B GIÁO DC VÀ ĐÀO TO
TRƯỜNG ĐẠI HC BÁCH KHOA HÀ NI
-----------------------------------------------
NGUYN TH PHƯƠNG HU
ĐỀ TÀI:
THIT K H THNG ĐO VÀ ĐIU KHIN NHIT ĐỘ
DÙNG VI XNG DNG TRONG GING DY TA
TRƯỜNG ĐẠI HC SAO ĐỎ
LUN VĂN THC S
NGÀNH: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC H THNG ĐIU KHIN
NGƯỜI HƯỚNG DN KHOA HC:
PGS.TS. PHM TH NGC YN
HÀ NI - 2010
LuËn v¨n th¹c sü khoa häc GVHD: PGS.TS. Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Người thc hin: Nguyn Th Phương Hu Khoá hc: 2008-2010
1
LI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan lun văn là kết qu nghiên cu ca riêng tôi, không sao chép ca
ai. Ni dung lun văn có tham kho và s dng các tài liu, thông tin được đăng ti
trên các tác phm, tp chí và các trang web theo danh mc tài liu ca lun văn.
Hà Ni ngày 25 tháng 10 năm 2010
Tác gi lun văn
Nguyn Th Phương Hu
LuËn v¨n th¹c sü khoa häc GVHD: PGS.TS. Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Người thc hin: Nguyn Th Phương Hu Khoá hc: 2008-2010
2
MC LC
M đầu……………………………………………………………………... 5
Danh mc các hìnhv…………………………………………………….. 7
Danh mc các bng………………………………………………………... 9
Chương I:Gii thiu h thng đo và điu khin nhit độ………………. 10
1.1. Khái nim v h thng điu khin nhit độ………………………… 10
1.2. Mô hình tng quát ca các h thng đo nhit độ……………………
10
1.2.1. Mô hình h thng điu khin…………………………………………
10
1.2.2. Chc năng các khi trong h thng điu khin………………………
11
1.2.3. Các phn t trong thiết b đo…………………………………………
12
Chương II: Cm biến đo nhit độ………………………………………...
15
2.1. Khái nim cm biến…………………………………………………...
15
2.2. Phân loi cm biến nhit……………………………………………..
15
Chương III: Các phương pháp đo nhit độ………………………………
21
3.1. Cơ s chung……………………………………………………………
21
3.2. Các phương pháp đo nhit độ………………………………………..
21
3.2.1. Phương pháp đo tiếp xúc…………………………………………….
21
3.2.2. Phương pháp đo không tiếp xúc……………………………………..
23
Chương IV: Thiết kế bài thí nghim la chn cm biến đo nhit độ…..
25
4.1. Mc đích……………………………………………………………..
25
4.2. Phân tích cu trúc cơ s d liu ca chương trình tr giúp la
chn thiết b đo…………………………………………………………….
25
4.3. H thng các lut tìm kiếm…………………………………………...
29
4.4. Hot động ca chương trình………………………………………….
31
4.5. Các bước thiết kế và thc hành………………………………………
35
4.5.1. Thiết kế……………………………………………………………….
35
4.5.2. Thc hành…………………………………………………………….
38
4.6. Giao din ca chương trình…………………………………………..
38
LuËn v¨n th¹c sü khoa häc GVHD: PGS.TS. Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Người thc hin: Nguyn Th Phương Hu Khoá hc: 2008-2010
3
Chương V: Thiết kế và xây dng mt s bài thí nghim ng dng h
thng đo lường và điu khin nhit độ……………………………………
41
Phn I: Thiết kế h thng đo và điu khin nhit độ…………………….
41
5.1.Gii thiu chung………………………………………………………..
41
5.2. Thiết kế mch đo và điu khin nhit độ…………………………….
42
5.2.1. H thng đo lường s…………………………………………………
42
5.2.2. Chuyn đổi tương t- s……………………………………………...
44
5.3. Thiết kế phn cng……………………………………………………
54
5.3.1. Sơ đồ khi…………………………………………………………….
54
5.3.2. Sơ lược chc năng các b phn………………………………………
55
5.3.3. Sơ đồ chi tiết các khi………………………………………………..
55
5.4. Thiết kế phn mm................................................................................
60
5.4.1. Lưu đồ gii thut tng quát…………………………………………..
60
5.4.2. Gii thut chương trình đọc ADC và chương trình đổi s nh phân
sang mã BCD ……………………………………………………………….
61
5.4.3. Gii thut xut LED…………………………………………………..
61
5.4.4. Gii thut chương trình tăng gim…………………………………..
63
5.4.5.Gii thut chương trình so sánh và điu khin ……………………….
64
Phn II: Xây dng bài thí nghim ng dng h thng đo và điu khin
nhit độ…………………………………………………………………….
65
Bài 1: Ghép ni cm biến vi mch đo…………………………………...
65
1. Mc đích: ………………………………………………………………..
65
2. Mt s loi cm biến nhit……………………………………………….
65
3. Nguyên lý làm vic chung ca cm biến nhit…………………………..
71
4. Thc hành………………………………………………………………...
72
Bài 2: Thc hành ghép ni mch đo vi vi x lý, hin th kết qu
phương pháp bù sai s…………………………………………………….
74
1. Mc đích…………………………………………………………………
74
LuËn v¨n th¹c sü khoa häc GVHD: PGS.TS. Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Người thc hin: Nguyn Th Phương Hu Khoá hc: 2008-2010
4
2. Giao tiếp máy tính………………………………………………..............
74
3. Phn cng………………………………………………………………...
83
4. Các bước thc hành …………………………….......................................
86
Kết lun…………………………………………………………………….
88
Tài liu tham kho…………………………………………………………
90
LuËn v¨n th¹c sü khoa häc GVHD: PGS.TS. Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Người thc hin: Nguyn Th Phương Hu Khoá hc: 2008-2010
5
M ĐẦU
Đất nước ta đang trong quá trình hi nhp và phát trin, s cnh tranh vi các
nước trên thế gii trên tt c các lĩnh vc rt quyết lit đòi hi các ngành, các cp
phi không ngng đổi mi phương pháp qun lý, áp dng công ngh tiến tiến, hin
đại để nâng cao cht lung và hiu qu công vic.
Đối vi ngành giáo dc cũng vy, để đ
áp ng nhu cu ngày càng cao ca th trường
lao động, cn phi nâng cao cht lượng đào to, khng định và gi vng thương
hiu. Vì vy, đòi hi các cơ s đào to, đặc bit là các trường đại hc, cao đẳng,
ngoài yếu t không ngng nâng cao trình độ chuyên môn và cht lượng đội ngũ giáo
viên, ging viên, các trường nói chung và trường Đại hc Sao Đỏ nói riêng cn phi
chú tr
ng đến vic s dng, khai thác phương tin, đồ dùng dy hc hin đại, ng
dng các phn mm phc v quá trình ging dy, nâng cao cht lượng đào to…
Ngày nay, vic ng dng máy tính vào trong k thut đo lường và điu khin không
còn xa l vì khi các thiết b đo lường điu khin được ghép ni vi máy tính s
thi gian thu thp và x lý d
liu ngn trong khi mc độ chính xác vn được đảm
bo, nhưng điu đáng quan tâm hơn c là kh năng t động hoá trong vic thu thp
và x lý d liu. Mt bước tiến quan trng trong k thut vi x lý là s ra đời ca
các b vi x lý k thut s. Đây là mt vi mch đin t có mt độch hp cao bao
g
m rt nhiu các mch s có kh năng nhn, x lý và xut d liu. Đặc bit là quá
trình x d liu được thc hin theo mt chương trình là mt tp hp các lnh t
bên ngoài mà người s dng có th thay đổi d dàng tu thuc vào tng ng dng.
Do đó mt b vi x lý có th thc hin được rt nhiu các yêu cu đ
iu khin khác
nhau ph thuc vào nhu cu ca người s dng. Vi nhng kiến thc có đuc cùng
vi s quan không ngng đầu tư trang thiết b, phòng thí nghim phc v đào to
ca nhà trường trong nhng năm qua. Vic tn dng, khai thác trang thiết b, phòng
thí nghim trong vic nâng cao hiu qu đào to cng vi tính ưu vit ca vi x
đã thôi thúc em la chn đề tài: “Thiết kế h thng đo và điu khin nhit độ dùng
vi xng dng trong ging dy ti trường Đại hc Sao Đỏ” vi mc đích xây
dng phn mm tr giúp sinh viên trong các bài thí nghim đo và điu khin nhit
LuËn v¨n th¹c sü khoa häc GVHD: PGS.TS. Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Người thc hin: Nguyn Th Phương Hu Khoá hc: 2008-2010
6
độ, la chn cm biến t đó giúp sinh viên tiếp cn vi công ngh thông tin vào
trong quá trình hc tp, nghiên cu và tìm hiu các ng dng ca công ngh hin
đại làm tin đề cho các em khi ra trường có được nhng kiến thc thc tin.
Được s hướng dn, ch bo nhit tình ca PGS-TS Phm Th Ngc Yến cùng các
thy cô trong b môn Đo lường và điu khin đ
ã giúp em hoàn thành lun văn này.
Tuy nhiên do trình độ còn hn chế nên lun văn này không th tránh khi nhng
thiếu sót, vì vy rt mong được s đóng góp, ch bo ca các thy cô để lun văn
ca em được hoàn thin hơn qua đó giúp em có th xây dng nhng ng dng thc
tin. Em xin chân thành cm ơn!
LuËn v¨n th¹c sü khoa häc GVHD: PGS.TS. Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Người thc hin: Nguyn Th Phương Hu Khoá hc: 2008-2010
7
DANH MC CÁC HÌNH V
Hình 1.1: Sơ đồ khi trong h thng điu khin
Hình 3.1 Cu to ca nhit kế cp nhit ngu
Hình 3.2 Mch bù sai s nhit độ do nhit độ đầu t do thay đổi trong nhit kế cp
nhit ngu
Hình 4.1 Mô dun SQL trong Labview
Hình 4.2 Complete SQL Session.
Hình 4.3 Lưu đồ thut toán tr giúp la chn cm biến
Hình 4.4 Giao din chính ca chương trình
Hình 4.5 Thông báo yêu cu nhp giá tr khong đ
o
Hình 4.6 Giao din phn tra cu
Hình 5.1 Cu trúc cơ bn ca h thng đo
Hình 5.2 Sơ đồ khi ca mt h thng đo lường
Hình 5.3 Sơ đồ khi ca mt h thng đo lường s
Hình 5.4 Cu trúc vi điu khin 89C51
Hình 5.5 Cu trúc b nh chương trình
Hình 5.6 Địa ch các ngt trên b nh chương trình
Hình 5.6 Cu trúc b nh
d liu
Hình 5.8 Cu trúc b nh trong
Hình 5.9 Cu trúc 128 byte thp ca b nh d liu trong
Hình 1.10. 128 byte cao ca b nh d liu
Hình 5.11 Sơ đồ khi
Hình 5.12: Các phím nhn
Hình 5.13: Khi mch cm biến nhit
Hình 5.14: Lưu đồ gii thut tng quát
Hình 5.15: Gii thut chương trình đọc ADC và chương trình đổi s nh phân sang
mã BCD
Hình 5.16 Gii thut xut LED
Hình 5.17 Gii thut ch
ương trình tăng gim
LuËn v¨n th¹c sü khoa häc GVHD: PGS.TS. Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Người thc hin: Nguyn Th Phương Hu Khoá hc: 2008-2010
8
Hình 5.18 Gii thut chương trình so sánh và điu khin
Hình 5.19 Cu to ca Thermocouple
Hình 5.20 Cp nhit đin
Hình 5.21 Cu to ca nhit đin tr RTD
Hình 5.22 Cm biến dng NTD
Hình 5.23 Cu to Thermistor.
Hình 5.25 Tiếp giáp p-n
Hình 5.26a IC cm biến nhit LM35
Hình 5.26b Cm biến nhit dng Diode
Hình 5.27a IC cm biến nhit DS18B20
Hình 5.27b IC cm biến nhit LM335
Hình 5.28 Ho quang kế
Hình 5.29 Ha kế
Hình 5.30 Sơ đồ kết ni cp nhit đin
Hình 5.31 Sơ đồ kết ni LM3
Hình5.32 Sơ đồ kết ni RTD
Hình 5.33 cm 25 cn
Hình 5.34 Sơ đồ kết ni vi cng máy in
Hình 5.36 Cng com 25 chân
Hình 5.37 Sơ đồ khi ca h thng s dng DQA
Hình 5.38 Sơ đồ khi ca h thng s dng RS-232
Hình 5.39 Sơ đồ chân c
a LM35
Hình 5.40 Sơ đồ nguyên lý mô phng trên Proteus
Hình 5.41 Giao din thiết lp thông s cho ADC
LuËn v¨n th¹c sü khoa häc GVHD: PGS.TS. Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Người thc hin: Nguyn Th Phương Hu Khoá hc: 2008-2010
9
DANH MC CÁC BNG
Bng 1.1 Các loi cm biến th động
Bng 1.2 Hin tượng – biến đổi
Bng 1.3 Kích thích - đặc tính
Bng 1.4 Tóm tt cu trúc d liu và ngun tra cu ca cm biến nhit độ.
Bng 1.5 Quan h gia loi cm biến và môi trường s dng
Bng 1.6 Quan h gia v trí đặt cm biến và hình dng cm biến
B
ng 1.7 Các phép toán s hc
Bng 1.8 Các phép toán logic
Bng 1.9 Mu phiếu điu tra
Bng 2.1 Các bit địa ch T2CON S ER
Bng 2.2 Ký hiu các chân 8052
Bng 2.3 Quy định các chân ca cng Com 9 chân mc định)
Bng 2.4 Quy định các chân cng Com 25 chân (mc định)
Bng 2.5 Thông s nhit độ chính xác
Bng 2.6 H s đặc tính k thut
LuËn v¨n th¹c sü khoa häc GVHD: PGS.TS. Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Người thc hin: Nguyn Th Phương Hu Khoá hc: 2008-2010
10
CHƯƠNG I
GII THIU H THNG ĐO VÀ ĐIU KHIN NHIT ĐỘ
1.1. Khái nim v h thng điu khin nhit độ
Nhit độđại lượng vt lý hin din khp mi nơi và trong nhiu lĩnh vc, đặc
bit là trong công nghip vì mi sn phm, thiết b hay điu kin làm vic cn có
nhng nhit độ khác nhau. Mu
n có nhit độ phù hp cn phi có mt h thng điu
khin. Tu theo tính cht, yêu cu ca quá trình mà nó đò hi các phương pháp điu
khin thích hp.
H thng điu khin nhit độ có th phân thành 2 loi: H thng điu khin hi
tiếp(feedback control system) và h thng điu khin tun t (sequence control
system)
- Đi
u khin hi tiếp đưc xác định và giám sát kết qu điu khin, so sánh vi yêu
cu thc thi và t động điu chnh đúng.
- Điu khin tun t thc hin tng bước điu khin tu theo hot động điu khin
trước khi xác định tun t.
1.2. Mô hình tng quát ca các h thng đo nhit độ:
1.2.1 Mô hình h thng điu khin:
H thng đo và điu khin nhit độ là mt dng ca h thng thu thp d liu. Nhìn
chung mt h thng thu thp d liu đầy đủ có nhng thành phn sau:
+ Phn thu thp d liu t đối tượng bên ngoài vào h thng vi x lý-máy tính.
Phn này gm các cm biến, (ADC) và các thiết b ngoi vi khác m
ch gia công tín
hiu đo, b chuyn đổi tín hiu tương đồng sang tín hiu s như ngun, đường dây
truyn d liu…
+ Phn điu khin bao gm: h vi x lý, máy tính và h thng tác động vào đối
tượng.
+ Phn mm: là chương tình cho kit x lý ti ch và chương trình cho máy tính
nhm thu nhn d liu và điu khin nhit độ cũng như giao tiế
p vi người s dng.
Các thành phn trên liên quan cht ch vi nhau, to thành mt h thng hp nht.
LuËn v¨n th¹c sü khoa häc GVHD: PGS.TS. Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Người thc hin: Nguyn Th Phương Hu Khoá hc: 2008-2010
11
T phân tích trên mt h thng thu thp d liu (ADS) s có nhng thành phn cu
trúc sau:
Hình 1.1: Sơ đồ khi trong h thng điu khin
1.2.2. Chc năng các khi trong h thng điu khin
a. Kít ch vi x lý :
Kít s dng mt chip vi x lý, là đơn v master nhn yêu cu t người s dng
và truyn d liu cho các slave khác, đây s dng k tht truyn thông đa x để
giao tiếp kit ch và các kit vi x lý slave, gia kit ch và máy tính, ch có th giao
tiếp khi tác động phím t kit.
Kit ch có thiết kế phn cng như các kít slave, duy ch có thêm phn cng mng
truyn và phn chương trình qun lý các thông s ca các đơn v slave.
Keânh
n
Keânh
1
Dn
kênh
tương
t
KIT
LƯU
TR
KIM
TRA
AD
C
Mch đối tượng
1
DA
C
Mch
gia công
tín hiu
B
phân
kênh
Máy
tính
ch
Mch đối tượng
n
Mch gia
công 1
LuËn v¨n th¹c sü khoa häc GVHD: PGS.TS. Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Người thc hin: Nguyn Th Phương Hu Khoá hc: 2008-2010
12
b. Các kit x lý tm thi (Slave) :
Các kit x lý tm thi có nhim v thu nhn các giá tr t ADC và có kh năng
điu khin nhit độ theo các phương pháp khác nhau. Chc năng ca các thông s
t cng ni tiếp.
c. Mng truyn :
Dùng để giao tiếp gia các kit, gia các kit vi máy tính. Mng truyn s dng
đây là theo khuyến cáo ca nhà sn xut chip giao tiếp mã 485. Chun truyn 458
được s dng rng rãi trong các thiết b điu khin vi tính đơn gin trong kết ni
phn cng cũng như giao thc truyn, đây là mng Half Duplex. Trong mt thi gian
s dng nht định ch có th nhiu nht hai đối tượng liên lc vi nhau. Các cách
thc giao tiếp là mt vi x ch và các kit vi x lý t, các kit vi x lý t không th
liên lc vi nhau mà ch có th liên lc thông qua vi x lý ch.
1.2. 3. Các phn t trong thiết b đo
1.2.3.1. Các phn t trong mt h thng đo lường
1.2.3.2. Cm biến
Là phn t cm nhn đầu tiên và tiếp cn gn nht vi quá trình đo. Cm biến
chu tác động ca các đại lượng cn được điu khin, giám sát ca mt h th
ng và
gi tín hiu đin thu được tương ng chưa được chun hoá ti b chuyn đổi chun
hoá.
1.2.3.3. Thiết b chuyn đổi chun hoá
Tín hiu đin đầu ra ca cm biến thường hoc là quá yếu hoc b nhiu hoc
cha c các thành phn không mong mun, ngoài ra các tín hiu này có th không
tương thích vi nhng đòi hi ca h th
ng thu thp s liu nên nhng tín hiu này
thường phi đưc làm phù hp trước khi đưa vào các thiết b khác như x lý kết
qu, điu khin... Các thiết b chuyn đổi chun hoá thc hin vic biến đổi các tín
hiu đầu vào là các tín hiu không chun hoá đầu ra ca cm biến thành dng
dng tín hiu thích hp để hin th, hoc lư
u gi hoc phù hp vi các yêu cu ca
các thiết b tiếp theo. Chúng thường gm các mch đin thc hin các chc năng
LuËn v¨n th¹c sü khoa häc GVHD: PGS.TS. Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Người thc hin: Nguyn Th Phương Hu Khoá hc: 2008-2010
13
sau: khuếch đại, lc, phi hp tr kháng, điu chế và di điu chế…B khuyếch đại
mc thp và b lc thông thp là nhng b chuyn đổi chun hoá thông thường nht
* B khuếch đại thut toán:
Trong các h thng đo lường ngày nay phn ln các tín hiu ra tương t ca
cm biến đều đưc biến đổi thành tín hi
u s để tin dùng cho vic lưu gi hoc
điu khin do đó các tín hiu này cn phi được đưa qua b ADC (b biến đổi
tương t – s) tuy nhiên di tín hiu đầu ra ca cm biến thường rt nh c mili V
hoc li rt ln không phù hp vi di đầu vào ca ADC hoc các h thng thu thp
s liu (DAQ system) do
đó có th s dng b khuếch đại thut toán để cung cp
các chc năng chuyn đổi chun hóa tín hiu sau:
· Làm tăng, gim bn độ ca tín hiu
· Lc tín hiu
· Làm gim tr kháng ca tín hiu ra hoc
· Cung cp h s khuếch đại có th thay đổi được.
* B ly và gia mu (Sample and Hold):
Mc đích ca b
ly và gi mu là để bt tín hiu đầu ra ca cm biến và gi
li giá tr đó không đổi trong mt khong thi gian nht định vì mi b ADC đều
cn tín hiu được gi n định trong mt khong thi gian nht định để thc hin
vic chuyn đổi mt cách chính xác. Mt khác ph thuc vào tc độ biến
đổi ca tín
hiu ra ca cm biến mà chn b ly và gi mu có tc độ thích hp, nếu tín hiu ra
ca cm biến có tc độ biến thiên ln thì cn b ly và gi mu cũng phi có tc độ
ln thích hp để kp bt được các giá tr biến đổi ca đầu ra ca cm biến và ngược
li.
* B
chuyn đổi tương t – s (A-D Converter)
Tín hiu s cho phép lưu gi d dàng, phc v cho điu khin thun li hơn,
truyn đi xa ít b nhiu, mà tín hiu đầu ra ca cm biến thường là tín hiu tương t
nên nó thường được biến đổi thành tín hiu s trước khi đưa đi x lý tiếp do đó cn
phi s dng m
t b chuyn đổi tương t – s (ADC) . B ADC có tr kháng đầu
vào nh và chúng đòi hi tín hiu đưa vào đầu vào ca chúng là tín hiu mt chiu
LuËn v¨n th¹c sü khoa häc GVHD: PGS.TS. Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Người thc hin: Nguyn Th Phương Hu Khoá hc: 2008-2010
14
hoc thay đổi chm và có biên độ không vut quá mt di xác định. Mt trong
nhng thông s k thut quan trng c