Ứng dụng VMTT&VMS thiết kế mạch đo và cảnh báo, và hiển thị nhiệt độ

Chương 1 Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ I. Tổng quan về các phương pháp đo 1.1 Khái niệm về nhiệt độ 1.1.1 Khái niệm: Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên tử, phân tử của một hệ vật chất.Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất (rắn, lỏng, khí) mà chuyển động này có khác nhau. Ở trạng thái lỏng, các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định.Còn ở trạng thái rắn,các phần tử,nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng.Các dạng vận động này của các phân tử,nguyên tử được gọi chung là chuyển động nhiệt. Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt.Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý: Bảo toàn năng lượng : Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp. Ở trạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt. Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyền nhiệt bằng đối lưu. Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉ trọng.

BÀI TẬP LỚN MÔN: VMTT&VMS

nháy, còi khi nhiệt độ vượt quá giá trị cảnh báo: 40+10*N

+ Hiển thị nhiệt độ đo được ra Led 7 thanh

N là số thứ tự sinh viên trong danh sách

Với n = 56

+Nhiệt độ đo trong khoảng 0 – 6100C

+Cảnh báo bằng còi và đèn nhấp nháy khi nhiệt độ vượt quá 6100C

II PHẦN THUYẾT MINH

Yêu cầu về bố cục nội dung:

1/ Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ

- Tìm hiểu các phương pháp đo

- Khảo sát đặc tính nhiệt độ cần đo(liên hệ thực tiễn theo nhóm)

- Tính chọn cảm biến (cấu tạo, nguyên lý, sơ đồ chân, dải đo, cấp chính xác )

2/ Thiết kế mạch đo và cảnh báo nhiệt độ sử dụng

VMTT&VMS

- Xác định sơ đồ khối của hệ thống

- Tính chọn các khối 3/ Vẽ mạch mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus

4/ Phân tích và nhận xét kết quả

Yêu cầu về thời gian :

Ngày giao đề 25 /9/2015 Ngày hoàn thành : 30/11/2015

Chó ý:

1. Ngoài nội dung hướng dẫn trên lớp nếu sinh viên có câu hỏi, thắc mắc trong quá tr×nh làm bài tập lớn gửi về địa chỉ : ttly.haui@gmail.com

2 Trước khi bảo vệ bài tập lớn sinh viên phải nộp:

- File mềm gồm file trình bày bài tập lớn và file mô phỏng

- Quyển in khổ giấy A4.

Hà nội ngày….tháng …9 năm 2015

Chương 1 Tổng quan về quá trình đo nhiệt độ

I Tổng quan về các phương pháp đo

1.1 Khái niệm về nhiệt độ

1.1.1 Khái niệm:

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên tử, phân tử của một hệ vật chất.Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất (rắn, lỏng, khí) mà chuyển động này có khác nhau Ở trạng thái lỏng, các phân tử dao động quanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định.Còn ở trạng thái rắn,các phần tử,nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng.Các dạng vận động này của các phân tử,nguyên tử được gọi chung là chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt.Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý:

Bảo toàn năng lượng :

Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt

độ thấp Ở trạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt

Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn

có truyền nhiệt bằng đối lưu Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉ trọng

1 1 2 Thang đo nhiệt độ:

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độ của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo mét đơn vị đo của mỗi thời kỳ.Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng, từng thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay chúng ta có 3 thang đo nhiệt độ chính là:

1- Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K )

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

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

Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay.Trong đó thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là mét trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị quốc tế (SI).Dựa trên 3 thang

đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ

1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc

Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường là các nhiệt kế tiếp xúc Có hai loại là: nhiệt kế nhiệt điện trở và nhiệt kế nhiệt ngẫu Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo Đối với môi trường khí hoặc nước, chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy.Với vật rắn khi đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và sẽ gây tổn hao nhiệt, nhất là 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 chất hạt (cát, đất…), cần phải cắm sâu nhiệt

kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài.

1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc:

Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khẳ năng lớn nhất Bức xạ nhiệt của mọi vật thể đặc trưng nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật xảy ra trên một đơn vị của độ dài sóng

II Tính chọn cảm biến

2.1 Phân loại cảm biến

- Cặp nhiệt điện ( Thermocouple )

- Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector )

- Thermistor

- Bán dẫn ( Diode, IC ,….)

- Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế-

Pyrometer ) Dùng hồng ngoại hay lazer

2.2 Giới thiệu về cảm biến nhiệt điện trở

•

Hình1:hình dạng và cấu tạo RTD

- Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel,

Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo

- Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ

tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định

- Ưu điểm: độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế

- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn Cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn Cặp nhiệt điện

- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây Loại 4 dây cho kết quả

đo chính xác nhất

• Cảm biến đo nhiệt độ 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

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

Cấu tạo dây đo nhiệt PT100

1 Các thông số cơ bản và nguyên tắc hoạt động

a Các thông số cơ bản :

Dây cảm biến nhiệt PT100 bao gồm một đầu dò ống trụ có đường kính 4mm và chiều dài ống trụ là 30mm ,2 dây đầu ra có chiều dài 1m

Hình 2: hình dạng PT100

Dải nhiệt độ đo được là từ -200ºC đến 500ºC

b Sơ đồ cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ

Hình 3: cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ PT100

RPT100 =107,6 Ω Khi tăng 1ºC thì RPT tăng sấp xỉ 0,4Ω

• Cầu đo điện trở:

I Xác định sơ đồ khối của hệ thống

1.1 Sơ đồ khối

Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì phụ thuộc vào đặc tính của đại lượng cần đo, điều kiện đo, cũng như độ chính

xác yêu cầu của một phép đo mà ta có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của hệ thống đo lường khác nhau trên cơ sở của các hệ thống đo lường khác nhau.

Sơ đồ khối đo:

1.2 Vai trò tác dụng của các khối

Cảm

Biến

Mạch khuếc

h đại, chuẩn hóa

Chỉ thị

Mạch so sánh,

LED cảnh báo nhấp nháy

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương

tự sang số

Bộ giải mã

LED 7 thanh

• Cảm biến : đo nhiệt độ, đưa điện áp đầu ra cho các mạch

• Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC): để

chuyển tín hiệu giá trị Volt đầu ra của cảm biến mã hóa thành hệ nhị phân

• Bộ giải mã: Để giải mã tín hiệu từ ADC ra LED 7 thanh

• LED 7 thanh: Hiển thị giá trị nhiệt độ tương ứng trên cảm biến

II Tính chọn các khối

2.1 Khối cảm biến

Là cảm biến nhiệt độ pt100 có cấu tạo là một nhiệt điện trở

RTD ( RTD-Resistance Temperature Detector ):Nguyên lý hoạt

động nhiệt điện trở dựa trên sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay đổi điện trở

• Rt = R0 ( 1 + αt)

• Rt : Điện trở ở nhiệt độ t

• R0 : Điện trở ở 0 độ C

• α : Hệ số của nhiệt điện trở

Với PT100 1V=1oC Vậy theo yêu cầu của bài thì cần đo ở nhiệt độ 550C tương ứng với 550V Với điện áp ra rất lớn như vậy ta cần phải có 1 mạch phân áp sao cho đầu ra tương ứng 10mV=10oC

 Chọn R2=100 Ω => R1=9,9 kΩ

Từ cách lắp đặt thiết bị trên ta được đầu ra khi đo ở nhiệt độ

610oC tương ứng với 6,1V

Trong bài này vì là dải đo rất rộng từ 0-620v nên nhóm chúng

e chọn bước nhảy để đo nhiệt độ là 10 độ

2.2 Khối khuếch đại, chuẩn hóa đầu ra

2.2.1 Chuẩn hóa đầu ra với điện áp 0-10V

Dùng mạch khuếch đại không đảo

U29

OPAMPR6

10k

+88.8

Volts

R731k

R819k

Mạch này có điện áp ra : Ur = (1 + ).Uv

Với Uv = 0 6,1 để Ur = 0 10V

UImin = 0V → Uomin = 0V

UImax = 6,2V→ Uomax = 10V

Chọn R8 = 39kΩ => R7 = 61kΩ Chọn R6 = 10kΩ

2.2.2 Chuẩn hóa đầu ra với điện áp 0 – 5V

Dùng mạch khuếch đại đảo

R7 31k

U30

OPAMP R9 10k

R10 62k

R11 49.8k

U33

OPAMP

R20 10k

R21 10k

R22 10k

+88.8

Volts

Mạch này có điện áp ra : Ur= .Uv

Mạch này gồm 2 khối khuếch đại đảo:

Khối 1 có nhiệm vụ giảm áp, khối 2 có nhiệm vụ đổi chiều điện ápVới Ur = 0 5V, Uv= 0 6,2V

Uv = 0V → Ur = 0V

Uv = 6,2 V → Ur = 5V

Chọn R10= 61kΩ => R13 = 49.8kΩ R9 = R20 = R21 = R22 = 10kΩ

2.2.3 Chuẩn hóa đầu ra có dòng điện 0 – 20mA

Dùng bộ biến đổi U-I với sơ đồ không đảo

OPAMP

R12 310 R13

310

R14 10k

2.2.4 Chuẩn hóa dòng điện đầu ra 4 – 20 mA

Dùng mạch biến đổi U-I với phụ tải nối đất chung

2.3 Khối cảnh báo

2.3.1 Cảnh báo bằng còi

Theo đề bài: tín hiệu cảnh báo bằng còi khi nhiệt độ vượt quá giá trị toC= 610oC vậy điện áp so sánh là +6,1V

2.3.2 cảnh báo bằng LED

Nhờ mạch tạo dao động HE555 nên đèn nhấp nhấy với

Thời gian nạp ( có xung ra): tn=0,69 �n, hay tn = 0,69(R21+ R20)C4

Thời gian xả điện ( không có xung ra): tx=0,69 �x , hay tx =

0,69R20C4

Ở đây ta chọn R20=R21=600Ω, C4=220uF => tn=0,18216 s và

tx=0.09108 s

Chân vào 4 được nối chung với đầu vào của còi cảnh báo ở trên

2.4 Khối chuyển đổi ADC

2.4.1 Hình ADC trong mạch protus và sơ đồ các chân của

ADC0804

Chíp ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số trong họ các loạt ADC800, nó làm việc với +5V và có độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ ADC Thời gian chuyển đổi được định nghĩa như là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân Trong ADC0804 thời gian chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R

và CLK IN nhưng không thể nhanh hơn 110μs Các chân của ADC0804 được mô tả như sau:

2.4.2 Chức năng các chân ADC0804:

- Chân CS (chân số 1) – chọn chíp: Là một đầu vào tích cực mức

thấp được sử dụng để kích hoạt chíp ADC0804 Để truy cập ADC0804 thì chân này phải ở mức thấp

-Chân RD (chân số 2): Đây là một tín hiệu đầu vào được tích cực

mức thấp Các bộ ADC chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân tương đương với nó và giữ nó trong một thanh ghi trong RD được sử dụng để nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra của ADC0804 Khi 0CS = nếu một xung cao – xuống – thấp được áp đến chân RD thì đầu ra số 8 bit được hiển diện ở các chân dữ liệu D0 – D7 Chân RD cũng được coi như cho phép đầu ra

- Chân ghi WR (chân số 3) Thực ra tên chính xác là “Bắt đầu

chuyển đổi”: Đây là chân đầu vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi

WR tạo ra xung cao – xuống – thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phấn 8 bit Lượng thời gian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN và CLK R Khi việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thì chân INTR được ép xuống thấp bởi ADC0804

Ngoài ra , cần tạo xung bằng IC 555 cho chân WR này

- Chân CLK IN (chân số 4) và CLK R (chân số 19): Chân CLK

IN là một chân đầu vào được nối tới một nguồn đồng hồ ngoài khi đồng hồ ngoài được sử dụng để tạo ra thời gian Tuy nhiên ADC0804 cũng có một máy tạo xung đồng hồ Để sử dụng máy tạo xung đồng hồ trong của ADC0804 thì các chân CLK IN và CLK R được nối tới một tụ điện và một điện trở (hình 1.4) Trong trường hợp này tần số đồng hồ được xác định bằng biểu thức:

f=

Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C = 150pF

và tần số nhận được là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là 110sμ

- Chân ngắt INTR (chân số 5): Đây là chân đầu ra tích cực mức

thấp Bình thường nó ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn

tất thì nó xuống thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu được chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi Sau khi INTR xuống thấp, ta đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống – thấp tới chân RD lấy dữ liệu ra của ADC0804.

-Chân VCC (chân số 20): Đây là chân nguồn nối +5V, nó cũng

được dùng như điện áp tham chiếu khi đầu vào VREF/2 (chân số 9)

để hở

- Chân VREF (chân số 9): Là một điện áp đầu vào được dùng cho

điện áp tham chiếu Nếu chân này hở (không được nối) thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dãy 0-5V→(giống như chân VCC) Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin cần phải khác ngoài dãy 0→5V

- Các chân dữ liệu D0 – D7 (Từ chân 11 đến chân 18): Các chân

dữ liệu D0 – D7 (D7 là các bit cao nhất MSB và D0 là bit thấp LSB)

là các chân đầu ra dữ liệu số Đây là những chân được đệm ba trạng thái và dữ liệu được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0

và chân RD bị đưa xuống thấp Để tính điện áp đầu ra ta có thể sử dụng công thức sau:

Dout=Với Dout là đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân) Vin là điện áp đầu vào tương tự và độ phân dãy là sự thay đổi nhỏ nhất được tính như

là (2xVREF/2) chia cho 256 đối với ADC 8 bit

- Chân GND (chân số 10): Đây là những chân đầu vào cấp đất

chung cho cả tín hiệu số và tương tự Đất tương tự được nối tới đất của chân Vin tương tự, còn đất số được nối tới đất của chân VCC

Lý do mà ta phải có hai đất là để cách ly tín hiệu tương tự Vin từ các điện áp ký sinh tạo ra việc chuyển mạch số được chính xác Trong phần trình bày thì các chân được nối chung với một đất Tuy nhiên, trong thực tế thu đo dữ liệu các chân đất này được nối tách biệt.

*Từ những điều trên ta kết luận rằng các bước cần phải thực hiện khi chuyển đổi dữ liệu bởi ADC0804 là:

-Bật CS = 0 và gửi một xung thấp lên cao tới chân WR để bắt đầu chuyển đổi

-Sau khi chân INTR xuống thấp, ta bật CS = 0 và gửi một xung cao xuống thấp đến chân RD để lấy dữ liệu ra khỏi chip ADC0804

2.4.3 Mạch tạo dao dộng cho ADC

Mạch này để tạo dao đông cho ADC0804 để cho ADC0804 thực hiện quá trình chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

Các thông số xung với phần trên ta có:

Thời gian nạp ( có xung ra): tn=0,69 �n, hay tn = 0,69(R5+ R4)C2

Thời gian xả điện ( không có xung ra): tx=0,69 �x , hay tx =

0,69R4C2

Ở đây ta chọn R5=R4=600Ω, C2=220uF => tn=0,18216 s và

tx=0.09108 s

2.4.4 Khối ADC trong mạch

Các chân 1,2,8,10,7 được nối đất

Chân 3 được nối với chân số 3 của mạch tạo dao động HE555Chân 19 nối với điện trở R3= 10kΩ rồi nối vào chân 4 tiếp nối vào

tụ C3=150pF rồi nối đất

Chân 20 nối với nguồn nuôi

Chân 6 là chân nhận tín hiệu từ PT100 rồi chuyển hóa tín hiệu ra các chân 11,12,13,14,15,16,17,18

Mạch logic của 74LS83.

Quá trình biến đổi nhị phân sang BCD

Đầu tiên ta chuyển số nhị phân 4 bit thành số BCD: hai số BCD có giá trị từ 010 đến 910 khi cộng lại cho kết quả từ 010 đến 1810 , để đọc được kết quả dạng BCD ta phải hiệu chỉnh kết quả có được từ mạch cộng nhị phân

Kết quả tương đương giữa 3 loại mã.

Nhận thấy:

- Khi kết quả <10 mã nhị phân và BCD hoàn toàn giống nhau

- Khi kết quả >= 10 để có mã BCD ta phải cộng thêm 6 cho

mã nhị phân

Để giải quyết vấn đề hiệu chỉnh này trước tiên ta sẽ thực hiện một mạch phát hiện kết quả trung gian của mạch cộng 2 số nhị phân 4 bit.mạch này nhận kết quả trung gian của phép cộng 2 số nhị phân 4 bit và cho ở ngõ ra Y=1 khi kết qủa này >= 10,ngược lại,Y=0