đồ án kỹ thuật điện điện tử HỆ THỐNG ĐO ĐỘ ẨM VÀ TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH

Với hệ thống đo độ ẩm và tưới cây tự động có thể giám sát và điều khiển các thông số của môi trường trong một nhà kính phục vụ cho việc trồng cây cảnh, cây giống, rau hoa quả sạch...Tất

KHOA ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGIỆP

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP :

HỆ THỐNG ĐO ĐỘ ẨM VÀ TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG

ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH

PHẦN A

GIỚI THIỆU

Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng và ngày càng mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nền công nghiệp điện tử cũng có những bước tiến vô cùng quan trọng đối với đời sống con người Kỹ thuật điện tử đóng vai trò chủ động trong các ngành hàng không vũ trụ, thông tin liên lạc, tự động điều khiển đặc biệt trong công nghiệp sản xuất các thiết bị điện tử đã hỗ trợ con người rất nhiều trong quá trình sản xuất, những hệ thống tự động điều khiển, robot thay thế con người những công việc nặng nhọc và đòi hỏi sự chính xác cao Những thành tựu khoa học kỹ thuật đã mang đến cho con người một cuộc sống tiện nghi văn minh và hiện đại Việc ứng dụng những thành tựu phát triển của kỹ thuật điện tử vào nhiều lĩnh vực : công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, hàng không, giao thông vận tải Góp phần rất lớn cho sự phát triển không ngừng của các ngành này,đã đem lại nhiều lợi ích về kinh tế, xã hội

Trong nền nông ngiệp nước ta hiện nay còn gặp những khó khăn do ảnh hưởng của thiên nhiên và những phương thức canh tác theo truyền thống vẫn chưa mang lại lợi ích kinh tế thật sự cao Việc ứng dụng những thành tựu phát triển của kỹ thuật điện tử vào nông nghiệp để thay đổi phương thức sản xuất, tăng năng suất sản phẩm đó chính là công việc của những người làm khoa học kỹ thuật Các thiết bị điện tử được thiết kế nhằm giải quyết những vấn đề trên Với hệ thống đo độ ẩm và tưới cây tự động có thể giám sát và điều khiển các thông số của môi trường trong một nhà kính phục vụ cho việc trồng cây cảnh, cây giống, rau hoa quả sạch Tất cả những thông số của môi trường như : nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, chất dinh dưỡng cung cấp cho cây Đều được định hóa bằng máy tính sao cho phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cây trồng

Nội dung đồ án tốt nghiệp “Hệ Thống Đo Độ Aåm Và Tưới Cây Tự Động Điều Khiển Bằng Máy Tính” được trình bày làm 3 phần:

Phần A : Giới Thiệu

Phần B : Nội Dung

Phần C : Phụ Lục Và Tài Liệu Tham Khảo

Bằng những kiến thức được thầy cô trong trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đã trang bị trong suốt hơn 4 năm học vừa qua, cùng với sự hướng dẫn nhiệt tình của cô Trương Thị Bích Ngà đã giúp nhóm nghiên cứu hoàn thành đề tài đúng theo thời gian quy định Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên cuốn Đồ Aùn Tốt Nghiệp này khó có thể tránh khỏi những sai sót, Đề Tài còn hạn chế Rất mong được sự đóng góp ý kiến nhiệt tình của quý thầy cô và các bạn để Đề Tài này được hoàn chỉnh hơn

Thành Phố Hồ Chí Minh,Tháng 02 Năm 2005

Nhóm Nghiên Cứu Đề Tài

Họ và tên : TRẦN VIỆT DŨNG

Mssv : 00101057

Họ và tên : TRẦN QUỐC TUẤN Mssv : 00101344

Lớp : 001013

1 Tên đề tài : HỆ THỐNG ĐO ĐỘ ẨM VÀ TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH 2 Các số liệu ban đầu :

……….

………

………

………

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán :

……….

………

………

………

………

………

………

4 Các bản vẽ và đồ thị :

……….

………

………

………

5 Giáo viên hướng dẫn : TRƯƠNG THỊ BÍCH NGÀ

6 Ngày giao nhiệm vụ :

7 Ngày hoàn thành nhiệm vụ :

Thông qua bộ môn

Ngày tháng 02 năm 2005 Giáo viên hướng dẫn: Chủ nhiệm bộ môn

………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

………

………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ……

………

………… ………

……… ………

……… ………

ĐHSPKT, Ngày tháng 02 năm 2005

Giáo viên hướng dẫn

………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

………

………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… …

………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ……

………

………… ………

……… ………

……… ………

……

ĐHSPKT, Ngày tháng 02 năm 2005 Giáo viên phản biện

Khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ đã làm thay đổi cuộc sống con người Làm cho cuộc sống con người ngày càng trở nên tiện nghi và hiện đại Kỹ thuật điện tử phát triển con người đã tạo ra những thiết bị máy móc hiện đại thay thế cho con người những công việc nặng nhọc và đòi hỏi sự chính xác cao

Kỹ thuật điện tử phát triển đã nhanh chóng được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực : công nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ Các thiết bị điều khiển tự động giữ vai trò cực kỳ quan trọng góp phần lớn cho sự tiến bộ không ngừng của các lĩnh vực này

Ngành nông nghiệp nước ta hiện nay còn phụ thuộc nhiều vào khí hậu tự nhiên, và với những phương pháp sản xuất canh tác truyền thống không mang lại năng suất cao Khi kinh tế xã hội phát triển thì nhu cầu con người càng được nâng cao, đòi hỏi chất và lượng nâng cao, Những trung tâm nghiên cứu và trồng cây giống, cây cảnh, rau quả siêu sạch trong nhà kính xuất hiện Do đó cần đến các thiết bị kỹ thuật tiên tiến có khả năng đo đạc và điều khiển được các thông số của môi trường như : nhiệt độ, độ ẩm không khí, chất dinh dưỡng cung cấp phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cây trồng Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn trên Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thiết kế và thi công :

“Hệ Thống Đo Độ Aåm Và Tưới Cây Tự Động Điều Khiển Bằng Máy Tính”

Với những thành tựu phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ

thuật sẽ tạo nên một Nền Nông Nghiệp Công Nghệ Cao, một nền nông

nghiệp hoàn toàn không lệ thuộc vào khí hậu tự nhiên Đây có thể là bước đột phá của nền nông nghiệp,làm thay đổi phương thức sản xuất tăng năng suất sản phẩm, phù hợp với xu thế công nghiệp hóa hiện đại hóa của đất nước

Trong suốt khóa học (2000-2005) tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, với sự giúp đỡ của qúy thầy cô và giáo viên hướng dẫn về mọi mặt từ nhiều phía và nhất là trong thời gian thực hiện đề tài, nên đề tài đã được hoàn thành đúng thời gian qui định Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn tất cả qúy thầy cô trong khoa Điện-Điện tử đã giảng dạy những kiến thức chuyên môn làm cơ sở để thực hiện tốt Đồ Aùn Tốt Nghiệp và nền tảng kiến thức chuyên ngành là hành trang cho sự nghiệp trong tương lai

Một lần nữa nhóm nghiên cứu đề tài xin cảm ơn cô Trương Thị Bích Ngà giáo viên hướng dẫn đề tài cùng tất cả thầy cô trong trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, đã nhiệt tình giúp đỡ nhóm nghiên cứu hoàn thành Đồ Aùn Tốt Nghiệp này

TP.HCM _ Tháng 02 năm 2005 Nhóm Nghiên Cứu Đề Tài

Trang

PHẦN A : GIỚI THIỆU i

TRANG TỰA ii

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI iii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

…….iv

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN v

LỜI MỞ ĐẦU vi

LỜI CẢM TẠ vii

MỤC LỤC viii

LIỆT KÊ CÁC HÌNH ix

LIỆT KÊ CÁC BẢNG xi

PHẦN B : NỘI DUNG 1

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 1

1.1.ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2.TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI 2

1.3.GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 2

1.4.MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 3

2.1.ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 3

2.2.DÀN Ý NGHIÊN CỨU 3

2.3.PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 4

2.4.LẬP KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU 5

CHƯƠNG 3: ĐO ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ 5

3.1.ĐỘ ẨM 7

3.2 PHÂN LOẠI ẨM KẾ 12

3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ 15

CHƯƠNG 4: CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ SANG SỐ 15

4.1.KHÁI NIỆM CHUNG 15

4.2.NGUYÊN TẮC THỰC HIỆN CHUYỂN ĐỔI ADC 18

4.3 CÁC KỸ THUẬT ADC 23

CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH 23

5.1.GIỚI THIỆU IC ĐỒNG HỒ THỜI GIAN THỰC DS12C887 23

5.1.2.CẤU TRÚC BÊN TRONG REAL TIME CLOCK DS12C887 26

5.1.3.CÁC THANH GHI ĐIỀU KHIỂN 28

5.1.4.CHU KỲ CẬP NHẬT 31

5.1.5.GIAO TIẾP BUS VỚI CÁC CHẾ ĐỘ ĐỊNH THỜI 32

5.2.IC ADC7109 33

5.3.LCD TC1602A 36

5.4.CẢM BIẾN ĐỘ ẨM HS-220 38

Trang CHƯƠNG 6: VI ĐIỀU KHIỂN 39

6.1.GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN 89S52 39

6.2.LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC BỘ VI ĐIỀU KHIỂN

39 6.3.GIỚI THIỆU CẤU TRÚC PHẦN CỨNG VĐK 89S52 40

6.4.CẤU TRÚC BỘ NHỚ BÊN TRONG VI ĐIỀU KHIỂN 42

6.5.CẤU TRÚC BỘ NHỚ RAM BÊN TRONG VI ĐIỀU KHIỂN

43 6.6.TỔ CHỨC NGẮT 48

6.7.XỬ LÝ NGẮT 49

6.8.CÁC NGẮT CỦA 89S52 50

CHƯƠNG 7: GIAO TIẾP MÁY TÍNH 52

7.1.SƠ LƯỢC VỀ CÁC CÁCH GT VỚI CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI 52

7.2.SỰ TRAO ĐỔI CỦA CÁC ĐƯỜNG TÍN HIỆU 55

7.3.GIỚI THIỆU VỀ CHUẨN RS232C 56

7.4.LỰA CHỌN CỔNG COM 58

7.5.CHỌN PHƯƠNG ÁN GIAO TIẾP 58

7.6.HÀM DLL DÙNG CHO GIAO DIỆN NỐI TIẾP 59

CHƯƠNG 8: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 60

8.1.GIAI ĐOẠN CHUẨN BỊ 60

8.2.GIAI ĐOẠN VẼ MẠCH IN 60

8.3.GIAI ĐOẠN LẮP RÁP 60

8.4.THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 60

8.4.1.THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 60

8.4.2.THIẾT KẾ PHẦN MỀM 70

CHƯƠNG 9: TÓM TẮT-KẾT LUẬN-ĐỀ NGHỊ 71

9.1.TÓM TẮT ĐỀ TÀI 71

9.2.KẾT LUẬN 71

9.3.ĐỀ NGHỊ 71

Tran

g

Hình 3.1:Độ ẩm bão hòa tùy thuộc vào nhiệt

độ 5

Hình 3.2 :Cấu tạo một ẩm kế LiCl 9

Hình 3.3.1:Sự phụ thuộc của điện trở vào độ ẩm tương đối 10

Hình 3.3.2:Mạch đo độ ẩm dựa vào sự thay đổi điện trở 10

Hình 3.4 : Sơ đồ nguyên lý ẩm kế tụ điện Al 2 O 3 11

Hình 3.5:Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một ẩm kế điện ly 12

Hình 3.6:Cấu Trúc Một Sensor Độ Aåm Với LiCl 13

Hình 3.7:Sự biến thiên điện dung theo hàm ẩm tương đối 14

Hình 4.1:Sơ đồ khối tổng quát của mạch ADC 15

Hình 4.2:Quan hệ vào ra các khối ADC 16

Hình 4.3:Quan hệ vào ra 16

Hình 4.4:Các ngõ vào, ra chính của bộ ADC 17

Hình 4.5:Sơ đồ khối AD có Vr dạng nấc thang 18

Hình 4.6:Đồ thị thời gian AD thăng bằng liên tục ….19

Hình 4.7:Sơ đồ khối AD hàm dốc tuyến tính 19

Hình 4.8:Dạng sóng ADC hàm dốc tuyến tính 20

Hình 4.9:ADC xấp xỉ liên tiếp 20

Hình 4.10:Dạng sóng 21

Hình 4.11: Sơ đồ khối ADC biến đổi V sang F 21

Hình 5.1:Sơ đồ khối cấu trúc bên trong DS12C887 26

Hình 5.2:Sơ Đồ Địa Chỉ Của DS12C887 27

Hình 5.3:Giao tiếp bus với IC Motorola 32

Hình 5.6:Cấu trúc bên trong linh kiện 33

Hình 5.7:Sơ đồ nguyên lý kết nối IC7109 36

Hình 5.8:Hình dạng và cấu trúc của LCD1602A 37

Hình 5.9:Màn hình hiển thị của LCD1602A 37

Hình 5.10: Hình dạng cảm biến HS220 của hãng Daesung 38

Hình 6.1:Sơ đồ chân IC 89S52 40

Hình 6.2:Cấu trúc bộ nhớ vi điều khiển 42

Hình 7.1:Sắp xếp chân ở cổng nối tiếp của máy tính 55

Hình 7.2:Sơ đồ chân linh kiện của IC MAX232 58

Hình 8.1:Sơ đồ khối của cả hệ thống 60

Hình 8.2:Cảm biến đo độ ẩm HS220 của hãng DaeSung 61

Hình 8.3:Sơ đồ nguyên lý khối ADC 61

Hình 8.4:Sơ đồ nguyên lý khối timer 62

Hình 8.5:Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD 62

Trang Hình 8.6:Sơ đồ nguyên lý khối công suất 63

Hình 8.7:Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với máy tính 63

Hình 8.8:Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển 64

Hình 8.9:Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 65

Hình 8.10:Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 66

Hình 8.11:Board mạch in 2 lớp 68

Hình 8.12:Sơ đồ bố trí chân linh kiện 68

Hình 8.13:Sơ đồ board mạch in lớp top 69

Hình 8.14:Sơ đồ board mạch in lớp bottom 69

Hình 8.15:Giao diện điều khiển 70

Trang

Bảng 5.1:Kiểu Dữ Liệu Thời Gian,Lịch Và Báo Giờ 28

Bảng 5.2:Chức năng từng chân của IC7109 34

Bảng 5.3:Thông tin thiết kế tổng quát 35

Bảng 5.4:Chức năng từng chân của LCD1602A 37

Bảng 6.1:Chức năng chuyển đổi .41

Bảng 6.2:Địa chỉ ô nhớ trong vi điều khiển 43

Bảng 6.3:Từ trạng thái chương trình 45

Bảng 6.4:Thanh ghi điều khiển công suất (PCON) 48

Bảng 6.5:Tóm tắt thanh ghi IP 49

Bảng 6.6:Địa chỉ ngắt của vectơ 50

Bảng 7.1:Chức năng các chân cổng song song 54

Bảng 7.2:Chức năng các chân cổng nối tiếp .54

Bảng 7.3:Địa chỉ cơ bản của cổng nối tiếp 56

PHẦN B

NỘI DUNG

Chương 1: Dẫn Nhập Trang 1

CHƯƠNG 1 : DẪN NHẬP 1.1.ĐẶT VẤN ĐỀ

Khi xã hội càng phát triển đời sống con người càng được nâng cao thì con người lại càng quan tâm đến chất lượng Chất lượng sản phẩm càng cao phải bảo đảm các yếu tố như : bổ dưỡng, chất dinh dưỡng cao, đẹp và sạch Khi nền nông nghiệp công nghệ cao phát triển mạnh mẽ sẽ thay thế cho nền nông nghiệp truyền thống Ở đó nền nông nghiệp không còn bị phụ thuộc hoàn toàn vào tự nhiên.Khi con người làm chủ được môi trường, mọi yếu tố về môi trường đều được con người xử lý cho phù hợp với điều kiện sinh trưởng của cây trồng Do đó nó mang lại nhiều lợi ích như :

- Tìm ra quy luật phát triển của cây trồng

- Trồng được những giống cây ở những nơi có khí hậu khác biệt

- Cây trồng cho hoa và quả quanh năm

- Nhờ có môi trường thích hợp nên cây cho năng suất và chất lượng cao

- Giảm chi phí và công sức lao động

Khi nền kinh tế phát triển hơn, dân trí cao hơn, hiển nhiên con người đòi hỏi phải có hoa đẹp hơn, rau an toàn hơn, đảm bảo sức khoẻ cho con người Việc sản xuất ra rau-hoa quả siêu sạch, chỉ dùng phân hữu cơ sạch với hàm lượng dinh dưỡng bảo đảm đúng theo yêu cầu của cây, mọi hoạt động chăm sóc cây, điều khiển môi trường, tưới tiêu theo từng giai đoạn phát triển của cây đều hoàn toàn được định hóa bằng máy tính, là những hình ảnh tiêu biểu của một nền nông nghiệp công nghệ cao Nếu so với cách làm truyền thống, thì phương pháp này mang lại nhiều lợi ích về kinh tế, thể hiện ở chỗ năng suất và chất lượng cao, đảm bảo về giống và khâu bảo quản, rất thuận lợi cho việc xuất khẩu Đặc biệt trong tình hình

ở nước ta hiện nay, nông nghiệp còn phụ thuộc quá nhiều vào thiên nhiên, nền nông nghiệp còn gặp phải nhiều khó khăn do thiên tai, do đó vấn đề về giống cây trồng là rất quan trọng Tương lai nền nông nghiệp công nghệ cao với sự hỗ trợ của các ngành khoa học kỹ thuật phát triển khác sẽ thay thế một nền nông nghiệp truyền thống Những hình ảnh canh tác lạc hậu chỉ còn là quá khứ…

1.2.TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI

Trồng cây với những kỹ thuật tiên tiến đã được ứng dụng từ lâu ở các nước phát triển trên thế giới, mãi đến gần đây ở việt nam mới xuất hiện một số trung tâm nghiên cứu trồng cây theo kỹ thuật tiên tiến Nhìn chung tại những trung tâm này đều phải mua toàn bộ thiết bị và công nghệ của nước ngoài với giá khá đắt, ngoài ra vấn đề làm chủ được công nghệ vừa mua về phải đòi hỏi các kỹ thuật viên mất một thời gian đào tạo

Chương 1: Dẫn Nhập Trang 2

và tìm hiểu rất tốn kém Do đó đề tài nghiên cứu này thể hiện những tầm quan trọng sau:

- Đẩy mạnh tự động hóa vào nền nông nghiệp

- Là cơ sở để những người khác nghiên cứu và phát triển thành một sản phẩm

(hệ thống thiết bị) hoàn thiện hơn

-Và việc thực hiện Đề Tài có ý nghĩa quan trọng đối với những người thực hiện,qua đó giúp những người thực hiện có thêm nhiều khiến thức và khả năng làm việc nghiêm túc

Với Đề Tài này Nhóm nghiên cứu mong muốn trong tương lai tại Việt Nam sẽ xuất hiện nhiều trung tâm ứng dụng kỹ thuật tiên tiến phát triển cây nông nghiệp, và tất cả các thiết bị công nghệ đều do trong nước sản xuất.Điều này có ý nghĩa quan trọng về kinh tế và xã hội

1.3.GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Nhóm thực hiện đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế và thi công một mạch điện tử gồm có những chức năng như sau:

+ Đo độ ẩm của không khí

+Hiển thị mức độ ẩm, thời gian, số lần tưới trong ngày lên LCD và MONITOR

+ Tưới cây theo chương trình định thời đã cài đặt (TIMER) hoặc tưới cây theo mức độ ẩm đã cài đặt (SENSOR Độ Aåm), điều khiển bằng máy tính + Hệ thống có một ngõ ra điều khiển máy bơm

1.4.MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu thiết kế và thi công một mạch điện tử đo độ ẩm và tưới cây tự động điều khiển bằng máy tính ứng dụng vào việc trồng cây giống, cây cảnh, rau hoa quả sạch trong nhà kính (GREEN HOUSE)

Chương 2: Cơ Sở Lý Luận Trang 3

CHƯƠNG 2 : CỞ SỞ LÝ LUẬN

2.1.ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Các phương pháp chuyển đổi tương tự sang số

- Các phương pháp đo độ ẩm không khí

- Các loại ẩm kế

- Khảo sát các IC ADC7109,LCDTC1602A,Real Time Clock DS12C887

- Vi điều khiển và giao tiếp máy tính

- Ngôn ngữ lập trình Delphi

2.2.DÀN Ý NGHIÊN CỨU

Dàn ý nghiên cứu gồm các chương :

-Chương 1: Dẫn nhập

1.1.Đặt vấn đề

1.2.Tầm quan trọng của đề tài

1.3.Giới hạn đề tài

1.4.Mục đích nghiên cứu

-Chương 2: Cơ sở lý luận

2.1.Đối tượng nghiên cứu

2.2.Dàn ý nghiên cứu

2.3.Phương pháp và phương tiện nghiên cứu

2.4.Lập kế hoạch nghiên cứu

-Chương 3: Đo độ ẩm không khí

-Chương 4: Chuyển đổi tương tự sang số

-Chương 5: Khảo sát các linh kiện trong mạch

-Chương 6: Vi điều khiển

-Chương 7: Giao tiếp máy tính

-Chương 8: Thiết kế và thi công

-Chương 9: Tóm tắt-kết luận-đề nghị

2.3.PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU

2.3.1.Phương pháp nghiên cứu

™ Phương pháp tham khảo tài liệu:

- Tham khảo sách báo, tạp chí, internet và đề tài nghiên cứu của các khóa trước

- Thu thập những tài liệu liên quan đến đề tài đang nghiên cứu, có 3 cách thu thập tài liệu:

+ thu thập theo thời gian

+ thu thập ngược thời gian

+ thu thập loang rộng

-Ghi chép tài liệu:

+ đánh dấu những chỗ cần ghi

Chương 2: Cơ Sở Lý Luận Trang 4

+ ghi trích dẫn

+ ghi tóm tắt

+ ghi ý kiến riêng

-Xử lý tài liệu

™ Phương pháp thực nghiệm : Đo đạc các giá trị trong mạch để thiết kế mạch hoạt động chính xác theo yêu cầu

2.3.2.Phương tiện nghiên cứu

- Tài liệu tham khảo

- Máy tính

- Các thiết bị đo lường

2.4.LẬP KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU

- Chọn đề tài nghiên cứu

- Soạn đề cương nghiên cứu

- Thu thập những tài liệu có liên quan đến Đề Tài đang nghiên cứu

- Xử lý tài liệu

- Thống nhất ý kiến thiết kế và tiến hành thi công

- Tính toán thiết kế phần cứng

- Test mạch trên testboard

- Vẽ mạch in

- Lắp ráp

- Viết phần mềm

- Thiết kế mô hình và chỉnh sửa mạch

- Tiến hành nghiên cứu ứng dụng thực tiễn

Chương 3: Đo Độ Ẩm Không Khí Trang 5

δ

CHƯƠNG 3 : ĐO ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ 3.1.ĐỘ ẨM

3.1.1.Các khái niệm cơ bản

Hoạt tính của một số chất, nguyên vật liệu và động thực vật tùy thuộc vào hàm lượng nước hay hơi nước trong không khí rất lớn và thay đổi mạnh mẽ khi thu nhận hay cho thoát bớt hơi nước Do đó hàm lượng hơi nước trong không khí hay trong các loại khí còn gọi là độ ẩm ảnh hưởng rất lớn đến những diễn biến trong thiên nhiên hay trong kỹ thuật Người

ta phân biệt hai đại lượng khác nhau của độ ẩm, đó là độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối Độ ẩm tuyệt đối cần được xác định khi hàm lượng hơi nước có thực sự trong không khí cần được biết: trong quy trình sấy khô, quy trình phân tích các loại khí, sự diễn biến các quá trình phản ứng, kết quả của sự trao đổi nhiệt lượng… Ta gọi A abs là độ ẩm tuyệt đối

Độ ẩm tuyệt đối A abs

A abs =

khí không của tích Thể

nước của khối Trọng ( 3

m

g ) Độ ẩm bảo hòa A sat

Độ ẩm bão hòa A sat cho biết hàm lượng nước cao nhất có thể có được trong một thể tích không khí nhất định A sat tùy thuộc vào nhiệt độ và gia tăng nhanh với nhiệt độ

A sat =

khí không của tích

Thể

caonhất nước

khối Trọng ( 3

m

g ) Độ ẩm tương đối A rel

Trong quy trình sản xuất, chế biến và bảo quản nguyên vật liệu, các sản phẩm công nghiệp, lương thực thực phẩm… có tính chất hút ẩm, độ ẩm tương đối của không khí cần được xác định Độ ẩm tương đối là tỉ số của độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm bão hòa

A rel (δ) =A sat abs( )δ

Hình 3.1:Độ ẩm bão hòa tùy thuộc vào nhiệt độ

Chương 3: Đo Độ Ẩm Không Khí Trang 6

Với độ ẩm tương đối, chúng ta cũng chưa biết được lượng hơi nước nếu nhiệt độ tương ứng chưa được xác định Trong thực tiễn hằng ngày, độ ẩm tương đối được đo đạc nhiều nhất vì nó liên hệ trực tiếp một cách rõ ràng đến nhiều phản ứng hoá học, sinh học, môi trường trong đời sống hằøng ngày Ví dụ: sự rỉ sét của kim loại, sự hình thành nấm mốc… và cả sự dễõ chịu của tình trạng sức khỏe con người…

3.1.2.Những định nghĩa cơ bản về không khí ẩm

Xét không khí ẩm có thể tích V ở nhiệt độ T Khối lượng M không khí ẩm chứa trong thể tích V là tổng khối lượng không khí khô m a và khối lượng của hơi nước m v. Gọi áp suất tổng cộng P là tổng của áp suất riêng phần của không khí khô P a và của hơi nước P v ; (P= P a + P v ) Khi đó một số khái niệâm chung được định nghĩa như sau:

™ Tỷ Lệ Trộn r (kg/kg)

Tỷ lệ trộn là tỷ số giữa khối lượng hơi nước và khối lượng không khí khô mà lượng hơi nước trộn trong đó:

™ Aùp Suất Hơi bảo Hòa

Aùp suất hơi bão hòa P s (T),[Pa] là áp suất hơi nước ở trạng thái cân bằng với nước ở nhiệt độ T.Đây là giá trị lớn nhất mà áp suất riêng P v có thể đạt được đến nhiệt độ T Lớn hơn áp suất này sẽ xảy ra ngưng tụ

™ Độ Aåm Tương Đối

Độ ẩm tương đối U(%) là tỷ số giữa áp suất riêng của hơi nước và áp suất

™ Nhiệt độ Hóa sương

Nhiệt độ hóa sương T d ( 0 C) là nhiệt độ cần phải làm lạnh không khí ẩm xuống tới đó để đạt được trạng thái bão hòa, tỷ số trộn r không thay đổi trong quá trình làm lạnh Đây chính là nhiệt độ để sao cho : P v = P s (T d )

™ Nhiệt Độ Aåm

Nhiệt độ ẩm T h ( 0 C) là nhiệt độ cân bằng của một khối lượng nước hóa hơi và không khí trong trường hợp khi nhiệt lượng cần thiết để hóa hơi chỉ được trích từ không khí

3.1.3.Cảm biến độ ẩm

Độ ẩm cao của không khí và của chất khí nói chung có thể có hậu quả nghiêm trọng đối với quá trình lý hóa và sinh lý Bởi vậy đo độ ẩm là điều bắt buộc trong nhiều thiết bị và môi trường làm việc vì những lí do có thể liệt kê dưới đây

Trong đời sống,độ ẩm tương đối cần được duy trì để đảm bảo cảm giác dễ chịu cho con người thay đổi trong một khoảng tương đối rộng: từ 35% đến 70% Nếu độ ẩm tương đối thấp hơn 35%, bộ máy tiêu hoá bị kích

100 )

(T

P

P U

s v

=

a

v

m m

r=

Chương 3: Đo Độ Ẩm Không Khí Trang 7

thích, còn nếu lớn hơn 70% thì sự ra mồ hôi sẽ giảm nghiêm trọng Nói chung độ ẩm ảnh hưởng đến sự tiêu thụ năng lượng

Độ ẩm càng cao thì tổn phí năng lượng để có cùng điều kiện môi trường

Trong công nghiệp, các điều kiện về độ ẩm rất khác nhau phụ thuộc vào từng sản phẩm cụ thể Trong một số trường hợp phải duy trì độ ẩm không đổi trong môi trường làm việc thí dụ trong công nghiệp dệt, bởi vì sự thay đổi độ ẩm làm thay đổi đặc tính của sợi Trong công nghiệp thực phẩm, điều kiện bảo quản thực phẩm tối ưu phụ thuộc vào loại sản phẩm, thường là nhiệt độ ở 0 ··C và độ ẩm trong khoảng 85-90%, độ ẩm cao quá làm cho thực phẩm bị hỏng và nếu thấp quá làm giảm trọng lượng của thực phẩm do bay hơi nước

Vấn đề phát hiện vết hơi nước trong nhiều quá trình công nghiệp, việc tránh vết hơi nước trong không khí hoặc trong các chất khí (cacbon, etylen, khí tự nhiên…) là rất quan trọng, bởi vì sự có mặt của hơi nước ở một lượng đáng kể có thể gây ra các phản ứng phụ hoặc gây nên quá trình ngưng tụ Nhu cầu phát hiện độ ẩm rất nhỏ cỡ phần triệu thể tích Đặc biệt quan trọng đối với một số ứng dụng công nghiệp như năng lượng hạt nhân, vi điện tử , luyện kim, gia công nhiệt, điện áp cao

3.2 PHÂN LOẠI ẨM KẾ

™ Dựa trên nguyên lý vật lý cho phép trực tiếp xác định độ ẩm , thí dụ ẩm kế ngưng tụ ẩm kế điện ly

™ Dựa trên việc đo tính chất của vật có liên quan đến độ ẩm, thí dụ ẩm kế biến thiên trở kháng

Các loại ẩm kế khác nhau này, tùy theo nguyên tắc hoạt động, cho phép tiếp cận với một trong những thông số của không khí ẩm Các thông số của không khí ẩm và loại ẩm kế thích hợp để đo được liệt kê như sau:

- Nhiệt độ hóa sương T d đo bằng ẩm kế ngưng tụ, ẩm kế hấp thụ, ẩm kế ôxit nhôm và ẩm kế điện ly

- Nhiệt độ ẩm T h đo bằng psychromet

- Độ ẩm tương đối U(%) đo bằng ẩm kế biến thiên điện trở và ẩm kế biến thiên điện dung

3.2.1.Aåm kế ngưng tụ

™ Nguyên Lý Hoạt Động :

khi làm lạnh một vật có thể đo nhiệt độ của nó một cách liên tục cho đến khi hình thành lớp sương hoặc lớp băng trên bề mặt của nó Tiếp theo,ổn định quá trình làm lạnh bằng cách giữ trạng thái cân bằng giữa không khí và lớp sương Nhiệt độ đo được chính là điểm sương T d (dew point) còn gọi là điểm băng giá Tf (frost point) Bắt đầu từ điểm sương này người ta đo áp suất hơi trong không khí ẩm

Chương 3: Đo Độ Ẩm Không Khí Trang 8

™ Các Yếu Tố Aûnh Hưởng :

Gradient nhiệt độ và sự dò nhiệt ảnh hưởng rất mạnh đến độ chính xác của đầu đo Theo lý thuyết thì nhiệt độ hóa sương là nhiệt độ của bề mặt phân biên giữa không khí và nước Tuy nhiên trên thực tế luôn luôn tồn tại gradient nhiệt độ giữa bề mặt này và cảm biến nhiệt độ.khi điểm hóa sương thấp hơn 0 ·C, nước có thể tồn tại dưới dạng băng hoặc loại chất lỏng chậm đông

Quá trình chuyển trạng thái giữa nước và băng không nhất thiết phải xảy ra xung quanh điểm 0 ·C Một số máy đo có thể làm việc ở trong nước chậm đông ở nhiệt độ thấp hơn -10 ·C

3.2.2.Aåm kế hấp thụï

Nguyên tắc đo độ ẩm dùng ẩm kế hấp thụ dựa trên hai hiện tượng :

- Aùp suất hơi ở phía trên của một dung dịch bão hòa chứa các muối hòa tan nhỏ hơn áp suất hơi ở bên trên mặt nước với cùng nhiệt độ như nhau

- Độ dẫn điện của một muối kết tinh nhỏ hơn rất nhiều so với độ dẫn điện của dung dịch của chính muối đó với tỷ lệ cỡ 10 3 đến 10 4 Hiện tượng này cho phép thực hiện việc nung nóng dung dịch và hiệu chỉnh công suất nung Khi đo độ ẩm bằng ẩm kế hấp thụ bao giờ người ta cũng nung nóng dung dịch muối chứa trong ẩm kế cho đến khi áp suất hơi bão hòa ở phía trên dung dịch bằng áp suất hơi ở trong môi trường không khí bình thường Biết được nhiệt độ này sẽ xác định được áp suất hơi và nhiệt độ hóa sương

3.2.3.Aåm kế Licl

Cảm biến có cấu tạo bao gồm một ống được bao bọc bởi một lớp vải tẩm dung dịch LiCl trên đó có cuốn hai điện cực bằng kim loại không bị ăn mòn Giữa hai điện cực này đặt một điện áp xoay chiều cho dòng điện chạy qua trong dung dịch để đốt nóng và làm bay hơi nước Khi nước bay hơi hết, dòng điện giữa các điện cực giảm xuống một cách đáng kể bởi vì độ dẫn của muối clorua liti ở thể rắn nhỏ hơn rất nhiều so với độ dẫn của dung dịch, do vậy nhiệt độ của cảm biến giảm xuống Đồng thời, vì LiCL

Chương 3: Đo Độ Ẩm Không Khí Trang 9

là chất ưa nước nên nó lại hấp thụ hơi nước, độ ẩm tăng và dòng điện I lại tăng lên làm cho nhiệt độ của cảm biến tăng lên Cuối cùng sẽ đạt được cân bằng giữa muối rắn LiCL và dung dịch Theo nguyên lý nêu trên, cân bằng này xãy ra ơ ûnhiệt độ liên quan trực tiếp đến áp suất hơi và cũng đồng thời đến nhiệt độ hoá sương T d Như vậy có thể xác định được T d Trong hệ thống này phần tử điều khiển chính là clorualiti

Chương 3: Đo Độ Ẩm Không Khí Trang 10

ống kim lọai

bọc cách điện các điện cực sợi thủy tinh

Các cảm biến độ ẩm dựa trên nguyên lý biến thiên trở kháng được phân thành ba họ chính:

™ Aåm kế điện trở;

™ Aåm kế tụ điện dùng chất điện môi Polyme;

™ Aåm kế tụ điện dùng chất điện môi là Al 2 O 3 ;

3.2.5.Aåm kế điện trở

Trong ẩm kế người ta dùng một lượng nhất định chất hút ẩm phủ lên đế có kích thước nhỏ (vài mm 2 ) Trên đế này đồng thời phủ lên hai điện cực bằng kim loại không bị oxy hoá Giá trị của điện trở R đo được giữa hai điện cực phụ thuộc vào hàm lượng nước (tỷ số giữa lượng nước hấp thụ và khối lượng chất khô) và vào nhiệt độ chất hút ẩm, mà hàm lượng nước lại phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ

Một số nhà chế tạo dùng chất lỏng làm chất hút ẩm Các chất điện phân là những chất dẫn điện Điện trở của chúng phụ thuộc vào thể tích, mà thể tích lại thay đổi theo hàm lượng nước Người ta sử dụng tính chất này để tìm cách biến đổi độ ẩm tương đối thành tính hiệu điện Phạm vi thay đổi điện trở của ẩm kế tương đối rộng, từ 1MΩ đến tận 80MΩ

Chương 3: Đo Độ Ẩm Không Khí Trang 11

Hình 3.3.1:Sự phụ thuộc của điện trở Hình 3.3.2:Mạch đo

vào độ ẩm tương đối

3.2.6.Aåm kế tụ điện polyme

Aåm kế tụ điện dùng chất điện môi polyme là một màng polyme dày

cỡ μm có khả năng hấp thụ phân tử nước của không khí Sự hấp thụ hơi

nước này làm thay đổi hằng số điện môi ε của lớp polyme do đó làm thay

đổi điện dung của tụ điện dùng lớp polyme này làm chất điện môi Thực

nghiệm cho thấy, sự thay đổi của điện dung tụ điện là hàm tuyến tính của

độ ẩm với một hệ số ít phụ thuộc vào nhiệt độ

Lớp polyme được phủ trên điện cực thứ nhất bằng tantan, sau đó

một lớp Cr dày 100A 0 ÷ 10000A 0 được phủ tiếp lên polyme bằng phương

pháp bay hơi trong chân không để làm điện cực thứ hai Lớp phủ Cr gây

nên các vết nứt trong lớp điện môi làm tăng khả năng tiếp xúc của lớp

này với không khí của môi trường nghiên cứu, do vậy trên thực tế thời

gian hồi đáp của ẩm kế không phụ thuộc vào bề dày của lớp điện môi

Các đặc trưng đo lường chủ yếu của ẩm kế tụ điện dùng chất điện môi là

polyme như sau:

™ Phạm vi đo : từ 0% đến 100% trong dải nhiệt độ làm việc thay đổi từ

-40 0 C đến 80 hoặc 100 0 C

™ Độ chính xác: từ ±2% đến ±3%

™ Thời gian hồi đáp : cỡ vài giây

Ngoài ra phải kể đến một số đặc tính ưu việt khác của cảm biến như: ít

chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, phần tử nhạy có thể nhúng vào nước mà

không sợ hư hỏng

3.2.7 Aåm kế tụ điện Al 2 O 3

Trong ẩm kế loại này, lớp điện môi là Al 2 O 3 được chế tạo bằng phương pháp anot hóa tấm nhôm, và bản thân tấm nhôm đóng vai trò là

điện cực thứ nhất của tụ đện Điện cực thứ hai là một màng mỏng kim

loại được chế tạo trên mặt kia của lớp điện môi

Chương 3: Đo Độ Ẩm Không Khí Trang 12

Các kết quả nghiên cứu cho thấy, nếu như chiều dày của Al 2 O 3 < 0,3μm thì thay đổi trở kháng của tụ điện chỉ phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơi

nước và không phụ thuộc vào nhiệt độ, do vậy có thể đo độ ẩm của môi trường Quá trình anot hoá để tạo lớp điện môi được thực hiện bằng cách điện phân dung dịch axit sunfurit H 2 SO 4 trong nước dùng nhôm làm anot Oxy hình thành trên điện cực Al sẽ oxy hoá bề mặt điện cực này thành

Al 2 O 3 Al 2 O 3 là ø chất cách điện nên sẽ tạo thành nhiều điểm đánh thủng làm cho lớp này có cấu trúc xốp

Để thay đổi hình dạng và sự thay đổi lỗ hổng (tức là thay đổi tính chất của lớp điện môi đối với độ ẩm) có thể tác động bằng nhiều cách như :

™ Thay đổi nhiệt độ và nồng độ dung dịch điện phân chứa trong bể

™ Thay đổi điện áp nguồn

™ Thay đổi thời gian oxy hoá anot

™ Thêm các ion phụ gia vào dung dịch

Các ẩm kế chế tạo theo chế độ nêu trên thích hợp với độ ẩm thấp Đối với các chế độ ứng dụng này, yêu cầu lớp điện môi càng mỏng càng tốt

Vì vậy sau khi oxy hoá anot, lớp điện môi được mài cơ học với mục đích giảm bề dày để làm cho cảm biến chỉ nhạy ở nhiệt độ hóa sương của môi trường bao quanh

Điện cực thứ hai phủ trên lớp điện môi AL 2 O 3 thường là một trong các kim loại như : Al, Cu, Au, Pt, Pd, hoặc hợp chất Ni-Cr

Các đặc trưng đo lường chính của ẩm kế tụ điện sử dụng chất điện môi

AL 2 O 3 như sau :

™ Aåm kế cho phép đo nhiệt độ hoá sương T d trong phạm vi thay đổi từ

-80 0 C đến +70 0 C

Chương 3: Đo Độ Ẩm Không Khí Trang 13

R2

C2

C0

R0 R1

™ Cảm biến được chế tạo để sử dụng trực tiếp tại điểm cần đo độ ẩm

™ Thời gian hồi đáp cỡ vài giây

Ưu điểm nổi bật của cảm biến này là có thể làm việc trong một dãi áp suất rất rộng, từ chân không đến hàng trăm bar

Tuy nhiên, cần tránh sử dụng cảm biến trong môi trường có chứa các chất ăn mòn như NaCl, S, … vì chúng có thể ăn mòn nhôm và các chất nhạy ẩm của ẩm kế

Hình 3.4:Sơ đồ nguyên lý ẩm kế tụ điện Al 2 O 3

3.2.8.Aåm kế điện ly

Aåm kế điện ly dùng để đo lường hơi nước rất nhỏ trong không khí hoặc trong các chất khí Phần tử nhạy cảm của ẩm kế cấu tạo từ một ống dài khoảng 10cm, ở bên trong có hai cuốn điện cực bằng platin hoặc rođi, giữa chúng là lớp P 2 O 5 (Anhydride Phosphoric) Khi chất khí nghiên cứu chạy qua ống đo, hơi nước sẽ bị lớp P 2 O 5 hấp thụ thành H 2 PO 3 Điện áp một chiều cỡ 70V đặt giữa hai điện cực sẽ gây nên hiện tượng điện phân nước giải phóng O 2 , H 2 và tái sinh P 2 O 5 Đối với một thể tích không khí cho trước, dòng điện phân tỷ lệ với nồng độ hơi nước được biểu diển bằng kg hơi nước /m 3 không khí.Aåm kế loại này đặc biệt thích hợp với các chất khí chứa lượng hơi nước rất nhỏ Giới hạn dưới của dãi đo bị hạn chế bởi các vấn đề về hấp thụ và nhả hơi nước trên đường dẫn khí Thí dụ: các phép đo công nghiệp không thể thực hiện được khi nhiệt đọ hoá sương hạ suống –70 0 C ( với nồng độ 10÷20ppm) Mặc dù sử dụng ống dẫn khí bằng thép không rỉ, các hiện tượng hấp thụ vẫn làm tăng thời gian cần thiết để đạt đến trạng thái cân bằng (24 giờ đối với nồng độ < 10ppm và T d < -70 0 C) Thời gian hồi đáp chủ yếu phụ thuộc vào hướng thay đổi độ ẩm:

™ Nếu theo hướng tăng độ ẩm (giữa 100 và1000ppm) thời gian hồi đáp

< 30s

Chương 3: Đo Độ Ẩm Không Khí Trang 14

™ Nếu theo hướng giảm độ ẩm (giữa 1000 và 100ppm) thời gian hồi đáp tăng lên và có thể đạt tới vài phút

Theo nguyên lý làm việc của đầu đo, chất P 2 O 5 được tự động tái sinh thường xuyên Tuy vậy thời gian sống của lớp này có giới hạn cho nên phải tái sinh nó theo chu kỳ Tần số tái sinh phụ thuộc vào điều kiện sử dụng và độ sạch của chất khí phân tích Có thể giãm tần số này bằng cách sử dụng bộ lọc bằng thép không rỉ kết dính Aåm kế điện ly được sử dụng để đo độ ẩm của rất nhiều loại khí như: N, H 2, NH 4 , CO 2 , các chất khí làm lạnh (freon), không khí…một số chất khí không dùng được với ẩm kế điện ly vì chúng làm hư hỏng đầu đo hoặc làm thay đổi hoạt động của nó Thí dụ: khí amôniăc, hơi rượu (các chất này tác dụng với P 2 O 5 ) .

Hình 3.5:Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một ẩm kế điện ly

3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ

3.3.1 Phương pháp điểm ngưng tụ

Với nhiều phương pháp đo độ ẩm khác nhau, Phương pháp điểm ngưng tụ dù cổ điển nhưng vẫn được dùng Vì với phương pháp này người ta có các trị số đo rất chính xác và sự lập lại khá tốt cho bất cứ hàm lượng hơi nước với nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp Khí được tìm hiểu được làm lạnh cho đến khi có sự ngưng tụ trên bề mặt của tấm kim loại được đánh bóng Nhiệt độ mà ở đó có sự bão hoà, ta có thể đo được độ ẩm tuyệt đối tương ứng Tuy nhiên cách đo này khá phức tạp cũng bằng Phương pháp điểm ngưng tụ nhưng với LiCl ta có thể đo được độ ẩm đơn giản hơn 3.3.2 Phương pháp điểm ngưng tụ với LiCl

Hình 3.6 cho ta cấu trúc một sensor độ ẩm với LiCl Hai tính chất của Hydrat được dùng đến Đầu tiên Hydrat LiCl có tính hút ẩm, thu nhận các phần tử nước cho ta một dung dịch LiCl dẫn điện Khi LiCl nằm lẫn bên trong các sợi thủy tinh thu nhận hơi nước của không khí, độ dẫn điện của hai điện cực xoắn được gia tăng Một dòng điện xoay chiều chạy qua hai điện cực xoắn và dung dịch LiCl làm cả cấu trúc cảm biến nóng lên, nước bốc hơi… khi nước bốc hơi độ dẫn điện giảm mạnh làm cường độ

vỏ teflon

đầu nối điện

vỏ thép không rỉ điện cực ống dẫn khí

Chöông 3: Ño Ñoô AƠm Khođng Khí Trang 15

zM

Tb

SW

Sp 220VAC

doøng ñieôn cuõng giạm mánh vaø do ñoù nhieôt ñoô cuõng giạm…LiCl thu nhaôn hôi nöôùc trôû lái vaø ñoô ñaên ñieôn gia taíng… cöôøng ñoô doøng ñieôn vaø nhieôt ñoô taíng trôû lái Dieên bieân naøy laịp lái ñeân khi naøo giöõa naíng löôïng ñieôn ñöa vaøo vaø löôïng nhieôt caăn thieât ñeơ laøm boẫc hôi nöôùc ñát moôt tráng thaùi cađn baỉng Lôùp LiCl haùo nöôùc naỉm laên trong sôïi thuyû tinh ñát nhieôt ñoô bieân ñoơi töông öùng vôùi aùp suaât baõo hoøa Khi söû dúng caăn laøm noùng cạm bieân töø 5 ñeân 15 phuùt Sau ñoù ta coù thôøi gian hoăi ñaùp khoạng töø 10 ñeân 20s

Hình 3.6:Caâu Truùc Moôt Sensor Ñoô Aơm Vôùi LiCl 3.3.3 Cạm bieân ñoô aơm coù ñieôn dung thay ñoơi

Cạm bieân ñoô aơm loái ñieôn dung thay ñoơi duøng ñeơ ño ñoô aơm töông ñoâi Beđn ngoaøi cạm bieân laø moôt voû nhöïa coù ñúc loê Beđn trong laø moôt maøng nhöïa ñaịc bieôt hai maịt phụ 1 lôùp vaøng Caâu truùc cạm bieân vôùi hai chađn thích hôïp coù theơ haøn thaúng leđn mách in.maøng nhöïa ñöôïc coi nhö ñieôn mođi vaø hai lôùp vaøng chính laø hai ñieôn cöïc cụa 1 tú ñieôn Döôùi söï ạnh höôûng cụa ñoô aơm khođng khí haỉng soâ ñieôn mođi thay ñoơi vaø do ñoù ñieôn dung cụa tú cuõng thay ñoơi theo Ñieôn dung cuõng nhö söï thay ñoơi cụa noù coù theơ ñöôïc ño vôùi moôt mách ñieôn khaù ñôn giạn vaø ñöôïc coi nhö thöôùc ño ñoô aơm töông ñoâi

Chương 3: Đo Độ Ẩm Không Khí Trang 16

Hình 3.7:Sự biến thiên điện dung theo hàm ẩm tương đối

3.3.4.Cảm biến độ ẩm với điện trở thay đổi

3.3.4.1.Cảm biến độ ẩm SHS3 của hãng Hygrotec GmbH/Đức

Cảm biến độ ẩm SHS A3 có điện trở thay đổi theo độ ẩm, nó được dùng để đo và nhận biết độ ẩm cao, sự ứ nước hay sự ngưng đọng nước Với không khí khô ráo sensor SHS A3 có tổng trở thấp Khi độ ẩm tương đối dưới 75% sensor có điện trở nhỏ hơn 20KΩ khi hàm ẩm cao điện trở gia tăng theo hàm logarith Độ ẩm tương đối 93% ta có tổng trở nhỏ hơn 100KΩ và khi nước ngưng đọng tổng trở lên đến 300KΩ Để tránh hiệu ứng điện giải ta dùng điện áp xoay chiều có tần số từ 1kH Z đến 30 kH Z và với điện áp hiệu dụng 0.8V cảm biến SHS A3 dùng để đo độ ẩm tương đối từ 0% đến 100%, dải nhiệt hoạt động từ -10 0 C đến 60 0 C, thời gian hồi đáp là 60S Sensor có kích thước 5,5x3x2,5mm

3.3.4.2.Cảm biến độ ẩm NH-3/Figaro/Nhật

Cảm biến độ ẩm NH-3 gồm điện trở thay đổi theo nhiệt độ và điện trở thay đổi theo độ ẩm Để sensor có sự tuyến tính tốt, trong sensor có đến hai nhiệt trở và hai điện trở thay đổi theo hàm ẩm Nhiệt trở TH dùng để bù trừ sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối với điện trở đo hàm ẩm tương đối

Chương 4: Chuyển Đổi Analog Sang Digital Trang 17

CHƯƠNG 4 : CHUYỂN ĐỔI ANALOG SANG DIGITAL

4.1.KHÁI NIỆM CHUNG

Ngày nay việc truyền đạt tín hiệu cũng như quá trình điều khiển và chỉ thị phần lớn được thực hiện theo phương pháp số Trong khi đó tín hiệu tự nhiên có dạng tương tự như : nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng, tốc độ quay, tín hiệu âm thanh…Để kết nối giữa nguồn tín hiệu tượng tự với các hệ thống xử lý số người ta dùng các mạch chuyển đổi tương tự sang số(ADC) nhằm biến đổi tín hiệu tương tự sang số hoặc trong trường hợp ngược lại cần biến đổi tín hiệu số sang tương tự thì dùng các mạch DAC (Digital Analog Converter)

4.2.NGUYÊN TẮC THỰC HIỆN CHUYỂN ĐỔI ADC

Mạch chuyển đổi tin hiệu tương tự sang số, chuyển một tín hiệu ngõ vào tương tự (dòng điện hay điện áp) thành dạng mã số nhị phân có giá trị tương ứng

Chuyển đổi ADC có rất nhiều phương pháp.Tuy nhiên,mỗi phương pháp điều có những thông số cơ bản khác nhau:

+Độ chính xác của chuyển đổi AD

+ Tốc độ chuyển đổi

+ Dãi biến đổi của tín hiệu tương tự ngõ vào

V A

V’ A

Control Unit

Register

D/A converter Comparato

cloc

Digital output

Chương 4: Chuyển Đổi Analog Sang Digital Trang 18

ADC

™Quan hệ IN – OUT

Biến đổi AD có tính chất tỉ lệ Tín hiệu vào Analog được biến đổi thành một

phân số X bằng cách so sánh với tín hiệu tham chiếu Vref Đầu ra của bộ

ADC là mã của phân số này Bất kỳ một sai số tín hiệu Vref nào cũng sẽ

dẫn đến sai số mức ra, vì vậy người ta cố gắng giữ cho Vref càng ổn định

càng tốt

Vref

Vin Digital output

Hình 4.2:Quan hệ vào ra các khối ADC

Nếu bộ ADC xuất mã ra gồm n bit thì số mức ra rời rạc là 2 n Đối với quan

hệ tuyến tính, tần vào được lượng tử hóa theo đúng mức này.Mỗi mức như

vậy là một tín hiệu Analog được phân biệt với hai mã kế tiếp nhau, nó chính

là kích thước của LSB (Least Significant Bit)

FS

Q=LSB=

2 N

Trong đó : Q : Lượng tử

LSB : bit có trọng số thấp nhất

FS : giá trị toàn thang Tất cả các giá trị Analog của lượng tử Q được biểu diễn bởi mã số,mà mã

này tương ứng với giá trị trung bình của lượng tử (có thể hiểu là giữa

khoảng LSB) gọi là mức ngưỡng.Các giá trị Analog nằm trong khoảng từ

mức ngưỡng sai biệt đi ± ½ LSB vẫn được thể hiện bằng cùng một mãù,đó là

sai số lượng tử hóa.Sai số này có thể sẽ giảm đi bằng cách tăng số bit trong

mã ra bộ ADC

Hình 4.3 : Quan hệ vào ra

Chương 4: Chuyển Đổi Analog Sang Digital Trang 19

ADC

™ Độ phân giải

Là giá trị biến đổi nhỏ nhất của tín hiệu vào ra được yêu cầu để thay đổi mã lên một mức Độ phân giải được đưa ra với giả thiết lý tưởng

™ Độ chính xác

Sự sai biệt giữa các giá trị điện áp tín hiệu vào so với giá trị FS tương đương với mã xuất ra Thường có ghi trong đặc tính của các bộ ADC thương mại

™ ADC

Tùy theo công nghệ chế tạo mà bộ ADC có đầu vào đơn cực hay lưỡng cực,

đa số nằm trong khoảng 0…5V hoặc 0…10V đối với đơn cực và -5…+5V hoặc – 10V…+10V đối với ADC lưỡng cực Tín hiệu vào cần phù hợp với tầm vào xác định cho từng bộ ADC Nếu đầu vào không hết thang sẽ tạo mã vô dụng ở đầu ra Vấn đề này được giải quyết bằng cách chọn tầm đầu vào bộ ADC sau đó chỉnh độ lợi thích hợp cho đầu vào của nguồn Analog

Khi sử dụng bộ ADC đơn cực mà có tín hiệu vào là lưỡng cực trong khoảng

±Vpp thì ta cần phải cộng điện áp vào Vi với một điện áp nền bằng +Vpp, khi đó ta sẽ có Vi nằm trong khoảng 0 +2Vpp, tín hiệu này sẽ được đưa tới đầu vào bộ ADC Nếu sử dụng ADC lưỡng cực thì không cần cộng tín hiệu và đầu ra ta sẽ nhận được mã lưỡng cực

™ Đầu ra bộ ADC

Đa số các ADC có đầu ra 8 Bits, 16 Bits … dù vậy cũng có loại 3½ Digit, mã BCD,10 Bits,14 Bits Đầu các bộ ADC thường là mã nhị phân tự nhiên hoặc có dấu ADC dùng cho máy đo chỉ thị số đa dụng thường là mã BCD

™ Tín hiệu tham chiếu Vr

Vi+ (EOC) End of

Convertion OE (Output Enable)

Vi -

Start Clock

Hình 4.4:Các ngõ vào, ra chính của bộ ADC

Hình vẽ cho thấy đầu vào và đầu ra của bộ ADC Mọi ADC đều yêu cầu có tín hiệu Vr Bất kỳ một sai số nào trên Vr đều gây ra lỗi độ lợi ở đặc tính của AD Vì vậy Vr là tín hiệu đảm bảo độ chính xác và ổn định của bộ AD Dùng IC ổn áp có thể thỏa mãn điều này

™ Tín hiệu điều khiển

Mọi bộ ADC đều có tính xung Clock và tín hiệu điều khiển để hoạt động Thiết bị ngoài giao tiếp với ADC sẽ khởi động quá trình AD bằng cách phát một xung Start vào đầu vào Start của ADC,ADC sẽ nhận biết cạnh lên của xung Start và ngay sau đó nó sẽ kéo đường EOC (End of Conversion) xuống

Chương 4: Chuyển Đổi Analog Sang Digital Trang 20

thấp (không tích cực) Lúc này ADC đang thực hiện quá trình biến đổi, tương ứng với mỗi xung Clock đưa vào ADC sẽ thực hiện được một bước biến đổi, sau một bước nhất định tùy theo bộ ADC, thì quá trình biến đổi hoàn thành.Khi biến đổi xong, AD sẽ nâng đường EOC lên mức cao, tín hiệu này có thể dùng để kích một ngắt cứng của máy tính (nếu dùng giao tiếp với máy tính) Để đọc được dữ liệu đầu ra của bộ ADC thì phải nâng đường OE (Output Enable) của ADC lên mức cao, sau khi đọc xong thì lại trả đường này về mức thấp

4.3 CÁC KỸ THUẬT ADC

4.3.1.ADC có Vr dạng nấc thang

Hình 4.5:Sơ đồ khối AD có Vr dạng nấc thang

Counter : Bộ đếm tạo đầu ra cho bộ ADC bằng hoặc lớn hơn giá trị vào Vi.Nó được reset tại mọi thời điểm bắt đầu thực hiện AD và đếm dần lên sau mỗi xung Clock Cứ mỗi lần đếm bộ DAC lại nâng lên mỗi nấc thang Bộ so sánh sẽ dùng bộ đếm lại khi điện áp DAC (áp hồi tiếp) đạt tới giá trị vào Nhược điểm của phương pháp này là Tc (thời gian chuyển đổi) theo mức tín hiệu vào và đôi khi rất lâu.Tc=2 N x T CLOCK đối với bộ DAC N bit khi biến đổi một tín hiệu vào ở mức FS (Full Scale)

Một cải tiến của phương này là “tracking” hay “servo” sử dụng bộ đếm thuận nghịch cho phép DAC đưa tín hiệu vào liên tục Bằng sự khống chế bộ đếm từ bên ngoài tại một điểm nhất định ta dùng bộ DAC kiểu tracking như một bộ S & H (Sample and Hold)

4.3.2.ADC thăng bằng liên tục

Sơ đồ khối giống như phương pháp trước, nhưng bộ đếm là bộ đếm thuận nghịch Về cơ bản cũng giống như phương pháp trên nhưng bộ đếm hoạt động được ở chế độ thuận nghịch Khi tín hiệu V ht < V i thì bộ đếm sẽ đếm lên, ngược lại thì bộ đếm sẽ đếm xuống Quá trình xác lập ghi nhận được khi giá trị V ht dao động xung quanh giá trị Vi T C cũng phụ thuộc vào V i và nhược điểm sai số cũng giống phương pháp trên : sai số động phụ thuộc vào thời gian biến đổi và sai số tĩnh chủ yếu ở bộ biến đổi DA và bộ so sánh

Chương 4: Chuyển Đổi Analog Sang Digital Trang 21

Hình 4.6.Đồ thị thời gian AD thăng bằng liên tục 4.3.3.Phương pháp biến đổi AD hàm dốc tuyến tính

Về bản chất thực hiện biến đổi trung gian từ điện áp ra khoảng thời gian sau đó đo khoảng thời gian theo phương pháp số Quá trình biến đổi sẽ xảy

ra như sau :

Hình 4.7:Sơ đồ khối AD hàm dốc tuyến tính Sau thời gian kích khởi, bộ đếm sẽ bắt đầu đếm lên và mạch quét sẽ bắt đầu tạo ra tín hiệu tuyến tính thời gian Tín hiệu quét và tín hiệu vào V i

được so sánh với nhau, khi hai tín hiệu này bằng nhau thì mạch so sánh sẽ đóng cổng không cho xung tới bộ đếm nữa Như vậy nội dung của bộ đếm sẽ

tỉ lệ với thời gian đo, mà đo lại tỉ lệ thuận với giá trị V i nên nội dung bộ đếm

tỉ lệ với V i Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào độ tuyến tính của tín hiệu quét (sai số độ dốc càng nhỏ, độ chính xác càng cao), tín hiệu phụ thuộc vào tần số của từng xung

Phương pháp này có tốc độ hoạt động cao hơn các phương pháp ban đầu,và độ chính xác cũng cao hơn do không cần sử dụng bộ biến đổi DA

Chương 4: Chuyển Đổi Analog Sang Digital Trang 22

Hình 4.8:Dạng sóng ADC hàm dốc tuyến tính 4.3.4.ADC xấp xỉ liên tiếp

Hình 4.9:ADC xấp xỉ liên tiếp Phương pháp này được dùng trong kỹ thuật biến đổi AD tốc độ cao – trung bình Nó cũng dùng một bộ DAC bên trong để tạo ra một điện áp bằng mức vào và của tín hiệu sau đúng bằng n chu kỳ xung Clock cho trường hợp ADC N bit.Phương pháp này cho phép rút ngắn Tc rất nhiều và không phụ thuộc vào tín hiệu vào Vi Kỹ thuật này phụ thuộc vào sự xấp xỉ tín hiệu vào với mã nhị phân, sau đó thay đổi các bit trong mã này một cách liên tiếp cho đến khi đạt được mã gần đúng nhất Tại mỗi bước của quá trình này, giá trị xấp xỉ của mã nhị phân thu được sẽ được lưu vào SAR (Successive Approximate Register).Việc biến đổi luôn được bắt đầu tại MSB (Most Significant Bit) của SAR khi đó được bật lên Bộ so sánh sẽ so sánh đầu ra của ADC với Vi và ra lệnh cho bộ điều khiển ngắt MSB nếu như giá trị ban đầu này vượt quá đầu vào AD.Trong chu kỳ xung Clock kế tiếp, MSB lại được phát trở lại.Một lần nữa bộ so sánh sẽ quyết định lấy hay bỏ MSB này Sự biến đổi này sẽ tiến dần đến sự đúng nhất so với tín hiệu vào xuất dữ liệu này ra

4.3.5.ADC tích phân hai độ dốc

Chương 4: Chuyển Đổi Analog Sang Digital Trang 23

Kỹ thuật này thấy rõ trên sơ đồ khối Ta thấy điện áp vào được tích phân trong khoảng thời gian t 1 , đúng bằng lúc bộ đếm đếm hết Tại cuối t 1 ,bộ đếm sẽ reset và bộ tích phân chuyển qua mức tham chiếu âm, đầu ra của bộ tích phân sẽ giảm tuyến tính về zero tại đó bộ đếm ngưng đếm và được reset Điện tích nạp tụ trong khoảng thời gian t gần bằng điện tích xả trong khoảng thời gian t 2 :

V i

Time

Hình 4.10:Dạng sóng 4.3.6.ADC dùng biến đổi V – F (điện áp – tần số)

Hình 4.11: Sơ đồ khối ADC biến đổi V sang F

Chương 4: Chuyển Đổi Analog Sang Digital Trang 24

Hình 4.11 cho thấy kỹ thuật này trong bộ biến đổi AD Áp vào Analog được một bộ VF chính xác biến thành một dãy xung có tần số tỉ lệ với áp vào Một bộ đếm sẽ đếm số xung này trong một khoảng thời gian nhất định rồi xuất số đếm cho bộ AD Giống kỹ thuật tích phân độ dốc kép, kỹ thuật này có tần số thấp nhưng khử nhiễu tốt Nếu thời gian Tc thấp ở mức có thể chấp nhận được thì phương pháp VF cho phép đạt được độ phân giải cao với tín hiệu thay đổi chậm với giá thành hạ

Ưu điểm của phương pháp này là có khả năng điều khiển từ xa trong môi trường ồn Có thể làm một bộ VF như một hàm truyền dữ liệu từ xa dưới dạng số đến trạm kiểm soát, tại đây có bộ xử lý (tiếp nhận + bộ đếm + xuất dữ liệu) Điều này tránh được việc truyền tín hiệu Analog qua môi trường nhiễu có khả năng làm xấu tín hiệu Việc truyền bằng tín hiệu VF cũng có khả năng triệt nhiễu bằng cách tạo sự cách ly giữa bộ biến đổi với thiết bị cảm biến, một yêu cầu quan trọng trong các trạm kiểm soát và điều khiển các hệ thống điện cao áp.Thực tế, kỹ thuật này phụ thuộc vào các vi mạch VFC thông dụng, rẻ tiền, có chất lượng tốt (tuyến tính và ổn định)

4.3.7.ADC Song Song

Được dùng trong kỹ thuật cần biến đổi AD tốc độ cao, như kỹ thuật Video, kỹ thuật Radar, dao động ký số Trong kỹ thuật này tín hiệu vào được so sánh ngay lập tức với tất cả các mức ngưỡng bằng cách dùng nhiều bộ so sánh Việc lượng tử hóa do vậy thực hiện hoàn tất trong cùng một lúc Bộ giải mã nhanh lập tức đổi các tín hiệu so sánh được tới đầu ra ADC dùng phương pháp này có tần số lấy mẫu phụ thuộc vào tốc độ (thời gian trễ) của các bộ so sánh Thông thuờng vi mạch so sánh có thời gian trễ trong khoảng 10-12ns, vì vậy trên lý thuyết, tần số lấy mẫu của ADC có độ phân giải 8 Bits cần tới 2 8 – 1=255 bộ so sánh, do vậy kích thước vi mạch sẽ rất lớn

Chương 5: Khảo Sát Các Linh Kiện Trong Mạch Trang 25

CHƯƠNG 5 :KHẢO SÁT CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH

5.1.GIỚI THIỆU IC ĐỒNG HỒ THỜI GIAN THỰC DS12C887

5.1.1.Khảo sát sơ đồ chân của DS12C887-Chức năng từng chân

AD0-AD7-bus đa hợp địa chỉ/dữ liệu

NC bỏ trống MOT lựa chọn loại BUS

CS ngõ vào lựa chọn RTC

AS chốt địa chỉ

R/W ngõ vào đọc/ghi

DS chốt dữ liệu

RESET\ ngõ vào reset

IRQ\ ngõ ra yêu cầu ngắt

SQW ngõ ra sóng vuông

VCC nguồn cung cấp +5V

GND chân mass

™ Chức Năng Các Chân

‹ GND,VCC: nguồn cung cấp cho IC ,VCC là chân nối với điện áp +5V.Khi điện áp 5V được cung cấp đúng chuẩn, thiết bị được truy cập đầy đủ và dữ liệu có thể đọc ghi

Khi VCC thấp hơn 4.25V đọc và ghi bị cấm.Tuy nhiên, chức năng giữ thời gian vẫn được duy trì không bị ảnh hưởng bởi điện áp bị sụt giảm bên ngoài Khi VCC giảm xuống thấp hơn 3V, RAM và bộ giữ giờ được chuyển sang nguồn năng lượng bên trong

Chức năng giữ thời gian duy trì độ chính xác vào khoảng 1 phút/tháng ở nhiệt độ 25 ·C bất chấp điện áp ngõ vào chân VCC

‹ MOT (mode select) chân Mot là chân có tính linh hoạt để lựa chọn giữa hai loại bus Khi được nối lên VCC, bus định thời Motorola được chọn lựa Khi nối xuống GND bus định thời Intel dược lựa chọn Chân có điện trở kéo xuống bên trong có giá trị vào khoảng 20K

SQW(Square Wave Output): chân SQW có thể xuất tín hiệu ra từ 1 trong 13 loại được cung cấp từ 15 trạng thái được chia bên trong của Real Time Clock Tần số của chân SQW có thể thay đổi bằng cách lập thanh ghi A Tín hiệu SQW có thể mở hoặc tắt sử dụng bit SQWE trong regester B Tín hiệu SQW không xuất hiện khi VCC thấp hơn 4.25V

‹ AD0-AD7 (Multiplexed Bidirectional Address/Data Bus) : Bus phức hợp tiết kiệm chân bởi vì thông tin địa chỉ và thông tin dữ liệu được dùng chung đường tín hiệu Cùng tại những chân, địa chỉ được xuất trong suốt phần thứ nhất trong của chu kỳ bus và được dùng cho dữ liệu trong phần