Đang tải... (xem toàn văn)
Những ngày tháng trong thời đại công nghiệp 4.0 hiện nay ngày càng đòi hỏi chúng ta cần phải biết sử dụng, tiếp thu mọi công nghệ từ đơn giản đến hiện đại nhất. Tránh thụt lùi, lạc hậu với xu thế. Là một kĩ sư tương lai khi ra trường, nay được tiếp cận với đề tài đồ án “Thiết kế hệ thống đo và hiển thị nhiệt độ phòng trên LED 7 vạch sử dụng cảm biến LM35”, từng bước đầu đã giúp chúng em tiếp cận được với công nghệ tiên tiến và định hình được công việc sau này. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều bo mạch với tên gọi khác nhau như Arduino UNO, Arduino Mega 2560 Mega, Arduino Due, Arduino Fio, Arduino Pro Mini, Arduino NaNo, Arduino Pro,.... Trong số các bo mạch kể trên, có hai bo mạch tiêu biểu sử dụng rộng rãi cho người mới bắt đầu là:•Arduino UNO (Đây là bo mạch chuẩn, người mới bắt đầu học về Arduino nên sử dụng).•Arduino Mega 2560 R3.Chúng em sẽ thực hiện đề tài được giao với bo mạch Arduino UNO R3. Bởi vì bo mạch Arduino UNO R3 được sử dụng rộng rãi với giá cả vừa phải, có đầy đủ những chức năng cơ bản để điều khiển.Nội dung đồ án gồm 3 chương.•Chương 1: Khái quát hệ thống đo và hiển thị nhiệt độ phòng.•Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển.•Chương 3: Mô phỏng và lắp ráp hệ thống.
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN Giảng viên hướng dẫn : Lớp: ĐTĐ58ĐH : Đồ án Nhóm sinh viên thực : KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống đo hiển thị nhiệt độ phòng LED vạch sử dụng cảm biến LM35 Giảng viên hướng dẫn : Lớp: ĐTĐ58ĐH : Đồ án Nhóm sinh viên thực : LỜI NÓI ĐẦU Những ngày tháng thời đại công nghiệp 4.0 ngày đòi hỏi cần phải biết sử dụng, tiếp thu công nghệ từ đơn giản đến đại Tránh thụt lùi, lạc hậu với xu Là kĩ sư tương lai trường, tiếp cận với đề tài đồ án “Thiết kế hệ thống đo hiển thị nhiệt độ phòng LED vạch sử dụng cảm biến LM35”, bước đầu giúp chúng em tiếp cận với cơng nghệ tiên tiến định hình cơng việc sau Trên giới có nhiều bo mạch với tên gọi khác Arduino UNO, Arduino Mega 2560 Mega, Arduino Due, Arduino Fio, Arduino Pro Mini, Arduino NaNo, Arduino Pro, Trong số bo mạch kể trên, có hai bo mạch tiêu biểu sử dụng rộng rãi cho người bắt đầu là: • Arduino UNO (Đây bo mạch chuẩn, người bắt đầu học Arduino • nên sử dụng) Arduino Mega 2560 R3 Chúng em thực đề tài giao với bo mạch Arduino UNO R3 Bởi bo mạch Arduino UNO R3 sử dụng rộng rãi với giá vừa phải, có đầy đủ chức để điều khiển Nội dung đồ án gồm chương • • • Chương 1: Khái quát hệ thống đo hiển thị nhiệt độ phòng Chương 2: Thiết kế hệ thống điều khiển Chương 3: Mô lắp ráp hệ thống Đồ án chúng em hồn thành, nhiên khơng tránh khỏi số sai sót Chúng em xin góp ý bạn để đồ án hoàn thiện Chúng em xin cảm ơn Sinh viên thực đồ án MỤC LỤC HIỂN THỊ NHIỆT ĐỘ PHÒNG 1.1 Cấu trúc hệ thống: Hình 1.1 Hệ thống đo hiển thị nhiệt độ phòng - Gồm: LM35, Arduino UNO R3, LED vạch, 5161BS, trở 100 Ohm - Mạch sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35 nối với vị trí chân GND, nguồn 5V, A2 Arduino Cảm biến LM35 hoạt động cách cho giá trị hiệu điện định chân Vout(chân giữa) ứng với mức nhiệt độ Như vậy, cách đưa vào chân bên trái cảm biến LM35 hiệu điện 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện chân A2 arduino, ta có nhiệt độ(0-100ºC) Chân A2 Arduino làm đầu liệu cảm biến LM35(đầu vào arduino) Khi có tín hiệu chuyển vào Arduino xuất qua trở để điều chỉnh mức độ tín hiệu tiếp tới đến Led vạch(anode chung) Led vạch liên tục lặp lại hiển thị dựa thuật tốn lập trình với độ trễ 0,5s 1.2 Tìm hiểu linh kiện sử dụng: - Trên sở phân tích đề tài, chúng em lựa chọn linh kiện để triển khai cho bao gồm: Arduino UNO R3, cảm biến nhiệt độ LM35, Led vạch dây nối 1.2.1 Tìm hiểu LM35: a Định nghĩa: - Cảm biến nhiệt độ LM35 loại cảm biến tương tự(bán dẫn) hay ứng dụng ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực b Đặc điểm: - Hoạt động xác với sai số nhỏ, kích thước gọn gàng, giá thành rẻ Là loại cảm biến tương tự(analog sensor) nên dễ dàng đọc giá trị hàm analogRead - LM35 giúp nhiệt độ xác định cách đo hiệu điện ngõ LM35 Chiếc cảm biến nhiệt độ không cần phải chỉnh nhiệt độ sử dụng LM35 có độ xác thực tế: 1/4°C nhiệt độ phịng 3/4°C ngồi khoảng -55°C tới 150°C LM35 có hiệu cao, cơng suất tiêu thụ 60uA c Ứng dụng: - Đo nhiệt độ môi trường đặc biệt áp dụng HVAC - Kiểm tra nhiệt độ pin - Cung cấp thông tin nhiệt độ hay linh kiện điện tử khác d Sơ đồ hình ảnh chân thực: Hình 1.2 Cảm biến nhiệt độ LM35 - LM35 hoạt động theo cách cho giá trị hiệu điện định chân Vout mức nhiệt độ tương ứng - Khi đưa vào chân cấp nguồn LM35 hiệu điện 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện chân pin A0 Arduino, cho nhiệt độ từ đến 100 độ C 1.2.2 Vi điều khiển Arduino UNO R3: a Định nghĩa: - Arduino R3 hệ thứ tảng mã nguồn mở phần cứng phần mềm b Đặc điểm: - Là bo mạch điện tử với “trái tim” dựa vi điều khiển ATmega328 họ 8bit, điện áp hoạt động 5VDC(chỉ cấp qua cổng USB), tần số hoạt động 16 MHz, dòng tiêu thụ khoảng 30mA, điện áp vào khuyên dùng – 12V DC, điện áp vào giới hạn - 20V DC, số chân Digital: 14(6 chân hardware PWM), số chân analog: 6(độ phân giải 10bit), dòng tối đa chân 30mA, dòng tối đa (5V) 500mA, dòng tối đa(3,3V) 50mA, nhớ flash 32KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader, SRAM 2KB(ATmega328), EEPROM 1KB (ATmega328) Hình 1.3 Vị trí đèn LED Arduino - Có bốn đèn LED: Một bên phải dãn nhãn ON, sáng lên cấp nguồn cho bo mạch, ba nhóm khác Các đèn LED dán nhãn TX RX sáng lên liệu gửi nhận bo mạch Arduino thiết bị khác gắn thông tin qua cổng nối tiếp USB • LED L để sử dụng riêng bạn(được kết nối chân số I/O 13) Một khối hình vng nhỏ màu đen bên trái đèn LED vi điều khiển nhỏ để điều khiển giao diện USB cho phép bo mạch Arduino bạn gửi liệu đến nhận liệu từ máy tính, bạn thường khơng phải quan tâm với Hình 1.4 Cổng 2.1mm Arduino - Arduino có cổng 2.1mm để bạn cấp nguồn – 12V cho mạch hoạt động Cấp nguồn thông qua jack cắm 2.1mm vào lỗ cắm điện bo mạch Nếu nguồn pin dùng dây dẫn nối vào chân Gnd Vin đầu kết nối POWER - Bo mạch Arduino UNO hoạt động từ nguồn cung cấp bên từ đến 20V Nếu 7V chân 5V mạch cung cấp 5V dẫn đến bo mạch Arduino khiến Arduino làm việc không ổn định - Và cuối cùng, nút RESET hiển thị hình bên Bo mạch Arduino làm việc máy tính bình thường, đơi bị sai bạn thiết lập khởi động lại bo mạch cần tới chức RESET Hình 1.5 Nút RESET - Giá dao động khoảng 45.000 – 90.000VNĐ - Dễ chập cháy, nên dùng nguồn từ cổng USB - Chân 3,3 5V không chân cấp vào, cấp nguồn sai dẫn đến hỏng board c Ứng dụng: - Xử lí tác vụ, tín hiệu đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, điều khiển xe từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD - Đem đến dễ dàng, khơng tốn cho u thích muốn nghiên cứu, tương tác với môi trường thông qua cảm biến cấu chấp hành - Điều khiển nhiệt độ, phát chuyển động d Sơ đồ chân thực hình ảnh thực: Hình 1.6 Hình ảnh thực Arduino UNO R3 Hình 1.7 Sơ đồ chân Arduino UNO R3 *Nguồn điện cho chân sau: Vin: Điện áp đầu vào cho bo mạch Arduino sử dụng nguồn điện bên ngồi(trái ngược với nguồn 5V từ kết nối USB nguồn điện ổn áp khác) Bạn cung cấp điện áp thông qua chân này, cung cấp điện áp thơng qua jack cắm điện truy cập thông qua chân 5V: Đây chân nguồn ổn áp V bo mạch Bo mạch cung cấp nguồn điện từ jack cắm điện DC(7-12V), kết nối USB (5V), chân Vin bo mạch(7-12V) Việc cung cấp thông qua điện áp 5V chân 3,3V bỏ qua mạch ổn áp làm hỏng bo mạch bạn bạn khuyến cáo không nên sử dụng 10 Số Bảng 1.1 Mã nhị phân HEX LED Bảng 1.2 Mã nhị phân HEX LED vạch đấu dương chung vạch đấu âm chung c Ứng dụng: LED vạch dùng rộng rãi thị trường đồng hồ điện tử, hiển thị số liệu loại máy công nghiệp,… đặc biệt hiển thị nhiệt độ A B C D E F dp 0 0 0 0 0 0 0 0 g 0 1 1 1 1 1 1 Số nhị phân f e d c 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 Hình 1.11 Thiết bị hiển thị nhiệt độ d Sơ đồ chân hình ảnh thực: Sơ đồ chân: 15 HEX b 1 1 0 1 1 0 0 a 1 0 1 1 1 1 0x3F 0x06 0x5B 0x40 0x66 0x6D 0x7D 0x07 0x7F 0x6F 0x77 0x7C 0x39 0x5E 0x79 0x71 Hình 1.12 Sơ đồ LED vạch dương chung(Common Anode) âm chung (Common Cathode) Hình ảnh thực: Hình 1.13 LED vạch 1.2.4 Các linh kiện khác(Trở 1K): Hình 1.14 Điện trở 1K - Giới thiệu: Khái niệm: Điện trở hay Resistor linh kiện điện tử thụ động gồm tiếp điểm kết nối, thường dùng để hạn chế cường độ dòng điện chảy mạch, điều chỉnh mức độ tín hiệu, dùng để chia điện áp, kích hoạt linh kiện điện tử chủ động transistor, tiếp điểm cuối đường truyền điện có nhiều ứng dụng khác - Cấu tạo: Hình 1.15 Cấu tạo điện trở 16 • • • - Chân kết nối: Tạo kết nối điện Vật liệu cách ly: Cách điện Hỗn hợp carbon: Xác định giá trị điện trở Kí hiệu điện trở mạch điện: Hình 1.16 Kí hiệu điện trở Mỹ(hình (a) ) Châu Âu(hình (b) ) Ứng dụng: - Giới hạn dịng điện để dịng điện vào thiết bị ln ổn định 1.3 Phần mềm Proteus: 1.3.1 Giới thiệu: Hình 1.17 Giao diện Proteus - Khái niệm: • Proteus phần mềm cho phép mô hoạt động mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết chương trình điều khiển cho họ vi 17 điều khiển MCS-51, PIC, AVR, … Proteus phần mềm mô mạch điện tử Labcenter Electronics, mô cho hầu hết linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho MCU PIC, 8051, • AVR, Motorola Ưu điểm: Tạo sơ đồ nguyên lí cách dễ dàng từ mạch • • mạch địi hỏi phải có vi xử lí phức tạp Có cơng cụ tìm lỗi sai sơ đồ ngun lí Chạy mơ phân tích tính chất mạch điện Các cơng cụ hỗ • • trợ cho việc chạy mô đầy đủ xác Chỉnh sửa đặc tính linh kiện tần số, nguồn,… cách dễ dàng Bằng công cụ RS32, Proteus mơ cơng cụ thu phát tín hiệu giao tiếp với máy tính giúp ta điều khiển tốc độ, q trình • truyền phát Cung cấp công cụ tạo code read51, Arduino, … để nạp vào vi xử • lí HEX hay dùng để xem kiểm tra bước DSI Proteus cập nhật đầy đủ loại linh kiện hình ảnh thực tế - loại sản phẩm kèm nội dung giúp ta dễ dàng lựa chọn Nhược điểm: • Vì linh kiện phải mua quyền nội dung hình ảnh nên vấn đề • quyền khơng thể tránh khỏi Proteus 100% Tiếng Anh nên cần phải có lượng Tiếng Anh • tốt đặc biệt Tiếng Anh chuyên ngành để sử dụng thành thạo Nhiều phần chạy không theo quy tắc định khiến người dùng gặp đôi chút khó khan khí sử dụng 1.3.2 Ứng dụng: - Giúp người dùng xem trước thiết kế để xem chạy hay khơng trước khí áp dụng vào mạch thực - Có khả áp dụng vào thực tế dạy học học tập tốt cung cấp gần đầy đủ loại linh kiện cho người học điện tử vi xử lí 18 - Proteus giúp người khơng có điều kiện học kĩ thuật sở tự học, tự nghiên cứu, thiết kế chạy thử để rút học kinh nghiệm cho 1.4 Phần mềm IDE dùng cho Arduino: Hình 1.18 Giao diện Arduino IDE 1.4.1 Định nghĩa: - Phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp IDE(Integrated Development Environment) phần mềm mã nguồn mở để người dùng viết tải code lên Arduino Chương trình chạy MacOS X, Linux - - viết Java phần mềm mở khác Ưu điểm: • Chạy nhiều tảng khác tạo điều kiện cho người sử • • dụng tải chúng loại máy Ngơn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu đối tượng Vì tảng mở nên phần mềm loại module chia • sẻ sử dụng loại tảng Điểm cộng cho phần mềm giao diện đơn giản, dễ dàng lập trình Nhược điểm: 19 • Chính việc dễ sử dụng nên khó cho người dùng phần mềm học them mạch địi hỏi độ thơng minh • phức tạp tương lai Chi phí cho bảng mạch Arduino khơng rẻ đòi hỏi phải cân nhắc nên mua hay khơng hiệu có đáng mong đợi khơng 1.4.2 Ứng dụng: - Lập trình cho thiết bị điện tử phục vụ đời sống robot, máy bay khơng người lái, game, … - Lập trình cho hệ thống đèn giao thông CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 2.1 Sơ đồ kết nối chân vi điều khiển: Hình 2.1 Sơ đồ kết nối chân vi điều khiển - Các chân Arduino thích nối với chân led vạch cảm biển lm35 2.2 Sơ đồ thuật toán hệ thống: 20 Hình 2.2 Sơ đồ thuật tốn hệ thống 2.3 Viết chương trình điều khiển: - Int kiểu số ngun dùng chương trình Arduino 21 - Temp(nhiệt độ) khai báo chân A2 arduino làm đầu liệu từ cảm biến LM35 - Biến 'x' chữ số số đọc nhiệt độ(giá trị hiển thị LED đoạn hàng chục) 'y' chữ số thứ hai số đọc nhiệt độ(giá trị hiển thị đoạn hàng đơn vị) - Mảng sử dụng để hiển thị bật / tắt đèn LED tương ứng cần cho chữ số(Số sáng, số tắt) Mã đưa dành cho hiển thị anode chung - BCD0 BCD1 hai hàm mà cho số nguyên chữ số bật đèn LED tương ứng để hiển thị số nguyên hình BCD0 sử dụng cho số nguyên số đọc nhiệt độ BCD1 sử dụng cho số nguyên thứ hai số đọc nhiệt độ 22 - Các chân đặt làm chân đầu OUTPUT đầu vào cảm biến chân A2 đặt INPUT - Đầu tiên ta tính giá trị hiệu điện thế(đơn vị Volt) từ giá trị cảm biến Có thể hiểu đơn giản đọc giá trị điện áp với lệnh analogread Mỗi 10mV tương ứng với độ C Điện áp cấp cho LM35 5V Bảng mạch arduino chứa chuyển đổi gồm 10 bit tức 210=1024 đơn vị Ta giá trị đọc Volt/1024 0,0048828 V(4,9 mV) Vậy nhiệt độ ta đo được: - Nhiệt độ = temp * 100*5/1024 23 - Chúng ta phải chia chữ số số đọc nhiệt độ để hiển thị hai LED bảy đoạn Còn x & y khai báo số nguyên trước - Do đó, hai chữ số đọc nhiệt độ trích xuất lưu trữ biến x y - VD: • x = 68/10 = 6(chỉ lấy phần nguyên) • y = (68-((68/10)*10))=8(khi 68/10 ta lấy phần nguyên) • Sau đó, hai biến đưa vào hàm BCD0 BCD1 - Các dòng mã sử dụng để hiển thị chữ số LED7 đoạn CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ LẮP RÁP HỆ THỐNG 24 3.1 Mơ phỏng: 3.1.1 Mơ mạch Proteus: Hình 3.1 Mô mạch Proteus 3.1.2 Đánh giá kết mô phỏng: _ Hệ thống mạch hoạt động ổn định, khơng phát lỗi xảy q trình sử dụng _Nhiệt độ đo dải từ 0℃ đến 99℃(sử dụng cảm biến nhiệt độ phù hợp đo nhiệt độ phịng) _Kết có sai số nhỏ sử dụng LED vạch để hiển thị nên nhóm sử dụng code để lấy phần nguyên nhiệt độ _Hệ thống hoạt động đáng tin cậy 25 3.2 Mạch thực: Hình 3.2 Hình ảnh mạch thực đo ttrong phịng Hình 3.3 Hình ảnh mạch thực đo ttrong phòng 26 ... trình sử dụng _Nhiệt độ đo dải từ 0℃ đến 99℃ (sử dụng cảm biến nhiệt độ phù hợp đo nhiệt độ phịng) _Kết có sai số nhỏ sử dụng LED vạch để hiển thị nên nhóm sử dụng code để lấy phần nguyên nhiệt độ. .. Arduino UNO R3, cảm biến nhiệt độ LM35, Led vạch dây nối 1.2.1 Tìm hiểu LM35: a Định nghĩa: - Cảm biến nhiệt độ LM35 loại cảm biến tương tự(bán dẫn) hay ứng dụng ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực... ĐỘ PHỊNG 1.1 Cấu trúc hệ thống: Hình 1.1 Hệ thống đo hiển thị nhiệt độ phòng - Gồm: LM35, Arduino UNO R3, LED vạch, 5161BS, trở 100 Ohm - Mạch sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35 nối với vị trí chân