Nghiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ và thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị máy tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN KTĐ & THCN
--------------- o0o ----------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:

NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ
THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ HIỂN THỊ MÁY TÍNH
Giáo viên hướng dẫn:

Th.S LÊ THỊ THANH HÀ

Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN MINH THƢ
NGUYỄN VĂN QUYẾT
KTĐ&THCN – K3

Líp:

HÀ NỘI - 04/2008

Bé giáo dục và đào tạo
Trường ĐHBK Hà Nội

..……………….

Cộng hoà xã hội chủ nghỉa Việt Nam

Độc lập tự do hạnh phóc

…………………


NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Nguyễn Minh Thư
Nguyễn Văn Quyết
Khoá : K3
Khoa : Điện
1. Đề tài thiết kế:
Ngiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ và thiết kế thiết bị đo nhiệt độ,
hiển thi máy tính.
2. Các số liệu ban đầu :
Dải nhiệt độ đầu vào từ 0á1000C
Sai sè cho phép của thiết bị 1,5%
3. Mục đích yêu cầu của bài toán:
Ngiên cứu các phương pháp đo nhiệt độ
Phân tích đề tài, chọn phán thiết kế
Thiết kế phần cứng tổng thể
Ngiên cứu chi tiết các linh kiên sử dụng trong thiết kế
Tính sai số của mạch thiết kế
4. Các bản vẽ:
Sơ đồ các khối chức năng
Sơ đồ mạch đo
5. Giáo viên hớng dẫn:
Thạc sĩ : Lê Thị Thanh Hà
6. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:
7. Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế:
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(Ký, ghi rõ họ tên)

CÁN BỘ HỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên)

SINH VIÊN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN
(Ký, ghi rõ họ tên)

Mục lục


Chương 1 : Các phương pháp đo nhiệt độ………………
1.1 Khái niệm về nhiệt độ…………………………………
1.1.1 Khái niệm………………………………………..
1.1.2 Thang đo nhiệt độ……………………………….
1.1.3 Sơ lược về phương pháp đo nhiệt độ……………
1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc………………
1.2.1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở…………………
1.2.1.1 Nhiệt điện trở kim loại………………………...
1.2.1.2 Nhiệt điện trở bán dẫn…………………………
1.2.2 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu……………………
1.2.3 IC cảm biến nhiệt độ……………………………….
1.2.3.1 LM335……………………………………….
1.2.3.2 ADC22100……………………………………
1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc…………
1.3.1 Hoả quang kế phát xạ………………………………
1.3.2 Hoả quang kế cường độ sáng………………………
1.3.3 Hoả quang kế màu sác………………………………

Chương 2 : Tính toán và thiết kế tổng thể thiết bị đo……

2.1 Sơ đồ khối của thiết bị đo…………………………………
2.2 Thiết kế phần cứng……………………………………….
2.2.1 senser……………………………………................
2.2.1.1 Khái niệm………………………………………
2.2.1.2 Cấu tạo LM335…………………………………
2.2.1.3 Nguyên lý hoạt động……………………………
2.2.1.4 Sơ đồ chân LM741…………………..


2.2.2 Mạch chuyển đổi chuẩn hoá………………………….
2.2.3 Thiết kế card thu thập và xử lý thông tin……………..
2.2.3.1 ADC 0809 và các mạch phụ…………………….
2.2.3.2 Vi xử lý 89C51 và các mạch phụ…………..
2.2.3.3 Lưu đồ thuật toán chương trình………..
2.2.4 Thiết kế nguồn cung cấp……………………………
2.2.4.1 Khái niệm cơ bản về bô ổn áp………………………
2.2.4.2 Nguyên tắc ổn áp…………………………………...
2.2.4.3 Sơ đồ khối của nguồn cung cấp ổn định……………
2.2.5 Sơ đồ nguyên lý của card thu thập dữ liệu………………

Chương 3 : Linh kiện sử dụng trong thiết kế …………………
3.1 Bộ biến đổi ADC 0809………………………………………
3.1.1 Đặc điểm……………………………………………….
3.1.2 Các thông số kỹ thuật……………………………………
3.1.3 Sơ đồ chân………………………………………………
3.1.4 Nguyên lý………………………………………………
3.1.5 Hoạt động………………………………………………
3.2 Vi xử lý………………………………………………………
3.2.1 Đặc điểm…………………..…………………………...
3.2.2 Mô tả………………………………………………….

3.2.3 Định dạng chân………………………………………….
3.2.4 Sơ đồ chân……………………………………………….
3.2.5 Timer/ Counter…………………………………………..
3.2.6 Chế độ nghỉ……………………………………………...
3.2.7 Chế độ nguồn giảm……………………………………...


3.2.8 Các bit khoá chương trình……………………………….
3.3 Cổng truyền thông RS 232…………………………………...
3.3.1 Về chuẩn RS 232………………………………………...
3.3.2 Cổng nối tiếp RS 232……………………………………
3.3.3 Các yêu cầu của chuẩn RS 232 víi phần tạo dạng phát…
3.4 Giới thiệu về máy tính PC……………………………………
3.4.1 Giới thiệu chung về máy tính……………………………
3.4.2 Các cổng vào ra của máy tính…………………………...
3.4.3 Cổng nối tiếp…………………………………………….

Chương 4 : Đánh giá sai sè chung……………………………
4.1 Sai số của senser………………………………………
4.2 Sai số của bộ khuếch đại…………………………….
4.3 Sai số của ADC………………………………………………
4.3 Kết luận => sai số toàn mạch……………………..
4.4 Cách hiệu chỉnh sai số………………………………………

Lời nói đầu


Đo nhiệt độ là một trong các phương pháp cơ bản và thường gặp trong
đo lường, nó đã có từ lâu, mỗi giai đoạn có những phương pháp đo khác
nhau. Trước đây khi công nghệ điên tử và bán dẫn chưa phát triển thì các

mạch đo chủ yếu dùa trên kỹ thuật tương tự, phương pháp xử lý chủ yếu dùa
vào phần cứng cho nên giá trị đó có sai số lớn, thiết bị cồng kềnh, lắp đặt
không thuận tiện . Đến đầu những năm 80 và nhất là những năm cuối thế kỷ
20, khi công nghệ bán dẫn và vi mạch phát triển mạnh, cùng với sự phát
triển của khoa học kỹ thuật đặc biệt là kỹ thuật số đã được ứng dụng rộng rãi
trong các ngành đo lường điều khiển làm thay đổi hẳn phương pháp xử lý tín
hiệu đo. Trước đây xử lý tín hiệu đo chủ yếu là đo bằng phần cứng thì ngày
nay việc xử lý được mềm hoá cùng với sự ra đời của những sensor thông
minh đã làm cho các thiết bị đo ngày càng thông minh và độ chính xác cao
hơn. Ngày nay xuất hiên nhiều phương pháp đo nhiệt độ sử dụng cảm biến
loại cặp nhiệt, nhiệt điện trở hay bán dẫn hoặc sử dụng phương pháp phân
tích phổ để xác định nhiệt độ. Đối với những nơi không trực tiếp đặt được
các đầu đo nhiệt độ (nơi có nhiệt độ quá cao). Nhìn chung các phương pháp
đo nhiệt độ có nhiều nét giống nhau nhưng cách xử thì có thể khác nhau, tuỳ
vào mục đích và yêu cầu kỹ thuật đối với từng công việc cụ thể nhưng mục
đích cuối cùng của phép đo là thể hiện giá trị nhiệt độ với khoảng sai sè cho
phép có thể chấp nhận được.
Phần chi tiết em xin trình bày dưới đây.


Chƣơng 1
CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ
1.1 Khái niệm về nhiệt độ:
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( 0C ) = T( 0K ) – 273,15.
Thang Farhrenheit: T( 0F ) = T( 0K ) – 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 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)…
1.2 Đo nhiệt độ bằng phƣơng pháp tiếp xúc
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 0C…


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 2500C ). 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 0C ).
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 100 ở 00C. 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 0C được biểu diễn bằng biểu thức:
Rt = Ro(1+At+Bt2 )
Trong đó Ro là nhiệt độ ở 00C
Đối với bạch kim tinh khiết thì: A = 3,940.10-3/ 0C
B = -5,6.10-7/ 0C
Trong khoảngtừ -190  00C thì quan hệ giữa điện trở của bạch kim với
nhiệt độ có dạng: Rt = { 1+At+Bt2+C(t-100)3

Trong đó C = -4,10.10-12/ 0C
Đối với đồng ta có công thức: Rt = Ro(1+t).
Trong đó: Ro - điện trở ở nhiệt độ 00C
0 - hệ số nhiệt độ đối với khoảng nhiệt độ bắt đầu từ 00V
bằng 4,3.10-3/ 0C.