đồ án đo và điều khiển nhiệt độ ẩm

ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN






 !"# $!%"&'" (! )*+,
*+-./
0,
1
 23# $!"45!678! )9:;.*<
"=> )?
5@ )?A
/)BCD
1
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
Đặt vấn đề:
Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật
trong công nghiệp, đăc biệt trong công nghiệp vi điện tử kỹ thuật số các hệ thống điều
khiển dần dần được tự động hóa. Với kỹ thuật tiên tiến vi điều khiển, vi xử lý, vi mạch
số được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển tự động với chương trình thiết lập trước thay
thế cho các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, tốc độ xử lý chậm, ít chính xác. Hiện nay
hầu hết các quá trình sản xuất hàng tiêu dùng quá trình sấy đóng vai trò quan trọng quyết
định đến chất lượng sản phẩm, trong nông nghiệp các nông trại sản xuất rau sạch, hoa
quả sạch cũng gia tăng không ngừng, trong xây dựng cảnh báo cháy Do đó việc đo được
nhiệt độ, độ ẩm và khống chế các yếu tố này theo đúng yêu cầu mong muốn là yếu tố hết
sức quan trọng và cần thiết.
Để kiểm soát được nhiêt độ, độ ẩm dùng vi điều khiển 8051 để tự động hóa quá trình là
phương pháp tiện lơi, giá thành thích hợp cho những ứng dụng rộng rãi. Được sự đồng ý
của khoa CNTD – Trường Đại Học Điện Lực, chúng em tiến hành thực hiện đề tài “ 3

#EF GHI" J!K!FL!"!" (%FM#EFMN>'"3>O %P4Q!6”.
Nhiệm vụ thư:
• Đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường, dữ liệu được đem đi so sánh với giá trị đặt.
• Dải nhiệt độ: 20-40
o
C.
• Dải độ ẩm:70-80%.
• Thiết kế cho 2 điểm đo. Có một đồng hồ mẹ và hai đồng hồ con.
• Đồng hồ con đo nhiệt độ và độ ẩm tại 2 điểm, hiển thị LED 7 thanh.
• Đồng hồ mẹ nhận dữ liệu, hiển thị lên LCD.
• Giao tiếp giữa đồng hồ mẹ và đồng hồ con theo chuần RS-485.
Mục đích nghiên cứu:
• Dùng kỹ thuật vi điều khiển để áp dụng vào các quy trình sản xuất sản phẩm cần
đến công đoạn đo nhiệt độ và độ ẩm.
• Giúp người sử dụng có thể kiểm soát và điều khiển được nhiệt độ và độ ẩm.
/R)S0T/TT

2
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
TU)T/TTV
WVW"2 ! (>#G!" (%FM)
1.1.1 Khái niệm:
Nhiệt độ là đại lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên tử, phân tử
của một hệ vật chất. Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất ( rắn, lỏng, khí) mà chuyển
động này có khác nhau. ở trạng thái láng, các phân tử dao động quanh vi trí cân bằng
nhưng vi trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng
nhất định. Còn ở trạng thái rắn, các phần tử, nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí
cân bằng. Các dạng vận động này của các phân tử, nguyên tử được gọi chung là chuyển
động nhiệt. Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng không sinh công,
thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt. Quá trình truyền nhiệt

trên tuân theo 2 nguyên lý: Bảo toàn năng lượng.
Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất. Ở trạng thái rắn,
sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt.
Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyền nhiệt bằng đối
lưu. Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyển các phần của
khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉ trọng.
1.1.2 Thang đo nhiệt độ:
Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độ của nó
bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo một đơn vị đo của mỗi thời kỳ. Có nhiều đơn vị
đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng, từng thời kỳ phát triển của khoa học
kỹ thuật và xã hội. Hiện nay chóng ta có 3 thang đo nhiệt độ chính là:
Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).
Thang Celsius ( C ): T(
0
C ) = T(
0
K ) – 273,15.
Thang Farhrenheit: T(
0
F ) = T(
0
K ) – 459,67.
Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay. Trong đó thang đo nhiệt độ
tuyệt đối (K) được quy định là một trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị quốc tế (SI).
Dùa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ.
1.1.3 Sơ lược về phương pháp đo nhiệt độ:
Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc nhiệt
độ. Hiện nay chóng ta có nhiều nguyên lí cảm biến khác nhau để chế tạo cảm biến nhiệt
độ như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phương pháp quang dùa trên phân bố phổ bức xạ
3

ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
nhiệt, phương pháp dùa trên sự dãn nở của vật rắn, lỏng, khí hoặc dùa trên tốc độ âm…
Có 2 phương pháp đo chính:
Ở dải nhiệt độ thấp và trung bình phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc, nghĩa là các
chuyển đổi được đặt trực tiếp ngay trong môi trường đo. Thiết bị đo như: nhiệt điện trở,
cặp nhiệt, bán dẫn.
Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo là phương pháp không tiếp xúc ( dông cụ dặt ngoài
môi trường đo). Các thiết bị đo nh: cảm biến quang, hoả quang kế ( hoả quang kế phát xạ,
hoả quang kế cường độ sáng, hoả quang kế màu sắc)…
WVR3!" (%FMXY!6@"4Z!6@"2@% [@\]'
1.2.1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở:
Nguyên lý hoạt động:
Điện trở của một số kim loại thay đổi theo nhiệt độ và dùa vào sự thay đổi điện trở
đó người ta đo được nhiệt độ cần đo.
Nhiệt điện trở dùng trong dụng cụ đo nhiệt độ làm việc với dòng phụ tải nhỏ để nhiệt
năng sinh ra do dòng nhiệt điện trở nhỏ hơn so với nhiệt năng nhận được từ môi trường
thí nghiệm.
Yêu cầu cơ bản đối với vật liệu dùng làm chuyển đổi của nhiệt điện trở là có hệ số
nhiệt độ lớn và ổn định, điện trở suất khá lớn…
Trong công nghiệp nhiệt điện trở được chia thành nhiệt điện trở kim loại và nhiệt
điện trở bán dẫn.
1.2.1.1 Nhiệt điện trở kim loại:
Quan hệ giữa nhiệt điện trở của nó và nhiệt độ là tuyến tính, tính lặp lại của quan
hệ là rất cao nên thiết bị được cấu tạo đơn giản. Nhiệt điện trở kim loại thường có dạng
dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ. Trong
điện trở kim loại dược chia thành 2 loại:
-Kim loại quý (Pt)
-Kim loại thường (Cu, Ni…)
Platin được chế tạo với độ tinh khiết cao, cho phép tăng độ chính xác của các đặc
tính điện trở của nó, hơn nữa Platin còn trơ về mặt hoá học và ổn định tinh thể, cho phép

hoạt động tốt trong dải nhiệt độ rộng. Ngoài ra nó lại còn có tính lặp rất cao, sai số ngẫu
nhiên thấp ( dưới 0,01%), có độ sai khác 0.01
0
C…
4
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
Niken có độ nhạy cao hơn so với Platin nhưng Niken có tính hoá học cao, dễ bị
oxy hoá khi nhiệt độ tăng do vậy dải nhiệt độ làm việc của nó bị hạn chế ( dưới 250
0
C ).
Tuy vậy nó lại có giá thành rẻ vẫn đáp ứng về mặt kỹ thuật cho nên cũng hay được sử
dụng.
Đồng cũng được sử dụng nhiều vì sự thay đổi nhiệt độ của đồng có độ tuyến tính
cao, giống nh Niken thì hoạt tính hoá học của đồng lớn nên dải nhiệt độ làm việc của
đông bị hạn chế ( dưới 180
0
C ).
Để đạt được độ nhạy cao nhiệt điện trở phải lớn muốn vậy phải giảm tiết diện và
tăng chiều dài dây. Để có độ bền cơ học tốt các nhiệt điện trở kim loại có trị số điện trở R
vào khoảng 100Ω ở 0
0
C. Các nhiệt điện trở có trị số lớn thường dùng đo dải ở nhiệt độ
thấp vì ở đó cho phép thu được độ nhạy cao. Để sử dụng cho mục đích công nghiệp các
nhiệt điện trở có vỏ bọc tốt, chống được va chạm và rung mạnh…
Đối với bạch kim thì giữa điện trở và nhiệt độ trong giới hạn từ 0 - 660
0
C được
biểu diễn bằng biểu thức:
Rt = Ro(1+At+Bt
2

)
Trong đó Ro là nhiệt độ ở 0
0
C
Đối với bạch kim tinh khiết thì: A = 3,940.10
-3
/
0
C
B = -5,6.10
-7
/
0
C
Trong khoảngtừ -190 - 0
0
C thì quan hệ giữa điện trở của bạch kim với nhiệt độ có
dạng: Rt = { 1+At+Bt
2
+C(t-100)
3
Trong đó C = -4,10.10
-12
/
0
C
Đối với đồng ta có công thức: Rt = Ro(1+αt).
Trong đó: Ro - điện trở ở nhiệt độ 0
0
C

α

- hệ số nhiệt độ đối với khoảng nhiệt độ bắt đầu từ 0
0
V bằng 4,3.10
-3
/
0
C.
Trong khoảng nhiệt độ từ -50
0
C - 150
0
C. Loại này có thể dùng được trong các môi
trường có độ kiềm và khí ăn mòn.
Trong thực tế có loại nhiệt điện trở TCM-0879-01T3 bằng đồng công thức mô tả:
Rt = 50(1+4,3.10
-3
T) (Ω).
1.2.1.2 Nhiệt điện trở bán dẫn:
Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo từ hỗn hợp nhiều oxit kim loại khác nhau (ví
dô nh: CuO, MnO…). Một số nhiệt điện trở bán dẫn đặc trưng bởi quan hệ: Rt = A.e
B/T
5
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
Trong đó A: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bấn dẫn, kích
thước và hình dạng của vật.
B: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn.
T: Nhiệt độ Kenvin của nhiệt điện trở.
Nhược điểm của nhiệt điện trở bán dẫn là có hệ số phi tuyến giữa điện trở với

nhiệt độ. Điều này gây khó khăn cho việc có thang đo tuyến tính và việc lầm lẫn giữa các
nhiệt điện trở khi sản xuất hàng loạt.
Nhiệt điện trở có thể dùng mạch đo bất kỳ để đo điện trở nhưng thông thường dùng
mạch cầu không cân bằng, chỉ thị là Logomet từ điện hoặc cần tự động cân bằng, trong
đó một nhánh là nhiệt điện trở khi sản xuất hàng loạt.
Nếu dùng cầu 2 dây dụng cụ sẽ có sai sè do sù thay đổi nhiệt điện trở của đường
dây khi nhiệt độ môi trường thay đổi.
1.2.2 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu:
Nguyên lý làm việc:
Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu là 1 mạch từ có 2 hay nhiều thanh dẫn điện gồm 2 dây
dẫn A và B. Sebeck đã chứng minh rằng nếu mối hàn có nhiệt độ t và t
0
khác nhau thì
trong mạch khép kín có một dòng điện chạy qua. Chiều của dòng điện này phụ thuộc vào
nhiệt độ tương ứng của mối hàn nghĩa là t > t
0
thì dòng điện chạy theo hướng ngược lại.
Nếu để hở một đầu thì sẽ xuất hiện một sức điện động nhiệt. Khi mối hàn có cùng nhiệt
độ ( ví dụ bằng t
0
) thì sức điện động tổng bằng:
E
AB
= e
AB
(t
0
) + e
AB
(t

0
) = 0.
Từ đó rút ra: e
AB
= e
AB
(t
0
)
Khi t
0
và t khác nhau thì sức điện động tổng bằng:
E
AB
= e
AB
(t) – e+
AB
(t
0
)
Phương trình trên là phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu ( sức điện động phụ
thuộc vào hệ số nhiệt độ của mạch vòng t và t
0
).Như vậy bằng cách đo sức điện động ta
có thể tìm được nhiệt độ của đối tượng.
Phương pháp này được sử dụng nhiều trong công nghiệp khi cần đo những nơi có
nhiệt độ cao.
WVRV^3!" (%FMXY!6'2'@"_!%`X2!78!a7 3%#E%Pb!c %3dV
6

ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
A, nguyên lý hoạt động : các linh kiện điện tử bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ,
do đó có thể sử dụng một số linh kiện bán dẫn như diot hoặc tranzito nối theo kiểu diot
( nối bazo với collector). Khi đó điện áp giữa 2 cực U là hàm của nhiệt độ. Để tang độ
tuyến tính và độ ổn định ta mắc theo sơ đồ sau:
Sơ đồ mạch nguyên lý của IC bán dẫn đo nhiệt độ.
Khi nhiệt độ thay đổi ta có:
Ud= E
BE1
–E
BE2
= .ln()
Với I
c1
/I
c2
=const thì Ud tỉ lệ với nhiệt độ T mà không cần đến nguồn ổn định.
Ví dụ một số loại IC đo nhiệt độ hay dùng:
Loại IC Độ nhạy S Dải đo Sai số
AD592CN 1µA/
O
K -25
O
C÷105
0
C 0.3
0
C
LM35 ±10mV/
O

K -55
O
C÷150
0
C ±0.25
0
C
MMB-TS102 -2.25mV/
O
K -40
O
C÷150
0
C ±0.25
0
C
REF-02A 2.1mV/
O
K -55
O
C÷125
0
C ±0.5
0
C
DS18B20 -2.mV/
O
K -55
O
C÷125

0
C ±0.25
0
C
Có rất nhiều hãng chế tạo linh kiện điện tử đã sản xuất ra các loại IC bán dẫn dùng
để đo dải nhiệt độ từ -55-150
0
C. Trong các mạch tổ hợp IC, cảm biến nhiệt thường là
điện áp của líp chuyển tiếp p-n trong một loại tranzitor loại bipola.
1.2.3.1 Loại LM 35
IC loại LM 35 có điện áp ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với nhiệt độ thang đo
0
C, điện áp ra
là 10mV/
0
C và sai số không tuyến tính là ±1,8 mV cho toàn thang đo. Điện áp nguồn
nuôi có thể thay đổi từ 4V÷30V. LM 335 được chế tạo cho 3 thang đo:
7
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
-55÷150
0
C loại LM 35 và LM 35D
-40÷110
0
C loại LM35C và LM35CA
0÷100
0
C loại LM35DA
1.2.3.2 Loại AD22100
AD22100 có hệ số nhiệt độ 22,5 mV/

0
C. Điện áp ngõ ra có công thức:
Vout = (V
+
/5V).(1,375V+22,5mV/
0
C.T)
Trong đó:
V
+
: Trị số điện áp cấp
T : Nhiệt độ cần đo
Các IC trong họ AD22100:
AD100KT/KR cho dải nhiệt độ từ 0÷100
0
C
AD100AT/AR cho dải nhiệt độ từ -40÷85
0
C
AD100ST/SR cho dải nhiệt độ đo từ -50÷150
0
C
Hình dạng bên ngoài của AD22100:
V
+
: Điện áp nguồn nuôi 4÷30 VDC
Vo : Đầu ra
GND : nối vào 0V
NC : bá trống
WVRV^V^e>X [!.Wf9Rg)

• Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ cực nhỏ.
8
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
• Mỗi cảm biến có một mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ ROM trên chip
(on chip), giá trị nhị phân được khắc bằng tia laze.
• Nếu cấu hình cho DS18B20 theo 9,10,11,12 bit thì ta có độ chính xác tương ứng là :
0.5°C , 0.25°C ,0.125°C, 0.0625°C.Theo mặc định của nhà sản xuất nếu chúng ta không
cấu hình chế độ chuyển đổi thì nó sẽ tự cấu hình là 12 bit.
Khi bắt đầu chuyển đổi nhiệt độ thì chân DQ sẽ được kéo xuống mức thấp và khi chuyển
đổi xong thì ở mức cao.Như vậy ta sẽ căn cứ vào hiện tượng này để xác định khi nào
chuyển đổi xong nhiệt độ.

WV^3!" (%FMXY!6@"4Z!6@"2@I"O!6% [@\]'
Nguyên lý hoạt động:
Dưạ trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lượng theo
mọi hướng với khả năng lón nhất. Bức xạ nhiệt của mọi vật đặc trưng bởi mật độ phổ E
nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị độ dài của sóng.
Quan hệ giữa mật độ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và độ dài sóng được biểu
diễn bởi công thức:
E
0
= C1.α
-5
(e
c
2/αT
-1)
-1
Trong đó: C
1

: Hằng số và C
1
= 37,03.10
-7
(Jm
2
/s)
C
2
: Hằng số vá C
2
= 1,432.10
-2
(m.độ)
α: Độ dài sóng
T: Nhiết độ tuyệt đối
1.3.1 Hoả quang kế phát xạ:
9
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
Đối với vật đen tuyệt đối năng lượng bức xạ toàn phần trên một đơn vị bề mặt E
t
0
= α.T
4
p
( với α = 4,96.10
-2
Jm
2
.sgrad

4
)
T
p
: Nhiệt độ của vật theo lý thuyết đối với vật thực
E
0
T
= α
T
T
4
t
Trong đó : α
T
là hệ số bức xạ tổng, xác định tính chất của vật và nhiệt độ của nã
( thường nhỏ hơn 1 )
T
t
: Nhiệt độ thực của vật
Hoả quang kế phát xạ được khắc độ theo bức xạ của vật đen tuyệt đối. Nhưng khi
đo ở đối tượng thực thì T
p
được tính theo công thức:
α.T
4
p
= α
T
. α.T

4
T
α T
T
= T
p

4
α
1
/ α
T
( T
t
bao giê cũng nhỏ hơn T
p
)
Hoả quang kế dùng để đo dải nhiệt độ từ 20 ÷ 100
0
C. khi cần đo nhiệt độ lớn ( trên
100 ÷ 2500
0
C ) mà tần số bước sóng đủ lớn người ta dùng 1 thấy kính bằng thạch anh hay
thuỷ tinh đặc biệt để tập chung các tia phát xạ và phần tử nhạy cảm với nhiệt độ được
thay bằng cặp nhiệt ngẫu. Trong nhiệt kế phát xạ thấu kính không thể đo được nhiệt độ
thấp vì các tia hồng ngoại không thể xuyên qua được thấy kính ( kể cả thạch anh ).
Khoảng cách để đo giữa đối tượng và hoả quang kế được xác định do kích thước.
Chùm tia sáng từ đối tượng đo đến dụng cụ phải chùm hết tầm nhìn ống ngắm của nhiệt
kế.
Nhược điểm của tất cả các hoả quang kế là đối tượng không phải là vật đen tuyệt

đối do đó trong vật nóng có sự phát xạ nội tại và dòng phát xạ nhiệt đi qua bề mặt.
1.3.2 Hoả quang kế cường độ sáng:
Trong thực tế khi đo nhiệt độ T dưới 3000
0
C với bước sóng trong khoảng 0,40µm
< α< 0,70µm thì mật độ phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối có thể biểu diễn bằng công
thức:
E
0
t
= C
1
α
-5
.e
-c2/αT
Đối với vật thật:
E
0
t
= α
t
.C
1
α
-5
.e
-c2/αT
10
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN

Xác định α
t
là điều rất khó, thường α
t
= 0,03 ÷0,7 ở các vật liệu khác nhau và với
độ sóng α = 0,6 ÷ 0,7µm.
Nguyên lý làm việc :
So sánh cường độ sáng của đối tượng đo nhiệt độ với cường độ sáng của một
nguồn sáng chuẩn trong dải phổ hẹp. Nguồn sáng chuẩn là một bóng đèn sợi đốt
Vonlfram sau khi đã được già hoá trong khoảng 100 giê với nhiệt độ khoảng 2000
0
C.
Cường độ sáng có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng đốt hay dùng bộ lọc ánh sáng.
Nếu cường độ sáng của đối tượng đo lớn hơn độ sáng của dây đốt ta sẽ thấy dây
thâm trên nền sáng.
Nếu cường độ của đối tượng đo yếu hơn độ sáng của dây đốt thì kết quả sẽ cho
thấy dây sáng trên nền thẫm.
Nếu độ sáng bằng nhau thì dây sẽ mất và đọc vị trí của bộ chắn sáng.
So sánh bằng mắt tuy thô sơ nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác nhất định vì cường
độ sáng thay đổi nhiều hơn gấp 10 lần so với sự thay đổi nhiệt độ.
nh sáng từ đối tượng đo 1 đến mẫu 10 qua khe hở và bộ lọc ánh sáng 8 cùng đặt
vào tế bào quang điện 4. Sự sánh được thực hiện bằng cách lần lượt cho ánh sáng từ đối
tượng đo và đèn chiếu tế bào quang điên nhờ tấm chắn 3 và sự di chuyển tấm chắn cảm
ứng điện từ 9 của chuyển đổi ngược với tần số 50 Hz.
Dòng ánh sáng i
1
và i
2
được tế bào quang điện biến thành dòng điện, dòng điện này
được đưa vào khuếch đại xoay chiều và được chỉnh lưu bằng bộ chỉnh lưu nhạy pha 6 để

biến thành dòng 1 chiều và đưa vào miliampemet 7 và đèn đốt 10 thay đổi cho đến khi
cường độ sáng của đối tượng đo.
Miliampemet được khắc trực tiếp giá trị nhiệt độ cho ta biết giá trị đo được. Hoả
quang kế loại này có độ chính xác cao ( sai số ±1% ) trong dải nhiệt đo 900 ÷ 2200
0
C.
1.3.3 Hoả quang kế màu sắc
Nguyên lý làm việc:
Dùa trên phương pháp đo tỉ số cường độ bức xạ của 2 ánh sáng có bước sóng khác
nhau α
1
và α
2
. Nếu năng lượng thu được:
E
1
= α
1
.C
1
α
-5
1
e
-c2/1T
E
2
= α
2
.C

1
α
-5
2
e
-c2/α1T
T = C
2
( 1/α
1
- 1/α
2
).ln (E1)
11
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
Vì vậy trong dụng cụ hoả kế màu sắc có thiết bị tự giải phương trình. Các giá trị
α
1
,α
2
,α
1
,α
2
được đưa vào trước. Nếu các thông số trên không được đưa vào trước sẽ gây
nên sai sè.
Khi đo đến dải nhiệt độ 2000÷ 2500
0
C thì giá trị α
1

,α
2
có thể xác định được bằng
thực nghiệm.
Cường độ bức xạ từ đối tượng đo A qua hệ thấu kính 1 tập chung ánh sáng trên đĩa
2. Đĩa này quay quanh trục nhờ động cơ 3.
Sau khi ánh sáng qua đĩa 2 đi vào tế bào quang điện 4 trên đĩa khoan 1 số lỗ, trong
đó một nửa đặt bộ lọc ánh sáng đỏ (LĐ) còn nửa kia lọc ánh sáng xanh (LX). Khi đĩa qua
tế bào quang lần lượt nhận được ánh sáng đỏ và xanh với tần số nhất định tuỳ theo tốc độ
quay của động cơ. Dòng quang điện được khuếch đại 5 từ đó đưa vào bộ chỉnh lưu pha 7.
Nhờ bộ chuyển mạch 8 tín hiệu đĩa chia thành 2 phần tuỳ theo ánh sáng của tế bào
quang điện là xanh hay đỏ.
Tuỳ theo cường độ bức xạ của đối tượng đo, độ nhạy của khuếch đại được điều
chỉnh tự động nhờ thiết bị 6.
Bé chia logomet từ điện: góc quay của nó tỉ lệ với nhiệt độ cần đo và bộ chuyển
mạch là các rơle phân cực, làm việc đồng bộ với các đĩa quay, nghĩa là: sự chuyển mạch
của logomet xảy ra đồng thời với sự thay đổi bộ lọc ánh sáng mà dòng bức xạ đặt lên tế
bào quang điện.
- Ưu điểm: Trong quá trình đo không phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí đo đến
đối tượng đo và không phụ thuộc vào sự hấp thụ bức xạ của môi trường.
- Nhược điểm: Cấu tạo tương đối phức tạp.
Nhận xét chung về các loại cảm biến:
Các loại
cảm biến
Ưu điểm Nhược điểm
Nhiệt
điện trở
- ổn định nhất
- Chính xác nhất
- Tuyến tính hơn so với

cặp nhiệt ngẫu
- Đắt tiền
- Cần phải cung cấp nguồn dòng
- Lượng thay đổi R nhá
- Điện trở tuyệt đối thấp
- Tù gia tăng nhiệt
12
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
Cặp nhiệt
ngẫu
- Là thành phần tích cực,
tự cung cấp công suất
- Đơn giản, rẻ tiền
- Tầm thay đổi rộng
- Tầm đo nhiệt độ rộng
- Phi tuyến
- Điện áp cung cấp thấp
- Đòi hỏi điện áp tham chiếu
- Kém ổn định nhất
- Kém nhạy nhất
IC cảm
biến
- Tuyến tính nhất
- Ngõ ra có giá trị cao nhất
- Rẻ tiền
- Nhiệt độ đo thấp
- Cần cung cấp nguồn dòng cho
Cảm biến
Đo bằng
phương

pháp
không
tiếp xúc
- Tầm đo nhiệt độ rộng - Cấu tạo phức tạp
TUR)
1. Khái niệm chung
Độ ẩm (thủy phần) là hàm lượng nước tự do có trong mẫu.
Biết được độ ẩm là một điều quan trọng trong công tác phân tích giá trị dinh
dưỡng và chất lượng thực phẩm.
Về phương diện dinh dưỡng: độ ẩm càng cao, chất lượng dinh dưỡng càng thấp và
ngược lại.
Về phương diện xác định chất lượng thực phẩm và khả năng bảo quản thực phẩm:
nếu độ ẩm vượt quá mức tối đa, thực phẩm sẽ mau hỏng.
2. Phương pháp lấy mẫu
3. Phương pháp chuẩn bị mẫu
4. Các phương pháp xác định độ ẩm
4.1. Phương pháp sấy khô
4.1.1. Nguyên tắc
Dùng sức nóng làm bay hơi hết hơi nước trong mẫu. Cân trọng lượng mẫu trước
và sau khi sấy khô, từ đó tính ra phần trăm nước có trong thực phẩm.
4.1.2. Dụng cụ vật liệu và thuốc thử
- Tủ điều chỉnh được nhiệt độ (100
0
C – 105
0
C).
13
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
- Cân phân tích 4 số.
- Nồi cách thuỷ.

- Bình hút ẩm phía dưới để chất hút ẩm (CaCl
2
, Na
2
SO
4
khan, H
2
SO
4
đậm đặc hoặc
Silicagen …).
- Chén sứ.
- Đũa thủy tinh đầu bẹt, dài khoảng 5 cm.
- Na
2
SO
4
hoặc cát sạch.
Cát chuẩn bị như sau: đổ cát qua dây có đường kính lỗ 4 – 5mm. Rửa qua bằng
nước máy, sau đó rửa bằng HCl bằng cách đổ acid vào cát rồi khuấy (một phần acid một
phần cát). Để qua đêm sau đó rửa cát bằng nước máy cho đến khi hết acid (thử bằng giấy
quỳ). Rửa lại bằng nước cất sau đó sấy khô, cho qua dây có đường kính lỗ 1 – 1,5 mm,
rồi đem nung ở lò nung từ 550 -600
0
C để loại chất hữu cơ. Giữ cát trong lọ đậy kín.
4.1.3. Cách tiến hành
Lấy cốc thủy tinh có đượng 10 – 20g cát sạch và một đũa thủy tinh bẹt đầu, đem
sấy ở 100 – 103
0

C cho đến khi trọng lượng không đổi. Để nguội trong bình hút ẩm và cân
trọng lượng chính xác đến 0,0001g.
Sau đó cho vào cốc khoảng 10g mẫu. Cân tất cả ở cân phân tích với độ chính xác
như trên.
Dùng que thủy tinh trộn đều thuốc thử với cát. Dàn đều thành lớp mỏng.
Cho tất cả vào tủ sấy ở 100 – 103
0
C, sấy cho đến khi trọng lượng không đổi,
thường tối thiểu là 6h. Trong thời gian sấy, cứ sau 1h lại dùng đũa thuỷ tinh đầu bẹt
nghiền nhỏ các phần vón cục, sau đó dàn đều và tiếp tục sấy.
Sấy xong, làm nguội trong bình hút ẩm (20 -25 phút) và đem cân ở cân phân tích
với độ chính xác như trên.
Cho lại vào tủ sấy 100 – 103
0
C trong 30 phút, lấy ra làm nguội trong bình hút ẩm
(20 -25 phút) và đem cân như trên tới khi trọng lượng không đổi. Kết quả giữa hai lần
cân liên tiếp không được cách nhau quá 0,5mg cho mỗi gam mẫu thử.
4.1.4. Tính kết quả
Độ ẩm theo phần trăm tính theo công thức:
X = (m1 – m2 ).100/( m1 -m )
Trong đó:
14
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
m: trọng lượng cốc cân, cát và đũa thủy tinh (g).
m1: trọng lượng cốc cân, cát, đũa thủy tinh và của mẫu trước khi sấy (g).
m2: trọng lượng cốc cân, cát đũa thủy tinh và của mẫu sau khi sấy (g).
Sai lệch giữa hai lần xác định song song không được lớn hơn 0,5%.
Kết quả cuối cùng là trung bình của 2 lần lặp lại song song.
Tính chính xác đến 0.01%.
Chú ý:

Trong trường hợp qui định trước, có thể sử dụng phương pháp sấy ở 130
0
C trong
2h, hoặc phương pháp sấy chân không ở nhiệt độ thấp.
Đối với mẫu lỏng cần làm bốc hơi nước ở nồi cách thủy cho tới khô trước khi cho
vào tử sấy.
Trong trường hợp không có cốc thủy tinh có nắp kín, có thể dùng cốc kim loại
(nhôm) hay chén sứ.
Nhược điểm:
Có thể làm sai số làm tăng độ ẩm do khi sấy, các chất bay hơi như tinh đầu, cồn,
acid bay hơi, …cùng bay hơi với nước hoặc bị phân giải thành furfurol, amoniac khi sấy
các mẫu có chứa nhiều đường, đạm làm giảm tỷ lệ thủy phần.
Cũng có thể cho kết quả sai số do một số thành phần bị oxy hóa khi gặp không khí
ở nhiệt độ cao (như mẫu có nhiều chất béo).
4.2. Phương pháp chưng cất kín với một dung môi hữu cơ
4.2.1. Nguyên tắc
Dùng một loại dung môi hữu cơ có 3 đặc tính:
- Có nhiệt độ sôi cao hơn nước một chút.
- Không trộn lẫn với nước.
- Nhẹ hơn nước.
Khi đun sôi dung môi hữu cơ đã trộn lẫm với mẫu, dung môi bốc hơi và sẽ kéo
theo nước trong mẫu. Dung môi và nước gặp lạnh ngưng tụ ở ống đo có vạch chia làm
15
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
hai lớp riêng biệt. Đọc thể tích nước lắng ở phía dưới, từ đó tính ra phần trăm nước có
trong mẫu.
4.2.2. Dụng cụ vật liệu và thuốc thử
- Dụng cụ cất cất để xác định độ ẩm ( các bộ phận trong máy cất lắp ráp với nhau bằng mối
nối nhám hoặc bằng nút lie (liege) kín, không nên dùng nút cao su vì cao su bị hòa tan
trong dung môi hữu cơ).

- Cân kỹ thuật.
- Đũa thủy tinh.
- Bi thủy tinh hoặc đá bọt.
- Toluol (toluen) tinh khiết (độ sôi: 110
0
C) hoặc xylen tinh khiết (độ sôi: 138 – 144
0
C).
4.2.3. Cách tiến hành
Tùy theo độ ẩm của mẫu thử, cân khoảng 5- 10g mẫu thử (để giải phóng 2 – 3ml
nước) trong chén cân khô, bằng cân kỹ thuật với độ chính xác 0,01g.
Cho mẫu thử vào bình đựng mẫu đã chứa sẵn khoảng 50 ml toluen. Tráng chén
cân 2 lần bằng toluen rồi cũng cho toluen đó vào trong bình. Thêm toluen vào cho đến
khoảng 100 - 150ml, cho thêm vài viên bi thủy tinh hay đá bọt.
Lắp máy cất, mở nước vào máy sinh hàn. Đun cho toluen sôi mạnh,bốc hơi kéo
theo phần nước có trong mẫu và ngưng tụ trong phần ống đo có khắc vạch. Tiếp tục đun
cho đến khi mực nước trong ống đo không đổi. Nếu có những giọt nước đọng lại trên
thành ống, dùng ống thủy tinh mảnh đưa giọt nước xuống.
Trong ống đo, nước và toluen chia thành hai phần rõ rệt, nước ở phía dưới và
toluen ở phía trên, sau khi để nguội đọc thể tích trong ống đo.
4.2.4. Tính kết quả
Độ ẩm theo phần trăm tính theo công thức:
X = m x 100/m
0
Trong đó:
X: phần trăm độ ẩm.
m: trọng lượng nước trong ống đo (g).
m
0
: trọng lượng mẫu đem phân tích (g).

Chú ý:
16
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
- Vì thể tích và trọng lượng nước gần bằng nhau nên có thể coi số gam nước cũng
tương đương với số ml nước.
- Trong trường hợp toluen hoặc xylen có lẫn nước: lắp máy và chưng cất dung môi
(không có mẫu thử) cho đến khi lượng nước trong ống đo không đổi. Để nguội, đọc thể
tích trong ống đo và sau cho thuốc thử vào dung môi và tiến hành như trên. Thể tích đọc
được lần cuối phải trừ đi thể tích nước có trong dung môi trước khi tính kết quả.
- Đối với các thực phẩm hòa tan trong dung môi như dầu mỡ,… những thực phẩm
nhẹ hơn dung môi, khi sôi nổi ở phía trên như bột, những thực phẩn đun sôi lâu không bị
phá hủy như khoai, ngô, … cách làm như trên không trở ngại gì. Nhưng đối với thực
phẩm như mứt, mật, siro, phomat, … có thể dính vào thành bình cầu, khi đun sẽ bị
cacbon hóa, cần phải chú ý làm như sau: cho thêm vào bình khoảng 30 – 40g cát sạch,
một phần cát trộn đều vào thực phẩn thành một khối rỗng vừa không dính vào thành bình
vừa không làm thực phẩm đóng vón với nhau làm cho thực phẩm dễ bốc hơi nước, một
phần cát lắng xuống sẽ làm lửa không trực tiếp đốt cháy được thực phẩm.
4.3. Phương pháp Karl Fischer
4.3.1. Nguyên tắc
Dựa trên độ mất màu của iot. Ở nhiệt độ thường, iot kết hợp với nước và SO
2
thành HI
không màu, theo phản ứng:
I
2
+ SO
2
+ 2H
2
O ↔ 2HI + H

2
SO
4
Từ sự mất màu của dung dịch iot, ta có thể tính phần trăm lượng nước có trong
mẫu. Phản ứng trên là phản ứng thuận nghịch, muốn cho phản ứng theo một chiều,
Fischer cho thực hiện phản ứng trong môi trường có piridin.
Phương pháp này có thể phát hiện được tới vết nước (lượng nước rất nhỏ) và nếu
sử dụng máy đo tự động có thể xác định đọ ẩm hàng loạt trong công nghiệp.
4.3.2. Dụng cụ vật liệu và thuốc thử
- Máy đo độ ẩm tự động theo phương pháp Fischer.
- Cân phân tích.
- Thuốc thử Fischer:
Piridin 10 mol
SO
2
3 mol
Iot 1 mol
Metanol 5 l
17
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
1ml thuốc thử này tương đương với 7,2 mg nước.
- Metanol
- n- butanol
4.3.3. Cách tiến hành
Nếu là dạng lỏng có thể định lượng thẳng.
Nếu mẫu thử là dạng rắn, đặc thì chiết xuất bằng n – butanol và chuẩn độ trên dịch
chiết.
Pha loãng thuốc thử Fischer (thuốc thử Fischer : metanol : n- butanol = 1:3:8
v/v/v) cho vào máy đo với piridin và mẫu thử sau đó trộn lẫn với nhau ở bộ phận trộn và
làm phản ứng, nếu có nước trong mẫu thử, dung dịch nhạt màu được đưa vào đo ở sắc kế

và kết quả được ghi tự động trên biểu đồ. So sánh với biểu đồ mẫu làm với thuốc thử
chứa 0%, 25%, 50%, 75%, 100% nước.
Chú ý:
Nếu không có máy đo tự động có thể dùng phương pháp so màu với thang chuẩn.
Phương pháp chính xác với những mẫu có hàm lượng nước rất thấp, có thể định
lượng nhanh và xác định hàng loạt.
4.3.4.Tính kết quả
Kết quả % trên máy ghi tự động.
4.4. Phương pháp sử dụng khúc xạ kế
4.4.1. Nguyên tắc
Khi đi từ một môi trường (không khí) vào một môi trường khác (chất lỏng) tia
sáng sẽ bị lệch đi (khúc xạ). Nếu chất lỏng là một dung dịch chất hòa tan (dung dịch
đường, muối, …) dựa trên độ lệch của tia sáng, ta có thể tính được nồng độ của chất hòa
tan và từ đó tính ra phần trăm nước có trong thực phẩn.
Phương pháp này chủ yếu để xác định hàm lượng chất khô trong các thực phẩm
lỏng hòa tan trong nước.
4.4.2. Dụng cụ vật liệu và thuốc thử
- Khúc xạ kế có thang chia độ ứng với hàm lượng chất khô.
- Cân kỹ thuật.
- Chén, chày sứ.
18
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
- Đũa thủy tinh đầu tròn.
- Vải gạc.
- Bông hút ẩm hoặc giấy mềm thấm nước.
- Cát sạch.
4.4.3. Cách tiến hành
Chuẩn bị mẫu:
- Nếu mẫu thử ở thể dung dịch đồng nhất, trong và màu nhạt thì có thể tiến hành
thử ngay được.

- Nếu mẫu thử có những hạt rắn thì lấy một ít để vào miếng vải gạc, vắt từ từ ra
vài giọt, giọt thứ 3 hoặc thứ 4 có thể thử được.
- Nếu mẫu thử có những hạt rắn không thể ép thành giọt được hoặc mẫu thử có
màu xẫm thì lấy khoảng 5 – 20g cho vào chén xứ và cân chính xác đến 0,01g. cho vào
khoảng 4 g cát và lượng nước cất bằng lượng mẫu đã cân. Sau đó dùng chén xứ nghiền
nhanh và cẩn thận. Lọc qua vải lọc và lấy giọt thứ 3 hay thứ 4 để thử.
Tiến hành thử:
Bỏ trực tiếp hoặc dùng đũa thủy tinh đưa một giọt thuốc thử vào mặt phẳng của
lăng kính. Ấp hai lăng kính lại. Nhìn vào thị kính và điều chỉnh thị kính để nhìn thấy
đường phân chia rõ nhất giữa nửa tối và nửa sáng của thị trường. Điều chỉnh đường phân
chia sao cho trùng với đường chấm chấm hay tâm của vòng tròn quan sát.
Đọc kết quả trên thang đo ở phía có ghi hàm lượng chất khô. Chú ý nhiệt độ khi
thử phải là 20
0
C.
4.4.4. Tính kết quả
Trường hợp sử dụng ngay mẫu thử hoặc vắt được thành giọt để thủ thì hàm lượng
chất khô theo phần trăm đọc ngay trên khúc xạ kế.
Trường hợp có thêm nước cất thì thì hàm lượng chất khô theo phần trăm được tính
theo công thức:
X = 2a
Trong đó:
a: số đo đọc trên khúc xạ kế theo phấn trăm ở 20
0
C.
Sai lệch giữa hai lần xác định song song không được vượt quá 0,2%.
19
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
Kết quả cuối cùng là kết quả trung bình của hai lần xác định song song.
Tính chính xác đến 0,01%.

Chú ý:
Phải đọc kết quả nhanh chóng sau khi đặt giọt mẫu thử lên lăng kính để tránh hiện
tượng bốc hơi nước.
Sau mỗi lần đọc lau lăng kính với bông thấm nước ướt, rồi lau lại bằng bông khô.
Có thể thử và đọc kết quả ở nhiệt độ thường, rồi điều chỉnh nhiệt độ tiêu chuẩn
(+20
0
C) theo bảng kèm theo máy, hoặc bằng cách điều chỉnh thô sơ sau đây:
- Dưới +20
0
C ứng với mỗi một sai khác trừ đi 0.07 vào kết quả.
- Trên +20
0
C ứng với mỗi một sai khác cộng thêm 0.07 vào kết quả.
?VhV@"4Z!6@"2@F3FMN>XY!6'e>X [!
a. ›m kế điện trở
-nguyên lý hoạt động: ẩm kế điện trở dùng điện trở hút ẩm( dùng chất hút ẩm phủ lên) sau đó
điện trở được nối tới cầu Wheatons có bù nhiệt. Điện trở của cảm biến thay đổi tỷ lệ với
độ ẩm được chuyển thành tín hiệu điện tương ứng .

• Dải đo RH 15%÷99%
• Dải nhiệt độ -10
o
C÷60
o
C
• Độ chính xác ±2%
• Thời gian hồi đáp 10s
• Kích thước nhỏ ,rẻ, ít chịu ảnh hưởng ô nhiễm môi trường trừ nơi có hóa chất ăn mòn
cao

20
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
b. ›m kế điện dung:
-nguyên lý hoạt động: ẩm kế điện dung sử dụng điện môi là màng mỏng polyme (hay
Al
2
O
3
) có khả năng hấp thụ hơi nước. Điện dung của tụ thay đổi tỉ lệ với độ ẩm được
chuyển hóa thành tín hiệu điện tương ứng.
• Dải đo RH : 0%-100%
• Dải nhiệt độ: -40÷100
o
C.
• Độ chính xác: ±2÷ ±3%.
• Thời gian hồi đáp: khoảng vài giây.
• Kích thước nhỏ ,ít chịu ảnh hưởng của môi trường
Ví dụ: cảm biến HS1101:

Chức năng:
• Đo độ ẩm với chu kỳ 1s
• Hoạt động ở 2 chế độ :trigger hoặc read manual
• Chuẩn hóa lại hệ số khi cần thiết
• Hiệu chỉnh sai số độ ẩm theo nhiệt độ môi trường
HS1101 cơ bản là 1 tụ biến dung theo độ ẩm, giá trị của nó sẽ thay đổi khi độ ẩm thay
đổi. Nguyên lý mạch là tạo ra dao động và tần số thay đổi tương ứng theo giá trị điện
dung hay chính là độ ẩm môi trường. Mạch sử dụng ICHa555 để tạo dao động.
Sensor nhiệt độ DS18B20 là sensor có giao tiếp chuẩn 1 dây (1-wire) trực tiếp tới vi điều
khiển Atmega8. Atmega8 hoạt động với thạch anh 16MHz, bạn có thể dùng bộ dao động
nội 8MHz nhưng cần chuẩn hóa.

21
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
22