LỜI NĨI ĐẦU Nhiệt độ thơng số quan trọng có ảnh hưởng lớn tới môi trường, sống hoạt động sản xuất hàng ngày Ngày với biến đổi ngày xấu khó lường thời tiết việc đo, giám sát nhiệt độ môi trường trở nên quan trọng Nó giúp ta kịp thời đưa giải pháp hạn chế tác động xấu thời tiết Tránh tối đa thiệt hại sống sản xuất Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, phương pháp đo, điều khiển nhiệt độ ngày đại Việc ứng dụng loại chip vi xử lý, vi điều khiển vào hệ thống điều khiển nhiệt độ giúp nâng cao độ xác tăng khả tự động hố hệ thống.Vi điều khiển ARM (32bit) STM32F103RD chíp hãng ST Electronic, với khả tích hợp mạnh mẽ, kích thước nhỏ gọn, có khơng gian nhớ lớn môi trường thuận tiện Trong khuân khổ đồ án, em sử dụng chíp STM32F103RD cảm biến nhiệt độ LM35 để hồn thành thiết kế mơ hình đo, lưu nhiệt độ môi trường Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy, cô khoa Kỹ Thuật Điều Khiển, đặc biệt hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo Nguyễn Văn Xuân giúp đỡ để em hoàn thành đồ án Tuy em nhiều cố gắng nỗ lực trình độ thời gian khơng nhiều nên q trình hồn thành đồ án tránh khỏi hạn chế thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp q giá thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, 28 tháng năm 2011 Sinh viên thực Đào Văn Phong Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ Nhiệt độ thông số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính vật chất Đặc biệt nhiệt độ mơi trường có ảnh hưởng lớn đời sống hàng ngày hoạt động sản xuất Theo thời gian, phát triển phương pháp đo, điều khiển nhiệt độ phát triển theo từ đơn giản đến phức tạp Các hệ thống đo điều khiển nhiệt độ xây dựng theo phương pháp khác tùy thuộc vào dải nhiệt độ cần đo Thông thường nhiệt độ đo chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình nhiệt độ cao Dải nhiệt độ thấp trung bình: Phương pháp thường đo phương pháp tiếp xúc Có nghĩa thiết bị đo tiếp xúc trực tiếp với môi trường cần đo Dải nhiệt độ cao: Phương pháp thường đo phương pháp khơng tiếp xúc Có nghĩa thiết bị đo đặt ngồi mơi trường đo 1.1 Các phương pháp đo điều khiển nhiệt độ 1.1.1 Các phương pháp đo không tiếp xúc  Phương pháp hỏa quang kế Đây phương pháp dựa định luật xạ vật đen tuyệt đối,tức vật hấp thụ lượng theo hướng với khả lớn Bức xạ nhiệt vật thể đặc trưng mật độ phổ Eλ Nghĩa số lượng xạ đơn vị thời gian với đơn vị diện tích vật xảy đơn vị độ dài sóng Quan hệ mật độ xạ vật đen tuyệt nhiệt độ độ dài sóng biểu diễn công thức: E λ = C1λ−5 (e c /( λT ) − 1) −1 [J] Với C1,C2 -hằng số; 2 C1 = 37,03.10 −17 Jm / s ; C2=1,432.10ư2[m.do] C1 = 37,03.10 −17 Jm / s ; C2=1,432.10-2[m.do] λ - độ dài sóng; T - nhiệt độ tuyệt đối; Tùy theo đại lượng vào ta gọi dụng cụ đo theo phương pháp tên gọi khác như: hỏa quang kế phát xạ hỏa quang kế màu sắc  Hỏa quang kế phát xạ Nguyên lý hoạt động: vật đen tuyệt đối, lượng xạ toàn phần đơn vị bề mặt tính: ET = σ Tp4 [ J ] Với: σ = 4,96.10 J / m Tp – nhiệt độ vật theo lý thuyết Đối với vật thực lượng xạ toàn phần đơn vị bề −2 mặt tính : ET = ε T σ Tt [ J ] Với : εT - hệ số xạ tổng hợp, xác định tính chất vật nhiệt độ ( εT < ) Tt : nhiệt độ thực vật Hỏa quang kế phát xạ khắc độ theo độ xạ vật đen tuyệt đối ưng đo đối tượng thực, Tp tính theo cơng thức: σ Tp4 = ε T σ Tt → Tt = Tp εT  Hỏa quang kế màu sắc Nguyên lý hoạt động: Hỏa quang kế màu sắc dụng cụ đo nhiệt độ dựa phương pháp đo tỷ số cường độ xạ hai ánh sáng có bước sóng khác λ1 λ2 Năng lượng thu : E1 = ε 1C λ e −5 1 − c2 λ1T [J]; E = ε C1λ e −5 − c2 λ 2T [J] Ta có: − c2 λ1T E1 ε λ e = c − E2 λ2T −5 ε λ2 e −5 1 Và giá trị nhiệt độ T tìm theo giá trị E1 , E , ε , ε , λ1 , λ2 : E1ε λ5 1 T = C ( − ) ln λ1 λ E ε 1λ1 Vì dụng cụ hỏa quang kế màu sắc có thiết bị tự tính,tự động giải phương trình trên, giá trị ε , λ1 , ε , λ đưa vào trước, thông số đưa vào sau gây nên sai số Khi đo nhiệt độ từ 20000C đến 25000Cgiá trị ε1 , ε xác định thực nghiệm 1.1.2 Các phương pháp đo tiếp xúc Phương pháp đo nhiệt độ công nghiệp thường sử dụng nhiệt xúc gồm loại sau: - Nhiệt kế chất lỏng - Nhiệt kế nhiệt điện trở - Nhiệt kế nhiệt ngẫu Ngoài ứng dụng có dải nhiệt độ cỡ -55 0C đến 2000C ta thường ứng dụng IC bán dẫn ứng dụng tính chất nhạy nhiệt điôt, tranzito để đo nhiệt độ Cấu tạo nhiệt kế nhiệt điện trở cặp nhiệt ngẫu cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt nhiệt kế với môI trường đo: - Đối với mơi trường khí nước dụng cụ đo đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy - Với vật rắn đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng chuyển từ vật sang dụng cụ đo Diện tích tiếp xúc vật đo nhiệt kế lớn tốt - Khi đo nhiệt độ chất dạng hạt( cát,đất, ) cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo thường dùng nhiệt kế nhiệt điện trở có cáp nối  Nhiệt kế chất lỏng Trong phương pháp người ta sử dụng sử giãn nở chất lỏng theo nhiệt độ, đo tăng giảm tuyến tính cột chất lỏng theo tăng giảm nhiệt độ Ví dụ nhiệt kế thủy ngân  Nhiệt kế điện trở (Resistance Thermometer) Nhiệt kế điện trở làm việc nguyên tắc sử dụng tính chất biến thiên điện trở vật chất theo nhiệt độ, từ biết nhiệt độ cần đo Nhiệt kế điện trở chế tạo dây platin, đồng, niken, bán dẫn,… quấn lõi cách điện đặt vỏ kim loại có đầu nối ngồi Điện trở dây xác định xác nhiệt độ khác Vì ta đặt dây khu vực cần đo nhiệt độ, cần đo điện trở dây biết nhiệt độ Nhiệt kế điện trở dùng để đo nhiệt độ cao (đến 10000C) thấp ( đến 2000C) với độ xác cao lên đến 0,00010C  Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu (Thermocouples) Phương pháp đo nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu phương pháp phổ biến thuận lợi Hình 1.1: Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu Cấu tạo nguyên lý hoạt động nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu: Gồm hai dây hàn với điểm luồn vào ống để đo nhiệt độ cao Với nhiệt độ thấp vỏ nhiệt kế làm thép không rỉ Để cách điện hai dây, hai dây luồn vào ống sứ nhỏ Nếu vỏ làm kim loại hai dây đặt vào ống sứ Đầu cặp nhiệt ngẫu nối vào hộp đầu nối Mạch đo nhiệt kế nhiệt ngẫu milivônmét điện kế điện trở nhỏ có giới hạn đo từ đến 100mV Nếu đo sức điện động nhiệt điện milivônmét gây sai số nhiệt độ mạch đo thay đổi Dịng điện chạy qua thị lúc là: E I= RT + Rd + Rdc [A] Trong : E – sức điện động RT - Điện trở cặp nhiệt ngẫu Rd -Điện trở đường dây Rdc -Điện trở milivonmet Điện áp rơi milivonmet là: Rdc U = E − I ( RT + Rd )[V ] → U = E [V ] RT + Rd + Rdc Thường Rd+ RT hiệu chỉnh khoảng 5Ω, cịn điện trở milivơnmét lớn nhiều lần (40-50 lần) sai số chủ yếu điện trở milivônmét Rdc thay đổi  Đo nhiệt độ dùng phần tử bán dẫn Phương pháp hoạt động theo nguyên lý sau: linh kiện điện tử bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ, sử dụng số linh kiện bán dẫn điốt tranzito nối theo sơ đồ sau: T1 T2 UD URA I2 I1 Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động IC bán dẫn đo nhiệt độ -U CC Khi nhiệt độ thay đổi ta có: U d = E BE1 − E BE = K T  I c1  ln I   q  c2  Với Ic1/Ic2=const UD tỉ lệ với nhiệt độ T mà không cần đến nguồn ổn định Hiện cảm biến đo nhiệt độ sử dụng điốt tranzito tích hợp thành IC bán dẫn đo nhiệt độ Các cảm biến cho đầu điện áp dòng điện tỉ lệ với nhiệt độ cần đo với độ tuyến tính cao, sử dụng đơn giản Ví dụ số loại IC đo nhiệt độ: Loại IC Độ nhạy Dải đo Sai s AD592CN 1àA / 10 K -250C ữ 1050C 0,30C LM35 ± 10mV/10C -550C ÷ 1500C ± 0,250C MMB-TS102 2,25mV/10K -400C ÷ 1500C ± 20C REF-02A 2,1mV/0K -550C ÷ 1250C ± 0,50C Đặc điểm: Độ nhạy loại IC bán dẫn đo nhiệt độ thường có giá trị cỡ 2,5mV/0C không ổn định mà thường thay đổi theo nhiệt độ Ưu điểm: độ tuyến tính cao, sử dụng đơn giản có độ nhạy cao - Nhược điểm: giới hạn phạm vi sử dụng khoảng - 500C ÷ 1500C, giới hạn chịu nhiệt phần tử bán dẫn Nếu giá trị phản hồi thấp giá trị đặt đầu điều khiển đưa lên mức ON, giá trị đưa cao giá trị đặt đầu OFF Đầu ON/OFF dựa theo giá trị đặt để nhiệt độ điều khiển không đổi Khi cơng suất cấp cho sợi đốt có giá trị ( nghĩa 100 % 0%) Cho nên điều khiển tác động ON/OFF gọi điều khiển tác động vị trí Biên độ dao động giảm tăng độ quán tính, giảm thời gian trễ giảm tốc độ điều khiển đối tượng 1.2 Các phương pháp điều khiển nhiệt độ Bộ điều khiển nhiệt dùng để điều khiển nhiều đối tượng nhiệt độ khác nhau, đối tượng lại có đặc điểm định cơng nghệ yêu cầu, điều khiển nhiệt có nhiều phương pháp điều khiển để đáp ứng yêu cầu Dưới phương pháp mà điều khiển nhiệt độ thường dùng: 1.2.1 Phương pháp ON/OFF Đây phương pháp điều khiển có dạng đơn giản nhất, điều khiển dùng phương pháp có giá thành rẻ ứng dụng cho đối tượng không yêu cầu cao chất lượng điều khiển Đặc tính điều khiển mơ tả hình đây: Hình 1.3: Đặc tính điều khiển Nếu giá trị phản hồi thấp giá trị đặt đầu điều khiển đưa lên mức ON, giá trị đưa cao giá trị đặt đầu OFF Đầu ln ON/OFF dựa theo giá trị đặt để nhiệt độ điều khiển khơng đổi Khi cơng suất cấp cho sợi đốt có giá trị (nghĩa 100 % 0%) Cho nên điều khiển tác động ON/OFF gọi điều khiển tác động vị trí Biên độ dao động giảm tăng độ quán tính, giảm thời gian trễ giảm tốc độ điều khiển đối tượng 1.2.2 Phương pháp điều khiển tác động P (Proportional – Tỷ lệ) Với điều khiển tỷ lệ, phần tử điều khiển đưa giá trị đầu tỷ lệ với giá trị đầu vào Nói cách khác, giá trị đầu quan hệ tuyến tính với giá trị đầu vào Vậy giá trị đầu vào thay đổi khoảng để giá trị đầu thay đổi từ 0% đến 100%, khoảng gọi dải tỷ lệ (proportional band), giá trị đặt (SV) nằm dải tỷ lệ Hình 1.4: Quan hệ đầu vào đầu Trong lý thuyết nói đến điều chỉnh tỷ lệ nói đến hệ số tỷ lệ K, thực tế hầu hết hệ thống người ta không sử dụng hệ số tỷ lệ K mà dùng khái niệm dải tỷ lệ Công thức thể mối liên hệ K %P là: K= 100(%P) Khi hoạt động, giá trị đầu vào thấp nằm dải tỷ lệ, đầu điều khiển ON 100% Nếu giá trị đầu vào nằm dải tỷ lệ, đầu điều khiển tăng giảm từ từ tuyến tính với độ sai lệch đầu vào Nếu độ sai lệch (đầu vào = SV) đầu điều khiển ON 50% Nếu giá trị đầu vào cao nằm dải tỷ lệ, đầu OFF( ứng với giá trị 0%) Hình 1.5: Quan hệ giá trị đầu giá trị phản hồi Ví dụ: Bộ điều khiển nhiệt độ, dải nhiệt độ điều chỉnh từ 0oC ÷ 400oC có dải tỷ lệ 5%, giá trị đặt SV=100 oC Vậy độ rộng dải tỷ lệ: PB = (400 oC oC)*5% = 20 oC Do nhiệt độ phản hồi thấp 90 oC đầu ON (100%), nhiệt độ phản hồi cao 110 oC đầu OFF hoàn toàn (0%), nhiệt độ phản hồi nằm dải tỷ lệ đầu điều khiển ON/OFF theo chu kỳ Để làm rõ điều khiển ON/OFF theo chu kỳ ta tìm hiểu ví dụ sau: 10 Từ lưu đồ thuật tốn ta có chương trinh chính: #include #include // STM32F10x Library Definitions #include "STM32_Init.h" // STM32 Initialization #include "tff.h" #include "diskio.h" unsigned short int ADC_ConvertedValue; unsigned char Clock1s; #ifndef f32 #define f32 float #endif unsigned short ADC_ConvertedValue; unsigned char Clock1s; int ledLight = 0; int Alarm = 0; #define LED ( CRL &= ~0x0000000F; // set PIN1 as analog input (see stm32_Init.c) RCC->AHBENR |= (1CPAR = (u32)&(ADC1->DR); // set channel1 73 peripheral address DMA1_Channel1->CNDTR = 1; DMA1_Channel1->CCR = 0x000025A0; // transmit word // configure DMA channel DMA1_Channel1->CCR |= (1 APB2ENR |= (1SMPR2 = 0x00000005; // only one conversion // set sample time channel1 (55,5 cycles) ADC1->SQR3 = 0x00000000; // set channel1 as 1st conversion ADC1->CR1 = 0x00000100; // use independant mode, SCAN mode ADC1->CR2 = 0x000E0103; ADC1->CR2 |= 0x00500000; // use data align right, // start SW conversion } /* -Systick Interrupt Handler SysTick interrupt happens every 10 ms * */ void SysTick_Handler (void) { static unsigned long ticks; static unsigned long timetick; static unsigned char leds = 0x01; if (ticks++ >= 199) { ticks = 0; Clock1s = 1; } } // end SysTick_Handler void RTC_IRQHandler(void) { if (RTC->CRL & (1