Tính toán thiết kế hệ thống đo phản hồi và ổn định nhiệt độ môi trường

ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP
KHOA ĐIỆN TỬ
Bộ mơn : CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO CƠ
ĐIỆN TỬ
Sinh viên : Vũ Xuân Hiếu - K165520114052
Dương Đăng Hoàng – K165520114025
Lớp
: K52.CĐT1
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đăng Hoè

Thái Nguyên 2019

TRƯỜNG ĐHKTCN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN TỬ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

1


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
MÔN HỌC: Thiết kế hệ thống đo cơ điện tử.
BỘ MÔN: CƠ ĐIỆN TỬ
Sinh viên: Vũ Xuân Hiếu - K165520114052
Dương Đăng Hoàng – K165520114025
Lớp
: K52.CĐT1
Ngành : Kỹ thuật Cơ – điện tử.
Ngày giao đề: 21/10/2019
1.Tên đề tài:

Ngày hoàn thành: 21/8/2019

Tính toán thiế t kế hê ̣ thố ng do phản hồ i và ổ n dinh
̣ nhiê ̣t đô ̣ mơi trường

2. Nội dung thuyết minh tính tốn:
Tổng quan về cơ điện tử.
Tổng quan về đối tượng thiết kế.
Thiết kế và ổn định hệ thống.
Kết luận, hướng phát triển tương lai và áp dụng.
3. Các bản vẽ, chương trình và đồ thị.
TRƯỞNG BỘ MÔN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………..…………………………….
……………..………………………………………………………….
…………………………………………………………………………

2


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ

…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Thái Nguyên, Ngày…..tháng…..năm 2019
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM
…………………………………………..…………………………….
……………..………………………………………………………….
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………

Thái Nguyên, Ngày…..tháng…..năm 2019
GIÁO VIÊN CHẤM

(Ký ghi rõ họ tên)

LỜI CAM ĐOAN
Chúng em xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng chúng em
và được sự hướng dẫn khoa học của Thầy Nguyễn Đăng Hoè. Các nội dung
nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa cơng bố dưới bất kỳ
hình thức nào trước đây. Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc

3


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau.
Ngồi ra, trong đồ án cịn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của
các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào chúng em xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm về nội dung đồ án của mình. Trường Đại học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái
Nguyên không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do chúng em
gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có).

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian tìm hiểu và làm đồ án, được sự giảng dạy, hướng dẫn
và giúp đỡ tận tình từ thầy Nguyễn Đăng Hoè cùng các thầy cô bộ môn Cơ điện
tử đã giúp chúng em hoàn thành đề tài.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Đăng Hoè cùng các
thầy cô bộ môn cơ điện tử đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức rất bổ ích
khơng chỉ cần thiết cho đồ án mà cịn cần thiết cho cơng việc và cuộc sống.

4


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ

LỜI NÓI ĐẦU
Việc ứng dụng vi điều khiển và máy tính vào kỹ thuật đo lường, điều
khiển đã đem lại cho con người những kết quả hết sức ưu việt. Trong nhiều lĩnh
vực sản xuất công nghiệp hiện nay, nhất là trong các ngành công nghiệp, điện
tử, robot, hằng không vũ trụ… vấn đề đo và thu thập dữ liệu về động cơ có vai
trị quan trọng ảnh hưởng trực tiếp tới các bộ phận cơ cấu chấp hành. Các hệ
thống đo lường và điều khiển sử dụng vi điều khiển có độ chính xác cao, thời
gian thu thập số liệu ngắn, nhưng điều đáng quan tâm hơn là mức độ tự động
hoá trong việc thu thập và xử lý kết quả đo.
Sau khi nhận đề tài “Tính toán thiế t kế hê ̣ thố ng do phản hồ i và ổ n dinh
̣
nhiê ̣t độ môi trường ” chúng em đã vận dụng tất cả các kiến thức và năng lực đã
tính luỹ và nghiên cứu thêm về phần tử điều khiển là vi điều khiển avr để hoàn
thành được đề tài này với mong muốn sẽ có một kiến thức sâu sắc, thực tế hơn
và góp phần vào sự phát triển của nền sản xuất tự động hóa của nước nhà.
Những kiến thức chúng em tích luỹ được cịn nhiều hạn chế nên trong q
trình thực hiện đề tài khơng thể tránh khỏi những sai sót và cịn thiếu kinh
nghiệm trong việc trình bày, do đó chúng em rất mong nhận được sự góp ý và bổ
sung của các thầy, cô và các bạn theo dõi đề tài này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Đăng Hoè cùng
các thầy, cô trong bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã
hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này.
Thái Nguyên, ngày

5

tháng

năm 2019

ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ

PHẦN MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Ngày nay khoa học công nghệ hiện đại đã có những bước tiến nhanah và
xa ,đi theo nó là những thành tựu uwngd dụng trong lĩnh vực đời sống,cơng
nghiệp. kỹ thuật điều khiển trong tiến trình hoàn thieenjlys thuyết cũng đã tạo cho
con người nhiều phát triển ý nghĩa.bây giờ khi nhắc tới điều khiển dường như
hình dung tới độ chính xác,tốc độ xử lý và thuật tốn thơng minh đồng nghĩa là
lượng chất xám cao hơn.hiện nay trên thị trường có rất nhiều Loại vi điều khiển
như 8051,PIC…Ngoài họ 8051 được hướng dẫn một cách căn bản ở trường
,chúng em đã chọn bo mạch tích hơp Arduino Uno để mở rộng kiến thức và phát
triển các ứng dụng trên cơng cụ này vì các ngun nhân sau:
Có đầy đủ tính năng của một vi điều khiển
Cách lập trình,nạp chương trình,kết nối bo mạch với lcd ,cảm biến phổ biến
và dễ dàng.
Là một bo mạch được sử dụng rộng dãi ở Việt Nam cũng như trên thế giới
do đó thuận tiện trong việc tìm hiểu và phát triển các ứng dụng như:số lượng tài
liệu,số lượng các ứng dụng mở đã được phát triển dễ dàng trao đổi,học tập,dễ
dàng tìm được hỗ trợ khi gặp khó khăn.
Vì vậy sau một thời gian học tập và tìm hiểu tài liệu với sự giảng dạy của
các thầy cô giáo cùng với sự dẫn dắt nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn thầy
Nguyễn Ngọc Hà chúng em đã chọn đề tài :” Thiết kế hệ thống đo phản hồi và ổn
định nhiệt độ mơi trường” làm đồ án của mình.

Mục đích nghiên cứu
Mục đích của người thực hiện đề tài đã tiến hành nghiên cứu là: Trước tiên là để
hoàn thành môn học .

Với bản thân người thực hiện đề tài, đây chính là một cơ hội tốt để có thể
tự kiểm tra lại kiến thức của mình, đồng thời có cơ hội để nỗ lực vận động tìm
hiểu, tiếp cận nghiên cứu được với những vấn đề mình chưa biết, chưa hiểu rõ
nhằm trang bị cho bản thân nhiều kiến thức bổ ích sau này có thể ứng dụng vào
thực tế cuộc sống.

6


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
Tập tính làm việc độc lập, khả năng tự suy nghĩ tìm tịi, học hỏi, phát huy
năng lực của bản thân.
Ngồi ra cịn tạo được 1 sản phẩm có tính ứng dụng trong thực tế.

Đối tượng nghiên cứu:
- Các phương án điều khiển và xử lý dữ liệu ra LCD.
- Tìm hiểu về Arduino nano V3.
- Tìm hiểu phương pháp lập trình cho Arduino nano V3.
- Giao tiếp giữa cảm biến đo nhiệt độ và Arduino nano V3.

Lập kế hoạch nghiên cứu:
- Để thực hiện đề tài này em đã kết hợp sử dụng nhiều phương pháp và phương
tiện hỗ trợ gồm có:
- Tham khảo tài liệu:lập trình trong kỹ thuật ,vi điều khiển và ứng dụng Arduino
dành cho người tự học…
- Quan sát thực tế.
- Thực nghiệm.
- Tổng kết kinh nghiệm.
- Phương tiện: máy vi tính, Internet, thư viện….

7


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO
CƠ ĐIỆN TỬ
1.1. Giới thiệu cơ điện tử và hệ thống đo lường
 Hệ thống cơ điện tử
Tổng hợp sơ đồ nguyên lý sản phẩm Cơ điện tử nhằm thể hiện được các
mô đun cấu thành nên sản phẩm, thấy được sự tích hợp và ghép nối giữa các thành
phần này. Có thể biểu diễn sơ đồ này dưới dạng khối như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống Cơ điện tử
Trong đó ý nghĩa các khối được như sau:
- Phần công tác: là phần trực tiếp đưa ra các thao tác công nghệ.
- Đo lường : là modul kết nối đối tượng với bộ điều khiển, nó tạo tín hiệu
phản hồi làm đầu vào cho bộ điều khiển.
- Mơ hình hóa: là modul tạo tín hiệu đặt cho bộ điều khiển.
- Bộ điều khiển: nhận tín hiệu từ modul đo lường, tính tốn hiệu chỉnh và
đưa lệnh điều khiển nguồn động lực để có các thao tác chính xác.
- Cơ cấu chấp hành (CCCH): là modul tạo nguồn động lực cho phần cơng
tác, nó nhận lệnh điều khiển trực tiếp từ bộ điều khiển.
- DSP: Khối xử lý tín hiệu số. Qua sơ đồ trên ta có thể thấy, từ phần cơng
tác (có thể là điện, hệ cơ học, máy công cụ, tay máy,…) bằng cách xem xét cấu
trúc và các mối quan hệ động lực học nội tại của đối tượng ta thiết lập được
phương trình tốn mơ tả hoạt động của đối tượng, đó chính là mơ đun Mơ hình

8

ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
hóa. Từ đó phương trình này ta có thể xác định được các yếu tố động lực học cần
thiết để đối tượng thực hiện được đầu ra đúng ý đồ công nghệ. Các thông số động
lực học này sẽ được lưu trữ trong Bộ điều khiển dưới dạng tín hiệu đặt phục vụ
cho việc hiệu chỉnh hệ thống. Khi đối tượng hoạt động, tín hiệu ra thường được
giám sát bởi các Sensor, đó chính là Mơ đun đo lường được bố trí ở cuối hệ thống
để thu thập được thông tin hoạt động của Phần cơng tác, tín hiệu thu được thường
ở dạng Analog nên cần phải mã hóa và xử lý trước khi đưa vào Bộ điều khiển
(Bộ điều khiển làm việc với Digital Signal). Quá trình này được thực hiện nhờ
Bộ DSP 1 (mơ đun xử lý tín hiệu), có q trình này có thể gồm chuyển đổi AD,
lọc, điều chế… Dưới sự tích hợp của các thành phần bao gồm: Máy tính, mạch
điện tử, Vi xử lý thì Bộ điều khiển tiến hành so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu
đặt và tính tốn để đưa ra hiệu chỉnh khi có sai lệch hoặc có sự thay đổi tín hiệu
đặt. Tín hiệu điều khiển được đưa ra bởi bộ điều khiển ở dạng số (Digital) nên
phải qua Bộ DSP2 để biến đổi DA đưa về dạng Analog để tác động lên CCCH
(cơ cấu chấp hành) để điều khiển nó cung cấp nguồn động lực giúp phần cơng tác
hoạt động đúng ý đồ cơng nghệ mong muốn.

Hình 1.2: Mơ hình hệ thống Cơ điện tử.

 Vị trí, vai trị của hệ thống đo trong hệ thống cơ điện tử
Module đo lường được bố trí ở cuối hệ thống để thu thập được thông tin
hoạt động của Phần công tác, hệ thống đo tạo ra sự kết nối và tương tác giữa phần
9


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
công tác và bộ điều khiển, từ hệ thống đo ta có tín hiệu phản hồi để làm đầu vào
khởi tạo bài tốn hiệu chỉnh ở bộ điều khiển.

Tín hiệu thu được từ hệ thống đo thường ở dạng Analog nên cần phải mã
hóa và xử lý trước khi đưa vào Bộ điều khiển (Bộ điều khiển làm việc với Digital
Signal). Quá trình này được thực hiện nhờ Bộ DSP 1 (mơ đun xử lý tín hiệu), các
q trình này có thể gồm khuếch đại, chuyển đổi AD, lọc, điều chế, tách sóng…
Khuếch đại: khi tín hiệu nhỏ thì cần khuếch đại, bản chất quá trình này là
dùng các mạch khuếch đại có thể làm tăng biên độ hoặc tần số của tín hiệu cho
phù hợp.
Chuyển đổi AD: chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, bản chất
q trình này là mã hóa thơng tin.
Lọc: là q trình ngăn khơng cho một số tín hiệu có tần số tạp đi qua, q
trình này giúp loại bỏ các tín hiệu nhiễu từ bên ngoài tác động vào hệ thống.
Điều chế: khi cần truyền dẫn không dây trong trường hợp trung tâm điều
khiển nằm cách xa phần công tác. Bản chất quá trình này là ghép tín hiệu cần xử
lý có biên độ nhỏ vào sóng mang cao tần để có đủ năng lượng truyền đi xa mà
khơng làm méo dạng tín hiệu.
Tách sóng: là q trình thu hồi lại tín hiệu nguyên thủy từ tín hiệu điều chế.

1.1

Tổng quan về chức năng của đối tượng thiết kế

Trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay, nhất là trong các
ngành công nghiệp luyện kim, chế biến thực phẩm…vấn đề đo và khống chế nhiệt
độ, độ ẩm đặc biệt được chú trọng vì nó là một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến
chất lượng sản phẩm hết sức quan trọng. Các bài toán thường đặt ra trong thực tế
là: giám sát nhiệt độ, độ ẩm từ môi trường làm việc phản hồi thơng tin cho bộ
điều khiển để từ đó so sánh với vùng nhiệt độ và độ ẩm làm việc và đưa ra tín
hiệu điều khiển hệ thống nhằm đảm bảo các q trình như: đảm bảo an tồn cho
hệ thống (đề phòng quá nhiệt), ổn định nhiệt độ, độ ẩm (làm mát hoặc tăng năng
suất cấp nhiệt, ẩm), báo động an tồn,v.v…Trong q trình hoạt động, u cầu

về tín hiệu phản hồi phải được biến đổi tương thích với bộ điều khiển (dạng tín
hiệu số). Để đáp ứng được các yêu cầu trên thì hệ thống cần thiết kế cần đảm bảo
các khối chức năng như sau:

10


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
 Khối thu thập dữ liệu: đảm bảo quá trình giám sát nhiệt độ, độ ẩm, biến đổi
tín hiệu sơ cấp và phản hồi.
 Khối xử lý tín hiệu: cần thực hiện các q trình biến đổi AD, khuếch đại,
lọc, có thể cả điều chế và giải điều chế, truyền dẫn tín hiệu về bộ điều khiển.
 Bộ điều khiển và xử lý dữ liệu: lưu trữ giá trị tín hiệu phản hồi, thực thi
giải quyết các bài tốn được lập trình.

1.3 Các yêu cầu kỹ thuật cần đạt được khi vận hành
Đo nhiệt độ trong lò ấp trứng để cung cấp dữ liệu giám sát và điều
khiển cơ cấu chấp hành.
Độ chính xác cảm biến đạt được : ± 2 ºC
Tốc độ lấy mấu : 0,1s
Với thị trường: làm quy mô cơng nghiệp kích thước lớn,khơng
phù hợp với quy mơ nhỏ lẻ của gia đình,giá thành đắt khó tiếp cận các
hộ chăn nuôi nhỏ lẻ.
Hiệu suất sp làm cao hơn,giá thành phù hợp,tập hợp nguyên vật
liệu sẵn có,giá cả phù hợp.
Cấu tạo đơn giản dễ chế tạo sử dụng.
1.4 : Tính tích hợp và phạm vi
Sản phẩm được tích hợp nhiều trong các hệ thống, modul có thể
dễ ghép nối, và cũng cấp tín hiệu cho các hệ thống cơ điện tử phổ biến
trong thị trường như : điều hòa ổn định trong nhà ni trồng rau trong

nhà kính, phịng trồng nấm…
1.5: An tồn hệ thống vận hành
Hệ thống được tích hợp từ các modul được sử dụng nguồn
5VDC và được cách ly với môi trường xung quanh nên rất an toàn
cho người sử dụng và vận hành.
1.6 Các hệ thống con và phân chia nhiệm vụ

11


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
 Sơ đồ làm việc tổng thể của hệ thống
Khối cảm biến
DHT11

Khối nguồn
điều khiển

Xử lý tín hiệu đo
(ATmega 328P)

Khối hiển thị
(LCD)

 Khối cảm biến (thu thập tín hiệu đầu vào): Thực hiện đo nhiệt độ của lò
ấp trứng 24/24 để trả kết quả về khối xử lý tín hiệu đo.
 Khối xử lý tín hiệu đo: Nhận dữ liệu về nhiệt độ của DHT11 thực hiện tính
tốn kết quả rồi gửi ra hiển thị và điều khiển về nhiệt độ yêu cầu của lò ấp.
 Khối hiển thị và lưu trữ : Hiển thị giá trị trước và sau khi điển khiển.
 Khối điều khiển : Thực hiện tăng hoặc giảm nhiệt độ về giá trị cần.

12


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN CẤU TRÚC HỆ
THỐNG
2.1 Sơ đồ khối và chức năng của hệ thống
Nhiêṭ đô ̣ môi

Khối

trường

nguồn

Khố i công
suấ t

Cảm Biế n

Khớ i điề u

LCD hiể n

DHT11

khiển

thi ̣

(Arduino
Hình2.1: Sơ đồ tổng thể của hệ thống.
Để thiết kế, chế tạo hệ thống đo và không chế nhiệt độ tự động bằng bóng
đèn phải đảm bảo nhiều yếu tố. Cụ thể là nhiệt độ như sau:
Để điều khiện bóng đèn bật hay tắt thì cũng giống như cơng tắc điện. Quan
trọng là bật khi nào và tắt khi nào và phải được thực hiện một cách tự động. Giống
như khi nhiệt độ trong lị ấp ở mức thấp 47oC thì bóng đèn tự bật và khi nhiệt độ
trong phòng ở mức 50oC thì bóng đèn tự động tắt. Để làm được điều này thì
chúng ta phải có một thiết bị đo nhiệt độ, và khi nhiệt độ hiện tại lớn hơn hay nhỏ
hơn mức điện áp ngưỡng đã cài đặt thì bóng đèn sẽ được điều khiển theo chế độ
đã định sẵn.
Khối nguồn : lấy DC đầu vào 12V cấp cho khối xử lý, hiển thị và .
Khối điề u khiể n : có vai trị nhận tín hiệu từ cảm biế n và đưa vào xử lý
cho ra tín hiệu hiển thị và xuất xung điều khiển ra màn hiǹ hiể n thi ̣của LCD .
Khối cơng suất : có vai trò điều khiển trực tiếp bóng đèn và qua ̣t gió khi
nhiêṭ đô ̣ tăng và giảm khỏi mức đã quy đinh
̣ .
Khối hiển thị LCD: hiển thị nhiệt độ và đơ ̣ ẩ m mơi trường .

2.2 Tính tốn và lựa chọn thiết bị
2.2.1 Các cơ sở chung và phân loại các phương pháp đo nhiệt độ

13


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
Tùy theo nhiệt độ đo có thể dùng các phương pháp khác nhau, thường phân
loại các phương pháp dựa vào dải nhiệt độ cần đo. Thông thường nhiệt độ đo

được chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình và cao.
Ở nhiệt độ trung bình và thấp: phương pháp thường dùng để đo là phương pháp tiếp xúc
nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo.

Đối với nhiệt độ cao: đo bằng phương pháp khơng tiếp xúc, dụng cụ đặt ở
ngồi mơi trường đo.
2.2.2 Các phương pháp đo tiếp xúc
Trong công nghiệp, phương pháp đo thường được sử dụng là các nhiệt kế
tiếp xúc. Có hai loại nhiệt kế tiếp xúc gồm:
- Nhiệt kế nhiệt điện trở.
- Nhiệt kế nhiệt ngẫu. Ngoài ra, hiện nay đối với các ứng dụng đơn giản, dải
nhiệt độ cỡ -55oC ÷ 200oC người ta thường dùng các IC bán dẫn ứng dụng
tính chất nhạy nhiệt của các đi ốt, tranzito để đo nhiệt độ.
- Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp
ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với
môi trường đo:
- Đối với mơi trường khí và nước: chuyển đổi được đặt ngược lại với dòng
chảy.
- Với vật rắn: đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang
chuyển đổi và dễ gây tổ hao vật, nhất là với vật dẫn nhiệt kém. Do vậy
diện tích tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt.
- Khi đo nhiệt độ của các chất ở dạng hạt (cát, đất…): cần phải cắm sâu nhiệt
kế vào môi trường cần do và thường dùng nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài.

 Nhiệt kế nhiệt điện trở (Resistance Thermometer)
Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể chế tạo từ dây platin, đồng, Niken, bán dẫn,…
quấn trên một lõi cách điện đặt trong vỏ kim loại có đầu được nối ra ngồi. Nhiệt
kế nhiệt điện trở có thể dùng mạch đo bất kỳ để đo điện trở nhưng thông thường
hay dùng mạch cầu không cân bằng, chỉ thị là lôgômét từ điện hoặc cầu tự động
cân bằng, trong đó một nhánh là nhiệt điện trở.

14


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
Bù sai số do sự thay đổi điện trở của đường dây khi nhiệt độ môi trường
thay đổi.
Để giảm sai số do nhiệt độ môi trường thay đổi, người ta sử dụng mạch cầu
ba dây như hình 2.1

Hình 2.1 Mạch cầu ba dây giảm sai số do nhiệt độ môi trường thay đổi
Thực chất khi cầu làm việc ở chế độ không cân bằng sai số chủ yếu là do
sự thay đổi điện áp của nguồn cung cấp gây nên.
Trong các ngành công nghiệp hiện nay, để đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở người ta thực
hiện trên mạch cầu tự động ghi. Phương pháp này có thể đo nhiệt độ tại một điểm hoặc
một số điểm nhờ cơ cấu chuyển mạch. Cấp chính xác có thể đạt đến 0.5.

 Nhiệt kế cặp nhiệt mẫu
Phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu là một trong những phương
pháp phổ biến và thuận lợi nhất.
Cấu tạo của nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu như hình 2.2:

Hình 2.2: Cấu tạo của nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu
15


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ

Cấu tạo của nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu gồm hai dây hàn với nhau ở điểm 1 và
luồn vào ống 2 để có thể đo được nhiệt độ cao. Với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt

kế có thể làm bằng thép khơng rỉ. Để cách điện giữa hai dây, một trong 2 dây
được lổng vào ống nhở 3. Nếu vỏ làm bằng kim loại thì cả hai dây đặt vào ống
sứ.
Đầu ra của cặp nhiệt ngẫu được nối vào hộp đầu nối 4. Mạch đo của nhiệt
kế nhiệt ngẫu là milVonmet hoặc điện thế kế điện trở nhỏ có giới hạn đo từ 0 ÷
100mV.

 Đo nhiệt độ cao bằng phương pháp tiếp xúc
Ở môi trường nhiệt độ cao từ 1600oC trở lên, các cặp nhiệt ngẫu khơng
chịu được lâu dài vì vậy để đo được nhiệt độ ở mơi trường đó người ta dựa trên
hiện tượng quá trình quá độ đốt nóng của cặp nhiệt
Ngun lý hoạt động: q trình q độ khi đốt nóng cặp nhiệt có phương
trình

θ = ƒ (t) = ∆T.(1-𝑒 𝑡/τ )
với:

θ - lượng tăng nhiệt độ của đầu nóng trong thời gian t.
∆T - hiệu nhiệt độ của môi trường đo và cặp nhiệt.
τ - hằng số thời gian của cặp nhiệt ngẫu.

Dựa trên quan hệ này có thể xác định được nhiệt độ của đối tượng đo mà
không cần nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu phải đạt đến nhiệt độ ấy bằng
cách nhúng nhiệt ngẫu vào môi trường cần đo trong khoảng 0,4 ÷ 0,6 s ta sẽ được
phần đầu của đặc tính q trình q độ của nhiệt ngẫu và theo đó tính được nhiệt
độ của mơi trường.
Đặc điểm: nếu nhiệt độ đầu công tác của cặp nhiệt ngẫu trong thời gian
nhúng vào môi trường cần đo đạt nhiệt độ vào khoảng một nửa nhiệt độ mơi
trường thì nhiệt độ tính được có sai số khơng q hai lần sai số của nhiệt kế nhiệt
ngẫu đo trực tiếp. Phương pháp này thường dùng để đo nhiệt độ của thép nấu

chảy.

 Đo nhiệt độ dùng các phần tử bán dẫn (điốt và tranzito):

16


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
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 điốt hoặc tranzito nối theo
kiểu điốt (nối bazơ với colectơ), khi đó điện áp giữa hai cực U là hàm của nhiệt
độ. Để tăng độ tuyến tính, độ ổn định và khả năng thay thế người ta mắc theo sơ
đồ hình 2:

Hình 2.3. Sơ đồ mạch nguyên lý của IC bán dẫn đo nhiệt độ
Khi nhiệt độ thay đổi ta có:

Ud = EBE1 – EBE2 =

𝐾.𝑇
𝑞

𝐼

. ln( 𝑐1 )
𝐼𝑐2

Với Ic1/ Ic1 = const thi Ud tỉ lệ với nhiệt độ T mà không cần nguồn ổn định.
Hiện nay các cảm biến đo nhiệt độ dụng điốt hoặc tranzito đã được tích
hợp thành các IC bán dẫn đo nhiệt độ. Các cảm biến này cho đầu ra là điện áp

hoặc dòng điện tỉ lệ với nhiệt độ cần đo với độ tuyến tính cao, sử dụng đơn giản.
Đặc điểm : Độ nhạy của các loại IC bán dẫn đo nhiệt độ thường có giá trị
cỡ -2,5mV/oC và không cố định mà thường thay đổi theo nhiệt độ.
Ưu điểm : độ tuyến tính cao, sử dụng đơn giản và có độ nhạy cao.
Nhược điểm : giới hạn phạm vi sử dụng chỉ trong khoảng -500C ÷ 1500C,
do
giới hạn chịu nhiệt của các phần tử bán dẫn.

2.2.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc.

 Phương pháp hỏa quang kế:
17


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là
vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khả năng lớn nhất. Bức xạ nhiệt của
mọi vật thể có thể đặc trưng bằng một mật độ phổ Eλ nghĩa là số năng lượng bức
xạ trong một đơn vị thời gian với một đơn vị diện tích của vật và xảy ra trên một
đơn vị của độ dài sóng.
Tùy theo đại lượng vào ta gọi dụng cụ đo theo phương pháp trên bằng tên
gọi khác nhau như: hoả quang kế phát xạ, hoả quang kế cường độ sáng và hoả
quang kế màu sắc.

2.3 Trong hệ thống sử dụng
Một số linh kiện chính:
-

Adruino Nano V3
Cảm biến DHT11

Điện trở
LCD

 Adruino ATmega 328
 Chíp vi xử lý ATmega328

Hình 2.2:Sơ đồ chân
 Bảng vi điều khiển

18


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ

Hình 2.3: Bảng vi điều khiển Adruino Nano
Adruino Nano
Số chân analog I/O
Cấu trúc
Tốc độ xung
Dòng tiêu thụ I/O
Số chân digital I/O
Bộ nhớ EEPROM
Bộ nhớ Flash

Thông số kỹ thuật
8
AVR
16Mhz
40mA
22

1KB
32KB of which 2KB used by
Bootloader
Điện áp ngõ vào
(7-12)Volts
Vi xử lý
ATmega328P
Điện áp hoạt động
5V
Kích thước bo mạch
18x45 mm
Nguồn tiêu thụ
19mA
Ngõ ra PWM
6
SRAM
2KB
Cân nặng
7gms
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật

 Cảm biến nhiệt độ DHT11
19


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
Nhiệt độ có thể được biến đổi thành tín hiệu điện sử dụng một số bộ biến
đổi gọi là Thermistor (bộ cảm biến nhiệt), một bộ cảm biến nhiệt đáp ứng sự thay
đổi nhiệt độ bằng cách thay đổi trở kháng nhưng đáp ứng của nó khơng tuyến tính
(bảng 3.1).

Bảng 3.1 Trở kháng của bộ cảm biến nhiệt theo nhiệt độ
Nhiệt độ (oC)

Trở kháng của cảm biến (kΩ)

0

29.490

25

10.000

50

3.893

75

1.700

100

0.817

Hình 3.3 Cảm biến nhiệt độ DHT11
Để đo độ ẩm, họ sử dụng thành phần cảm biến độ ẩm có hai điện cực với
chất giữ ẩm giữa chúng. Vì vậy, khi độ ẩm thay đổi, độ dẫn của chất nền thay đổi
hoặc điện trở giữa các điện cực này thay đổi. Sự thay đổi điện trở này được đo và
xử lý bởi IC khiến cho vi điều khiển luôn sẵn sàng để đọc.

Sơ đồ nguyên lí của cảm biến độ ẩm trong đất được trình bày như hình dưới.
Mặt khác, để đo nhiệt độ, các cảm biến này sử dụng cảm biến nhiệt độ NTC
hoặc nhiệt điện trở.
Một nhiệt điện trở thực sự là một điện trở thay đổi điện trở của nó với sự
thay đổi của nhiệt độ. Những cảm biến này được chế tạo bằng cách thiêu kết các
vật liệu bán dẫn như gốm hoặc polyme để cung cấp những thay đổi lớn hơn trong
điện trở chỉ với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ. Thuật ngữ có tên là “NTC” có
nghĩa là hệ số nhiệt độ âm, có nghĩa là điện trở giảm khi nhiệt độ tăng.
20


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
 Một số tính chất của DHT11:
DHT11 Là cảm biến rất thơng dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ
liệu thông qua giao tiếp 1-wire (giao tiếp digital 1-wire truyền dữ liệu duy nhất).
Cảm biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận về được chính
xác mà khơng cần phải qua bất kỳ tính tốn nào.
Các thơng số cơ bản:
Điện áp hoạt động: 3V - 5V (DC)
Dãi độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH
Dãi nhiệt độ hoạt động: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C
Khoảng cách truyển tối đa: 20m

 Màn hình hiển thị LCD 16x2

Hình 2.4: LCD 16x2
LCD dung để giáo tiếp với Vi xử lý ở chế độ 4 bit sử dụng chân DB4-DB7
STT
1
2

3
4

Ký hiệu
Vss
VDD
VEE
RS

5

R/W

Chức năng
Chân là chân nối đất cho LCD
Cung cấp nguồn cho LCD hoạt động
Chân này dùng để điều chỉnh độ tương phản của LCD
Chân chọn thanh ghi(Register select).Nối chân này với mức
“0” hoặc mức “1” để chọn thanh ghi
-Mức “1” :thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD sẽ kết nối
với Bus DB0-DB7
-Mức “0”: thanh ghi lệnh IR của LCD hoặc với bộ đếm địa
chỉ sẽ kết nối với Bus DB0-DB7
Chân chọn mode .LCD đọc khi chân này nối với mức “1”
nối chân này với mức “0” để LCD ghi

21


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ

6

E

Chân cho phép(enable).Sau khi các tín hiệu đặt lên bus DB0DB7 các lệnh chỉ chấp nhận khi có 1 xung cho phép của
chân E
-Ở chế độ ghi:Dữ liệu ở bus sẽ được chuyển vào thanh ghi
bên trong LCD khi phát hiện 1 xung cho phép của chân E
-Ở chế độ đọc: Dữ liệu LCD sẽ xuất ra DB0-DB7 khi phát
hiện cạnh lên của chân E và được giữ ở bus cho đến khi chân
E xuống mức thấp

7

DB0-DB7

dùng để trao đổi thông tin với MPU bằng 8 đường bus này
Có 2 chế độ sử dụng:
-Chế độ 8 bit: 8 đường bus dùng để truyền dữ liệu với bit
MSB là bit DB7
-Chế độ 4 bit: 4 đường bus dùng để truyền dữ liệu từ DB4
đến DB7, với MSB là DB7.

Bảng 2.2: Chức năng của các chân LCD

 Sơ đồ ghép nối các modul mô phổng trên Proteus

Nguyên lý hoạt động : Sau khi cấ p nguồ n cho hê ̣ thố ng , sau 5 giây giao
diêṇ màn hiề n LCD hiể n thi nhiê
̣

̣t đô ̣ hiêṇ ta ̣i trong lò và sau đó mời lựa cho ̣n chế
đô ̣ làm viê ̣c trong lò , nút bấ m 1 cho ̣n chế đô ̣ nhiêṭ đô ̣ từ 40-43 đô ̣ , nút bấ m 2
cho ̣n nhiêṭ đô ̣ từ 47 -50 đô ̣ , sau khi nhấ t nút bấ m thứ nhấ t nế u nhiêṭ đô ̣ trong lò
nhỏ hơn nhiêṭ đô ̣ giới ha ̣n dưới thì arduino sẽ điề u khiể n rơle bâ ̣t bâ ̣t bóng đèn lên
và sưởi tới nhiêṭ đô ̣ giới ha ̣n trên yêu cầ u sau khi đã đa ̣t tới nhiêṭ đô ̣ yêu cầ u thì
sau 1 giây sẽ dừng la ̣i . nút hai giố ng như nút mô ̣t . Nế u cả 2 nút cùng bấ m thì hê ̣

22


ĐỒ ÁN CÁC HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
thố ng báo lỗi yêu cầ u chúng ta cho ̣n la ̣i . Khi đang làm viê ̣c ở mô ̣t trong 2 chế đô ̣
nế u chúng ta tắ t đi thì lò vẫn sấ y tới nhiêṭ đô ̣ giới ha ̣n trên yêu cầ u rồ i bóng đèn
mới tắ t để chúng ta lựa chon chế đô ̣ mới .

23