Doanmonhocvxl.pdf

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.46 MB, 49 trang )

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 3
PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ ............................................................... 4
PHẦN II: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ ............................... 5
VÀ ĐỘ ẨM .......................................................................................................................... 5
I. Hệ thống đo lường ........................................................................................................... 5
1.1. Giới thiệu chung .......................................................................................................... 5
1.2. Hệ thống đo lường số ................................................................................................... 6
1.2.1. Sơ đồ khối .................................................................................................................. 6
1.2.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................................. 6
II. Các phương pháp đo nhiệt độ và độ ẩm...................................................................... 7
2.1. Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp ............................................................ 7
2.1.1 Đo trực tiếp................................................................................................................. 8
2.1.2 Đo gián tiếp ................................................................................................................ 8
2.1.3 Các loại cảm biến nhiệt độ ...................................................................................... 11
2.2. Đo độ ẩm ..................................................................................................................... 16
2.2.1 Giới thiệu .................................................................................................................. 16
2.2.2. Các loại đo cảm biến thông dụng .......................................................................... 18
PHẦN III: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ............................................................................ 21
3.1 Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................................... 21
3.2. Vi điều khiển 89S52 ................................................................................................... 22
3.2.1. Sơ đồ......................................................................................................................... 22
3.2.2. Các chân và chức năng của từng chân trên AT89S52 ........................................ 22
3.2.2.1 Các Port ................................................................................................................. 23

1

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

3.2.2.2. Các ngõ tín hiệu điều khiển ................................................................................ 23
3.3. LCD ............................................................................................................................. 24
3.3.1. Cấu tạo và chức năng ............................................................................................. 25
3.4. Cảm biến DHT11 ....................................................................................................... 27
3.4.1 Các thông số kỹ thuật của DHT11 ......................................................................... 27
3.4.2. Nguyên lý hoạt động ............................................................................................... 27
3.4.3 Sơ đồ kết nối với vi điều khiển ............................................................................... 30
3.5. Relay ........................................................................................................................... 30
3.5.1 Chức năng các chân của relay ................................................................................ 31
3.5.2. Các thông số của Rơle 5V ...................................................................................... 31
3.5.3. Ứng dụng của rơle .................................................................................................. 32
3.5.4 Sơ đồ vi điều khiển kết nối relay ............................................................................ 32
3.6 Khối cấp nguồn ........................................................................................................... 32
3.7. Khối tạo dao động và khối vi điều khiển ................................................................. 33
3.8 Sơ đồ nguyên lý tổng thể của hệ thống ..................................................................... 34
PHẦN IV: THIẾT KẾ PHẦN MỀM .............................................................................. 35
4.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình vi điều khiển ........................................................ 35
4.2 Lưu đồ thuật toán đọc dữ liệu cảm biến................................................................... 36
4.3 Bản vẽ mạch in ............................................................................................................ 37
4.4 Code vi điều khiển ..................................................................................................... 38
PHẦN V: KẾT QUẢ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................... 47
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 48
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN .................................................................................... 49

2

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

LỜI MỞ ĐẦU

Thiết bị và công nghệ luôn được đổi mới tiên tiến hiện đại để góp phần nâng cao chất
lượng cũng như các máy móc, thiết bị hoạt động có hiệu quả, an toàn ổn định. Ngày nay
các bộ vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật và
đời sống xã hội, đặc biệt là trong kỹ thuật tự động hóa và điều khiển từ xa.
Giờ đây với nhu cầu chuyên dụng hóa, tối ưu (thời gian, không gian, giá thành) bảo
mật, tính chủ động trong công việc...ngày càng đòi hỏi khắt khe việc đưa ra công nghệ mới
trong lĩnh vực chế tạo mạch điện tử để đáp ứng những nhu cầu trên là hoàn toàn cấp thiết
mang tính thực tế cao.
Kỹ thuật vi điều khiển hiện nay rất phát triển, nó được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh
vực sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, trong dân dụng và còn nhiều lĩnh vực khác nữa.
Kỹ thuật vi xử lý ngày càng được tích hợp nhỏ gọn hơn và có khả năng lập trình được để
điều khiển nên rất tiện dụng và cơ động.
Nhóm em được giao đề tài “ Thiết kế mạch điều khiển đo và ổn định nhiệt độ độ
ẩm môi trường” do cô Bùi Thị Duyên hướng dẫn. Việc đo độ ẩm và nhiệt độ môi trường
có nhiều ứng dụng rất thực tiễn đối với đời sống của con người như: trồng cây trong nhà
kính, đo nhiệt độ lò đốt,... trong đồ án chúng em còn nhiều thiếu sót mong được các thầy
cô chỉ bảo nhiều hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

Sinh viên thực hiện

3

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ
Trong ứng dụng hàng ngày, nhu cầu theo dõi nhiệt độ và độ ẩm ngày càng trở nên
phổ biến và thiết thực và sử dụng trong: Sản xuất chế biến nông nghiệp, hiển thị và thực thi
điều khiển (quạt gió, máy sấy, điều hòa,... hay báo đợng) Datalog dữ liệu về môi trường tại
một khu vực... Theo dõi môi trường, chế độ làm việc của một số các dây chùn, thiết bị
có u cầu cao.
Nhiệt đợ và đợ ẩm là ́u tớ ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của vật chất và môi
trường sống. Trong công nghiệp sản xuất và trong lĩnh vực đo lường điều khiển, quá trình
đo và xử lí nhiệt đợ, đợ ẩm giữ mợt vai trò quan trọng. Trong các thiết bị đó có các thiết bị
đòi hỏi về cảm biến đo và điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm của không khí như điều hịa, ch́ng
báo cháy, lò vi sóng…
Ở đồ án này, chúng em nhận được đề tài thiết kế “Mạch đo và điều khiển ổn định
nhiệt độ và độ ẩm cho môi trường, dùng cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và đo độ ẩm ” với
nhiệm vụ:
+ Dải đo nhiệt độ từ 200 𝐶 − 40𝑜 𝐶
+ Dải độ ẩm từ 70% - 80%
+ Hiển thị lên màn hình LCD
+ Dữ liệu được đem so sánh với giá trị đặt từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển cho các thiết bị
nhằm ổn định nhiệt độ độ ẩm phù hợp với yêu cầu.

Đây cũng là một trong những đề tài rất sát với thực tế, mang tính ứng dụng thực tiễn rất
cao. Trong đồ án chắc hẳn cịn nhiều sai sót, chúng em xin cảm ơn sự hướng dẫn của cô
Bùi Thị Duyên đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này.
Hà Nội, ngày … tháng …. năm 2019

4

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

PHẦN II: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ
VÀ ĐỘ ẨM
I. Hệ thống đo lường
1.1. Giới thiệu chung
Để thực hiện phép đo nào đó của một đại lượng nào đó thì tùy tḥc vào đặc tính
của đại lượng cần đo, điều kiện đó, cũng như độ chính xác theo u cầu của mợt phép đo
mà ta có thể thực hiện đo bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của các hệ thống đo lường
khác nhau.

Khối
chuyển
đổi đo

Mạch
đo

Khới
chỉ thị

Hình 1.1: Sơ đồ khối của một hệ thống đo lường tổng quát
- Khối chuyển đổi: làm nhiệm vụ nhận trực tiếp các đại lượng vật lí đặc trưng cho đối tượng
cần đo, biến đổi các đại lượng thành các đại lượng vật lí thớng nhất (dòng điện hoặc điện
áp) để tḥn lợi cho việc tính tốn.
- Mạch đo: có nhiệm vụ tính tốn biến đởi tín hiệu nhận được từ bộ chuyển đổi sao cho phù
hợp với yêu cầu thể hiện kết quả đo của bộ chỉ thị.
- Khới chỉ thị: làm nhiệm vụ biến đởi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để thể hiện kết
quả đo.

5

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

1.2. Hệ thống đo lường số
1.2.1. Sơ đồ khối

Hình 1.2: Sơ đồ khối của hệ thống đo lường số
1.2.2. Nguyên lý hoạt động
Đối tượng cần đo là đại lượng vật lí, dựa vào các đặc tính của đại lượng cần đo mà
ta chọn một loại cảm biến phù hợp để biến đổi thong số đại lượng vật lí cần đo thành đại
lượng điện, đưa vào mạch chế biến tín hiệu ( gồm: bợ cảm biến, hệ thớng kh́ch đại, xử lí
tín hiệu).
Bợ chủn đởi tín hiệu ADC ( Analog Digital Converter) làm nhiệm vụ chủn đởi
tín hiệu tương tự sang tín hiệu sớ và kết nới với vi xử lí.
Bợ dồn kênh tương tự và bợ chủn đổi ADC được dung chung cho tất cả các kênh. Dự
liệu nhập vào vi xử lí sẽ có tín hiệu chọn đúng kênh cần xử lí để đưa vào bộ chuyển đổi

ADC và đọc đúng giá trị đặc trưng của nó qua tính toán để có kết quả đại lượng cần đo.

6

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

II. Các phương pháp đo nhiệt độ và độ ẩm
2.1. Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp
Nhiệt độ là một đại lượng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng của hầu hết các quy
trình cơng nghệ. Vì vậy thiết bị đo tồn tại ở mọi nơi trong đời sống và kỹ thuật.
Nhiệt độ là đại lượng vật lý biểu thị mức đợ nóng lạnh của vật thể và môi trường. Giá
trị nhiệt độ đặc trưng chi năng lượng đợng học trung bình chủn đợng của các phần tử vật
chất. Nó là mợt trong những thơng sớ trạng thái của nhiệt.
Đo là phạm trù khoa học. Nó là quá trình xác định giá trị của một đại lượng bằng cách
so sánh giá trị đó với giá trị chuẩn được gọi là đơn vị đo, để xác đinh chỉ số đo theo công
thức sau :
𝑛=

Trong đó :

𝑄
𝑞

(2.1)

Q - là giá trị cần đo
q - là giá trị đơn vị đo

n - là chỉ số đo

Do vậy chỉ số đo n không chỉ phụ thuộc vào giá trị cần đo Q mà còn phụ thuộc vào
giá trị đơn vị đo q. Trên thế giới đơn vị đo chuẩn được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là hệ
SI
Do bản chất của quá trình đo là xác định bản chất giá trị của một đại lượng. Tuy
nhiên, bất cứ kết quả đo nào cũng chỉ là tương đới, đợ chính xác của phép đo được thông
qua giá trị được gọi là sai số đo. Nó là giá trị thể hiện sự sai lệch giữa giá trị đo được và giá
trị chuẩn của đại lượng cần đo. Sai số thường có dưới hai dạng là: sai số tương đối và sai
số tuyệt đối:
Sai số tuyệt đối ∆n là hiệu số giữa giá trị thực N và giá trị đo được n của đại lượng
cần đo được xác định theo công thức:
∆n = N- n

(2.2)

7

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

Sai số tương đối là tỷ số giữa giá trị sai số tuyệt đối ∆n so với giá trị thực N biểu diễn
dưới dạng:
𝛿𝑛 =

∆𝑛
𝑁

(2.3)

Giá trị sai số tương đối thường được biểu diễn dưới dạng tỉ số phần trăm:
δ% = δn. 100%

(2.4)

Phương pháp đo được chia làm hai loại chính: phương pháp đo trực tiếp và phương
pháp đo gián tiếp.
2.1.1 Đo trực tiếp
Là giá trị đại lượng cần đo được so sánh trực tiếp với đơn vị đo để xác định chỉ số đo.
Phương pháp đo này có đợ chính xác khơng cao vì bị giới hạn bởi đơn vị đo nhỏ nhất và
khả năng nhận biết của người đo đồng thời khơng có khả năng tự đợng hóa
2.1.2 Đo gián tiếp
Trong cơng nghiệp thì thường sử dụng phương pháp đo gián tiếp. Trong phương pháp
này giá trị đại lượng cần đo không được so sánh trực tiếp với đơn vị đo mà chuyển sang
dạng tín hiệu khác, thiết bị thực hiện chức năng chuyển đổi này được gọi là cảm biến đo
(CBD). Tín hiệu ra của cảm biến đo được truyền đến thiết bị thứ cấp để gia cơng so sánh
với tín hiệu đơn vị và xác định chỉ số đo n. Thiết bị thứ cấp thực hiện công đoạn này được
gọi là thiết bị chỉ thị đo (CTD):
Q

y

n

CBD

CTD

yq

Hình 2.1: Hệ thống đo cơng nghiệp

8

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển
Trong đó:

-

CBD: là cảm biến đo

-

CTD: là chỉ thị đo

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

Như vậy để nghiên cứu hệ thống đo công nghiệp phải tiến hành nghiên cứu từng thành
phần của nó. Đặc trưng cơ bản của cảm biến đo là mới liên hệ giữa tín hiệu ra y và tín hiệu
vào Q của nó được mô tả bởi công thức y=f(Q) hay dưới dạng bảng giá trị. CBD được đánh
giá là hồn hảo nhất khi mới liên hệ y=f(Q) là tún tính dạng: y=KQ với K là hệ sớ. Đặc
tính động học của CBD cũng là một đặc trưng cơ bản của nó. Đặc tính này biểu thị dải tần
sớ làm việc của CBD. Nếu tần sớ tín hiệu đo nằm ngồi giới hạn làm việc thì sẽ gây ra sai
sớ đợng. Tính già hóa và t̉i thọ làm việc CBD đặc trưng cho khả năng kéo dài thời gian
làm việc tin cậy của nó. Khi thời gian làm việc vượt ra khỏi giới hạn thì sẽ tồn tại sai sớ
phụ do già hóa. Thiết bị chỉ thị đo thực hiện chức năng gia công số liệu nhận được từ CBD
để xác định giá trị chỉ số đo và hiển thị chỉ số đo đã xác định. Phụ thuộc vào phương pháp

gia công số liệu và hiển thị kết quả đo mà hệ thống đo được phân loại thành đo liên tục và
đo số. Trong hệ thống đo liên tục thì giá trị chỉ sớ đo được hiển thị bằng kim trên thang chia
độ. Đặc trưng cơ bản của thiết bị CTD liên tục là tốc độ dịch chuyển của kim trên thang
chia đợ, giới hạn đo và đợ chính xác của kết quả hiển thị. Tốc độ dịch chuyển của kim trên
thang chia độ là giá trị đặc trưng tần số giới hạn làm việc của CTD. Sai số của CTD được
đặc trưng bằng đại lượng được gọi cấp chính xác của thiết bị. Cấp chính xác là giá trị tính
bằng tỷ lệ phần trăm của giá trị sai số cực đại so với giá trị thang đo theo cơng thức:
𝐾=

Trong đó:

𝛥𝑛𝑚𝑎𝑥
𝑛𝑚𝑎𝑥 − 𝑛𝑚𝑖𝑛 × 100%

K - Cấp chính xác của thiết bị
𝛥𝑛𝑚𝑎𝑥 - Giá trị sai số cực đại
nmax

- Giới hạn trên của thang đo

nmin

- Giới hạn dưới của thang đo

9

(2.5)

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Dun

Cấp chính xác phụ tḥc vào khả năng chế tạo của thiết bị vì vậy thiết bị có cấp chính
xác càng cao thì càng đắt tiền, cấp chính xác cao nhất là 0,001. Các thiết bị CTD được chế
tạo với cấp chính xác chọn trong dãy sau:
k = (1 ; 1,5 ; 2 ; 2,5 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6).10n

với n = 1 ; 0 ; -1 ; -2 ; -3.

Đợ chính xác của thiết bị CTD Δnmax không chỉ phụ thuộc vào cấp chính xác K mà
cả giới hạn thang đo. Vì vậy đợ chính xác của phép đo sẽ được nâng cao nếu chọn thang đo
thích hợp.
Kết quả đo trong hệ thớng đo số được hiển thị trên bảng số các số này có thể là sợi
đớt được ́n thành hình các con số trong đèn chân không hay số bảy thanh bằng điot phát
quang hoặc tinh thể lỏng đặc trưng cơ bản của CTD bằng số (hệ thống đo số) là chu kì lấy
mẫu và sớ lượng chữ sớ hiển thị trong dãy số. Chu kỳ lấy mẫu là khoảng thời gian cần thiết
để thiết bị thực hiện các thao tác: rời rạc hố tín hiệu liên tục, lượng tử hố, mã hố và hiển
thị kết quả lên bảng sớ. Chu kỳ lấy mẫu là đại lượng biểu thị giới hạn tần sớ tín hiệu liên
tục mà thiết bị đo có thể sử dụng để đo bảo đảm đợ chính xác. Sớ lượng dãy sớ hiển thị đặc
trưng đợ chính xác của kết quả hiển thị. Sai số tuyệt đối của hiển thị được tính bằng mợt
nửa mức thay đởi của chữ số bậc thấp nhất trong dãy số.
Trong nhiều hệ thớng đo cơng nghiệp hiện nay ngồi CBD và CTD cịn tồn tại thiết
bị được gọi là chủn đởi đo (CDD) được ghép nối xen giữa CBD vàCTD. Sơ đồ của hệ
thớng này được mơ tả trong hình:

Q

y
CBD

CDD

y1

CDDn

yn

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống đo hiện đại
Trong đó:
-

CDD là chuyển đổi đo

-

CTD là chỉ thị đo

-

CBD là cảm biến đo

10

CTD

n

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Dun

Vai trị của chủn đởi đo là chuyển tín hiệu từ dạng này sang dạng khác cần thiết để
thực hiện thao tác tiếp theo: lấy ví dụ, chủn đởi tín hiệu ra khơng điện của CBD sang tín
hiệu điện, chủn đởi tín hiệu điện áp sang dòng điện hoặc ngược lại v.v… Mới liên hệ
giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của các CDD được mơ tả bằng hàm tuyến tính. Đặc trưng
cơ bản của chuyển đổi đo là độ nhạy và ngưỡng độ nhạy. Giới hạn của chuyển đổi đo phải
luôn luôn đảm bảo yêu cầu cần thiết. Sai số cơ bản của chuyển đổi đo được biểu diễn dưới
dạng cấp chính xác tương tự như thiết bị CTD.
Như vậy, hệ thống đo công nghiệp thường gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau là:
CBD, các CDD và thiết bị CTD. Chỉ tiêu quan trọng nhất ở đây là phải đánh giá được sai
số của kết quả đo. Để xác định sai số đo của hệ thống, trước hết phải xác định được sai số
của từng thiết bị bao gồm sai số cơ bản và sai số phụ.
Sai số của hệ thống được xác định theo công thức:
(2.6)

𝑘

∆𝑛 = √∑ ∆2𝑖
𝑖=1

Trong đó: Δn – Sai số của hệ thống.
Δi – Sai số của thiết bị thứ i
k – Số lượng thiết bị trong hệ thống.
Các thiết bị đo công nghiệp thường được trang bị những cơ cấu để ghi lại các kết quả
đo trong thiết bị đo liên tục các kết quả thường được ghi trên đĩa.
2.1.3 Các loại cảm biến nhiệt độ
– Cặp nhiệt điện (Thermocouple).

– Nhiệt điện trở (RTD-resitance temperature detector).
– Thermistor.
– Bán dẫn (Diode, IC,….).
– Ngồi ra cịn có loại đo nhiệt không tiếp xúc (hỏa kế- Pyrometer). Dùng hồng ngoại hay
lazer.

11

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

a.Cặp nhiệt điện (Thermocouples).
Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính mợt đầu.
Ngun lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV).
Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy khơng cao.
Thường dùng: Lị nhiệt, mơi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

Hình 2.3 Cấu tạo của Thermocouples
Cấu tạo của Thermocouples gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là
đầu nóng (hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn). Khi có sự chênh
lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh.
Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn
vào chất liệu.
Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bợ điều khiển, ́u tớ dẫn đến khơng
chính xác là chỗ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó.
Lưu ý khi sử dụng:
– Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này cần lưu ý là khơng nên nới thêm

dây (vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều). Cọng dây của cảm biến nên để
thơng thống (khơng cho cọng dây này dính vào môi trường đo). Cuối cùng là kiểm tra tín
hiệu chuẩn đầu ra.
– Vì tín hiệu cho ra là điện áp (có cực âm và dương) do vậy cần chú ý kí hiệu để lắp đặt
vào bộ khuếch đại cho đúng.

12

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

b. Thermistor
Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…
Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo.
Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.
Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây đợng cơ, mạch điện tử.

Hình 2.4: Cấu tạo Thermistor.
Thermistor được cấu tạo từ hỗn hợp các bột ocid. Các bột này được hòa trộn theo
tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ
dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.
Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC (positive temperature coefficient);
Hệ số nhiệt âm NTC (negative temperature coefficient). Thường dùng nhất là loại NTC.
Thermistor chỉ tún tính trong khoảng nhiệt đợ nhất định do vậy người ta ít dùng
để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt.
Lưu ý khi sử dụng:
– Tùy vào nhiệt đợ mơi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC

và NTC. Có thể thử dễ dàng với đồng hồ vạn năng.
– Nên ép chặt vào bề mặt cần đo.
– Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ.
– Vì biến thiên điện trở nên khơng quan tâm chiều đấu dây.
c. Bán dẫn

13

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.
Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.
Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
Thường dùng: Đo nhiệt đợ khơng khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.

Hình 2.5: Cấu tạo của bán dẫn
- Cấu tạo bán dẫn :
Cảm biến nhiệt bán dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn.
Có các loại như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý của chúng là dựa trên mức đợ phân cực
của các lớp P-N tún tính với nhiệt độ môi trường. Ngày nay với sự phát triển của ngành
công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu
điểm: Đợ chính xác cao, chớng nhiễu tớt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẻ
tiền, ….
Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode (hình dáng tương tự Pt100),
các loại IC như: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra
điện áp thay đổi. Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch. IC Cảm

biến nhiệt LM35 và cảm biến nhiệt độ dạng Diode
Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn truyền
thông I2C (DS18B20) mở ra một xu hướng mới trong “thế giới cảm biến”.

14

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

Hình 2.6: IC Cảm biến nhiệt LM35
IC Cảm biến nhiệt độ DS18B20
Đặc điểm của IC Cảm biến nhiệt độ DS18B20:
+ Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn kém bền,
không chịu nhiệt độ cao. Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến.
+ Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tún tính trong mợt giới hạn nào đó, ngoài dải này
cảm biến sẽ mất tác dụng. Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được
sự chính xác.
+ Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất
có tính ăn mòn, rung sớc va chạm mạnh.
d. Nhiệt bức xạ (còn gọi là hỏa kế- pyrometer).
Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của những môi
trường mà các cảm biến thơng thường khơng thể tiếp xúc được (lị nung thép, hóa chất ăn
mịn mạnh, khó đặt cảm biến).
Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc. Chúng
hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng. Và
năng lượng bức xạ sẽ có mợt bước sóng nhất định. Hỏa kế sẽ thu nhận bước
Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học.

15

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

Hình 2.7: ứng dụng hỏa nhiệt kế bức xạ trong công nghiệp
Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt.
Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo.
Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền.
2.2. Đo độ ẩm
2.2.1 Giới thiệu
a. Độ ẩm tương đối
Độ ẩm tương đối là tỷ số của áp suất hơi nước hiện tại của bất kỳ một hỗn hợp khí
nào với hơi nước so với áp suất hơi nước bão hòa tính theo đơn vị là %. Định nghĩa khác
của độ ẩm tương đối là tỷ số giữa khối lượng nước trên một thể tích hiện tại so với khối
lượng nước trên cùng thể tích đó khi hơi nước bão hòa. Khi hơi nước bão hoà, hỗn hợp khí
và hơi nước đã đạt đến điểm sương. Cơng thức tính:
RH =

𝑒𝑝
× 100%
𝑒𝑠

(2.7)

b. Độ ẩm tuyệt đối
Độ ẩm tuyệt đối là thuật ngữ được dùng để mô tả lượng hơi nước tồn tại trong mợt
thể tích hỗn hợp dạng khí nhất định. Các đơn vị phở biến nhất dùng để tính đợ ẩm tuyệt

đối là gam trên mét khối (g/m³), tất nhiên điều này không có nghĩa là ta không được thay

16

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

thế chúng bằng các đơn vị đo khới lượng hoặc đo thể tích khác. Pounds trên foot khối là
đơn vị dùng phổ biến ở Mỹ, và thậm chí đơi khi người ta cịn sử dụng lẫn các đơn vị của hệ
đo lường Anh và metric với nhau.
Nếu tất cả nước trong một mét khối không khí được cơ đọng lại trong mợt vật chứa,
ta có thể đem cân vật chứa đó để xác định độ ẩm tuyệt đối. Độ ẩm tuyệt đối được định nghĩa
bằng tỷ số giữa khới lượng hơi nước (thường được tính bằng gam) trên thể tích của mợt
hỗn hợp khơng khí nào đó (thường được tính bằng m³) chứa nó:
AH =

m(H2 O)
V(mixture)

(2.8)

Trong đó:
- AH là độ ẩm tuyệt đối của thể tích không khí được xét
- 𝑚(𝐻2 𝑂) là khối lượng hơi nước chứa trong hỗn hợp khí
- 𝑉(𝑚𝑖𝑥𝑡𝑢𝑟𝑒) là thể tích hỗn hợp khí có chứa lượng hơi nước đó.
Chú ý rằng, độ ẩm tuyệt đối thay đổi khi áp suất không khí thay đởi. Điều này rất bất
tiện cho các tính tốn hóa học kỹ tḥt (ví dụ cho máy sấy q̀n áo, do nhiệt đợ của nó có
thể thay đởi đáng kể). Vì nguyên nhân này, độ ẩm tuyệt đối thường được định nghĩa trong

hóa học kỹ thuật như là khối lượng hơi nước trên mỗi đơn vị khối lượng của khơng khí khơ
(còn được biết đến với tên gọi khác là tỷ số trộn khối). Điều này giúp việc tính tốn cân
bằng nhiệt đợ là khới lượng rõ ràng hơn.
c. Điểm sương
Điểm sương của một khối không khí, ở áp suất khí quyển cố định, là nhiệt độ mà ở đó
thành phần hơi nước trong khối không khí ngưng đọng thành nước lỏng. Nói cách khác,
điểm sương là nhiệt độ mà độ ẩm tương đối của khối không khí đạt đến 100%.
Khi điểm sương thấp hơn điểm đóng băng, thì nó gọi là điểm băng giá, thay vì tạo
ra sương, nó sẽ tạo ra sương giá hay sương muối do sự ngưng đọng.

17

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

Điểm sương không phụ thuộc vào sự hiện diện của ôxy, nitơ hay các chất khí khác
hơi nước trong không khí. Sự hình thành của sương có thể xảy ra ở điểm sương ngay cả khi
khí duy nhất tồn tại trong hỗn hợp không khí là hơi nước.
Khi nhiệt độ cao hơn điểm sương thì áp suất thành phần của hơi nước tăng lên
và nước có thể bay hơi vào khơng khí.
Điểm sương xác định đợ ẩm tương đối. Khi độ ẩm tương đối cao, điểm sương gần với
nhiệt độ hiện tại của không khí. Nếu độ ẩm tương đối là 100%, điểm sương sẽ bằng hoặc
cao hơn nhiệt độ không khí lúc đó. Nếu độ ẩm tương đối giảm điểm sương sẽ thấp hơn đối
với cùng một nhiệt độ của khối không khí.
Nhiều người có cảm thấy khó chịu với điểm sương cao. Những người đã quen với khí
hậu lục địa thơng thường bắt đầu cảm thấy khó chịu khi điểm sương đạt tới khoảng 15° 20°C. Phần lớn những người sống trong khu vực này sẽ cho rằng điểm sương trên 21 °C là
rất ngột ngạt.
d. Độ ẩm cực đại

Nếu độ ẩm tuyệt đối của không khí càng cao thì lượng hơi nước có trong 1m3 không
khí càng lớn nên áp suất riêng phần p của hơi nước trong không khí càng lớn.
Áp suất này không thể lớn hơn áp suất hơi nước bão hòa po ở cùng nhiệt độ cho trước
nên độ ẩm độ ẩm tuyệt đối của không khí ở trạng thái bão hòa hơi nước có giá trị cực đại
và được gọi là độ ẩm cực đại A. Độ ẩm cực đại có độ lớn bằng khối lượng riêng của hơi
nước bão hòa trong không khí tính theo đơn vị g/m3.
Chú ý: độ ẩm cực đại được lấy bằng khối lượng riêng của hơi nước bão hòa, ví dụ:
độ ẩm cực đại ở 28oC là 27,2(g/m3).
2.2.2. Các loại đo cảm biến thông dụng
Cảm biến độ ẩm thường được chia làm hai loại: Loại thứ nhất dựa trên hiện tượng vật
lý cho phép xác định độ ẩm (ẩm kế ngưng tụ, ẩm kế điện ly). Loại thứ hai dựa trên tính chất
của vật có liên quan đến độ ẩm (ẩm kế trở kháng, cảm biến điện dung, nhiệt dẫn).
a. Ẩm kế điện trở

18

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

Ẩm kế điện trở là các thiết bị đo độ ẩm dựa trên các cảm biến điện trở, chúng được
chia làm hai loại:
- Điện trở kim loại:
Là một đế có kích thước nhỏ cỡ vài 𝑚𝑚2 được phủ chất hút ẩm và gắn hai điện cực
bằng kim loại không bị ăn mòn và oxy hóa. Giá trị điện trở đo được giữa hai cực phụ thuộc
vào hàm lượng nước (tỷ số giữa khối lượng nước hấp thụ với khối lượng chất khô) và vào
nhiệt độ chất hút ẩm. Hàm lượng nước lại phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ.
- Chất điện phân:
Là những chất dẫn điện, điện trở của chúng phụ thuộc vào thể tích trong đó thể thích

bị thay đởi theo hàm lượng nước. Do đó có thể biến đổi độ ẩm tương đới thành tín hiệu
điện.
Thực tế, điện trở Rm phụ tḥc đồng thời cả độ ẩm tương đối và cả nhiệt đợ. Ảnh
hưởng của nhiệt đợ có thể sử dụng mạch bù như hình trên, trong đó điện trở RA, RB có hệ
sớ nhiệt αT giớng nhau. Với cảm biến điện trở có thể sử dụng với dải đo từ 5% đến 95% và
dải nhiệt đợ từ -100C ÷ 500C. Thời gian hồi đáp cỡ 10 giây và sai số là ±2 ÷ 5%.
b. Ẩm kế tụ điện
Giả sử mợt tụ điện giữa hai bản cực là khơng khí có thể coi như cảm biến đo độ ẩm
do hơi ẩm trong không khí làm thay đổi hằng số điện môi và được biểu diễn theo công thức:
𝜀 =1+

211
48𝑃𝑏ℎ
(𝑃 +
𝑈) 10−6
𝑇
𝑇

(2.9)

Từ công thức trên, nhận thấy hằng sớ điện mơi của khí ẩm tức là điện dung của tụ tỷ
lệ với độ ẩm tương đới. Nếu thay đởi khơng khí bằng mợt chất điện môi khác giữa hai tấm
cực của tụ điện thì có thể tạo ra mợt cảm biến đo đợ ẩm.
Hình trên là mơ tả cảm biến tụ điện Polymer gồm mợt màng Polymer có đợ dày 6 ÷
12μm có khả năng hấp thụ hơi nước. Lớp Polymer được phủ trên điện cực thứ nhất là tantan
sau đó phủ tiếp lên Polymer một lớp Crom dày 100 – 10000Å làm điện cực thứ hai. Lớp
Crom gây nên các vết nứt làm tăng khả năng tiếp xúc của lớp này với khơng khí. Thời gian
hồi đáp của tụ phụ tḥc vào độ dày của lớp điện môi. Với cảm biến tụ điện Polymer có

19

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

thể đo độ ẩm trong dải từ 0% ÷ 100%, dải nhiệt đợ làm việc từ -400C ÷ 1000C, sai số là từ
2% ÷ 3%. Thời gian hồi đáp cỡ vài giây.
Cảm biến này có nhược điểm là không sử dụng được trong môi trường chứa chất ăn
mòn như muối ăn, lưu huỳnh,…
c. Ẩm kế quang
Ẩm kế quang là sử dụng một gương phản chiếu mà nhiệt đợ bề mặt của nó được điều
chỉnh chính xác nhờ một thiết bị điện cung cấp nhiệt độ. Nhiệt độ gương được điều chỉnh
tại ngưỡng TS (Target Strength). Khơng khí cần đo độ ẩm được dẫn qua bề mặt gương và
hệ thống điều khiển làm lạnh gương (dựa trên hiệu ứng Peltier hoặc nito lỏng) cho đến khi
xuất hiện sự ngưng tụ. Khi xuất hiện lớp sương trên bề mặt gương, ánh sáng bị tán xạ đến
đầu thu quang và kích thích bợ phát tín hiệu làm nóng gương thơng qua hệđiều khiển. Khi
nhiệt độ gương tăng, lớp sương biến mất và chấm dứt hiện tượng tán xạ ánh sáng, chu kỳ
sau làm lạnh lại bắt đầu. Với sự hiệu chỉnh thích hợp sẽ nhận được lớp ngưng tụ với độ dày
xác định và tạo được trạng thái cân bằng giữa hơi nước và lớp ngưng tụ. Cảm biến nhiệt độ
đặt sau gương cho phép xác định và điều chỉnh nhiệt độ gương.
Cấu tạo bao gồm một bơm nhiệt dựa vào hiệu ứng Peltier. Bơm chuyển nhiệt đến bề
mặt gương mỏng đã gắn cảm biến nhiệt độ. Cảm biến này là một phần của cặp nhiệt số để
chỉ nhiệt độ của gương. Mạch của ẩm kế được mắc kiểu vi sai. Với hệ thớng optocoupler
phía trên gồm đèn LED và photo transistor (bộ thu quang) dùng để bù trôi. Hệ thống
optocoupler phía dưới để đo độ phản chiếu của gương.
Cảm biến được cân bằng quang nhờ bộ chắn ánh sáng của hệ optocoupler phía trên.
Các đèn LED và bợ thu quang của optocoupler phía dưới được bớ trí lệch mợt góc 450.
Bơm nhiệt điều khiển nhiệt đợ của gương ở phía dưới, tại thời điểm nước ngưng tụ, đặc
tính gương giảm bất ngờ tạo nên sự thay đởi dịng ánh sáng ở bợ thu quang. Tín hiệu của

bợ thu quang qua bộ điều khiển điều chỉnh dòng điện qua bơm nhiệt để duy trì theo nhiệt
đợ trên bề mặt gương ở mức điểm sương cho đến trạng thái ổn định.
Ưu điểm: Ẩm kế quang là có phạm vi đo rợng từ -700C đến 1000C, đợ chính xác cao
± 0,2% và có thể làm việc trong mơi trường ăn mòn.

20

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

PHẦN III: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
3.1 Sơ đồ khối hệ thống

KHỐI
RELAY
KHỐI
CẢM
BIẾN

KHỐI VI
XỬ LÝ
AT89S52

HIỂN
THỊ LCD

KHỐI NGUỒN
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống

- Sử dụng Vi điều khiển At89S52 để xử lý dữ liệu từ cảm biến và truyền về trung tâm.
- Sử dụng cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ, độ ẩm.
- LCD để hiển thị nhiệt độ, độ ẩm đo được.
- Khối nguồn để cung cấp nguồn ni cho tồn bợ phần mạch xử lý, mạch đo và cơ cấu
chấp hành.
- Cơ cấu chấp hành khối relay dùng để tạo ra nhiệt độ theo yêu cầu và mục đích sử dụng

21

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

3.2. Vi điều khiển 89S52
3.2.1. Sơ đồ

Hình 3.1: sơ đồ chân của 89S52
3.2.2. Các chân và chức năng của từng chân trên AT89S52

AT89S52 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập. Trong đó có 24
chân có tác dụng kép (có nghĩa là 1 chân có 2 chức năng), mỗi đường có thể hoạt động như
đường xuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của các bus dữ liệu và bus
địa chỉ.

22

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

3.2.2.1 Các Port
Port 0: là port có 2 chức năng ở các chân từ 32- 39. Trong các thiết kế cỡ nhỏ không
dùng đến bộ nhớ mở rộng thì port 0 có chức năng là xuất/nhập dữ liệu. Nếu trong các thiết
kế cỡ lớn phải dùng đến bộ nhớ mở rộng thì port 0 được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ
liệu.
Port 1: là port có 1 chức năng từ chân 1- 8. Có thể dùng cho giao tiếp với thiết bị
ngoài nếu cần. Vì không có chức năng khác ngoài xuất/nhập nên nó chỉ được dùng giao
tiếp với các thiết bị bên ngoài.
Port 2: là 1 port có tác dụng kép trên các chân 21- 28 được dùng như các đường
xuất nhập hoặc là byte cao của các bus địa chỉ đối với thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng.
Port 3: là port có tác dụng kép trên các chân 10- 17, port này có nhiều chức năng
cụ thể như sau:
P3.0

RXT

Ngõ vào dữ liệu nối tiếp

P3.1

TXD

Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp

P3.2

INT0

Ngõ vào ngắt 0

P3.3

INT1

Ngõ vào ngắt 1

P3.4

T0

Ngõ vào của timer/ couter 0

P3.5

T1

Ngõ vào của timer/ couter 1

P3.6

WR

Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài

P3.7

RD

Tín hiệu đọc dữ liệu bộ nhớ ngoài

3.2.2.2. Các ngõ tín hiệu điều khiển
PSEN: là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có ứng dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình
mở rộng thường được nối với chân OE ( output ennable) của EPROM cho phép đọc các
byte mã lệnh. PSEN ở mức 0 khi 89S52 lấy lệnh, các mã lệnh của chương trình đọc từ
EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh để giải lệnh. PSEN ở mức 1 khi
89S52 thi hành chương trình trong ROM nội.

23

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

ALE: ở chân số 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ
và dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt. Vì khi 89S52 truy xuất bộ nhớ bên ngoài port 0
có chức năng là đường địa chỉ và dữ liệu nên phải tách riêng ra.
Tín hiệu ra ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóng vai trò là
địa chỉ thấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động.
EA: Ngõ tín hiệu vào EA ở chân 31 thường được mắc lên nguồn. Nếu ở mức 1 thì
89S52 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp 8KB. Nếu ở mức 0 thì
89S52 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng.
RST: Ngõ tín hiệu RST (reset) ở chân số 9. Khi 89s52 thực hiện 2 chu kỳ máy hoặc
khi cấp điện mạch tự động reset.
X1, X2: Ngõ tín hiệu dao động X1, X2 ở chân 18, 19. Thường được nối với thạch
anh để tạo dao động.
Vcc: là chân số 40, thường được nới lên nguồn 5V.
3.3. LCD

Hình 3.2: sơ đồ chân của LCD

24

Đồ án Vi xử lý trong đo lường điều khiển

GVHD: Th.S Bùi Thị Duyên

Hình 3.3: Khối hiển thị LCD
3.3.1. Cấu tạo và chức năng

chân

Ký hiệu

I/O

Mô tả

1

VSS

-

Đất

2

VCC

-

Dương nguồn 5V

3

VEE

-

Cấp nguồn điều khiển tương phản

4

RS

I

RS = 0 chọn thanh ghi lệnh. RS = 1 chọn thanh dữ liệu

5

R/W

I

R/W = 1 đọc dữ liệu. R/W = 0 ghi

6

E

I/O

Cho phép

7

DB0

I/O

Các bit dữ liệu

8

DB1

I/O

Các bit dữ liệu

9

DB2

I/O

Các bit dữ liệu

10

DB3

I/O

Các bit dữ liệu

11

DB4

I/O

Các bit dữ liệu

12

DB5

I/O

Các bit dữ liệu

25

Doanmonhocvxl.pdf

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về