ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG ĐỀ TÀI: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG KIT STM32F103C8T6 VÀ LM35

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG ĐỀ TÀI: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG KIT STM32F103C8T6 VÀ LM35 Thành viên: Nguyễn Tuấn Anh-B17DCDT014 Phạm Xuân Bách-B17DCDT018 Trần Xuân Bỉnh-B17DCDT022 Quách Thái Duy-B17DCDT054 Lời cảm ơn Trong thời gian làm đồ án hệ thống nhúng, nhóm em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy Nguyễn Ngọc Minh.Nhóm em xin trân thành cảm ơn bảo tận tình cảu thầy giúp nhóm chúng em hồn thành tốt đồ án cảm biến nhiệt độ sử dụng kit stm32F103C8T6 LM35 Với điều kiện thời gian kinh nghiệm hạn chế nhóm chúng em, đồ án khơng thể tránh thiếu sót nhóm em mong nhận bảo, đóng góp ý kiến thầy để tơi có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức mình, phục vụ tốt cơng tác thực tế sau Em xin chân thành cảm ơn! Mục lục Lời nói đầu Phân tích hệ thống I A B C Giới thiệu đề Mục địch yêu cầu toán Khảo sát phân tích tốn Tính cấp thiết đề tài Sơ đồ mạch đo Các yêu cầu giới hạn hệ thống thực tế .6 II A B Thiết kế hệ thống .7 Sơ đồ tổng quát Lựa chọn giải pháp công nghệ Giải pháp công nghệ Giải pháp thiết kế C Lựa chọn tổng quan linh kiện .11 Lựa chọn linh kiện .11 Tổng quan linh kiện 13 D E F Sơ đồ CALL GRAPH 13 Sơ đồ đặc tả hệ thống 14 Các MODULE hệ thống 16 Module điều khiển .15 Module hiển thị 16 16 Module khối nguồn 17 Module cảm biến nhiệt 17 III Xây dựng hệ thống 18 A B C D E Sơ đồ nguyên lý 18 Sơ đồ thuật toán điều khiển .19 Sơ đồ mô hệ thống 20 Sơ đồ mạch in sản phẩm .22 Chương trình 23 Kết luận 27 Phụ lục 28 Tài liệu tham khảo 40 I PHÂN TÍCH HỆ THỐNG A GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng trực tiếp tới sinh hoạt đời sống Việc xác định nhiệt độ môi trường từ lâu điều khơng thể thiếu Chúng ta có nhiều cách xác định nhiệt độ môi trường nhiệt kế thuỷ ngân … Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật nhiệt độ xác định xử lý dựa vào linh kiện điện tử để giúp đạt hiệu cao Vì nhóm chúng em chọn đề tài : ‘‘Cảm biến nhiệt độ sử dụng kit STM32F103C8T6 Lm35’’ B MỤC ĐỊCH YÊU CẦU CỦA BÀI TOÁN Đầu vào nhiệt độ môi trường thông qua cảm biến vi xử lý để hiển thị qua LCD Từ ta có u cầu tốn sau : Hiển thị xác nhiệt độ mơi trường xung quanh Hiển thị qua LCD Hiển thị làm việc ổn định, tốc độ đáp ứng nhanh C KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH BÁI TỐN Tính cấp thiết đề tài Hiện nhu cầu giám sát nhiệt độ có nhiều ứng dụng sống như: giám sát nhiệt độ của lị sấy, phịng thí nghiệm…nơi mà có yêu cầu cao tính ổn định nhiệt độ Nên đồ án này, em chọn đối tượng đo nhiệt độ mơi trường, trình bày mạch đo nhiệt độ phịng sử dụng IC tích hợp LM35 Quy tình đo nhiệt độ ĐỐI TƯỢNG CẦN ĐO CẢM BIẾN XỬ LÝ HIỂN THỊ Hình 1.1 Sơ đồ đo nhiệt độ *Quá trình thực đo: Nhiệt độ mơi trường tín hiệu tương tự thơng qua khối cảm biến thu nhận tín hiệu truyền đến khối vi điều khiển xử lý truyền khối hiển thị Các yêu cầu giới hạn hệ thống thực tế a) Các yêu cầu : - Đo hiển thị nhiệt độ môi trường thời điểm khoảng từ đến 99 độ C - Chịu nhiệt độ thay đổi - Sử dụng sensor cảm biến nhiệt - Hiển thị lCD - Chi phí cho hệ thống với giá hợp lý b) Giới hạn cho hệ thống : - Sử dụng nguồn điện 220v /50Hz - Kích thước phù hợp với người sủ dụng - Hệ thống bê tay - Hệ thống làm việc điện lưới (có nguồn dự trữ) II THIẾT KẾ HỆ THỐNG A SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ HIỂN THỊ VI NHIỆT ĐỘ ĐIỀU RESET KHIỂN NGUỒN Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát Chi tiết khối sơ đồ sau: a) Khối cảm biến nhiệt độ Khối cảm biến có chức thu nhận tín hiệu tương tự ( nhiệt độ mơi trường ) b) Khối xử lý Khối xử lý có chức tiếp nhận tín hiệu gửi đến sau xử lý để đưa khối hiển thị c) Khối hiển thị Khối hiển thị có chức hiển thị kết đo Có thể hiển qua hình LCD, LED đoạn LED đơn d) Reset Khối có chức reset lại hệ thống, giúp hệ thống làm việc từ đầu d) Khối nguồn Cung cấp điện cho khối sơ đồ Nguyên lý hoạt động sơ đồ : Khi nhiệt độ môi trường tác động vào cảm biến, cảm biến thu nhận gửi đến khối vi điều khiển Khối vi điều khiển xử lý tín hiệu đưa ngồi thơng qua khối hiển thị B LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CƠNG NGHỆ Giải pháp cơng nghệ : - Dựa vào yêu cầu toán ‘‘ Thiết kế thiết bị hiển thị nhiệt độ môi trường LCD” kiến thức học chương trình + Sử dụng LCD hợp với thiết bị hiển thị nhiệt độ LCD công cụ thông dụng dùng để hiển thị thông số dạng số chữ + Sử dụng LM35 để đo nhiệt độ :  Dịng LM35 dịng mạch tích hợp cảm biến xác nhiệt độ, có điện áp tỉ lệ thuận tuyến tính với nhiệt độ (ºC) có lợi so với cảm biến nhiệt độ tuyến tính hiệu chuẩn ºK, chẳng hạn người dùng trừ lượng lớn số điện áp từ đầu để phân chia thang nhiệt độ thuận tiện  LM35 không cần hiệu chuẩn hay chỉnh sửa để đưa nhiệt độ xác ±1/4ºC nhiệt độ phòng ±3/4ºC khoảng -55 đến 150ºC Sai số thấp vi mạch điều chỉnh  Trở kháng đầu LM35 thấp, đầu tuyến tính hiệu chuẩn xác giúp đọc kiểm sốt mạch dễ dàng Nó sử dụng với nguồn chiều Chỉ sử dụng 60µA từ nguồn nên nhiệt độ vi mạch tăng ít, thấp 0,1ºC khơng khí.Được đánh giá cao hoạt động khoảng -55 đến 150ºC, LM35C đánh giá khoảng -40 đến 110ºC (-10ºC với độ xác cải thiện) Giải pháp thiết kế : Thiết kế hệ thống có vai trị quan trọng.chất lượng phần mềm phụ thuộc nhiều vào thiết kế Một thiết kế tốt giúp cho việc thực giai đoạn khác dễ dàng hơn, giúp cho người thực hồn thành xác cơng việc Các quy trình thiết kế thường sử dụng như: TopDown, Bottom-Up kết hợp hai quy trình trên.Ở chúng em lựa chọn giải pháp thiết kế Top-Down Top-down: Quy trình tiếp cận tốn theo hướng xem xét tốn từ khía cạnh chi tiết sau tổng qt lên Quy trình Top-Down thường áp dụng cho tốn có giải pháp công nghệ phần mềm phần cứng Các giải pháp phát triển trước ứng dụng khác, kiểm định Trong thực tế thấy, chất hay mấu chốt quy trình vấn đề tìm hiểu xác định toán, để xác định xác đầy đủ yêu cầu buộc mà hệ thống phải đạt Sơ đồ khối quy trình kế top-down hình đây: Phân tích vấn đề (Analyze the proplem) Các yêu cầu điều kiện buộc cho hệ thống m Các yêu cầu điều kiện buộc xác định cụ thể Thiết kế nguyên lý (High level design) Sơ đồ khối biểu đồ luồng liệu Thiết kế kỹ thuật Các cấu trúc liệu (Engineering design) Các giao tiếp vào Biểu đồ quan hệ khối chức Xây dựng hệ thống (Implementation) Phần cứng Phần mềm Không Đạt yêu cầu Kiểm tra (Test) Đạt yêu cầu Hình 2.2 Sơ đồ khối quy trình kế TOP-DOWN 10 KẾT LUẬN Thơng qua việc hồn thành đồ án chúng em rút nhiều kinh nghiệm học tập tinh thần làm việc tập thể Và kết thu : Một thiết bị đo nhiệt độ môi trường dạng số Hạn chế : Sản phẩm cồng kềnh khơng đẹp mắt, có tính hiển thị nhiệt độ thơng thường, cơng dụng thực tế giá thành cao Hướng phát triển : Có thể kết hợp đo nhiệt độ với đo thời gian thực sản phẩm(hiển thị ngày LED thanh) Hay đo nhiệt đo kết hợp với cảnh báo mức nhiệt độ giới hạn cho phép, đo điều khiển nhiệt độ thiết bị dân dụng lị ấp trứng, lị bánh mì 29 PHỤ LỤC TỔNG QUAN CHI TIẾT VỀ CÁC LINH KIỆN * Thiết bị cảm biến nhiệt độ LM 35 Hình 1: Hình dáng bên ngồi LM35 30 Hình 2: Sơ đồ chân LM35 Giới thiệu chung LM35 Dịng LM35 dịng mạch tích hợp cảm biến xác nhiệt độ, có điện áp tỉ lệ thuận tuyến tính với nhiệt độ (ºC) có lợi so với cảm biến nhiệt độ tuyến tính hiệu chuẩn ºK, chẳng hạn người dùng trừ lượng lớn số điện áp từ đầu để phân chia thang nhiệt độ thuận tiện Độ xác cao, tính cảm biến nhiệt độ nhạy, nhiệt độ 25(0C) có sai số không 1% Với tầm đo từ 0(0C) đến 128(0C) , tín hiệu ngõ tuyến tính liên tục với thay đổi tín hiệu nhõ vào LM35 không cần hiệu chuẩn hay chỉnh sửa để đưa nhiệt độ xác ±1/4ºC nhiệt độ phòng ±3/4ºC khoảng -55 đến 150ºC.Sai số thấp vi mạch điều chỉnh Trở kháng đầu LM35 thấp, đầu tuyến tính hiệu chuẩn xác giúp đọc kiểm sốt mạch dễ dàng Nó sử dụng với nguồn chiều Chỉ sử dụng 60µA từ nguồn nên nhiệt độ vi mạch tăng ít, thấp 0,1ºC khơng khí Được đánh giá cao hoạt động khoảng -55 đến 150ºC, LM35C đánh giá khoảng -40 đến 110ºC (-10ºC với độ xác cải thiện) a)       31 Dòng LM35 đóng gói sẵn khối bán dẫn kín TO-46, LM35C, LM35CA LM35D đóng gói khối bán dẫn TO-92 b) Tính  Đo nhiệt độ xác (ºC)  Tỉ lệ tuyến tính +10mV/ºC  Có thể đảm bảo xác 0,5ºC (ở 25ºC)  Đo khoảng -55 đến 150ºC  Thích hợp cho ứng dụng từ xa  Sai số thấp, ±1/4 nhiệt độ phòng  Hoạt động - 30V  Dưới 60µA  Vi mạch tăng nhiệt thấp, 0,06ºC khơng khí  Trở kháng thấp, 0,1Ω cho 1mA tải c) Ứng dụng tiêu biểu  Hình Cảm biến nhiệt độ (ºC) Hình Cảm biến toàn phạm vi nhiệt độ (-55ºC - 150ºC) 32 Hình Cảm ứng nhiệt độ từ xa dây (cảm biến nối đất) Hình Cảm ứng nhiệt độ từ xa dây (đầu nối đất) Hình Cảm biến nhiệt độ, nguồn đơn, -55ºC – 150ºC 33 Hình Nhiệt kế Fahrenheit Hình Nhiệt kế bách phân d) Các giá trị  Áp nguồn: +35V đến -0,2V  Áp ra: +6v đến -1V  Dòng ra: 10mA  Nhiệt độ lưu trữ: o TO-46 Package: -60ºC đến +180ºC o TO-92 Package: -60ºC đến +150ºC o SO-8 Package: -65ºC đến +150ºC o TO-220 Package: -65ºC đến +150ºC  Nhiệt độ chì: o TO-46 Package (hàn 10 giây): 300ºC o TO-92 and TO-220 Package (hàn 10s): 260ºC  Phạm vi nhiệt độ: o LM35, LM35A: -55ºC đến +150ºC o LM35C, LM35CA: -40ºC đến +110ºC o LM35D: 0ºC đến +100ºC 34 e) Phân loại đặc điểm LM35A Thơng số Điều kiện Thuộc tính Độ xác TA=+25º C TA=-10˚C TA=Tmax TA=Tmin ±0,2 ±0,3 ±0,4 ±0,4 Tmin≤TA≤ Tmax ±0,18 Phi tuyến Giới hạn thử nghiệ m LM35CA Giới hạn thiết kế ±0,5 Thuộc tính ±0,2 ±0,3 ±0,4 ±0,4 ±1 ±1 ±0,35 Giới hạn thử nghiệm Giới hạn thiết kế ±0,5 ±1,5 ºC ºC ºC ºC ±0,3 ºC ±1 ±1 ±0,15 Độ dốc Tmin≤TA≤ trung bình Tmax +10 +9,9; +10,1 +10 +9,9 Quy định tải 0≤IL≤1m A TA=+25˚ C Tmin≤TA≤ Tmax ±0,4 ±0,5 ±1 ±0,1 ±0,3 ±0,4 ±0,5 Quy định đường truyền TA=+25˚ ±0.01 ±0.02 C 4V≤VS≤3 0V ±0.05 ±0.1 ±0.01 ±0.02 56 91 56,2 91,5 67 114 68 116 Dòng tĩnh VS=+5V, +25ºC VS=+5V VS=+30V ,+25ºC VS=+30V 56 105 56,2 105,2 ±0.05 67 131 68 133 Đơn vị +9,9; mV/ºC +10,1 ±0,3 mV/mA mV/mA ±0.1 mV/V mV/V µA µA µA µA 35 Thay đổi dịng tĩnh 4V≤VS≤3 0,2 0V,+25˚C 0,5 4V≤VS≤3 0V Hệ số nhiệt độ dòng tĩnh 0,2 0,5 µA µA +0,39 +0,5 +0,39 +0,5 µA/ºC +2 +1,5 +2 ºC Nhiệt độ tối thiểu cho xác Trong mạch hình 1, IL=0 +1,5 Ổn định dài hạn TJ=Tmax, for 1000 ±0,08 ±0,08 ºC Bảng phân loại LM35 STM32F103C8T6 Tổng quan KIT STM32F103C8T6 Blue Pill KIT Blue Pill sử dụng chip STM32F103c8t6 dòng chip phổ thơng STM, có đầy đủ ngoại vi bản, nhớ vừa đủ giá thành rẻ, phù hợp với người bắt đầu Thơng số KIT STM32F103C8T6 Blue Pill sau: • Điện áp hoạt động: 3.3V – 5V • Tích hợp thạch anh ngoại 8Mhz • Tích hợp cổng USB để nạp Bootloader sử dụng ngoại vi USB • Led tích hợp vào chân PC13 • Sử dụng chuẩn mạch nạp: SWD cho loại mạch nạp ST-link, J-link 36 Tổ ng quan KIT STM32F103C8T6 Blue Pill 11 KIT STM32F103C8T6 Blue Pill Pinout cho bạn nhìn tổng quan chân sử dụng Cấu trúc Reference Manual thường chia phần 37 • Introduction: giới thiệu ngoại vi • Main features: Các chức • Features description: Mơ tả chức • Registers: Cấu trúc ghi Bạn cần đọc kĩ phần: main features features description phần quan trọng nhất, hướng dẫn bạn làm việc với ngoại vi theo chức Cịn Registers cần thiết bạn lập trình trực tiếp ghi, với cubemx phần ghi code sẵn thư viện hal, việc bạn cần học sử dụng hàm thư viện nên ko cần quan tâm nhiều đến phần STM32F103C8T6 Blue Pill Pin Configuration Category Pin Name Power 3.3V, 5V, GND Details 3.3V – Regulated output voltage from the onboard regulator (drawing current is not recommended), can also be used to supply the chip 5V from USB or onboard regulator can be used to supply the onboard 3.3V regulator GND – Ground pins Analog Pins PA0 – PA7 Pins act as ADCs with 12-bit resolution PB0 – PB1 Input/output pins PA0 – PA15 37 General-purpose I/O pins PB0 – PB15 PC13 – PC15 Serial TX1, RX1 UART with RTS and CTS pins 38 TX2, RX2 TX3, RX3 External interrupts PA0 – PA15 All digital pins have interrupt capability PB0 – PB15 PC13 – PC15 PWM PA0 – PA3 15 PWM pins total PA6 – PA10 PB0 - PB1 PB6 – PB9 SPI MISO0, MOSI0, SPI SCK0, CS0 MISO1, MOSI1, SCK1, CS0 Inbuilt LED PC13 LED to act as a general-purpose GPIO indicator I2C SCL1, SDA1 Inter-Integrated Circuit communication ports SCL2, SDA2 CAN CAN0TX, CAN0RX CAN bus ports STM32F103C8T6 Technical Specifications Microcontroller STM32F103C8T6 Operating voltage 3.3V 39 Analog inputs 10 Digital I/O pins 37 DC source/sink from I/O pins 6mA Flash memory (KB) 64/128 SRAM 20KB Frequency (clock speed) 72MHz max Communication I2C, SPI, UART, CAN, USB * CÁC LOẠI LINH KIỆN KHÁC + Thạch anh dao động : Thạch anh sử dụng chế tạo thiết bị tạo xung nhịp để ứng dụng ngành điện tử, dùng để tạo tần số mẫu để hiệu chỉnh Trong mạch chúng em sử dụng thạch anh X1-12MHZ X1 : thạch anh tạo dao động , tần số dao động ghi thân thach anh, thạch anh cấp điện tự dao động sóng hình sin.thạch anh thường có tần số dao động từ vài trăm KHz đến vài chục MHz + Tranzitor Transistor linh kiện bán dẫn thường sử dụng thiết bị khuếch đại khóa điện tử Tranzitor khối đơn vị xây dựng nên 40 cấu trúc mạch máy tính điện tử tất thiết bị điện tử đại khác Vì đáp ứng nhanh xác nên tranzitor sử dụng nhiều ứng dụng tương tự số, khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, tạo dao động.Tranzitor thường kết hợp thành mạch tích hợp (IC),có thể tích hợp tới tỷ tranzitor diện tích nhỏ Cũng giống điốt, tranzito tạo thành từ hai chất bán dẫn điện Khi ghép bán dẫn điện âm nằm hai bán dẫn điện dương ta PNP tranzito Khi ghép bán dẫn điện dương nằm hai bán dẫn điện âm ta NPN tranzito +Các loại điện trở 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình vi điều khiển STM32 [2] Bài giảng lớp ‘Giáo trình hệ thống nhúng’ [3] ‘‘Kỹ thuật vi xử lý’’ tác giả Văn Thế Minh [4] Tài liệu internet WWW.CODIENTU.COM WWW.DIENTUVIETNAM.NET Và số tài liệu khác 42 43 ... biến nhiệt độ (ºC) Hình Cảm biến tồn phạm vi nhiệt độ (-55ºC - 150ºC) 32 Hình Cảm ứng nhiệt độ từ xa dây (cảm biến nối đất) Hình Cảm ứng nhiệt độ từ xa dây (đầu nối đất) Hình Cảm biến nhiệt độ, ... chức reset lại hệ thống, giúp hệ thống làm việc từ đầu d) Khối nguồn Cung cấp điện cho khối sơ đồ Nguyên lý hoạt động sơ đồ : Khi nhiệt độ môi trường tác động vào cảm biến, cảm biến thu nhận gửi... ngồi LM35 30 Hình 2: Sơ đồ chân LM35 Giới thiệu chung LM35 Dịng LM35 dịng mạch tích hợp cảm biến xác nhiệt độ, có điện áp tỉ lệ thuận tuyến tính với nhiệt độ (ºC) có lợi so với cảm biến nhiệt độ