Đề tài Tổng quan cảm biến đo nhiệt độ, thermocouple DS18B20,TCN75

ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Khoa điện-điện tử viễn thông ؙ–&—˜× BÁO CÁO KĨ THUẬT ĐO 2 Đề tài: tổng quan cảm biến đo nhiệt độ, thermocouple DS18B20,TCN75. Giáo viên hướng dẫn: Lê Mạnh Thắng Danh sánh nhóm : Trần quốc cương Trần thanh bình Lê văn định MỤC LỤC TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ: Trong các đại lượng vật lý nhiệt độ là một trong những đại lượng được quan tâm nhiều nhất. đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất. để đo được nhiệt độ ta cần phải dùng cảm biến nhiệt độ. cảm biến là gì: Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận,các đại lượng vật lý không điện thành các tín hiệu điện. Ví dụ: Nhiệt độ là 1 đại lượng không liên quan đến điện chúng ta phải chuyển nó về 1 đại lượng khác ( điện trở, điện áp ) để phù hợp với các cơ cấu điện tử. Các cảm biến thường dùng trong HVAC: Cảm biến nhiệt, áp suất, độ ẩm, mức nước, lưu lượng gió, lưu lượng khí, đo nồng độ hóa chất trong nước, CO2, khói,..  PHÂN LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT: Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ). Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ). Thermistor. TCN75 CẶP NHIỆT ĐIỆN ( Thermocouples ): - Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu. - Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV). - Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao. - Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao. - Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén, - Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C - Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp. - Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển ). Nguyên lý hoạt động: Năm 1821, nhà vật lý Đức Estonia Thomas Johann Seebeck phát hiện ra rằng khi bất kỳ dây dẫn phải chịu sự chênh lệch nhiệt độ, nó sẽ tạo ra một điện áp. Điều này bây giờ được gọi là hiệu ứng nhiệt điện hoặc hiệu ứng Seebeck. Cấu tạo các cặp nhiệt điện trong công nghiệp: Hình ảnh thực tế: Đặc điểm: Trái ngược với hầu hết các phương pháp khác về đo lường nhiệt độ, cặp nhiệt điện không cần các tác động điện áp từ bên ngoài. Vì nó tự sản sinh ra dòng điện khi nhiệt độ thay đổi. Hạn chế chính với cặp nhiệt điện là độ chính xác; rất khó có thể đạt sai số dước 10C. Các hợp kim khác nhau được sử dụng cho các phạm vi nhiệt độ khác nhau. Các đặc tính như khả năng chống ăn mòn cũng có thể quan trọng khi lựa chọn một loại cặp nhiệt điện. Trường hợp điểm đo xa thiết bị đo, kết nối trung gian có thể được thực hiện bằng dây dẫn điện ít tốn kém hơn so với các vật liệu được sử dụng trong các cảm biến. Cặp nhiệt điện thường được tiêu chuẩn đối với một nhiệt độ tham chiếu từ 0 độ C; dụng cụ thực tế sử dụng phương pháp điện tử bù trừ nguồn lạnh để điều chỉnh nhiệt độ khác nhau tại các đầu cuối của thiết bị. Dụng cụ điện tử cũng có thể bù đắp cho những đặc điểm khác nhau của các cặp nhiệt điện, và do đó cải thiện độ chính xác và độ chính xác của phép đo. Ứng dụng Cặp nhiệt điện được sử dụng rộng rãi trong khoa học và công nghiệp; bao gồm các ứng dụng đo nhiệt độ cho lò nung, xả từ tuabin khí, động cơ diesel, và các quy trình công nghiệp khác. Cặp nhiệt điện cũng được sử dụng trong nhà, văn phòng và các doanh nghiệp như các cảm biến nhiệt độ trong nhiệt, và cũng như các cảm biến ngọn lửa trong các thiết bị an toàn cho các thiết bị chủ yếu chạy bằng khí. Cách lắp đặt cũng giống như các Biến trở nhiệt trong công nghiệp. Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ): -  Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài. Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm tại 0 D.C. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao. - RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Lưu ý khi sử dụng: - Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số. - Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu hơn so với Thermocouple. Chúng ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến này ( hàn kĩ, chất lượng dây tốt, có chống nhiễu ) và có thể đo test bằng VOM được. -  Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây. THERMISTOR:  -Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt, - Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi. - Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo. - Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp. - Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử. - Tầm đo: 50 - Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid. Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. - Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC. - Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150D.C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt-mít.Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ. Lưu ý khi sử dụng: - Tùy vào nhiệt độ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC và NTC (gọi nôm na là thường đóng/ thường hở ) Có thể test dễ dàng với đồng hồ VOM. -  Nên ép chặt vào bề mặt cần đo. -  Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ. -  Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây. Giới thiệu IC TCN75 TCN75 là một cảm biến nhiệt độ có thể lập trình được. Nó thông báo cho các bộ điều khiển khi nhiệt độ môi trường xung quanh vượt quá nhiệt độ mà người dùng thiết lập Ngõ ra của TCN75 có thể lập trình được để cho quá trình điều chỉnh nhiệt của hệ thống hoặc như một tín hiệu ngắt Giao tiếp với tcn75 thực hiện thông qua chuẩn 2 dây tương thích với các giao thức chuẩn công nghiệp chuẩn 2 dây cho phép đọc nhiệt độ hiện tại, lập trình điểm thiết lập và cấu hình nhiệt độ của thiết bị Chế độ shutdow có thể kích hoạt thông qua bus 2 dây đầu vào cho phép 8 TCN75 chia sẻ cùng 1 bus 2 dây để kiểm soát nhiệt độ ở nhiều thiết bị Kích thước nhỏ, chi phí lắp đặt thấp và dễ sử dụng. Tcn75 là một sự lựa chọn hoàn hảo cho một hệ thống kiểm soát nhiệt độ Đặc điểm Độ chính xác 0.5 ° C Hoạt động từ -55 ° C đến + 125 ° C Phạm vi hoạt động: 2.7V đến 5.5V Standard 2-Wire Serial Interface Sự kiện nhiệt Alarm Output Chức năng như Gián đoạn hoặc Comparator / Thermostat Output 8 TCN75s có thể chia sẻ các Bus Cùng lúc Chế độ Shutdown cho điện chờ thấp sự tiêu thụ 5V chịu I / O tại VDD = 3V Công suất thấp: - 250 uA ở chế độ hoạt động - 1 uA ở Chế độ Shutdown 8-Pin SOIC và MSOP được tích hợp Ứng dụng: Bảo vệ nhiệt cho CPU hiệu suất cao Nhiệt kế Chữa cháy / Báo động nhiệt Quản lý nhiệt trong các hệ thống điện tử: Máy tính Đồ điện / Amplifiers Máy Photocopy / Văn phòng điện tử Điện tử gia dụng Kiểm soát nhiệt SƠ ĐỒ CHÂN TCN75 1 SDA nối tiếp (Bidirectional Serial Data). 2 SCL cấp xung clock(Serial Data Clock Input) . 3 INT/CMPTR tạo tín hiệu ngắt hoặc so sánh(Interrupt or Comparator Output). 4 GND. 5,6,7 chọn chân A2,A1,A0 8 VDD THANH GHI TRONG TCN75: CHUYỂN ĐỔI NHIỆT ĐỘ RA SỐ NHỊ PHÂN Tìm Hiểu IC DS18B20 IC DS18B20: hình ảnh thực tế Mô tả tính năng của DS1820: DS1820 là nhiệt kế số có độ phân giải 9-12bit giao tiếp với vi điều khiển trung tâm thông qua 1 dây duy nhất ( 1 wire communication). DS1820 hoạt động với điện áp từ 3V-5.5V có thể được cấp nguồn qua chân DQ- chân trao đổi dữ liệu. Nó có thể đo nhiệt độ trong tầm -55-125oC với độ chính xác +-0.5 oC. Mỗi DS1820 có một Serial code 64bits duy nhất, điều này cho phép kết nối nhiều IC trên cùng đường bus. Chuẩn 1 wire có những đặc điểm sau:  - chỉ có một master trong hệ thống. - Giá thành thấp.  - Tốc độ đạt dược tối đa 16kbps.  - Khoảng cách truyền xa nhất là 300m.  - Lượng thông tin trao đổi nhỏ. Sơ đồ khối của IC DS18B20 Thanh ghi dữ liệu Mỗi IC DS1820 có một mã 64bit riêng biệt bao gồm: 8 bit Family code, 48 bit serial code và 8 bit CRC code được lưu trong Rom. Các giá trị này giúp phân biệt giữa các IC với nhau trên cùng 1 bus. Giá trị Family code của DS1820 là 28h và giá trị CRC là kết quả của quá trình kiểm tra 56 bits trước đó.  Tổ chức bộ nhớ Scratchpad:  Bộ nhớ DS1820 bao gồm 9 thanh ghi 8bits Byte 0 và 1 lưu giá trị nhiệt độ chuyển đổi.  Byte 2 và 3 lưu giá trị ngưỡng nhiệt độ.( giá trị này được lưu khi mất điện). Byte 4 là thanh ghi cấu hình cho hoạt động của DS1820. Byte 5,6 và 7 không sử dụng.  Byte 8 là thanh ghi chỉ đọc lưu giá trị CRC từ byte 0 đến byte 7.  Dữ liệu trong byte 2,3,4 được ghi thông qua lệnh Write Scratchpad [4Eh] và dữ liệu được truyền đến. DS1820 với bit LSB của byte 2, sau khi ghi dữ liệu có thể được đọc lại thông qua lệnh Read Scratchpad [BEh], và khi đọc Scratchpad thì bit LSB của byte 0 sẽ được gửi đi trước tất cả các byte đều được đọc, nhưng chỉ ghi được byte 2,3 và 4. Để chuyển giá trị TH và TL từ bộ nhờ vào EEPROM thì cần gửi lệnh Copy Scratchpad [48h] đến DS1820. Và dữ liệu từ EPROM cũng có thể được chuyển vào thanh ghi TH,TL thông qua lệnh Recall E2 [B8h]. Trao đổi dữ liệu giữa vi điều khiển và DS1820 a. Khởi tạo.  Quá trình khởi tạo bao gồm 1 xung reset do vi điều khiển master gửi đến slave DS1820, sau đó là xung presence từ DS1820 gửi đến vi điều khiển, để chỉ ra sự hiện diện của vi điều khiển và DS1820 và quá trình hoạt động trao đổi dữ liệu có thể bắt đầu.  b. Lệnh điều khiển ROM. Các lệnh này làm việc với 64bits serial code ROM, lệnh này được phát ra sau quá trình khởi tạo. Lệnh cho phép vi điều khiển biết có bao nhiêu thiết bị và thiết bị loại gì trên bus. c. Lệnh điều khiển DS1820 Sau khi vi điều khiển định địa chỉ thiết bị cần giao tiếp thông qua các lệnh ROM, vi điều khiển sẽ gửi các lệnh điều khiển hoạt động của DS1820. Những lệnh này cho phép vi điều khiển ghi và đọc dữ liệu từ bộ nhờ Scratchpad của DS1820, bắt đầu quá trình chuyển đổi nhiệt độ, và xác định chế độ cấp nguồn. Cách Đọc Giá Trị Nhiệt Độ Bên trong DS1820 sẽ có bộ chuyển đổi giá trị nhiệt độ sang giá trị số và được lưu trong các thanh thi ở bộ nhớ scratchpad. Độ phân giải nhiệt độ đo có thể được cấu hình ở chế độ 9 bits, 10bits, 11bits, 12bits. Ở chế độ mặc định thì DS1820 hoạt động ở độ phân giải 12bits. Để bắt đầu quá trình đọc nhiệt độ, và chuyển đổi từ giá trị tương tự sang giá trị số thì vi điều khiển gửi lênh Convert T [44h], sau khi chuyển đổi xong thì giá trị nhiệt độ sẽ được lưu trong 2 thanh ghi nhiệt độ ở bộ nhớ scratchpad và IC trở về trạng thái nghỉ.  Nhiệt độ được lưu bên trong DS1820 được tính ở nhiệt độ Celcius nếu tính ở nhiệt độ Fahrenheit cần phải xây dựng thêm bảng chuyển đổi nhiệt độ. Giá trị nhiệt độ lưu trong bộ nhớ gồm 2bytes-16bits: số âm sẽ được lưu dưới dạng bù 2. Bit cao nhất là bit dấu (S) nếu S=0 thì giá trị nhiệt độ dương và S=1 thì giá trị nhiệt độ âm.  Nếu cấu hình độ phân giải là 12bits thì tất cả các bit đều được sử dụng. Nếu độ phân giải 11bits thì bit 0 không được sử dụng. Tương tự nếu cấu hình là 10bits thì bit 1,0 không được sử dụng, nếu cấu hình là 9 bits thì bit 2,1,0 không được sử dụng. Nhiệt độ sau khi được lưu vào trong 2 thanh ghi bộ nhớ sẽ được so sánh với 2 thanh ghi ngưỡng nhiệt độ TH và TL. Các giá trị ngưỡng nhiệt độ do người dùng quy định, và nó sẽ không thay đổi khi mất điện.  Như vậy chỉ có phần nguyên, các bit 11-4 của giá trị nhiệt độ được so sánh với thanh ghi ngưỡng. Nếu giá trị nhiệt độ đọc về nhỏ hơn mức TL hoặc lớn hơn mức TH thì cờ báo quá nhiệt sẽ được bật lên, và nó sẽ thay đổi ở mỗi quá trình đọc nhiệt độ. Vi điều khiển có thể kiểm tra trạng thái quá nhiệt bằng lệnh Alarm Search [ECh]. Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt 18ds20