BÀI TẬP LỚN MÔN VI MẠCH TƯƠNG TỰ Bộ Công Thương Khoa Điện Bộ môn Đo lường và Điều khiển Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : NGUYỄN BÁ KHÁ SINH VIÊN : NGUYỄN VĂN NAM LỚP : ĐIỆN 5 K6 MSSV : 0641040372 1 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 và cảnh báo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại. I.Tổng quan về đo nhiệt độ 1.1 Đo lường Đo lường là một quá trình đánh giá định hướng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số với đơn vị đo. Kết quả đo lường là giá trị bằng số của đại lượng cần đo A x , nó bằng tỷ số của đại lượng cần đo X và đơn vị đo X 0 . Vậy quá trình có thể viết dưới dạng: A x = A x . X 0 Đây là phương trình cơ bản của phép đo, nó chỉ rõ sự so sánh đại lượng cần đo với mẫu và cho ra kết quả bằng số. 2 Quá trình đo được tiến hành thong qua các thao tác cơ bản về đo lường sau: -Thao tác xác định mẫu và thành lập mẫu. - Thao tác so sánh. -Thao tác biến đổi -thao tác thể hiện kết quả hay chỉ thị. Phân loại các cách thực hiện phương pháp đo. + Đo trực tiếp :là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phếp đo duy nhất. +Đo gián tiếp : là cách đo mà kết quả đo được suy ra từ phép đo, từ sự phối hợp của nhiều phép đo trực trực tiếp. +Đo thống kê : là phếp đo nhiều lần một đại lượng nào đó, trong cùng một điều kiện và cùng một giá trị. Từ đó dung phếp tính xác suất để thể hiện kết quả đo có độ chính xác cần thiết. -Tín hiệu đo : là tín hiệu mang thông tin về giá trị cả đại lượng đo . nó có thể: +Tín hiệu liên tục Analog (A). +Tín hiệu rời rạc Digital (D). -Đại lượng đo : là một thông số xác định quá trình vật lí nào đó. Đại lượng đo được phân loại như sau: Theo tính chất. + Đại lượng tiền định(đại lượng xác định trước ) 3 +Đại lượng đo ngẫu nhiên(đại lượng không xác định) Theo bản chất: - Đại lượng điện (bản thân nó mang năng lượng như U, i ) - Đạilượng thông số (R,l,C ) - Đại lượng không điện (t 0 , F, P,Q ) - Đại lượng theo thời gian(t, ,f ) +Theo dụng cụ đo:Vôn kế , Wattmet, tần số kế 1.2 Đo nhiệt độ 1.2.1. 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. Để đo chính xác nhiệt độ thì cần có hiệu số T x – T là cực tiểu với T x là nhiệt 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: 4 dQ= a. A(T x - T)dt với a là độ dẫn nhiệt , A là diện tích bề mặt truyền nhiệt. PHẦN II. TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO 1.1 Sơ đồ khối Cảm biến RTD Mạch đo ADC Khối cảnh báo Khối hiển thị Khối xử lý Trung tâm 1.2 Thiết kế tổng quan - Khối cảm biến RTD: Sử dụng cảm biến Pt500. - Khối mạch đo: Sử dụng phương pháp nguồn dòng 1mA. - Khối ADC: Sử dụng ADC 0809 với độ phân giải 8 bit để chuyển tín hiệu điện áp tương tự thành tín hiệu số 8 bit vào vi xử lý. - Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi xử lý AT89C51 để đọc dữ liệu,xử lý 5 tín hiệu và hiện thị kết quả ra LCD. - Khối hiện thị: Sử dung LCD để hiện thị - Khối cảnh báo: Sử dụng đèn led để cảnh báo. 1.3 Nguyên lý hoạt động Sơ đồ mạch: 3 2 1 411 5V RTD 3 2 1 411 U2 2 -1MSB 21 ADD B 24 ADD A 25 ADD C 23 VREF(+) 12 VREF(-) 16 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 START 6 2 -5 8 EOC 7 OUTPUT ENABLE 9 CLOCK 10 VCC 11 2 -2 20 GND 13 2 -7 14 2 -6 15 2 -8LSB 17 2 -4 18 2 -3 19 IN2 28 IN1 27 IN0 26 ALE 22 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U3 VR 5V C1 C2 D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 9 D1 8 D0 7 E 6 RW 5 RS 4 VSS 1 VDD 2 VEE 3 Vref=1mA Uout Vref(+)=5V Vref(-)=3V ADC0809 AT89C51 LCD LM032L CRYSTAL K Uout D RD R1 R2 R3 R4 5V Transistor NPN 6 Thiết bị sử dụng loại RTD Pt100. Mạch tạo nguồn dòng tạo ra dòng điện không đổi 1mA. Nhiệt độ thay đổi làm giá trị điện trở của RTD thay đổi,giá trị điện áp U out cũng thay đổi theo. Điện áp U out được đưa qua ADC 0809 để tạo thành dữ liệu số. Tín hiệu số ở ngõ ra của ADC 0809 được đưa vào vi xử lý,hiển thị kết quả trên LCD. PHẦN II GIỚI THIỆU VỀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 2.1 Cảm biến nhiệt điện trở kim loại: 2.1.1 Cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại: Hình ảnh cảm biến nhiệt. 7 Cảm biến nhiệt điện trở kim loại gồm một dây dẫn bằng kim loai như: Platin, Niken, Đồng quần trên một lõi cách điện . 2.1.2 Hoạt động và phương trình chuyển đổi của cảm biến nhiệt điện trổ kim loại: Khi nhiệt độ của cảm biến thay đổi, điện trở của cảm biến thay đổi theo phương trình R(T)=R 0 (1+AT+BT 2 +CT 3 ) Trong đó T đo bằng 0 C, R(T)là điện trở của cảm biến ở 0 0 C, A,B,C là các hằng số và được xác định bằng cách đo điện trở của cảm biến tại các nhiệt độ đã biết trước. Ở nhiệt độ thấp, phương trình chuyển đổi của cảm biến là tuyến tính R(T)=R 0 (1+ αT) Với αlà hệ số nhiệt của điện trở, tùy thuộc vào kim loại như ở bảng sau Kim loại Platin Đồng Niken α (/ 0 C) 3,9.10 -3 4,3.10 -3 5,4.10 -3 Do tính chất của các kim loại dùng chế tạo cảm biến nhiệt điện trở kim loại có tính chất lí hóa khác nhau nên tầm đo của cảm biến sử dụng các kim loại khác nhau cũng khác nhau. Cảm biến tầm đo Platin Đồng Niken Tầm đo( 0 C) -200-1000 < 100 <300 8 Do bạch kim có độ bền vật lý cao và không bị oxy hóa nên cảm biến nhiệt điện trở bạch kim là thông dụng nhất. Các cảm biến nhiệt điện trở dùng bạch kim thường được chết tạo có điện trở R 0 là 100; 200; 500; 1000(Ω). Cảm biến nhiệt điện trở kim loại 2.1.3 Mạch sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại. 3 2 1 411 Vcc R R R Ra R1 R3 R2 R4 Uo R a cảm biến. R a = R 0 + △R là điện trở của cảm biến. R 0 là giá trị của điện trở ở nhiệt độ 0 o C. Chọn R 1 =R 3, R 2 =R 4 . Điện áp ra U o được tính như sau: V o = .( - ).V CC = - ( ). 9 2.2 Mạch tạo nguồn dòng. Sơ đồ mạch 3 2 1 411 R1 10k R2 5k 5V Vref=1mA 2.3 Khối mạch đo. Tạo ra điện áp phụ thuộc vào giá trị điện trở RTD Sơ đồ mạch như sau: 10 [...]... =(5-3)/(28.6) =1,3.10-3 = 0,13 % Vậy sai số cho phép đo thỏa man điều kiện sai số nhỏ hơn 1 19 3.2 Nguồn dòng Sơ đồ mạch 4 5V 3 1 11 2 R1 10k R2 5k Vref=1mA Điện áp đầu vào 5V,khi đó dòng điện sinh ra sẽ là: Iref= UR2/R2=5/5000=0,001 A = 1mA Được đưa vào mạch đo 3.3 Mạch cảnh báo 20 Sơ đồ mạch: D K Uout RD 100 K là cuộn hút của rơle dòng Giá trị nhiệt độ cảnh báo: Td = = = 219oC → RRTD 219oC = 100.(1+3,94.10-3.219... nhất mà ADC có thể chuyển đổi Tức là nếu điện áp bằng Vref(-) thì giá trị đầu ra ADC sẽ tương ứng với 0000 0000 Vref(+) là điện áp lớn nhất mà ADC có thể chuyển đổi Tức là nếu điện áp bằng Vref(+) thì giá trị đầu ra ADC sẽ tương ứng với 1111 1111 13 3.5 Khối xử lý và hiển thị Tín hiệu số từ ADC sẽ chuyển tới đến vi xử lý AT89C51 và hiển thị ra LCD 14 C1 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 7 8 9 10 11 12 13 14 U3... P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD AT89C51 3.6 Khối cảnh báo Làm vi c khi nhiệt độ vượt qua giá trị cảnh báo 15 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 5V D Transistor NPN K RD Uout K là cuộn hút của rơle dòng D là đèn cảnh báo CHƯƠNG III TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ MẠCH ĐO 3.1 Cảm biến 16 3.1.1 Sơ đồ mạch 4 5V 3 1 11 2 R1 10k R2 R6 5k 35k R3 Uout 3 1 2 11 10k 4 Vref=1mA... R2 R6 5k 35k R3 Uout 3 1 2 11 10k 4 Vref=1mA RTD 3.4 Khối ADC Sử dụng ADC 0809 với các thông số sau: + Độ phân giải 8 bit + 8 ngõ đầu vào tương tự + 3 chân địa chỉ chộn ngõ vào ADD A,ADD B,ADD C 11 + 2 chân xác lập giá trị điện áp chuẩn Vref(+) và Vref (-) Sơ đồ mạch như sau: U(RTD) 5V RV1 Vref(+)=5V Vref(-)=3V 26 27 28 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 16 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 ADD A ADD B ADD C ALE... được điện áp ra Uout ứng với giá trị RRTD: Uout min= 0,035.100 = 3,5 V Uout max = 0,035.271,426 = 9,5 V Điện áp này được đưa vào ADC 3.1.2 Tính toán sai số 18 Sai số do quá trình chuyển đổ từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số của một ADC với độ phân giải n bit được tính theo công thức: Sai số = (Vref(+) + Vref(-))/(2n.D) Với Vref(+) : giá trị điện áp tham chiếu trên Vref(-) : giá trị điện áp tham chiếu