Thiết kế thiết bị đo thiết kế thiết bị đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt loại k đo 0 500

Lời mở đầu
Như chúng ta đã biết, nhiệt độ là một trong các thành vật lý quan trọng có
nhiều tác động đến đời sống con người. Việc thay đổi nhiệt độ tác động hay môi
trường xung quanh ảnh hưởng rất nhiều đến các q trình trình trong sản xuất
cơng nghiệp cũng như sinh hoạt hằng ngày. Chính vì vậy, trong hầu hết các lĩnh
vực hiện nay việc đo chính xác được nhiệt độ là điều rất cần thiết giúp con người
có thể đưa ra các giải pháp điều chỉnh hợp lý.
Hiện nay có rất nhiều cách để đo nhiệt độ khác nhau trong đó thơng dụng
và được sử dụng phổ biến nhất chính là cảm biến nhiệt. Đây là thiết bị được dùng
để đo sự biến đổi về nhiệt độ của các đại lượng cần đo. Khi nhiệt độ có sự thay
đổi thì các cảm biến sẽ đưa ra một tín hiệu và từ tín hiệu này các bộ đọc sẽ đọc
và quy ra thành nhiệt độ bằng một con số cụ thể. Các cảm biến nhiệt rất đa dạng
về chủng loại phù hợp với các mục đích và điều kiện sử dụng khác nhau.
Trên cơ sở môn học học Thiết kế thiết bị đo và qua các nguồn tài liệu tìm
hiểu được. Nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Thiết kế thiết bị đo nhiệt
độ sử dụng cặp nhiệt điện loại K” trong số các đề tài được giao.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy ThS. Đào Đức Thịnh đã góp ý và
hướng dẫn tận tình trong suốt q trình nhóm làm đề tài. Tuy nhiên do trình độ
kiến thức cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi cịn những thiếu sót. Nhóm em
rất mong nhận được sự phê bình và sửa chữa từ cơ để đề tài này hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày tháng năm 2022

3


Mục lục
Lời mở đầu......................................................................................................... 3
Mục lục............................................................................................................... 4
Danh mục hình vẽ .............................................................................................. 5
CHƯƠNG 1. Tổng quan đề tài ......................................................................... 6
1.1

Yêu cầu của đề tài .................................................................................... 6

1.2

Mục tiêu của đề tài................................................................................... 6

CHƯƠNG 2. Giới thiệu về cặp nhiệt điện loại K ............................................. 7
2.1

Cặp nhiệt điện là gì ? ............................................................................... 7

2.2

Ưu nhược điểm của cặp nhiệt điện ........................................................... 7

2.3

2.4

2.2.1

Ưu điểm .................................................................................... 7

2.2.2

Nhược điểm .............................................................................. 8

Các phương pháp bù nhiệt điểm lạnh ....................................................... 8
2.3.1

Đặt điểm lạnh trong nước đá 0 oC.............................................. 8

2.3.2

Đặt điểm lạnh ở nhiệt độ cố định biết trước ............................... 9

2.3.3

Đo nhiệt độ điểm lạnh ............................................................... 9

2.3.4

Tự động bù trực tuyến trong thiết bị đo ..................................... 9

Cặp nhiệt điện loại K ............................................................................. 10

CHƯƠNG 3. Thiết kế mạch và lựa chọn linh kiện ........................................ 12
3.1

Sơ đồ khối của mạch .............................................................................. 12

3.2

Thiết kế các khối và lựa chọn phần cứng ............................................... 12
3.2.1

Khối Amplifer ......................................................................... 12

3.2.2

Khối MCU và khối hiển thị ..................................................... 16

3.2.3

Khối nguồn ............................................................................. 19

CHƯƠNG 4. Thiết kế mạch bằng Altium và vẽ hộp ..................................... 22
4.1

Schematic .............................................................................................. 22

4.2

PCB ....................................................................................................... 22

4.3

Vẽ hộp ................................................................................................... 24

CHƯƠNG 5. Kết luận ..................................................................................... 26
5.1

Kết quả thu được.................................................................................... 26

5.2

Hướng phát triển .................................................................................... 26

4

Danh mục hình vẽ
Hình 2-1 Cấu tạo cặp nhiệt điện phổ biến nhất..................................................... 7
Hình 2-2 Mơ tả phương pháp đặt điểm lạnh trong nước đá 0 oC .......................... 9
Hình 2-3 Mô tả phương pháp đặt điểm lạnh trong hộp ......................................... 9
Hình 2-4 Mơ tả phương pháp đo nhiệt độ điểm lạnh ............................................ 9
Hình 2-5 Mơ tả phương pháp tự động bù nhiệt độ điểm lạnh bằng thiết bị đo .... 10
Hình 2-6 Cặp nhiệt loại K.................................................................................. 10
Hình 3-1 Sơ đồ khối của mạch ........................................................................... 12
Hình 3-2 Sơ đồ mạch của khối Amplifer ........................................................... 12
Hình 3-3 Điện trở dán 0603 ............................................................................... 14
Hình 3-4 IC opamp LM741 và sơ đồ chân của nó .............................................. 14
Hình 3-5 LM35 và sơ đồ chân ........................................................................... 15
Hình 3-6 Biến trở tam giác RM065 ................................................................... 15
Hình 3-7 Tụ dán 0805........................................................................................ 16
Hình 3-8 KF 2P ................................................................................................. 16
Hình 3-9 Sơ đồ mạch của khối MCU và khối hiển thị ........................................ 16
Hình 3-10 Sơ đồ chân của PIC16F877A ............................................................ 17
Hình 3-11 Sơ đồ khối ADC PIC16F877A.......................................................... 18
Hình 3-12 Thạch anh dán 20 MHz..................................................................... 18
Hình 3-13 Led 7 thanh 4 đoạn anot chung ......................................................... 19
Hình 3-14 Sơ đồ mạch khối nguồn .................................................................... 19
Hình 3-15 Máy biến áp 220/9V 1A.................................................................... 20
Hình 3-16 Cầu chì tự phục hổi PPTC SMD1812 12V 1,5A ............................... 20
Hình 3-17 LM7805 và LM7905......................................................................... 21
Hình 3-18 Tụ nhơm 1000uF 16V 10x10mm ...................................................... 21
Hình 4-1 Schematic của mạch thiết bị đo ........................................................... 22
Hình 4-2 PCB 2D .............................................................................................. 22
Hình 4-3 Lớp Top của mạch 3D ........................................................................ 23

Hình 4-4 Lớp Bot của mạch 3D ......................................................................... 23
Hình 4-5 Mặt trên của hộp ................................................................................. 24
Hình 4-6 Mặt bên phải hộp ................................................................................ 24
Hình 4-7 Mặt bên trái hộp ................................................................................. 25

5


CHƯƠNG 1. Tổng quan đề tài
1.1 Yêu cầu của đề tài
Với đề tài “Thiết kế thiết bị đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt loại K” của
nhóm có những yêu cầu sau.
- Bù nhiệt độ đầu tự do bằng LM35, dùng mạch cứng.
- Độ phân giải 1oC.
- Dải đo từ 0 – 500 oC.
- Sử dụng uC và hiển thị led 7 thanh 4 số.
- Thiết kế với giá trị và linh kiện có trên thị trường. Thiết kế đến mạch in của
thiết bị.
- Thiết kế vỏ của thiết bị.
1.2 Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu của nhóm đặt ra khi làm đề tài này là hồn thành mơn học và
thực hiện đề tài một cách tốt nhất có thể.
- Khi thực hiện đề tài sẽ giúp nhóm áp dụng được các kiến thức đã học để xử lý
và giải quyết yêu cầu đề ra.
- Có thêm các kinh nghiệm khi thiết kế mạch điện tử.

6


CHƯƠNG 2. Giới thiệu về cặp nhiệt điện loại K

2.1 Cặp nhiệt điện là gì ?
Cặp nhiệt điện (thermocouple) là cảm biến nhiệt mạch kín gồm 2 dây kim
loại khơng giống nhau được nối ở hai đầu. Một dòng điện được tạo ra khi nhiệt
độ ở một đầu hoặc điểm nối khác với nhiệt độ ở đầu kia. Hiện tượng này được
gọi là hiệu ứng Seebeck, là cơ sở để đo nhiệt độ cặp nhiệt điện.
Hiệu ứng Seebeck được phát hiện bởi nhà vật lý học người Đức Thomas
Johann Seebeck vào năm 1821. Theo ông, khi điểm kết nối của 2 dây được đặt
vào nơi có các nhiệt độ khác nhau, ở đó sẽ tạo ra sự dịch chuyển của các electron
do đó sẽ tạo ra một điện áp nhỏ tại đầu 2 dây hở. Điện áp này phụ thuộc vào
nhiệt độ và vật liệu của dây dẫn được sử dụng.
Theo hình 2-1, 2 dây của cặp nhiệt điện sẽ được hàn vào nhau tại 1 điểm
là điểm nóng (hot junction) tức là nơi dùng để đo nhiệt độ. Phần tiếp theo chính
là điểm lạnh (cold junction) là nơi mà điện áp/nhiệt độ đã được biết trước.
Khi người ta đưa điểm nóng vào nơi cần đo nhiệt độ, người ta thấy rằng khi nhiệt
độ tại đây tăng lên thì điện áp/nhiệt độ tại điểm lạnh cũng sẽ tăng khơng tuyến
tính. Khi người ta đo được điện áp/nhiệt độ tại điểm lạnh, ta sẽ tính ra được điện
áp/ nhiệt độ tại điểm nóng theo cơng thức
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝐻 − 𝑉𝐶 = 𝛼 . (𝑇𝐻 − 𝑇𝐶 )
𝛼 là hệ số Seekbeck

Hình 2-1 Cấu tạo cặp nhiệt điện phổ biến nhất

2.2 Ưu nhược điểm của cặp nhiệt điện
2.2.1 Ưu điểm
- Phạm vi nhiệt độ: Tùy thuộc vào dây kim loại được sử dụng, cặp nhiệt điện có
khả năng đo nhiệt độ trong khoảng –200oC đến + 2500oC. Phù hợp với hầu hết
các lĩnh vực cần đo nhiệt độ trong thực tế
- Bền: Cặp nhiệt điện là thiết bị chắc chắn, không bị sốc và rung động và thích
hợp để sử dụng trong mơi trường nguy hiểm.
- Phản ứng nhanh: Bởi vì chúng nhỏ và có cơng suất nhiệt thấp, các cặp nhiệt

điện phản ứng nhanh chóng với sự thay đổi nhiệt độ. Chúng có thể phản ứng với
nhiệt độ thay đổi nhanh chóng trong vịng vài trăm mili giây.
- Khơng tự phát nhiệt: Vì cặp nhiệt điện khơng cần nguồn điện kích thích nên
chúng khơng dễ tự phát nhiệt và về bản chất là an toàn.
7


2.2.2 Nhược điểm
- Mạch điều hịa tín hiệu phức tạp: Thực tế cặp nhiệt điện địi hỏi mạch điều hịa
tín hiệu được thiết kế chuẩn, tốt để tránh đưa ra các lỗi và làm giảm độ chính xác.
- Độ chính xác: Phép đo cặp nhiệt điện chỉ chính xác khi có thể đo nhiệt độ mối
nối tham chiếu.
- Tính dễ bị ăn mịn: Bởi vì cặp nhiệt điện bao gồm hai kim loại khác nhau, trong
một số môi trường, sự ăn mịn theo thời gian có thể làm giảm độ chính xác. Do
đó, chúng có thể cần được bảo vệ và bảo dưỡng thường xuyên.
- Tính nhạy cảm với tiếng ồn: Khi đo sự thay đổi tín hiệu mức vi điện tử, nhiễu
từ trường điện và từ trường lạc có thể là một vấn đề. Cặp dây xoắn của cặp nhiệt
điện có thể làm giảm đáng kể hiện tượng thu từ trường. Sử dụng cáp có vỏ bọc
hoặc dây dẫn chạy trong ống kim loại và có bảo vệ có thể làm giảm sự thu nhận
điện trường. Thiết bị đo phải cung cấp khả năng lọc tín hiệu, bằng phần cứng
hoặc bằng phần mềm, loại bỏ mạnh tần số đường truyền (50 Hz/60 Hz) và sóng
hài của nó.
2.3 Các phương pháp bù nhiệt điểm lạnh
Như trong hình 2-1, material A và material B là 2 loại vật liệu tạo nên cặp
nhiệt. Đầu nóng là điểm mà 2 loại vật liệu được hàn với nhau, và đó chính là
điểm đo nhiêt độ quá trình. Trong các điểm nối lạnh (điểm lạnh) cặp nhiệt điện
được kết nối với vôn kế được là bằng vật liệu khác, ở đây là đồng (copper).
Trong các kết nối này, điện áp/nhiệt độ được tạo ra vào đó là những thứ mà
chúng ta khơng muốn đo. Như chúng thấy trong hình trên, thực tế chúng ta đang
đo điện áp của 3 cặp nhiệt khác nhau được mắc nối tiếp với nhau. Rõ ràng là

chúng ta chỉ muốn đo điện áp/nhiệt độ tại điểm nóng (điểm đo) mà khơng phải là
2 điểm cịn lại.
Chính vì thế có các cách để loại bỏ và bù cho cặp nhiệt điện được tạo ra
tại các điểm lạnh.
2.3.1 Đặt điểm lạnh trong nước đá 0 oC
Theo nguyên tắc, điểm nối cặp nhiệt sẽ khơng tạo ra điện áp khi nó ở nhiệt
độ 0°C (32°F). Vì vậy chúng ta có thể đặt các điểm lạnh tại nhiệt độ đó ví dụ như
đặt trong nước đá hay bộ làm lạnh điều chỉnh nhiệt độ chính xác. Chúng ta có thể
kết nối cặp nhiệt bằng dây đẫn bằng đồng được đặt trong nước đá và khi đó điện
áp sẽ khơng được tạo ra tại mối nối. Do đó chúng ta khơng cần phải quan tâm
đến các mối nối tại điểm lạnh, các điểm này cần được đặt trong nước đá được
cách ly với nhau tránh rò rỉ và bị ăn mòn. Đây là một cách làm rất hiệu quả và
điều này thường được thực hiện trong phịng thí nghiệm hiệu chuẩn. Nó ít được
sử dùng trong các nhà máy vì việc tạo nhiệt độ 0 oC là khác phức tạp và tốn kém.

8


Hình 2-2 Mơ tả phương pháp đặt điểm lạnh trong nước đá 0 oC

2.3.2 Đặt điểm lạnh ở nhiệt độ cố định biết trước
Việc sử dụng nước đá là không thực tế, chúng ta cũng có thể đặt các kết
nối điểm lạnh ở một nhiệt độ đã biết và cố định chứ không cần phải cố gắng tạo
nhiệt độ 0°C ở điểm lạnh. Chúng ta có thể để các điểm lạnh trong một hộp kết
nối nhỏ có nhiệt độ đã biết và luôn được giữ cố định tại nhiệt độ đó. Thơng
thường nhiệt độ là cao hơn nhiệt độ mơi trường, do đó hộp này chỉ cần sấy và
khơng cần phải làm lạnh. Khi đã biết nhiệt độ tại điểm lạnh đang đặt ở đó và biết
loại cặp nhiệt đang sử dụng, chúng ta có thể tính tốn và bù lại điện áp cặp nhiệt
điện tại điểm lạnh.
Nhiều thiết bị đo hay bộ hiệu chuẩn nhiệt độ có chức năng mà chúng ta có

thể nhập nhiệt độ của điểm lạnh, khi đó thì thiết bị sẽ tự làm tất cả việc tính tốn
bù điểm lạnh.

Hình 2-3 Mơ tả phương pháp đặt điểm lạnh trong hộp

2.3.3 Đo nhiệt độ điểm lạnh
Nếu chúng ta không thể điều chỉnh nhiệt độ điểm lạnh như các phương
pháp trước, chúng ta có thể đo nhiệt độ điểm lạnh với một đầu đo nhiệt độ khác.
Sau đó có thể bù lại nhiệt độ do ảnh hưởng của điểm lạnh gây ra, nhưng việc bù
này khó khăn hơn các phương pháp khác do chúng ta cần phải đo nhiệt độ điểm
lạnh liên tục. Có nhiều loại cảm biến có sẵn giúp đo điểm lạnh như nhiệt điện trở
RTD, Thermistors…

Hình 2-4 Mơ tả phương pháp đo nhiệt độ điểm lạnh

2.3.4 Tự động bù trực tuyến trong thiết bị đo
Như đã nhắc đến trong phương pháp trên rằng rất khó trong việc tính tốn bù liên
tục cho cặp nhiệt. nhưng chúng ta có thể bỏ nó vào thiết bị đo để nó thực hiện tự
9


động. Thiết bị đo (transmitter, card đầu vào DCS hay bộ hiệu chuẩn nhiệt độ) có
thể đo nhiệt độ của điểm lạnh mọi lúc và tự động thực hiện bù điểm lạnh trực
tuyến vì thiết bị đo có thể biết được loại cặp nhiệt (chúng ta chọn nó trong menu)
nó có thể bù điểm lạnh tự động và liên tục. Đây là cách thiết thực và đơn giản
nhất để bù điểm lạnh trong các phép đo và hiệu chuẩn thông thường vì chúng ta
khơng cần quan tâm đến điểm lạnh và việc cần làm chỉ là cắm dây cặp nhiệt và
thiết bị.

Hình 2-5 Mơ tả phương pháp tự động bù nhiệt độ điểm lạnh bằng thiết bị đo

2.4 Cặp nhiệt điện loại K
Cặp nhiệt điện loại K là loại thermocouple được sử dụng phổ biến nhất
trong các nghành cơng nghiệp.

Hình 2-6 Cặp nhiệt loại K

Thông số kỹ thuật của cặp nhiệt điện loại K.
- Cấu tạo gồm 2 dây Chromel® gồm 90% niken và 10% crom; Alumel® là hợp
kim bao gồm 95% niken, 2% mangan, 2% nhôm và 1% silic.
- Chromel® là dây dương, Alumel® là dây âm.
- Loại K là một trong những cặp nhiệt điện phổ biến nhất với độ nhạy khoảng 41
μV/ºC.
- Không tốn kém, và phạm vi của nó là từ –270°C đến +1372°C (–454 °F đến
+2501 °F) và tương đối tuyến tính.
- Thành phần niken là từ tính, và như các kim loại từ tính khác, sẽ có độ lệch
trong đầu ra khi vật liệu đạt tới điểm Curie, xảy ra ở nhiệt độ 350°C (662°F) đối
10


với cặp nhiệt điện loại K. Điểm Curie là nơi vật liệu từ trải qua một sự thay đổi
đáng kể trong tính chất từ của nó và gây ra sự sai lệch lớn đến tín hiệu đầu ra.
- Hoạt động ở nồng độ oxy thấp gây ra một sự dị thường gọi là q trình oxy hóa
ưu tiên của crom trong dây dương gây ra tình trạng gọi là 'green rot' tạo ra các sai
lệch lớn nghiêm trọng nhất trong khoảng 816 đến 1038°C (1500 đến 1900°F).
Việc thơng gió hoặc bít kín ống bảo vệ có thể ngăn ngừa hoặc giảm nhẹ tình
trạng này.
- Chu kỳ trên và dưới 1000°C (1800°F) không được khuyến nghị do thay đổi đầu
ra từ các hiệu ứng trễ.
- Nó sử dụng được trong khơng khí oxy hóa liên tục hoặc khơng khí trung hịa

nhưng hư hỏng sớm khi tiếp xúc với lưu huỳnh.

11


CHƯƠNG 3. Thiết kế mạch và lựa chọn linh kiện
3.1 Sơ đồ khối của mạch

Hình 3-1 Sơ đồ khối của mạch

Điện áp rơi trên đầu nóng và lạnh của cặp nhiệt điện được đưa vào khối
mạch khuếch đại, điện áp ra sẽ đưa vào vào vi xử lí để chuyển dữ liệu ADC sang
dữ liệu nhiệt độ đo được trên thực tế và hiển thị giá trị đo được lên led 7 thanh.
3.2 Thiết kế các khối và lựa chọn phần cứng
3.2.1

Khối Amplifer

Hình 3-2 Sơ đồ mạch của khối Amplifer

Ở khối MCU nhóm dùng ADC 10 bit sử dụng điện áp tham chiếu 5V để
hiển thị 0 - 500°C, tương ứng với 10mV/°C. Cặp nhiệt điện loại K dải đo 0 500°C, hệ số Seekeck là 41 μV/ºC, trong điều kiện lý tưởng điểm lạnh bằng 0°C
sẽ có điện áp đầu ra là 0 – 0,0205V.

12


Mạch khuếch đại của nhóm sẽ thực hiện khuếch đại và bù nhiệt (sử dụng
cảm biến LM35) để đầu ra là 0 - 5V và 1 ºC ở đầu cặp nhiệt tương ứng với độ
nhạy điện áp là 10mV.

Vì độ nhạy của cặp nhiệt loại K là 41 μV/ºC và độ nhạy của LM35 là
10mV/°C nên độ lợi của khuếch đầu tiên ở IC1 được chọn theo cách sao cho độ
nhạy của hai cảm biến được tạo ra bằng nhau.
10. 10−3
= 243,9 ≈ 244
41. 10−6
IC1 sử dụng mạch khuếch đại khơng đảo có cơng thức là
𝑅2
𝑉𝑖𝑛 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 . (1 + )
𝑅1
𝐺1 = 244 nên nhóm chọn 𝑅1 = 100kΩ và 𝑅2 = 24,3kΩ.
Điện áp LM35 đi qua IC2 sử dụng mạch đệm điện áp với công thức
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 . Điện áp ra IC1 và IC2 là OUT1 và OUT2 đi vào IC3 sử dụng mạch
khuếch đại cộng đảo với công thức khi 𝑅3 = 𝑅4 = 𝑅5 là
𝐺1 =

𝑉𝑜𝑢𝑡 = − (𝑉𝑖𝑛1 + 𝑉𝑖𝑛2 )
Để xử lý dấu âm của điện áp ta cho đi qua IC4 sử dụng mạch khuếch đại
đảo có cơng thức là
𝑅7
𝑉𝑜𝑢𝑡 = −𝑉𝑖𝑛 . ( )
𝑅6
Vì chỉ cần chuyển dấu giá trị điện áp đầu ra IC3 nên 𝐺4 = 1 nhóm chọn
𝑅6 = 𝑅7 = 1kΩ, đồng thời chọn 𝑅3 = 𝑅4 = 𝑅5 = 10kΩ.
Nhóm sử dụng thêm các biến trở VR1 – 4 kết nối với chân 1 và 5 của IC
để điều chỉnh điện áp offset bằng 0. Giá trị các biến trở là 10kΩ.
Tín hiệu ra trước khi vào ADC trong vi xử lý sẽ qua bộ lọc 50Hz/60Hz.
Dòng tần số 50Hz/60Hz giúp loại bỏ nhiễu mạnh mẽ, khi tín hiệu đi qua bộ
khuếch đại chưa được loại bỏ hết nhiễu thì bộ lọc này sẽ giúp loại bỏ hết nhiễu
khỏi tín hiệu. Sử dụng cơng thức

1
𝑓=
2𝜋. 𝑅𝐶
Từ đó ta chọn các thơng số 𝑅16 = 100kΩ, C = 1uF, suy ra f = 1,6Hz.
❖ Loại điện trở được chọn trong mạch là điện trở dán 0603, đây là loại điện trở
có giá trị cố định với dung sai 1%, và chất lượng cao (nhiễu nhiệt nhỏ, đặc tính
tần cao). Được đóng gói theo chuẩn 0603 có kích thước nhỏ chỉ 1,6x0,8x0,4 mm.
Nhiệt độ hoạt động từ -55 ͦ C đến 155 ͦ C và dải điện áp rộng thích hợp với nhiều
mạch điện tử cần độ chính xác, hoạt động ổn định, bền với thời gian.

13


Hình 3-3 Điện trở dán 0603

❖ IC được dùng trong mạch là IC opamp LM741. Một số ưu điểm của nó như độ
lợi cao, tiêu thụ dịng điện thấp, điện áp cung cấp rộng và được bảo vệ quá tải từ
cả 2 phía đầu vào và đầu ra, giúp mạch bên trong IC không bị hư hao do quá tải.
Thông số kỹ thuật của LM741.
- Model: 8 chân xuyên lỗ.
- Số lượng kênh là 1.
- Điện áp cung cấp tối thiểu là ± 5V và tối đa là ± 18V
- Công suất cực đại là 500mW.
- Dải nhiệt độ hoạt động là -50 ºC đến 125 ºC.
- CMRR là 95 dB.

Hình 3-4 IC opamp LM741 và sơ đồ chân của nó

Chân
Chức năng

1
Chân offset 1 dùng để điều chỉnh điện áp bù đầu vào
2
Đầu vào đảo
3
Đầu vào không đảo
4
Chân cấp nguồn điện một chiều âm
5
Chân offset 2 dùng để điều chỉnh điện áp bù đầu vào
6
Chân điện áp đầu ra
7
Chân cấp nguồn điện một chiều dương
8
Chân này không kết nối
❖ LM35 là cảm biến nhiệt có điện áp Analog đầu ra tuyến tính theo nhiệt độ
14


thường được sử dụng để đo nhiệt độ của môi trường hoặc theo dõi nhiệt độ của
thiết bị...
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động: 4-20VDC
- Công suất tiêu thụ: khoảng 60uA
- Khoảng đo: -55°C đến 150°C
- Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C
- Sai số: 0.25°C
- Kiểu chân: TO92
- Kích thước: 4.3 × 4.3mm

Hình 3-5 LM35 và sơ đồ chân

❖ Biến trở được dùng trong mạch là biến trở tam giác RM065 10k.

Hình 3-6 Biến trở tam giác RM065

❖ Tụ điện được dùng trong mạch là tụ dán 0805. Đây là loại tụ điện có sai số
nhỏ ± 5% và có điện dung cố định trong khoảng từ 1pF đến 10uF, hoạt động cở
mức điện áp tối đa là 50V. Kích thước của tụ là 2x1.25mm, phù hợp cho các
mạch điện tử kích thước nhỏ.
15


Hình 3-7 Tụ dán 0805

❖ 2 dây của cặp nhiệt điện được nối vào đầu nối Domino 2P vặn ốc.

Hình 3-8 KF 2P

3.2.2

Khối MCU và khối hiển thị

Hình 3-9 Sơ đồ mạch của khối MCU và khối hiển thị
16


Như đã nói ở trên, vì dải đo là 0 - 500°C, độ phân dải 1°C nên chọn ADC
10 bit với điện áp tham chiếu là 5V. Nhóm lập trình để khi điện áp vào thay đổi

10mV sẽ tương ứng với thay đổi 1°C được hiển thị ra led 7 thanh.
❖ Nhóm chọn PIC16F877A vì có ADC nội 10 bit (8 kênh) sử dụng điện áp tham
chiếu của vi xử lý là 5V. Bộ chuyển đổi ADC này cịn có thể hoạt động khi vi xử
lý ở chế độ ngủ. Để hoạt động được thì đồng hồ của ADC phải được lấy từ bộ
dao động RC bên trong của ADC.
Thời gian chuyển đổi của bộ ADC tối thiểu là 11*TAD với TAD là chu kỳ
của nguồn xung clock cấp cho ADC. Điện áp tham chiếu có thể lựa chọn
VDD,VSS hay điện thế được xác lập trên 2 chân RA2, RA3.
Thông số kỹ thuật của PIC16F877A.
- Điện áp hoạt động 4V - 5.5V
- Nhiệt độ hoạt động: -40°C - 85°C.
- Tần số: 20MHz.
- Tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit.
- 8K x 14 bits/word Flash ROM, 368 x 8 Bytes RAM, 256 x 8 Bytes EEPROM.
- 5 Port xuất/nhập (A, B, C, D, E) tương ứng 33 chân ra…

Hình 3-10 Sơ đồ chân của PIC16F877A

17


Hình 3-11 Sơ đồ khối ADC PIC16F877A

Điện tham chiếu trong mạch của nhóm chọn là VDD, VSS. Đồng thời có
thêm 2 tụ dán 0805 là 𝐶9 = 𝐶10 = 100pF để tăng chất lượng của nguồn, giảm
sai số. Nhóm tính được điện áp ra qua khối Amplifer với nhiệt độ max dải đo
500°C (đã bù) là 5.0018 sai số so với giá trị cần 5V là 0.0018. Tuy nhiên do
ADC nhạy 10mV/°C nên sai số này không làm ảnh hưởng đến giá trị hiển thị ra
ngoài led 7 thanh.
Dùng điện trở 𝑅8 − 𝑅15 = 330kΩ để hạn dòng vào led.

❖ Thạch anh ngoài được dùng trong mạch là thạch anh dán 20MHz. Đi kèm là 2
tụ dán 0805 𝐶11 = 𝐶12 = 22pF.

Hình 3-12 Thạch anh dán 20 MHz
18


❖ Led 7 thanh được dùng trong mạch là led 7 thanh 4 đoạn anot chung, màu đỏ
12 chân. Điện áp rơi trên LED là 2.2V. Dòng tối đa chạy qua mỗi LED là 25mA.

Hình 3-13 Led 7 thanh 4 đoạn anot chung

3.2.3

Khối nguồn

Hình 3-14 Sơ đồ mạch khối nguồn

Nguồn được được sử dụng là nguồn 5V được biến đổi từ dòng 220VAC.
Đầu tiên ta cho 220VAC qua biến áp hạ áp để được 9VAC, rồi qua mạch cầu để
chỉnh lưu thành nguồn 1 chiều. Sau đó ta cho qua các IC hạ áp 5V để có được
nguồn +5V và -5V. Dòng ra của mạch dao động từ 500mA đến 1A. Sau biến trở
có thêm cầu chì để bảo vệ mạch.
Lựa chọn các tụ điện dán 0805 𝐶1 = 𝐶5 = 0.1uF được dùng để lọc nhiễu
cao tần và lọc nguồn sau ổn áp. Các tụ nhôm 𝐶2 = 𝐶3 = 1000uF để lọc nguồn ở
đầu vào và 𝐶4 = 𝐶8 = 0.1uF, 𝐶3 = 𝐶7 = 1000 uF để lọc nguồn đầu ra.
❖ 2 đầu dây từ phích cắm 220V được nối vào đầu nối Domino 2P vặn ốc như
hình trên.
❖ Máy biến áp được dùng trong mạch là 220V/9V 1A

19


Hình 3-15 Máy biến áp 220/9V 1A

❖ Cầu chì được dùng là cầu chì dán tự phục hồi 12V, 1,5A. Hoạt động ở nhiệt
độ -40°C – 85°C. Cơng suất

Hình 3-16 Cầu chì tự phục hổi PPTC SMD1812 12V 1,5A

❖ IC ổn áp được dùng trong mạch là LM7805 để tạo điện áp dương và LM7905
để tạo điện áp âm. 2 IC đều được tản nhiệt bằng nhôm.
Thông số kỹ thuật LM7805
- Điện áp đầu vào: lên đến 30V.
- Điện áp đầu ra: 5V.
- Dòng điện đầu ra: 1,5A.
- Nhiệt độ hoạt động: - 40 đến 150°C.
Thông số kỹ thuật LM7905
- Điện áp đầu vào: -35VDC.
- Điện áp đầu ra: -5VDC.
- Dòng điện cực đại: 1,5A.
- Dải nhiệt độ hoạt động: -40 đến 80°C.

20


Hình 3-17 LM7805 và LM7905

❖ Tụ nhơm được dùng trong mạch là tụ nhơm dán 1000uF 16V 10x10mm.

Hình 3-18 Tụ nhôm 1000uF 16V 10x10mm

21


CHƯƠNG 4. Thiết kế mạch bằng Altium và vẽ hộp
4.1 Schematic

Hình 4-1 Schematic của mạch thiết bị đo

4.2 PCB

Hình 4-2 PCB 2D
22


Hình 4-3 Lớp Top của mạch 3D

Hình 4-4 Lớp Bot của mạch 3D
23


Mạch được nhóm thiết kế bằng Altium 16 có kích thước 12,7x10,5cm,
được đục lỗ 4 cạnh để gắn thêm cột.
4.3 Vẽ hộp

Hình 4-5 Mặt trên của hộp

Hình 4-6 Mặt bên phải hộp

24


Hình 4-7 Mặt bên trái hộp

Nhóm thiết kế hộp bằng SketchUp web với kích thước hộp là 15x13x7
cm, độ dày thành hộp là 5mm, nắp hộp có thể tháo rời và vít lại bằng 4 lỗ trên
mặt hộp. Bên trong hộp chứa tồn bộ mạch, 2 bên hộp có đục lỗ để domino 2P có
thể kết nối ra ngồi và mặt hộp có thể quan sát được led 7 thanh của mạch.

25


CHƯƠNG 5. Kết luận
5.1 Kết quả thu được
Với đề tài “Thiết kế thiết bị đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt điện loại K”
nhóm đã thu được các kết quả sau.
- Vận dụng các kiến thức đã học vào thiết kế mạch.
- Biết các phân tích, tư duy và thiết kế mạch đo cho cảm biến.
- Nắm được các kiến thức và cách tính tốn về các linh kiện điện tử đã sử dụng.
- Có thêm kinh nghiệm bổ ích.
- Cải thiện kỹ năng làm việc nhóm.
- Nâng cao kỹ năng vẽ mạch trên Altium và thiết kế hộp trên SketchUp.
5.2 Hướng phát triển
Do kiến thức còn hạn chế nên đề tài của nhóm cịn nhiều thiếu sót. Đề tài
của nhóm có thể phát triển như
- Cải thiện các cơng thức tính tốn,
- Mở rộng tính tốn thêm các sai số của các linh kiện sử dụng trong mạch
- Tối ưu mạch hơn nữa.
- Tối ưu và thu nhỏ kích thước PCB.

- Tối ưu hộp.
- Làm thành mạch hoàn chỉnh trong thực tế…
Chúng em rất mong nhận được sự góp ý từ thầy để đề tài này có thể hồn
thiện hơn nữa trong tương lai.

26