Hien thi nhiet delay_ms(500);//0.5s doc mot lan } Trong thực tế, chế tạo người ta thường kết hợp cảm biến nhiệt độ cảm biến đo độ ẩm vào thiết bị dùng để đo đa hơn, kể đến đồng hồ vạn niên, ngồi chức ngày giờ, báo nhiệt độ độ ẩm phòng Tài liệu tham khảo Tài liệu + Giáo trình cảm biến cơng nghiệp – Ths Hồng Minh Công + Kỹ thuật đo lường cảm biến – ĐH SPKT TPHCM + Giáo trình Đo lường cảm biến Trang web http://sangtaoclub.net/bai-viet/192-bai-13-do-nhiet-do-dung-lm35-ket-hopic-adc0808-voi-8051.html http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf (datasheet LM35) http://www.ti.com/lit/ds/symlink/adc0808-n.pdf (datasheet ADC0808) Bài tập lớn 40 Trang ... nhiều cảm biến kể đến như: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến ánh sáng, cảm biến từ trường, cảm biến điện dung, cảm biến khoảng cách, cảm biến mức, cảm biến thay thế, cảm biến vận tốc, cảm biến. .. đo nhiệt độ chuẩn Nhiệt độ cần đo nhiệt độ đo: Giả sử mơi trường đo có nhiệt độ thực T x, đo ta nhận nhiệt độ Tc nhiệt độ phần tử cảm nhận cảm biến Nhiệt độ T x gọi nhiệt độ cần đo, nhiệt độ. .. tốc, cảm biến lực, cảm biến trạng thái căng (strain), cảm biến xúc giác, cảm biến áp suất, cảm biến dòng chảy, cảm biến hóa học, cảm biến tiệm cận, cảm biến thơng minh, … Cảm biến quang Trong cảm