các bạn xem kỹ nhé mình để ở chế độ xem 70% tài liệu rồi bạn nào thấy hay thi tải về tham khảo
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
SVTH : NGUYỄN HẢI QUÂN
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống nhúng là một môn học mới ở nước ta, nhưng nó ngày càng khẳng định được vai trò trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày nay và sự phát triển của đất nước trong tương lai Đây là nghành có sự hội tụ
và đúc kết của ba chuyên nghành là kĩ thuật điều khiển, tin học và điện tử mà sản phẩm cuối cùng của nó là một hệ thống tự động hóa góp phần giải phóng sức lao động của con người.
Kỹ thuật vi điều khiển là một môn học của nhiều nghành Nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp, tự động hóa và còn nhiều lĩnh vực khác nửa So với kỉ thuật số thì kỉ thuật vi điều khiển nhỏ gọn hơn nhiều do nó được tích hợp một cách tinh vi và có khả năng lập trình được nên việc thay đổi giải thuật điều khiển sẽ dễ dàng hơn.
Với tính ưu việt của vi điều khiển, đề tài mà nhóm em thực hiện ở đây
là sử dụng vi điều khiển và các thiết bị điện,điện tử để xây dựng hệ thống điều khiển cho bình nóng lạnh gia đình
Sau một thời gian học tập và rèn luyện, với sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo cùng sự trợ giúp của các bạn và các tài liệu có liên quan Nhóm em
đã hoàn thành xong đề tài.Em xin chân thành cám ơn thầy Nguyễn Tuấn
Linh đã hướng dẫn nhóm em hoàn thành đề tài
Đồ án đã hoàn thành xong nhưng không thể tránh nhiều thiếu sót xin các thầy giáo, cô giáo thông cảm cho em và chỉ bảo thêm để đề tài có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tế.
Nhóm Sinh Viên Thực hiện Nguyễn Hồng Quang
Nguyễn Hải Quân
Trang 31.1.2 Đặt vấn đề
1.1.3GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1.2 CÁC GIẢI PHÁP VÀ CÁCH XÁC ĐỊNH BÀI TOÁN
2.4 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG.
2.5 LỰA CHỌN LINH KIỆN.
2.5.1 Vi điều khiển PIC18F452
1.Giới thiệu về vi điều khiển PIC
Trang 42.7.2 KHỐI PHẢN HỒI.
2.7.3 KHỐI HIỂN THỊ.
2.7.4 KHỐI XỬ LÝ
2.7.5.KHỐI CHẤP HÀNH
2.7.5.1 KHỐI BƠM NƯỚC
2.7.5.2 KHỐI ĐUN NƯỚC.
2.7.5.3 KHỐI CHIA NƯỚC
LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống điều khiển là một hệ thống được xây dựng để từ tín hiệu vào (tín hiệuđặt , tín hiệu điều khiển)ta có tín hiệu đầu ra theo yêu cầu, thỏa màn lượng đặt , ổn địnhtrong khoảng cho phép
Tuỳ thuộc vào từng hệ thống có mức phức tạp khác nhau, chẳng hạn như để điềukhiển rô bốt công nghiệp cần phải có hệ thống điều khiển mạnh chính xác, ngược lại,
để điều khiển một bóng đèn 220V 75W ta chỉ cần một công tắc …
Những đôí tượng được điều khiển có thể đơn giản , hay phức tạp như điều khiển cảmột hệ thống sản xuất cho một nhà máy
Thế giới càng phát triển thì lĩnh vực điều khiển cần phải được mở rộng hơn Việcứng dụng điều khiển tự động và bán tự động đã mang lại nhiều thuận lợi cho xa hộiloài người, năng suất chất lượng tăng cao hơn ,giải phóng được con người
4
Trang 5Ngoài ra điều khiển tự động còn được ứng dụng trong kỹ thuật hàng không , vũtrụ Trước đây, muốn thực hiện một chuyến bay thành công thì hết sức khó khăn vàphức tạp nhưng giờ đây con người có thể thực hiện đơn giản hơn rất nhiều bằng việc sửlý tự động vô vàn thông số đầu vào để có những thông số đầu ra tối ưu nhất mà conngười đóng vai chò chính chỉ là giám sát hệ thống Như vậy, hệ thống điều khiển đãhạn chế được mức độ phức tạp của công việc và giảm thiểu những quyết định sai lầm
do con người gây lên
Trong sinh họat hằng ngày của con người như những trò chơi giải trí (robot, xeđiều khiển từ xa …) cho đến những ứng dụng gần gũi với con người cũng được cải tiếncho phù hợp với việc sử dụng và đạt mức tiện lợi nhất Điều khiển tự động đã thâmnhập vào vấn đề này do đó cho ra những loại tivi,điện thoại thông minh đến nhữnngngôi nhà thông minh Xuất phát từ những ý tưởng trên nên nhóm em đã chọn đề tàithiết kế hệ thống điều khiển , nhưng vì thời gian quá hạn hẹp, trình độ kỹ thuật cũngnhư vấn đề tài chính còn nhiều hạn chế nên em chỉ thiết kế và thi công mạch điều khiển
ổn định nhiệt độ đầu ra theo nhiệt độ đầu vào cho bình nóng lạnh
CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 1.1.ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1.1 Tìm hiểu về bình nóng lạnh
Bình nóng lạnh, từ lâu đã trở thành thiết bị quen thuộc trong mỗi hộ gia đình đáp
ứng nhu cầu nước nóng cho người sử dụng vào sinh hoạt Với các tính năng như hiệuquả,dễ dàng lắp đặt,chi phí không cao…,bình nóng lạnh thực sự đã trở nên phổ biến ởViệt Nam cũng như trên toàn thế giới
Về nguyên lý:Việc đun nóng nước là một quá trình nhiệt động mà cần một nguồn
năng lượng đun nóng nước,Nguồn năng lượng này có thể là khí tự nhiên,khí xăng đã hóa lỏng,dầu hay điện Ngày nay,năng lượng mặt trời cũng được dùng cho quá trình đun nóng nước này Dựa vào phương pháp điện trở mà người ta có thể đun nóng nước: Dựa nguyên lý: Q = I2 R.t
Trong đó: Q- nhiệt lượng toả ra khi có dòng điện I chạy qua dây đốt cóđiện trở R trong thời gian t , về đơn vị : t , về đơn vị :
I(A), R(Ω),t (s) thì Q ( J) trong đó có mối quan hệ:),t (s) thì Q ( J) trong đó có mối quan hệ: t , về đơn vị : t , về đơn vị :
1J = 1 Ws = 0,24cal Bản thân phương pháp đun nóng bằng điện trở này được phân thành:
a Phương pháp điện trở gián tiếp: trong đó khi có dòng điện qua điện trở sẽ toả ra nhiệt năng, nhiệt năng đó dùng để nung nóng vật
b Phương pháp điện trở trực tiếp: trong đó dòng điện trực tiếp đi qua vật nung, nhờ
có điện trở của vật mà vật được nung nóng
Trang 6Về cấu tạo : Dựa vào nguyên lý hay nguồn năng lượng đun nóng nước mà người tacó nhiều tên gọi đối với bình nóng lạnh thành nhiều loại khác nhau như bình nước nóng gián tiếp, bình nước nóng trực bình nóng lạnh năng lượng mặt trời,bình nóng lạnh điện…Nhưng nhìn chung các loại bình nóng lạnh về cơ bản có cấu tạo như sau:
Bình nóng lạnh có cấu tạo giống như ấm đun nước bằng điện, chỉ khác là dung tíchlớn hơn, công suất lớn hơn
Bình nóng lạnh có các bộ phận chính sau:
Thanh điện trở (bộ phận đốt nóng)
6
Trang 7 Bộ phận chứa nước: làm bằng nhôm dày, chịu được áp suất và áp lực cột nướclạnh cũng như hơi nước đã được đun nóng gây ra Có loại bình chứa nước bêntrong làm bằng thép, được tráng men tĩnh điện titan (phủ kín tuyệt đối) đảm bảocho bình chứa không bị rỉ sét, ăn mòn trong mọi nguồn nước Vỏ ngoài của bìnhlàm bằng nhựa ABS hoặc bằng thép có phủ sơn tĩnh điện chống rỉ tuyệt đối Giữabình chứa bên trong và lớp vỏ bên ngoài là lớp xốp cách nhiệt
Thanh điện trở vỏ được làm bằng Inox, dây điện trở đặt bên trong và được cáchđiện với vỏ bằng cát thạch anh Một số dạng thanh điện trở như ở hình 2-24
bình, nhằm đảm bảo bình luôn đầy nước và thanh đun luôn ngập dưới nước
tăng tuổi thọ của bình Thanh Magiê dùng làm tác nhân hoá học để trung hoànước, tiêu huỷ các hợp chất hoá học có trong nước hoặc sinh ra trong quá trìnhđun nóng, do đó tránh được hiện tượng ăn mòn bình chứa
cầu sử dụng, thường từ nhiệt độ môi trường đến khoảng 85 độ C
nước trong bình tăng Van an toàn dùng để xả hơi và nước trong bình trường hợp
Trang 8rơle nhiệt độ bị hỏng, thanh đun nước gây áp lực quá lớn trong bình, tránh chobình khỏi bị
Yêu cầu :
bằng tay (nhiệt độ bình nóng do người dùng đặt)
1.2.2 Yêu cầu phi chức năng của hệ thống
Chi phí phát triển thấp
Ngày nay khi khoa học kỹ thuật phát triển vô vùng mạnh mẽ,hàng loạt linh kiện
đã và đang tạo ra những thay đổi hết sức lớn lao về kinh tế - xã hội của các quốc gia Để
có thể nhanh chóng bắt kịp với xu thế mới của thời đại,cần phải chú trọng nhiều hơn nữa đến vấn đề công nghệ, mà trọng tâm là công tác quản lý công nghệ
Tác động của cuộc cách mạng công nghệ hiện nay.Thế giới đang chứng kiến một cuộc cách mạng công nghệ với những tác động sâu rộng hơn nhiều so với cuộc cách mạng công nghiệp trước đây Những thay đổi mà nó đưa lại đối với sự tăng trưởng kinh
tế và xã hội hết sức lớn lao Cuộc cách mạng công nghiệp trước đây được khởi đầu ở nước Anh vào thế kỷ XVIII đã biến đổi một cách căn bản nền kinh tế và phương thức
8
Trang 9làm việc của các nước phương Tây, với sự chuyển dịch từ cơ sở nông nghiệp sang cơ sởcông nghiệp Sức mạnh của động cơ hơi nước và việc ứng dụng các thiết bị cơ khí đã bổsung cho sức người, làm thay đổi những thói quen trong sản xuất và giao thông vận tải Những thay đổi này đã làm tăng vọt năng suất lao động của người công nhân và đem lại
sự tăng trưởng kinh tế cao cho các nước công nghiệp Các thói quen trong xã hội và công việc cũng thay đổi Các luật và quy định mới đã được ban hành để đáp ứng với môi trường mới và phát huy mọi tiềm năng của nó
Cuộc cách mạng công nghệ mà chúng ta đang chứng kiến hiện nay có được sức mạnh nhờ công nghệ thông tin và truyền thông (CNTT&TT) và sự gia tăng lượng tri thức Nó góp phần nâng cao trí tuệ, bổ sung thêm những phương diện hoàn toàn mới cho công cuộc phát triển con người Một lần nữa, cuộc cách mạng này sẽ đem lại nhữngthay đổi lớn lao về phương thức làm việc, thị trường lao động và hành vi xã hội, góp phần làm tăng năng suất, đồng thời có tiềm năng to lớn để thúc đẩy tăng trưởng kinh tế
và cải thiện chất lượng cuộc sống Những thay đổi cũng sẽ diễn ra ở kỷ nguyên mới này
- kỷ nguyên của tri thức, đem lại những thách thức mới, một nền kinh tế mới, buộc ta phải xem xét lại các chính sách nhằm tận dụng tối đa tiềm năng của nó
Công nghệ đã, đang và vẫn mãi là động lực để tạo ra của cải cho xã hội Chỉ có một
sự khác biệt lớn giữa ngày hôm qua với ngày hôm nay là: Tốc độ thay đổi công nghệ đang gia tăng rất nhanh Trong khi tiến bộ công nghệ phát triển đều đặn từ hàng nghìn năm trước, thì đến sau cuộc cách mạng công nghiệp, đã tăng tốc rất nhanh và với cuộc cách mạng công nghệ diễn ra từ 2 thập kỷ gần đây, tiến bộ công nghệ sẽ phát triển nhanh hơn gấp bội, đạt tới tốc độ chóng mặt.Nhiều linh kiện điện tử được tạo ra không những đa dạng về chủng loại,mẫu mã với nhiều tính năng ưu việt hơn mà còn rẻ
như:điện trở,transistor,pic,cảm biến… Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất,sinh hoạt,giải trí
Trên đây là một số loại linh kiện thường dùng đang có mặt trên thị trường.Ngoài ra còn có thêm sự xuất hiện của nhiều phần mềm có tính ứng dụng cao trong mô phỏng mạch cũng như trong lập trình rất tiện lợi như:proteus,ccs,protel,mutilsim….Cùng với
đó nhiều môn học ứng dụng cho việc thiết kế mạch cũng được đưa vào giảng dạy trong trường học trợ giúp sinh viên rất nhiều trong việc thiết kế mạch như:kỹ thuật điện tử số,lý thuyết điều khiển tự dộng,hệ thống nhúng…Do đó với một hệ thống thì lưôn có nhiều cách khác nhau để thực hiện.Với hệ thống điều khiển bình nóng lạnh gia đình nhóm lựa chọn giải pháp,đối với phần cứng:
Trang 11Mạch động lực
Led 7 thanh
Sensornhiệt LM35,cảm biến phao
Trang 122.5 LỰA CHỌN LINH KIỆN.
2.5.1 Vi điều khiển PIC18F452
1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC
Phần mềm điều khiển
ADC Rơle Rơle
Trang 13PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip
Technology Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics
Division thuộc General Instrument
PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãng General Instruments đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC1650 Lúc này, PIC1650 được dùng để giao tiếp với cácthiết bị ngoại vi cho máy chủ 16bit CP1600, vì vậy, người ta cũng gọi PIC với cái tên
"Peripheral Interface Controller" (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi) CP1600 là một CPU tốt, nhưng lại kém về các hoạt động xuất nhập, và vì vậy PIC 8-bit được phát triểnvào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CP1600 PIC sử dụng
microcode đơn giản đặt trong ROM, và mặc dù, cụm từ RISC chưa được sử dụng thời bây giờ, nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh một chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động)
Năm 1985 General Instruments bán bộ phận vi điện tử của họ, và chủ sở hữu mớihủy bỏ hầu hết các dự án - lúc đó đã quá lỗi thời Tuy nhiên PIC được bổ sung
EEPROM để tạo thành 1 bộ điều khiển vào ra khả trình Ngày nay rất nhiều dòng PIC được xuất xưởng với hàng loạt các module ngoại vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC ), với bộ nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word
2 Tính năng
+ Tập lệnh, cấu trúc được tối ưu hóa theo ngôn ngữ C
oMã nguồn tương thích với tập lệnh PIC17 và PIC16
+ Địa chỉ bộ nhớ chương trình tuyến tính đến 32 Kbytes
+ Địa chỉ bộ nhớ dữ liệu tuyến tính đến 1.5 Kbytes
+ Hoạt động lên đến 10MIPs
oĐầu vào dao động thạch anh lên đến 40 MHz
oĐầu vào dao động thạch anh với PLL: 4 MHz - 10 MHz + Lệnh rộng 16-bit, độ rộng bit dữ liệu: 8-bit
+ Hỗ trợ các cấp ưu tiên ngắt
+ Nhân bằng phần cứng đơn chu kỳ 8 x 8
Tính năng ngoại vi:
+ Dòng phát/hút cao: 25 mA/25 mA
+ 3 chân ngắt ngoài
+ Timer0 module: 8-bit/16-bit timer/counter với 8-bit đặt tỷ lệ lập trình được
+ Timer1 module: 16-bit timer/counter
+ Timer2 module: 8-bit timer/counter với thanh ghi 8-bit (thời gian cơ sở cho PWM)
+ Timer3 module: 16-bit timer/counter
+ Tùy chọn xung clock thứ 2 - Timer1/Timer3
Trang 14+ Hai bộ Capture/Compare/PWM (CCP).
Chân CCP có thể được cấu hình thành:
resolution = 156 kHz, 10-bit resolution = 39 kHz
+ Khối truyền thông nối tiếp đồng bộ (Master Synchronous Serial Port - MSSP) Hai chế độ hoạt động:
+ Khối USART có thể định địa chỉ:
o Hỗ trợ RS-485 và RS-232
+ Khối cổng song song (Parallel Slave Port - PSP)
Tính năng tương tự:
+ Khối chuyển đổi tương tự sang số độ phân giải 10-bit:
o Chu kỳ lấy mẫu nhanh
o Chuyển đổi cả trong khi ngủ
o Tuyến tính ≤ 1 LSB
+ Phát hiện điện áp thấp lập trình được
o Hỗ trợ ngắt khi phát hiện điện áp thấp
+ Phát hiện reset do sụt nguồn lập trình được (BOR)
14
Trang 153 Sơ đồ và ý nghĩa các chân
Hình 1: Sơ đồ chân PIC 18F452
Loại
Bộ đệm
Giải thích
thấp
đồng hồ bên ngoài Bộ đệm ST khi cấu hình trong chế độ RC, CMOS khác
kết hợp với chức năng OSC1 pin (Xem liên quan chân OSC1/CLKI, OSC2/CLKO)
CLKO, trong đó có tần số bằng 1/4 của OSC1 vàbiểu thị tần số thực hiện lệnh
Trang 16RAi/ANi Chân vào ra 2 chiều, cổng RA (i=0 6)
treo (yếu) nội(i=0 7)
(i=1 2)
mạch (In-Circuit)
mạch (In-Circuit)
không đồng bộ USART
16
Trang 17RD 8 TTL Điều khiển đọc cho cổng song song Slaver
Slaver
Trong đó:
OD = Open Drain (không có diode P nối tới vdd) CMOS = CMOS compatible input
or output.
2.5.2 Cảm biến nhiệt độ LM35.
Nhiệt độ là một thông số hết sức quan trọng và có ảnh hưởng rất lớn tới môi
trường, sự sống và các hoạt động sản xuất hàng ngằng Ngày nay với sự biến đổi ngày càng xấu đi và khó lường của thời tiết thì việc đo nhiệt độ môi trường trở nên rất quan trọng Do vậy vấn đề đo nhiệt độ được nhiều bạn sinh viên quan tâm để thực hành và kiểm tra đồng thời cũng là công cụ để lập trình đo nhiệt độ của thiết bị hay môi trường
Sơ đồ khối của mạch đo:Nhiệt độ môi trường ==> Mạch biến đổi ADC ==> Mạch điều khiển ==> Mạch hiện thị giá trị nhiệt độ
Trang 18+ Khối nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt thông dụng LM35 có độ dải nhiệt từ -40 - 150oC và đầu ra tương thích là 10mV/oC
+ Khối mạch biến đổi ADC sử dụng IC biến đổi ADC 8 bit ADC0804 để chuyển đổi giá trị của LM35 thành dạng số tương ứng
+ Khối mạch điều khiển sử dụng vi xử lý AT9C51 để đọc dữ liệu từ ADC0804 và xử lý các tín hiệu vào ra
+ Khối hiện thị giá trị nhiệt độ: Sử dụng LED 7 thanh để hiện thị LED 7 thanh được ghép nối theo kiểu quét LED Dải nhiệt độ và sự thay đổi trở kháng theo nhiệt độ của LM35
Các bộ biến đổi (Transducer) chuyển đổi các đại lượng vật lý ví dụ như nhiệt độ, cường độ ánh sáng, lưu tốc và tốc độ thành các tín hiệu điện phụ thuộc vào bộ biến đổi
mà đầu ra có thể là tín hiệu dạng điện áp, dòng, trở kháng hay dung kháng Ví dụ, nhiệt
độ được biến đổi thành về các tín hiệu điện sử dụng một bộ biến đổi gọi là Thermistor (bộ cảm biến nhiệt), một bộ cảm biến nhiệt đáp ứng sự thay đổi nhiệt độ bằng cách thayđổi trở kháng nhưng đáp ứng của nó không tuyến tính
Bảng 3.6.2: Trở kháng của bộ cảm biến nhiệt theo nhiệt độ.
Nhiệt độ ( 0 C) Trở kháng của cảm biến (k)
Bảng 3.6.3: Hướng dẫn chọn loạt các cảm biến nhiệt họ LM35.
Mã sản phẩm Dải nhiệt độ Độ chính xác Đầu ra
Trang 19Cảm biến nhiệt LM35DZ:
Trong bài này chúng ta sử dụng con LM35DZ
* Đặc điểm:
+ Dải nhiệt độ biến đổi: 0 đến 100 độ
+Nhiệt độ ra thẳng thang đo Celcius nghĩa là ở 25 độ C điện áp ra là 0.25V
+ Tương ứng 10mV/độ C
+ Đảm bảo độ chính xác 0.5 độ C tại nhiệt độ 25 độ C
+ Làm việc với nguồn nuôi 4V đến 30V
+ Trở kháng ra thấp 0.1 ohm với tải 1mA
+ Khả năng tự làm nóng thấp, 0.08 độ C trong không khí
*Cách mắc: đơn giản là nối chân +Vs với nguồn và chân GND với đất chân OUTPUT
nối với chân Vin+ của ADC0804
* Ghép nối LM35 với ADC0804
Sơ đồ thời gian hoạt động:
Vi điều khiển 18f452
Hiển thị led 7 đoạn
Điều khiển hệ thống cảnh báo
ADC 0804
Cảm biến
nhiệt LM35
Môi trường cần điều khiển nhiệt
độ