Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau. Thông thường nhiệt độ đo được chia thành ba dải: Nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình, nhiệt độ cao. Ở nhiệt độ trung bình và thấp phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc nghĩa là các cảm biến được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo. Đối với nhiệt độ cao đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo.
Trang 1Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ
1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ
Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau Thông thường nhiệt độ đo được chia thành ba dải: Nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình, nhiệt độ cao Ở nhiệt độ trung bình và thấp phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc nghĩa là các cảm biến được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo Đối với nhiệt độ cao đo bằng phương pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo
- Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc
Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếp xúc Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đối với môi trường khí hoặc nước, chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy Với vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn hao nhiệt, nhất là với vật dẫn nhiệt kém Do vậy diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt Khi đo nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất…), cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài
- Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc
Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặc trưng bằng mật độ phổ E nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một dơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của
độ dài sóng Quan hệ giữa mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ
và độ dài sóng được biểu diễn bằng công thức :
1 ) /(
2 5 1
Trang 2Trong đó : C1, C2 – hằng số, - độ dài sóng, T – nhiệt độ tuyệt đối
C1=37,03.10-17 Jm2/s; C2=1,432.10-2 m.độ
1.2 CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ
1.2.1 Nhiệt điện trở
Nguyên lý hoạt động của các loại nhiệt điện trở chủ yếu là dựa trên sự thay đổi giá trị điện trở của các loại vật liệu dẫn điện và bán dẫn khi có sự thay đổi nhiệt độ của chúng Chính vì vậy mà người ta sử dụng nhiệt điện trở làm phần tử cảm biến nhiệt độ; tuy nhiên tùy theo yêu cầu sử dụng mà người ta có thể dùng nhiệt điện trở kim loại hoặc nhiệt điện trở bán dẫn
1 Nhiệt điện trở kim loại
Đối với nhiệt điện trở kim loại thì việc chế tạo nó thích hợp hơn cả là sử dụng các kim loại nguyên chất như: platin, đồng, niken Để tăng độ nhạy cảm nên sử dụng các kim loại có hệ số nhiệt điện trở càng lớn càng tốt Tuy nhiên tùy thuộc vào khoảng nhiệt độ cần kiểm tra mà ta có thể sử dụng nhiệt điện trở loại này hay khác Cụ thể: nhiệt điện trở chế tạo từ dây dẫn bằng đồng thường làm việc trong khoảng nhiệt độ từ -500¸+1500C với hệ số nhiệt điện trở
a=4,27.10-3; Nhiệt điện trở từ dây dẫn platin mảnh làm việc trong khoảng nhiệt
độ -1900¸ +6500C với a=3,968.10-3
C 0 1
; Nhưng khi làm việc ngắn hạn, cũng như khi đặt điện trở nhiệt trong chân không hoặc khí trung tính thì nhiệt độ làm việc lớn nhất của nó có thể còn cao hơn
Cấu trúc của nhiệt điện trở kim loại bao gồm: dây dẫn mảnh kép đôi quấn trên khung cách điện tạo thành phần tử nhạy cảm, nó được đặt trong chiếc vỏ đặc biệt có các cực đưa ra Giá trị điện trở nhiệt được chế tạo từ 10¸100W
Đối với nhiệt điện trở kim loại thì quan hệ giữa điện trở với nhiệt độ có dạng sau:
R(q) = R 0 (1+a.q +b.q 2 +g.q 3 + )
Trong đó : R0 -điện trở dây dẫn ứng với nhiệt độ ban đầu 00C
Trang 3Rq -điện trở dây dẫn ứng với nhiệt độ q.
q -nhiệt độ [0C]
a,b,g -các hệ số nhiệt điện trở = const
C 0 1
Để thấy rõ hơn nữa về bản chất của nhiệt điện trở kim loại, chúng ta có thể
xem qua điện trở suất của nó được tính theo công thức :
.e.μ
n
1 ρ
Trong đó: n- -số điện tử tự do trong một đơn vị thể tích
e -điện tích của điện tử tự do
m- -tính linh hoạt của điện tử, được đặc trưng bởi tốc độ của nó
trong trường có cường độ 1vôn/cm
Các kim loại dùng làm điện trở nhiệt thường có điện trở suất nhỏ r » 10-5
¸10-6 W/cm, và có mật độ điện tử lớn (không phụ thuộc vào nhiệt độ) Khi nhiệt
độ tăng r phụ thuộc vào sự dao động của mạng tinh thể kim loại, tức là nó được
xác định bởi tính linh hoạt của các điện tử Như vậy khi có sự thay đổi nhiệt độ
thì cũng làm cho tính linh hoạt của các điện tử thay đổi theo Tuy nhiên tính linh
Hình1.1 Đặc tính nhiệt (a) và đặc tính vôn_ampe
của nhiệt điện trở kim loại (b)
đồng
platin
R 10W
5W
0 20 40 60 q° K
U
I 0
Trang 4điện trở suất của kim loại nguyên chất có thể xác định theo dạng: r = r0 + r(q), trong đó r0 không phụ thuộc vào nhiệt độ; còn r(q) là một hàm phụ thuộc không
cố định: ứng với nhiệt độ trong khoảng nào đó thì nó là tuyến tính r(q) = K.q, nhưng ứng với nhiệt độ rất thấp (» 00C) thì quan hệ đó là hàm bậc năm của nhiệt độ Trên hình 1.1.a biểu diễn mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ, hình 1.1.b là dạng đặc tính vôn-ampe của nhiệt điện trở kim loại
Độ nhạy cảm của nhiệt điện trở được xác định theo biểu thức:
θ ΔΔθR
d
dR
S » Trong đó: DR -sự thay đổi điện trở khi có sự thay đổi nhiệt độ Dq Việc
sử dụng nhiệt điện trở kim loại để đo nhiệt độ cao rất tin cậy, đảm bảo độ chính xác cao đến 0,0010C và sai số đo không quá 0,5 đến 1%; Tuy nhiên khi đó dòng tải qua nó có giá trị không lớn lắm Nếu như có dòng điện lớn luôn chạy qua nhiệt điện trở, thì sự quá nhiệt của nó sẽ lớn hơn rất nhiều so với môi trường xung quanh Khi đó độ quá nhiệt xác lập sẽ được xác định bởi điều kiện truyền nhiệt trên bề mặt của nhiệt điện trở (tốc độ chuyển động của môi trường cần kiểm tra so với nhiệt điện trở, và tỷ trọng của môi trường đó) Hiện tượng này được sử dụng để đo tốc độ thông lượng (dòng chảy) của chất lỏng và khí, cũng như để đo tỷ trọng của khí Bên cạnh ưu điểm trên thì bản thân nhiệt điện trở kim loại có những nhược điểm sau:
Thứ nhất nó là khâu phi chu kỳ được mô tả bằng phương trình vi phân bậc nhất đơn giản
(TP+1)R(t) = Kq(t)
Trong đó hằng số thời gian T của nó có giá trị từ vài giây đến vài trăm giây K chính là độ nhạy S
Thứ hai rất cơ bản đó là kích thước của nhiệt điện trở kim loại lớn nên hạn chếviệc sử dụng nó để đo nhiệt độ ở nơi hẹp
2 Nhiệt điện trở bán dẫn
Trang 5Nhiệt điện trở được chế tạo từ vật liệu bán dẫn được gọi là termistor; Chúng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động kiểm tra và điều khiển Termistor được chế tạo từ hợp kim của đồng - măng gan hoặc cô ban - măng gan dưới dạng thỏi, đĩa tròn hoặc hình cầu Loại này hoàn toàn trái ngược với nhiệt điện trở kim loại: khi nhiệt độ tăng thì điện trở của nó lại giảm theo quy luật:
R(q) = R 0 e -aq = R 0 (1- aq +
2
2 θ 2
α - ) (1.7)
Trong đó hệ số nhiệt điện trở của termistor thường có giá trị
a = (0,03 ¸ 0,06)
C 0 1
Điện trở suất của termistor được tính theo công thức:
r = A.e B/q
Trong đó: A -hằng số phụ thuộc kích thước của termistor
B -hằng số phụ thuộc tạp chất trong chất bán dẫn
Cũng như điện trở nhiệt kim loại, termistor cũng có hai đặc tính: Đặc tính nhiệt là quan
hệ giữa điện trở của termistor với nhiệt độ (hình 1.2.a) và đặc tính vôn - ampe là quan hệ giữa điện áp đặt trên termistor với dòng điện chạy qua nó ứng với nhiệt độ nào đó q0 (hình 1.2.b) Chúng ta thấy rằng đặc tính vôn - ampe của termistor có giá trị cực đại của U ứng với I1 nào đó, là do khi tăng dòng lớn hơn I1 thì nó sẽ nung nóng termistor và làm cho giá trị điện trở của nó giảm xuống
U
q03 > q02 > q01
q01
q02
q03
0 I
R [W]
1200
1000
800
600
400
200
0 20 40 60 80 100 q°C
b) a)
Hình 1.2 Đặc tính nhiệt (a) và đặc tính vôn - ampe (b)
của nhiệt điện trở bán dẫn.
Trang 6Các loại termistor thường được chế tạo từ vài chục W đến vài chục KW Termistor có điện trở lớn cho phép đặt nó ở
vị trí cần kiểm tra khá xa so với nơi bố trí hệ
thống đo lường Chúng có thể làm việc trong
khoảng nhiệt độ từ –600C đến +1800C, và
cho phép đo nhiệt độ với độ chính xác
0,00050C Để sử dụng termistor ở nhiệt độ
lớn hơn, hoặc nhỏ hơn khoảng nhiệt độ làm
việc bình thường thì người ta phải sử dụng
đến các tổ hợp chất bán dẫn khác So với
điện trở nhiệt kim loại thì termistor có kích
thước và trọng lượng nhỏ hơn, do đó cho phép chúng ta đặt nó ở những nơi chật hẹp để kiểm tra nhiệt độ của đối tượng nào đó
1.2.2 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu
Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu là một mạch có từ hai hay nhiều thanh dẫn điện gồm hai dây dẫn A và
B Chỗ nối giữa hai thanh
kim loại này được hàn với
nhau Nếu nhiệt độ các mối
hàn t và t0 khác nhau thì
trong mạch khép kín có một
dòng điện chạy qua Chiều
của dòng nhiệt điện này
phụ thuộc vào nhiệt độ
tuơng ứng của mối hàn, nghĩa là t > t0 thì dòng điện chạy theo hướng ngược lại Nếu để hở một đầu thì giữa hai cực xuất hiện một sức điện động (sđđ) nhiệt Như vậy bằng cách đo sđđ ta có thể tìm được nhiệt độ t của đối tượng đo với t0 = const
Cách đấu dụng cụ đo vào mạch bộ biến đổi nhiệt điện trên hình 1.4b
+ E _
R1
R2
R3 UR
RT
U I
R
q qV
Hình 1.3 Sơ đồ cầu điện trở đo nhiệt
độ
2
1 t
t0
C
t0 t0
1
Hình 1.4 a) Sơ đồ cặp nhiệt ngẫu, b) Sơ đồ nối cặp nhiệt ngẫu
Trang 71.2.3 Cảm biến quang đo nhiệt độ
Tất cả các vật thể có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tuyệt đối đều phát ra các bức xạ nhiệt Dụng cụ đo nhiệt độ vật thể bằng bức xạ nhiệt được gọi là hoả kế bức xạ hay một cách đơn giản là hoả kế
Bức xạ nhiệt là các bức xạ điện từ tạo ra các chất do nội năng của chúng (với bức xạ huỳnh quang do kích thích của nguồn ngoài) Ta nhận thấy rằng cường độ bức xạ nhiệt giảm mạnh khi nhiệt độ của vật giảm
Hoả kế được dùng chủ yếu để đo nhiệt độ từ 300 - 60000 C và cao hơn
Để đo nhiệt độ đến 30000 C phương pháp duy nhất là dùng hoả kế vì nó không phải tiếp xúc với môi trường đo Ta nhận thấy với phương pháp đo không tiếp xúc có tính ưu việt là không làm sai lệch nhiệt của đối tượng đo
Ngoài ra để đo nhiệt độ người ta còn dùng: Nhiệt kế áp suất, nhiệt kế áp suất khí, nhiệt kế áp suất chất lỏng
Trang 8Chương 2 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MODUL XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ ĐO
NHIỆT ĐỘ 2.1 MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ
Bao gồm:
2.1.1 Khối nguồn cấp
2.1.2 Khối nguồn dòng
Cảm biến nhiệt độ PT100 là cảm biến nhiệt độ dạng điện trở Khi nhiệt độ thay đổi, giá trị điện trở của PT100 sẽ thay đổi theo nếu cấp cho PT100 một giá trị dòng điện không đổi thì giá trị điện áp trên cảm biến sẽ được tính theo định luật:
U= R I
U : Là giá trị điện áp trên hai đầu cảm biến
R : Điện trở của cảm biến tại T0C
2.1.3 Khối ADC
Các bộ chuyển đổi ADC thuộc những thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất để thu
dữ liệu Các máy tính số sử dụng các giá trị nhị phân, nhưng trong thế giới vật lý thì mọi đại lượng ở dạng tương tự (liên tục) Nhiệt độ, áp suất (khí hoặc chất lỏng), độ ẩm và vận tốc và một số ít những đại lượng vật lý của thế giới thực mà
ta gặp hằng ngày Một đại lượng vật lý được chuyển về dòng điện hoặc điện áp qua một thiết bị được gọi là các bộ biến đổi Các bộ biến đổi cũng có thể coi như các bộ cảm biến Mặc dù chỉ có các bộ cảm biến nhiệt, tốc độ, áp suất, ánh sáng
và nhiều đại lượng tự nhiên khác nhưng chúng đều cho ra các tín hiệu dạng dòng điện hoặc điên áp ở dạng liên tục Do vậy, ta cần một bộ chuyển đổi tương tự số sao cho bộ vi điều khiển có thể đọc được chúng Một chip ADC được sử dụng rộng rãi là ADC0804
2.1.4 Khối khuếch đại
Vì tín hiệu điện áp ra có biên độ nhỏ, do vậy ta cần có bộ khuếch đại
Trang 92.1.5 Khối hiển thị
Trong mạch sử dụng khối hiển bằng led 7 đoạn
-Bộ phận hiển thị gồm 4 LED 7 đoạn anod chung Vì các vi xử lí xử lí
các dữ liệu là số nhị phân (1,0 ) nên cần có sự giãi mã từ số nhị phân sang số thập phân Sự giải mã có thể dùng giải mã bằng phần cứng (IC giải mã) Tuy nhiên với phần mềm quét LED người ta có thể giảm bớt được các IC giải mã giảm giá thành của mạch điện Nhưng để kết nối với mạch hiển thị phải cần có IC giao tiếp vào ra vì các port của 8051 đã dùng cho mục đích khác 8255 là IC giao tiếp vào ra song song thông dụng và có thể điều khiển được bằng phần mềm nên em sử dụng 8255 để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi (phần hiển thị…) Vì dòng ra các port của 8255 rất nhỏ (lớn nhất là port A khoảng 5mA) nên cần có IC đệm dòng để nâng dòng lên đủ kéo cho LED sáng Em chọn IC đệm 74245 Khi đưa dữ liệu ra để hiển thị tất cả các LED đều nhận nhưng tại một thời điểm chỉ cho phép một LED được nhận dữ liệu nên phải có mạch giải mã để chọn LED
2.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
2.2.1 Khối nguồn cấp
+5V
-5V
78L05 in
1 gn
out 3 BT1
C10 +
D1
1
2
C6 + R16
D2
C8 AC12V
1
BT3
Q5 D468
C9 +
C11
+
F1 FUSE
C7 + R17
D3
BT2
R18
7660 NC 1 C+
2
C-4 OUT 5
LV 6 OSC 7
Hình 2.4 Nguồn cấp cho mạch
Trang 102.2.2 Mạch nguồn dòng
+5V
2 1
PT100-1
A1015Q5
A1015 Q6 R25
R26
Hình 2.5 Mạch tạo nguồn dòng
2.2.3 Mạch khuếch đại
-5V
-5V
+
3
4558/SO
R29 R22
R23
Hình 2.6 Mạch khuếch đại không đảo
Trang 11BUZZ
C1 5V
+5V
-5V +5V
C2-VCC
ch2
TXD TXD
VCC c/f
bat
ca2
led
ca3 TXD-S
TXD-S
ca4
GND RESET
+5V +5V
+5V
+5V
+5V
-5V
+5V
+5V
-5V
RXD-PC
TXD-PC
V+
V-V+
V-GND
VCC
TXD-PC
C1+
C2-
C1-C1+
C2+
RXD RXD-PC
C2+
GND
CHAN2 CHAN1
VCC
GND
GND
CHAN1 CHAN2
MOSI
RESET RXD RESET
X1 X2
X1 X2
SCK MOSI
GND
MISO GND
SW1
SW2
SW3
SW4
VCC
SW1 SW2 SW3 SW4
VREF
R27
C/F
Q5 A1015 D5
PT100-1
1 2
78L05
in gn
out 3
4558/SO
3
2 1
-+
R28
f d c
dot g
a
e b
A A
A e A2 f c a g b
VCC VREF VCC
SCK MISO
BT1
R20
ATMEGA8 MASTER RESET 1 PD0/RXD 2 PD1/TXD 3 PD2 4 PD3 5 PD4 6 VCC 7 DGND 8 PB6/X1 9 PB7/X2 10 PD5 11 PD6 12 PD7 13 PB0 14 PB1 15 PB2 16 PB3/MOSI17 PB4/MISO18 PB5/SCK 19 AVCC20 AVREFGND21 22 PC0/ADC023 PC1/ADC124 PC2/ADC225 PC3 26 PC4/SDA 27 PC5/SCL 28
R11
R8 Q4
A1015
C2 +
R4
C10 +
C14 +
D1
1
2
Q7 A1015 R26
Q3 A1015
R5
R25
R1 R6
R21
R22
C6
+
Q6 A1015
C13 +
R16
D2
R29
HOLD
L1
C8
Q8 A1015
PT100-2
1 2
MAX232
C1+
1 C1-3 C2+
4 C2-5 V+
2 V-6
R1OUT12 R2OUT9 T1IN 11
T2IN 10
R1IN 13
R2IN 8 T1OUT14 T2OUT7
R8 C4
AC12V
1
2
R23
C12 +
BUZZ + 1- 2
C5
R10
R7
R7
BT3
Q5 D468
C9 +
C11
+
D8
F1 FUSE
C7 +
4MHZ
R1
4558/SO
5
6 7
-+
Q2 A1015
R17
ISP
1 2 3 4 5 6
D3
D7
R2 R6
BT2
R9
ATMEGA8 SLAVE RESET 1 PD0/RxD 2 PD1/TxD 3 PD2 4 PD3 5 PD4 6 VCC 7 DGND 8 PB6/X1 9 PB7/X2 10 PD5 11 PD6 12 PD7 13 PB0 14 PB1 15 PB2 16 PB3/MOSI17 PB4/MISO18 PB5/SCK 19 AVCC20 AVREF21 GND22 PC0 23 PC1 24 PC2 25 PC3 26 PC4/SDA27 PC5/SCL 28
R12
PC
RS232
5
9
4
8
3
7
2
6
1
R24
R26 MENU
R18
R3 R15
7660 NC 1 C+
2
C-4 OUT5
LV 6 OSC 7
C3
Q1 A1015
R13
D4
R19
R9
C15
+
CH
D6
Trang 12Chương 3 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 3.1 THUẬT TOÁN CHO CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Code chương trình
#include <mega8.h>
// Standard Input/Output functions
#include <stdio.h>
#define FIRST_ADC_INPUT 3
#define LAST_ADC_INPUT 5
unsigned int adc_data[LAST_ADC_INPUT-FIRST_ADC_INPUT+1];
#define ADC_VREF_TYPE 0x00
// ADC interrupt service routine
// with auto input scanning
interrupt [ADC_INT] void adc_isr(void)
{
register static unsigned char input_index=0;
// Read the AD conversion result
adc_data[input_index]=ADCW;
// Select next ADC input
if (++input_index > (LAST_ADC_INPUT-FIRST_ADC_INPUT))
input_index=0;
ADMUX=(FIRST_ADC_INPUT|ADC_VREF_TYPE)+input_index;
// Start the AD conversion
ADCSRA|=0x40;
}
//
//unsigned int bit ok_hold=1,ok_cf=1,ok_ch=1;
bit ch1=1,ch2=0;//xac dinh cac kenh dau vao
bit test_ok=0;
//***********************************************
void buzz()
{
unsigned int dem=0;
for (dem=0;dem<60;dem++)
{
PORTC.0=PORTC.0^0x01;
delay_ms(1);
}
}
