Đồ án thiết kế và chế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến tương tự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN THIẾT KẾ II Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG CẢM BIẾN TƯƠNG TỰ Sinh viên thực hiện: HOÀNG BÍCH PHƯỢNG MSSV: 20172763 Lớp: ĐTVT 11-K62 Giảng viên hướng dẫn: TS Đặng Khánh Hòa Hà Nội, tháng 1-2021 Nhận xét Ngày: … / … / 20… Người nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, Việt Nam, ngành điện tử viễn thông ngày phát triển đạt nhiều thành tựu Đặc biệt, trình phát triển đó, hồn thiện vi mạch ngày trọng, vi mạch ngày ứng dụng nhiều thiết bị điện tử thông minh, thiết bị IoT… Chính lí đó, việc tìm hiểu thực hành vi mạch cho sinh viên ngành điện tử - viễn thông ngày trọng hết Là sinh viên viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội, chúng em tự hào truyền thống thành tựu mà viện đạt Không thế, viện Điện tử - Viễn thông tạo điều kiện cho chúng em thiết kế, chế tạo sản phẩm liên quan đến vi mạch từ sớm Đây điều kiện thiết thực để sinh viên chúng em trường có kiến thức chuyên mơn tốt Trong đó, học phần Đồ án thiết kế II học phần mà chúng em trực tiếp thiết kế chế tạo sản phẩm mạch điện tử Sản phẩm em lựa chọn “Thiết kế chế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến tương tự” Em nhận thấy đề tài hữu ích thiết thực, nay, việc đo nhiệt độ quan trọng, giúp người chủ động điều chỉnh kế hoạch học tập, làm việc cho phù hợp, hiệu Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy (TS Đặng Khánh Hòa), người trực tiếp hướng dẫn, bảo cho em để hồn thiện sản phẩm Trong q trình thực Đồ án, cố gắng hẳn không tránh khỏi sai lầm Em mong nhận ý kiến đóng góp để sản phẩm ngày hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! LỜI CAM ĐOAN Tơi Hồng Bích Phượng, mã số sinh viên 20172763, sinh viên lớp ĐTVT.11, khóa 62 Tơi xin cam đoan tồn nội dung trình bày đồ án Thiết kế chế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến tương tự kết trình tìm hiểu nghiên cứu Các liệu nêu đồ án hoàn toàn trung thực, phản ánh kết đo đạc thực tế Mọi thơng tin trích dẫn tn thủ quy định sở hữu trí tuệ; tài liệu tham khảo liệt kê rõ ràng Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với nội dung viết đồ án Hà nội, ngày 20 tháng 01 năm 2021 Người cam đoan Hồng Bích Phượng MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ .i TÓM TẮT ĐỒ ÁN .iii PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích 1.3 Phương pháp 1.4 Kết luận chương .2 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan vi điều khiển AVR 1.2 Phân loại vi điều khiển AVR 1.3 Nhiệt độ 1.3.1 Khái niệm 1.3.2 Các thang đo nhiệt độ 1.3.3 Phương pháp đo nhiệt độ 1.4 Các thành phần mạch 1.4.1 Atmega16 1.4.2 Cảm biến nhiệt độ LM35 1.4.3 LCD1602 10 1.5 Chuyển đổi ADC AVR 12 1.5.1 Chuyển đổi ADC AVR .12 1.5.2 Độ phân giải 13 1.5.3 Điện áp tham chiếu 13 1.6 Kết luận chương .14 CHƯƠNG THIẾT KẾ SẢN PHẨM 15 2.1 Tổng quan 15 2.2 Sơ đồ khối chức 15 2.2.1 Sơ đồ khối 15 2.2.2 Mạch nguyên lý 16 2.3 Mạch in sản phẩm thực tế 20 2.3.1 Mạch in .20 2.3.2 Hình ảnh sản phẩm hồn thiện 21 2.4 Thiết kế phần mềm 22 2.4.1 Phần mềm Microchip Studio 22 2.4.2 Phần mềm nạp mã máy Prosig 25 2.4.3 Xây dựng cơng thức tính nhiệt độ .27 2.5 Kiểm thử đánh giá .28 2.5.1 Kiểm thử 28 2.5.2 Đánh giá 28 2.6 Kết luận chương .28 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 PHỤ LỤC 31 Phụ lục Chương trình chính: 31 Phụ lục Chương trình con: 31 DANH MỤC HÌNH Hình 1 Thang đo nhiệt độ Hình Chuyển đổi Hình Atmega16 thực tế Hình Sơ đồ chân atmega 16 Hình Sơ đồ chân LM35 Hình LM35 thực tế Hình LCD 1602 10 Hình LCD1602 thực tế 11 Hình Tạo nguồn AVCC từ VCC 12 Hình 10 Analog digital hàm sin 13 YHình Sơ đồ khối 15 Hình 2 Sơ đồ ngun lý tồn hệ thống 16 Hình Khối nguồn 16 Hình Khối xử lý trung tâm 17 Hình Khối LCD 18 Hình Khối nạp chip .18 Hình Mạch nạp ISP AVR 19 Hình Khối UART 19 Hình Khối led đơn 19 Hình 10 Khối led .20 Hình 11 Mạch in 20 Hình 12 Mạch 3D 21 Hình 13 Hình ảnh sản phẩm hồn thiện 21 Hình 14 Giao diện phần mềm microchip studio 22 Hình 15 Giao diện welcome to microchip studio 22 Hình 16 Tạo project 23 Hình 17 Tạo project ngơn ngữ C 24 i Hình 18 Chọn chip mơ 24 Hình 19 Build chương trình 25 Hình 20 Giao diện Prosig .25 Hình 21 Fuse&Lock .26 Hình 22 Chọn file hex nạp chương trình 26 ii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Quy đổi điện áp, ADC, nhiệt độ…………………………… 27 Bảng 2 Test lầần lúc 18h ngày 19/01/2021……… ………………28 iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN Nội dung đề tài trình bày vấn đề liên quan đến vi điều khiển AVR, cảm biến tương tự LM35, ứng dụng vi điều khiển việc mơ hình thực tế Cụ thể: Chương 1: Giới thiệu phần lý thuyết, vấn đề liên quan đến vi điều khiển AVR, cảm biến tương tự LM35, thành phần để tạo lên mạch đo nhiệt độ thực tế Chương 2: Trình bày bước trình thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến tương tự iv 2.2.2.4 Khối LCD Hình Khối LCD  Thiết kế: sử dụng LCD 1602  Chức năng: hiển thị kết 2.2.2.5 Khối nạp chip AVR USB Hình Khối nạp chip Mạch nạp mã nguồn cho vi điều khiển Kit loại mạch ISP thơng dụng, tìm tháy dễ dàng cửa hàng điện tử 18 Hình Mạch nạp ISP AVR 2.2.2.6 Khối UART USB Hình Khối UART  Chức năng: kết nối module chuyển đổi UART-USB (cịn gọi cổng COM USB) có bán sẵn 2.2.2.7 Khối LED đơn Hình Khối led đơn 19  Chức năng: Báo trạng thái logic PORT-D (sáng mức logic 0, tắt mức logic 1) 2.2.2.8 Khối LED Hình 10 Khối led  Chức năng: hiển thị số 0-9, người dùng định nghĩa 2.3 Mạch in sản phẩm thực tế 2.3.1 Mạch in  Mạch layout Hình 11 Mạch in 20  Mạch 3D Hình 12 Mạch 3D 2.3.2 Hình ảnh sản phẩm hồn thiện Hình 13 Hình ảnh sản phẩm hoàn thiện 21 2.4 Thiết kế phần mềm 2.4.1 Phần mềm Microchip Studio 2.4.1.1 Giới thiệu Microchip Studio phần mềm hãng Microchip phát triển dựa phiên AVR Studio trước sử dụng cho việc soạn thảo biên dịch chương trình dành cho vi điều khiển thuộc họ AVR ngôn ngữ C Assembly Hiện Microchip Studio phát triển đến phiên 7, phạm vi đồ án này, Microchip Studio sử dụng Hình 14 Màn hình khởi động Microchip Studio 2.4.1.2 Tạo biên dịch Project Microchip Studio Hình 15 Giao diện phần mềm Microchip Studio 22 Tạo Project Chọn menu Project chọn New Projects Hình 16 Tạo project Microchip Studio cho phép người lập trình tạo Project ngơn ngữ C Assembly Trong ví dụ làm với Project ngôn ngữ C, để tạo Project viết C chọn GCC C Exercutable Project 23 Hình 17 Tạo project ngơn ngữ C Sau ghi đầy đủ thông tin Project tên Project, file viết code, thư mục chứa Project, chọn Next để tiếp tục Trong vùng Debug platform chọn AVR Simulator muốn mơ phịng chip AVR máy tính chọn mạch nạp tương ứng muốn sử dụng, vùng Device chọn chip cần lập trình, ví dụ chọn chip Atmega16 Hình 18 Chọn chip mơ 24 Kết thúc việc tạo Project, chọn Finish Thực viết code biên dịch phím F7 chọn menu Build chọn Build Hình 19 Build chương trình 2.4.2 Phần mềm nạp mã máy Prosig Prosig phiên 1.72, dung lượng khoảng 3-4MB 25 Hình 20 Giao diện Prosig Điều chỉnh Fuse&Lock cho Atmega16: Hình 21 Fuse&Lock Nhấn Load Flash để chọn file hex, ấn Auto để nạp chương trình vào vi điều khiển Atmega16: Hình 22 Chọn file hex nạp chương trình 26 2.4.3 Xây dựng cơng thức tính nhiệt độ LM35 cảm biến nhiệt độ đầu tín hiệu analog, 10mV tương ứng với độ C, VD: 250mV 25 độ C Việc đọc giá trị từ cảm biến đơn giản có áp OUTPUT MAX nhỏ 2.56V lên ta sử dụng áp nội AVR để so sánh xác dùng ổn áp cấp vào AREF Với áp nội khơng phải tính tốn nhiều mà chế độ ADC 10 bit có 1023 thang điện áp tương ứng 0-2.55V, từ suy giá trị ADC ứng với 2.5mV Ta có cơng thức tính giá trị ADC (sử dụng điện áp tham chiếu 2.56V): Điện áp (mV ) 1023= ADC 2560 Từ ta tính nhiệt độ (oC) cơng thức: Nhiệt độ = ADC.25 Bảng Quy đổi điện áp, ADC, nhiệt độ Điện áp (mV) ADC Nhiệt độ (oC) 0 100 40 10 200 80 20 300 120 30 400 160 40 500 200 50 600 240 60 700 280 70 800 320 80 900 360 90 1000 400 100 2.5 Kiểm thử đánh giá 2.5.1 Kiểm thử Cho sản phẩm cấp nguồn, kiểm tra kết thời điểm địa điểm khác Thời gian kiểm thử 18h ngày 19/01/2021 Bảng kết qủa test sản phẩm: Bảng Test lần lúc 18h ngày 19/01/2021 27 Địa điểm Nhiệt độ hiển thị (oC) Trong phịng 22.25 Ngồi trời 17.25 Gầần đá tủ lạnh 4.50 2.5.2 Đánh giá Sản phẩm chạy ổn định, xác 2.6 Kết luận chương Trong chương này, em tiến hành lựa chọn giải pháp, đưa thiết kế mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến tương tự Trải qua thời gian nghiên cứu, kiểm thử bọn em đưa sản phẩm cuối Kết kiểm tra thực nghiệm đạt kết cao Sản phẩm chạy ổn định, xác, đáp ứng yêu cầu đặt ban đầu KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Qua qua trình tìm hiểu lý thuyết, nghiên cứu, tiến hành thực hiê ±n đề tài đồ án 2, em tiếp thu nhiều kiến thức bổ ích, kinh nghiê ±m thực hành thực tế Em hoàn thành đề tài với chức yêu cầu đồ án  Về mặt phần cứng: Sản phẩm chạy ổn định, linh kiện khơng bị nóng chạy lâu  Về mặt phần mềm: Sử dụng thư viện thầy hướng dẫn lập trình chuyển đổi nhiệt độ Trong thời gian tới, thành phần hệ thống hoàn thiện chức tối ưu để đáp ứng với nhu cầu thực tế  Hướng mở rộng: 28 Cho phép mạch kit kết nối, mở rộng thêm với loại cảm biến khác cảm biến ánh sáng, cảm biến chuyển động TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://mualinhkien.vn/cam-bien-nhiet-do-lm35-to92 [2] https://chotroihn.vn/search?query=ISP [3] pdf/pdf/174743/ATMEL/ATMEGA16.html https://www.alldatasheet.com/datasheet- [4] Steven F Barret, AVR Microcontroller Programming and Interface, Morgan & Claypool Publisher, 2007 29 30 PHỤ LỤC Phụ lục Chương trình chính: #include #define FRE #include "hunget_adc.h" #include "hunget_lcd.h" #include "thu_vien_rieng.h" int main() { INIT(); DO_NHIET_DO(); return 0; }Phụ lục Chương trình con: void DO_NHIET_DO() { //Khoi tao man hinh LCD DDRD |= (1