BÀI TẬP LỚN: Thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị số từ 00 đến 99 0C với cảm biến nhiệt độ Pt 100, sai số 1 0C

NỘI DUNG Đề tài: Thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị số từ 00 đến 990 C với cảm biến nhiệt độ Pt100, sai sô 1 0C. Mô tả: Dùng cảm biến nhiệt độ Pt 100 theo dõi nhiệt độ môi trường. Xây dựng mạch đo lường có điện áp ra chuẩn 0 đến 5 V. Dùng ADC 0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân. Xây dựng bộ hiển thị số BCD. Lời nói đầu Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường gặp trong đời sống hằng ngày cũng như kỹ thuật và công nghiệp. Việc đo nhiệt độ cũng chính vì thế là một yêu cầu thiết thực. Hiện nay cảm biến đo nhiệt độ là loại cảm biến được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp cũng như dân dụng. Bài tập lớn này nghiên cứu dùng các vi mạch tương tự tinh toán,thiết kế mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt độ Pt 100 ( cảm biến nhiệt điện trở kim loại). Nội dung bài làm có những phần chính sau : Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch KĐTT, mạch đo nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ, bộ biến đổi tương tự số ADC 0804. Giải mã LED 7 thanh, LED 7 thanh. Chương 2: Thiết kế mạch đo lường nhiệt độ. Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng.

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG

NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN

BÀI TẬP LỚN

VI MẠCH TƯƠNG

TỰ VÀ VI MẠCH SỐ

ĐỀ TÀI

Thiết kế mạch đo

nhiệt độ hiển thị số từ 00

Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện

********************

BÀI TẬP LỚN: VMTT - VMS

Nhóm : 9

Lớp : ĐH Điện 5_ K8 Khoa : Điện.

NỘI DUNG

Mô tả: Dùng cảm biến nhiệt độ Pt 100 theo dõi nhiệt độ môi trường Xây dựng mạch đo lường có điện áp ra chuẩn 0 đến 5 V Dùng ADC 0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân Xây dựng bộ hiển thị số BCD

Lời nói đầu

Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường gặp trong đời sống hằng ngày

cũng như kỹ thuật và công nghiệp Việc đo nhiệt độ cũng chính vì thế

là một yêu cầu thiết thực Hiện nay cảm biến đo nhiệt độ là loại cảm biến

được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp cũng như dân dụng

Bài tập lớn này nghiên cứu dùng các vi mạch tương tự tinh toán,thiết kế

mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt độ Pt 100 ( cảm biến nhiệt điện trở kim loại)

Nội dung bài làm có những phần chính sau :

Chương 1: Tìm hiểu chung về mạch KĐTT, mạch đo nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ, bộ biến đổi tương tự - số ADC 0804 Giải mã LED 7 thanh, LED 7 thanh

Chương 2: Thiết kế mạch đo lường nhiệt độ

Chương 3: Xây dựng chương trình mô phỏng

Chương I Tìm hiểu chung về mạch đo.

1 Tìm hiểu chung về mạch KĐTT.

1.1 Mô hình mạch khuếch đại

- Khuếch đại là dùng năng lượng nhỏ làm thay đổi (điều khiển) một năng lượng lớn khác Năng lượng nhỏ gọi là năng năng lượng điều khiển, năng lượng lớn gọi là năng lượng bị điều khiển

- Mạch khuếch đại dung để khuếch đại dòng điện, khuếch đại điện áp và khuếch đại công suất

1.2 Mô hình mạch khuếch đại

- Tương tự như với mạng hai cửa, mạch khuếch đại có các tham số cơ bản là:

i đạch

có thể kể đến cả nguồn tín hiệu vào của mạch khuếch đại US(V) và điện trở

1.3 Mạch khuếch đại thuật toán

Khuếch đại thuật toán (KĐTT) ngày nay được sản xuất dưới dạng các IC tương

tự (analog) Có từ "thuật toán" vì lần đầu tiên chế tạo ra chúng người ta sử dụng chúng trong các máy điện toán Do sự ra đời của khuếch đại thuật toán mà các mạch tổ hợp analog đã chiếm một vai trò quan trọng trong kỹ thuật mạch điện

tử Trước đây chưa có khuếch đại thuật toán thì đã tồn tại vô số các mạch chức năng khác nhau Ngày nay, nhờ sự ra đời của khuếch đại thuật toán số lượng đó

đã giảm xuống một cách đáng kể vì có thể dùng khuếch đại thuật toán để thực hiện các chức năng khác nhau nhờ mạch hồi tiếp ngoài thích hợp Trong nhiều trường hợp hàm đơn giản hơn, chính xác hơn và giá thành rẻ hơn các mạch khuếch đại rời rạc Ta hiểu khuếch đại thuật toán như một bộ khuếch đại lý tưởng : có hệ số khuếch đại điện áp vô cùng lớn K → ∞, dải tần số làm việc từ 0→ ∞, trở kháng vào cực lớn Zv → ∞, trở kháng ra cực nhỏ Zr → 0, có hai đầu vào và một đầu ra

2 Tìm hiểu chung về mạch đo nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ Pt 100

2.1 Khái niệm về nhiệt độ và thang đo nhiệt độ

- Nhiệt độ là đại lượng vật lí đặc trưng cho mức chuyển động hỗn loạn của các phần tử trong các vật thể

- Để đo được nhiệt độ thì phải có dụng cụ đo, thông thường trong công nghiệp nhiệt độ được đo bằng cảm biến và phương pháp này tiện lợi là có thể truyền tín hiệu nhiệt độ đi xa, không ảnh hưởng tới sự làm việc của hệ thống khi cần xác định nhiệt độ

độ cần đo, T là nhiệt độ của cảm biến đặt trong môi trong môi trường cần đo

- Khi cảm biến được đặt trong môi trường cần đo nhiệt độ, thì nhiệt lượng cảm biến hấp thụ từ môi trường tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt giữa cảm biến

và môi trường theo biểu thức:

với a là độ dẫn nhiệt , A là diện tích bề mặt truyền nhiệt

2.2 Cảm biến nhiệt độ Pt 100(nhiệt điện trở kim loại RTD )

- RTD – PT100

- Hình 1 : RTD – PT100

- Cảm biến nhiệt độ PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại ( RTD) PT100 được cấu tạo từ

- Kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở 0oC là 100 Ohm Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định

- Giá trị điện trở thay đổi tỉ lệ thuận với sự thay đổi nhiệt độ được tính theo công thức dưới đây

- Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT100:

Rt = R0 ( 1+ AT+BT2+C(T-100)T3)

Trong đó:

- A=3.9083x10-3

- B=5.775x10-7

- C=-4.183x10-12 ( t<0oC) , C=0 ( t>0oC)

R1 R3

i1 i3

Ucc

A B

R2 Rcb

Ura

C

Ura= Rcb R 1−R 2 R 3

(R 3+ Rcb ).( R 1+ R 2) Ucc

- Ura= ∆ R Ucc 4 Ro vì R0 bé hơn so với ∆R nên ta lắp thêm điện trở để thỏa mãn cầu cân bằng (∆R= 305Ω))

thay

- Vì giới hạn đầu ra là từ 0-10 V nên ta chọn nguồn cung cấp Ucc= 5( V )

3 Bộ biến đổi tương tự số ADC 0804.

- Các bộ chuyển đổi ADC thuộc những thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất để thu dữ liệu Các máy tính số sử dụng các giá trị nhị phân, nhưng trong thế giới vật lý thì mọi đại lượng ở dạng tương tự (liên tục) Nhiệt độ, áp suất (khí hoặc chất lỏng), độ ẩm và vận tốc và một số ít những đại lượng vật lý

của thế giới thực mà ta gặp hằng ngày Một đại lượng vật lý được chuyển về dòng điện hoặc điện áp qua một thiết bị được gọi là các bộ biến đổi Các bộ biến đổi cũng có thể coi như các bộ cảm biến Mặc dù chỉ có các bộ cảm biến nhiệt, tốc độ, áp suất, ánh sáng và nhiều đại lượng tự nhiên khác nhưng chúng đều cho ra các tín hiệu dạng dòng điện hoặc điên áp ở dạng liên tục

Do vậy, ta cần một bộ chuyển đổi tương tự số sao cho bộ vi điều khiển có thể đọc được chúng Một chip ADC được sử dụng rộng rãi là ADC0804

ADC0804

- Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 của hãng National Semiconductor Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất Chip có điện áp nuôi +5V v à độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổ i cũng là một tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC Thời gian chuyển đổi được định nghĩa là thời gian mà bộ ADC cần

để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ đ ược cấp tới chân CLK và CLK IN và không bé hơn 110µs Các chân khác của

ADC0804 có chức năng như sau:

+ CS (Chip select): Chân số 1, là chân chọn Chip, đầu vào tích cực

mức thấp được sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập ADC0804 th ì chân này phải ở mức thấp

+ RD (Read): Chân số 2, là một tín hiệu vào, tích cực ở mức thấp Các

bộ chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân và giữ nó ở một thanh ghi trong RD được sử dụng để có dữ liệu đã được chyển đổi tới đầu ra của ADC0804 Khi CS = 0 nếu có một xung cao xuống thấp áp đến chân RD thì dữ liệu ra dạng số 8 bit được đưa tới các chân dữ liệu (DB0 – DB7)

+ WR (Write): Chân số 3, đây là chân vào tích c ực mức thấp được dùng

để báo cho ADC biết bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo

ra xung cao xuống thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phân 8 bit Khi việc chuyển đổi hoàn tất thì chân INTR được ADC hạ xuống thấp

+ CLK IN và CLK R: CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tới đồng hồ ngo

ài được sử dụng để tạo thời gia n Tuy nhiên ADC0804 c ũng có một bộ tạo xung đồng hồ ri êng Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK R (chân s ố 19) được nối với một tụ điện v à một điện trở (như hình vẽ) Khi đó tần số được xác định bằng biểu thức:

4 F = 1/ 1.1RC Với R = 10 kΩ), tín , C = 150 pF và tần số f = 606 kHz và thời gian

chuyển đổi l à 110 µs

+ Ngắt INTR (Interupt): Chân số 5, là chân ra tích c ực mức thấp Bình

thường chân này ở trạng thái cao v à khi việc chuyển đổi ho àn tất thì nó xuống thấp để báo cho CPU biết l à dữ liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi Sau khi INTR xuống thấp, cần đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống

thấp tới chân RD để đ ưa dữ liệu ra.

+ Vin (+) và Vin (-): Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương tự vi

sai, trong đó V in = Vin(+) – Vin(-) Thông thường Vin(-) được nối tới đất

và Vin(+) được dùng làm đầu vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số

+ Vcc: Chân số 20, là chân nguồn nuôi +5V Chân này còn được dùng làm

điện áp tham chiếu khi đầu vào Vref/2 để hở

+ Vref/2: Chân số 9, là chân điện áp đầu vào được dùng làm điện áp tham

chiếu Nếu chân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dải 0 đến +5V Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác với dải 0 đến +5V Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0 đến +5V

+ D0 - D7: D0 - D7, chân số 18 – 11, là các chân ra d ữ liệu số (D7 là bit cao

nhất MSB và D0 là bit thấp nhất LSB) Các chân này được đệm ba trạng thái

và dữ liệu đã được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD đưa xu ống mức thấp Để tính điện áp đầu ra ta tính theo công thức sau:

4 Giải mã LED 7 thanh, LED 7 thanh.

4.1 Cấu tạo của LED 7 đoạn

Các khái niệm cơ bản

đó

Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình và có thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải của led 7 đoạn.8 led đơn trên led 7 đoạn có Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -) được nối chung với nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện 8 cực còn lại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng, cũng được đưa ra ngoài để kết nối với mạch điện Nếu led 7 đoạn có Anode(cực +) chung, đầu chung này được nối với +Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0 Nếu led 7 đoạn

có Catode(cực -) chung, đầu chung này được nối xuống Ground (hay Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1

Vì led 7 đoạn chứa bên trong nó các led đơn, do đó khi kết nối cần đảm bảo dòng qua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led Nếu kết nối với nguồn 5V có thể hạn dòng bằng điện trở 330Ω), tín trước các chân nhận tín hiệu điều khiển

Sơ đồ vị trí các led được trình bày như hình dưới:

Các điện trở 330Ω), tín là các điện trở bên ngoài được kết nối để giới hạn dòng điện qua led nếu led 7 đoạn được nối với nguồn 5V

Chân nhận tín hiệu a điều khiển led a sáng tắt, ngõ vào b để điều khiển led b Tương tự với các chân và các led còn lại

Kết nối với vi điều khiển

Ngõ nhận tín hiệu điều khiển của led 7 đoạn có 8 đường, vì vậy có thể ang 1 Port nào đó của Vi điều khiển để điều khiển led 7 đoạn Như vậy led 7 đoạn nhận một dữ liệu 8 bit từ Vi điều khiển để điều khiển hoạt động ang tắt của từng led led

đơn trong nó, dữ liệu được xuất ra điều khiển led 7 đoạn thường được gọi là “mã hiển thị led 7 đoạn” Có hai kiểu mã hiển thị led 7 đoạn: mã dành cho led 7 đoạn có Anode(cực +) chung và mã dành cho led 7 đoạn có Cathode(cực -) chung Chẳng hạn, để hiện thị số 1 cần làm cho các led ở vị trí b và c ang, nếu sử dụng led 7 đoạn

có Anode chung thì phải đặt vào hai chân b và c điện áp là 0V(mức 0) các chân còn lại được đặt điện áp là 5V(mức 1), nếu sử dụng led 7 đoạn có Cathode chung thì điện áp(hay mức logic) hoàn toàn ngược lại, tức là phải đặt vào chân b và c điện áp là 5V(mức 1)

Bảng mã hiển thị led 7 đoạn:

+ Phần cứng được kết nối với 1 Port bất kì của vi điều khiển, để thuận tiện cho việc xử lí về sau phần cứng nên được kết nối như sau: Px.0 nối với chân a, Px.1 nối với chân b, lần lượt theo thứ tự cho đến Px.7 nối với chân h

+ Dữ liệu xuất có dạng nhị phân như sau : hgfedcba

Bảng mã hiển thị led 7 đoạn dành cho led 7 đoạn có Anode chung (các led

đơn sáng ở mức 0):

Số hiển thị trên led

7 đoạn

Mã hiển thị led 7 đoạn dạng nhị phân

Mã hiển thị led 7 đoạn dạng

thập lục phân

h g f e d c b a

5 1 0 0 1 0 0 1 0 92

Bảng mã hiển thị led 7 đoạn dành cho led 7 đoạn có Cathode chung (các led đơn sáng ở mức 1):

Số hiển thị trên led

7 đoạn

Mã hiển thị led 7 đoạn dạng nhị phân

Mã hiển thị led 7 đoạn dạng

thập lục phân

D 0 1 0 1 1 1 1 0 5E

Chương II: Thiết kế mạch đo lường nhiệt độ

2.1 Sơ đồ nguyên lý chung mạch đo

(Giải Mã)

(Hiển Thị)

Mạch đo gồm 5 khối cơ bản:

- Cầu đo

ADC

I ĐẠI CẦU ĐO

CÁC BỘ ĐẾM BCD

SO SÁNH 8

BIT

ĐẾM 8 BIT

NHỊ PHÂN

- Khối khuếch đại.

- Bộ biến đổi tương tự số ADC

- Mạch so sánh

- Khối chỉ thị

Chức năng của các khối trong mạch đo:

a, Khối cầu đo: khối cảm biến có chức năng biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng ở đây ta dùng cảm biến nhiệt điện trở kim loại để chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp

b, Khối khuếch đại : có chức năng khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, vì tín hiệu điện do cảm biến đưa ra thường là rất bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào các mạch điện khác

c Khối biến đổi tương tương tự số: Khối này là ADC0804 dùng để chuyển đổi tín hiệu tương tự (nhiệt độ) từ cảm biến sang tín hiệu số Sau khi đã chuyển đổi thi ADC sẽ xuất dư liệu ra 8 chân chua VXL

d Mạch so sánh: có tác dụng so sánh tín hiệu đưa ra từ khối khuếch đại để đưa ra khối sau

e Bộ đếm BCD

Khối này là IC 4511 mọi quá trình xử lí dữ liệu đều được thực hiện ở đây Trong

đồ án này em đã sử dụng 2 IC 4511 để xuất dữ liệu giải mã tính toán hiển thị lên LED 7 thanh ADC0804 sẽ chuyển các tín hiệu vào IC 4511

f Khối hiển thị

Q 2

C 1 8 1 5

7 S E G

D 1 7

D 2V 6

B O 5

D 3 4

D 4 2

D 5 1

D 6 9

D 7 1 0 7 S E G

D 1 7

D 2V 6

B O 5

D 3 4

D 4 2

D 5 1

D 6 9

D 7 1 0 7 S E G

D 1 7

D 2V 6

B O 5

D 3 4

D 4 2

D 5 1

D 6 9

D 7 1 0 7 S E G

D 1 7

D 2V 6

B O 5

D 3 4

D 4 2

D 5 1

D 6 9

D 7 1 0

Q 3

C 1 8 1 5 Q 4C 1 8 1 5 Q 5C 1 8 1 5

R 1 9

4 k 7

R 2 0

4 k 7

R 2 1

4 k 7

R 2 2

4 k 7

L E D _ D V

L E D _ C H U C

1 _ 2

L E D _ D O _ C

L E D _ D O

1 _ 6

1 _ 4 1 _ 3

1 _ 1

1 _ 7 1 _ 7

1 _ 5 1 _ 4

1 _ 2 1 _ 1

1 _ 7

1 _ 5 1 _ 5

1 _ 3

1 _ 7

Khối này có chức năng hiển thị nhiệt độ dữ liệu sẽ được lấy từ Port 1, port 0 và port 3 của vi xử lí AT89C51

2.2 Nguyên lý hoạt động chung của mạch.

Khi ta cấp nguồn cho mạch thì LED sẽ hiển thị ngay nhiệt độ của môi trường

ΔUU = 2(V ref/2)

256 =10 mV

phân này sẽ được đưa qua một bộ giải mã, giải mã ra nhị phân rồi đưa ra các chân

Dãy mã nhị phân này sẽ được gửi đến Port 2 của AT89C51, VXL sẽ tính toán và thực hiện các lệnh để xuất giá trị đến các LED 7 đoạn LED hiển thị nhiệt

độ vừa thay đổi

Chương III : Xây dựng chương trình mô phỏng

Sơ đồ thiết kế mô phỏng trên protues.

KẾT LUẬN

1 Ưu điểm

Khả năng đáp ứng nhanh với sự thay đổi của nhiệt độ môi trường

Mạch hiển thị LED 7 đoạn nên dễ dàng cho người sử dụng theo dõi nhiệt độ Mạch được thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng, tiện lợi và có thể dùng nhiều loại nguồn: pin, sạc điện thoại

2 Nhược điểm

Tính ổn định không cao khi mang đi xa hay sử dụng trong khi đang di chuyển Còn có sai số nhiệt độ đo được do sai số linh kiện và những sai số trong khi tính toán thiêt kế mạch nhưng chấp nhận được

3 Tính thực tế của sản phẩm đã thiết kế

Mạch có thể sử dụng để đo nhiệt độ trong khoảng từ +0°C đến +99°C

Mạch nhỏ gọn, dễ sử dụng cho tất cả mọi người và đáp ứng nhanh với nhiệt

độ môi trường

Mạch hiển thị LED 7 đoạn nên dễ dàng theo dõi nhiệt độ dù thiếu ánh sáng