đo và điều khiển nhiệt độ môi trường

Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể được chế tạo bằng dây Platin, đồng, niken, bán dẫn … quấn trên một lõi cách điện đặt trong vỏ bằng kim loại có đầu nối ra ngoài.. Yêu cầu đối với vật liệu

Đồ án tốt nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, kỹ thuật vi xử lý đã có những bước nhảy vọt trong việc chế tạo vi mạch điện tử mà đặc trưng là vi mạch vi xử lý, đã tạo một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển của khoa học, những thành tựu trong kỹ thuật vi mạch, công nghệ thông tin, công nghệ chế tạo µC, µP đã mở ra một khả năng to lớn trong công nghiệp chế tạo máy tính, điều khiển các quá trình sản xuất, quản lý đời sống xã hội

Trong những năm gần đây việc phát triển công nghiệp hoá, hiện đại hoá là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu cho bất kỳ một quốc gia nào trong việc xây dựng

và quản lý đất nước Việc ứng dụng các thiết bị đo và hệ thống đo lường có sử dụng kỹ thuật vi điện tử, vi xử lý và máy tính ngày càng có hiệu quả, tạo ra các

hệ thống thông minh nhờ cài đặt bộ vi xử lý µC, µP Điều này cho phép các kỹ

sư đo lường có trong tay một công cụ mạnh để thu thập dữ và xử lý thông tin, điều khiển tự động các quá trình sản xuất Một hệ vi xử lý có quy mô ứng dụng rất lớn, vấn đề là phải dựa trên những yêu cầu cụ thể mà tổ chức phần cứng của

hệ ở mức tối thiểu (Nhằm tăng tốc độ, giảm giá thành và tăng độ tin cậy) và xây dựng phần mềm điều khiển thật tối ưu nhằm tăng khả linh hoạt và mềm dẻo trong các phép xử lý, gia công và biến đổi tín hiệu mà hệ phải thực hiện Do vậy, đối với kỹ sư đo lường, chúng ta nên tìm hiểu và áp dụng kỹ thuật vi xử lý một cách thành thạo

Chính vì điều đó em đã chọn đề tài “ Đo và điều khiển nhiệt độ môi trường “ để có điều kiện tìm hiểu sâu hơn về hệ vi xử lý (cụ thể là 89C51).

Hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ làm những công việc sau:

- Đọc mã phím từ bàn phím và kiểm tra xem phím nào được nhấn để thực hiện công việc tương ứng với phím đó

Đồ án tốt nghiệp

- Ghi lại những thông về thời gian và nhiệt độ

- Cho phép hiện thị cả thời gian và nhiệt độ theo yêu cầu cụ thể

- Giao tiếp với máy tính

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ

1.1.Phương pháp đo nhiệt độ.

Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một đại lượng quan trọng do vai trò quyết định trong nhiều tính chất vật lý của vật chất Một trong những đặc điểm quan trọng tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết Đặc biệt là trong các ngành nhiệt, hoá, và nhất là ngành luyện kim

Đo nhiệt độ có thể dùng các đơn vị khác nhau, xuất phát từ các định luật nhiệt động học người ta xác định đơn vị nhiệt độ đặc trưng tổng quát cho mọi trường hợp Các đơn vị nhiệt độ tuyệt đối được xác định tương tự nhau dựa trên tính chất của khí ký tưởng

- Thang đo nhiệt độ động học tuyệt đối:

Đơn vị nhiệt độ là 0K ( Nhiệt độ Kelvin ).Trong nhiệt độ Kelvin người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái nước - nước đá - hơi Từ nhiệt

độ tuyệt đối người ta xác định được các đơn vị nhiệt độ mới là nhiệt độ Celsious và nhiệt độ Fahrenheit bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ

- Thang đo nhiệt độ Celsious:

Đơn vị nhiệt độ là 0C Một độ Celsious bằng một độ Kelvin Quan hệ giữa nhiệt độ Kelvin và nhiệt độ Celsious được xác định bằng biểu thức:

T (0C) = T(0K) – 273,15

- Thang nhiệt độ Faherenhit:

Đơn vị nhiệt độ là 0F Quan hệ với nhiệt độ Celsious và nhiệt độ Kelvin

T(0C) = ( T(0F) – 32 ) 95

Đồ án tốt nghiệp

T(0F) = ( T(0C) + 32 ) 59Tuỳ theo nhiệt độ cần đo người ta có thể dùng các phưong pháp khác nhau Thông thường nhiệt độ đo được chia ra làm ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình, nhiệt độ cao

Ở nhiệt độ nhiệt độ trung bình và thấp phưong pháp đo là phưong pháp tiếp xúc nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp trong môi trường đo Đối với nhiệt độ cao đo bằng phưong pháp không tiếp xúc, dụng cụ đặt ngoài môi trường đo

1.1.1.Đo nhiệt độ bằng phưong pháp tiếp xúc

Phưong pháp đo thường gặp trong công nghiệp là nhiệt kế tiếp xúc Có hai loại: Nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu

Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng nh cách lắp ghép của chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo

Đối với môi trường nước hoặc không khí, chuyển đổi được đặt theo ngược với dòng chảy Với vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ

từ vật sang chuyển đổi và dễ gây tổn hao nhiệt, nhất là đối 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 hạt (cát , đất …) cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường đo

và thường dùng nhiệt kế điện trở có cáp nối ra ngoài

Đồ án tốt nghiệp

Trong nhiệt điện trở đốt nóng, dòng điện chạy qua rất lớn làm nhiệt độ của

nó tăng lên cao hơn nhiệt độ của môi trường, nên có sự toả nhiệt ra môi trường xung quanh Nhiệt điện trở loại này được dùng để đo lưu lượng của dòng chảy, phân tích các chất hoá học … Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể được chế tạo bằng dây Platin, đồng, niken, bán dẫn … quấn trên một lõi cách điện đặt trong vỏ bằng kim loại có đầu nối ra ngoài Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể dùng mạch đo bất kỳ để đo điện trở nhưng thông thường dùng mạch cầu không cân bằng Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo là: Có hệ số nhiệt độ lớn, bền hoá học khi có tác dụng của môi trường, điện trở suất lớn, khó nóng chảy để giảm tổn hao nhiệt Trong nhiệt điện trở không đốt nóng, dòng điện chạy qua rất nhỏ không làm tăng nhiệt độ của điện trở và nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ môi trường Nhiệt điện trở loại này dùng để do nhiệt độ và các đại lượng cơ học nh đo di chuyển

a1 Điện trở kim loại

Các loại điện trở kim loại

Dựa vào dải nhiệt độ cần đo và các tính chất đặc biệt khác người ta thường chế tạo nhiệt điện trở bằng dây Pt, Ni đôi khi dùng cả Cu, W Đường kính dây

từ 0.02 ÷ 0.06 mm với chiều dài từ 5 ÷ 20 mm

- Nhiệt điện trở Platin (Pt)

Platin có thể được chế tạo với độ tinh khiết rất cao ( 99.999% ), điều này cho phép tăng độ chính xác của các tính chất vật lý của vật liệu Ngoài ra tính trơ về mặt hoá học và sự ổn định trong cấu trúc tinh thể Platin đảm bảo sự ổn định của các đặc tính dẫn điện của điện trở chế tạo từ vật liệu này Các điện trở làm bằng Platin hoạt động tốt trong một dải nhiệt độ từ -2000C ÷ 10000C

Phương trình đặc trưng của chuyển đổi có thể được viết đưới dạng sau:

RT = R0( 1 + At + Bt2) ở 00C ÷ 6600C

RT = R0( 1 + At + Bt2 + C(1 – t)3) ở 00C ÷ 6600C

- Nhiệt điện trở Niken (Ni).

Niken có độ nhạy nhiệt độ cao hơn nhiều so với Platin và có điện trở suất cho phép chế tạo được các chuyển đổi có kích thước nhỏ Điện trở của Niken ở

1000C lớn gấp 1.617 lần so với giá trị ở 00C, đối với Platin sự chênh lệch giữa hai nhiệt độ này là 1.385 Tính chất dẫn điện của Niken phụ thuộc nhiều vào tạp chất và quá trình nhiệt luyện Niken là chất có tính chất hoá học cao, nó dễ bị ôxi hoá khi nhiệt độ làm việc tăng Điều này làm giảm tính ổn định và hạn chế dãi nhiệt độ làm việc của điện trở Thông thường các nhiệt điện trở chế tạo từ Niken làm việc ở nhiệt độ thấp hơn 2500C, ở nhiệt độ cao hơn RT = f(t) không đơn trị

- Nhiệt điện trở đồng (Cu)

Đồng được sử dụng trong một số trường hợp vì sự thay đổi nhiệt độ của các nhiệt điện trở được chế tạo bằng đồng có độ tuyến tính cao Tuy nhiên do hoạt tính hoá học của đồng quá lớn nên các nhiệt điện trở loại này chỉ sử dụng ở dải nhiệt độ từ -50÷ 1800C Ngoài ra điện trở suất của đồng nhỏ nên muốn điện trở cao phải tăng chiều dài của dây tức là giảm kích thước của chuyển đổi

Phương trình đặc trưng:

RT = R0( 1 + αt)

Đồ án tốt nghiệp

Trong đó : α là hệ số nhiệt độ α = 4,3.10-3/0C trong khoảng 0÷1000C

t là nhiệt độ

R0 là điện trở của chuyển đổi ở 00C

Nếu biết giá trị của R0 có thể dùng biểu thức:

RT2 = RT1(τ + t2) (τ + t1)Trong đó: RT1, RT2 là điện trở ứng với nhiệt độ t1, t2

τ = α

1

là hằng số phụ thuộc vào vật liệu, với Cu thì τ = 234

Khi tính điện trở R2 ở nhiệt độ t2 chỉ cần biết điện trở R1 ở nhiệt độ t1 bất kỳ

- Nhiệt điện trở Wonfram (W)

Wonfram có độ nhạy cao hơn so với Platin khi nhiệt độ dưới 1000K và nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ cao với độ tuyến tính tốt hơn Từ Wonfram có thể được chế tạo được các sợi rất mảnh để làm các điện trở có trị số cao hoặc tối thiểu hoá kích thước của các chuyển đổi Tuy nhiên ứng suất của Wonfram có

độ ổn định nhỏ hơn so các nhiệt điện trở của Platin

độ nhạy cao thì phải sử dụng điện trở tương đối lớn, muốn vậy:

- Giảm tiết diện dây, việc này bị hạn chế vì giảm tiết diện dây làm cho dây

dễ đứt

- Tăng chiều dài dây, việc này cũng bị hạn chế do tăng chiều dài dây làm tăng kích thước chuyển đổi

Đồ án tốt nghiệp

Giải pháp thường dùng là Ên định giá trị R = 100 Ω ở 00C

Khi đó nếu dùng Platin đường kính dây khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ nhận được nhiệt kế cỡ 1cm Trên thực tế các sản phẩm thương mại có điện trở ở

00C là 50, 500, 1000 Ω Các điện trở có trị số lớn thường được sử dụng để đo các dải đo nhiệt độ thấp, ở đó chúng cho phép đo với độ nhạy tương đối tốt.Khi chọn vật liệu chế tạo nhiệt kế cần chú ý đến hệ số giản nở của các vật liệu cấu thành để tránh gây ra ứng suất trong quá trình làm việc Độ kín của các

vỏ bọc cần được đảm bảo một cách tuyệt đối, ngoài ra vật liệu bọc dây điện trở phải có độ cách điện tốt và tránh mọi hiện tượng điện phân có thể làm hỏng kim loại

a2 Nhiệt điện trở bán dẫn.

Một đặc tính quan trọng của loại điện trở này là có độ nhạy nhiệt cao, khoảng 10 lần so với độ nhạy nhiệt của điện trở kim loại Ngoài ra hệ số nhiệt

độ của chúng có giá trị âm và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ

Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo từ hỗn hợp các oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO , MgAl2O4 , Mn2O3 , Fe3O4 Để chế tạo nhiệt điện trở, các oxit được trộn với nhau theo một tỉ lệ thích hợp, sau đó chúng được nén định dạng Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt bán dẫn đã phủ bằng một lớp kim loại Các nhiệt điện trở được chế tạo với hình dạng khác nhau (đĩa, trụ, vòng…) và các phần tử nhạy cảm có thể được bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần Các vật liệu thường được sử dụng có điện trở suất cao cho phép chế tạo những điện trở có giá trị thích hợp với một lượng vật chất nhỏ và kích thước tối thiểu (mm) Kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ ở từng điểm, đồng thời do nhiệt dung nhỏ nên tốc độ hồi đáp lớn

Độ ổn định của một nhiệt điện trở phụ thuộc vào việc chế tạo nó và điều kiện sử dụng nó Vỏ bọc của nhiệt điện trở sẽ bảo vệ nó không bị phá huỷ hoá

Đồ án tốt nghiệp

học và tăng độ ổn định khi làm việc Trong quá trình sử dụng nhiệt điện trở cần tránh những thăng giáng nhiệt độ đột ngột vì điều này có thể dẫn đến rạn nứt vật liệu Phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở dải nhiệt độ có thể thay đổi từ một vài

độ tuyệt đối đến khoảng 3000C Có thể mở rộng dải nhiệt độ này nhưng khi đó trị số của điện trở sẽ gia tăng đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ cao

Quan hệ điện trở – nhiệt độ

Biểu thức phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ có thể được viết như sau:

) exp(

) ( )

0 0

T T

T R T

Trong đó : β là hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn

R0 là điện trở tuyệt đối ở nhiệt độ T0

Có thể biểu diễn độ nhạy nh sau:

ảnh hưởng của hàm mũ đến điện trở chiếm ưu thế hơn nên điện trở được viết dưới dạng:

) exp(

)

T R

Giá trị của β nằm trong khoảng 3000 ÷ 5000K

Độ nhạy của nhiệt điện trở cho phép ứng dụng chúng để phát hiện các biến thiên rất nhỏ của nhiệt độ (10-4 ÷ 10 4) Các nhiệt điện trở có thể được sử dụng trong khoảng nhiệt độ từ vài 0K đến 3000K Để đo nhiệt độ ngoài phạm vi này, cần phải chọn vật liệu đặc biệt, ví dụ Cacbua Silic, và có biện pháp bảo vệ hữu

Đồ án tốt nghiệp

hiệu các nhiệt điện trở có giá trị nhỏ hơn 250C (khoảng 50Ω hoặc 1000Ω) Việc lựa chọn giá trị xác định của điện trở phụ thuộc vào điện trở của thiết bị đo

- Nhiệt điện trở Silic

Đây là một điện trở bán dẫn có những đặc điểm sau:

Hệ số nhiệt độ của điện trở suất có giá trị cỡ 0,7%/0C ở 250C Sù thay đổi của nó tương đối nhỏ nên có thể tuyến tính hoá đặc tính của cảm biến trong vùng nhiệt độ làm việc bằng cách mắc thêm một điện trở phụ, song song hay nối tiếp phụ thuộc vào mạch đo

Các điện trở Silic được chế tạo bằng công nghệ khuyếch tán tạp chất vào đơn tinh thể Silic Sù thay đổi nhiệt của điện trở suất của Silic phụ thuộc vào nồng độ pha tạp chất và nhiệt độ

Với nhiệt độ nhỏ hơn 1200C (dải nhiệt độ làm việc của Silic) thì điện trở suất tăng khi nhiệt độ tăng do độ linh động tải giảm mà nồng độ thực tế không đổi

Hệ số nhiệt độ của điện trở càng nhỏ khi pha tạp chất càng mạnh

b Cặp nhiệt ngẫu

Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt ngẫu

Nếu hai dây dẫn nối với nhau tại hai điểm 1 và 2, mét trong hai điểm đó được đốt nóng thì trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện dây bởi suất điện động gọi là suất điện động nhiệt điện, là hiệu số các hàm nhiệt độ của hai điểm nối đó

ET = f(t1) – f(t2)Mạch điện như vậy gọi là cặp nhiệt ngẫu

Điểm được đốt nóng gọi là đầu công tác, điểm còn lại gọi là đầu tự do là hằng số f(t2) = const Như thế:

ET = f(t1) – CBiểu thức trên là cơ sở cho phép đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu nhiệt

Đồ án tốt nghiệp

Theo phương pháp này, việc đo nhiệt độ t1 sẽ dẫn đến việc đo suất điện động của cặp nhiệt ngẫu khi giữ cố định nhiệt độ đầu tự do của nó Cặp nhiệt điện được nối với nhau bằng phương pháp hàn và đặt trong thiết bị bảo vệ để tránh

bị ăn mòn hoá học Thiết bị này được chế tạo từ vật liệu dẫn nhiệt tốt, bền cơ học không thấm khí

Thiết bị trên thường là các ống chế tạo bằng thép đặc biệt Đối với cặp nhiệt điện quý, ống bảo vệ thường được làm bằng thạch anh và gốm Để tránh hiện tượng điện phân người ta dùng ống Amiăng (3000C), ống thạch anh hoặc ống sứ

Phương pháp đo

Đo bằng cặp nhiệt ngẫu là một trong những phương pháp phổ biến và thuận lợi nhất Cấu tạo nhiệt kế nhiệt ngẫu gồm: có hai dây hàn với nhau và luồn vào ống để có thể đo được nhiệt độ cao Với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt kế có thể làm bằng thép không rỉ Để cách điện giữa hai dây một trong hai dây được luồn vào ống sứ nhỏ Nếu vỏ làm bằng kim loại cả hai dây đều đặt trong ống sứ Đầu ra của cặp nhiệt ngẫu được nối vào đầu nối Mạch đo của nhiệt kế nhiệt ngẫu là milivonmet hoặc điện thế kế điện trở nhỏ có giới hạn đo từ 0 ÷ 100mV.Nếu đo suất điện động nhiệt điện bằng milivonmet sẽ gây sai số, nhiệt độ của mạch đo thay đổi Dòng diện chạy qua chỉ thị lúc đó:

do d

T R R R

E I

+ +

=

Trong đó: E là suất điện động

RT là điện trở cặp nhiệt ngẫu

Điện áp rơi trên milivonmet là:

do T T

do T

S

R R R

R E

R R I E U

+ +

= +

−

Đồ án tốt nghiệp

Thông thường Rd + RT được hiệu chỉnh khoảng 5Ω còn điện trở của milivonmet lớn hơn rất nhiều Vì vậy sai số chủ yếu do điện trở của milivonmet Rdo thay đổi Đo suất điện động bằng điện thế kế sẽ loại trừ được sai số trên do dòng tiêu tụ bằng 0 khi tiến hành phép đo

Trong môi trường nhiệt độ cao từ 16000C, các cặp nhiệt ngẫu không chịu được lâu dài, vì vậy để đo nhiệt độ ở các môi trường nhiệt độ đó người ta dựa trên hiện tượng quá trình quá độ đốt nóng cặp nhiệt:

θ = f(t) - ∆T(1 - e1/ τ)

θ: Lượng tăng nhiệt độ của đầu đốt nóng trong thời gian t

∆T: Hiệu nhiệt độ của môi trường và cặp nhiệt độ

τ: Hằng số thời gian của cặp nhiệt ngẫu

Dùa theo quan hệ này có thể xác định được nhiệt độ của đối tượng đo mà không cần nhiệt độ của đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu phải đạt tới nhiệt độ

đó Nhúng nhiệt ngẫu vào môi trường đo trong khoảng thời gian 0,4 ÷ 0,6s, ta

sẽ được phần đầu của đặc tính quá độ của nhiệt ngẫu và theo đó tính được nhiệt

độ môi trường Nếu nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu trong thời gian nhóng trong môi trường đo đạt được vào khoảng nửa nhiệt độ môi trường cần

đo thì nhiệt độ này có sai số không quá hai lần sai số của cặp nhiệt ngẫu kế đo trực tiếp Phương pháp này dùng để đo nhiệt độ của ống thép nóng chảy

Ngoài ra, người ta có thể sử dụng các IC bán dẫn, ví dụ LM335

Đo nhiệt độ sử dụng đầu đo LM335

Để đo nhiệt độ chính xác thì phải có những đầu đo đặc biệt và đầu đo LM335 là một đầu đo được sử dụng rộng rãi Vi mạch LM335 là một loại sensor đo nnhiệt độ của hãng National Semiconductor chế tạo Loại sensor này được tích hợp dạng vi mạch có độ chính xác 10C

Đồ án tốt nghiệp

Hoạt động của đầu đo giống nh một điôt Zener hai cực, điện áp đánh thủng tương ứng với nhiệt độ tuyệt đối là 100K Trở kháng động khi đầu đo hoạt động trong vùng dòng 400µA ÷ 5mA nhỏ hơn 1Ω Trở kháng nhỏ cùng điện áp lối ra tuyến tính là ưu điểm loại đầu đo này

Các thông số của vi mạch:

- Định thang trực tiếp theo độ Kelvin

- Tín hiệu lối ra bằng 10mV/0K

- Độ chính xác 10

- Dòng hoạt động nằm trong vùng 400µA ÷ 5mA

- Điện áp nguồn nuôi: 5 ÷ 18V

1.1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc

Đây là phương pháp dựa trên các định luật bức xạ vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khả năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọi vật có thể đặc trưng bằng một mật phổ độ Eλ nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật và xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng Quan hệ giữa mật độ phổ của vật đen tuyệt đối và độ dài sóng được biểu diễn bằng công thức :

E0

λ = C1λ-5(eC2/ λT)-1)-1Trong đó :

C1, C2 là hằng số

TP là nhiệt độ của vật theo lý thuyết.

σ = 4,96.10-2J/m2.s.grad4

Hoả quang kế được khắc độ theo độ bức xạ của vật đen tuyệt đối nhưng khi

đo ở đối tượng thực tP được tính theo công thức:

Để bảo vệ mặt trong của hoả quang kế phải sạch, đầu ống được gắn thêm một tấm thuỷ tinh hữu cơ trong suốt Nhiệt điện trở được mắc vào một nhánh cầu tự cân bằng cung cấp từ nguồn điện xoay chiều tần số 50Hz Hoả quang kế dùng

Đồ án tốt nghiệp

để đo nhiệt độ từ 20 ÷1000C Khi cần đo nhiệt độ cao hơn ( 100 ÷25000C ) mà tần số bước sóng đủ lớn người ta dùng một thấu kính bằng thạch anh hay thuỷ tinh đặc biệt để tập trung các tia phát xạ và phần tử nhạy cảm với nhiệt độ được thay thế bằng cặp nhiệt ngẫu ( ví dụ Crômel - Copel )

Trong nhiệt kế phát xạ thấu kính không để đo nhiệt độ thấp vì các tia hang ngoại không xuyên qua được thấu kính, kể cả thạch anh

Nhiệt độ của đối tượng đo khi dùng hoả quang kế phát xạ Tt bao giờ cũng nhỏ hơn nhiệt độ lý thuyết tính toán

b Hoả quang kế cường độ sáng

Trong thực tế khi đo nhiệt độ T < 30000C với bước sóng trong khoảng 0,4 ÷ 0,7µm thì mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối có thể biểu diễn bằng công thức:

2

C T

Nguyên lý làm việc của một hoả quang kế cường độ sáng là so sánh cường

độ sáng của đối tượng đo nhiệt với cường độ sáng chuẩn trong dải phổ hẹp

Cấu tạo của hoả quang kế cường độ sáng có bộ chắn quang học gồm: ống ngắm có vật kính và thị kính, thị kính qua đó có thể ngắm được đối tượng đo trước thị kính có bộ lọc ánh sáng đỏ, sợi đốt của bóng đèn chuẩn được ngắm trực tiếp Cường độ sáng của đối tượng đo được chắn và làm yếu đi bằng bộ chắn quang học Góc quay của bộ phận chắn tương ứng với cường độ sáng được tính bằng một thang đo Dụng cụ có hai giới hạn đo, sau bộ chắn quang học là bộ lọc ánh sáng Cường độ sáng của nguồn nhiệt và đèn sợi đốt được so sánh bằng mắt.

Nếu cường độ sáng của đối tượng đo lớn hơn độ sáng của dây đốt ta sẽ thấy dây thâm trên nền sáng Còn nếu độ sáng của đối tượng đo yếu hơn độ sáng của dây đốt thì cho thấy dây sáng lên trên nền thâm Lúc độ sáng bằng nhau hình dây sẽ biến mất Ta đọc vị trí của bộ chắn sáng ở thang đo để suy ra nhiệt độ

c Hoả quang kế màu sắc.

Hoả quang kế màu sắc là dụng cụ đo nhiệt độ dựa trên phương pháp đo tỷ số cường độ bức xạ của hai ánh sáng có bước sóng khác nhau λ1 và λ 2 Năng lượng thu được:

T

C

e C

2

1 1 1

1 =ε λ −λ

T

C

e C

2

2 2 2

2 =ε λ −λ

Đồ án tốt nghiệp

Ta có thể tìm giá trị nhiệt độ T theo các gá trị E1, E2, λ1, λ 2, ε 1, ε 2 là:

5 1 1 2

5 2 2 1 2 1

λε

λ

ελ

E C

Khi đo nhiệt độ 2000 ÷ 25000C thì các giá trị ε1, ε2 có thể xác định bằng thực nghiệm

Phương pháp đo nhiệt độ bằng hoả quang kế màu sắc có ưu điểm là trong quá trình đo không phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí đo đến đối tượng đo và không phụ thuộc vào sự hấp thụ bức xạ của môi trường Nhược điểm của hoả quang kế màu sắc là chúng tương đối phức tạp Ngày nay hoả quang kế màu sắc

có các bộ điều biến

1.2.Phương pháp chọn thiết bị

Có rất nhiều cách để chọn thiết bị khác nhau và cách thiết lập lắp đặt mạch khác nhau Ta cũng biết cùng một tính năng sử dụng cũng có thể có nhiều họ vi mạch khác nhau và mỗi thiết bị lại thích hợp với nhu cầu sử dụng trong những điều kiện nhất định

Lựa chọn thiết bị đòi hỏi chúng ta phải hiểu rõ bản chất và cách sử dụng thiết bị, quan trọng nhất vẫn là kinh nghiệm thực tế, thứ đến thiết bị lựa chọn phải có tính kinh tế cao và các linh kiện phổ biến trên thị trường để có thể dễ dàng lắp đặt sửa chữa thay thế

Để ghép nối các thiết bị sử dụng ta nên xác định rõ đâu là phần điều khiển chính (ví dụ như các vi điều khiển) của toàn bộ hệ thống rồi từ đó định ra cách điều khiển thiết bị trong hệ thống bằng việc định vùng làm việc cho từng bộ phận hay điều khiển bằng cổng Quan trọng là khi ghép nối ta cần phải làm sao

Khèi vi ®iÒu khiÓn

tÝnh

HiÓn thÞ LED

1 2 3 4 5 6

A B C

D

6 5

4 3

2 1

OP 07

!K 47k 10k

1k 1k

A 25

B 24

C 23 ENABLE 9 START 6 ALE 23

IN-0 26 IN-1 27 IN-2 28 IN-3 1 IN-4 2 IN-5 3 IN-6 4 IN-7 5

ref(-) 16

ref(+) 12

Clock 10

ADC0809

10K 10u/50V +5v Reset

P SEND P2.7 Vcc

P2.6

P2.3

P2.0 GND X1 P3.7(RD) P3.6(WR) P3.5(T1) P3.3(INT1) P3.1(TxD) P3.0(RxD ) Reset P1.7 P1.4 P1.1

R?

89C52 11.0592MHz 33p

+5V

10K 5V

10 u/50V FUNC KEY

10K

I7 4 I6 3 I5 2 I4 1

I3 13 I2 12 I1 11 I0 10

E O 5

G S 14

10u/50V DEC KEY 10K

10u/50V

OK KEY 10K +5V

7912

Vin 1

Vout 3

7805 2200u/25V

2200u/25V

470u/16V 470u/16V

470n/16V 220nF

220nF

220nF 220nF

220nF +5V +12V

0V

VR 10K

R?

6.8K +12V

8 x 560 om

1 4

JP?

HEADER 4 +5v

MOT 1 NC 2 NC 3 AD0 4 AD1 5 AD2 6 AD3 7 AD4 8 DA5 9 AD6 10 AD7 11 GND

12 RWCSAS NC 1 3 1 4 1 51 6

DS 1 7 Reset IRQ 1 81 9

98 9 8

99 9 9

100 1 00SQW Vcc 2 3 2 4

1 0u

+5V 10K +5V

+5V +5V 4.7 om

2MHz CRYSTAL 33p 3p

CP1 2

Q0 3

Q1 4

Q2 5

Q3 6

MR 7

GND

8 MRBQ3BQ2B 9 10

11 Q1B 12 Q0B 13 CP1B 14CP0B Vcc 15 16

R?

4520 5V

4 D0/RD DO/RIGNDVcc 5 6 78

7517 6 10u

4 C2- 5

V- 6 TI1 11 RO1 12

TO1 14 RI1 13 GND Vcc 1516

MAX232

LM339 4.7K 220nF3.3K

2.2K

A564

+5V +5V +5V 3 12 +5V

10u 10u+5V

RS485 +5V

+5

+5 V 10K

NPN1 10K

+5

+5

Đồ án tốt nghiệp

2.2 Sơ đồ mạch nguyên lý.và nguyên lý hoạt động

Đầu tiên khi có nguồn cung cấp thì vi điều khiển hoạt động và đọc số liệu thu về thời gian từ DS12887 và nhiệt độ từ ADC0809

Sau đó số liệu sẽ được ra và hiển thị trên màn hình LCD và LED Đồng thời

nó so sánh nhiệt độ môi trường đo được với nhiệt độ đặt để điều khiển Rơle ON/OFF

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 3 CÁC KHỐI CHỨC NĂNG

3.1 Khối nguồn:

Khối nguồn cung cấp điện áp mọi thiết bị Ta cũng có thể nói khối nguồn là

một khối rất quan trọng vì nếu mất nguồn thì thiết bị sẽ không hoạt động hoặc

nếu nguồn không chính xác thì các khối khác cũng bị ảnh hưởng

Sau khi lấy điện áp xoay chiều 220V ngoài lưới qua một máy biến áp để hạ

áp xuống còn 15V xoay chiều, qua cầu chỉnh lưu 1A thành điện áp 1 chiều để

rồi từ đó muốn lấy điện áp bao nhiêu thì ta sử dụng các họ ổn áp 78xx hoặc

79xx

Trong thiết bị này ta sử dụng điện áp +12V , -12V , +5V

Điện áp 12V phục vụ cho rơle, mạch khuyếch đại ( OP07 )

Điện áp 12V phục vụ cho các mạch đo nhiệt độ, vi xử lý, DS12887 và khối

hiển thị

3.2 Khối cảm biến LM335 và mạch đo nhiệt độ :

Để đo nhiệt độ môi trường ta dùng sensor đo nhiệt độ LM335 Sensor này

dùng để đo nhiệt độ trong dải đo từ 00C ÷ 1000C Nguyên lý hoạt động của

mạch đo nhiệt độ dùng LM335:

A B C

D

6 5

4 3

2 1

Vout 37812

Vin 1

2200u/25V

470u/16V

470u/16V

470n/16V 220nF

220nF

220nF

220nF

220nF +5V +12V

0V

Đồ án tốt nghiệp

Theo dải đo của LM335 thì nếu cung cấp cho nó một nguồn dòng từ 400 µA

÷ 5 mA ở đầu vào thì đầu ra của nó sẽ có mức điện áp thay đổi theo nhiệt độ 10mV/10K, ở đây ta cung cấp cho LM335 nguồn dòng là 5mA

Để đổi giá trị nhiệt độ từ 0K sang 0C thì ta phải có thêm mạch bù nhiệt độ với điện áp đầu ra của mạch bù nhiệt độ là 2,73V ứng với 2730C

Nh vậy ta thấy rằng lúc đầu điện áp thay đổi từ 2,73V ÷ 3,73V ứng với

2730K ÷ 3730K tức là 00C ÷ 1000C Sau khi qua mạch bù nhiệt độ thì đầu ra sẽ

có mức điện áp thay đổi từ 0 ÷ 1V tương ứng 10mV/10C

Trước khi đưa vào ADC ta khuyếch đại lên 4 lần tức là điện áp biến đổi từ 0

÷ 4V ứng với dải nhiệt độ đo được là 00C ÷ 1000C

Để chuẩn hoá mạch bù ta thay đổi giá trị biến trở 2K và đo đầu ra sao cho điện áp đúng bằng 2,73 Để chuẩn hoá mạch đầu vào ADC ta điều chỉnh biến trở sao cho 10C ứng với 2 bước ADC

3.3 Khối chuyển đổi tương tự ADC và các thiết bị :

Khối chuyển đổi A/D có nhiệm vụ chuyển giá trị điện áp ở đầu vào thành giá trị số để đưa lên vi xử lý tính toán, sau đó hiển thị lên giá trị nhiệt độ Khối biến đổi A/D ta dùng ADC0809

A B C

D

6 5

4 3

2 1

File: C:\MYDOCU~1\DO_AN\MYDESIGN.DDB Drawn By:

OP 07

!K 47k 10k

1k 1k

VR 2k 5V

1k +5V

Đồ án tốt nghiệp ADC0809 là một vi mạch 8 kênh, 8 bit có sai số là 0,4% nên chấp nhận được vì nhiệt độ cần đo không yêu cầu độ chính xác cao Bộ biến đổi ADC0809

là bộ biến đổi 8 kênh làm việc hoàn toàn độc lập với nhau để lựa chọn, 8 đầu ra song song tương thích với TLL và một điều đáng quan tâm là sự tiêu thụ dòng điện của vi mạch hầu nh không đáng kể Thời gian biến đổi nhanh: 100 µs

Các thông số kỹ thuật của ADC0809 :

- Không đòi hỏi điều chỉnh điểm ‘0’

- Quét động 8 kênh bằng logic địa chỉ

- Dải tín hiệu lối vào analog từ 0÷5V khi điện áp nguồn nuôi là 5V

- Tất cả các tín hiệu đều tương thích TTL

- Độ phân giải 8 bit

- Sai sè 1 bit lượng tử

- Thời gian biến đổi nhanh: 100 µs

- Ghép nối tương thích với vi xử lý

- Nhiệt độ làm việc: -550C ÷ 1250C

Sơ đồ chân của ADC0809:

A B C

D

6 5

4 3

2 1

msb2-1 212-2 202-3 192-4 182-5 82-6 152-7 142-8 17EOC 7

A 25

B 24

C 23ENABLE 9START 6ALE 23

IN-0 26

IN-1 27

IN-2 28

IN-3 1

IN-4 2

IN-5 3

IN-6 4

IN-7 5

ref(-) 16

ref(+) 12

Clock 10

ADC0809

bộ đệm ( buffer ) Khi OE = 1 bắt đầu quá trình đọc dữ liệu từ D0 ÷ D7 vào các thiết bị khác.

Hoạt động của ADC:

Tín hiệu sau khi qua mạch lặp đưa vào kênh 0 của ADC0809 Tín hiệu xung Clock 500Khz cho ADC được tạo từ mạch dao động thạch anh Chân Refferen

Khi cần đọc nhiệt độ, vi xử lý sẽ phát ra mét xung ở cổng Đây là xung cho phép ADC đọc dữ liệu Sau khi có xung Start thì ADC sẽ đọc dữ liệu, biến đổi

và đưa ra chốt ở 8 bit đầu ra Thời gian để ADC biến đổi là 120 µs Nh vậy, sau khi phát xung Start thì vi xử lý phải đợi Ýt nhất là 120 µs, sau đó phát xung OE

ở cổng P1.1 lúc này dữ liệu mới từ đầu ra của ADC đi vào vi xử lý

Data

120µsP1.0

P1.1

Start-ALE

OE

Đồ án tốt nghiệp

3.4 DS12887

Chức năng đồng hồ thời gian thực (Real Time Clock – RTC): sẽ luôn hoạt động và tất cả các vùng RAM, thời gian vùng nhớ để báo alrm sẽ được lưu giữ

mà không cần quan tâm đến mức điện áp vào Khi có Vcc cung cấp cho

DS12887 và đạt tới mức cao hơn 4,25V thì thiết bị sẽ được truy cập sau 200ms, điều này là do chạy Oscilontor bên trong

Thời gian này cho phép hệ thống đạt được trạng thái ổn định sau khi cấp nguồn Nếu điện áp vào Vcc < 4,25V, chip-select input sẽ chịu tác động bên trong để ở mức điện áp không tích cực mà không tính tới giá trị của chân CS ở chân vào Quá trình này sẽ làm cho DS12887 được bảo vệ khi viết (Write- Protected)

Khi DS12887 ở trạng thái Write- Protected tất cả các chân vào đều được bỏ qua và tất cả các đầu ra ở trạng thái trở kháng cao

Khi Vcc < 3V, nguồn bên ngoàI Vcc bị khoá lại và một phần năng lượng bên trong sẽ cung cấp cho RTC và vùng nhớ RAM

∗ DS12887

Cấu tạo chức năng của các chân:

 Chân GND , Vcc:

Đồ án tốt nghiệp

Nguồn một chiều cung cấp cho thiết bị ở những chân này Vcc là chân nguồn 5V Khi Vcc được cung cấp, thiết bị có thể truy cập và dữ liệu có thể được đọc hoặc được ghi Vcc < 4,25V việc đọc và viết được ngăn chặn Tuy nhiên việc lưu giữ thời gian sẽ không bị ảnh hưởng bởi điện áp thấp ở đầu cung cấp

Vcc < 3V thì RAM và bộ lưu giữ thời gian sẽ cung cấp bằng nguồn năng lượng bên trong

 Chân 1: Mot (Mode Select) để chọn 2 loại bus là Motorola bus timing hoặc Intel bus timing, có điện trở treo bên trong sấp xỉ 20 kΩ

 Chân 23 : SQW (Square-Wave-Ouput)

SQW có thể có tín hiệu từ 1 ÷ 15 trạng thái Tần số của SQW từ 256Hz ÷ 2Hz tức là chu kỳ 3,90625 ÷ 500 ms

Tần số của SQW có thể thay đổi bằng lập trình thanh ghi A, tín hiệu SQW

có thể bật tắt bằng cách sử dụng bit SQWE ở thanh ghi B Tín hiệu SQW không

có giá trị khi Vcc <4,25V

PERIODIC INTERRUPT RATE AND SQUARE –WAVE-OUTPUT

SELECT BITS REGISTER

A

PERIODIC INTERRUPT RATE

SQW OUTPUT FREQUENCY

 AD0 ÷ AD7: Multiplex Bidirection Address / Data bus (4 ÷ 11)

Bus đa hợp giữ các chân vì thông tin địa chỉ và dữ liệu cùng trên một đường tín hiệu

Đường địa chỉ xuất hiện trong phần đầu tiên của một chu kỳ bus và các chân khác cũng vậy, đường tín hiệu sẽ được sử dụng cho dữ liệu ở phần 2 của chu

kỳ Tích hợp cả địa chỉ và dữ liệu sẽ không làm chậm tiến trình truy nhập thời gian của DS12887 khi bus chuyển từ đường địa chỉ sang đường dữ liệu trong thời gian truy nhập RAM trong Những địa chỉ này phải có giá trị ưu tiên tới mức thấp của AS/ALE và tại thời điểm đấy DS12887 chốt địa chỉ từ AD0 ÷ AD6

Giá trị dữ liệu nếu cần phải hiện hành và giữ ổn định trong quá trình cổng tiếp theo sau (của DS hoặc xung WR) ở một chu kỳ đọc của DS12887 đưa ra 8 bit của dữ liệu trong quá trình sau (của DS hoặc xung RD), mét chu kỳ đọc được kết thúc và bus trở lại trạng thái trở kháng cao khi DS dịch xuống thấp trong trường hợp Motorola hoặc RD ở mức cao với Intel

 Chân 14: AS (Address Strobe Input)

AS/ALE thấp thì địa chỉ chốt trong DS12887 sườn lên tiếp theo

 Chân 17: DS (Data Strobe or Read Input)

Chân DS/RD có hai chế đọ hoạt động phụ thuộc vào mức của chân MOT Khi chân MOT được nối với Vcc thì bus Motorola được chọn Tại chế độ này,

DS là một xung dương trong chu kỳ bus tiếp theo và có tên là data strobe Trong chu kỳ đọc, khi có tín hiệu DS ở thời gian này thì DS12887 sẽ điều khiển bus 2 chiều, trong chu kỳ viết DS12887 chốt dữ liệu được viết

Quá trình ghi đọc của đồng hồ như sau :

Bus timing for intel interface write cycle

Đồ án tốt nghiệp

Bus timing for intel interface read cycle

 Chân 19: IRQ là một đầu ra tích cực thấp của DS12887 vì vậy có thể

sử dụng nh là một ngắt đầu vào với bộ vi xử lý

 Chân 18: Reset (Reset Input) chân này không ảnh hưởng đến đồng

hồ, lịch thời gian hoặc RAM và 4 byte để điều khiển và đặt trạng thái

Có 3 ngắt là: Softwave, maskable, testable

- Time-of-day alarm once/second to once/day

- Periodic rates from 120ms to 550ms

- End-of-clock update cycle

Có 128 byte RAM trong đó dành 14 byte để thao tác cho hoạt động của DS12887

Đồ án tốt nghiệp

Quá trình đọc và viết là vào 14 thanh ghi từ 0 ÷ 13

Hoạt động ở chế độ song song: Khi chân Mot nối đất ta dùng chế độ Intel và việc viết vào đồng hồ cũng nh đọc dữ liệu từ đồng hồ ra ta dùng lệnh MOVX.Bit điều khiển R/W nếu dùng nh mét port thì có thể dùng lệnh SET hoặc CLEAR Khi dùng đọc viết theo địa chỉ thì nó không thể dùng SET hoặc CLEAR mà do chương trình đIều khiển bên trong

Tất cả 128 byte có thể viết hoặc đọc trực tiếp từ những vùng sau:

- Thanh ghi C, D: chỉ đọc

- 7 bit của thanh ghi A: chỉ đọc

- Bit cao của bit giây: chỉ đọc

Vùng thời gian, cùng lịch và alarm:

Thông tin về thời gian, lịch được chứa đựng cách đọc các byte nhớ thích hợp Thời gian nhớ được thiết lập hoặc bằng init bằng cách viết vào các byte RAM thích hợp Việc chứa trong 10 thời gian, lịch alarm có thể định dạng Binary hoặc BCD

TABLE: time, calendar, and alarm data modes

Đồ án tốt nghiệp

ADDRESS

LOCATION

DECIMAL RANGE

Đồ án tốt nghiệp

- Ghi lại những thông về thời gian và nhiệt độ

- Cho phép hiện thị cả thời gian và nhiệt độ theo yêu cầu cụ thể

- Giao tiếp với máy tính

Khối vi xử lý là một vi mạch AT89C52:

A B C

D

6 5

4 3

2 1

P0.0 P0.2 P0.4 P0.6 EA ALE PSEND P2.7

Vc c

P2.6 P2.4 P2.2 P2.0 GND

X1 P3 7(RD) P3 6(WR) P3 5(T1) P3 3(INT1) P3 1(TxD)

Re set P1 7 P1 5 P1 3 P1 1

Bằng cách kết hợp một CPU linh hoạt 8 bit với Flash trên chip đơn thể, AT89C52 là một hệ vi xử lý 8 bit mạnh cho ta một giải pháp có hiệu quả về chi phí và rất linh hoạt với các ứng dụng điều khiển Nó có đầy đủ các tính năng tốt cùng với các ngoại vi trên chip nh SCI, ROM, RAM, Timer, Counter …

- CPU 8-bit thích hợp với các ứng dụng điều khiển

- Có khả năng xử lý từng bit

Đồ án tốt nghiệp

- Cho phép địa chỉ hoá 64 kbyte bộ nhớ chương trình

- Cho phép địa chỉ hoá 64 kbyte bộ nhớ dữ liệu

- 4 kbyte bộ nhớ chương trình trên chip (ROM , EPROM , EEPROM)

- 128 byte bộ dữ liệu trên RAM

- 3 bé Timer/Counter 16 bit

- 32 đường vào ra được địa chỉ hoá riêng biệt

- Cổng truyền nối tiếp Full-duplex

- Cấu trúc ngắt gồm 6 nguồn ngắt / vector với 2 mức ưu tiên

- Máy phát đồng bộ trên chip

Cổng vào ra song song:

89C52 có 4 cổng vào ra song song: P0, P1, P2, P3

Khi cổng được sử dụng là cổng ra: Số liệu được đưa vào thanh ghi SFR

tương ứng, đồng thời được đưa ra chốt và tiếp tục phát tín hiệu sau khi việc ghi hoàn thành, giá trị đưa ra cổng được thay đổi khi giá trị mới được chốt

Khi cổng được sử dụng là cổng vào: Đầu tiên là viết giá trị FFH ra cổng, sau

đó chân nào của cổng có mức điện áp thấp sẽ được nhận biết là cổng 0 và cổng

đó có thể đọc vào SFRS tương ứng

Port 0, Port 2, Port 3 ngoài các chức năng của cổng vào/ra số còn có các chức năng khác Để thực hiện các chức năng khác nhau thì các bit tương ứng của các thanh ghi SFRSS tương ứng phải được đặt (thường đặt bằng 1):

- Port 0, Port 2 được dùng để ghép nối với các bộ nhớ ngoài Port 2 đưa các byte cao của 16 bit địa chỉ, còn Port 0 đầu tiên đưa ra byte thấp của 16 bit địa chỉ và sau đó có thể nhận byte dữ liệu Byte địa chỉ thấp phải được chốt bên ngoài, để làm việc này thì bộ vi xử lý phát ra tín hiệu tại chân ALE để chốt byte địa chỉ thấp

- Port 3 bao gồm các ngắt, các đầu vào Timer/Counter, đầu vào của các cổng nối tiếp, các tín hiệu điều khiển với bộ