Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ được mô tả trong hình 4.6. Mạch gồm hai khối: - Khối cảm biến nhiệt độ;
VCC 1 Vout 2 GND 3 U8 LM35CAZ GND 75 R21 1uF + C34 +5V 2 3 1 A 8 4 U7A LM358AD 5 6 7 B 8 4 U7B LM358AD 20k R22 10k R23 10uF +C25 100nF C26 GND ADC
Hình 4.6: Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt độ.
Khối cảm biến nhiệt độ
Khối này sử dụng cảm biến LM35 [16], đây là một trong những IC thuộc họ cảm biến nhiệt độ tương tự, được sản xuất theo công nghệ bán dẫn dựa trên các chất bán dẫn dễ bị tác động bởi sự thay đổi của nhiệt độ, đầu ra của cảm biến là điện áp (V) tỉ lệ với nhiệt độ mà nó được đặt trong môi trường cần đo. Sơ đồ chân và dải điện áp ra của LM35 được mô tả trong hình 4.7.
Chân 1: Nguồn cung cấp từ 4 đến 20V; Chân 2: Điện áp ra từ 0 đến 1000mV theo
thang 0mV + 10mV/oC; Chân 3: Nối đất.
Hình 4.7: Sơ đồ chân và các giá trị điện áp vào ra của LM35.
Khối mạch khuếch đại
Khối này sử dụng IC LM358AD [17], khuếch đại điện áp từ LM35 để phù hợp với thế chuẩn của ADC trên vi điều khiển. Sơ đồ LM358 được mô tả trong hình 4.8.
Chức năng các chân IC LM358AD được mô tả trong bảng 4.1.
Bảng 4.1: Chức năng các chân IC LM358AD.
Chân Chức năng
1 Đầu ra 1 2 Đầu vào đảo 3 Đầu vào không đảo 4 Đất
5 Đầu vào không đảo 2 6 Đầu vào đảo 2 7 Đầu ra 2 8 Nguồn dương
Giá trị ghép nối LM35 với ADC của vi điều khiển
Ta chọn bộ ADC 10 bit của AT91SAM7S64 → có 1024 mức lượng tử Trường hợp 1: ghép nối thẳng LM35 với ADC
- Vref của ADC = 3.3V
- Dải đo LM35: 0 – 100 oC, 10mV/oC - Vout (điện áp ra LM35) từ 0V – 1V → Đầu vào ADCmax của LM35 =
3.3V V 1
x 1024 = 320 mức
→ Mức tương ứng với nhiệt độ đo LM35: 1 mức =
320 V 1
≈ 3.1mV ≈ 0.3 oC
Vậy nhiệt độ thay đổi ± 0.3 oC, Vin (ADC) thay đổi 3.1mV thì vi điều khiển mới phát hiện được có sự thay đổi nhiệt độ môi trường.
- Trường hợp 2: ghép nối LM35 qua khối mạch khuếch đại (IC LM358AD) đến bộ ADC.
Để giảm sai số, ta cho khuếch đại điện áp ra của LM35 lên ba lần để phù hợp với thế chuẩn của bộ ADC. Hệ số khuếch đại: K = 1 +
1 2 R R Trong đó R2 = 20KΩ, R1 = 10KΩ → K = 3 Lúc này Vin (ADC) từ 0V – 3V → ADCmax = 3.3V V 3 x 1024 = 931 mức
→ Mức tương ứng với nhiệt độ: 1 mức =
931 V 3
≈ 3.1mV
→ Do qua bộ khuếch đại nên 1 mức LM35 =
3 mV 1 . 3 ≈ 1mV ≈ 0.1 oC
Vậy nhiệt độ thay đổi ± 0.1 oC, Vin (ADC) thay đổi 1mV thì vi điều khiển phát hiện được có sự thay đổi nhiệt độ môi trường, làm giảm sai số được ba lần so với trường hợp sử dụng trực tiếp đầu ra từ LM35.
Sử dụng thêm bộ khuếch đại ngoài tác dụng làm tăng độ phân dải còn có tác dụng làm bộ đệm trở kháng giữa LM35 và bộ ADC.
Việc đọc ADC được tính bởi công thức: ADC =
Vref Vin
x 2n
Trong đó: Vin là điện áp được đưa vào từ mạch cảm biến nhiệt độ. Vref = 3.3V (điện áp tham chiếu đầu vào của bộ ADC). 2n = 1024 (n = 10: là số bit của bộ ADC).
Bước thay đổi của ADC là:
1024 3.3V
= 3.2mV
Tại 0 oC thì giá trị đầu ra của LM35 là 0mV tương ứng với ADC = 0; Với ADC = 1 thì điện áp tương ứng là 3.2mV.
Mà LM35 thay đổi 10mV/oC nên giá trị ADC thay đổi trong một đơn vị thì nhiệt độ thay đổi là:
10mV 3.2mV
= 0.32
Vậy nhiệt độ đầu ra là: T = ADC * 0.32