ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN






 !"# $!%"&'" (! )*+,
*+-./
0,
1
 23# $!"45!678! )9:;.*<
"=> )?
5@ )?A
/)BCD
1
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
Đặt vấn đề:
Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật
trong công nghiệp, đăc biệt trong công nghiệp vi điện tử kỹ thuật số các hệ thống điều
khiển dần dần được tự động hóa. Với kỹ thuật tiên tiến vi điều khiển, vi xử lý, vi mạch
số được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển tự động với chương trình thiết lập trước thay
thế cho các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, tốc độ xử lý chậm, ít chính xác. Hiện nay
hầu hết các quá trình sản xuất hàng tiêu dùng quá trình sấy đóng vai trò quan trọng quyết
định đến chất lượng sản phẩm, trong nông nghiệp các nông trại sản xuất rau sạch, hoa
quả sạch cũng gia tăng không ngừng, trong xây dựng cảnh báo cháy Do đó việc đo được
nhiệt độ, độ ẩm và khống chế các yếu tố này theo đúng yêu cầu mong muốn là yếu tố hết
sức quan trọng và cần thiết.
Để kiểm soát được nhiêt độ, độ ẩm dùng vi điều khiển 8051 để tự động hóa quá trình là
phương pháp tiện lơi, giá thành thích hợp cho những ứng dụng rộng rãi. Được sự đồng ý
của khoa CNTD – Trường Đại Học Điện Lực, chúng em tiến hành thực hiện đề tài “ 3

trên tuân theo 2 nguyên lý: Bảo toàn năng lượng.
Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất. Ở trạng thái rắn,
sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt.
Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyền nhiệt bằng đối
lưu. Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyển các phần của
khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉ trọng.
1.1.2 Thang đo nhiệt độ:
Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường độ của nó
bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo một đơn vị đo của mỗi thời kỳ. Có nhiều đơn vị
đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng, từng thời kỳ phát triển của khoa học
kỹ thuật và xã hội. Hiện nay chóng ta có 3 thang đo nhiệt độ chính là:
Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ).
Thang Celsius ( C ): T(
0
C ) = T(
0
K ) – 273,15.
Thang Farhrenheit: T(
0
F ) = T(
0
K ) – 459,67.
Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay. Trong đó thang đo nhiệt độ
tuyệt đối (K) được quy định là một trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị quốc tế (SI).
Dùa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ.
1.1.3 Sơ lược về phương pháp đo nhiệt độ:
Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc nhiệt
độ. Hiện nay chóng ta có nhiều nguyên lí cảm biến khác nhau để chế tạo cảm biến nhiệt
độ như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phương pháp quang dùa trên phân bố phổ bức xạ
3

hoạt động tốt trong dải nhiệt độ rộng. Ngoài ra nó lại còn có tính lặp rất cao, sai số ngẫu
nhiên thấp ( dưới 0,01%), có độ sai khác 0.01
0
C…
4
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
Niken có độ nhạy cao hơn so với Platin nhưng Niken có tính hoá học cao, dễ bị
oxy hoá khi nhiệt độ tăng do vậy dải nhiệt độ làm việc của nó bị hạn chế ( dưới 250
0
C ).
Tuy vậy nó lại có giá thành rẻ vẫn đáp ứng về mặt kỹ thuật cho nên cũng hay được sử
dụng.
Đồng cũng được sử dụng nhiều vì sự thay đổi nhiệt độ của đồng có độ tuyến tính
cao, giống nh Niken thì hoạt tính hoá học của đồng lớn nên dải nhiệt độ làm việc của
đông bị hạn chế ( dưới 180
0
C ).
Để đạt được độ nhạy cao nhiệt điện trở phải lớn muốn vậy phải giảm tiết diện và
tăng chiều dài dây. Để có độ bền cơ học tốt các nhiệt điện trở kim loại có trị số điện trở R
vào khoảng 100Ω ở 0
0
C. Các nhiệt điện trở có trị số lớn thường dùng đo dải ở nhiệt độ
thấp vì ở đó cho phép thu được độ nhạy cao. Để sử dụng cho mục đích công nghiệp các
nhiệt điện trở có vỏ bọc tốt, chống được va chạm và rung mạnh…
Đối với bạch kim thì giữa điện trở và nhiệt độ trong giới hạn từ 0 - 660
0
C được
biểu diễn bằng biểu thức:
Rt = Ro(1+At+Bt
2

α

- hệ số nhiệt độ đối với khoảng nhiệt độ bắt đầu từ 0
0
V bằng 4,3.10
-3
/
0
C.
Trong khoảng nhiệt độ từ -50
0
C - 150
0
C. Loại này có thể dùng được trong các môi
trường có độ kiềm và khí ăn mòn.
Trong thực tế có loại nhiệt điện trở TCM-0879-01T3 bằng đồng công thức mô tả:
Rt = 50(1+4,3.10
-3
T) (Ω).
1.2.1.2 Nhiệt điện trở bán dẫn:
Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo từ hỗn hợp nhiều oxit kim loại khác nhau (ví
dô nh: CuO, MnO…). Một số nhiệt điện trở bán dẫn đặc trưng bởi quan hệ: Rt = A.e
B/T
5
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
Trong đó A: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bấn dẫn, kích
thước và hình dạng của vật.
B: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn.
T: Nhiệt độ Kenvin của nhiệt điện trở.
Nhược điểm của nhiệt điện trở bán dẫn là có hệ số phi tuyến giữa điện trở với

0
) = 0.
Từ đó rút ra: e
AB
= e
AB
(t
0
)
Khi t
0
và t khác nhau thì sức điện động tổng bằng:
E
AB
= e
AB
(t) – e+
AB
(t
0
)
Phương trình trên là phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu ( sức điện động phụ
thuộc vào hệ số nhiệt độ của mạch vòng t và t
0
).Như vậy bằng cách đo sức điện động ta
có thể tìm được nhiệt độ của đối tượng.
Phương pháp này được sử dụng nhiều trong công nghiệp khi cần đo những nơi có
nhiệt độ cao.
WVRV^3!" (%FMXY!6'2'@"_!%`X2!78!a7 3%#E%Pb!c %3dV
6

K -55
O
C÷150
0
C ±0.25
0
C
MMB-TS102 -2.25mV/
O
K -40
O
C÷150
0
C ±0.25
0
C
REF-02A 2.1mV/
O
K -55
O
C÷125
0
C ±0.5
0
C
DS18B20 -2.mV/
O
K -55
O
C÷125

0
C. Điện áp ngõ ra có công thức:
Vout = (V
+
/5V).(1,375V+22,5mV/
0
C.T)
Trong đó:
V
+
: Trị số điện áp cấp
T : Nhiệt độ cần đo
Các IC trong họ AD22100:
AD100KT/KR cho dải nhiệt độ từ 0÷100
0
C
AD100AT/AR cho dải nhiệt độ từ -40÷85
0
C
AD100ST/SR cho dải nhiệt độ đo từ -50÷150
0
C
Hình dạng bên ngoài của AD22100:
V
+
: Điện áp nguồn nuôi 4÷30 VDC
Vo : Đầu ra
GND : nối vào 0V
NC : bá trống
WVRV^V^e>X [!.Wf9Rg)

: Hằng số và C
1
= 37,03.10
-7
(Jm
2
/s)
C
2
: Hằng số vá C
2
= 1,432.10
-2
(m.độ)
α: Độ dài sóng
T: Nhiết độ tuyệt đối
1.3.1 Hoả quang kế phát xạ:
9
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
Đối với vật đen tuyệt đối năng lượng bức xạ toàn phần trên một đơn vị bề mặt E
t
0
= α.T
4
p
( với α = 4,96.10
-2
Jm
2
.sgrad

4
T
α T
T
= T
p

4
α
1
/ α
T
( T
t
bao giê cũng nhỏ hơn T
p
)
Hoả quang kế dùng để đo dải nhiệt độ từ 20 ÷ 100
0
C. khi cần đo nhiệt độ lớn ( trên
100 ÷ 2500
0
C ) mà tần số bước sóng đủ lớn người ta dùng 1 thấy kính bằng thạch anh hay
thuỷ tinh đặc biệt để tập chung các tia phát xạ và phần tử nhạy cảm với nhiệt độ được
thay bằng cặp nhiệt ngẫu. Trong nhiệt kế phát xạ thấu kính không thể đo được nhiệt độ
thấp vì các tia hồng ngoại không thể xuyên qua được thấy kính ( kể cả thạch anh ).
Khoảng cách để đo giữa đối tượng và hoả quang kế được xác định do kích thước.
Chùm tia sáng từ đối tượng đo đến dụng cụ phải chùm hết tầm nhìn ống ngắm của nhiệt
kế.
Nhược điểm của tất cả các hoả quang kế là đối tượng không phải là vật đen tuyệt

Xác định α
t
là điều rất khó, thường α
t
= 0,03 ÷0,7 ở các vật liệu khác nhau và với
độ sóng α = 0,6 ÷ 0,7µm.
Nguyên lý làm việc :
So sánh cường độ sáng của đối tượng đo nhiệt độ với cường độ sáng của một
nguồn sáng chuẩn trong dải phổ hẹp. Nguồn sáng chuẩn là một bóng đèn sợi đốt
Vonlfram sau khi đã được già hoá trong khoảng 100 giê với nhiệt độ khoảng 2000
0
C.
Cường độ sáng có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng đốt hay dùng bộ lọc ánh sáng.
Nếu cường độ sáng của đối tượng đo lớn hơn độ sáng của dây đốt ta sẽ thấy dây
thâm trên nền sáng.
Nếu cường độ của đối tượng đo yếu hơn độ sáng của dây đốt thì kết quả sẽ cho
thấy dây sáng trên nền thẫm.
Nếu độ sáng bằng nhau thì dây sẽ mất và đọc vị trí của bộ chắn sáng.
So sánh bằng mắt tuy thô sơ nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác nhất định vì cường
độ sáng thay đổi nhiều hơn gấp 10 lần so với sự thay đổi nhiệt độ.
nh sáng từ đối tượng đo 1 đến mẫu 10 qua khe hở và bộ lọc ánh sáng 8 cùng đặt
vào tế bào quang điện 4. Sự sánh được thực hiện bằng cách lần lượt cho ánh sáng từ đối
tượng đo và đèn chiếu tế bào quang điên nhờ tấm chắn 3 và sự di chuyển tấm chắn cảm
ứng điện từ 9 của chuyển đổi ngược với tần số 50 Hz.
Dòng ánh sáng i
1
và i
2
được tế bào quang điện biến thành dòng điện, dòng điện này
được đưa vào khuếch đại xoay chiều và được chỉnh lưu bằng bộ chỉnh lưu nhạy pha 6 để

1
α
-5
2
e
-c2/α1T
T = C
2
( 1/α
1
- 1/α
2
).ln (E1)
11
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
Vì vậy trong dụng cụ hoả kế màu sắc có thiết bị tự giải phương trình. Các giá trị
α
1
,α
2
,α
1
,α
2
được đưa vào trước. Nếu các thông số trên không được đưa vào trước sẽ gây
nên sai sè.
Khi đo đến dải nhiệt độ 2000÷ 2500
0
C thì giá trị α
1

cặp nhiệt ngẫu
- Đắt tiền
- Cần phải cung cấp nguồn dòng
- Lượng thay đổi R nhá
- Điện trở tuyệt đối thấp
- Tù gia tăng nhiệt
12
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
Cặp nhiệt
ngẫu
- Là thành phần tích cực,
tự cung cấp công suất
- Đơn giản, rẻ tiền
- Tầm thay đổi rộng
- Tầm đo nhiệt độ rộng
- Phi tuyến
- Điện áp cung cấp thấp
- Đòi hỏi điện áp tham chiếu
- Kém ổn định nhất
- Kém nhạy nhất
IC cảm
biến
- Tuyến tính nhất
- Ngõ ra có giá trị cao nhất
- Rẻ tiền
- Nhiệt độ đo thấp
- Cần cung cấp nguồn dòng cho
Cảm biến
Đo bằng
phương

- Bình hút ẩm phía dưới để chất hút ẩm (CaCl
2
, Na
2
SO
4
khan, H
2
SO
4
đậm đặc hoặc
Silicagen …).
- Chén sứ.
- Đũa thủy tinh đầu bẹt, dài khoảng 5 cm.
- Na
2
SO
4
hoặc cát sạch.
Cát chuẩn bị như sau: đổ cát qua dây có đường kính lỗ 4 – 5mm. Rửa qua bằng
nước máy, sau đó rửa bằng HCl bằng cách đổ acid vào cát rồi khuấy (một phần acid một
phần cát). Để qua đêm sau đó rửa cát bằng nước máy cho đến khi hết acid (thử bằng giấy
quỳ). Rửa lại bằng nước cất sau đó sấy khô, cho qua dây có đường kính lỗ 1 – 1,5 mm,
rồi đem nung ở lò nung từ 550 -600
0
C để loại chất hữu cơ. Giữ cát trong lọ đậy kín.
4.1.3. Cách tiến hành
Lấy cốc thủy tinh có đượng 10 – 20g cát sạch và một đũa thủy tinh bẹt đầu, đem
sấy ở 100 – 103
0

Trong trường hợp qui định trước, có thể sử dụng phương pháp sấy ở 130
0
C trong
2h, hoặc phương pháp sấy chân không ở nhiệt độ thấp.
Đối với mẫu lỏng cần làm bốc hơi nước ở nồi cách thủy cho tới khô trước khi cho
vào tử sấy.
Trong trường hợp không có cốc thủy tinh có nắp kín, có thể dùng cốc kim loại
(nhôm) hay chén sứ.
Nhược điểm:
Có thể làm sai số làm tăng độ ẩm do khi sấy, các chất bay hơi như tinh đầu, cồn,
acid bay hơi, …cùng bay hơi với nước hoặc bị phân giải thành furfurol, amoniac khi sấy
các mẫu có chứa nhiều đường, đạm làm giảm tỷ lệ thủy phần.
Cũng có thể cho kết quả sai số do một số thành phần bị oxy hóa khi gặp không khí
ở nhiệt độ cao (như mẫu có nhiều chất béo).
4.2. Phương pháp chưng cất kín với một dung môi hữu cơ
4.2.1. Nguyên tắc
Dùng một loại dung môi hữu cơ có 3 đặc tính:
- Có nhiệt độ sôi cao hơn nước một chút.
- Không trộn lẫn với nước.
- Nhẹ hơn nước.
Khi đun sôi dung môi hữu cơ đã trộn lẫm với mẫu, dung môi bốc hơi và sẽ kéo
theo nước trong mẫu. Dung môi và nước gặp lạnh ngưng tụ ở ống đo có vạch chia làm
15
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
hai lớp riêng biệt. Đọc thể tích nước lắng ở phía dưới, từ đó tính ra phần trăm nước có
trong mẫu.
4.2.2. Dụng cụ vật liệu và thuốc thử
- Dụng cụ cất cất để xác định độ ẩm ( các bộ phận trong máy cất lắp ráp với nhau bằng mối
nối nhám hoặc bằng nút lie (liege) kín, không nên dùng nút cao su vì cao su bị hòa tan
trong dung môi hữu cơ).

Chú ý:
16
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
- Vì thể tích và trọng lượng nước gần bằng nhau nên có thể coi số gam nước cũng
tương đương với số ml nước.
- Trong trường hợp toluen hoặc xylen có lẫn nước: lắp máy và chưng cất dung môi
(không có mẫu thử) cho đến khi lượng nước trong ống đo không đổi. Để nguội, đọc thể
tích trong ống đo và sau cho thuốc thử vào dung môi và tiến hành như trên. Thể tích đọc
được lần cuối phải trừ đi thể tích nước có trong dung môi trước khi tính kết quả.
- Đối với các thực phẩm hòa tan trong dung môi như dầu mỡ,… những thực phẩm
nhẹ hơn dung môi, khi sôi nổi ở phía trên như bột, những thực phẩn đun sôi lâu không bị
phá hủy như khoai, ngô, … cách làm như trên không trở ngại gì. Nhưng đối với thực
phẩm như mứt, mật, siro, phomat, … có thể dính vào thành bình cầu, khi đun sẽ bị
cacbon hóa, cần phải chú ý làm như sau: cho thêm vào bình khoảng 30 – 40g cát sạch,
một phần cát trộn đều vào thực phẩn thành một khối rỗng vừa không dính vào thành bình
vừa không làm thực phẩm đóng vón với nhau làm cho thực phẩm dễ bốc hơi nước, một
phần cát lắng xuống sẽ làm lửa không trực tiếp đốt cháy được thực phẩm.
4.3. Phương pháp Karl Fischer
4.3.1. Nguyên tắc
Dựa trên độ mất màu của iot. Ở nhiệt độ thường, iot kết hợp với nước và SO
2
thành HI
không màu, theo phản ứng:
I
2
+ SO
2
+ 2H
2
O ↔ 2HI + H

và kết quả được ghi tự động trên biểu đồ. So sánh với biểu đồ mẫu làm với thuốc thử
chứa 0%, 25%, 50%, 75%, 100% nước.
Chú ý:
Nếu không có máy đo tự động có thể dùng phương pháp so màu với thang chuẩn.
Phương pháp chính xác với những mẫu có hàm lượng nước rất thấp, có thể định
lượng nhanh và xác định hàng loạt.
4.3.4.Tính kết quả
Kết quả % trên máy ghi tự động.
4.4. Phương pháp sử dụng khúc xạ kế
4.4.1. Nguyên tắc
Khi đi từ một môi trường (không khí) vào một môi trường khác (chất lỏng) tia
sáng sẽ bị lệch đi (khúc xạ). Nếu chất lỏng là một dung dịch chất hòa tan (dung dịch
đường, muối, …) dựa trên độ lệch của tia sáng, ta có thể tính được nồng độ của chất hòa
tan và từ đó tính ra phần trăm nước có trong thực phẩn.
Phương pháp này chủ yếu để xác định hàm lượng chất khô trong các thực phẩm
lỏng hòa tan trong nước.
4.4.2. Dụng cụ vật liệu và thuốc thử
- Khúc xạ kế có thang chia độ ứng với hàm lượng chất khô.
- Cân kỹ thuật.
- Chén, chày sứ.
18
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
- Đũa thủy tinh đầu tròn.
- Vải gạc.
- Bông hút ẩm hoặc giấy mềm thấm nước.
- Cát sạch.
4.4.3. Cách tiến hành
Chuẩn bị mẫu:
- Nếu mẫu thử ở thể dung dịch đồng nhất, trong và màu nhạt thì có thể tiến hành
thử ngay được.

Chú ý:
Phải đọc kết quả nhanh chóng sau khi đặt giọt mẫu thử lên lăng kính để tránh hiện
tượng bốc hơi nước.
Sau mỗi lần đọc lau lăng kính với bông thấm nước ướt, rồi lau lại bằng bông khô.
Có thể thử và đọc kết quả ở nhiệt độ thường, rồi điều chỉnh nhiệt độ tiêu chuẩn
(+20
0
C) theo bảng kèm theo máy, hoặc bằng cách điều chỉnh thô sơ sau đây:
- Dưới +20
0
C ứng với mỗi một sai khác trừ đi 0.07 vào kết quả.
- Trên +20
0
C ứng với mỗi một sai khác cộng thêm 0.07 vào kết quả.
?VhV@"4Z!6@"2@F3FMN>XY!6'e>X [!
a. ›m kế điện trở
-nguyên lý hoạt động: ẩm kế điện trở dùng điện trở hút ẩm( dùng chất hút ẩm phủ lên) sau đó
điện trở được nối tới cầu Wheatons có bù nhiệt. Điện trở của cảm biến thay đổi tỷ lệ với
độ ẩm được chuyển thành tín hiệu điện tương ứng .

• Dải đo RH 15%÷99%
• Dải nhiệt độ -10
o
C÷60
o
C
• Độ chính xác ±2%
• Thời gian hồi đáp 10s
• Kích thước nhỏ ,rẻ, ít chịu ảnh hưởng ô nhiễm môi trường trừ nơi có hóa chất ăn mòn
cao

21
ĐỒ ÁN: VI ĐIỀU KHIỂN
22