đồ án đo nhiệt độ PT100 (1) (2)

Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
TRƯNG ĐI HC CÔNG NGHIP H NI
Đ TI:
THIẾT KẾ MCH ĐO NHIT Đ HIỂN THỊ SỐ TỪ 00
ĐẾN 99
0
C VỚI CẢM BIẾN Pt 100 (SAI SỐ 1
0
C)
Họ và tên thành viên nhm I lp T Đng Ha 1 _ k6:
1 0641240007 Nguyễn Tuấn Anh
2 0641240022 Vũ Thế Anh
3 0641240033 Đào Ba
4 0641240044 Nguyễn Đỗ B;c
5 0641240075 Phạm Đình Chiến
6 0641240002 Hoàng Quang Chung
7 0641240020 Nguyễn Đức Cường
1
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
• Sơ đồ khối của toàn b hệ thống:
1. Khối cảm biến nhiệt độ
2. Khối khuếch đại thuật toán
3. Khối biến đổi ADC
4. Khối giải mã nhị phân BCD
5. Khối giải mã led 7 thanh
6. Khối hiển thị.
• Thiết kế chương trình mô phỏng
• Kết luận.

LI NÓI ĐẦU
Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường xuyên gặp trong đời sống

hàng ngày cũng như trong kỹ thuật và công nghiệp. việc đo nhiệt độ
chính vì thế là một yêu cầu thiết thực. hiện nay cảm biến đo nhiệt độ là
2
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
cảm biến được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp cũng như trong
dân dụng.
Đồ án môn học này nghiên cứu về phương pháp đo nhiệt độ hiển
thị số từ 00 đến 99
0
C bằng cảm biến nhiệt độ PT100.
Sơ đồ khối của hệ thống
• KHỐI CẢM BIẾN NHIT Đ
• Phân loại:
3
Khối hiển
thị
Khối giải
mã led 7
thanh
Khối giải
mã nhị
phân sang
BCD
Khối
khuếch
đại
Khối biến
đổi ADC
Khối cảm
biến nhiệt

độ
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
- Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ).
- Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ).
- Thermistor.
- Bán dẫn ( Diode, IC ,….).
- Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ).
Dùng hồng ngoại hay lazer.
• Giới thiệu về nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –
RTD).
Hình1:hình dạng và cấu tạo RTD
- Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,
…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo.
- Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây
kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính
trong một khoảng nhiệt độ nhất định.
- Ưu điểm: độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều
4
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
dài dây không hạn chế.
- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn Cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn Cặp
nhiệt điện
- Dải đo: -200~400
o
C
- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi
trường hay gia công vật liệu, hóa chất…
Hiện nay phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ
Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải
nhiệt đo được dài. Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm (khi ở

0
o
C). Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.
- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Loại 4 dây cho kết quả đo
chính xác nhất.
• Cảm biến đo nhiệt độ PT100
Cảm biến nhiệt độ PT100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại ( RTD)
PT100 được cấu tạo từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng
của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở 0oC là 100 Ohm. Đây là loại
cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn
định.
5
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
°C 0 1
0 100 100.39
10 103.9 104.29
20 107.79 108.18
30 111.67 112.06
40 115.54 115.92
°C 0 1
50 119.4 119.78
60 123.24 123.62
70 127.07 127.45
80 130.89 131.27
90 134.7 135.08
°C 0 1
100 138.5
Hình 2: bảng giá trị điện trở của PT100
-Công thức điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của PT100:
R

t
= R
0
( 1+ αT+βT
2
+C(T-100)T
3
)
Trong đó:
R
t
: điện trở tại nhiệt độ T
R
0
: điện trở tại 0
0
C(=100Ω)
α=3.9083x10
-3
β=-5.775x10
-7
C=-4.183x10
-12
( t<0
0C
) , C=0 ( t>0
0C
)
Với nhiệt độ từ 0
0

C đến 100
0
C dùng công thức :
R
t
= R
0
( 1+ αT)
Cấu tạo dây đo nhiệt PT100
6
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
1. Các thông số cơ bản và nguyên tắc hoạt động
a. Các thông số cơ bản :
Dây cảm biến nhiệt PT100 bao gồm một đầu dò ống trụ có đường kính
4mm và chiều dài ống trụ là 30mm ,2 dây đầu ra có chiều dài 1m
Hình 3: hình dạng PT100
Dải nhiệt độ đo được là từ -200ºC đến 500ºC
b.Sơ đồ cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ
Hình 4: cấu tạo bên trong của đầu dò hình trụ PT100
Điện trở của ống trụ RPT100 = RPT + R3 + R2
L2,L3 được nối với 2 dây đầu ra
7
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
• Nguyên t;c hoạt động
Khi có sự thay đổi nhiệt độ trên đầu dò thì dẫn đến sự thay đổi điện trở
của ống trụ .Mỗi giá trị nhiệt độ khác nhau tương ứng với mỗi giá trị
điện trở khác nhau.Ở 10 ºC thì đo được giá trị điện trở RPT100 =107,6
Ω . Khi tăng 1ºC thì RPT tăng sấp xỉ 0,4Ω
• Cầu đo điện trở:
Hình 5: mạch nối dây Pt100

Ta sử dụng mạch cầu để đo điện trở, trong đó PT là một nhánh của
cầu.
V
o
=E*()
Khi ở 0
0
C R
PT
=100Ω.
Nên ta chọn R
1
=R
2
=R3=100Ω để cầu cân bằng. Suy ra V
0/0
0
c=
0V.
• KHỐI KHUẾCH ĐI THUẬT TOÁN(KĐTT)
8
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
1.Ký hiệu và định nghĩa: KĐTT được dùng để khuếch đại điện áp,
dòng điện hay công suất, để thiết kế các mạch điện tử chức năng. Một
KĐTT được ký hiệu như trên sơ đồ hình 6
Hình 6: Ký hiệu đại thuật toán
• Hai ngõ vào( ngõ vào đảo có điện áp V
i
-
, ngõ vào không đảo có

điện áp V
i
+
)
• Một ngõ ra có điện áp V
0

• Nguồn cấp điện ± V
cc

• Trạng thái ngõ ra không có mạch hồi tiếp về ngõ vào gọi là trạng
thái vòng hở.
• Hệ số khuếch đại vòng hở: A
v0

9
Bhòa âm
+Vcc
-Vcc
Vo
ΔV
i
= Vi
+
- Vi
-
-Vs
Vs
Bhòa dương
HS KĐ vòng hở âm

Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
Hình 7 : đặc tính truyền đạt vòng hở của KĐTT
Theo đặc tuyến truyền đạt điện áp vòng hở của KĐTT có 3 vùng làm
viêc:
• Vùng khuếch đại: V
0
= A
vo
. ΔV
i
nằm trong khoảng ±V
s

• Vùng bão hòa dương: V
0
= +V
cc
, ΔVi > Vs
• Vùng bão hòa dương: V0 = -Vcc, ΔVi < Vs
• ±V
s
là các mức ngưỡng của điện áp vào
2. Các mạch khuếch đại cơ bản:
a) MẠCH KHUẾCH ĐẠI ĐẢO:
10
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
Hình 8:Khuếch đại đảo với KĐTT
Hệ số khuếch đại: K
U
=

b) MẠCH KHUẾCH ĐẠI KHÔNG ĐẢO:
Hình 9:Khuếch đại không đảo với KĐTT
Hệ số khuếch đại: K
U
=
c) MẠCH CỘNG
cộng đảo:
11
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
Hình 10: bộ cộng đảo
Điện áp ra:
U
0
=-R
F
( )
cộng không đảo
Hình 11: bộ cộng không đảo
d) MẠCH TRỪ
12
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
hình 12: mạch trừ
điện áp ra: V
0
=(V
i2
-V
i1
)
R

in
=2R
1
e) MẠCH TÍCH PHÂN
∫∫
−=−= dtV
RC
dti
C
V
i
11
0
Hình 13: mạch tích phân
điện áp ra:
13
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
f) MẠCH VI PHÂN
dT
dV
RCV
i
−=
0
Hình 14:mạch vi phân
điện áp ra:
• MCH ĐO SỬ DỤNG :
14
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
Hình 15: mạch đo và khối khuếch đại

Ta sử dụng mạch trừ với hệ số khuếch đại :
V
0
=(V
2
-V
1
)
RV
1
dùng để điều chỉnh cho vôn kế chỉ 0V PT100 ở 0
0
C.
• KHỐI BIẾN ĐỔI ADC
Chíp ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số trong họ các loạt ADC800,
nó làm việc với +5V và có độ phân giải 8 bit. Ngoài độ phân giải thì thời
gian chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ
ADC. Thời gian chuyển đổi được định nghĩa như là thời gian mà bộ
15
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân. Trong
ADC0804 thời gian chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ
được cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưng không thể nhanh hơn
110μs. Các chân của ADC0804 được mô tả như sau:
Hình 15: Sơ đồ các chân ADC0804
2.2. Chức năng các chân ADC0804:
- Chân CS (chân số 1) – chọn chíp: Là một đầu vào tích cực mức thấp
được sử dụng để kích hoạt chíp ADC0804. Để truy cập ADC0804 thì
chân này phải ở mức thấp.
-Chân RD (chân số 2): Đây là một tín hiệu đầu vào được tích cực mức

thấp. Các bộ ADC chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân tương
đương với nó và giữ nó trong một thanh ghi trong. RD được sử dụng để
16
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra của ADC0804. Khi 0CS = nếu
một xung cao – xuống – thấp được áp đến chân RD thì đầu ra số 8 bit
được hiển diện ở các chân dữ liệu D0 – D7. Chân RD cũng được coi
như cho phép đầu ra.
- Chân ghi WR (chân số 3). Thực ra tên chính xác là “Bắt đầu chuyển
đổi”): Đây là chân đầu vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho
ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi. Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung
cao – xuống – thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vào
tương tự Vin về số nhị phấn 8 bit. Lượng thời gian cần thiết để chuyển
đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN và CLK R. Khi
việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thì chân INTR được ép xuống
thấp bởi ADC0804.
17
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
Hình 16: Sơ đồ khảo sát ADC0804
- Chân CLK IN (chân số 4) và CLK R (chân số 19): Chân CLK IN là
một chân đầu vào được nối tới một nguồn đồng hồ ngoài khi đồng hồ
ngoài được sử dụng để tạo ra thời gian. Tuy nhiên ADC0804 cũng có
một máy tạo xung đồng hồ. Để sử dụng máy tạo xung đồng hồ trong của
ADC0804 thì các chân CLK IN và CLK R được nối tới một tụ điện và
một điện trở (hình 1.4). Trong trường hợp này tần số đồng hồ được xác
định bằng biểu thức:
f=
Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C = 150pF và tần
số nhận được là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là 110sμ.
- Chân ng;t INTR (chân số 5): Đây là chân đầu ra tích cực mức thấp.

Bình thường nó ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó
xuống thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu được chuyển đổi sẵn sàng để
lấy đi. Sau khi INTR xuống thấp, ta đặt CS = 0 và gửi một xung cao
xuống – thấp tới chân RD lấy dữ liệu ra của ADC0804.
- Chân Vin (+) và Vin (-):
Đây là các đầu vào tương tự vi sai mà Vin = Vin(+) – Vin(-). Thông
thường Vin(-) được nối xuống đất và Vin (+) được dùng như đầu vào
tương tự chuyển đổi về dạng số.
-Chân VCC (chân số 20): Đây là chân nguồn nối +5V, nó cũng được
dùng như điện áp tham chiếu khi đầu vào /2REFV (chân số 9) để hở.
- Chân /2REFV (chân số 9): Là một điện áp đầu vào được dùng cho
điện áp tham chiếu. Nếu chân này hở (không được nối) thì điện áp đầu
18
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dãy 05V→(giống như chân
VCC). Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin
cần phải khác ngoài dãy 0→5V. Chân /2REFV được dùng để thực thi
các điện áp đầu vào khác ngoài dãy 0→5V. Ví dụ: Nếu dãy đầu vào
tương tự cần phải là 0 →4V thì /2REFV được nối với +2V.
- Các chân dữ liệu D0 – D7 (Từ chân 11 đến chân 18): Các chân dữ
liệu D0 – D7 (D7 là các bit cao nhất MSB và D0 là bit thấp LSB) là các
chân đầu ra dữ liệu số. Đây là những chân được đệm ba trạng thái và dữ
liệu được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD bị
đưa xuống thấp. Để tính điện áp đầu ra ta có thể sử dụng công thức sau:
D
out
=
Với Dout là đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân). Vin là điện áp đầu vào
tương tự và độ phân dãy là sự thay đổi nhỏ nhất được tính như là
(2x/2REFV) chia cho 256 đối với ADC 8 bit.

- Chân GND (chân số 10): Đây là những chân đầu vào cấp đất chung
cho cả tín hiệu số và tương tự. Đất tương tự được nối tới đất của chân
Vin tương tự, còn đất số được nối tới đất của chân VCC. Lý do mà ta
phải có hai đất là để cách ly tín hiệu tương tự Vin từ các điện áp ký sinh
tạo ra việc chuyển mạch số được chính xác. Trong phần trình bày thì các
chân được nối chung với một đất. Tuy nhiên, trong thực tế thu đo dữ liệu
các chân đất này được nối tách biệt.
*Từ những điều trên ta kết luận rằng các bước cần phải thực hiện
khi chuyển đổi dữ liệu bởi ADC0804 là:
-Bật CS = 0 và gửi một xung thấp lên cao tới chân WR để bắt đầu
chuyển đổi.
19
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
-Sau khi chân INTR xuống thấp, ta bật CS = 0 và gửi một xung cao
xuống thấp đến chân RD để lấy dữ liệu ra khỏi chip ADC0804.
• Tính toán mạch đo :
ADC0804 là IC độ phân giải 8 bít nên có 2
8
=256 giá trị đầu ra số. mà
đầu vào là +5V nên mỗi 1
0
C sẽ có giá trị là :
5 :256=0.0195V.
Ta chỉ cần hiển thị đến 99
0
C nên giá trị điện áp tại 99
0
C là :
V=99*0.0195=1.94V.
Khi ở 99

0
C thì R
PT
=138.12Ω
Suy ra : V
o
=E*()
=5*()=0.4V
Nên hệ số khuếch đại K=
Chọn các điện trở
• KHỐI GIẢI MÃ NHỊ PHÂN SANG BCD
20
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
Hình 17:khối giải mã nhị phân sang BCD
đầu vào 8 bit nhị phân. Ta sử dụng IC74LS83 và các cổng logic để thực
hiện bài toán trên.
74LS83 là IC cộng 2 số 4 bit nhị phân.
21
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
Hình 18:Sơ đồ chân IC74LS83.
-A1,A2,A3,A4,B1,B2,B3,B4 : các chân đầu vào của 2 số nhị phân A, B.
- S1,S2,S3,S4: đầu ra nhị phân.
-C4 số nhớ của phép cộng.
CO: số nhớ ban đầu.
22
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
Hình 19: mạch logic của 74LS83.
Quá trình biến đổi nhị phân sang BCD
Đầu tiên ta chuyển số nhị phân 4 bit thành số BCD: hai số BCD có giá
trị từ 0

10
đến 9
10
khi cộng lại cho kết quả từ 0
10
đến 18
10
, để đọc được kết
quả dạng BCD ta phải hiệu chỉnh kết quả có được từ mạch cộng nhị
phân
23
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
Hình 20: kết quả tương đương giữa 3 loại mã.
Nhận thấy:
- Khi kết quả <10 mã nhị phân và BCD hoàn toàn giống nhau
- Khi kết quả >= 10 để có mã BCD ta phải cộng thêm 6 cho mã
nhị phân.
Để giải quyết vấn đề hiệu chỉnh này trước tiên ta sẽ thực hiện một mạch
phát hiện kết quả trung gian của mạch cộng 2 số nhị phân 4 bit.mạch này
nhận kết quả trung gian của phép cộng 2 số nhị phân 4 bit và cho ở ngõ
ra Y=1 khi kết qủa này >= 10,ngược lại,Y=0
24
Đo nhiệt độ dùng Pt100 nhóm 1 TĐH 1 K6
Hình 31: bảng sự thật.
• Ta không dùng ngõ vào S’
1
vì từng cặp trị có C
4
’S
4

’S
3
’S
2
’ giống
nhau thì S
1
’ = 0 và S
1
’ = 1
•
4
' ' ' '
4 3 2
( )Y C S S S
= + +
Dùng bảng Karnaugh xác định được Y
Mạch cộng 2 số được thực hiện theo sơ đồ sau:
25