Thiết kế mạch đo nhiệt độ cao với cặp nhiệt độ Thermocouple

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ********** ĐỒ ÁN I ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ CAO VỚI CẶP NHIỆT ĐỘ Giáo viên hướng dẫn: Hồng Sĩ Hồng Thành viên nhóm: Trần Đình Tun 20181831 Vũ Quốc Hùng 2018xxxx Hà Nội, – 2021 LỜI NĨI ĐẦU Với tiến khơng ngừng khoa học kỹ thuật, đặc biệt ngành điện tử ứng dụng nhiều công nghiệp Trong lĩnh vực điều khiển, từ công nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đem đến kỹ thuật điều khiển đại có nhiều ưu điểm so với việc sử dụng mạch điều khiển lắp ráp từ linh kiện rời kích thước mạch nhỏ, gọn, giá thành rẻ, độ làm việc tin cậy công suất tiêu thụ thấp Ngày lĩnh vực điều khiển ứng dụng rộng rãi thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt ngày người máy giặt, đồng hồ điện tử, ti vi nhằm giúp cho đời sống ngày đại tiện lợi Đề tài ứng dụng vi điều khiển đời sống thực tế phong phú đa dạng nhằm đáp ứng cho sống tiện nghi người.Với mục đích tìm hiểu đáp ứng u cầu em lựa chọn đề tài có tính ứng dụng thực tế, khơng q xa lạ người, “Mạch đo hiển thị nhiệt độ” Trong trình làm đồ án, chúng em dẫn nhiệt tình của thầy …Sự cổ vũ thầy động lực lớn lao cổ vũ tinh thần cho chúng em đường rèn luyện đầy gian lao, vất vả Chúng em cố gắng vận dụng kiến thức mà chúng em học trường tự học cách hiệu song cịn nhiều thiết sót Em mong nhận góp ý chân thành từ thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn Chương I: Giới thiệu tổng quan Mục Lục 1.1.Giới thiệu đề tài ……………………………………………………………………………………… 1.2.Mục tiêu đồ án ……………………………………………………………………………………… Chương II Mô tả chung hệ thống Chương III Cơ sở lý thuyết 3.1.Linh kiện sử dụng ………………………………………………………………………… 3.2.Tìm hiểu vi điều khiển AT89C51 mạch ……………………………………… 3.3.Tìm hiểu Thermocouple type K …………………………………………………………… 3.4.Tìm hiểu IC INA128 …………………………………………………………………………… 3.5.Tìm hiểu IC ADC0804 ………………………………………………………………………… 3.6.Tìm hiểu hình LCD 16x02 …………………………………………………………… 3.7.Tìm hiểu cảm biến nhiệt độ LM35 ……………………………………………………… Chương IV Thiết kế chi tiết mạch 4.1.Sơ đồ nguyên lý chi tiết …………………………………………………………………………… 4.2 Tính tốn thơng số, lựa chọn linh kiện mạch ………………………………… 4.3.Làm mạch PCB ………………………………………………………………………………………… Chương V Code chương trình đo nhiệt độ Chương VI Kết thử nghiệm Chương VII.Tài liệu tham khảo……………………………………………………………………… Chương I: Giới thiệu tổng quan 1.1 Giới thiệu đề tài - Đề tài thiết kế mạch đo nhiệt độ cao chúng em gồm phần sau: Mơ tả chung hệ thống: Qua phần này,chúng ta có nhìn tổng quan hệ thống mà ta muốn thực hiện,các khối chức để từ vào tìm hiểu chi tiết phần sau • Cơ sở lý thuyết: Sau có nhìn tổng quan chung hệ thống đo nhiệt độ phần này,ta sâu vào tìm hiểu chi tiết linh kiện,module mà ta sử dụng cách sử dụng,cấu hình IC,module.Phần quan trọng tảng để lựa chọn loại linh kiện,tính tốn cho phù hợp • Thiết kế chi tiết mạch :Phần chứng minh hiểu biết chúng em lý thuyết dựa vào việc ứng dụng lý thuyết vào thực tế.Ở phần này, chúng em thự việc thiết kế, vẽ sơ đồ Schematic mạch, tính toán lựa chọn linh kiện, làm mạch PCB để có mạch hồn chỉnh • Code chương trình:Sau có mạch hồn chỉnh,chúng em thực viết code chương trình điều khiển đo nhiệt độ sau nhúng code vào mạch mà chúng em làm bước • Kết thử nghiệm:ở phần này,chúng em tiến hành chạy thử nghiệm tinh chỉnh cho hợp lý 1.2 Mục tiêu đồ án - Mục tiêu trước thực đề tài hoàn thành đồ án I với kết tốt - Thông qua việc thiết kế mạch đo nhiệt độ cách chi tiết, giúp chúng em phát huy tính sáng tạo, khả giải vấn đề cụ thể đặt ra, cụ thể giúp ta hiểu sâu linh kiện điện tử bản, IC, vi xử lý, đồng thời rèn luyện kĩ thiết kế mạch thủ cơng, để từ có nhìn sâu sắc áp dụng lý thuyết lớp vào ứng dụng cụ thể thực tiễn • Chính lợi ích mục đích mà nhóm sinh viên chúng em mong muốn đạt sau đồ án Chương II Mô tả chung hệ thống -Giới thiệu sơ lược: Trái tim mạch: vi điều khiển AT89C51 Nguồn điện cho mạch cấp qua adapter 5V Mạch nạp code qua mạch nạp ISP Nhiệt độ đo hiển thị lên hình LCD -Để hiểu rõ hơn, mời thầy nhìn vào sơ đồ khối chúng em đây: Sơ đồ hệ thống mạch đo nhiệt độ chúng em gồm khối chính:  Khối MCU : chúng em sử dụng vi điều khiển AT89C51 trung tâm điều     khiển hệ thống.Đây vi điều khiển 8bit quen thuộc Khối nguồn: sử dụng nguồn 5V để nuôi vi điều khiển, nguồn cấp cho MCU hoạt động trước từ adapter thông qua qua khối nguồn gồm IC ổn áp ASM1117 số tụ lọc Khối khuếch đại tín hiệu: tín hiệu điện áp từ thermocouple phát bé để vi điều khiển đọc nên cần khối khuếch đại trước vào chân vi điều khiển Khối ADC: Khối gồm ADC0804 để chuyển đổi điện áp dạng tương tự sang dạng số 8bit MCU khơng tích hợp chức ADC Khối thị: Ở đây, chúng em sử dụng hình LCD16x02 để thị nhiệt độ sau xử lý,đo đạc  Khối nạp code: Sử dụng mạch nạp ISP để nạp chương trình vào vi điều khiển  Nguyên lý hoạt động sau: Khi mạch cấp nguồn,tín hiệu từ cặp nhiệt điện đưa vào khối khuếch đại khuếch đại điện áp từ cặp nhiệt điện đủ để đưa vào ADC đưa vào chân vi điều khiển đọc Tín hiệu tương tự xử lý thành tín hiệu số 8bit, tinh chỉnh xử lý, quy đổi nhiệt độ hiển thị hình LCD Chương III Cơ sở lý thuyết 3.1.Linh kiện sử dụng 3.1.1 Điện trở -Điện trở linh kiện điện tử có cơng dụng dễ hiểu để giảm dòng điện chảy mạch (hạn chế cường độ dòng điện) Trong tiếng Anh, resistor điện trở - Khả giảm dòng điện điện trở gọi điện trở suất đo đơn vị ohms (đơn vị điện trở) Nếu tạo tương tự với dịng nước chảy qua đường ống, điện trở ống mỏng làm giảm lưu lượng nước -Dòng điện I ampe kế (A) điện áp V điện trở tính vơn (V) chia cho điện trở R tính ohms (Ω): 3.1.2 Tụ điện -Tụ điện linh kiện quan trọng số linh kiện thiết bị điện tử Tụ điện thiếu mạch lọc, mạch dao động loại mạch truyền dẫn tín hiệu xoay chiều Cấu tạo hoạt động ứng dụng tụ điện điều cần thiết Ứng dụng tụ điện: - Tụ điện cho phép điện áp xoay chiều qua, đồng thời ngăn điện áp chiều lại Vì dùng để truyền tín hiệu tầng khuếch đại có chênh lệch điện áp - Lọc điện áp xoay chiều sau loại bỏ pha âm thành điện áp chiều phẳng - Với điện xoay chiều tụ dẫn điện cịn với điện chiều tụ lại trở thành tụ lọc 3.1.3 Thạch anh -Thạch anh nguyên tố quan trọng sản phẩm linh kiện điện tử Đặc biệt IC điều khiển, chúng ví trái tim linh kiện Một ứng dụng thạch anh tạo dao động mạch (có nhiều kiểu tạo dao động khác L- C, R-C…) -Thạch anh dao động ổn định để tạo tần số dao động cho vi điều khiển Đa số mạch điều khiển đèn Led dùng thạch anh Thạch anh 12Mhz, 24Mhz… loại linh kiện cho xung nhịp khác -Thạch anh sử dụng điện tử đa phần để tạo tần số ổn định tần số thạch anh tạo bị ảnh hưởng nhiệt độ mạch dao động RC khác… -Trong vi điều khiển bắt buộc phải có thạch anh (trừ loại có dao động nội) xét chi tiết vi điều khiển có CPU, timer, … CPU bao gồm mạch logic mạch logic muốn hoạt động cần có xung clock, cịn timer gồm dãy FF cần phải có xung để đếm Tùy loại VDK mà xung clock ứng với chu kì máy, với xung clock VDK làm công việc nhỏ ứng với lệnh thực thi.Để chạy câu lệnh ic vi điều khiển, bạn cần tạo xung nhịp Tần số xung nhịp phụ thuộc vào thạch anh gắn chân kết nối thạch anh vi điều khiển Ví dụ nhỏ với thạch anh 12MHz, bạn có xung nhịp 1MHz, chu kỳ lệnh 1μs Để tăng độ ổn định tần số, người ta dùng thêm tụ nhỏ (33pF x2), tụ bù nhiệt ổn tần 3.2.Tìm hiểu vi điều khiển AT89C51 Cấu tạo chức khối AT89C51 • CPU( CPU centralprocessing unit) bao gồm:  Thanh ghi tích lũy A;  Thanh ghi tích lũy phụ B;  Đơn vị logic học (ALU);  Thanh ghi từ trạng thái chương trình;  Bốn băng ghi;  Con trỏ ngăn xếp • Bộ nhớ chương trình( ROM) gồm 8Kbyte Flash • Bộ nhớ liệu( RAM) gồm 256 byte • Bộ UART, có chức truyền nhận nối tiếp • Timer/Counter 16 bit thực chức định thời đếm kiện • Khối điều khiển ngắt với nguồn ngắt nguồn ngắt • Bộ lập trình( ghi chương trình lên Flash ROM) cho phép người sử dụng nạp chương trình cho chíp mà khơng cần nạp chuyên dụng • Bộ chia tần số với hệ số chia 12 • cổng xuất nhập với 32 chân Chức chân AT89C51  Port 0( P0.0=>P0.7) Port gồm chân, ngồi chức xuất nhập, port cịn bus đa hợp liệu địa chỉ( AD0-AD7), chức sử dụng AT89C51 giao tiếp với thiết bị ngồi có kiến trúc Bus vi mạch nhớ, mạch PIO…  Port 1( P1.0=>P1.7) 10 E,Các bit viết tắt mã lệnh Tên bit Mô tả I/D 0=khơng dịch chuyển vị trí trỏ S =0 không dịch chuyển hiển thị D 0=tắt hiển thị C 0=tắt trỏ B 0=con trỏ không nhấp nháy S/C 0=di chuyển trỏ R/L 0= dịch trái DL 0=chế độ 4bit liệu N 0=1 dòng F 0= font 5x7 BF 0= khơng bận 1=dịch chuyển vị trí trỏ =1 dịch chuyển hiển thị =1 bật hiển thị =1 bật trỏ =1 trỏ nhấp nháy =1 dịch chuyển hiển thị =1 dịch phải =1 chế độ 8bit liệu 1= dòng 1= font 5x10 1= bận 3.7 Cảm biến nhiệt độ LM35 a Giới thiệu - Cảm biến nhiệt độ LM35 có điện áp Analog đầu tuyến tính theo nhiệt độ thường sử dụng để đo nhiệt độ môi trường theo dõi nhiệt độ thiết bị,…, cảm biến có kiểu chân TO-92 với chân dễ giao tiếp sử dụng gồm chân tín hiệu S,1 chân nối nguồn 5V,1 chân nối GND b Thông số kỹ thuật lm35 Điện áp hoạt động: 4~20VDC Công suất tiêu thụ: khoảng 60uA Khoảng đo: -55°C đến 150°C Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C Sai số: 0.25°C 22 Kiểu chân: TO92 Kích thước: 4.3 × 4.3mm -LM35 có độ chuẩn xác 0,4 ° C nhiệt độ phịng bình thường 0,8 ° C khoảng ° C đến + 100 ° C Một đặc tính quan trọng cảm biến thu 60 microamps từ nguồn cung ứng có khả tự sưởi ấm thấp -Một số tính chất cảm biến LM35: Đầu cảm biến nhiệt độ lm35 thay đổi diễn tả tuyến tính Điện áp o / p cảm biến IC tỉ lệ với nhiệt độ Celsius Điện áp hoạt động từ -55˚ đến + 150˚C Được vận hành tới 30 vôn 23 Chương IV Thiết kế chi tiết mạch 4.1 Sơ đồ nguyên lý chi tiết Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt độ cao -Sơ đồ nguyên lý chia làm nhiều khối với chức riêng,đầu tiên có nguồn điện vào jack DC thông qua adapter lọc nhiễu,ổn áp thêm lần qua IC ASM1117 tụ lọc nguồn.Thermocouple nối vào header chân cấp chân Vin+ Vin-.LM35 đo nhiệt độ môi trường đấu chân điện áp tham chiếu INA128.Chân V- INA128 tạo điện âm cách đưa nguồn VCC qua ICL7660.Điện trở Rg ta tính phần sau phù hợp với giá trị khuếch đại cần -Sau chân VO INA128 đưa vào đầu Vin+ ADC0804.Từ sau kich hoạt ADC thơng qua chân INTR,WR,RD,CS chân DB0 đến DB7 24 chuyển từ tín hiệu điện áp tương tự sang số dạng 8bit tương ứng với PORT0 AT89C51 đọc giá trị qua LCD - MCU kết nối riêng với header5x2 theo chuẩn SPI để cắm vào mạch nạp ISP nạp code cho vi điều khiển.AT89C51 sử dụng thạch anh 12MHZ.Ta tính tốn cụ thể phần 4.2 Tính tốn thơng số, lựa chọn linh kiện mạch • 4.2.1 Thiết kế nguồn -Phần nguồn thiết kế đơn giản, phần để lọc nguồn, ta cần chọn 1,2 tụ gốm 104 để lọc nguồn • 4.2.2.Lựa chọn khối dao động -8051 sử dụng thạch anh 12Mhz ta có xung nhịp 1MHz, chu kỳ lệnh 1μs Và để tăng độ ổn định tần số, người ta dùng thêm tụ nhỏ C1, C2 (33pF x2), tụ bù nhiệt ổn tần 25 • 4.2.3.Tính tốn khối ADC0804 -Ở ta cần tính tốn điện trỏ R1 tụ C3 cho xác Đối với ADC0804 thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ cấp tới chân CLK R CLK IN khơng bé 110µs -Giá trị tiêu biểu đại lượng R = 10kW C= 150pF tần số nhận f = 606kHz thời gian chuyển đổi 110ms 4.2.3 Tính tốn khối khuếch đại 26 -Đây khối ta cần tính tốn xác ảnh hưởng trực tiếp tới kết đo nhiễu sinh ra, khơng có cách để khử hồn tồn, có vài hạn chế sau: o Giữa IC 7660 tạo nguồn -5V cung cấp cho INA128 nên đặc tụ gốm IC o Nên đặc nguồn cung cấp xa với tín hiệu cảm biến, với nguồn đầu vào nên sử dụng tụ lọc ổn định tốt o Nên đặc LM35 gần cực âm thermocouple Ta phân tích,tính tốn từ cấu trúc INA128 sau: 27 -Tính tốn Rg suy G 28 29 4.3.Làm mạch PCB -Đầu tiên ta sử dụng phần mềm Altium Designer 19 để vẽ mạch ,đi dây,… 30 31 Tự tay hoàn thiện sản phẩm 32 Chương V Code chương trình đo nhiệt độ Code chương trình: #include //khai bao LCD sbit LCD_RS = P3^4; sbit LCD_EN = P3^5; #define LCD_DATA P1 //khai bao ADC0804 #define ADC_DATA P2 sbit ADC_CS=P3^3; sbit ADC_RD=P3^2; sbit ADC_WR=P3^1; sbit ADC_INTR=P3^0; void Delay_us(unsigned int t) { unsigned int x; for(x=0; x