Đang tải... (xem toàn văn)
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 đến 99 0C với cảm biến nhiệt độ Pt 100, sai số 0C Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực ******************** BÀI TẬP LỚN: VMTT - VMS Nhóm : Lớp : ĐH Điện 5_ K8 Khoa : Điện 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 0C Mô tả: Dùng cảm biến nhiệt độ Pt 100 theo dõi nhiệt độ môi trường Xây dựng mạch đo lường có điện áp chuẩn đến V Dùng ADC 0804 chuyển điện áp sang mã nhị phân Xây dựng hiển thị số BCD Lời nói đầu Nhiệt độ tín hiệu vật lý mà ta thường gặp đời sống ngày kỹ thuật cơng nghiệp Việc đo nhiệt độ yêu cầu thiết thực Hiện cảm biến đo nhiệt độ loại cảm biến sử dụng nhiều công nghiệp dân dụng Bài tập lớn nghiên cứu dùng 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 làm có phần sau : Chương 1: Tìm hiểu chung mạch KĐTT, mạch đo nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ, biến đổi tương tự - số ADC 0804 Giải mã LED thanh, LED Chương 2: Thiết kế mạch đo lường nhiệt độ Chương 3: Xây dựng chương trình mơ Chương I Tìm hiểu chung mạch đo Tìm hiểu chung mạch KĐTT 1.1 Mơ hình mạch khuếch đại - Khuếch đại dùng lượng nhỏ làm thay đổi (điều khiển) lượng lớn khác Năng lượng nhỏ gọi năng lượng điều khiển, lượng lớn gọi lượng bị điều khiển - Mạch khuếch đại dung để khuếch đại dòng điện, khuếch đại điện áp khuếch đại công suất 1.2 Mô hình mạch khuếch đại iI Us UI Mạch khuếch đại i0 U0 RL RI R0 - Tương tự với mạng hai cửa, mạch khuếch đại có tham số là: điện áp cửa vào UI(V), dòng điện cửa vào iI(A), điện trở cửa vào RI(Ω), tín hiệu UO(V), dòng điện cửa iO(A) điện trở cửa RO(Ω) Ngồi cịn kể đến nguồn tín hiệu vào mạch khuếch đại US(V) điện trở nguồn tín hiệu RS(Ω) 1.3 Mạch khuếch đại thuật toán Khuếch đại thuật toán (KĐTT) ngày sản xuất dạng IC tương tự (analog) Có từ "thuật tốn" lần chế tạo chúng người ta sử dụng chúng máy điện toán Do đời khuếch đại thuật toán mà mạch tổ hợp analog chiếm vai trò quan trọng kỹ thuật mạch điện tử Trước chưa có khuếch đại thuật tốn tồn vô số mạch chức khác Ngày nay, nhờ đời khuếch đại thuật tốn số lượng giảm xuống cách đáng kể dùng khuếch đại thuật tốn để thực chức khác nhờ mạch hồi tiếp ngồi thích hợp Trong nhiều trường hợp hàm đơn giản hơn, xác giá thành rẻ mạch khuếch đại rời rạc Ta hiểu khuếch đại thuật toán khuếch đại lý tưởng : có hệ số khuếch đại điện áp vơ lớn K → ∞, dải tần số làm việc từ 0→ ∞, trở kháng vào cực lớn Zv → ∞, trở kháng cực nhỏ Zr → 0, có hai đầu vào đầu Tìm hiểu chung mạch đo nhiệt độ, cảm biến nhiệt độ Pt 100 2.1 Khái niệm nhiệt độ thang đo nhiệt độ - Nhiệt độ đại lượng vật lí đặc trưng cho mức chuyển động hỗn loạn phần tử vật thể - Để đo nhiệt độ phải có dụng cụ đo, thơng thường công nghiệp nhiệt độ đo cảm biến phương pháp tiện lợi truyền tín hiệu nhiệt độ xa, khơng ảnh hưởng tới làm việc hệ thống cần xác định nhiệt độ - Để đo xác nhiệt độ cần có hiệu số Tx – T cực tiểu với Tx nhiệt độ cần đo, T nhiệt độ cảm biến đặt môi môi trường cần đo - Khi cảm biến đặt mơi trường cần đo nhiệt độ, nhiệt lượng cảm biến hấp thụ từ môi trường tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt cảm biến môi trường theo biểu thức: dQ= a A(Tx- T)dt với a độ dẫn nhiệt , A diện tích bề mặt truyền nhiệt 2.2 Cảm biến nhiệt độ Pt 100(nhiệt điện trở kim loại RTD ) - RTD – PT100 - Hình : RTD – PT100 - Cảm biến nhiệt độ PT100 hay gọi nhiệt điện trở kim loại ( RTD) PT100 cấu tạo từ - Kim loại Platinum quấn tùy theo hình dáng đầu dị nhiệt có giá trị điện trở 0oC 100 Ohm Đây loại cảm biến thụ động nên sử dụng cần phải cấp nguồn ổn định - Giá trị điện trở thay đổi tỉ lệ thuận với thay đổi nhiệt độ tính theo cơng thức - Cơng thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ PT100: Rt = R0 ( 1+ AT+BT2+C(T-100)T3) Trong đó: - A=3.9083x10-3 - B=5.775x10-7 - C=-4.183x10-12 ( t0oC) R1 R3 i1 i3 Ucc A B R2 Rcb Ura C Tính tốn cho mạch cầu đo: Ura = Uba= Ubc+Uca = RcbI3+R2I1 Ura= - Ura=0 RcbR1=R2R3 cầu cân - Vì có Rcb nên cầu nhánh hoạt động Rcb= R0+∆R Thường chọn R1=R2=R3=R0 Ura= R0 bé so với ∆R nên ta lắp thêm điện trở để thỏa mãn cầu cân (∆R= 305Ω) Ura= chọn Ra = R+R0 - Với nhiệt điện trở platin Pt100 ta chọn R= 1k Ra 1,1k thay - Vì giới hạn đầu từ 0-10 V nên ta chọn nguồn cung cấp Ucc= 5( V ) Bộ biến đổi tương tự số ADC 0804 - Các chuyển đổi ADC thuộc thiết bị sử dụng rộng rãi để thu liệu Các máy tính số sử dụng giá trị nhị phân, giới vật lý đại lượng dạng tương tự (liên tục) Nhiệt độ, áp suất (khí chất lỏng), độ ẩm vận tốc số đại lượng vật lý giới thực mà ta gặp ngày Một đại lượng vật lý chuyển dòng điện điện áp qua thiết bị gọi biến đổi Các biến đổi coi cảm biến Mặc dù có cảm biến nhiệt, tốc độ, áp suất, ánh sáng nhiều đại lượng tự nhiên khác chúng cho tín hiệu dạng dịng điện điên áp dạng liên tục Do vậy, ta cần chuyển đổi tương tự số cho vi điều khiển đọc chúng Một chip ADC sử dụng rộng rãi ADC0804 ADC0804 - Chip ADC0804 chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 hãng National Semiconductor Chip nhiều hãng khác sản xuất Chip có điện áp ni +5V v độ phân giải bit Ngoài độ phân giải thời gian chuyển đổ i tham số quan trọng đánh giá ADC Thời gian chuyển đổi định nghĩa thời gian mà ADC cần để chuyển đầu vào tương tự thành số nhị phân Đối với ADC0804 thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ đ ược cấp tới chân CLK CLK IN khơng bé 110µs Các chân khác ADC0804 có chức sau: + CS (Chip select): Chân số 1, chân chọn Chip, đầu vào tích cực mức thấp sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập ADC0804 th ì chân phải mức thấp + RD (Read): Chân số 2, tín hiệu vào, tích cực mức thấp Các chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân giữ ghi RD sử dụng để có liệu chyển đổi tới đầu ADC0804 Khi CS = có xung cao xuống thấp áp đến chân RD liệu dạng số bit đưa tới chân liệu (DB0 – DB7) + WR (Write): Chân số 3, chân vào tích c ực mức thấp dùng để báo cho ADC biết bắt đầu trình chuyển đổi Nếu CS = WR tạo xung cao xuống thấp ADC0804 bắt đầu trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin số nhị phân bit Khi việc chuyển đổi hồn tất chân INTR ADC hạ xuống thấp + CLK IN CLK R: CLK IN (chân số 4), chân vào nối tới đồng hồ ngo ài sử dụng để tạo thời gia n Tuy nhiên ADC0804 c ũng có tạo xung đồng hồ ri êng Để dùng đồng hồ riêng chân CLK IN CLK R (chân s ố 19) nối với tụ điện v điện trở (như hình vẽ) Khi tần số xác định biểu thức: F = 1/ 1.1RC Với R = 10 kΩ, C = 150 pF tần số f = 606 kHz thời gian chuyển đổi l 110 µs + Ngắt INTR (Interupt): Chân số 5, chân tích c ực mức thấp Bình thường chân trạng thái cao v việc chuyển đổi ho àn tất xuống thấp để báo cho CPU biết l liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy Sau INTR xuống thấp, cần đặt CS = gửi xung cao xuống thấp tới chân RD để đ ưa liệu + Vin (+) Vin (-): Chân số chân số 7, đầu vào tương tự vi sai, V in = Vin(+) – Vin(-) Thông thường Vin(-) nối tới đất Vin(+) dùng làm đầu vào tương tự chuyển đổi dạng số + Vcc: Chân số 20, chân nguồn nuôi +5V Chân dùng làm điện áp tham chiếu đầu vào Vref/2 để hở + Vref/2: Chân số 9, chân điện áp đầu vào dùng làm điện áp tham chiếu Nếu chân hở điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm dải đến +5V Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến V in khác với dải đến +5V Chân V ref/2 dùng để thực điện áp đầu khác đến +5V + D0 - D7: D0 - D7, chân số 18 – 11, chân d ữ liệu số (D7 bit cao MSB D0 bit thấp LSB) Các chân đệm ba trạng thái liệu chuyển đổi truy cập chân CS = chân RD đưa xu ống mức thấp Để tính điện áp đầu ta tính theo cơng thức sau: Dout = Vin / Kích thước bước Giải mã LED thanh, LED 4.1 Cấu tạo LED đoạn Các khái niệm Trong thiết bị, để báo trạng thái hoạt động thiết bị cho người sử dụng với thơng số dãy số đơn thuần, thường người ta sử dụng "led đoạn" Led đoạn sử dụng dãy số khơng địi hỏi q phức tạp, cần thị số đủ, chẳng hạn led đoạn dùng để hiển thị nhiệt độ phòng, đồng hồ treo tường điện tử, hiển thị số lượng sản phẩm kiểm tra sau cơng đoạn Led đoạn có cấu tạo bao gồm led đơn có dạng xếp theo hình có thêm led đơn hình trịn nhỏ thể dấu chấm trịn góc dưới, bên phải led đoạn.8 led đơn led đoạn có Anode(cực +) Cathode(cực -) nối chung với vào điểm, đưa chân để kết nối với mạch điện cực lại led đơn đưa thành chân riêng, đưa để kết nối với mạch điện Nếu led đoạn có Anode(cực +) chung, đầu chung nối với +Vcc, chân lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt led đơn, led sáng tín hiệu đặt vào chân mức Nếu led đoạn có Catode(cực -) chung, đầu chung nối xuống Ground (hay Mass), chân lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt led đơn, led sáng tín hiệu đặt vào chân mức 10 Vì led đoạn chứa bên led đơn, kết nối cần đảm bảo dòng qua led đơn khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led Nếu kết nối với nguồn 5V hạn dịng điện trở 330Ω trước chân nhận tín hiệu điều khiển Sơ đồ vị trí led trình bày hình dưới: Các điện trở 330Ω điện trở bên kết nối để giới hạn dòng điện qua led led đoạn 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 chân led lại Kết nối với vi điều khiển Ngõ nhận tín hiệu điều khiển led đoạn có đường, ’ang Port Vi điều khiển để điều khiển led đoạn Như led đoạn nhận liệu bit từ Vi điều khiển để điều khiển hoạt động ’ang tắt led led đơn nó, liệu xuất điều khiển led đoạn thường gọi “mã hiển thị led đoạn” Có hai kiểu mã hiển thị led đoạn: mã dành cho led đoạn có Anode(cực +) chung mã dành cho led đoạn có Cathode(cực -) chung Chẳng hạn, để thị số cần làm cho led vị trí b c ’ang, sử dụng led đoạn có Anode chung phải đặt vào hai chân b c điện áp 0V(mức 0) chân lại đặt điện áp 5V(mức 1), sử dụng led đoạn có Cathode chung điện áp(hay mức logic) hoàn toàn ngược lại, tức phải đặt vào chân b c điện áp 5V(mức 1) Bảng mã hiển thị led đoạn: 11 + Phần cứng kết nối với Port vi điều khiển, để thuận tiện cho việc xử lí sau phần cứng nên kết nối sau: Px.0 nối với chân a, Px.1 nối với chân b, theo thứ tự Px.7 nối với chân h + Dữ liệu xuất có dạng nhị phân sau : hgfedcba Bảng mã hiển thị led đoạn dành cho led đoạn có Anode chung (các led đơn sáng mức 0): Số hiển thị led đoạn A B C D E F - Mã hiển thị led đoạn dạng nhị phân hgfedcba 11000000 11111001 10100100 10110000 10011001 10010010 11000010 11111000 10000000 10010000 10001000 10000011 11000110 10100001 10000110 10001110 10111111 Mã hiển thị led đoạn dạng thập lục phân C0 F9 A4 B0 99 92 82 F8 80 90 88 83 C6 A1 86 8E BF 12 Bảng mã hiển thị led đoạn dành cho led đoạn có Cathode chung (các led đơn sáng mức 1): Số hiển thị led đoạn A B C D E F - Mã hiển thị led đoạn dạng nhị phân 00111111 00000110 01011011 01001111 01100110 01101101 01111101 00000111 01111111 01101111 01110111 01111100 00111001 01011110 01111001 01110001 01000000 Mã hiển thị led đoạn dạng thập lục phân 3F 06 5B 4F 66 6D 7D 07 7F 6F 77 7C 39 5E 79 71 40 13 Chương II: Thiết kế mạch đo lường nhiệt độ 2.1 Sơ đồ nguyên lý chung mạch đo T0 CẦU ĐO SO SÁNH BIT KHUẾCH ĐẠI 5V ADC CÁC BỘ ĐẾM BCD (Giải Mã) ĐẾM BIT NHỊ PHÂN (Hiển Thị) Mạch đo gồm khối bản: - Cầu đo - Khối khuếch đại - Bộ biến đổi tương tự số ADC - Mạch so sánh - Khối thị Chức khối mạch đo: a, Khối cầu đo: khối cảm biến có chức biến đổi tín hiệu khơng điện thành tín hiệu điện thành tín hiệu điện tương ứng 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 khuếch đại tín hiệu điện từ cảm biến đưa tới, tín hiệu điện cảm biến đưa thường bé nên ta phải khuếch đại lên để đưa vào mạch điện khác 14 c Khối biến đổi tương tương tự số: Khối ADC0804 dùng để chuyển đổi tín hiệu tương tự (nhiệt độ) từ cảm biến sang tín hiệu số Sau chuyển đổi thi ADC xuất dư liệu chân chua VXL d Mạch so sánh: có tác dụng so sánh tín hiệu đưa từ khối khuếch đưa khối sau e Bộ đếm BCD Khối IC 4511 q trình xử lí liệu thực Trong đồ án em sử dụng IC 4511 để xuất liệu giải mã tính tốn hiển thị lên LED ADC0804 chuyển tín hiệu vào IC 4511 15 f Khối hiển thị VC C LED _D V Q C 1815 7S EG BO 7SEG D D D D D D D 7 10 1 1 1 _ _ _ _ _ _ _ VC C VC C 1_ 1_ 1_ 1_ 1_ 1_ 1_ 4k7 8 10 Q C 1815 4k7 VC C VC C VC C VC C BO LED _D O _C Q C 1815 4k7 D D D D D D D R 22 LED _D O Q C 1815 4k7 VC C R 21 LE D _C H U C VC C R 20 BO 7SEG D D D D D D D 7 10 1 1 1 _ _ _ _ _ _ _ VC C VC C VC C R 19 BO 7SEG D D D D D D D 7 10 1_ 1_ 1_ 1_ 1_ 1_ 1_ Khối có chức hiển thị nhiệt độ liệu lấy từ Port 1, port port vi xử lí AT89C51 2.2 Nguyên lý hoạt động chung mạch Khi ta cấp nguồn cho mạch LED hiển thị nhiệt độ mơi trường ±1 Khi nhiệt độ môi trường thay đổi làm cho trở kháng cảm biến Pt 100 thay đổi dẫn đến điện áp đầu vào Vin ADC thay đổi Điện áp Vin vào ADC so sánh với Ud ADC Ud thay đổi từ 0V đến 2(Vref/2) Ban đầu Ud = 0, Vin > Ud Ud cộng thêm giá trị là: U d = U d + ∆U ∆U , đó: ∆U = 2(V ref / 2) 256 = 10mV đồng thời giá trị đếm tăng thêm Quá trình so sánh đến U d =Vin dừng Khi giá trị đếm giá trị thập phân Giá trị thập phân đưa qua giải mã, giải mã nhị phân đưa chân AD0 – AD7 Dãy mã nhị phân gửi đến Port AT89C51, VXL tính tốn thực lệnh để xuất giá trị đến LED đoạn LED hiển thị nhiệt độ vừa thay đổi 16 Chương III : Xây dựng chương trình mơ Sơ đồ thiết kế mô protues KẾT LUẬN Ưu điểm Khả đáp ứng nhanh với thay đổi nhiệt độ môi trường Mạch hiển thị LED đoạn nên dễ dàng cho người sử dụng theo dõi nhiệt độ 17 Mạch thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng, tiện lợi dùng nhiều loại nguồn: pin, sạc điện thoại Nhược điểm Tính ổn định khơng cao mang xa hay sử dụng di chuyển Cịn có sai số nhiệt độ đo sai số linh kiện sai số tính tốn thiêt kế mạch chấp nhận Tính thực tế sản phẩm thiết kế Mạch sử dụng để đo nhiệt độ khoảng từ +0°C đến +99°C Mạch nhỏ gọn, dễ sử dụng cho tất người đáp ứng nhanh với nhiệt độ môi trường Mạch hiển thị LED đoạn nên dễ dàng theo dõi nhiệt độ dù thiếu ánh sáng 18 ... Số hiển thị led đo? ??n A B C D E F - Mã hiển thị led đo? ??n dạng nhị phân hgfedcba 1 1000 000 11 11 10 01 10 10 01 00 10 1 10 00 0 10 01 10 01 10 01 0 010 1 1000 010 11 11 1000 10 00 0000 10 01 0000 10 00 10 00 10 00 0 011 1 1000 11 0... mức 1) : Số hiển thị led đo? ??n A B C D E F - Mã hiển thị led đo? ??n dạng nhị phân 0 01 111 11 000 0 011 0 010 110 11 0 10 01 111 01 10 01 10 011 011 01 011 111 01 000 0 011 1 011 111 11 011 011 11 011 1 011 1 011 11 100 0 011 10 01 ... 10 00 0 011 1 1000 11 0 10 10 00 01 10 00 011 0 10 00 11 10 10 111 111 Mã hiển thị led đo? ??n dạng thập lục phân C0 F9 A4 B0 99 92 82 F8 80 90 88 83 C6 A1 86 8E BF 12 Bảng mã hiển thị led đo? ??n dành cho led đo? ??n có Cathode