Hỡnh 5.15: Giải thuật chương trỡnh đọc ADC và chương trỡnh đổi số nhị phõn sang mó BCD
Bắt đầu
Đọc dữ liệu A/D
Chia số cần đổi cho 10 được số dư là hàngđơn vị
Chia tiếp kết quả cho 10 được số chục và trăm
Lưu kết quả vào bộ nhớ
Người thực hiện: Nguyễn Thị Phương Huệ Khoỏ học: 2008-2010 62 5.4.3. Giải thuật xuất LED Hỡnh 5.16 Giải thuật xuất LED Bắt đầu Chọn dữ liệu cần hiển thị
Lấy mó LED đưa ra LED chọn LED kế
Người thực hiện: Nguyễn Thị Phương Huệ Khoỏ học: 2008-2010 63 5.4.4. Giải thuật chương trỡnh tăng giảm : Hỡnh 5.17 Giải thuật chương trỡnh tăng giảm START Cể NHẤN MODE Nhấn tăng Nhấn giảm Gọi chương trỡnh hiển thị Tăng 1 đơn vị Giảm 1 đơnvị N Y Y Y N N
Người thực hiện: Nguyễn Thị Phương Huệ Khoỏ học: 2008-2010
64
5.4.5.Giải thuật chương trỡnh so sỏnh và điều khiển :
Hỡnh 5.18 Giải thuật chương trỡnh so sỏnh và điều khiển
START
So sỏnh nhiệt độ đặt với nhiệt độ hiện tại
Cấp nguồn cho phần cụng suất
Người thực hiện: Nguyễn Thị Phương Huệ Khoỏ học: 2008-2010
65
Phần II: XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐO VÀ
ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
BÀI I : GHẫP NỐI CẢM BIẾN VỚI MẠCH ĐO
1. Mục đớch:
Trờn thực tế cú rõt nhiều loại cảm biến khỏc nhau, để cú thể ghộp nối cỏc loại cảm biến này với mạch đo thỡ sinh viờn phải nắm được cấu tạo cũng như nguyờn lý làm việc của nú. Với mục đớch như vậy bài thớ nghiệm này sẽ giỳp sinh viờn cú thể đấu nối được cảm biến với mạch đo một cỏch đơn giản và nhanh chúng.
2. Một số loại cảm biến nhiệt.
- Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ).
- Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ). - Thermistor.
- Bỏn dẫn ( Diode, IC ,….).
- Ngoài ra cũn cú loại đo nhiệt khụng tiếp xỳc ( hỏa kế- Pyrometer ). Dựng hồng ngoại hay lazer.
* Cặp nhiệt điện (Thermocouples).
- Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khỏc nhau, hàn dớnh một đầu. - Nguyờn lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV). - Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
- Khuyết điểm: Nhiều yếu tốảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy khụng cao. - Thường dựng: Lũ nhiệt, mụi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt mỏy nộn,… - Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C
Người thực hiện: Nguyễn Thị Phương Huệ Khoỏ học: 2008-2010
66
- Gồm 2 dõy kim loại khỏc nhau được hàn dớnh 1 đầu gọi là đầu núng ( hay đầu
đo), hai đầu cũn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi cú sự chờnh lệch nhiệt
độ giữa đầu núng và đầu lạnh thỡ sẽ phỏt sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đềđặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độởđầu lạnh, điều này tựy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra cỏc chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khỏc nhau: E, J, K, R, S, T. Cỏc bạn lưu ý điều này để chọn đầu dũ và bộđiều khiển cho thớch hợp.
- Dõy của cặp nhiệt điện thỡ khụng dài để nối đến bộđiều khiển, yếu tố dẫn đến khụng chớnh xỏc là chổ này, để giải quyết điều này chỳng ta phải bự trừ cho nú (offset trờn bộđiều khiển).
Lưu ý khi sử dụng:
- Từ những yếu tố trờn khi sử dụng loại cảm biến này chỳng ta lưu ý là khụng nờn nối thờm dõy (vỡ tớn hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều). Cọng dõy của cảm biến nờn để thụng thoỏng (đừng cho cọng dõy này dớnh vào mụi trường đo). Cuối cựng là nờn kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị.
- Lưu ý: Vỡ tớn hiệu cho ra là điện ỏp (cú cực õm và dương) do vậy cần chỳ ý kớ
hiệu để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đỳng.
Hỡnh5.20 Cặp nhiệt điện
* Nhiệt điện trở ( RTD- resitance temperature detector).
- Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khỏc nhau, hàn dớnh một đầu. - Nguyờn lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV). - Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
- Khuyết điểm: Nhiều yếu tốảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy khụng cao. - Thường dựng: Lũ nhiệt, mụi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt mỏy nộn,… - Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C
Người thực hiện: Nguyễn Thị Phương Huệ Khoỏ học: 2008-2010
67
Hỡnh 5.21 Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD
- Cấu tạo của RTD gồm cú dõy kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tựy theo hỡnh dỏng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dõy kim loại này sẽ thay đổi, và tựy chất liệu kim loại sẽ cú độ tuyến tớnh trong một khoảng nhiệt độ nhất định.Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ
Platinum. Platinum cú điện trở suất cao, chống oxy húa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo
được dài. Thường cú cỏc loại: 100, 200, 500, 1000 ohm tại 0 D.C. Điện trở càng cao thỡ độ nhạy nhiệt càng cao.
- RTD thường cú loại 2 dõy, 3 dõy và 4 dõy. Lưu ý khi sử dụng:
- Loại RTD 4 dõy giảm điện trở dõy dẫn đi 1/2, giỳp hạn chế sai số.
- Cỏch sử dụng của RTD khỏ dễ chịu hơn so với Thermocouple. Chỳng ta cú thể nối thờm dõy cho loại cảm biến này ( hàn kĩ, chất lượng dõy tốt, cú chống nhiễu ) và cú thểđo test bằng VOM được.
- Vỡ là biến thiờn điện trở nờn khụng quan tõm đến chiều đấu dõy.
Hỡnh 5.22 Cảm biến dạng NTD
* Thermistor
- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp cỏc oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,… - Nguyờn lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
Người thực hiện: Nguyễn Thị Phương Huệ Khoỏ học: 2008-2010
68
- Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo. - Khuyết điểm: Dóy tuyến tớnh hẹp.
- Thường dựng: Làm cỏc chức năng bảo vệ, ộp vào cuộn dõy động cơ, mạch điện tử. - Tầm đo: 50 <150 D.C.
Hỡnh5.23 Cấu tạo Thermistor.
- Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp cỏc bột ocid. Cỏc bột này được hũa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đú được nộn chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức
độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thayđổi.
- Cú hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số
nhiệt õm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dựng nhất là loại NTC. - Thermistor chỉ tuyển tớnh trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150D.C do vậy người ta ớt dựng để dựng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong cỏc mục đớch bảo vệ, ngắt nhiệt, cỏc bỏc nhà ta thường gọi là Tẹt-mớt. Cỏi Block lạnh nào cũng cú một vài bộ gắn chặt vào cuộn dõy động cơ.
Lưu ý khi sử dụng:
- Tựy vào nhiệt độ mụi trường nào mà chọn Thermistor cho thớch hợp, lưu ý hai loại PTC và NTC ( gọi nụm na là thường đúng/ thường hở ) Cú thể test dễ dàng với
đồng hồ VOM.
- Nờn ộp chặt vào bề mặt cần đo. - Trỏnh làm hỏng vỏ bảo vệ.
Người thực hiện: Nguyễn Thị Phương Huệ Khoỏ học: 2008-2010 69 Hỡnh5.24 Thermistor. * Bỏn dẫn - Cấu tạo: Làm từ cỏc loại chất bỏn dẫn.
- Nguyờn lý: Sự phõn cực của cỏc chất bỏn dẫn bịảnh hưởng bởi nhiệt độ.
- Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản. - Khuyết điểm: Khụng chịu nhiệt độ cao, kộm bền.
- Thường dựng: Đo nhiệt độ khụng khớ, dựng trong cỏc thiết bịđo, bảo vệ cỏc mạch
điện tử.
- Tầm đo: -50 <150 D.C.
Hỡnh 5.25 Tiếp giỏp p-n
- Cảm biến nhiệt Bỏn Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bỏn dẫn. Cú cỏc loại như Diode, Transistor, IC. Nguyờn lý của chỳng là dựa trờn mức độ
phõn cực của cỏc lớp P-N tuyến tớnh với nhiệt độ mụi trường. Ngày nay với sự phỏt triển của ngành cụng nghệ bỏn dẫn đó cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tớch hợp của nhiều ưu điểm: Độ chớnh xỏc cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn
định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,….
- Ta dễ dàng bắt gặp cỏc cảm biến loại này dưới dạng diode ( hỡnh dỏng tương tự
Người thực hiện: Nguyễn Thị Phương Huệ Khoỏ học: 2008-2010
70
thay đổi sẽ cho ra điện ỏp thay đổi. Điện ỏp này được phõn ỏp từ một điện ỏp chuẩn
cú trong mạch.
Hỡnh5.26a IC cảm biến nhiệt LM35 Hỡnh5.26b: Cảm biến nhiệt dạng Diode
Gần đõy cú cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chỳng hổ trợ luụn cả chuẩn truyền thụng I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hướng mới trong “ thế giới cảm biến”:
Hỡnh5.27a IC cảm biến nhiệt DS18B20 Hỡnh5.27bIC cảm biến nhiệt LM335 Lưu ý khi sử dụng: - Vỡ được chế tạo từ cỏc thành phần bỏn dẫn nờn cảm biến nhiệt Bỏn Dẫn kộm bền, khụng chịu nhiệt độ cao. Nếu vượt ngưỡng bảo vệ cú thể làm hỏng cảm biến.
- Cảm biến bỏn dẫn mỗi loại chỉ tuyến tớnh trong một giới hạn nào đú, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tỏc dụng. Hết sức quan tõm đến tầm đo của loại cảm biến này
đểđạt được sự chớnh xỏc.
- Loại cảm biến này kộm chịu đựng trong mụi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, húa chất cú tớnh ăn mũn, rung sốc va chạm mạnh.
* Nhiệt kế bức xạ (cũn gọi là hỏa kế- pyrometer).
- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học.
- Nguyờn lý: Đo tớnh chất bức xạ năng lượng của mụi trường mang nhiệt.
- Ưu điểm: Dựng trong mụi trường khắc nghiệt, khụng cần tiếp xỳc với mụi trường
đo.
- Khuyết điểm: Độ chớnh xỏc khụng cao, đắt tiền. - Thường dựng: Làm cỏc thiết bịđo cho lũ nung. - Tầm đo: -54 <1000 D.F.
Người thực hiện: Nguyễn Thị Phương Huệ Khoỏ học: 2008-2010
71
Hỡnh5.28 Hoả quang kế
- Nhiệt kế bức xạ ( hỏa kế ) là loại thiết bị chuyờn dụng dựng đểđo nhiệt độ của những mụi trường mà cỏc cảm biến thụng thường khụng thể tiếp xỳc được ( lũ nung thộp, húa chất ăn mũn mạnh, khú đặt cảm biến).
- Gồm cú cỏc loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sỏng, hỏa kế màu sắc. Chỳng hoạt động dựa trờn nguyờn tắc cỏc vật mang nhiệt sẽ cú hiện tượng bức xạ năng lượng. Và năng lượng bức xạ sẽ cú một bước súng nhất định. Hỏa kế sẽ thu nhận bước súng này và phõn tớch để cho ra nhiệt độ của vật cần đo.
Lưu ý khi sử dụng:
- Tựy theo thụng số của nhà sản xuất mà hỏa kế cú cỏc tầm đo khỏc nhau, tuy nhiờn
đa số hỏa kếđo ở khoảng nhiệt độ cao. Và vỡ đặc điểm khụng tiếp xỳc trực tiếp với vật cần đo nờn mức độ chớnh xỏc của hỏa kế khụng cao, chịu nhiều ảnh hưởng của mụi trường xung quanh ( gúc độđo, rung tay, ỏnh sỏng mụi trường ).
Hỡnh 5.29 Hỏa kế
3. Nguyờn lý chung của cảm biến
* Cảm biến nhiệt độ tiếp xỳc: là cảm biến được đặt bờn trong hoặc trờn bề mặt đối tượng đo, sự truyền nhiệt xảy ra giữa bề mặt tiếp xỳc giữa cảm biến và vật đo, quỏ trỡnh này thường mất một khoảng thời gian đểđạt được sự cõn bằng nhiệt giữa cảm biến và đối tượng đo. Thuộc loại này cú những loại cảm biến sau:
Người thực hiện: Nguyễn Thị Phương Huệ Khoỏ học: 2008-2010
72
- Cảm biến điện trở: Hoạt động dựa trờn nguyờn lý: Điện trở của một số chất kim loại thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Cảm biến điện trởđược chia thành ba loại: điện trở kim loại, điện trở bỏn dẫn và đo nhiệt độ bằng điot và tranzitor.
- Cảm biến cặp nhiệt ngẫu: Hoạt động dựa trờn nguyờn lý của Seebeck: nếu nhiệt độ
mối hàn t và t0 khỏc nhau thỡ trong mạch khộp kớn cú một dũng điện chạy qua.
Chiều của dũng nhiệt điện này phụ thuộc vào nhiệt độ tương ứng của mối hàn,
nghĩa là nếu t > t0 thỡ dũng điện chạy theo hướng ngược lại. Nếu để hở một đầu thỡ
giữa hai cực xuất hiện một sức điện động nhiệt.
* Cảm biến nhiệt độ khụng tiếp xỳc: Cú nhiều loại khỏc nhau như theo ỏnh sỏng cú hoả quang kế bức xạ dựa trờn nguyờn lý tất cả cỏc vật thể cú nhiệt độ lớn hơn nhiệt
độ tuyệt đối đều phỏt ra cỏc bức xạ nhiệt là cỏc bức xạđiện từ tạo ra từ cỏc chất do nội năng của chỳng. Hoặc cú thể dựng hỡnh ảnh nhiệt quột hoặc dựng cảm biến siờu õm nhiệt độ dựng trong một số mụi trường khú đo nhiệt đo như trong khu vực nhiệt
độ thấp, vựng cú mức bức xạ cao trong lũ phản ứng hạt nhõn hoặc trong khu vực hoàn toàn kớn khụng tiện bố trớ bộ cảm biến ta cú thể dựng phương phỏp õm thanh
đểđo nhiệt độ dựa trờn quan hệ giữa nhiệt độ và mụi trường truyền õm.
90% cỏc phộp đo nhiệt độ trong cụng nghiệp, được thực hiện với nhiệt điện trở kim loại RTD và cặp nhiệt điện vỡ giỏ thành hợp lý, độ bền cao và dễ sử dụng lại cú dải đo phự hợp với hầu hết cỏc ứng dụng nờn luận văn tập trung phõn tớch hai loại cảm biến này.
4. Thực hành:
Sinh viờn phải thực hành theo cỏc bước sau:
Bước 1: Bật nguồn để kiểm tra điện ỏp cấp cho cỏc sensor tại vị trớ cọc đo được
đỏnh dấu theo thứ tự từ 1ữ4 trong đú chõn 1 được cố định đấu với nguồn dương (nguồn điện ỏp khoảng 5ữ24V tuỳ từng loại sensor), vị trớ chõn 4 được nối với mass.
Bước 2: Tắt nguồn của cỏc modul vi điều khiển đểđấu nối: Loại 1:Cặp nhiệt điện (Thermocouples).
Người thực hiện: Nguyễn Thị Phương Huệ Khoỏ học: 2008-2010 73 ADC Hỡnh 5.30 Sơđồ kết nối cặp nhiệt điện Loại 3: Bỏn dẫn ADC Hỡnh5.31 Sơđồ kết nối LM35
Loại 4: Nhiệt điện trở ( RTD- resitance temperature detector
Hỡnh5.32 Sơđồ kết nối RTD
Tương tự như võy sinh viờn dựa vào cấu tạo ở phần lý thuyết sẽ lần lượt ghộp nối một số loại cảm biến thụng dụng với mạch đo.
Người thực hiện: Nguyễn Thị Phương Huệ Khoỏ học: 2008-2010 74 BÀI II: THỰC HÀNH GHẫP NỐI MẠCH ĐO VỚI VI XỬ Lí, HIỂN THỊ KẾT QUẢ VÀ PHƯƠNG PHÁP BÙ SAI SỐ 1. Mục đớch:
Bài thớ nghiệm được xõy dựng trờn cơ sởđó thiết kế phần cứng của hệ thống đo và
điều khiển nhiệt độ, khi đó cú modul sinh viờn sẽđược ghộp nối với mỏy tớnh và hiển thị kết quả. Khụng những vậy bài thớ nghiệm là cơ hội để cỏc em được tiếp xỳc với thiết bị thực, đú là cỏc modul tạo nờn hệ thụng đo và điều khiển nhiệt độ, đồng thời giỳp cỏc em cú thể hiệu chỉnh được cỏc thụng số như: thang đo, thụng số về
offset… và biết được phương phỏp bự sai số.
2. Giao tiếp mỏy tớnh
Việc giao tiếp giữa mỏy tớnh với thiết bị ngoại vi cú thể giao tiếp bằng 3 cỏch: - Giao tiếp bằng Slot – Card
- Giao tiếp qua cổng song song (Mỏy in) - Giao tiếp qua cổng nối tiếp (COM)
a. Giao tiếp bằng Slot – Card
Bờn trong mỏy tớnh ngoài những khe cắm dành cho card vào-ra, card màn hỡnh vẫn cũn những rónh cắm để trống. Để giao tiếp với mỏy tớnh, ta cú thể thiết kế card mở
rộng để gắn vào khe mở rộng này. Ở mỏy tớnh PC/XT rónh cắm chỉ cú một loại với
độ rộng 8 bit và tuõn theo chuẩn ISA (Industry Standard Architecture). Rónh cắm theo tiờu chuẩn ISA cú 62 đường tớn hiệu, qua cỏc đường tớn hiệu này mỏy tớnh cú thể giao tiếp dễ dàng với thiết bị bờn ngoài thụng qua card mở rộng.
Trờn rónh cắm mở rộng, ngoài 20 đường địa chỉ, 8 đường dữ liệu, cũn cú một số đường điều khiển như: RESET, IOR, IOW, AEN, CLK…Do đú card giao tiếp với
