Ứng dụng cảm biến nhiệt độ LM35 và VXL 8051

Lời giới thiệu
Hiện nay cảm biến nhiệt độ được ứng dụng trong cuộc sống cũng
như trong công nghiệp rất nhiều và đem lại nhiều lợi ích cho con người,
sản xuất, …
Từ việc biết được nhiệt độ trong phòng hay trong động cơ thì
giúp cho con người có những thơng số cũng như điều chỉnh phù hợp để
cho nhiệt độ ở mức phù hợp nhất cũng như là tránh những trường hợp
gây hại máy móc, sức khỏe con người.
Trong q trình học bộ môn Vi xử lý trong đo lường và điều
khiển thuộc khoa Điện đại học Công Nghiệp Hà Nội, được tiếp cận vơi
những kiến thức của lĩnh vực đo lường và điện tử. Từ những kiến thức
đã học đề tài nghiên cứu ứng dụng cảm biến nhiệt độ vào việc đo nhiệt
độ trong động cơ được thực hiện.
Thiết bị được chế tạo còn đang ở giai đoạn nghiên cứu nên cịn
nhiều vấn đề cần được hồn thiện, rấy mong được sự giúp đỡ, góp ý từ
thầy và các bạn trong lớp.
Công nghiệp, tháng 11 năm 2021
Sinh viên thực hiện

Đồng Quốc Tú

1


Mục lục
Lời giới thiệu....................................................................................................................................................1
Phần I: đặt vấn đề và thiết kế:..........................................................................................................................2
1.1.Một số cảm biến nhiệt độ trên thị trường..............................................................................................3
Phần II: Ý tưởng thiết kế..................................................................................................................................4
2.1.Ý tưởng thiết kế......................................................................................................................................4
Phần III: Lựa chọn thiết bị...............................................................................................................................5

3.1.Thiết bị được sử dụng trong đồ án sẽ dùng các thiết bị sau..................................................................5
Phần IV: Sơ đồ khối.........................................................................................................................................5
4.1 Các khối chức năng:...............................................................................................................................6
4.1.1 Khối cảm biến.................................................................................................................................6
4.1.2 Khối chuẩn hóa...............................................................................................................................7
4.1.3 Khối ADC 0804...............................................................................................................................7
4.1.4 Khối vi xử lý trung tâm...................................................................................................................7
Phần V: phân tích và thiết kế thiết bị...............................................................................................................9
5.1 ADC0804................................................................................................................................................9
5.2 IC khuếch đại thuật tốn 741.................................................................................................................9
5.3 lập trình đọc dữ liệu nhiệt độ sử dụng ADC0804 và LCD....................................................................9
Phần VI: lưu đồ thuật toán.............................................................................................................................10
Phần VII: Kết luận và phương hướng phát triển...........................................................................................11

2


Phần I: đặt vấn đề và thiết kế:
Cảm biến nhiệt độ "Temperature Sensor" là thiết bị dùng để đo, đếm,
cảm nhận, …các đại lượng vật lý không điện thành các tín hiệu điện. Ví
dụ nhiệt độ là 1 tín hiệu khơng điện, qua cảm biến nó sẽ trở thành 1 dạng
tín hiệu khác (điện áp, điện trở…). Sau đó các bộ phận xử lí trung tâm sẽ
thu nhận dạng tín hiệu điện trở hay điện áp đó để xử lí.
1.1. Một số cảm biến nhiệt độ trên thị trường
Phổ biến nhất của nhiệt điện trở kim loại là cảm biến nhiệt độ PT100.
PT100 được cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng
của đầu dị nhiệt. Can nhiệt Pt100- loại cảm biến Pt, được làm từ
Platinum.

Ưu điểm:

- Hoạt động ổn định
- Độ chính xác cao
- Khả năng chống bụi, ăn mòn tốt.
3


Nhược điểm:
- Giá thành cao, thời gian đáp ứng chậm
- Độ nhạy thấp khi nhiệt độ thấp
- Nhảy cảm rung sốc
Cảm biến LM35

Khoảng nhiệt độ đo được: -55°C đến 150°C
Giá thành rẻ chỉ từ 30k vậy nên không được bền, …
Phần II: Ý tưởng thiết kế
2.1.Ý tưởng thiết kế
Từ các kiến thức được học trong bộ môn Vi xử lý tại ĐH Công
Nghiệp với yêu cầu đo nhiệt độ và hiển thị lên LCD. Từ các yêu cầu trên
em xin trình bày đồ án của mình có tên: “Thiết bị đo nhiệt độ LM35”
Thiết bị cơ bản có những chức năng sau:
-

Đo được nhiệt độ phòng chuẩn xác;
Hiện thị lên màn LCD;
Có 2 nút ấn để đặt ngưỡng cảnh báo;
Có tín hiệu cảnh báo khi nhiệt độ cao;
Bật quạt làm mát khi nhiệt độ cao.
4

Phần III: Lựa chọn thiết bị
3.1. Thiết bị được sử dụng trong đồ án sẽ dùng các thiết bị sau
-

Cảm biến nhiệt độ LM35
Vi xử lý 8051
Bộ chuyển đổi ADC 0804
Bộ khuếch đại khơng đảo
Bóng led bulb sáng vàng CB01F0073
Quạt tản nhiệt 9x9x2.5cm 24VDC - HH004735
Màn Hình LCD 1602

Các thiết bị trên được lựa chọnn phù hợp với mục đích và giá thành trên
thị trường, đáp ứng đủ nhu cầu của đề tài.

LCD 1605

Phần IV: Sơ đồ khối

5


4.1 Các khối chức năng:
4.1.1 Khối cảm biến
Đầu tiên thiết bị đo cần có một khối thu thập tín hiệu nhiệt độ. Cảm biến
LM35:
-

Hiệu chuẩn trực tiếp theo oC
Điện áp hoạt động: 4-30VDC

Dòng điện tiêu thụ: khoảng 60uA
Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C
Khoảng nhiệt độ đo được: -55°C đến 150°C
Kiểu chân: TO92
Kích thước: 4.3 × 4.3mm

Cách mắc: nối chân +Vs với nguồn và chân GND nối với đất chân
OUTPUT nối với chân Vin+ của ADC0804.
4.1.2 Khối chuẩn hóa
6


Vì điện áp ra của LM35 nhỏ chỉ khoảng từ -0.05V -1.5 V nên ta cần
có khối chuẩn hóa tín hiệu để tăng điện dáp lên vài vôn để đưa vào bộ
chuyển đổi 0804.
IC khuyếc đại thuật tốn 741

Tín hiệu đầu ra của cảm biến nhiệt độ LM35 nhỏ chỉ từ khoảng
-0.05V đến 1,5V. Để đưa tín hiệu vi sai đầu ra về dải điện áp đầu vào của
ADC, thiết kế phải có hệ số khuếch đại vào khoảng 10 lần.
Vì vậy R2/R1 sấp xỉ 2.32
4.1.3 Khối ADC 0804

7


Ngay từ cái tên khối ADC0804 chuyển tín từ tín hiệu Analog sang tín
hiệu số có độ phân giải 8bit. Chip có điện áp ni là 5V.

4.1.4 Khối vi xử lý trung tâm

Thiết kế định hướng là một thiết bị thơng minh, do đó việc sử dụng
một con vi xử lý trung tâm nhằm đảm nhiệm các nhiệm vụ mềm dẻo
là lựa chọn phù hợp.
Vi xử lý 8051 là con vi xử lý đang được học tập và nghiên cứu nên
được lựa chọn.

Phương thức hoạt động như sau:
8


Tín hiệu nhiệt từ mơi trường được thu về qua cảm biến LM35. Đầu
ra cảu LM35 từ -0.05-1.5V được qua bộ khuếch đại hơng đảo lên cỡ vài
Vơn. Sau đó được chuyển sang tín hiệu số thơng qua con ADC0804. Tín
hiệu được đi vào vi xử lý trung tâm 8051. Tín hiệu được xử lúy và hiển
thị trên LCD, được lưu trữ trên máy tính. Khi quá nhiệt độ cho phép
LED báo động sẽ sáng và quạt sẽ được bật làm mát.
Phần V: phân tích và thiết kế thiết bị
Phần này bao gồm những nội dung sau:
- Tính tốn các thơng số của các tín hiệu
- Các thơng số cơ bản của các thiết bị
5.1 ADC0804
Cấp nguồn cho module ADC sử dụng +5V
Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ
được cấp tới chân CLK và CLK IN và khơng bé hơn 110µs.
5.2 IC khuếch đại thuật tốn 741
Tín hiệu đầu ra của cảm biến nhiệt độ LM35 nhỏ chỉ từ khoảng -0.05V
đến 1,5V. Để đưa tín hiệu vi sai đầu ra về dải điện áp đầu vào của ADC,
thiết kế phải có hệ số khuếch đại vào khoảng 3.32 lần.
Phương án đưa ra:
Sử dụng bộ thu thập tín hiệu điện tim dùng OPAMP và các bộ lọc RC.

Hình 5-2: Sơ đồ khối thu thập dùng OPAMP và các bộ lọc RC
Tín hiệu nhiệt độ được tiếp nhân nhờ cảm biến nhiệt độ LM35 tín
hiệu ra là điện áp. Sau đó được khuếch đại lên khoảng 3.32 lần nhờ IC

9


khuếch đại 741. Tín hiệu nhiệt độ đưa vào ADC0804 có biên độ lớn nhất
vào khoảng 0-1.5V.
5.3 lập trình đọc dữ liệu nhiệt độ sử dụng ADC0804 và LCD
Cùng với thiết kế bị được thiết kế như trên, đồ án triển khai các phần
mềm hỗ trợ đi kèm:
- Phần mềm Keil uVision 4
- Phần mềm mô phỏng Proteus
- Phần mềm thiết kế mạch điện tử ALTIUM DESIGNER18
Một số hàm của khối ADC:
unsigned char read_adc(void); // hàm đọc ADC
Một số hàm của khối LCD do nhà sản xuất cung cấp:
void lcd1602_enable(void);
void lcd1602_send_command (unsigned char c);
void lcd1602_init (void);
void lcd1602_gotoxy (unsigned char x, unsigned char y);
void lcd1602_clear(void);
void lcd1602_puts (char *s);

Phần VI: lưu đồ thuật toán
10

CBC và CBT là 2 ngưỡng đặt nhiệt độ với CBC = 50 độ C và CBT =
10 độ C. Khi nhiệt độ cao hơn mức CBC sẽ có cảnh báo từ đèn led và
quạt làm mát sẽ được kích hoạt.
Phần VI: Kết quả thực hiện
Mô phỏng trên phần mềm proteus về cơ bản thiết bị đáp ứng được
các yêu cầu của bài toán.

11


Hình 5.1 Mơ phỏng mơ hình trên proteus
Phần VII: Kết luận và phương hướng phát triển
Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ khác nhau, và việc lựa
chọn chúng thì phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: độ chính xác, khoảng
nhiệt, tốc độ phản ứng, mơi trường (hóa học, vật lý, hay điện) và giá
thành. Việc lựa chọn không hề dễ dàng mỗi cảm biến được sử dụng
trong một chuyên ngành riêng. Tuy nhiên đối với cảm biến trong đồ án
lần này sản phẩm “Thiết bị đo nhiệt độ LM35” có các ưu điểm sau:
+ giá thành rẻ, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt
+ Dải đo từ -50-150 độ C
+ Dễ chế tạo, mạch xử lý đơn giản giúp cho việc sản xuất số lượng lớn
trở nên dễ hơn.
12


Tuy nhiên có 1 số nhược điểm như:
+ Khơng chịu được nhiệt cao, kém bền;
Với những ưu diểm trên “Thiết bị đo nhiệt độ LM35” ứng dụng rất
tốt trong đo nhiệt độ khơng khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ mạch
điện tử. Chính vì vậy sản phẩm có thể ứng dụng rất nhiều trong đời sống

hẳng ngày với giá cả vô cùng phải chăng.
Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:
- Hoàn thiện nâng cao chất lượng mạch đo của thiết bị.
- Tiến hành lập trình các phần mềm giúp có thể điều khiển trên màn
hình cảm ứng hoặc tích hợp trên smart phone.
- Hồn thiện thiết kế về giao diện thiết bị.
- Kiểm tra so sánh chất lượng của thiết bị với các sản phẩm trên thị
trường.
- Nghiên cứu triển khai sản xuất hàng loạt.
Với những nghiên cứu đã thực hiện, rất mong nhận được sự ủng hộ
của các chuyên gia, tổ chức để giúp đỡ đề tài này trở thành một đề tài
thực sự hữu ích cho tất cả mọi người.

13