Luận Aùn Tốt Nghiêp Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ
điều khiển có thể dùng để chế ngự đối tượng thể hiện ở :khả năng thu thập thông
tin , lưu trữ ,phân tích xử lý ,chọn quyết định ,tổ chức thực hiện.
3.Nguyên tắc bổ sung ngồi:
Một hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể và có tác
động qua lại chặt chẽ với môi trường đó .Trong điều kiện thừa nhận nguyên tắc bổ
sung ngồi sau:thừa nhận có một đối tượng chưa biết (hộp đen)tác động vào hệ
thống và ta phải điều khiển cả hệ thống lẫn hộp đen.
4.Nguyên tắc dự trư:õ
Vì nguyên tắc 3 luôn coi thông tin chưa đầy đủ phải đề phòng các bất trắc
có thể xảy ra và không được dùng tồn bộ lực lượng trong điều kiện bình thường .
Vốn dự trữ là không sử dụng ,nhưng cần để bảo đảm cho hệ thống vận hành an tồn
.
5.Nguyên tắc phân cấp:
Đối với một hệ thống phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung
cho trung tâm ,để khuếch đại khả năng điều khiển .Phải tránh khuynh hướng hình
thức và phân cấp quá đáng ,xử lý cho đúng nhiện vụ và quyền hạn ở mỗi cấp
6.Nguyên tắc cân bằng nội:
Mỗi hệ thống cần được xây dựng với cơ chế cân bằng nội để có khả năng tự
giải quyết những biến động xảy ra.
III.Các loại điều khiển:
Sự phân loại điều khiển có tính chất quy ước
1.Điều khiển ổn định hóa:
Mục tiêu điều khiển là kết quả đầu ra bằng đầu vào chuẩn r(t) = const với
sai lệch cho phép e
xl
(sai số ở chế độ xác lập)
e(t) = r(t) - c(t) ≤ e
xl
Đặc biệt khi đầu ra hệ thống cần giữ là hằng số ,ta có hệ thống điều chỉnh
hay hệ thống ổn định .
Ví dụ: hệ thống ổn định nhiệt độ ,điện áp ,áp suất ,nồng độ tốc độ…
2.Điều khiển theo chương trình:
Nếu r(t) là một hàm định trước theo thời gian ,yêu cầu đáp ứng ra của hệ
thống sao chép lại các giá trị của tín hiệu vào r(t) thì ta có hệ thống điều khiển theo
chương trình .
Ví dụ: hệ thống điều khiển máy công cụ CNC ,điều khiển tự động nhà máy
xi măng Hồng Thạch ,hệ thống thu thập và truyền số liệu hệ thống điện, quản lý
vật tư ở nhà máy …
3.Điều khiển theo dõi:
Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống r(t) là một hàm không bết trước theo
thời gian ,yêu cầu điều khiển đáp ứng ra c(t) luôn bám sát được r(t) ,ta có hệ thống
theo dõi.Điều khiển theo dõi được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển
vũ khí ,hệ thống lái tàu ,máy bay…
4.Điều khiển tối ưu hàm mục tiêu đạt cực trị:
Ví dụ các bài tốn qui hoạch ,vận trù trong kinh tế ,kỹ thuật đều là các
phương pháp điều khiển tối ưu.
IV.Mô hình tổng quát và các phương pháp đo nhiệt độ:
GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà 5 SV:Võ Quang Hậu
Luận Aùn Tốt Nghiêp Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ
1.Mô hình hệ thống điều khiển:
Hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ là một đạng của hệ thống thu thập dữ
liệu .Nhìn chung một hệ thống thu thập dữ liệu đầy đủ có những thành phần sau:
• Phần thu thập dữ liệu từ đối tượng bên ngồi vào hệ thống vi xử lý-máy tính.
Phần này gồm các cảm biến ,mạch gia công tín hiệu ,bộ chuyển đổi tín hiệu
tương đồng sang tín hiệu số (ADC) và các thiết bị ngoại vi khác như nguồn,
đường dây truyền dữ liệu …
• Phần điều khiển : bao gồm hệ vi xử lý , máy tính và hệ thống tác động vào đối
tượng .
• Phần mềm: là chương trình cho kít xử lý tại chổ và chương trình cho máy tính
nhằm thu nhận dữ liệu và điều khiển nhiệt độ cũng như giao tiếp với người sử
dụng .Các thành phần trên liên quan chặt chẽ với nhau ,tạo thành một hệ thống
hợp nhất .Từ phân tích trên một hệ thống thu thập dữ liệu (ADS)sẽ có những
thành phần cấu trúc sau:
GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà 6 SV:Võ Quang Hậu
N
ADC
Digital
Controll
HTDK C
CẢM BIẾN
+
-
y(t)
u(kt)e(kt)
Kênh n
Kênh 1
DỒN
KÊNH
TƯƠNG
TỰ
KÍT
LƯU
TRỮ
VÀ
ĐIỀU
KHIỂN
ADC
Mạch đối tượng 1
Mạch
Gia công n
BỘ
PHÂN
KÊNH
Máy
tính
chủ
Mạch đối tượng n
Mạch
Gia công 1
Luận Aùn Tốt Nghiêp Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ
2.Chức năng các khối trong hệ thống điều khiển:
2.1.Kít chủ vi xử lý:
Kit sử dụng một chip vi xử lý ,là đơn vị master nhận yêu cầu từ người sử
dụng và truyền dữ liệu cho các slave khác ,ở đây sử dụng kỹ thuật truyền thông đa
xử lý để giao tiếp kit chủ và các kit xử lý slave,giữa kit chủ và máy tính, chỉ có thể
giao tiếp khi tác động phím từ kit .
Kit chủ có thiết kế phần cứng như các kit slave, duy chỉ có thêm về phần
cứng mạng truyền và phần chương trình quản lý các thông số của các đơn vị slave.
2.2.khối thu thập dữ liệu
Khối thu thập dữ liệu có nhiệm vụ thu nhận các giá trị đo từ cảm biến và
biến đổi sang tình hiệu số để kít có thể xử lý
2.4. Chương trình điều khiển:
Thực hiện việc giao tiếp giữa các vi xử lý và kit chủ ,giữa kit chủ và máy
tính ,đặt trị.
3.Các phần tử trong thiết bị đo và phương pháp đo nhiệt độ:
3.1.Các phần tử trong thiết bị đo:
• CẢM BIẾN
Phần tử biến đổi các đại lượng không điện sang đại lượng điện,bộ phận này
thường dùng thermocouple.
• BỘ CHẾ BIẾN TÍN HIỆU
Biến đổi tín hiệu điện thu được từ thermocouple cho phù hợp với mức vào
mạch biến đổi tín hiệu A/D.
• BỘ HIỂN THỊ KẾT QUẢ
Hiển thị kết quả thu được dưới dạng hiển thị số.
• BỘ ĐIỀU KHIỂN
Thực hiện điều khiểntheo phương pháp PID hay ON/OFF.
• MẠCH KHUYẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
Khuếch đại tín hiệu điều khiển để điều chỉnh nhiệt độ.
3.2.Các phương pháp đo:
Hiện nay có rất nhiều phương pháp đo khác nhau :từ đơn giản đến phức
tạp, từ loại có độ chính xác vừa đến loại chính xác cao.
• Đo nhiệt độ bằng cột thủy ngân.
• Đo nhiệt độ bằng điện trở.
• Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện.
• Đo nhiệt độ bằng diode và transistor .
• Dụng cụ đo nhiệt theo nhiệt nóng chảy của các chất.
• Dụng cụ đo nhiệt độ theo dòng điện bức xạ.
• Đo nhiệt độ bằng IC cảm biếm nhiệt.
• Đo nhiệt độ bằng cảm biến thạch anh.
GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà 7 SV:Võ Quang Hậu
Luận Aùn Tốt Nghiêp Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ
Đo nhiệt độ dùng cảm biến thạch anh có ưu điểm hơn so với các phương
pháp khác ,vì nó có độ chính xác cao ,việc chuyển đổi dạng số rất dễ dàng đối với
thông tin liên quan đến tần số.
Ví dụ: đặc tính đo lường của tinh thể thạch anh do hãng Heulett Packard chế tạo
có:
+ Khoảng đo -80
o
C ÷ 250
o
C.
+ Khoảng tuyến tính ± 0.05% khoảng đo.
+ Độ nhạy 1000HZ
o
C .
+ Khả năng đo 0.0001
o
C.
Tuy nhiên có hạn chế là khó chế tạo ,các mạch dao động thạch anh khó tinh
chỉnh.
a) Cách lắp đặt bộ cảm ứng nhiệt:
Vị trí của cảm ứng nhiệt ảnh hưởng rất lớn đến việc đo đạc và điều khiển
nhiệt độ của vật thể .Cảm ứng nhiệt càng xa nguồn nhiệt thì càng vọt lố cao do đó
tùy theo yêu cầu cụ thể mà ta lắp đặt vị trí thích hợp
b) Quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ:
T
o
C =T(
o
K)-273.15
T
o
C ={T(
o
F)-32}×5/9
GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà 8 SV:Võ Quang Hậu
Luận Aùn Tốt Nghiêp Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ
Chương II:
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
Cảm biến nhiệt độ là dụng cụ chuyển đổi đại lượng nhiệt thành các đại
lượng vật lý khác chẳng hạn như điện, áp suất, độ giãn nở dài, độ giãn nở khối,
điện trở, … Cảm biến nhiệt độ là phần tử không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống đô
lường điều khiển nhiệt độ nào. Cảm biến nhiệt độ có khả năng nhận biết được tín
hiệu nhiệt độ một cách chính xác, trung thực và chuyển đổi thành tín hiệu có thể
đo lường được như điện áp, dòng điện, điện trở, thể tích áp suất…
I.CÁC THÔNG SỐ CẢM BIẾN:
1.Thông số cấu tạo : được quyết định do nhà sản xuất và phụ thuộc vào từng loại
cảm biến.
2.Thông số sử dụng: bao gồm các yếu tố sau:
♦ Khoảng làm việc : là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả năng khi chưa
bị bảo hòa . Khoảng làm việc cao hay thấp là do tính chất cấu tạo và tính lý
hóa của từng loại cảm biến qui định.
♦ đôä nhạy: được định nghĩa:
df: sự thay đổi đại lượng đo của cảm biến
dx : sự thay đổi đại lượng vật lý.
♦ Ngưỡng độ nhạy: là mức thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện được.
♦ Tính trễ: còn gọi là quán tính của cảm biến. Tính trễ của cảm biến tạo ra
sai số của phép đo. Tốc độ thay đổi cuả đại lượng đo phải phù hợp với tính
trễ của cảm biến. Nếu đại lượng đo thay đổi quá nhanh mà quán tính của
cảm biến lớn thì không thể đo chính xác được. Mọi cảm biến đều có tính trễ
do ảnh hưởng của vỏ bảo vệ.
II.CÁC LOẠI CẢM BIẾN THÔNG DỤNG:
1.Cặp nhiệt điện :
Cặp nhiệt điện là dụng cụ đo nhiệt độ thường được sử dụng rộng rãi trong
công nghiệp.Cơ sở chế tạo cặp nhiệt điện dựa trên các nguyên lý sau:
• Hiệu ứng Thomson: qua một dây dẩn có dòng điện I và hiệu nhiệt trên dây là
T1-T2 thì sẽ có một sự hấp thụ hay tỏa nhiệt.
• Hiệu ứng Pentier: khi có dòng điện đi qua một mối nối của hai dây dẫn thì tại
vị trí mối nối sẽ có sự hấp thụ hay tỏa nhiệt
• Hiệu ứng Seebeck: trong một dây dẫn bất kỳ , khi có sự chênh lệch nhiệt độ tại
một điểm thì ngay tại điểm đó sẽ xuất hiện một suất điện động
• Định luật Macmut: trong một mạch điện kín của dây dẫn đồng nhất bất kỳ sự
phân bố nhiệt độ ra sao, suất điện động tổng cộng của mạch luôn bằng không.
• Nguyên tắc:
Nguyên tắc cấu tạo của cặp nhiệt điện dựa theo cơ sở thực nghiệm sau:
GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà 9 SV:Võ Quang Hậu
dx
df
s
=
Luận Aùn Tốt Nghiêp Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ
Khi nung nóng một dây kim loại hay một đoạn dây ,tại đó tập trung điện tử tự do
và có khuynh hướng khuếch tán từ nơi tập trung nhiều đến nơi tập trung ít . Có
nghĩa là đầu nóng (+)sang đầu nguội(-) (hiệu ứng seebeck). Ở đoạn dây xuất hiện
một suất điện động Thomson phụ thuộc vào bản chất của dây kim loại.
Rỏ ràng ở đây nếu ta dùng hai dây kim loại đồng chất a ,nối với nhau qua
hai điểm T1 và T2 trong mạch sẽ xuất hiện hai suất điện động bằng nhau nhưng
ngược chiều nhau nên tổng suất điện động bằng không.
Nhưng nếu mạch kín trên được cấu tạo bởi hai dây kim loại khác nhau a và
b thì tổng suất điện động xuất hiện trong mạch này bằng suất điện động Thomson
phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối T1,T2 ở hai đầu mối ghép của dây dẫn .Ngồi ra
trong mạch còn có suất điện động Seebeck ,điều này được giải thích là do sự tập
trung khác nhau của điện tử tự do ở hai đầu mối ghép . Mặt khác ,do sự xuất hiện
thế năng tiếp xúc tại khu vực mối ghép bởi hai dây dẫn không đồng chất . lý thuyết
trên được thể hiện bằng công thức:
E
ab
(T1,T2)=E
ab
(T2)-E
ab
(T1)
Trong đó:
+ E
ab
(T1,T2) : tổng suất điện động trong mạch kín khi hai đầu mối ghép có
nhiệt độ T1,T2.
+E
ab
(T1) : suất điện động Thomson xuất hiện trong mạch tại mối ghép có
nhiệt độ T1.
+E
ab
(T2) : suất điện động Thomson xuất hiện trong mạch tại mối ghép có
nhiệt độ T2.
Công thức trên chính là cơ sở chế tạo cạêp nhiệt điện .Nếu để chuẩn một
đầu có nhiệt độ T1=0
o
C thì suất điện độngở hai đầu cặp nhiệt tại mối ghép khi
T2=T là:
32
2
1
2
1
CTBTAT
E
O
++=
A,B,C là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu chế tạo. Như vậy suất điện
động E
0
là hàm phi tuyến đối với nhiệt độ .Nói cách khác độ nhạy của cặp nhiệt
thay đổi trong từng khoảng đo.Hoặc về mặt tốn học hàm Eo được xem là tuyến
tính với nhiệt độ khi B,C≤ A.
Tóm lại: suất điện động được xem là tuyến tính với nhiệt độ trong khoảng
làm việc nào đó tùy theo cấu tạo của từng loại kim loại để làm cặp nhiệt.
• Cấu tạo :
Cặp nhiệt điện được chế tạo bằng hai sợi kim loại khác nhau ,và có ít nhất
là hai mối nối.Một đầu được giữ ở nhiệt độ chuẩn gọi là đầu ra đầu còn lại tiếp
xúc với đối tượng đo.
Cặp nhiệt điện có cực dương và cực âm,cực dương thường đánh dấu màu
đỏ
Tùy theo vật liệu chế tạo ,cặp nhiệt điện được phân thành các loại sau:
GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà 10 SV:Võ Quang Hậu
T1
E
ab
(T1,T2)
BỘ HIỂN THỊ
b
a T2
b
Luận Aùn Tốt Nghiêp Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ
• Vật liệu cấu tạo
Về nguyên tắc ,khi đốt nóng mối hàn của hai kim loại bất kỳ đều phát sinh
một suất điện động nhiệt .Nhưng không phải tất cả các kim loại và hợp kim nào
cũng đều dùng làm cặp nhiệt được.Vật liệu làm cặp nhiệt điện đòi hỏi một số yêu
cầu sau:
+ độ tinh khiết cao
+ tính chống ăn mòn tốt
+ độ nóng chảy cao hơn nhiệt môi trường cần đo
+ một số tính chủ yếu như dẫn điện ,dẫn nhiệt tốt
+ tính lặp lại trong khoảng một thời gian dài
Ngồi ra độ chính xác của cặp nhiệt điện còn phụ thuộc vào độ chính xác
chế tạo và lý tính của môi trường đo.
• Cách sử dụng:
Để cặp nhiệt độ có thể làm việc tốt và lâu bền ,khi sử dụng cần lưu ý:
+ Cặp nhiệt điện cần có vỏ bảo vệ để chống tác động xâm thực của môi trường
yêu cầu đối với vỏ bọc là cách điện nhưng không cách nhiệt.
+ Phải đặt cặp nhiệt ở nơi thích hợp vì thường là nhiệt không phân bố đều.
+ Vị trí lắp đặt phải tránh chổ có từ trường ,điện trường mạnh.
+Để cặp nhiệt thẳng đứng đề phòng ống bảo vệ bị biến dạng do nhiệt cao.
+Nên lắp đặt dây bù vào ống sắt nối đất để tránh nhiễu .
2.Nhiệt kế điện trở:
Nguyên lý làm việc của nhiệt kế là dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt
độ của các vật liệu dẫn điện.
2.1.Nhiệt điện trở kim loại:
• Cấu tạo:
Vật liệu cấu tạo điện trở kim loại đòi hỏi các yêu cầu sau:
+ Hệ số nhiệt lớn
GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà 11 SV:Võ Quang Hậu
20
40
30
50
10
180014001000600200
60
T (
0
C)
70
E(mV)
R
J
T
K
S
E
B
E
J
K
T
E: Chromel/constantan
J: Sắt/constantan
T: Đồng/constantan
K: Chromel/Alumel
R: Platin-Rodi(13%)/Platin
S: Platin-Rodi(10%)/Platin
B: Platin-Rodi(30%)/Platin-Rodi(6%)
Luận Aùn Tốt Nghiêp Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ
+ Điện trở suất lớn
+ Tính ổn định lý hóa tốt
+ Tính thuần khiết
• Độ nhạy:
Độ nhạy S của nhiệt điện trở kim loại có dạng sau:
Rα
R
ΔR
S
×==
α : là hệ số nhiệt điện trở.
R
o
: là điện trở ở 0
o
C.
• Hệ số nhiệt điện trở:
Hệ số nhiệt điện trở của kim loại sẽ tính như sau:
dTR
dR
×
=
α
Hệ số nhiệt α phụ thuộc vào tính đồng nhất của kim loại .
2.2.Nhiệt điện trở bán dẫn:
Thay đổi nhiệt độ được chế tạo bằng chất bán dẫn thường gọi là Thermistor
Thành phần chính của thermistor là bột của các oxyt kim loại như Máy
nghiền bi,Fe,Ni…,hoặc các hổn hợp tinh chế như MgAl
2
O
4
,Zn
2
TiO
4
…
• Phân loại:
Nhiệt điện trở bán dẫn được chia thàn hai loại :
Nhiệt điện trở Pct :là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương ,nghĩa là nhiệt độ
tăng thì R giảm.
Nhiệt điện trở Nct: thành phần chính là bột kim loại như: MnAl
2
O
4
và Zn
2
TiO
4
.Độ tin cậy của nhiệt điện trở bán dẫn phụ thuộc vào độ tinh khiết của vật liệ
chế tạo .Nct thường có hình dạng như:dạng hạt ,dạng dĩa ,dạng khoen.
• Hệ số thu nhiệt độ:
Thermistor sẽ bị đốt nóng khi khi nhiệt độ môi trường xung quanh tăng từ
nhiệt độ T0 đến T ,như vậy là nhiệt điện trở đã tiêu thụ được một công suất theo
công thức như sau:
W= C(T-T
0
)
C : là hệ số thu nhiệt của điện trở :là năng lượng cần thiết để làm tăng nhiệt
độ của Thermistor lên 1
o
C so với nhiệt độ xung quanh,có đơn vị là wm/
o
C .
• Cách sử dụng:
Khi sử dụng nhiệt kế không nên dùng nhiệt điện trở ở nhiệt độ quá cao hay
qúa thấp làm cơ cấu tinh thể kim loại thay đổi ,cũng không nên để nơi quá ẩm sẽ
tạo điều kiện cho điện trở rỉ không kiểm sốt được .Không nên đặt điện trở kim loại
nơi có chấn động rung hay va đập .
• Các ưu điểm: có độ chính xác cao,có thể kết nối với máy tính…
3.IC cảm biến nhiệt độ:
Đây là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển đổi thành điện ,cho
phép đo được ở dạng biến áp hay dòng.
Một số loại IC cảm biến thông dụng:LX5700, LX135, LM235, LM335,
AD590, LM134,…
GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà 12 SV:Võ Quang Hậu
Luận Aùn Tốt Nghiêp Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ
GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà 13 SV:Võ Quang Hậu
Luận Aùn Tốt Nghiêp Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ
CHƯƠNG 3 :
GIỚI THIỆU VI XỮ LÝ AT 89C52
I. GIỚI THIỆU CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỌ MSC-51 (8951):
-Đặc điểm và chức năng hoạt động của các IC họ MSC-51 hồn tồn tương tự
như nhau. Ở đây giới thiệu IC8951 là một họ IC vi điều khiển do hãng Intel của
Mỹ sản xuất. Chúng có các đặc điểm chung như sau:
Các đặc điểm của 8952 được tóm tắt như sau :
√ 8 KB EPROM bên trong.
√ 128 Byte RAM nội.
√ 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit.
√ Giao tiếp nối tiếp.
√ 64 KB vùng nhớ mã ngồi
√ 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại.
√ Xử lí Boolean (hoạt động trên bit đơn).
√ 210 vị trí nhớ có thể định vị bit.
√ 4 µs cho hoạt động nhân hoặc chia.
√ 3 Bộ định thời timer.
GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà 14 SV:Võ Quang Hậu
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét