Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, lĩnh vực điều khiển ngày càng được hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày của con người như ti vi, đồng hồ điện tử,… nhằm giúp đời sống ngày càng hiện đại và tiện lợi hơn. Đồng thời điều đó cũng đòi hỏi chúng ta cần phải biết cách sử dụng, nâng cao và tiếp thu moi công nghệ từ đơn giản cho đến hiện đại nhất, tránh để thụt lùi và lạc hậu với xu thế.Đề tài ứng dụng vi điều khiển trong đời sống thực tế rất phong phú và đa dạng nhằm đáp ứng cho cuộc sống tiện nghi của con người. Dựa trên kiến thức đã tiếp thu của các môn học trên nhà trường: Điện tử tương tự số, vi điều khiển, cùng với những hiểu biết về thiết bị điện tử, chúng em đã quyết định thực hiện đề tài: “ Thiết kế module đo và chỉ thị nhiệt độ trên LCD sử dụng cảm biến nhiệt điện trở hoặc nhiệt ngẫu” với mục đích để tìm, làm quen các thiết bị điện tử và nâng cao hiểu biết cho bản. Thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ hiển thị trên LCD 16X2
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN MÃ HỌC PHẦN: Giảng viên: Lớp: Nhóm sinh viên: KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN MÃ HỌC PHẦN: Giảng viên: Lớp: Nhóm sinh viên: LỜI MỞ ĐẦU Ngày khoa học công nghệ ngày phát triển, lĩnh vực điều khiển ngày hoàn thiện ứng dụng rộng rãi thiết bị sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt ngày người ti vi, đồng hồ điện tử,… nhằm giúp đời sống ngày đại tiện lợi Đồng thời điều địi hỏi cần phải biết cách sử dụng, nâng cao tiếp thu moi công nghệ từ đơn giản đại nhất, tránh để thụt lùi lạc hậu với xu Đề tài ứng dụng vi điều khiển đời sống thực tế phong phú đa dạng nhằm đáp ứng cho sống tiện nghi người Dựa kiến thức tiếp thu môn học nhà trường: Điện tử tương tự số, vi điều khiển,… với hiểu biết thiết bị điện tử, chúng em định thực đề tài: “ Thiết kế module đo thị nhiệt độ LCD sử dụng cảm biến nhiệt điện trở nhiệt ngẫu” với mục đích để tìm, làm quen thiết bị điện tửvà nâng cao hiểu biết cho Nội dung đồ án gồm chương Chương 1: Giới thiệu mạch đo nhiệt độ Chương 2: Lựa chọn thiết bị xây dựng sơ đồ mạch Chương 3: Tính tốn , lắp đặt , đánh giá MỤC LỤC MỤC LỤC .3 DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 Phương pháp đo nhiệt độ 1.1.1 Đo nhiệt độ phương pháp tiếp xúc 1.1.2 Đo nhiệt độ phương pháp không tiếp xúc .12 1.2 Lựa chọn phương pháp đo 18 1.3 Sơ đồ khối .18 1.4 Lựa chọn thiết bị .19 CHƯƠNG LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MẠCH 21 2.1 Tìm hiểu nhiệt điện trở NCT (NEGATIVE TEMPERATURE COEFICIENT) 21 2.1.1 Cấu tạo .21 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 22 2.1.3 Ứng dụng 22 2.2 Tìm hiểu LCD 16x2 23 2.2.1 Định nghĩa 23 2.2.2 Đặc điểm 23 2.3 Tìm hiểu Arduino 25 2.3.1 Arduino Uno R3 .25 2.3.2 Phần mềm Arduino IDE 30 2.4 Sơ đồ mạch – Sơ đồ nối dây 31 2.5 Nguyên lý hoạt động 32 CHƯƠNG 3: Tính tốn, lắp đặt, đánh giá 33 3.1 Tính tốn lựa chọn thiết bị phù hợp .33 3.2 Viết code, vẽ sơ đồ thuật toán 34 3.2.1 Sơ đồ thuật toán .34 3.2.2 Viết chương trình điều khiển 36 3.3 Mô proteus 37 3.5 Đánh giá, kiểm tra 39 KẾT LUẬN 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ Hình 1: Cấu tạo nhiệt điện trở kim loại Hình 2: Cấu tạo nhiệt điện trở bán dẫn Hình 3: Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu Hình 4: IC cảm biến nhiệt độ LM35, LM335 Hình 5: Cấu tạo hỏa kế phát xạ Hình 6: Cấu tạo hỏa quang kế cương độ sáng có chắn quang học Hình 7: Sơ đồ so sánh cường độ sáng dây tóc bóng đèn với độ sáng đối tượng đo 10 Hình 8: Sơ đồ nguyên lý hỏa quang kế màu sắc 11 Hình 9: Nhiệt điện trở NTC .13 Hình 10: Arduino Uno 14 Hình 11: LCD 16x2 15 CHƯƠNG LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MẠCH Hình 1: Nhiệt điện trở NTC .15 Hình 2: LCD 16x2 17 Hình 3: Arduino Uno R3 20 Hình 4: Thơng số chân Arduino Uno R3 21 Hình 5: Các chân Digital 22 Hình 6: Các chân Analog 23 Hình 7: Giao diện Arduino IDE 24 Hình 8: Vùng thơng báo .25 Hình 9: Sơ đồ mạch đo nhiệt độ 26 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, LẮP ĐẶT, ĐÁNH GIÁ Hình 1: Sơ đồ thuật toán hệ thống .29 Hình 2: Mơ proteus 32 Hình 3: Hình ảnh mạch thực hành đo nhiệt độ phòng 33 DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU CHƯƠNG LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MẠCH Bảng 1: Thông số chân LCD 16x2 .20 Bảng 2: Các lệnh điểu khiển LCD .21 Bảng 3: Các nút lệnh menu 27 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN, LẮP ĐẶT, ĐÁNH GIÁ Bảng 1: Thiết bị lắp mạch 29 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 Phương pháp đo nhiệt độ Nhiệt độ thông số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính vật chất nên trình kỹ thuật đời sống ngày hay gặp yêu cầu đo nhiệt độ Ngày hầu hết q trình sản xuất cơng nghiệp, nhà máy có yêu cầu đo nhiệt độ Hiện có nhiều ngun lí cảm biến khác để chế tạo cảm biến nhiệt độ như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phương pháp quang dựa phân bố phổ xạ nhiệt, phương pháp dựa dãn nở vật rắn, lỏng, khí dựa tốc độ âm… Tùy theo nhiệt độ đo dùng phương pháp khác Thông thường nhiệt độ đo chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình cao - Ở dải nhiệt độ thấp trung bình phương pháp đo phương pháp tiếp xúc - Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo phương pháp không tiếp xúc 1.1.1 Đo nhiệt độ phương pháp tiếp xúc Phương pháp tiếp xúc nhiệt đòi hỏi chuyển đổi đặt trực tiếp mơi trường cần đo, dùng kiểm tra nhiệt độ chất rắn, chất lỏng hay chất khí phạm vi đo rộng Gồm loại: + Đo nhiệt độ nhiệt điện trở + Đo nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu + Đo nhiệt độ cảm biến bán dẫn a Đo nhiệt độ nhiệt điện trở Điện trở số kim loại thay đổi theo nhiệt độ dựa vào thay đổi điện trở người ta đo nhiệt độ cần đo Yêu cầu vật liệu dùng làm chuyển đổi nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ lớn ổn định, điện trở suất lớn… Cảm biến nhiệt điện trở có loại là: + Nhiệt điện trở kim loại + Nhiệt điện trở bán dẫn * Nhiệt điện trở kim loại (RTD - resitance temperature detector) - Cấu tạo Cảm biến nhiệt điện trở kim loại gồm có dây dẫn kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng đầu đo Platin sử dụng phổ biến độ xác cao, khả lặp lại tốt tuyến tính phạm vi nhiệt độ rộng thể thay đổi điện trở lớn mức độ thay đổi nhiệt độ Đồng niken thường sử dụng ứng dụng cơng nghiệp quan trọng độ xác tuyến tính hạn chế, phạm vi nhiệt độ tương đối hẹp - Nguyên lý hoạt động Nhiệt độ mơi trường tăng giảm điện trở RTD tăng giảm theo cách tỉ lệ thuận Giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ theo phương trình: (1.1) Trong đó: điện trở α, β, γ số phụ thuộc vào chất liệu RTD Từ đo suy nhiệt độ T * Nhiệt điện trở bán dẫn Thermistor (thermal sensitive resitor) - Cấu tạo Hình 1: Cấu tạo nhiệt điện trở kim loại Hình 5: Các chân Digital Chân PWM (~): PWM cung cấp chân 3, 5, 6, 9, 10, 11, cho phép bạn xuất xung PWM với độ phân giải 8bit hàm analogWrite Chân Serial: (RX) (TX): dùng để gửi (transmit – TX) nhận (receive – RX) liệu TTL Serial Chân giao tiếp SPI: 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK) Ngoài chức thơng thường, chân cịn dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Tức bạn cấp điện áp 2.5V vào chân bạn dùng chân analog để đo điện áp khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải 10bit Chân Analog có chân có chức đặc biệt sau: Chân A4 (SDA) A5 (SCL): chân dùng để hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị bên ngồi khác Hình 6: Các chân Analog c Ứng dụng Điều khiển đèn tín hiệu giao thơng, làm hiệu ứng đèn Led nhấp nháy biển quảng cáo… Điều khiển thiết bị cảm biến ánh sáng, âm Làm máy in 3D Làm đàn ánh sáng Làm lò nướng bánh biết tweet để báo cho bạn bánh chín 2.3.2 Phần mềm Arduino IDE a Định nghĩa Arduino IDE viết tắt (Arduino Integrated Development Environment) trình soạn thảo văn bản, giúp bạn viết code để nạp vào bo mạch Arduino Chương trình chạy MacOS X, Linux viết Java phần mềm mở khác Sketch chương trình viết Arduino IDE, sketch lưu định dạng ino b Giao diện làm việc Arduino IDE Hình 7: Giao diện Arduino IDE Vùng lệnh Bao gồm nút lệnh menu (File, Edit, Tools, Help) Phía icon cho phép sử dụng nhanh chức thường dùng IDE miêu tả sau: Bảng 3: Các nút lệnh menu Icon Chức Biên dịch chương trình soạn thảo để kiểm tra lỗi lập trình Biên dịch upload chương trình soạn thảo Mở trang soạn thảo Mở chương trình lưu Lưu chương trình soạn Mở cửa sổ Serial Monitor để gửi nhận liệu máy tính board Arduino Vùng thơng báo Hình 8: Vùng thơng báo c Ứng dụng Lập trình cho thiết bị điện tử phục vụ đời sống robot, máy bay không người lái, game, … Lập trình cho hệ thống đèn giao thơng 2.4 Sơ đồ mạch – Sơ đồ nối dây LCD1 LM016L SIM1 DIGITAL (PWM~) 10k SIMULINO R1 A0 A1 A2 A3 A4 A5 ANALOG IN 10k POWER GND -tc ATMEGA328P 5V ATMEL RT1 25.00 RS RW E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 10 11 12 13 14 13 12 ~11 ~10 ~9 ARDUINO RESET VSS VDD VEE 10k AREF 54% RV1 ~6 ~5 ~3 TX > RX < www.arduino.cc blogembarcado.blogspot.com SIMULINO UNO Hình 9: Sơ đồ mạch đo nhiệt độ 2.5 Nguyên lý hoạt động Ta dựa vào thay đổi điện trở nhiệt NTC theo nhiệt độ Trong mạch này, chân analog A0 Arduino kết nối với nhiệt điện trở cung cấp giá trị ADC, điện trở nhiệt điện trở khơng tính trực tiếp Vì vậy, mạch tạo giống mạch phân áp hình trên, cách mắc nối tiếp điện trở biết 10k ohm với NTC Sử dụng chia điện áp này, Arduino nhận điện áp Thermistor Khi nhận tín hiệu điện áp chân A0, suy điện trở Thermistor thời điểm Và cuối nhận giá trị nhiệt độ cách đặt điện trở nhiệt điện trở phương trình SteinHart: (2.2) Trong đó: điện trở nhiệt T (Kelvin) A, B, C số nhiệt điện trở Giá trị nhiệt độ tính hiển thị lên LCD thơng qua Arduino CHƯƠNG 3: Tính tốn, lắp đặt, đánh giá 3.1 Tính tốn lựa chọn thiết bị phù hợp Bảng 1: Thiết bị lắp mạch ST Tên thiết bị Hình ảnh Số T Điện trở (10kΩ) lượng Biến trở (10kΩ) LCD 16x2 Arduino Uno Dây đo điện trở NTC MF58 10k 1% 3.2 Viết code, vẽ sơ đồ thuật tốn 3.2.1 Sơ đồ thuật tốn Hình 1: Sơ đồ thuật toán hệ thống 3.2.2 Viết chương trình điều khiển #include int Vo; float R1 = 10000; float logR2, R2, T, Tc; int T_r; float A = 0.001129148, B = 0.000234125, C = 0.0000000876741; LiquidCrystal lcd(7,6,5,4,3,2); void setup() { Serial.begin(9600); analogReference(DEFAULT); lcd.begin(16,2); } void loop() { Vo = analogRead(A0); R2 = R1 * (1023.0 / (float)Vo - 1.0); logR2 = log(10000.0*((1024.0/Vo-1))); T = (1.0 / (A + B*logR2 + C*logR2*logR2*logR2)); Tc = T - 273.15; lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("T="); lcd.print(Tc); lcd.setCursor(8, 0); lcd.print("="); T_r = round(Tc); //lam tron nhiet lcd.print(T_r); lcd.print(" oC"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("R="); //dien tro cua cam bien lcd.print(R2);} 3.3 Mô proteus LCD1 LM016L SIM1 RT1 10k ATMEL ~6 ~5 ~3 TX > RX < DIGITAL (PWM~) R1 SIMULINO A0 A1 A2 A3 A4 A5 ANALOG IN 10k POWER GND -tc ATMEGA328P 5V 25.00 www.arduino.cc blogembarcado.blogspot.com SIMULINO UNO Hình 2: Mơ proteus 3.4 Lắp đặt mạch thực tế RS RW E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 10 11 12 13 14 13 12 ~11 ~10 ~9 ARDUINO RESET VSS VDD VEE 10k AREF 76% RV1 Hình 3: Hình ảnh mạch thực hành đo nhiệt độ phòng 3.5 Đánh giá, kiểm tra - Hệ thống mạch hoạt động ổn định, khơng xảy lỗi q trình hoạt động - Cảm biến lựa chọn phù hợp với nhiệt độ phòng ( dải nhiệt độ từ 0℃ đến 99℃) - Kết đo có sai số Nguyên nhân do: + Sai số cảm biến nhiệt NTC 1% + Sai số làm trịn tính tốn KẾT LUẬN - Ưu điểm: + Module thiết kế nhỏ gọn nên dễ dàng thay kiểm tra linh kiện mạch + Module chạy ổn định + Có thể ứng dụng thực tế - Nhược điểm: + Sai số mạch lớn + Module thiết kế chưa đẹp Sau thời gian nghiên cứu đồ án chúng em hoàn thành, nhiên kiến thức hạn hẹp, đồng thời lần đầu chúng em làm đồ án nên chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, hạn chế chúng em mong có góp ý từ bạn để đồ án hoàn thiện Chúng em xin trân thành cảm ơn cô giáo giúp đỡ chúng em nhiều q trình tìm hiểu, thiết kế hồn thành đề tài đồ án TÀI LIỆU THAM KHẢO ... cần đo, dùng kiểm tra nhiệt độ chất rắn, chất lỏng hay chất khí phạm vi đo rộng Gồm loại: + Đo nhiệt độ nhiệt điện trở + Đo nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu + Đo nhiệt độ cảm biến bán dẫn a Đo nhiệt độ nhiệt. .. quang điện 1.2 Lựa chọn phương pháp đo Ta sử dụng phương pháp đo nhiệt độ nhiệt điện trở bán dẫn Thermistor Lý sử dụng thiết bị đo nhiệt yêu cầu đề đo nhiệt độ nhiệt điện trở dải nhiệt độ đo thấp... biết thiết bị điện tử, chúng em định thực đề tài: “ Thiết kế module đo thị nhiệt độ LCD sử dụng cảm biến nhiệt điện trở nhiệt ngẫu? ?? với mục đích để tìm, làm quen thiết bị điện t? ?và nâng cao hiểu