Đồ án Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị đo các đại lượng không điện

LỜI NÓI ĐẦU
Kỹ thuật đo lường ngày nay đang được sử dụng rộng rãi trong các nhiệm vụ kiểm tra tự động, tự động hóa các quá trình sản xuất và công nghệ cũng như trong các công tác nghiên cứu khoa học của tất cả các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật khác nhau. Để thực hiện được các nhiệm vụ đó cần thiết phải tiến hành đo các đại lượng vật lí khác nhau, đó là các đại lượng điện, các đại lượng hình học( kích thước), cơ học, nhiệt học, hóa học, các đại lượng từ, các đại lượng hạt nhân nguyên tử. Là những sinh viên năm cuối được làm đồ án tốt nghiệp là cơ hội cho sinh viên tìm hiểu thêm về kiến thức thực tế cũng như củng cố kiến thức đã học, nhóm chúng em đã được giao đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị đo các đại lượng không điện”. Trong quá trình thực hiện đề tài, được sự hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong khoa Điện- Điện tử, đặc biệt là sự giúp đỡ của thầy Nguyễn Thành Long chúng em đã hoàn thành đề tài. Tuy nhiên, do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu xót mong sự chỉ bảo của các thầy cô và các bạn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hưng Yên, ngày 25 tháng 12 năm 2007. Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 1 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. .......................................................................... Hưng Yên, ngày tháng năm Giáo viên hướng dẫn 1 Nhận xét của giáo viên phản biện ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. .......................................................................... Hưng Yên, ngày tháng năm Giáo viên phản biện MỤC LỤC Trang Lời nói đầu: ----------------------------------------------------------------------------2 Chương 1: Một số đại lượng không điện cơ bản 1.1 Nhiệt độ --------------------------------------------------------------7 1.1.1 Khái niệm cơ bản -------------------------------------------------7 1.1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ ----------------------------------10 1.2 Áp suất --------------------------------------------------------------15 1.2.1 Định nghĩa --------------------------------------------------------15 1.2.2 Các phương pháp đo áp suất ------------------------------------17 1.3 Lưu lượng -----------------------------------------------------------22 1.3.1 Khái niệm cơ bản ------------------------------------------------22 1.3.2 Cảm biến đo và phát hiện mức chất lưu-----------------------24 Chương 2: Xử lý dữ liệu 2.1 Chuyển đổi tương tự số --------------------------------------------29 2.1.1 Các nguyên tắc chuyển đổi tương số --------------------------29 2.1.2 Các phương pháp chuyển đổi AD -----------------------------30 2.2 Xử lý dữ liệu số với bộ vi điều khiển AT89C5 -----------------35 2.2.1 Khảơ sát bộ vi điều khiển AT89C51 --------------------------35 2.2.2 Cấu trúc bên trong của AAT89C51 ---------------------------36 2.2.3 Tổ chức bộ nhớ ---------------------------------------------------38 2.2.4 Các thanh ghi chức năng đặc biệt -----------------------------43 2.2.5 Lệnh Reset --------------------------------------------------------49 2.2.6 Xử lý dữ liệu số --------------------------------------------------51 2.2.7 Ghép nối với ADC------------------------------------------------53 2.2.8 Ghép nối với LCD -----------------------------------------------53 2.2.9 Truyền tin nối tiếp -----------------------------------------------56 2.2.10 Ghép nối với cảm biến -----------------------------------------57 Chương 3: Ứng dụng chế tạo Module đo lường 3.1 Phân tích yêu cầu --------------------------------------------------59 3.2 Quá trình thiết kế và thi công mạch -----------------------------60 3.2.1 Khoả sát cảm biến------------------------------------------------60 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý --------------------------------------------------62 3.2.3 Nguyên lý làm việc ----------------------------------------------62 3.2.4 Bo mạch -----------------------------------------------------------63 3.3 Thuật toán -----------------------------------------------------------64 3.3.1 Cơ sở lý thuyết ---------------------------------------------------64 3.3.2 Lưu đồ thuật toán ------------------------------------------------66 3.4 Các hàm cơ bản được sử dụng trong chương trình------------75 Chương 4: Kết luận và khuyến nghị ---------------------------------------------96 Phụ lục ------------------------------------------------------------------------------- -98 Tài liệu tham khảo ------------------------------------------------------------------103 Chương 1: Một số đại lượng không điện cơ bản Các đại lượng không điện được các chuyển đổi đo lường( CĐ) biến đổi thành các đại lượng điện, sau đó đưa vào mạch đo( MĐ) để tính toán, gia công tin tức và đưa kết quả ra chỉ thị thể hiện kết quả đo( CT). Dưới đây là một số đại lượng không điện và phương pháp đo thường gặp. Nhiệt độ 1.1. 1 Khái niệm cơ bản Nhiệt độ là một trong số những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật chất. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản. Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất. Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ. 1.1.1.1 Thang đo nhiệt độ Để đo nhiệt độ trước hết phải thiết lập thang nhiệt độ. Dưới đây là một số thang đo nhiệt độ thường được sử dụng: Thang Kelvin ( Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K. Trong thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái nước - nước đá- hơi một giá trị bằng 273,15K. Thang Celsius ( Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là 0C . Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức: T(0C) = T(K) - 273,15 Thang Fahrenheit ( Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ là 0F. Trong thang đo này, nhiệt của điểm nước đá tan là 320F và điểm nước sôi là 2120F. Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celsius:


Bảng 1.1 cho các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau: Bảng 1.1 Nhiệt độ  Kelvin ( K)  Celsius (0C)  Fahrenheit (0F)   Điểm 0 tuyệt đối  0  -273,15  -459,67   Hỗn hợp nước - nước đá  273,15  0  32   Cân bằng nước- nước đá- hơi  273,16  0,01  32,018   Nước sôi  373,15  100  212   1.1.1.2 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhưng khi đo ta chỉ nhận được nhiệt độ Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến. Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được. Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi trường đo và cảm biến. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trường Tx, do đó tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx - Tc, hiệu số này càng bé, độ chính xác của phép đo càng cao. Muốn vậy khi đo cần phải: Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo. Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài. Chúng ta hãy khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc. Lượng nhiệt truyền từ môi trường vào bộ cảm biến xác định theo công thức:
Với:
- Hệ số dẫn nhiệt. A- Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt. T- Thời gian trao đổi nhiệt. Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ: dQ = mCdTC Với: m- Khối lượng cảm biến. C- Nhiệt dung của cảm biến. Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường ngoài và giá đỡ, ta có:

Đặt
, gọi là hằng số thời gian, ta có:
Nghiệm của phương trình có dạng:
/ Hình 1.1: Đại lượng đo và Đại lượng cần đo Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và cảm biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ phần cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp. 1.1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ Phương pháp đo nhiệt độ dựa trên hiện tượng truyền nhiệt (nhiệt dẫn, đối lưu và bức xạ nhiệt). Các phương pháp đo nhiệt độ có thể rất khác nhau tùy theo yêu cầu về kĩ thuật, về dải đo nhiệt độ và có thể thực hiện bằng 2 phương pháp: đo trực tiếp và đo gián tiếp. Đo trực tiếp là phương pháp đo trong đó các chuyển đổi nhiệt điện được đặt trực tiếp ở môi trường cần đo. Đối với nhiệt độ cao đo bằng phương pháp gián tiếp, dụng cụ đặt ở ngoài môi trường đo và còn gọi là phương pháp không tiếp xúc. 1.1.1.2. Một số cảm biến nhiệt a. Cặp nhiệt ngẫu(Thermocoupler) Nguyên lý cấu tạo / Hình 1.2: Nguyên lý cấu tạo của cặp nhiệt Cấu tạo gồm hai thanh kim loại a, b được hàn với nhau tại một đầu đó là đầu làm việc t1. Hai đầu còn lại t0 là đầu tự do. Nguyên lý làm việc: Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm t1 và t0 thì tại hai đầu còn lại của hai thanh kim loại sẽ xuất hiện một suất điện động. Eab(t1,t0) = Eab(t1) – Eab(t0). Nếu giữ cho nhiệt độ t0 không thay đổi và t1 phụ thuộc vào môi trường đo nhiệt độ thì ta có: Eab(t1,t0) = Eab(t1) – C = f(t1). Với C là hằng số Sức điện động Eab phụ thuộc vào nhiệt độ t1 và t0 cũng như phụ thuộc vào vật liệu để chế tạo các thanh kim loại a, b. Cấu tạo thực tế: / Hình 1.3: Cấu tạo của cặp nhiệt / Hình 1.4: Cấu trúc của cặp nhiệt Bảng 1.2: Bảng thông số một số loại cặp nhiệt điện thông dụng Cặp nhiệt  Dải nhiệt độ làm việc (0C)  Sức điện động (mV)  Độ chính xác   Đồng / Constantan ( = 1,63 mm  -270 ( 370  - 6,25 ( 19  (400C ( 1000C) ( 0,8% (1000C ( 3500C)(0,75 %   Cromel / Alumel ( = 3,25 mm  -270 ( 1250  - 5,35 ( 50,63  (00C ( 4000C) ( 30C (4000C ( 3000C)(0,75 %   Cromel /Constantan ( = 3,25 mm  -276 ( 870  - 9,8 ( 66,4  (00C ( 4000C) ( 30C (4000C ( 8700C)(0,75 %   Platin- Rodi(10%)/ Platin ( = 0,51 mm  - 50 ( 1500  - 0,23 ( 15,5  (00C ( 6000C) ( 2,5% (6000C (15000C) ( 0,4 %   Platin-Rodi/ Platin Rodi (30/6) ( = 0,51 mm  0 ( 1700  0 ( 12,42  (8700C ( 17000C) ( 0,5%   b. IC cảm biến nhiệt LM35 Với loại LM35 ta có điện áp ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với nhiệt độ thang Celsius( thang bách phân). Điện áp ở ngõ ra là 10 mV/K và sai số do không tuyến tính là
1,8mV cho toàn thang đo. Điện áp cấp có thể thay đổi từ 4
30mV. LM35 được chế tạo cho 3 thang đo - 550c … +1500c ( LM35/35A); -400c … 1100c ( LM35C/CA) và 00c … 1000c ( LM35D). Để có thể đo được nhiệt độ âm cần phải có 1 điện trở “ pull- down” giữa ngõ ra và điện áp âm. Điện trở này phải được tính sao cho một dòng điện lớn hơn 50
. Ngoài ra điện áp âm cần phải lớn hơn điện áp thấp nhất ( VD: - 550 mV với - 550c) nếu chỉ có một điện áp dương và cần đo cả nhiệt âm ta có IC cảm biến nhiệt độ cho thang Kelvin, đó là LM335 và LM334.

Hình 1.5a Hình1.5b Như thế LM35 chỉ có thể đo nhiệt độ âm khi điểm nối mạch có điện thế dương hơn V- của nguồn điện. Thường 2 điôt sillic nối giữa hai điểm nối mass của IC và V- của nguồn điện là đủ. Trong Hình 1.6 cho ta một mạch điện để đo nhiệt độ trong công nghiệp. Điện áp đầu ra của LM35 được biến thành dòng điện từ 4... 20mA chạy qua 2 dây đo cũng là 2 dây cáp điện. Vì tín hiệu được biến thành dòng điện nên dù dây đo từ sensor đến mạch vi xử lý khá dài cũng không nhạy với nhiễu. Nếu ta giữ điện áp cả mạch điện luôn cao hơn điện áp nuôi IC, tín hiệu dây điện không bị sự thay đổi điện áp làm ảnh hưởng. Thang đo từ 00C đến 1000C: Dòng điện được hiệu chỉnh bởi điện áp rơi trên điện trở 62,5
. Điện áp này bao gồm điện áp ở ngõ ra của LM35 và điện áp offset ở điểm nối mass của sensor. LM317 xác định trị số điện áp này. Ta hiệu chỉnh trị số offset sao cho cường độ dòng điện qua dây đo là 4mA khi sensor ở 00C. ở nhiệt độ 1000C tín hiệu ngã ra của LM35 là 1V bổ sung thêm 16mA, như thế dòng điện qua dây đo là 20mA. Nếu ta nối LM35 trực tiếp với bộ biến đổi A/D loại 8 bit, ta có một thiết bị đo nhiệt độ cho một hệ thống tự động với bộ vi xử lý. Tùy loại biến đổi A/D mà ta có giao diện nối tiếp (ADC 0831) hay song song (ADC 0804).
Hình 1.6 1.3. Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc 1.3.1. Hỏa kế quang học Đây là phương pháp dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối. Bức xạ nhiệt của mọi vật được đặc trưng bằng mật độ phổ
, đó 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 độ dài sóng. Quan hệ đó được biểu diễn bằng biểu thức:
Với
,
là hằng số,