Nghiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ và thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị máy tính

Mục đích yêu cầu của bài toán: Ngiên cứu các phơng pháp đo nhiệt độ Phân tích đề tài, chọn phán thiết kế Thiết kế phần cứng tổng thể Ngiên cứu chi tiết các linh kiên sử dụng trong thiết

Bộ giáo dục và đào tạo TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Hà NộI

Khoa điện

Bộ môn ktđ & thcn - o0o -

đồ án tốt nghiệp

Đề tài :

nghiên cứu các phơng pháp đo nhiệt độ và thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị máy tính

Giáo viên hớng dẫn: Th.S Lê thị thanh hà

Sinh viên thực hiện: nguyễn minh th

1 Đề tài thiết kế:

Ngiên cứu các phơng pháp đo nhiệt độ và thiết kế thiết bị đo nhiệt độ, hiển thi máy tính

2 Các số liệu ban đầu :

Dải nhiệt độ đầu vào từ 0á1000C

Sai số cho phép của thiết bị 1,5%

3 Mục đích yêu cầu của bài toán:

Ngiên cứu các phơng pháp đo nhiệt độ

Phân tích đề tài, chọn phán thiết kế

Thiết kế phần cứng tổng thể

Ngiên cứu chi tiết các linh kiên sử dụng trong thiết kế

Tính sai số của mạch thiết kế

4 Các bản vẽ:

Sơ đồ các khối chức năng

Sơ đồ mạch đo

5 Giáo viên hớng dẫn:

Thạc sĩ : Lê Thị Thanh Hà

6 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:

7 Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế:

Chủ nhiệm bộ môn Cán bộ hớng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

Sinh viên hoàn thành đồ án

(Ký, ghi rõ họ tên)

Mục lục

Chơng 1 : Các phơng pháp đo nhiệt độ………

1.1 Khái niệm về nhiệt độ………

1.1.1 Khái niệm………

1.1.2 Thang đo nhiệt độ………

1.1.3 Sơ lợc về phơng pháp đo nhiệt độ………

1.2 Đo nhiệt độ bằng phơng pháp tiếp xúc………

1.2.1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở………

1.2.1.1 Nhiệt điện trở kim loại………

1.2.1.2 Nhiệt điện trở bán dẫn………

1.2.2 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu………

1.2.3 IC cảm biến nhiệt độ……….

1.2.3.1 LM335………

1.2.3.2 ADC22100………

1.3 Đo nhiệt độ bằng phơng pháp không tiếp xúc…………

1.3.1 Hoả quang kế phát xạ………

1.3.2 Hoả quang kế cờng độ sáng………

1.3.3 Hoả quang kế màu sác………

Chơng 2 : Tính toán và thiết kế tổng thể thiết bị đo……

2.1 Sơ đồ khối của thiết bị đo………

2.2 Thiết kế phần cứng………

2.2.1 senser………

2.2.1.1 Khái niệm………

2.2.1.2 Cấu tạo LM335………

2.2.1.3 Nguyên lý hoạt động………

2.2.1.4 Sơ đồ chân LM741………

2.2.2 Mạch chuyển đổi chuẩn hoá………

2.2.3 Thiết kế card thu thập và xử lý thông tin………

2.2.3.1 ADC 0809 và các mạch phụ………

2.2.3.2 Vi xử lý 89C51 và các mạch phụ…………

2.2.3.3 Lu đồ thuật toán chơng trình………

2.2.4 Thiết kế nguồn cung cấp………

2.2.4.1 Khái niệm cơ bản về bô ổn áp………

2.2.4.2 Nguyên tắc ổn áp………

2.2.4.3 Sơ đồ khối của nguồn cung cấp ổn định………

2.2.5 Sơ đồ nguyên lý của card thu thập dữ liệu………

Chơng 3 : Linh kiện sử dụng trong thiết kế ………

3.1 Bộ biến đổi ADC 0809………

3.1.1 Đặc điểm………

3.1.2 Các thông số kỹ thuật………

3.1.3 Sơ đồ chân………

3.1.4 Nguyên lý………

3.1.5 Hoạt động………

3.2 Vi xử lý………

3.2.1 Đặc điểm……… ………

3.2.2 Mô tả………

3.2.3 Định dạng chân………

3.2.4 Sơ đồ chân………

3.2.5 Timer/ Counter………

3.2.6 Chế độ nghỉ………

3.2.7 Chế độ nguồn giảm………

3.2.8 Các bit khoá chơng trình………

3.3 Cổng truyền thông RS 232………

3.3.1 Về chuẩn RS 232………

3.3.2 Cổng nối tiếp RS 232………

3.3.3 Các yêu cầu của chuẩn RS 232 với phần tạo dạng phát… 3.4 Giới thiệu về máy tính PC………

3.4.1 Giới thiệu chung về máy tính………

3.4.2 Các cổng vào ra của máy tính………

3.4.3 Cổng nối tiếp………

Chơng 4 : Đánh giá sai số chung………

4.1 Sai số của senser………

4.2 Sai số của bộ khuếch đại………

4.3 Sai số của ADC………

4.3 Kết luận => sai số toàn mạch………

4.4 Cách hiệu chỉnh sai số………

Lời nói đầu

Đo nhiệt độ là một trong các phơng pháp cơ bản và thờng gặp trong đolờng, nó đã có từ lâu, mỗi giai đoạn có những phơng pháp đo khác nhau Tr-

ớc đây khi công nghệ điên tử và bán dẫn cha phát triển thì các mạch đo chủyếu dựa trên kỹ thuật tơng tự, phơng pháp xử lý chủ yếu dựa vào phần cứngcho nên giá trị đó có sai số lớn, thiết bị cồng kềnh, lắp đặt không thuận tiện

Đến đầu những năm 80 và nhất là những năm cuối thế kỷ 20, khi công nghệbán dẫn và vi mạch phát triển mạnh, cùng với sự phát triển của khoa học kỹthuật đặc biệt là kỹ thuật số đã đợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành đo l-ờng điều khiển làm thay đổi hẳn phơng pháp xử lý tín hiệu đo Trớc đây xử

lý tín hiệu đo chủ yếu là đo bằng phần cứng thì ngày nay việc xử lý đợc mềmhoá cùng với sự ra đời của những sensor thông minh đã làm cho các thiết bị

đo ngày càng thông minh và độ chính xác cao hơn Ngày nay xuất hiên nhiềuphơng pháp đo nhiệt độ sử dụng cảm biến loại cặp nhiệt, nhiệt điện trở haybán dẫn hoặc sử dụng phơng pháp phân tích phổ để xác định nhiệt độ Đốivới những nơi không trực tiếp đặt đợc các đầu đo nhiệt độ (nơi có nhiệt độquá cao) Nhìn chung các phơng pháp đo nhiệt độ có nhiều nét giống nhaunhng cách xử thì có thể khác nhau, tuỳ vào mục đích và yêu cầu kỹ thuật đốivới từng công việc cụ thể nhng mục đích cuối cùng của phép đo là thể hiệngiá trị nhiệt độ với khoảng sai số cho phép có thể chấp nhận đợc

Phần chi tiết em xin trình bày dới đây

khí) mà chuyển động này có khác nhau ở trạng thái lỏng, các phân tử dao

động quanh vi trí cân bằng nhng vi trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làmcho chất lỏng không có hình dạng nhất định Còn ở trạng thái rắn, các phần

tử, nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng Các dạng vận độngnày của các phân tử, nguyên tử đợc gọi chung là chuyển động nhiệt Khi t-

ơng tác với bên ngoài có trao đổi năng lợng nhng không sinh công, thì quátrình trao đổi năng lợng nói trên gọi là sự truyền nhiệt Quá trình truyềnnhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý:

Bảo toàn năng lợng

Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độthất. ở trạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bứcxạ nhiệt

Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn cótruyền nhiệt bằng đối lu Đó là hiện tợng vận chuyển năng lợng nhiệt bằngcách vận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ

do chênh lệch về tỉ trọng

1.1.2 Thang đo nhiệt độ:

Từ xa xa con ngời đã nhận thức đợc hiện tợng nhiệt và đánh giá cờng độ của

nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo một đơn vị đo của mỗi thời kỳ Cónhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng đợc định nghĩa theo từng vùng, từng thời kỳphát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay chúng ta có 3 thang đonhiệt độ chính là:

Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K )

Thang Celsius ( C ): T( 0C ) = T( 0K ) – 273,15

Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 459,67

Đây là 3 thang đo nhiệt độ đợc dùng phổ biến nhất hiện nay Trong đóthang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) đợc quy định là một trong 7 đơn vị đo cơ bảncủa hệ đơn vị quốc tế (SI) Dựa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá

đợc nhiệt độ

1.1.3 Sơ lợc về phơng pháp đo nhiệt độ:

Nhiệt độ là đại lợng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vậtphụ thuộc nhiệt độ Hiện nay chúng ta có nhiều nguyên lí cảm biến khácnhau để chế tạo cảm biến nhiệt độ nh: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phơngpháp quang dựa trên phân bố phổ bức xạ nhiệt, phơng pháp dựa trên sự dãn

chính:

ở dải nhiệt độ thấp và trung bình phơng pháp đo là phơng pháp tiếpxúc, nghĩa là các chuyển đổi đợc đặt trực tiếp ngay trong môi trờng đo Thiết

bị đo nh: nhiệt điện trở, cặp nhiệt, bán dẫn

ở dải nhiệt độ cao phơng pháp đo là phơng pháp không tiếp xúc( dụng cụ dặt ngoài môi trờng đo) Các thiết bị đo nh: cảm biến quang, hoảquang kế ( hoả quang kế phát xạ, hoả quang kế cờng độ sáng, hoả quang kếmàu sắc)…

1.2 Đo nhiệt độ bằng phơng pháp tiếp xúc

1.2.1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở:

Nguyên lý hoạt động:

Điện trở của một số kim loại thay đổi theo nhiệt độ và dựa vào sự thay

đổi điện trở đó ngời ta đo đợc nhiệt độ cần đo

Nhiệt điện trở dùng trong dụng cụ đo nhiệt độ làm việc với dòng phụ tải nhỏ

để nhiệt năng sinh ra do dòng nhiệt điện trở nhỏ hơn so với nhiệt năng nhận

đợc từ môi trờng thí nghiệm

Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu dùng làm chuyển đổi của nhiệt điệntrở là có hệ số nhiệt độ lớn và ổn định, điện trở suất khá lớn…

Trong công nghiệp nhiệt điện trở đợc chia thành nhiệt điện trở kim loại

và nhiệt điện trở bán dẫn

1.2.1.1 Nhiệt điện trở kim loại:

Quan hệ giữa nhiệt điện trở của nó và nhiệt độ là tuyến tính, tính lặplại của quan hệ là rất cao nên thiết bị đợc cấu tạo đơn giản Nhiệt điện trởkim loại thờng có dạng dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại có điện trởsuất thay đổi theo nhiệt độ Trong điện trở kim loại dợc chia thành 2 loại:

Kim loại quý (Pt)Kim loại thờng (Cu, Ni…)

Platin đợc chế tạo với độ tinh khiết cao, cho phép tăng độ chính xáccủa các đặc tính điện trở của nó, hơn nữa Platin còn trơ về mặt hoá học và ổn

định tinh thể, cho phép hoạt động tốt trong dải nhiệt độ rộng Ngoài ra nó lạicòn có tính lặp rất cao, sai số ngẫu nhiên thấp ( dới 0,01%), có độ sai khác0.01 0C…

Niken có độ nhạy cao hơn so với Platin nhng Niken có tính hoá họccao, dễ bị oxy hoá khi nhiệt độ tăng do vậy dải nhiệt độ làm việc của nó bịhạn chế ( dới 2500C ) Tuy vậy nó lại có giá thành rẻ vẫn đáp ứng về mặt kỹthuật cho nên cũng hay đợc sử dụng

Đồng cũng đợc sử dụng nhiều vì sự thay đổi nhiệt độ của đồng có độtuyến tính cao, giống nh Niken thì hoạt tính hoá học của đồng lớn nên dảinhiệt độ làm việc của đông bị hạn chế ( dới 180 0C )

Để đạt đợc độ nhạy cao nhiệt điện trở phải lớn muốn vậy phải giảmtiết diện và tăng chiều dài dây Để có độ bền cơ học tốt các nhiệt điện trởkim loại có trị số điện trở R vào khoảng 100 ở 00C Các nhiệt điện trở có trị

số lớn thờng dùng đo dải ở nhiệt độ thấp vì ở đó cho phép thu đợc độ nhạycao Để sử dụng cho mục đích công nghiệp các nhiệt điện trở có vỏ bọc tốt,chống đợc va chạm và rung mạnh…

Đối với bạch kim thì giữa điện trở và nhiệt độ trong giới hạn từ 0 á

660 0C đợc biểu diễn bằng biểu thức:

Rt = Ro(1+At+Bt2 ) Trong đó Ro là nhiệt độ ở 00C

Đối với bạch kim tinh khiết thì: A = 3,940.10-3/ 0C

B = -5,6.10-7/ 0C Trong khoảngtừ -190 á 00C thì quan hệ giữa điện trở của bạch kim vớinhiệt độ có dạng: Rt = { 1+At+Bt2+C(t-100)3

Trong đó C = -4,10.10-12/ 0C

Đối với đồng ta có công thức: Rt = Ro(1+t)

Trong đó: Ro - điện trở ở nhiệt độ 00C

0 - hệ số nhiệt độ đối với khoảng nhiệt độ bắt đầu từ 00Vbằng 4,3.10-3/ 0C

Trong khoảng nhiệt độ từ -500C á 1500C Loại này có thể dùng đợctrong các môi trờng có độ ẩm và khí ăn mòn

Trong thực tế có loại nhiệt điện trở TCM-0879-01T3 bằng đồng côngthức mô tả: Rt = 50(1+4,3.10-3T) ().

1.2.1.2 Nhiệt điện trở bán dẫn:

Nhiệt điện trở bán dẫn đợc chế tạo từ hỗn hợp nhiều oxit kim loại khác

quan hệ: Rt = A.eB/T

Trong đó A: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bấndẫn, kích thớc và hình dạng của vật

B: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn

T: Nhiệt độ Kenvin của nhiệt điện trở

Nhợc điểm của nhiệt điện trở bán dẫn là có hệ số phi tuyến giữa điệntrở với nhiệt độ Điều này gây khó khăn cho việc có thang đo tuyến tính vàviệc lầm lẫn giữa các nhiệt điện trở khi sản xuất hàng loạt

Nhiệt điện trở có thể dùng mạch đo bất kỳ để đo điện trở nh ng thôngthờng dùng mạch cầu không cân bằng, chỉ thị là Logomet từ điện hoặc cần tự

động cân bằng, trong đó một nhánh là nhiệt điện trở khi sản xuất hàng loạt

Nếu dùng cầu 2 dây dụng cụ sẽ có sai số do sự thay đổi nhiệt điện trởcủa đờng dây khi nhiệt độ môi trờng thay đổi

1.2.2 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu:

Nguyên lý làm việc:

Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu là 1 mạch từ có 2 hay nhiều thanh dẫn

điện gồm 2 dây dẫn A và B Sebeck đã chứng minh rằng nếu mối hàn cónhiệt độ t và t0 khác nhau thì trong mạch khép kín có một dòng điện chạyqua Chiều của dòng điện này phụ thuộc vào nhiệt độ tơng ứng của mối hànnghĩa là t > t0 thì dòng điện chạy theo hớng ngợc lại Nếu để hở một đầu thì

sẽ xuất hiện một sức điện động nhiệt Khi mối hàn có cùng nhiệt độ ( ví dụbằng t0 ) thì sức điện động tổng bằng:

EAB = eAB(t0) + eAB(t0) = 0

Từ đó rút ra: eAB = eAB(t0)

Khi t0 và t khác nhau thì sức điện động tổng bằng:

EAB = eAB(t) – e+AB(t0)

Phơng trình trên là phơng trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu ( sức điện

động phụ thuộc vào hệ số nhiệt độ của mạch vòng t và t0)

Nh vậy bằng cách đo sức điện động ta có thể tìm đợc nhiệt độ của đốitợng

Phơng pháp này đợc sử dụng nhiều trong công nghiệp khi cần đonhững nơi có nhiệt độ cao

1.2.3 IC cảm biến nhiệt độ

Có rất nhiều hãng chế tạo linh kiện điện tử đã sản xuất ra các loại IC

cảm biến nhiệt thờng là điện áp của lớp chuyển tiếp p-n trong một loạitranzitor loại bipola

1.2.3.1 Loại LM 335

IC loại LM 335 có điện áp ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với nhiệt độ thang

đo 0C, điện áp ra là 10mV/ 0C và sai số không tuyến tính là 1,8 mV cho±1,8 mV chotoàn thang đo Điện áp nguồn nuôi có thể thay đổi từ 4Vá30V LM 335 đợcchế tạo cho 3 thang đo:

V+: Trị số điện áp cấp

T : Nhiệt độ cần đo Các IC trong họ AD22100:

AD100KT/KR cho dải nhiệt độ từ 0á1000C

AD100ST/SR cho dải nhiệt độ đo từ -50á1500C

Hình dạng bên ngoài của AD22100:

V+: Điện áp nguồn nuôi 4á30 VDC

Vo : Đầu ra GND : nối vào 0V

Quan hệ giữa mật độ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và độ dài sóng

đợc biểu diễn bởi công thức:

Trong đó : T là hệ số bức xạ tổng, xác định tính chất của vật và nhiệt

độ của nó ( thờng nhỏ hơn 1 )

Tt : Nhiệt độ thực của vật Hoả quang kế phát xạ đợc khắc độ theo bức xạ của vật đen tuyệt đối.Nhng khi đo ở đối tợng thực thì Tp đợc tính theo công thức:

.T4 = T..T4

T

( Tt bao giờ cũng nhỏ hơn Tp )Hoả quang kế dùng để đo dải nhiệt độ từ 20 á 1000C khi cần đo nhiệt

độ lớn ( trên 100 á 25000C ) mà tần số bớc sóng đủ lớn ngời ta dùng 1 thấykính bằng thạch anh hay thuỷ tinh đặc biệt để tập chung các tia phát xạ vàphần tử nhạy cảm với nhiệt độ đợc thay bằng cặp nhiệt ngẫu Trong nhiệt kếphát xạ thấu kính không thể đo đợc nhiệt độ thấp vì các tia hồng ngoại khôngthể xuyên qua đợc thấy kính ( kể cả thạch anh )

Khoảng cách để đo giữa đối tợng và hoả quang kế đợc xác định dokích thớc Chùm tia sáng từ đối tợng đo đến dụng cụ phải chùm hết tầm nhìnống ngắm của nhiệt kế

Nhợc điểm của tất cả các hoả quang kế là đối tợng không phải là vật

đen tuyệt đối do đó trong vật nóng có sự phát xạ nội tại và dòng phát xạ nhiệt

đi qua bề mặt

1.3.2 Hoả quang kế cờng độ sáng:

Trong thực tế khi đo nhiệt độ T dới 30000C với bớc sóng trong khoảng0,40m <  < 0,70m thì mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối có thểbiểu diễn bằng công thức:

độ khoảng 20000C Cờng độ sáng có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng

đốt hay dùng bộ lọc ánh sáng

Nếu cờng độ sáng của đối tợng đo lớn hơn độ sáng của dây đốt ta sẽthấy dây thâm trên nền sáng

Nếu cờng độ của đối tợng đo yếu hơn độ sáng của dây đốt thì kết quả

sẽ cho thấy dây sáng trên nền thẫm

Nếu độ sáng bằng nhau thì dây sẽ mất và đọc vị trí của bộ chắn sáng

So sánh bằng mắt tuy thô sơ nhng vẫn đảm bảo độ chính xác nhất địnhvì cờng độ sáng thay đổi nhiều hơn gấp 10 lần so với sự thay đổi nhiệt độ

ánh sáng từ đối tợng đo 1 đến mẫu 10 qua khe hở và bộ lọc ánh sáng

8 cùng đặt vào tế bào quang điện 4 Sự sánh đợc thực hiện bằng cách lần lợtcho ánh sáng từ đối tợng đo và đèn chiếu tế bào quang điên nhờ tấm chắn 3

và sự di chuyển tấm chắn cảm ứng điện từ 9 của chuyển đổi ngợc với tần số

50 Hz

Dòng ánh sáng 1 và 2 đợc tế bào quang điện biến thành dòng điện,dòng điện này đợc đa vào khuếch đại xoay chiều và đợc chỉnh lu bằng bộchỉnh lu nhạy pha 6 để biến thành dòng 1 chiều và đa vào miliampemet 7 và

đèn đốt 10 thay đổi cho đến khi cờng độ sáng của đối tợng đo

Miliampemet đợc khắc trực tiếp giá trị nhiệt độ cho ta biết giá trị đo

đ-ợc Hoả quang kế loại này có độ chính xác cao ( sai số 1% ) trong dải nhiệt±1,8 mV cho

Khi đo đến dải nhiệt độ 2000á 25000C thì giá trị 1,2 có thể xác định

đợc bằng thực nghiệm

Cờng độ bức xạ từ đối tợng đo A qua hệ thấu kính 1 tập chung ánhsáng trên đĩa 2 Đĩa này quay quanh trục nhờ động cơ 3.

Sau khi ánh sáng qua đĩa 2 đi vào tế bào quang điện 4 trên đĩa khoan 1

số lỗ, trong đó một nửa đặt bộ lọc ánh sáng đỏ (LĐ) còn nửa kia lọc ánhsáng xanh (LX) Khi đĩa qua tế bào quang lần lợt nhận đợc ánh sáng đỏ vàxanh với tần số nhất định tuỳ theo tốc độ quay của động cơ Dòng quang

điện đợc khuếch đại 5 từ đó đa vào bộ chỉnh lu pha 7

Nhờ bộ chuyển mạch 8 tín hiệu đĩa chia thành 2 phần tuỳ theo ánhsáng của tế bào quang điện là xanh hay đỏ

Tuỳ theo cờng độ bức xạ của đối tợng đo, độ nhạy của khuếch đại đợc

điều chỉnh tự động nhờ thiết bị 6

Bộ chia logomet từ điện: góc quay của nó tỉ lệ với nhiệt độ cần đo và

bộ chuyển mạch là các rơle phân cực, làm việc đồng bộ với các đĩa quay,nghĩa là: sự chuyển mạch của logomet xảy ra đồng thời với sự thay đổi bộlọc ánh sáng mà dòng bức xạ đặt lên tế bào quang điện

- Ưu điểm: Trong quá trình đo không phụ thuộc vào khoảng cách từ vị

trí đo đến đối tợng đo và không phụ thuộc vào sự hấp thụ bức xạ của môi ờng

tr Nhợc điểm: Cấu tạo tơng đối phức tạp.

Nhận xét chung về các loại cảm biến:

- Điện áp cung cấp thấp

- Đòi hỏi điện áp tham chiếu

- Kém ổn định nhất

- Kém nhạy nhất

Sensor Mạch

đo

Chuyển

đổi chuẩn hoá

ADC Vi xử

lý

Máy tính

Max 232

- Nhiệt độ đo thấp

- Cần cung cấp nguồn dòng choCảm biến

TíNH TOáN Và THIếT Kế MạCH ĐO

2.1 Sơ đồ khối của thiết bị đo

Hình trên là sơ đồ khối của thiết bị đo nhiệt độ hiển thị máy tính

Bộ chuyển đổi ADC đợc thực hiện chức năng cơ bản chuyển tín hiệu

t-ơng tự sang tín hiệu số

Từ ADC tín hiệu số đợc đa vào vi điều khiển để tính toán sau đó truyền

số liệu đã thu đợc lên hiển thị trên máy tính thông qua bộ đệm Max 232 quacổng COM1 theo chuẩn RS232

2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động.

thủng tơng ứng với nhiệt độ tuyệt đối là 10 0 K Trở kháng động khi đầu đohoạt động trong vùng dòng 400àA đèn 5mA nhỏ hơn 1Ω Trở kháng nhỏcùng điện áp ra tuyến tính là u điểm của đầu đo này

Các thông số của vi mạch :

1 Định thang trực nuôi theo độ K

2 Tín hiệu lối ra bằng 10 mV / 0 K

3 Độ chính xác 1 0 C

Dòng hoạt động trong vùng 400àA á 5 mA

4 Điện áp nguồn nuôi từ 5V á 18V

điện áp đầu ra

Nguyên lý hoạt động của mạch đo nhiệt độ dùng LM335:

Theo dải đo của LM335 thì nếu ta cung cấp cho nó một dòng điện từ400àA đến 5 mA ở đầu vào thì đầu ra của nó sẽ có mức điện áp thay đổitheo nhiệt độ 10 mV/ 0 K, ở đây ta cung cấp cho LM335 dòng điện là 5 mA Để đổi giá trị nhiệt độ từ độ K sang độ C thì phải có thêm mạch bùnhiệt độ Nh vậy ta thấy rằng lúc đầu điện áp thay đổi từ 2,73 V đến 3,73 Vứng với 2730 K đến 3730 K tức là từ 00 C đến 1000 C Sau khi qua mạch bùnhiệt độ thì đầu ra sẽ có mức điện áp từ 0 V đến 1 V tơng ứng 10 mV / 0C.

2.2.2 Mạch chuyển đổi chuẩn hoá.

Tín hiệu ra của sensor ta đa tín hiệu qua bộ khuếch đại sau đó mới đavào ADC Mạch khuyếch đại sử dụng OP-07

- chân 2, chân 3: điện áp đầu vào.

- chân 6: điện áp ngõ ra

- chân 4, chân 7: điện áp nguồn nuôi

- chân 5 không sử dụng

Đặc điểm:

- Volt thấp 75àm max/ 0 Cmax

- Mức trôi volt thấp: 1,3 àV/0 Cmax

- Nhiễu thấp 0,6 àVppmaxx

- Dải điện áp đầu vào rộng 14V.±1,8 mV cho

- Dải nguồn cung cấp rộng: 3V đến 18V

OP-07 có điện áp lệch đầu vào thấp ( lớn nhất là 75 àV đối với OP-07).Những điện áp lệch thấp này cho phép lọai trừ sự cần thiết của chỉnh 0 bênngoài OP-07 cũng có một số đặc điểm giống nh dòng phân cực đầu vào thấp( 4 nA cho OP-07E và sự khuếch đại vòng hở cao ứng dụng cho thiết bị đo±1,8 mV chokhuyếch đại cao)

Trong mạch khuyếch đại ở đây ta dùng 3IC OP07

ở tầng đầu tiên là mạch khuyếch đại thuật toán với 2IC OP07 có hệ sốkhuyếch đại là:

K1 = 1+ (R8+ R9)/ R10

Có thể điều chỉnh hệ số khuếch đại này bằng cáchđiều chỉnh biến trở R7

ở tầng thứ 2 ta sử dụng OP07 thứ 3 với hệ số khuyếch đại là:

K2 = R5/ R4

Vậy hệ số khuyếch đại của toàn mạch khuyếch đại là:

K = K1 K2 = ( R5/ R4) ( 1+(R8+ R9)/ R10)

Chọn K1 = 2  1+( R8+R9 )/ R10 = 2Chọn R8 = R9 = 10K  R10 = 20K

K = K1.K2 = 5  K2 = 2,5 ( K = 5 vì điện áp cung cấp cho ADC 0809 dùng nguồn là 5V )

Card thu thập và xử lý thông tin gồm các phần chính sau:

Bộ biến đổi tơng tự số trong mạch thiết kế là bộ chuyển đổi ADC-0809tám bit nhận tín hiệu số đa vào vi xử lý để xử lý

Trong thiết kế này nhóm làm đồ án chọn vi xử lý là loại AT98C51.Nhiệm vụ chính của nó là đa ra tín hiệu kích hoạt và điều khiển ADC, thuthập thông tin do ADC biến đổi, xử lý thông tin đó và truyền thông tin nhận

đợc ( các kết quả đo trên máy tính)

Bộ đệm chuyên dùng dùng cho truyền nhận tiếp giữa MC và máy tính làMAX 232 Tín hiệu 0á5V từ hai chân TxD và RxD của vi điều khiển đợcchuyển đổi thành tín hiệu -12Vá +12V để truyền lên máy tính và ngợc lại

Điện áp cung cấp cho ADC 0809 dùng nguồn nuôi từ 0á5V, giữa haichân Vcc và GND đợc nối thông qua tụ 22F để lọc nhiễu

Kênh tín hiệu vào đợc đa vào chân IN0

Chân cung cấp điện áp so sánh REF+ nối với +5V, chân REF_ nối đất

Chân CLK đợc cung cấp xung Clock bởi mạch tạo xung Clock.

Mạch tạo xung bao gồm thạch anh có tần số dao động 500kHz, 2 triggơsmith 74LS14, hai điện trở 1K, một tụ giấy100nF

2.2.3.2 Vi xử lý 89C51 và các mạch phụ:

động ban đầu Mỗi lần nhấn phím Reset chân Reset của vi điều khiển

đợc nối với điện áp +5V

2.2.3.2 Lu đồ thuật toán chơng trình:

10 30 16 28 26 24 22 32 34 36 38

8 6 4 2

15 14 12 9 18 19 31

P1.7 P1.5 P1.3 P1.1 T1 INT1 RESET X2 X1 EA/VP U20 +5V XTAL2

XTAL1

12MHz Y2

33pF

33pF C312

C311 C313

22 F

R58 100K SW311

P0.7

P2.6 P2.4 P2.2 P2.0 P0.6 P0.4 P0.2 P0.0

PO[07]