BÁO CÁO ĐỒ ÁN II ĐỀ TÀI MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG CẢM BIẾN LM35

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ********** BÁO CÁO ĐỒ ÁN II ĐỀ TÀI: MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG CẢM BIẾN LM35 Giảng viên hướng dẫn : Thầy Đặng Khánh Hòa Sinh viên thực hiện : - MSSV : - Mã lớp : Hà Nội, 2021 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH ii LỜI NÓI ĐẦU iii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài .1 1.2 Mục đích CHƯƠNG PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 2.1 Các linh kiện được sử dụng .3 2.1.1 VĐK họ ARV 2.1.2 Cấu trúc mạch Kit .5 2.1.3 Cấu trúc mạch 2.1.4 Các thông số chính 2.1.5 Mạch nạp mã nguồn .10 2.1.6 LCD 16x2 .10 2.1.7 Cảm biến nhiệt độ LM35 12 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ VẼ MẠCH 14 3.1 Sơ đồ khối của mạch .14 3.1.1 3.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lí 14 Vẽ mạch PCB 17 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 19 i DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Vi điều khiển ATMEGA16 Hình 2.2: Sơ đồ chân VĐK Atmega16 Hình 2.3: Các linh kiện kit .6 Hình 2.4: Cấu trúc kit Hình 2.5: Sơ đồ mạch nạp 10 Hình 2.6: LCD 16x2 10 Hình 2.7: Các chân của LCD 11 Hình 2.8: Sơ đồ kết nối chân LCD .12 Hình 2.9: Cảm biến LM35 12 Hình 2.10: Chân cảm biến LM35 .13 Hình 3.1: Sơ đồ khối của mạch 14 Hình 3.2: Khối nguồn 14 Hình 3.3: Khối tạo xung .15 Hình 3.4: Khối nạp .15 Hình 3.5: Khối hiển thị .16 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lí của mạch 16 Hình 3.7: Chỉnh độ rộng line 17 Hình 3.8: Chỉnh kích cỡ đường GND 17 Hình 3.9: Mạch sau dây đổ đồng .18 ii LỜI NÓI ĐẦU Trong xu hướng công nghệ 4.0 gần nửa chặng đường, ngành công nghiệp vi điện tử, kỹ thuật số phát triển với tốc độ chóng mặt Các hệ thống đo lường, điều khiển, dây chuyền sản xuất dần tự động hóa tỉ lệ cao Dần dần, thiết bị đo lường đơn giản số hóa kết nối với nhau, tạo thành mạng lưới IoT rộng lớn thay hệ thống đo lường điều khiển khí thơ sơ, với tốc độ xử lý chậm, độ xác thấp Mạch cảm biến nhiệt độ nhiều ứng dụng tự động hóa đo lường điều khiển Tuy loại mạch đơn giản, có nhiều cơng dụng thực tế: từ ứng dụng cho hộ gia đình theo dõi nhiệt độ nước bể cá, vv ứng dụng quan trọng ngành công nghiệp: theo dõi khống chế nhiệt độ lò nung, phòng server, lồng ấp… giúp quản lý nắm bắt tình trạng hệ thống cách nhanh chóng xác Nhận biết tầm quan trọng việc đo kiểm soát nhiệt độ, viện Điện tử - Viễn thông, thầy cô Trung tâm Đào tạo Thực hành đưa đề tài, cung cấp kiến thức đồng thời cấp phát trang thiết bị cần thiết để giúp sinh viên trau dồi thêm kiến thức, bắt kịp với phát triển ngành công nghiệp tự động Trong đồ án II này, em lựa chọn đề tài “Thiết kế chế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến LM35”, phần để kiểm tra kiến thức thân, đồng thời trau dồi thêm kiến thức mà cịn thiếu để phục vụ học tập cách tốt Em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Khánh Hịa Nhờ giúp đỡ tận tình bảo thầy từ lúc bắt đầu lúc kết thúc đồ án mà em hồn thành thời hạn quy định tích lũy cho lượng tảng kiến thức Mặc dù cố gắng hoàn thành đề tài tốt thời gian kiến thức cịn có hạn nên chúng em tránh khỏi thiếu sót định, mong nhận cảm thơng, chia sẻ tận tình đóng góp bảo thầy Em xin chân thành cảm ơn! iii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài Đề tài “Thiết kế chế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến LM35” chúng em gồm hai phần chính: Phần 1- Cơ sơ lý thuyết: Phần em sâu nghiên cứu lý thuyết linh kiện sử dụng mạch đo nhiệt độ lý thuyết cảm biến Phần chiếm vị trí quan trọng đồ án, tảng cho việc lựa chọn linh kiện thiết kế mạch cách thích hợp Nói cách khác phần phần sở để thực phần Phần - Thực hành lắp ráp mạch: Phần phần chứng minh hiểu biết chúng em lý thuyết dựa việc ứng dụng lý thuyết vào thực tế Ở phần này, chúng em thực việc thiết kế, tính tốn lựa chọn linh kiện cho mạch Sau việc kiểm tra mạch, tinh chỉnh thiết kế mạch 1.2 Mục đích Mục đích trước hết thực đề tài hồn thành mơn học đạt kết cách tốt Cụ thể nghiên cứu thực đề tài em muốn phát huy thành kiến thức mà học đồng thời việc chứng thực đắn kiến thức Mặt khác trình nghiên cứu thực đề tài hội để chúng em tự phát huy tính sáng tạo, khả giải vấn đề theo yêu cầu đặt Ngoài đồ án làm tài liệu tham khảo cho sinh viên khóa sau Giúp họ hiểu rõ mạch đo nhiệt độ giúp họ phần việc hồn chỉnh hệ thống đo khơng chế nhiệt độ Để làm mạch thật hoàn chỉnh chúng em phải trải qua nhiều khâu Qua em có cách nhìn tổng qt cho dây chuyền sản xuất ứng dụng ngành điện tử Chính lợi ích mục đích mà em mong muốn đạt CHƯƠNG PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 2.1 Các linh kiện được sử dụng 2.1.1 VĐK họ ARV AVR dòng VĐK bits mạnh thông dụng thị trường Việt Nam Với tốc độ xung nhịp tới 16 MHz, nhớ chương trình tối đa tới 256 kB, nhiều chức ngoại vi tích hợp sẵn, VĐK họ AVR đáp ứng tốt cho nhiều ứng dụng thực tế, từ đơn giản đến phức tạp VĐK AVR vi điều khiển có kiến trúc RISC – kiến trúc ưu vi xử lí Hình 2.1: Vi điều khiển ATMEGA16 Thơng số kĩ thuật cấu trúc VĐK Atmega16 - Được chế tạo theo kiến trúc RISC, hiệu suất cao điện tiêu thụ thấp - Bộ lệnh gồm 118 lệnh, hầu hết thực thi chu kì xung nhịp - 32x8 ghi làm việc đa dụng - 8kb Flash ROM lập trình hệ thống : ▪ Giao diện nối tiếp SPI cho phép lập trình hệ thống ▪ Cho phép 1000 lần ghi/xoá - Bộ EEPROM 512 byte: Cho phép 100.000 ghi/xoá - Bộ nhớ SRAM 512 byte - Bộ biến đổi ADC kênh, 10 bit - 32 ngõ I/O lập trình - Bộ truyền nối tiếp bất đồng vạn UART - Vcc=2.7V đến 6V - Tốc độ làm việc: đến MHz - Tốc độ xử lí lệnh đến MIPS MHz nghĩa triệu lệnh giây - Bộ đếm thời gian thực (RTC) với dao động chế độ đếm tách biệt - Timer bit Timer 16 bit với chế độ so sánh chia tần số tách biệt chế độ bắt mẫu - Ba kênh điều chế độ rộng xung PWM - Có đến 13 interrupt ngồi - Bộ định thời Watchdog lập trình được, tự động reset treo máy - Bộ so sánh tương tự - Ba chế độ ngủ: chế độ rỗi (Idle), tiết kiệm điện (Power save) chế độ Power Down Hình 2.2: Sơ đồ chân VĐK Atmega16 Chức chân Atmega16: - Chân đến 8: Cổng nhập xuất liệu song song B (PORTB) sử dụng chức đặc biệt thay nhập xuất liệu - Chân 9: RESET để đưa chip trạng thái ban đầu - Chân 10: VCC cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển - Chân 11, 31: GND chân đc nối với nối đất - Chân 12,13: chân XTAL2 XTAL1 dùng để đưa xung nhịp từ bên vào chip - Chân 14 đến 21: Cổng nhập xuất liệu song song D (PORTD) đc sử dụng chức đặc biệt thay nhập xuất liệu - Chân 22 đến 29: Cổng nhập xuất liệu song song C (PORTC) đc sử dụng chức đặc biệt thay nhập xuất liệu - Chân 30: AVCC cấp điện áp so sánh cho ADC - Chân 32: AREF điện áp so sánh tín hiệu vào ADC - Chân 33 đến 40: Cổng vào liệu song song A (PORTA) cịn đc tích hợp chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC 2.1.2 Cấu trúc mạch Kit Kit phát triển sử dụng học phần Đồ án II Viện Điện tử - Viễn thông thiết kế riêng để đảm bảo tính hiệu trình đào tạo Với kit này, sinh viên thử nghiệm ứng dụng như: - Điều khiển cổng số, với LED đơn LED - Đọc trạng thái logic đầu vào số, từ bàn phím giắc cắm mở rộng - Đo điện áp tương tự, với biến trở vi chỉnh ADC 10-bit - Điều khiển hình tinh thể lỏng, với hình LCD dạng text - Giao tiếp với máy tính qua chuẩn UART ↔ USB - Thử nghiệm ngắt ngoài, thử khả điều chế độ rộng xung - Nhiều ứng dụng điều khiển chức tích hợp sẵn VĐK như: vận hành định thời (Timer) đếm (Counter), đọc ghi EEPROM, lập trình ngắt chương trình, thiết lập Watchdog… Hình 2.3: Các linh kiện kit Mặt khác, việc kết nối với mô-đun mở rộng, sinh viên thử nghiệm ứng dụng phức tạp như: - Đo tham số môi trường bản: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, v.v - Điều khiển tải bản: đèn báo, van điện từ, động DC, động bước, v.v - Điều khiển hiển thị bản: LED ma trận, LCD ma trận, hình cảm ứng, v.v - Giao tiếp I2C SPI: IC thời gian thực, IC EEPROM, cảm biến gia tốc, v.v - Ứng dụng tổng hợp: đo trì ổn định tham số mơi trường; số hóa xử lý tín hiệu âm thanh; điều khiển robot xe tự hành; v.v 2.1.3 Cấu trúc mạch Hình 2.4: Cấu trúc kit STT Tên linh kiện Chức Giắc cắm nguồn Nhận nguồn điện 9-12 VDC cấp cho mạch Kit IC ổn áp 7805 LED báo nguồn VĐK họ AVR Hạ 9-12 VDC xuống VDC giữ ổn định mức điện áp để cấp cho toàn mạch Báo nguồn (sáng: có nguồn VDC, tắt: nguồn) Điều khiển hoạt động toàn mạch theo mã nguồn người dùng lập trình nạp xuống Thạch anh Quyết định tần số xung nhịp cấp cho VĐK Nút ấn Reset Khởi động lại VĐK Giắc ISP Nhóm phím ấn Giắc cắm chân 10 Giắc cắm chân 11 Giắc cắm chân 12 Giắc cắm chân 13 Dãy LED đơn 14 Jumper dãy LED đơn 15 LED 16 Jumper LED Kết nối mạch nạp (có bán sẵn) để nạp mã nguồn cho VĐK Nhận lệnh điều khiển từ người sử dụng Nối tới chân vào/ra đa (ứng với Port-A) VĐK Nối tới chân vào/ra đa (ứng với Port-B) VĐK Nối tới chân vào/ra đa (ứng với Port-C) VĐK Nối tới chân vào/ra đa (ứng với Port-D) VĐK Báo trạng thái logic chân Port-D (sáng: mức logic 0, tắt: mức logic 1) Cho phép vơ hiệu hóa dãy LED đơn Hiển thị số 0-9 vài ký tự người dùng định nghĩa Cho phép vơ hiệu hóa LED thanh 17 Giắc cắm LCD Kết nối hình LCD dạng text có bán sẵn Loại phù hợp 1602 (16 ký tự × dịng) Điều chỉnh trơn liên tục, từ đến VDC, mức 18 Biến trở vi chỉnh điện áp đầu vào ADC0 ADC (chân PA0) 19 Giắc UART-USB Kết nối mơ-đun chuyển đổi UART-USB (cịn gọi COM-USB) có bán sẵn 2.1.4 Các thông số chính ● Điện áp nguồn: - Tiêu chuẩn: 9-12 VDC - Giới hạn: 7-18 VDC ● Dịng điện tiêu thụ: - Khi khơng có mơ-đun mở rộng, tồn LED thị I/O tắt: 18 mA - Khi có LCD mơ-đun USB, LED thị I/O bị vơ hiệu hóa: 22 mA - Khi có LCD mơ-đun USB, tồn LED thị I/O sáng: 80 mA ● Mạch có khả tự bảo vệ bị lắp ngược cực tính nguồn ● Mức logic cổng I/O: TTL (5 V) ● Điện áp tương tự vào chân ADC: từ đến +5 V ● Loại VĐK hỗ trợ: ATmega16, ATmega32, tương đương ● Cổng I/O mở rộng: giắc cắm (loại chân) ứng với Port (8 bit Port) ● Hỗ trợ hình LCD: dạng text, giao tiếp bit bit ● Hỗ trợ mô-đun USB: UART-USB hay COM-USB (mức VDC) ● Xung nhịp tích hợp sẵn: thạch anh MHz 2.1.5 Mạch nạp mã nguồn Mạch nạp mã nguồn cho VĐK Kit loại mạch nạp ISP thông dụng Sinh viên tìm thấy mạch nạp hầu hết cửa hàng bán lẻ hay đại lý phân phối sản phẩm liên quan đến VĐK AVR Minh họa vài loại mạch nạp ISP thông dụng Việt Nam chuẩn kết nối ISP 10 chân tương ứng: Hình 2.5: Sơ đồ mạch nạp Nếu kết nối mạch nạp ISP mạch Kit dài, tín hiệu truyền tải bị can nhiễu trình nạp mã nguồn Sinh viên nên sử dụng cáp dẹt ngắn (khoảng 10-20 cm) kết hợp với cáp kéo dài USB để đảm bảo tính linh hoạt, động, tin cậy 2.1.6 LCD 16x2 Hình 2.6: LCD 16x2 10 Đây loại gồm 16 ký tự x2 dòng, ký tự tạo từ ma trận điểm sáng kích cỡ 5×7 5×10 Các Text LCD theo chuẩn HD44780U thường có 16 chân 14 chân kết nối với điều khiển chân nguồn cho “đèn LED nền” Thứ tự chân thường xếp hình dưới: Hình 2.7: Các chân của LCD Trong số LCD chân LED đánh số 15 16 số trường hợp chân ghi A (Anode) K (Cathode) Hình mơ tả cách kết nối LCD với nguồn mạch điều khiển 11 Hình 2.8: Sơ đồ kết nối chân LCD Chân chân chân nguồn, nối với GND nguồn 5V Chân chân chỉnh độ tương phản (contrast), chân cần nối với biến trở chia áp hình Trong hoạt động, chỉnh để thay đổi giá trị biến trở để đạt độ tương phản cần thiết, sau giữ mức biến trở Các chân điều khiển RS, R/W, EN đường liệu nối trực tiếp với vi điều khiển Tùy theo chế độ hoạt động bits hay bits mà chân từ D0 đến D3 bỏ qua nối với vi điều khiển 2.1.7 Cảm biến nhiệt độ LM35 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 Hình 2.9: Cảm biến LM35 12 Hình 2.10: Chân cảm biến LM35 Cảm biến LM35 có chân: - Chân 1: VCC 3-5.5V - Chân 2: Output - Chân 3: GND Thông số cảm biến: - 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 - Kiểu chân: TO92 - Kích thước: 4.3 × 4.3mm 13 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ VẼ MẠCH 3.1 Sơ đồ khối của mạch Hình 3.11: Sơ đồ khối của mạch 3.1.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lí  Khối nguồn Hình 3.12: Khối nguồn 14  Khối tạo xung sử dụng thạch anh Hình 3.13: Khối tạo xung  Các chân nạp chip Hình 3.14: Khối nạp 15  Khối hiển thị sử dụng LCD Hình 3.15: Khối hiển thị  Toàn bộ sơ đồ nguyên lí Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lí của mạch 16 3.2 Vẽ mạch PCB Sau update mạch sang PCB, ta xếp linh kiện bắt đầu đặt luật dây sau:  Độ rộng line cho đường 20mil Hình 3.17: Chỉnh độ rộng line  Chỉnh kích thước các đường GND và VCC là 35mil Hình 3.18: Chỉnh kích cỡ đường GND 17  Kết quả mạch PCB sau dây và đổ đồng: Hình 3.19: Mạch sau dây đổ đồng 18 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 19