Đề tài thiết kế mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt độ lm35 và icl7107

Cảm biến nhiệt được biết đến với khả năng thực hiện các phép đo nhiệt độ ới độ vchính xác cao hơn nhiều so v i khi thớ ực hiện bằng các lo i c p nhiạ ặ ệt điện hoặc nhi t ệ kế.. Bộ phận

ĐẠ I HỌC BÁCH KHOA HÀ N I Ộ

Đề tài: Thiết kế m ạch đo nhiệt độ ử d ng c s ụ ảm biến nhi ệt độ LM35

MỤC L C Ụ

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 5

1.1 Đặ ấn đềt v 5

1.2 Mục tiêu đề tài 5

1.3 N i dung nghiên c u 5ộ ứ 1.4 Ý nghĩa đề 5tài CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN NHIỆT 6

2.1 Cảm biến nhi t là gì? 6ệ 2.2 C u t o cấ ạ ảm biến nhiệt thông thường 6

2.3 Nguyên lý hoạt động 7

2.4 Phân loại cảm bi n nhiế ệt độ 7

2.5 Một số loại c m biả ến nhiệt độ trên thị trường 7

2.5.1 C m bi n nhiả ế ệt độ ồ h ng ngo i IR sensor 7ạ 2.5.2 C m bi n nhiả ế ệt độ tiếp xúc 8

2.5.2.1 Cơ điện (Cặp nhiệt đi n – Thermocouple) 8 ệ 2.5.2.2 Nhiệt điện tr (RTD - Resistance Temperature Detectors) 9ở 2.5.2.3 D a trên ch t bán d n: 10ự ấ ẫ CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ 11

3.1 Sơ đồ khố ủi c a mạch 11

3.2 Các linh ki n chính trong mệ ạch 11

3.2.1 C m biả ến đo nhiệt độ LM35 11

3.2.1.1 Sơ đồ chân của LM35DZ 11

3.2.1.2 Thông s k thu t 12ố ỹ ậ 3.2.1.3 Dải nhiệt độ và s ự thay đổi trở kháng theo nhiệt độ ủ c a LM35 12

3.2.1.4 Điện áp đầu ra tại chân Vout 12

3.2.1.5 Mô ph ng c m bi n nhi t LM35 trên ph n m m Proteus 13ỏ ả ế ệ ầ ề 3.2.2 Kh i x lý tín hi u ICL7107 13ố ử ệ 3.2.2.1 Sơ đồ chân ICL7107 14

3.2.2.2 Thông s k thu t 15ố ỹ ậ 3.2.2.3 Cách s d ng ICL7107 15ử ụ 3.2.2.4 Mô ph ng ICL7107 trên ph n m m Proteus 16ỏ ầ ề 3.2.3 LED 7 đoạn 16

3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35 và vi xử lý

ICL7107 17

CHƯƠNG 4 THUYẾT MINH TÍNH TOÁN 20

4.1 Lựa chọn thang đo của ICL7107 20

4.2 Hi u ch nh kh i khuệ ỉ ố ếch đại 20

4.3 Hi u ch nh khệ ỉ ối cộng điện áp 21

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH IN 23

CHƯƠNG 6 MỘT SỐ HÌNH ẢNH V MỀ ẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG LM35 VÀ ICL7107 26

KẾT LUẬN 28 TÀI LIỆU THAM KH O 29Ả

LỜI NÓI ĐẦU

V i s ớ ự tiến b không ng ng c a khoa h c k ộ ừ ủ ọ ỹ thuật, đặc biệt là ngành điện t , các thiử ết

bị điện tử tinh vi ngày càng được áp dụng nhiều vào trong đờ ống và s n xui s ả ất Trong lĩnh vực điều khiển – tự động, công nghệ ch tế ạo cũng ngày càng hiện đại cho ra đời hàng lo t các thi t b mạ ế ị ới mà điển hình là các thi t b c m biế ị ả ến, vi điều khi n, ngày ểcàng nhỏ g n, linh ho t trong quá trình s d ng mà giá c l i ngày mọ ạ ử ụ ả ạ ột hạ

Đề tài nghiên c u và tìm hi u v các thi t b ứ ể ề ế ị điệ ửn t này và ng d ng c a chúng trong ứ ụ ủđời sống hằng ngày cũng trở thành đề tài hấp dẫn và ngày càng được nhiều sinh viên tìm hi u V i nhể ớ ững gì được h c k t h p v i các tài li u tham kh o trên các trang sáchọ ế ợ ớ ệ ả , báo, mạng internet, chúng em đã tìm hiểu v ề để tài “Thiết k m ế ạch đo nhiệt độ s d ng ử ụ

c ảm biến nhiệt độ LM35 và ICL7107 ”

Đề tài được thi t k d a trên ki n thế ế ự ế ức đã học, sách tham kh o và m t s ngu n tài ả ộ ố ồliệu khác Tuy nhiên do th i gian có h n và ờ ạ kiến th c có h n do v y chúng em không ứ ạ ậtránh kh i nhỏ ững sai sót Mong th y và các b n góp ý xây dầ ạ ựng, giúp đỡ để hoàn thiện hơn đề tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

là lo i c m bi n nhiạ ả ế ệt độ được s d ng r ng rãi trong công nghiử ụ ộ ệp để đo nhiệt độ môi trường

1.2 Mục tiêu đề tài

Thiết kế và ch t o mế ạ ạch đo nhiệt độ môi trường s d ng c m bi n nhi t LM35 và vi ử ụ ả ế ệ

xử lý ICL7107

1.3 N i dung nghiên c u ộ ứ

- Tìm hiểu các c m bi n nhi t thông d ng hi n có trên thả ế ệ ụ ệ ị trường

- Phương pháp đo nhiệt độ ớ v i LM35

- Phương pháp xử lý điện áp v i ICL7107 ớ

- Tìm hiểu thêm các ng d ng cứ ụ ần đo nhiệt độ môi trường

1.4 Ý nghĩa đề tài

- Giúp sinh viên tiếp c n vậ ới việc xây d ng mự ột mạch đo thực tế

- S n ph m có thả ẩ ể được ứng d ng trong th c tụ ự ế đo nhiệt độ trong công nghi p và dân ệdụng

- Giúp nắm vững hơn kiến thức về ạch điện và điệ ử m n t

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN NHIỆT

2.1 C m bi n nhi t là gì? ả ế ệ

Cảm biến nhiệt (tên ti ng Anh là Temp Transducer hay Temperature Sensor )ế

được hiểu là thiết b ị được dùng để đo sự ến đổ bi i về nhi t đệ ộ của các đại lượng cần

đo Theo đó, khi nhiệt độ có sự thay đổi thì các cảm biến sẽ đưa ra một tín hiệu và từ tín hiệu này các bộ đọc s c và quy ra thành nhiẽ đọ ệt độ ằ b ng m t con s c ộ ố ụ thể

Cảm biến nhiệt được biết đến với khả năng thực hiện các phép đo nhiệt độ ới độ vchính xác cao hơn nhiều so v i khi thớ ực hiện bằng các lo i c p nhiạ ặ ệt điện hoặc nhi t ệ

kế

Cảm biến nhi t còn có tên g i khác là ệ ọ nhiệt k ế điệ n tr metal ở

2.2 C ấu tạ o c m bi n nhiả ế ệt thông thường

- C m biả ến đo nhiệt độ có cấu t o chính là 2 dây kim loạ ại khác nhau được gắn vào đầu nóng và đầu lạnh

- Ngoài ra, nó còn được cấ ạu t o bởi nhiều b ph n khác, c ộ ậ ụ thể như sau:

+ B ộ phận cả m bi ến: đây được xem là bộ phận quan trọng nhất, quyết định

đến độ chính xác của toàn bộ thiết bị cảm biến Bộ phận này được đặt bên trong vỏ bảo vệ sau khi đã kết n i vố ới đầu nối

+ Dây kết nối: các bộ ph n cậ ảm biến có th ể được kết n i bổ ằng 2,3 hoặc 4 dây kết nối Trong đó, vật liệu dây sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện sử dụng đầu đo

+ Chất cách điện gốm: b ph n này v i nhiộ ậ ớ ệm vụ chủ ế y u là làm chất cách điện ngừa đoản m ch và thực hiện cách điện gi a các dây kết nối v i vỏ bảo vệ ạ ữ ớ

7

+ Phụ chất làm đầy: gồm bột alumina mịn, được sấy khô và rung Ph ụ chất này với chức năng chính là lắp đầ ất cảy t kho ng trả ống để ả b o v c m bi n kh i các ệ ả ế ỏrung động

+ V b o vỏ ả ệ: giống như tên gọi, bộ phận này được dùng để ả b o v b ph n ệ ộ ậcảm biến và dây k t nế ối Bộ phận này phải được làm bằng vật liệu phù h p vợ ới kích thước phù h p và khi cần thiết có thể bọc thêm vỏ bọc bằng vỏ b sung ợ ổ

+ Đầu kết nối: B ộ phận này được làm b ng vằ ật liệu cách điện (g m), chố ứa các bảng m ch, cho phép kạ ết nối của điện trở Trong đó, bộ chuyển đổi 4-20mA khi c n ầthiết có thể được cài đặt thay cho bảng đầu cuố i

2.3 Nguyên lý ho ạt động

Cảm biến nhi t hoệ ạt động dưa trên cơ sở là sự thay đ i điổ ện tr c a kim lo i so vở ủ ạ ới

sự thay đổi nhiệt độ vượt trội

C ụ thể, khi có s chênh lự ệch nhiệt độ ữa đầu nóng và đầ ạ gi u l nh thì s ẽ có mộ ức t sđiện động V được phát sinh tạ ầi đ u lạnh Nhiệt độ ở đầu lạnh phải ổn định và đo được

và nó ph thu c vào chụ ộ ất liệu Chính vì v y mà mậ ới có sự xuất hiện của các loại cặp nhiệt độ và mỗi loại cho ra mộ ức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T t s

Nguyên lí làm việc c a củ ảm biến nhiệt chủ ế y u dựa trên mối quan h giệ ữa vật liệu kim lo i và nhiạ ệt độ Cụ thể, khi nhiệt độ là 0 thì điện trở ở ức 100Ω và điệ m n tr cở ủa kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng và ngượ ại.c l

Việc tích h p b chuyợ ộ ển đổi tín hi u giúp nâng cao hi u su t làm việ ệ ấ ệc c a củ ảm bi n ếnhiệt và giúp cho vi c v n hành, lệ ậ ắp đặt được dễ dàng hơn

2.4 Phân lo ại cả m bi ến nhiệt độ

Hiện nay, cảm biến nhiệt độ được chia thành 2 loại chính như sau:

- Cảm biến nhiệt độ không ti p xúc: Các c m bi n nhiế ả ế ệt độ này s dử ụng đối lưu và bức xạ để theo dõi nhiệt độ

- Cảm biến nhiệt độ tiế p xúc: C m bi n nhiả ế ệt độ tiếp xúc được chia thành ba

lo i:ạ

+ Cơ điện (Cặp nhiệt điện – Thermocouple)

+ Cảm biến nhiệt độ điện tr (RTD Resistance Temperature Detector) ở –+ Dựa trên chất bán d n (LM35, DS1820, v.v ) ẫ

2.5 M ột số loại cả m bi ến nhiệt độ trên th ị trường

2.5.1 C m bi n nhiả ế ệt độ ồ h ng ngo i IR sensor (không ti p xúc) ạ ế

* Đặc điểm:

C m biả ến nhiệt độ có v ngoài chỏ ắc chắn Khoảng cách đo lên đến 3m, đảm đo lường chính xác thông s về nhiố ệt độ ại vị t trí cần đo Tích hợp hiển th bằng số LED ịtrên c m biả ến đo nhiệt độ giúp dễ quan sát Cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc có

khả năng chịu nhi t cao Cệ ảm ến đo nhiệbi t độ không tiếp xúc có khả năng chống bụi rất tốt nhờ màng làm sạch không khí bên trong Thiế ế khá thông d ng, có th l p t k ụ ể ắ

đặt dễ dàng nh vào việc gắn lên các panel hoặc đặờ t lên các thanh rail C m biến đo ảnhiệt độ không ti p xúc có chế ức năng khuếch đại kỹ thuậ ốt s

- Nguồn c p 24VDC ấ

- Xuất xứ CALEX - Anh qu c ố

* Ứng dụng cả m biến đo nhiệt độ không ti ếp xúc

Cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc với dải nhiệ ộng, được ứng d ng vào các h t r ụ ệthống c n giám sát nhiầ ệt độ ở các t ng nhiầ ệt cao như:

+ Giám sát nhiệt độ lò s y; ấ

+ Giám sát nhiệt độ máy hàn;

+ Cảm biến nhiệt độ dùng cho giám sát nhiệt độ máy đúc khuôn;

+ Giám sát nhiệt độ lò máy đúc phim;

+ Giám sát nhiệt độ máy cán;…

2.5.2 C m bi n nhiả ế ệt độ tiế p xúc

2.5.2.1 Cơ điện (Cặp nhiệ t đi n – Thermocouple) ệ

Hiện nay, trên th ị trường c p nhiặ ệt điện g m hai lo i chính là loồ ạ ại đầu c hành K và ủloại sợi có dây s n K ẵ

Loại đầu

củ hành K

- Đường kính phi 4mm, phi 6mm, phi 8mm, phi 10mm, phi 17mm, phi 22mm…

- Chiều dài 50mm, 70mm, 100mm, 150mm, 200mm, 250mm, 300mm, 1 mét

- Ren v n: 9.6mm, 13mm, ặ17mm, 21mm, 27mm… hoặc không ren

- Nhiệt độ hoạt động: 0-800 độ

C, 0~1000 độ C, 0-1200 độ C

- Ren v n: 9.6mm, 13mm, ặ17mm, 21mm, 27mm… hoặc không ren

- Nhiệt độ hoạt động: 0-400 độ

C Dây 3 ru t dài 2 mét, 3 ộmét…

Ứng dụng Cặp nhiệt điện được sử ụng trong quá trình đo nhiệt độ ạ d t i các môi

trường như không khí, dầu, nước,…

2.5.2.2 Nhi ệt điện trở (RTD - Resistance Temperature Detectors)

- Ren v n: 9.6mm, 13mm, 17mm, ặ21mm, 27mm… hoặc không ren

- Nhiệt độ hoạt động: -200~200 độ

C, 0~150 độ C, -50~300 độC, 50~500 độ C

- Chiều dài 50mm, 70mm, 100mm, 150mm, 200mm, 250mm, 300mm…

- Ren v n: 9.6mm, 13mm, 17mm, ặ21mm, 27mm… hoặc không ren

- Nhiệt độ hoạt động: -200~200 độ

C, 0~150 độ C, -50~300 độ C Dây

3 ruột dài 2 mét, 3 mét…

Ứng dụng - Nhiệt điện trở chế ạ ừ platin, đồ t o t ng hoặc niken được sử ụ d ng ph ổ

biến nhất bởi độ chính xác cao, khả năng lặ ại tốt và có thể truyền p ltín trong m t phộ ạm vi nhiệt độ ộ r ng, th hi n s ể ệ ự thay đ i điổ ện tr lở ớn trên m i mỗ ức độ thay đổi nhiệt độ

- Còn loại được chế ạ ừ đồng và niken thường được sử ụ t o t d ng trong công nghiệp, độ chính xác và truyền tính khá hạn chế, phạm vi nhiệt

độ tương đố ẹp i h

Ứng dụng Loại này được ứng dụng để đo nhiệ ộ không khí, dùng trong các t đ

thiết bị đo và bảo v mệ ạch điện t ử

3.2.1.1 Sơ đồ chân c a LM35DZ ủ

Hình 3.1 C m bi n nhiả ế ệt độ LM35DZ

- Chân +Vs là chân cung cấp điện áp cho LM35 hoạt động (4 - 20V)

- Chân Vout là chân điện áp ngõ ra của LM35, được đưa vào chân Analog của các bộ ADC

- Chân GND là chân nối mass, lưu ý cần nối mass chân này để trành làm hỏng cảm biến cũng như làm giảm sai số trong quá trình đo

3.2.1.2 Thông s k thu t ố ỹ ậ

- Dải nhiệt độ ến đổi: 0 đến 100 độ bi

- Nhiệt độ ra thẳng thang đo Celcius nghĩa là ở 25 độ C điện áp ra là 0.25V

- Tương ứng 10mV/độ C Đảm bảo độ chính xác 0.5 độ C tạ- i nhiệt độ 25 độ C

- Làm việc với nguồn nuôi 4V đến 30V

- Trở kháng ra th p 0.1 ohm v i t i 1mA ấ ớ ả

- Khả năng tự làm nóng thấp, 0.08 độ C trong không khí

3.2.1.3 D ải nhiệt độ và s ự thay đổi trở kháng theo nhiệt độ ủ c a LM35

Các b biộ ến đổi (Transducer) chuyển đổi các đại lượng v t lý ví d ậ ụ như nhiệt độ, cường độánh sáng, lưu tốc và tốc độ thành các tín hiệu điện phụ thuộc vào bộ biến đổi mà đầu ra có thể

là tín hi u dệ ạng điện áp, dòng, tr kháng hay dung kháng Ví d , nhiở ụ ệt độ được biến đổi thành

về c tín hicá ệu điện sử d ng mụ ột bộ biến đổ ọi là Thermistor (bộ ải g c m bi ến nhi t), một bộ ệcảm biến nhiệt đáp ứng s ự thay đổi nhiệt độ ằng cách thay đổ b i tr ở kháng nhưng đáp ứng của

B ảng 3.1 Tr kháng cở ủa b c m bi n nhi t theo nhiộ ả ế ệ ệt độ

Mã sản ph m ẩ Dải nhiệt độ Độ chính xác Đầu ra

Loạt các b c m bi n LM35 là b c m bi n nhi t m ch tích hộ ả ế ộ ả ế ệ ạ ợp chính xác cao mà điện áp

đầu ra c a nó t l tuy n tính với nhiủ ỷ ệ ế ệt độ theo thang độ Celsius Chúng cũng không yêu cầu cân ch nh ngoài vì vỉ ốn chúng đã được cân chỉnh Chúng đưa ra điện áp 10mV cho m i s thay ỗ ự

đổi 10C Bảng 2.2 hướng dẫn ta ch n các c m biến họ LM35 ọ ả

3.2.1.4 Điện áp đầu ra tại chân Vout

Để đọc đư c giá trị trên chân Vout, ngườợ i ta s d ng b ử ụ ộ chuyển đổi ADC (Analog to Digital Converter) chuyển giá trị tương tự sang s Tố ức là đọc giá trị điện áp trên chân Vout và chuyển đổi sang giá trị số là nhiệt độ đo được

Vout [Vols] = [Nhiệt độ] * 10 [mV/°C] = [Nhiệt độ] / 100 (1)

13

3.2.1.5 Mô ph ng c m biỏ ả ến nhiệ t LM35 trên ph ần mề m Proteus

Hình 3.2 Mô ph ng LM35 trên ph n m m Proteus ỏ ầ ề

Khi nhiệt độ trên LM35 là 25°C thì điện áp Vout=0.251713 và khi nhiệt độ trên LM35

là 75°C thì điện áp Vout=0.752889 chứng t công thỏ ức (1) phía trên là khá chính xác

3.2.2 Khối xử lý tín hi ệu ICL7107

Trong bài này, chúng em sẽ ử ụ s d ng ICL7107 DIP-40 ICL7107 có hi u su t cao, ệ ấ

bộ chuyển đổi A/D 3½ chữ số IC bao gồm bộ giải mã LED 7 đoạn, trình điều khi n ểhiển thị, tham chiếu và đồng h ICL7107 sồ ẽ trực tiếp điều khiển đèn LED Các đặc tính của nó bao gồm: tự chỉnh “0” nhỏ hơn uV, điểm “0” trượt không quá 1uV/oC, độ dốc dòng ngõ vào tối đa là 10pA

Hình 3.3 Vi m ạch ICL7107

3.2.2.1 Sơ đồ chân ICL7107

IC điều khi n hi n thể ể ị chữ ố s sau khi chuyển đổi analog sang digital có các package

40 chân khác nhau Sơ đồ chân mô tả tất cả các chân và chức năng của chúng Khá đơn giản để sử dụng vi mạch với màn hình led 7 đoạn Chúng ta có thể kết nối 4 màn hình 7 led đoạ ừ chân 2 đến t n chân 20

* B ng mô t chân chi ti t ả ả ế

Các chân Mô tả chi ti t ế Các chân Mô tả chi ti t ế

1 V+ Chân k t nế ối điện áp cung cấp 23 (A3) Các chân này dùng để hiển thị giá trị

hàng trăm củ a chữ số (led 7 đoạ n thứ 3)

2 (D1) Các chân này dùng để hiển thị

đầu vào được kiểm tra

(COMMON) Chân k t n i v i mass.ế ố ớ

13 (F2) 33 (CREF-) Các chân k t n i v i t ế ố ớ ụ điện để

lọc ra các dao động

25 (G2) 35 (REF LO) Các chân cung c p giá tr ấ ị điện

áp tham chi u nế ếu được yêu

17 (F3) 38 (OSC 1) Các chân k t n i các linh ki n ế ố ệ

cần thiết để đạt được tấn số dao

ICL7107 có chân số 38, 39 và 40 để ế ố k t n i mạch RC để thiết lậ ầp t n s cố ủa bộ dao

động Tần số này được xác định bởi f = 0,45 / RC Nhưng các giá trị của mạch RC phải theo các giới hạn sau:

* Cách thi ết lập điệ n áp tham chi u ế

Sau khi thực hiện các điều ch nh xung clock, nên c p mỉ ấ ột điện áp tham chi u cho b ế ộchuyển đổi ADC Giá trị của điện áp đo được hiển thị trên màn hình LED Số lượng hiển thị có thể được tính b ng công thằ ức:

Chân 35 và chân 36 ch u trách nhiị ệm thiế ập điệt l n áp tham chi u Ví d , nế ụ ếu đặt điện

áp tham chiếu Vref là 5V và Vin là 5V Chúng ta s ẽ thấy s ố 1000 trên led 7 đoạn Mạch bên dưới cho biết việc sử d ng ICL71ụ 07 để ể hi n thị đầu ra điện áp lên đến 200mV

Hình 3.4 M ch l p ICL7107 v i LED hi n th ạ ắ ớ ể ị đầu ra 200mV

Số chữ số hi n thể ị = 1000 x V IN/VREF(2)

3.2.2.4 Mô ph ng ICL7107 trên ph n m m Proteus ỏ ầ ề

Hình 3.4 Mô ph ỏng ICL7107 trên phần mề m Proteus

Khi điện áp đầu vào ICL7107 Vin là 5V thì chữ số hiển thị ở LED 7 đoạn là 5.0 ch ng ứ

tỏ công thức (2) là chính xác

3.2.3 LED 7 đoạn

- LED đoạn được dùng r t ph bi n khi c n hi n th s t nhiên 7 ấ ổ ế ầ ể ị ố ự

hoặc vài ch cái nhữ ất định LED đoạ 7 n có th ể có kích thước nhỏ

khác nhau

- LED 7 đoạn bao g m nhi u led tích hồ ề ợp bên trong, các led được

nối chung nhau m t chân Trong th c t có hai lo LED ộ ự ế ại 7 đoạn

là LED 7 đoạn anod chung và LED 7 đoạn katot chung Trong

bài này ta s d ng LED ử ụ 7 đoạn anod chung

- Đối với dạng LED anode chung, chân COM ph i có m c logic ả ứ

1 và mu n sáng ố LED thì tương ứng các chân s-f,dp sẽ ở mức

logic 0.- Dưới đây là sơ đồ nguyên lí của LED 7 đoạn :

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lí của LED 7 đoạn