Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến trên thế giới, nhu cầu cuộc sống ngày càng thay đổi, hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt các thiết bị với những đặc điểm nổi bật như: độ chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ...góp phần làm cho hoạt động của con người ngày càng đạt hiệu quả hơn.Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm. Điện tử đã đáp ứng được những yêu cầu, đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến những nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hang ngày. Một trong những ứng dụng quan trọng của ngành công nghệ điện tử là kỹ thuật đo và điều khiển nhiệt độ.Vì vậy nhóm em đã thực hiện đồ án “Thiết kế và chế tạo mạch đo và điều kiển nhiệt độ ’’.Nhằm cung cấp đầy đủ thông tin về cấu tạo , nguyên tắc hoạt động và cách lắp đặt của các mạch cầu thang một cách đầy đủ và chính xác.Chúng em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình của thầy TS. Lê Văn Chương trong suốt thời gian thực hiện báo cáo này. Với sự giúp đỡ tận tình đó kết hợp cùng sự nỗ lực cố gắng của cả nhóm, chúng em đã hoàn thành báo cáo này. Tuy nhiên, do hạn chế về chuyên môn, kiến thức chưa sâu nên báo cáo có thể sẽ không tránh khỏi những thiết sót. Chúng em xin chân thành tiếp thu những ý kiến chỉ đóng góp của thầy để bài báo cáo sẽ hoàn thiện tốt hơn.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về các phương pháp đo nhiệt độ
1.1.1 Các cơ sở chung và phân loại các phương pháp đo nhiệt độ
Nhiệt độ là thông số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính vật chất, do đó việc đo nhiệt độ là cần thiết trong kỹ thuật và đời sống hàng ngày Hầu hết các quy trình sản xuất công nghiệp đều yêu cầu đo nhiệt độ, và phương pháp đo thường được phân loại theo dải nhiệt độ Nhiệt độ được chia thành ba dải: thấp, trung bình và cao Đối với nhiệt độ thấp và trung bình, phương pháp đo thường là tiếp xúc, trong khi đối với nhiệt độ cao, phương pháp không tiếp xúc được sử dụng, với dụng cụ đặt ngoài môi trường đo.
Hình 1 cho biết các dụng cụ và phương pháp đo nhiệt độ với các dải khác nhau :
Hình 1 Các dụng cụ và phương pháp đo nhiệt độ với các dải nhiệt độ khác nhau
1.1.1.2 Các phương pháp đo tiếp xúc
Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường được sử dụng là các nhiệt kể tiếp xúc Có một loại nhiệt kế tiếp xúc, gồm:
- Nhiệt kế nhiệt điện trở
Đối với các ứng dụng đơn giản, dải nhiệt độ từ -55°C đến 200°C thường sử dụng các IC bán dẫn, tận dụng tính nhạy nhiệt của điốt tranzito để đo nhiệt độ.
Nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cần được lắp ghép sao cho đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt hiệu quả giữa chúng và môi trường xung quanh.
- Đối với môi trường khi và nước: chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy
Khi đặt nhiệt kế sát vào vật rắn, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang nhiệt kế, điều này có thể gây tổn hao cho vật, đặc biệt là với những vật dẫn nhiệt kém Do đó, việc tăng cường diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo nhiệt độ.
Khi đo nhiệt độ của các chất ở dạng hạt như đất, cần cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo Thông thường, nhiệt điện trở với cáp nối ra ngoài được sử dụng để thực hiện việc này.
1.1.2.1 Nhiệt kế nhiệt điện trở (Resistance Thermometer)
Nhiệt kế nhiệt điện trở được cấu tạo từ platin, đồng, niken và có lõi cách điện trong vỏ kim loại Thiết bị này thường được sử dụng trong mạch cầu không cân bằng với chỉ thị là lôgômmét hoặc cầu tự động cân bằng, trong đó một nhánh là nhiệt điện trở Để bù sai số do sự thay đổi điện trở của đường dây khi nhiệt độ môi trường thay đổi, nếu nhiệt điện trở được kết nối vào mạch cầu bằng hai dây dẫn \(R_1\) và \(R_2\) (cầu hai dây), sẽ có sai số do sự biến đổi điện trở của đường dây.
Với 𝛥𝑅 𝑑 - sự thay đổi điện trở của dây nối
Điện trở ban đầu của nhiệt điện trở và hệ số nhiệt độ của nó (với T=0°C) được ký hiệu là 𝑅 𝑇 và 𝛼 𝑇 Để giảm sai số trong việc đo nhiệt độ khi môi trường thay đổi, người ta sử dụng cầu ba dây như hình 2.
Hình 2 Cầu ba dây giảm sai số đo nhiệt độ môi trường thay đổi
Trong sơ đồ này, hai dây được kết nối vào các nhánh của mạch cầu, trong khi dây thứ ba được kết nối với nguồn cung cấp Khi cầu hoạt động ở chế độ cân bằng và nếu \$R_1 = R_2\$ thì
Khi cầu làm việc ở chế độ không cân bằng, sai số do sự thay đổi điện trở của đường dây sẽ được loại trừ, dẫn đến việc giảm đáng kể sai số so với cầu hai dây.
Khi cầu hoạt động ở chế độ không cần, sai số chủ yếu xuất phát từ sự thay đổi điện áp của nguồn cung cấp Sơ đồ nguyên lý của nhiệt kế nhiệt điện trở sử dụng mạch cầu không cân bằng, với chỉ thị là cơ cấu lôgômmét từ điện, được thể hiện trong hình 3.
Hình 3 Sơ đồ nguyên lý của nhiệt kế nhiệt điện trở sử dụng mạch cầu không cân bằng, chỉ thị là cơ cấu lôgômmét từ điện
Với sơ đồ này có khả năng loại trừ được sai số do điện áp nguồn cung cấp thay đôi
Ba nhánh của mạch cầu 𝑅 1, 𝑅 2 và 𝑅 3 là các điện trở làm bằng manganin, trong khi nhánh thứ tư là điện trở nhiệt 𝑅 4 Bốn nhánh điện trở được mắc theo sơ đồ mạch cầu ba dây, với điện trở 𝑅 4 dùng để chỉnh không của thang đo, đảm bảo cầu cân bằng trước khi bắt đầu đo Điện trở 𝑅 𝑝 được sử dụng để bù với điện trở đường dây, nhằm đạt giá trị khắc độ 𝑟 𝑡 cho cơ cấu lôgômmét Trong quá trình hiệu chỉnh 𝑅 𝑝, điện trở 𝑅 𝑘 (có giá trị bằng điện trở của nhiệt điện trở) được mắc vào nhánh cầu và điều chỉnh điện trở 𝑅 cho đến khi kim chỉ của lôgômmét dừng ở vị trí xác định trên thang, sau đó 𝑅 𝑘 được ngắn mạch khi đo.
Trong các ngành công nghiệp hiện nay, việc đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở được thực hiện thông qua mạch cầu tự động tự ghi Phương pháp này cho phép đo nhiệt độ tại một điểm hoặc nhiều điểm nhờ vào cơ cấu chuyển mạch.
Cấp chính xác có thể đạt đến 0,5
1.1.2.2 Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples)
Phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu là một trong những phương pháp phổ biến và thuận lợi nhất
Cấu tạo của nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu như hình 4:
Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu được cấu tạo từ hai dây hàn tại điểm 1, được luồn vào ống 2 để đo nhiệt độ cao Đối với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt kế thường làm bằng thép không gỉ Để cách điện giữa hai dây, một trong hai dây được lồng vào ống sứ nhỏ 3 Nếu vỏ làm bằng kim loại, cả hai dây sẽ được đặt vào ống sứ Đầu ra của cặp nhiệt ngẫu kết nối với hộp đầu nối 4, và mạch đo của nhiệt kế sử dụng miliVônmét hoặc điện thế kế điện trở nhỏ với giới hạn đo từ 0 đến 100mV.
1.1.2.3 Đo nhiệt độ cao bằng phương pháp tiếp xúc Ở môi trường nhiệt độ cao từ 1600C trở lên, các cặp nhiệt ngẫu không chịu được lâu dài, vì vậy để đo nhiệt độ ở các môi trường đó người ta dựa trên hiện tượng quá trình quá độ đốt nóng của cặp nhiệt a) Nguyên lý hoạt động: quá trình quá độ khi đốt nóng cặp nhiệt có phương trình:
Dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ và cặp nhiệt ngẫu, có thể xác định nhiệt độ của đối tượng đo mà không cần đạt đến nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu Bằng cách nhúng cặp nhiệt ngẫu vào môi trường cần đo trong khoảng 0,4 ÷ 0,6 giây, ta có thể thu được phần đầu của đặc tính quá trình quá độ và tính toán nhiệt độ môi trường Nếu nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu đạt khoảng một nửa nhiệt độ môi trường trong thời gian nhúng, sai số nhiệt độ tính được sẽ không vượt quá hai lần sai số của nhiệt kế đo trực tiếp Phương pháp này thường được áp dụng để đo nhiệt độ của thép nấu chảy.
Các phương pháp điều khiển nhiệt độ
1.2.1 Điều khiển bằng công tắc bật/tắt (On/Off Control) Đây là phương pháp điều khiển đơn giản nhất, trong đó hệ thống được bật hoặc tắt hoàn toàn dựa trên giá trị nhiệt độ đạt được so với giá trị đặt trước đó Khi nhiệt độ vượt quá giá trị đặt, hệ thống được bật; khi nhiệt độ giảm xuống dưới giá trị đặt, hệ thống được tắt Phương pháp này dễ triển khai và chi phí thấp, nhưng có thể dẫn đến sự dao động nhiệt độ lớn
Hình 11 Điều khiển bằng công tắc bật/tắt
1.2.2 Điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative Control)
Phương pháp PID là một kỹ thuật phổ biến trong điều khiển nhiệt độ, bao gồm ba thành phần chính: tỷ lệ, tích phân và vi phân Thành phần tỷ lệ điều chỉnh đầu ra dựa trên sai lệch giữa nhiệt độ thực tế và giá trị đặt, trong khi thành phần tích phân giúp giảm thiểu sai số ổn định bằng cách tích lũy sai lệch Cuối cùng, thành phần vi phân dự đoán sự thay đổi nhiệt độ, cho phép hệ thống phản ứng nhanh chóng với các biến động.
Hình 12 Điều khiển PID
1.2.3 Điều khiển hỗn hợp (Bang-Bang Control) Đây là một phương pháp điều khiển đơn giản khác, trong đó hệ thống bật hoặc tắt hoàn toàn dựa trên một ngưỡng trên và một ngưỡng dưới Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng trên, hệ thống tắt; khi nhiệt độ giảm xuống dưới ngưỡng dưới, hệ thống được bật Phương pháp này cũng dễ triển khai và chi phí thấp, nhưng cũng có thể dẫn đến sự dao động nhiệt độ
Hình 13 Điều khiển hỗn hợp (Bang-Bang Control)
1.2.4 Điều khiển dự báo (Feedforward Control)
Phương pháp điều khiển dự báo giúp điều chỉnh hệ thống trước khi có sự thay đổi về nhiệt độ Trong hệ thống điều hòa không khí, nó sử dụng thông tin về nhiệt độ môi trường bên ngoài, tải nhiệt từ nguồn bên trong và dự đoán nhu cầu làm lạnh hoặc sưởi để tối ưu hóa hiệu suất.
Giới thiệu một số bộ điều khiển nhiệt độ trong thực tế
1.3.1 Bộ Điều Khiển Nhiệt Độ Pt100
Bộ điều khiển nhiệt độ PT100 là thiết bị giá rẻ, chuyên dụng cho việc điều khiển và hiển thị nhiệt độ Nó cung cấp ngõ ra 4-20mA hoặc 0-10V, cùng với các relays, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ một cách hiệu quả.
Việc giám sát nhiệt độ trong các nhà máy là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống sản xuất hoạt động liên tục và hiệu quả Các dây chuyền sản xuất cần được theo dõi nhiệt độ liên tục nhằm duy trì mức độ mát cần thiết Mỗi nhà máy đều trang bị hệ thống giám sát và cảnh báo khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn Nhiệt độ được đo bằng các cảm biến như PT100 và cảm biến nhiệt, với tín hiệu từ các cảm biến này được gửi về bộ điều khiển nhiệt độ để xử lý.
Hình 14 Bộ điều khiển PID mã RE72 của Lumel
Bộ điều khiển nhiệt độ được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống như gia nhiệt, máy ép nhựa, lò sấy, nồi hơi, hệ thống tạo độ ẩm và khí nén Chúng thường được sử dụng để điều khiển van tuyến tính, van On/Off, hoặc thông qua các phương pháp điều khiển PID và ON/OFF Một tên gọi phổ biến khác là bộ hiển thị điều khiển nhiệt độ pt100, can K, do chức năng của nó không chỉ hiển thị chính xác nhiệt độ từ cảm biến mà còn chuyển đổi tín hiệu sang dạng 4-20mA/0-10V hoặc relay để điều khiển.
Trên thị trường hiện nay, bộ điều khiển cảm biến nhiệt độ PT100 rất đa dạng về chức năng và hình dạng Một ví dụ điển hình là bộ điều khiển nhiệt độ của Lumel – Ba Lan, nổi bật với khả năng hiển thị đơn vị độ C hoặc độ F và độ chính xác lên đến 99%.
Trong ngành công nghiệp, tín hiệu nhiệt độ chủ yếu được đo bằng RTD pt100, Ni100 hoặc can nhiệt, do đó, bộ điều khiển nhiệt độ pt100 có khả năng đọc tất cả các loại này Mỗi loại thiết bị sẽ có dãy nhiệt độ hoạt động riêng biệt Hiện nay, các nhà sản xuất đang tập trung vào việc phát triển thiết bị đa năng với nhiều ngõ vào và ngõ ra, và bộ điều khiển nhiệt độ pt100 cũng không nằm ngoài xu hướng này.
1.3.2 Thông số kỹ thuật của bộ điều khiển tín hiệu nhiệt độ Lumel – Ba Lan
Hình 15 Bộ điều khiển PID mã RE71 – Lumel
Trên thị trường có nhiều thiết bị có chức năng điều khiển nhiệt độ Tuy nhiên, mỗi loại sẽ có giá thành khác nhau và chức năng khác nhau
Bộ điều khiển nhiệt độ pt100 của Lumel nổi bật với thiết kế nhỏ gọn, độ chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh Các model của Lumel có kích thước đa dạng, từ nhỏ đến lớn, mang đến nhiều lựa chọn cho người dùng Một số thông số kỹ thuật của thiết bị hiển thị và điều khiển pt100 cũng rất đáng chú ý.
Nguồn sử dụng là 220Vac hoặc 24Vdc
Ngõ vào đa dạng như: Pt100, Ni100, Can nhiệt K, J, R, S, B, T, N, E, L
Ngõ ra analog: dòng mA (4-20mA) hoặc áp (0-10V)
Ngõ ra rơ le để điều khiển On/Off
Chức năng điều khiển: On/Off, PID
Bảo hành 1 đổi 1 trong vòng 3 năm
Kích thước đa dạng: 48x48mm, 96x48mm
Cài đặt dễ dàng qua nút nhấn trên thiết bị
Có hỗ trợ giao tiếp qua Modbus RTU
Xuất xứ: Lumel – Ba Lan
1.3.3 Ứng dụng thực tế của bộ điều khiển nhiệt độ pt100 can K
Hình 16 Màn hình điều khiển PID of heating-cooling
Các bộ điều khiển nhiệt độ PT100 được sử dụng rộng rãi nhờ vào những ưu điểm vượt trội của chúng Việc điều khiển nhiệt độ trong lò hơi và lò nung là rất quan trọng, với tín hiệu nhiệt độ từ cảm biến hiển thị trên màn hình Dựa vào thông tin này, người dùng có thể điều chỉnh nhiệt độ theo yêu cầu thông qua chế độ manual, sử dụng SSR hoặc điều khiển trực tiếp bằng tín hiệu tuyến tính 4-20mA hoặc 0-10V.
Bộ điều khiển này có khả năng đóng ngắt van on/off hoặc điều khiển van tuyến tính cho một số lò hơi, nồi hơi Với tính ổn định và độ bền cao, các bộ điều khiển này đáp ứng tốt các yêu cầu khắt khe trong ngành công nghiệp.
Một ứng dụng phổ biến là sử dụng phần mềm chuyên dụng trên PC để đọc và lưu trữ nhiều bộ điều khiển cùng lúc Các bộ điều khiển giao tiếp với máy tính qua Modbus Gateway, mỗi bộ phát tín hiệu Modbus RTU với địa chỉ riêng Chỉ cần cài đặt và gọi địa chỉ của từng bộ điều khiển nhiệt độ trên PC, chúng ta có thể hiển thị dữ liệu lên màn hình.
1.3.4 Sử dụng dây bù nhiệt để đấu nối với bộ hiển thị nhiệt độ pt100
Hình 17 Dây bù nhiệt cho PT100 để kết nối với màn hình hiển thị
Các đầu dò nhiệt độ thường đi kèm với dây dẫn dài 2 mét, nhưng trong một số trường hợp, khoảng cách từ đầu dò đến bộ điều khiển có thể lên đến 10 mét hoặc 20 mét Do đó, cần sử dụng thêm dây dẫn để đảm bảo đủ khoảng cách Việc chọn dây dẫn cho Pt100 khá đơn giản vì tín hiệu truyền qua dây là dạng trở Ngược lại, với can nhiệt, tín hiệu là dạng áp, nên cần sử dụng dây dẫn chuyên dụng để giảm thiểu suy hao khi truyền tín hiệu ở khoảng cách xa.
Dây bù nhiệt là thiết bị quan trọng trong việc nối dài tín hiệu nhiệt, giúp bù đắp tín hiệu bị mất trên đường dây, đặc biệt trong môi trường thay đổi Nếu không sử dụng dây bù nhiệt, tín hiệu gửi về sẽ không chính xác, dẫn đến việc bộ điều khiển nhiệt độ pt100 đọc và xử lý sai Hiện nay, có nhiều loại dây bù nhiệt khác nhau, bao gồm dây bù nhiệt thông thường, dây bù nhiệt chống nước, chống nhiễu, và các loại dây bù nhiệt bọc amiang chịu nhiệt.
1.3.5 Những tính năng nổi trội của bộ điều khiển nhiệt độ
Hình 18 Màn hình hiển thị và điều khiển nhiệt độ pt100 can K
Trên thị trường hiện nay, có nhiều nhà cung cấp màn hình hiển thị và điều khiển nhiệt độ, nhưng không phải loại nào cũng đảm bảo chất lượng và hoạt động ổn định Chỉ những màn hình có xuất xứ từ EU/G7 mới đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng cao, với ưu điểm là có khả năng đọc được hầu hết các loại cảm biến nhiệt độ trên thị trường.
Hiển thị 6 LED to rõ, dễ dàng quan sát
Có ngõ ra Rơ le để điều khiển On/Off
Kích thước đa dạng, lắp tủ điện dễ dàng
Có ngõ ra tuyến tính 4-20mA, 0-10V
Chế độ điều khiển đa dạng: On/Off, PID, Soft Start, Manual Control… Cài đặt trực tiếp trên màn hình qua nút nhấn
Có giao thức Modbus RTU để giám sát qua BMS, SCADA, HMI… Hiển thị được đơn vị nhiệt độ (ºC, ºF, ºK…)
Cách ly chống nhiễu tốt
THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ ĐIỀU KIỂN NHIỆT ĐỘ
Phân tích yêu cầu thiết kế
Yêu cầu thiết kế mạch đo và điều kiển nhiệt độ có thể bao gồm các yếu tố sau đây:
Đo nhiệt độ là quá trình sử dụng cảm biến nhiệt độ để xác định giá trị nhiệt độ hiện tại Các loại cảm biến phổ biến bao gồm thermistor, thermocouple và cảm biến nhiệt độ dựa trên IC như LM35 Những cảm biến này có chức năng chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện tương ứng.
Tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ cần được chuyển đổi sang dạng analog hoặc digital để vi mạch hoặc vi điều khiển có thể xử lý Để thực hiện điều này, mạch chuyển đổi analog-to-digital (ADC) được sử dụng để biến tín hiệu analog thành tín hiệu số.
Sau khi tín hiệu nhiệt độ được chuyển đổi thành dạng số, vi mạch hoặc vi điều khiển sẽ xử lý và điều khiển tín hiệu này Điều này cho phép thực hiện các phép tính, so sánh và điều khiển các thiết bị như làm lạnh hoặc làm nóng, nhằm duy trì nhiệt độ mong muốn.
Mạch có thể được thiết kế với giao diện người dùng cho phép người dùng cài đặt và điều chỉnh nhiệt độ mong muốn, bao gồm các nút bấm, công tắc, màn hình hiển thị hoặc giao diện trực tuyến qua ứng dụng điều khiển từ xa.
Mạch cần có khả năng điều khiển độ ổn định của nhiệt độ, điều này có thể đạt được thông qua các phương pháp điều khiển như PID (Proportional-Integral-Derivative) để điều chỉnh nguồn nhiệt hoặc công suất làm lạnh dựa trên giá trị nhiệt độ đo được.
- Bảo vệ và cảnh báo: Mạch có thể được trang bị các chức năng bảo vệ để ngăn chặn các tình huống không mong muốn như
Sơ đồ khối hệ thống
Dưới đây là một sơ đồ khối đơn giản mô tả các thành phần cơ bản trong hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ:
- Nhiệt độ cảm biến là thành phần dùng để đo nhiệt độ hiện tại
- Chuyển đổi tín hiệu nhận dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ và chuyển đổi chúng thành tín hiệu analog hoặc digital để xử lý
Xử lý và điều khiển là quá trình tiếp nhận tín hiệu đầu vào từ các cảm biến, thực hiện các phép tính và so sánh nhiệt độ, từ đó đưa ra quyết định điều khiển các thiết bị làm lạnh hoặc làm nóng.
- Điều khiển nhiệt độ là thành phần chịu trách nhiệm điều chỉnh nguồn nhiệt hoặc công suất làm lạnh theo giá trị nhiệt độ đo được
Bảo vệ và cảnh báo đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn các tình huống không mong muốn, đồng thời thông báo cho người dùng về lỗi hoặc tình trạng nhiệt độ bất thường.
Công tắc/lamp làm lạnh/làm nóng là thiết bị điều chỉnh nhiệt độ, hoạt động nhờ vi mạch để thực hiện chức năng làm lạnh hoặc làm nóng theo yêu cầu.
Sơ đồ khối này chỉ mang tính chất minh họa và có thể được điều chỉnh theo yêu cầu cụ thể của hệ thống đo lường và điều khiển nhiệt độ.
Thiết kế phần cứng
LM35 là một cảm biến nhiệt độ được sử dụng rộng rãi Nó hiển thị các giá trị dưới dạng điện áp đầu ra thay vì độ C
LM35 hiển thị giá trị điện áp cao hơn cặp nhiệt điện và có thể không cần khuếch đại điện áp đầu ra
Điện áp đầu ra của LM35 tỷ lệ với nhiệt độ C Hệ số thang đo là 0,01 V / ° C
Một đặc điểm quan trọng nhất là nó chỉ lấy 60 micromps từ nguồn và có khả năng tự gia nhiệt thấp
Cảm biến nhiệt độ LM35 có nhiều gói khác nhau như gói giống transistor kim loại T0-46, gói giống transistor nhựa TO-92, gói dán
Hình 19 Cảm biến nhiệt độ LM35
Số chân Tên chân Mô tả
1 Vcc Điện áp đầu vào là + 5V cho các ứng dụng điển hình
2 Analog ouput Sẽ tăng thêm 10mV nếu cứ tăng 1 ° C Có thể dao động từ -1V (-55 ° C) đến 6V (150 ° C)
3 ground Nối mass của mạch
Hình 20 Sơ đồ chân LM35
2.3.1.3 Thông số kỹ thuật của cảm biến LM35
Điện áp đầu vào tối thiểu và tối đa lần lượt là 35V và -2V Điển hình là 5V
Có thể đo nhiệt độ từ -55 ° C đến 150 ° C
Điện áp đầu ra tỷ lệ thuận (tuyến tính) với nhiệt độ tức là sẽ có mức tăng 10mV (0,01V) cho mỗi lần tăng nhiệt độ 1 ° C
Dòng cực máng nhỏ hơn 60uA
Cảm biến nhiệt độ giá rẻ
Nhỏ và do đó thích hợp cho các ứng dụng từ xa
Có các gói TO-92, TO-220, TO-CAN và SOIC
Độ chính xác đảm bảo ± 0,5°C (ở 25°C)
Chỉ phi tuyến tớnh ±ẳ°C Điển hỡnh
Trở kháng đầu ra thấp, 0,1 Ω cho tải 1 mA
Cảm biến LM35 có khả năng đo nhiệt độ từ -55°C đến 150°C với độ chính xác thực tế là ±1/4°C ở nhiệt độ phòng và ±3/4°C trong toàn bộ phạm vi Việc chuyển đổi điện áp đầu ra sang độ Celsius cũng rất đơn giản và trực tiếp.
Cảm biến LM35 nổi bật với trở kháng đầu ra nhỏ, đầu ra tuyến tính và hiệu chuẩn chính xác, giúp việc đọc và điều khiển mạch trở nên dễ dàng Điện áp cung cấp cho LM35 dao động từ +4 V đến 30 V, với mức tiêu thụ dòng điện khoảng 60μA Dòng sản phẩm LM35 bao gồm các phiên bản như LM35A, LM35CA, LM35D, LM135, LM135A, LM235 và LM335, tất cả đều hoạt động theo nguyên tắc tương tự nhưng có khả năng đo nhiệt độ và kiểu chân khác nhau (SOIC, TO-220, TO-92, TO).
Cảm biến LM35 cung cấp giá trị điện áp tại chân VOUT tương ứng với nhiệt độ, hoạt động trong khoảng 0-100ºC Để sử dụng, cấp điện áp 5V vào chân bên trái, nối chân phải với đất, và đo điện áp ở chân giữa để xác định nhiệt độ.
Do điện áp ngõ ra của cảm biến thường nhỏ, trong các mạch ứng dụng thực tế, Op-Amp thường được sử dụng để khuếch đại điện áp này.
2.3.1.5 Cách sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35
LM35 là một IC cảm biến nhiệt độ với điện áp đầu ra thay đổi theo nhiệt độ xung quanh, có khả năng đo nhiệt độ từ -55 °C đến 150 °C Vi mạch này nhỏ gọn và giá cả phải chăng, dễ dàng giao tiếp với các vi điều khiển có chức năng ADC hoặc các nền tảng phát triển như Arduino.
Cấp nguồn cho IC bằng cách áp dụng điện áp quy định +5V (VS) vào chân đầu vào và kết nối chân Ground với mass của mạch Nhiệt độ có thể được đo dưới dạng điện áp như hình minh họa bên dưới.
Hình 21.Cách sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35
Khi nhiệt độ đạt 0 °C, điện áp đầu ra sẽ là 0V Mỗi khi nhiệt độ tăng thêm 1 độ C, điện áp sẽ tăng lên 0,01V (10mV) Để chuyển đổi điện áp thành nhiệt độ, có thể sử dụng công thức dưới đây.
Hình 22 Công thức chuyển đổ nhiệt độ bằng Lm 35
2.3.1.6 Ứng dụng cảm biến nhiệt độ LM35
Đo nhiệt độ của một môi trường cụ thể
Cung cấp tính năng tắt nhiệt cho mạch hoặc linh kiện
Giám sát nhiệt độ pin
Đo nhiệt độ cho các ứng dụng HVAC
Độ nhạy: Gia số nhỏ nhất có thể phát hiện
Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định
Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng được
Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường
Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác lên kết quả
Arduino là một nền tảng mã nguồn mở về điện tử, bao gồm cả phần cứng và phần mềm Về mặt kỹ thuật, nó được xem như một bộ điều khiển logic có thể lập trình, cho phép tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và hành vi đã được lập trình Nhờ vào Arduino, việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị điện tử trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết.
Hiện nay, có nhiều loại vi điều khiển được lập trình chủ yếu bằng ngôn ngữ C/C++ hoặc Assembly, gây khó khăn cho những người có ít kiến thức về điện tử và lập trình Điều này tạo ra rào cản cho những ai muốn tự tạo ra sản phẩm công nghệ Tuy nhiên, Arduino đã giải quyết vấn đề này bằng cách đơn giản hóa thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử và lập trình vi điều khiển, giúp mọi người dễ dàng tiếp cận với thiết bị điện tử mà không cần nhiều kiến thức chuyên sâu và thời gian.
Những thế mạnh của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác:
Lập trình Arduino hỗ trợ đa nền tảng, cho phép người dùng thực hiện trên nhiều hệ điều hành khác nhau như Windows, Mac OS, Linux trên máy tính để bàn và Android trên thiết bị di động.
Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu
Arduino là một nền tảng mã nguồn mở, cho phép phần mềm chạy trên nó được chia sẻ và tích hợp dễ dàng vào nhiều nền tảng khác nhau.
Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng modul nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn
Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị
Arduino cho phép người dùng dễ dàng chia sẻ mã nguồn mà không cần lo lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành Nó được sử dụng làm bộ não cho nhiều thiết bị, từ đơn giản đến phức tạp Một số ứng dụng nổi bật đã chứng minh khả năng vượt trội của Arduino nhờ vào khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ phức tạp.
Arduino không chỉ nổi bật với phần cứng mà còn cần phần mềm để lập trình Cả hai yếu tố này đều được gọi chung là Arduino.
Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển dựa trên chip ATmega168 hoặc ATmega 328 Cấu trúc chung bao gồm:
14 chân vào ra bằng tín hiệu số, trong đó có 6 chân có thể sử dụng để điều chế độ rộng xung
Có 6 chân đầu vào tín hiệu tương tự cho phép chúng ta kết nối với các bộ cảm biến bên ngoài để thu thập số liệu
Sử dụng một dao động thạch anh tần số dao động 16MHz
Có một cổng kết nối bằng chuẩn USB để chúng ta nạp chương trình vào bo mạch và một chân cấp nguồn cho mạch, một nút reset
Nó cung cấp mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, với nguồn cung cấp cho Arduino có thể đến từ máy tính qua cổng USB, bộ nguồn chuyên dụng chuyển đổi từ xoay chiều sang một chiều, hoặc nguồn từ pin.
Hình 23 Cấu trúc phần cứng của Arduino Uno
Thông số kỹ thuật của Uno:
Khối xử lý trung tâm là vi điều khiển Atmega328
Điện áp đầu vào khuyến nghị là 5-12V
Điện áp đầu vào giới hạn 6-20V
Dòng điện một chiều trên các chân vào ra là 40mA
Dòng điện một chiều cho chân 3.3V là 50mA
Flash Memory 16 Kb (ATmega 168) hoặc 32 Kb (ATmega 328), SRAM
1 Kb (ATmega 168) hoặc 2 Kb (ATmega 328), EEPROM 512 bytes (ATmega 168) hoặc 1 Kb (AT mega 328)
Arduino có thể được cấp nguồn qua kết nối USB hoặc nguồn điện bên ngoài, với dải điện áp từ 6V đến 20V Nên sử dụng nguồn dưới 7V, tuy nhiên pin 5V có thể không ổn định nếu cung cấp dưới 5V Sử dụng nguồn trên 12V có thể gây quá nhiệt cho bộ điều chỉnh điện áp Phạm vi điện áp khuyến nghị cho Arduino là từ 7V đến 12V.
Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino khi chúng ta dùng nguồn điện bên ngoài Chúng ta có thể cung cấp nguồn thông qua chân này
Lập trình phần mềm điều khiển
2.4.1 Giới thiệu về Proteus 8 professional
Proteus 8 Professional là một phần mềm thiết kế mạch điện tử mạnh mẽ và linh hoạt, được phát triển bởi công ty Labcenter Electronics Phần mềm này cung cấp cho người dùng một giao diện đồ họa trực quan để thiết kế và mô phỏng mạch điện tử Nó có thể được sử dụng để thiết kế các mạch đơn giản hoặc phức tạp, bao gồm các mạch kỹ thuật số, analog và vi điều khiển
Hình 27 Phần mền Proteus 8 professional
2.4.2 Cấu tạo mạch đo và điều kiển nhiệt độ trên phần mền Proteus 8 Professional
Hình 28 Mạch đo và điều kiển nhiệt độ trên phần mền Proteus 8 Professional
Thiết lập màn hình LCD cùng với hai chân đầu ra, một cho động cơ và một cho đèn LED Sau đó, chương trình vào vòng lặp, nơi nó đọc giá trị tương tự từ chân A5, thường được sử dụng cho đầu vào trên bo mạch Arduino Mã sẽ chuyển đổi giá trị này thành nhiệt độ tính bằng độ C.
Giá trị nhiệt độ được chuyển đổi và hiển thị trên màn hình LCD, đồng thời mã kiểm tra xem nhiệt độ có nằm trong phạm vi cụ thể hay không Dựa vào kết quả đọc nhiệt độ, hệ thống sẽ thực hiện các hành động khác nhau.
- Nếu nhiệt độ nằm trong khoảng cài đặt , cả quạt và đèn LED đều tắt
- Nếu nhiệt độ vượt quá mức cài dặt , quạt sẽ được bật và đèn LED sẽ tắt
Khi nhiệt độ giảm xuống dưới mức cài đặt, đèn LED sẽ tự động bật và quạt sẽ tắt Mã đọc nhiệt độ từ đầu vào tương tự, hiển thị trên màn hình LCD và điều khiển quạt cùng đèn LED dựa trên giá trị đọc nhiệt độ và phạm vi đã chỉ định.
2.4.4 Code chương trình mô phỏng
In the setup function, the LED is defined on pin 2, and both the motor and LED pins are set as outputs The LCD is initialized with a 16x2 configuration, cleared, and a greeting message "NHÓM 4 XIN CHÀO MỌI NGUOI" is displayed After a brief delay, the LCD shows the message "MIN-MAX :45-50".
} void loop() { int value =analogRead (A5); int temp =map (value, 0,1023,0,500); lcd.setCursor(0,1); lcd.print ("Nhiet Do: "); lcd.print (temp); if (45
