ĐỒ ÁN " THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ TRUYỀN TÍN HIỆU VỀ MÁY TÍNH " docx

Với tính ưu việt của vi xử lí thì trong phạm vi nhỏ của đồ án này nhóm thực hiện chỉ tiến hành việc dùng vi xử lí để điều khiển đo nhiệt độ và truyền tín hiệu, đây chỉ là một ứng dụng nh

- -

ĐỒ ÁN I

THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ

VÀ TRUYỀN TÍN HIỆU VỀ MÁY TÍNH

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Trần Hoài Linh

Sinh viên thực hiện : Dương Đức Tuyên Nguyễn Văn Tuấn Nguyễn Văn Duy Nguyễn Văn Cao Nguyễn Xuân Lộc

Hà Nội - 6/2013

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 4

Giới thiệu đề tài 4

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÍ THUYẾT-GIẢI PHÁP 5

2.1 Cơ sở lí thuyết về đo nhiệt độ 5

2.2 Giới thiệu về DS18B20 và ATMEGA8 7

2.2.1 DS18B20 7

2.2.2 AMETGA8 10

2.3 RS 232 và MAX232 14

2.3.1 RS232 14

2.3.2 MAX232 15

2.3.3.GIỚI THIỆU VỀ RF 315 16

CHƯƠNG III THIẾT KẾ MẠCH 18

3.1 Thiết kế mạch đo nhiệt độ và truyền dữ liệu qua RF 18

3.2 Thiết kế mạch thu tín hiệu RF và truyền dữ liệu về máy tính 19

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ CHẾ TẠO 20

CHƯƠNG V : KẾT LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN 21

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật vi xử lí ngày nay rất phát triển, nó được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, tự động hóa và nhiều lĩnh vực khác nữa So với kỹ thuật

số thì kỹ thuật vi xử lí nhỏ gọn hơn rất nhiều do nó được tích hợp lại và lập trình để điều khiển

Với tính ưu việt của vi xử lí thì trong phạm vi nhỏ của đồ án này nhóm thực hiện chỉ tiến hành việc dùng vi xử lí để điều khiển đo nhiệt độ và truyền tín hiệu, đây chỉ là một ứng dụng nhỏ của vi xử lí trong các ứng dụng của nó

Những kiến thức học được cộng với tài liệu tham khảo, tuy có thể hoàn thành được

đồ án này song không tránh khỏi sai sót mong thầy và các bạn đóng góp để cuốn đồ

án hoàn thiện hơn

Để hoàn thành đồ án này nhóm đã nhận được sự chỉ bảo tận tình của thầy hướng dẫn

và sự giúp đỡ nhiệt bạn bè Cuối cùng nhóm xin cảm ơn thầy hướng dẫn Trần Hoài Linh đã góp ý đề tài và khuyến khích nhóm hoàn thành đồ án

Sinh viên thực hiện

Dương Đức Tuyên

Nguyễn Văn Tuấn Nguyễn Văn Duy Nguyễn Văn Cao Nguyễn Xuân Lộc

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Trong cuộc sống hiện nay có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất và con người.Trong đó nhiệt độ cũng là yếu tố được đề cập tới rất nhiều, vì thế mạch

đo nhiệt độ ra đời là sự tất yếu.Với sự phát triển của công nghệ hiện nay việc sản xuất mạch đo nhiệt độ đơn giản mà độ chính xác cao là điều khá đơn giản

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều cảm biến đo nhiệt độ như DS18B20,

LM35 Đa số các cảm biến hiện nay đều có độ chính xác tương đối cao Trong đồ

án này nhóm sử dụng cảm biến DS18B20

Giới thiệu đề tài

Với 1 bộ mạch “Đo nhiệt độ” ta có thể đo cùng lúc nhiệt độ ở các vị trí khác

nhau (chọn các vị trí ẩm thấp, ít không khí để đặt mạch cảm biến, và đánh dấu số ở mỗi vị trí đó)

Bộ “Đo nhiệt độ và truyền không dây về máy tính” gồm 2 phần :

 Module 1: Đo nhiệt độ hiển thị lên LCD và truyển tín hiệu qua mạch phát RF

 Module 2 : Nhận tín hiệu nhiệt độ sử dụng mạch thu RF, truyển dữ liệu vào PC bằng RS232

Mạch cảm biến Nhiệt độ: gồm IC cảm biến nhiệt độ DS18B20, có điện trở thay đổi theo nhiệt độ môi trường, ngõ ra của mạch dưới dạng điện áp, tầm thay đổi 10mV/ ͦ C

Ta dùng mạch cảm biến nhiệt độ, đặt ở các vị trí khác nhau Ngõ vào điện áp sẽ được chuyển đổi sang dạng số và hiển thị ra LCD Sử dụng IC AMTGE8 với tần số

thạch anh 8Mhz.Việc truyền dữ liệu không dây sẽ dung module thu phát RF 315,

giao tiếp qua cổng COM bằng chuẩn RS232

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÍ THUYẾT-GIẢI PHÁP

2.1 Cơ sở lí thuyết về đo nhiệt độ

Đo nhiệt độ chia làm nhiều dải

 Đo nhiệt độ thấp

 Đo nhiệt độ trung bình

 Đo nhiệt độ cao

Cảm biến nhiệt là dụng cụ chuyển đổi nhiệt độ thành các đại lượng vật lí khác như điện áp , điện trở, áp suất, độ nở dài, độ nở khối, và lúc này ta chỉ cần đo các đại lượng này để biết được chính xác nhiệt độ

Các loại cảm biến nhiệt độ rất đa dạng, tuy nhiên chúng cũng xuất phát từ một số loại nhất định Ngày nay, tùy theo mục đích sử dụng, chúng ta có thể chọn một trong các loại cảm biến sau đây:

 RTD (Resistance Temperature Detector):

Hoạt động dựa vào độ nhạy nhiệt của kim loại với nhiệt độ, tức là khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở của các kim loại này cũng thay đổi

Vật liệu cấu tạo RTD cần các yêu cầu: hệ số nhiệt lớn, điện trở suất lớn, tính thuần khiết, và độ ổn định chống ăn mòn tốt Kim loại thường dùng là Platinum

vì đặc tuyến của nó tuyến tính nhất và ổn định nhất so với các loại khác

RTD cũng có những ưu khuyết điểm riêng:

 Ưu điểm: Chính xác, tuyến tính, ổn định

 Khuyết điểm: Giá thành cao, cần nguồn cc, tự gia nhiệt

 Thermocouple:

Là cảm biến nhiệt dùng rộng rãi trong công nghiệp Cặp nhiệt điện được chế tạo

từ hai sợi kim loại khác nhau và có ít nhất là hai mối nối (junction), đầu tiếp xúc với đối tượng đo, gọi là "điểm nóng", đầu còn lại giữ ở nhiệt độ chuẩn, gọi là đầu

ra

Về nguyên tắc khi ta đốt nóng mối nối của hai kim loại bất kỳ đều sinh ra một suất điện động nhiệt, nhưng không phải kim loại nào cũng làm thermocouple được, mà phải là những kim loại có đặc tính:

 Độ tinh khiết cao

 Nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ cần đo

Chú ý: phải đặt thermocouple trong vỏ bọc để tránh xâm thực của môi trường (yêu cầu cách điện, không cách nhiệt), phải chọn địa điểm thích hợp hoặc đặt nhiều nơi vì thường thì nhiệt độ phân bố không đều, phải lắp đặt dây bù nhiệt trong ống sắt nối đất và dây dẫn tín hiệu cảm biến phải luôn là một loại vì nếu khác nhau sẽ sinh ra điểm nóng mới, và làm sai kết quả

 Ưu điểm: Tầm đo nhiệt rộng (>11000F), giá thành thấp, đơn giản, thời gian đáp ứng nhanh

 Nhược điểm: Cần tham chiếu, phi tuyến, trôi tham chiếu không dự đoán trước được, không thể ca-lip lại, kém ổn định, không nhạy

 Thermistor:

Vật liệu nhận nhiệt là chất bán dẫn làm từ những hỗn hợp đặc biệt (oxit nickel, mangan, đồng, coban hoặc những oxit kim loại chịu nhiệt cao) Ta dùng kèm với cầu Wheatstone để khuếch đại những thay đổi nhỏ của điện trở theo nhiệt độ

Thermistor gồm 2 loại:

 NTC (Negative Temperature Coefficient): Là loại nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt âm tức là trị số điện trở giảm khi nhiệt độ tăng (Từ

0oC đến 150oC điện trở giảm đi hơn 100 lần)

 PTC (Positive Temperature Coefficient): Có hệ số nhiệt độ dương Ở nhiệt độ nhỏ thì nó cũng có hệ số nhiệt âm như các bán dẫn khác nhưng bắt đầu từ một điểm nhiệt nào đó thì nhiệt điện trở loại này có

hệ số nhiệt dương rất cao Vật liệu chế tạo PTC gồm hỗn hợp Bariumcarbonat, oxit Stronium và oxit Titan được ép nung từ 1000oC đến

1400oC Với các đặc tính như trên ta có thể rút ra:

 Ưu điểm: Đáp ứng nhanh, lắp đặt đơn giản, đo hai dây, bền

 Khuyết điểm: Phi tuyến, giới hạn tầm đo nhiệt, tự gia nhiệt

 IC cảm biến nhiệt:

Hiện nay nhiều công ty trên thế giới đã chế tạo được những IC bán dẫn dùng

đo và hiệu chỉnh rất tiện lợi Trong mạch tổ hợp, cảm biến nhiệt là lớp chuyển tiếp

PN trong một transistor lưỡng cực Lớp cảm biến này nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện dưới dạng dòng hay áp

IC cảm biến nhiệt có những ưu khuyết điểm như sau :

 Ưu điểm: gọn nhẹ, rẻ tiền, tuyến tính Phù hợp với các thiết kế cỡ nhỏ và onboard

 Khuyết điểm: Nhiệt độ đo thấp (150-2000), cần cấp nguồn cho IC

Trên thị trường hiện có các loại IC sau: STP 35 A/B/C (Texas Instrument),

LM 35/45/50 (National Semiconductor), AD590/2210 (Analog Devices),

D1620/1820/1920 (Dallas Semiconductor)…Ngoài ra còn có các loại ít thông dụng hơn như : Lưỡng kim, nhiệt kế hồng ngoại, áp suất hơi, tinh thể thạch anh, phóng

xạ.Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ là phổ biến nhất Ở đồ án này sử dụng IC cảm biến DS18B20

2.2 Giới thiệu về DS18B20 và ATMEGA8

2.2.1 DS18B20

DS18B20 là một sản phẩm của công ty Dallas(Hoa Kỳ), đây cũng là cong ty đóng góp nhiều vào việc cho ra đời bus một dây và các cảm biến một dây.Hình dáng bên ngoài của cảm biến một dây DS18B20 được mô tả trên hình 2, trong đó dạng vỏ T0-92 với 3 chân là dạng thường gặp và được dung nhiều trong nhiều ứng dụng,còn dạng vỏ SOIC với 8 chân được dung để đo nhiệt độ bề mặt kể cả da người

Hình 1.Dạng đóng vỏ và bề ngoài của cảm biến DS18B20

2.2.1.1 Các đặc điểm kỹ thuật cảa cảm biến DS18B20

Các đặc điểm kỹ thuật của cảm biến DS18B20 có thể kể ra một cách tóm tắt như sau:

 Sử dụng giao diện một dây nên chỉ cần có một chân ra để truyền thông

 Có thể đo nhiệt độ trong khoảng 55⁰C > +125⁰C.Với khoảng nhiệt độ là 10°C tới +85°C thì độ chính xác ±0.5°C.Có thể chuẩn tới 0.1⁰C qua hiệu chỉnh phần mềm.Có chức năng cảnh báo nhiệt độ vược qua giá trị cho trước

- Điện áp sử dụng : 3 – 5.5 V,có thể cấu hình mã hóa nhiệu độ từ 9 – 12 bit

số bit càng lớn thì độ chính xác cao hơn.Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa

là 750ms cho mã hóa 12 bit

để xác định khi nào chuyển đổi xong nhiệt độ

2.2.1.2 Các tập lệnh cảa DS18B20

 READ ROM (33h)

Cho phép đọc ra 8 byte mã đã khắc bằng laser trên ROM, bao gồm: 8 bit mã định tên linh kiện (10h), 48 bit số xuất xưởng, 8 bit kiểm tra CRC Lệnh này chỉ dùng khi trên bus có 1 cảm biến DS1820, nếu không sẽ xảy ra xung đột

trên bus do tất cả các thiết bị tớ cùng đáp ứng

 MATCH ROM (55h)

Lệnh này được gửi đi cùng với 64 bit ROM tiếp theo, cho phép bộ điều khiển bus chọn ra chỉ một cảm biến DS1820 cụ thể khi trên bus có nhiều cảm biến DS1820 cùng nối vào Chỉ có DS1820 nào có 64 bit trên ROM trung khớp với chuỗi 64 bit vừa được gửi tới mới đáp ứng lại các lệnh về bộ nhớ tiếp theo Còn các cảm biến DS1820 có 64 bit ROM không trùng khớp sẽ tiếp tục chờ một xung reset Lệnh này được sử dụng cả trong trường hợp có một cảm biến

một dây, cả trong trường hợp có nhiều cảm biến một dây

 SKIP ROM (CCh)

Lệnh này cho phép thiết bị điều khiển truy nhập thẳng đến các lệnh bộ nhớ của DS1820 mà không cần gửi chuỗi mã 64 bit ROM Như vậy sẽ tiết kiệm được thời gian chờ đợi nhưng chỉ mang hiệu quả khi trên bú chỉ có một cảm

biến

 SEARCH ROM (F0h)

Lệnh này cho phép bộ điều khiển bus có thể dò tìm được số lượng thành viên

tớ đang được đấu vào bus và các giá trị cụ thể trong 64 bit ROM của chúng

bằng một chu trình dò tìm

 ALARM SEARCH (ECh)

Tiến trình của lệnh này giống hệt như lệnh Search ROM, nhưng cảm biến DS1820 chỉ đáp ứng lệnh này khi xuất hiện điều kiện cảnh báo trong phép đo nhiệt độ cuối cùng Điều kiện cảnh báo ở đây được định nghĩa là giá trị nhiệt

độ đo được lớn hơn giá trị TH và nhỏ hơn giá trị TL là hai giá trị nhiệt độ cao nhất và nhiệt độ thấp nhất đã được đặt trên thanh ghi trong bộ nhớ của cảm biến

Sau khi thiết bị chủ (thường là một vi điều khiển) sử dụng các lệnh ROM để định địa chỉ cho các cảm biến một dây đang được đấu vào bus, thiết bị chủ sẽ đưa ra các lệnh chức năng DS1820 Bằng các lệnh chức năng thiết bị chủ có thể đọc ra và ghi vào bộ nhớ nháp (scratchpath) của cảm biến DS1820 khởi tạo quá trình chuyển đổi giá trị nhiệt độ đo được và xác định chế độ cung cấp

điện áp nguồn

Các lệnh chức năng có thể được mô tả ngắn gọn như sau:

 WRITE SCRATCHPAD (4Eh)

Lệnh này cho phép ghi 2 byte dữ liệu vào bộ nhớ nháp của DS1820 Byte đầu tiên được ghi vào thanh ghi TH (byte 2 của bộ nhớ nháp) còn byte thứ hai được ghi vào thanh ghi TL (byte 3 của bộ nhớ nháp) Dữ liệu truyền theo trình

tự đầu tiên là bit có ý nghĩa nhất và kế tiếp là những bit có ý nghĩa giảm dần

Cả hai byte này phải được ghi trước khi thiết bị chủ xuất ra một xung reset

hoặc khi có dữ liệu khác xuất hiện

 READ SCRATCHPAD (BEh)

Lệnh này cho phép thiết bị chủ đọc nội dung bộ nhớ nháp Quá trình đọc bắt đầu từ bit có ý nghĩa nhấy của byte 0 và tiếp tục cho đến byte rhứ 9 (byte 8 – CRC) Thiết bị chủ có thể xuất ra một xung reset để làm dừng quá trình đọc bất kỳ lúc nào nếu như chỉ có một phần của dữ liệu trên bộ nhớ nháp cần được

200 ms, trong thời gian đang chuyển đổi nếu thực hiện lệnh đọc thì các giá trị đọc ra đều bằng 0.

 READ POWER SUPPLY (B4h)

Một lệnh đọc tiếp sau lệnh này sẽ cho biết DS1820 đang sử dụng chế độ cấp

nguồn như thế nào, giá trị đọc được bằng 0 nếu cấp nguồn bằng chính đường

dẫn dữ liệu và bằng 1 nếu cấp nguồn qua một đường dẫn riêng

2.2.2 AMETGA8

2.2.2.1 Tổng quan

ATMega8 là một con Vi Điều Khiển thuộc dòng Mega AVR của hãng ATMEL

Dòng Vi Điều Khiển này có tính năng nổi trội như:

Rất tiết kiệm năng lượng, hiệu suất cao CPU có kiến trúc RISC, có 130 lệnh, hầu hết chúng thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung clock

32 thanh ghi đa dụng

Tốc độ tối đa lên đến 16MIPS với thạch anh 16MHz

Bộ nhớ phân đoạn, có độ bền cao không dễ bay hơi

Tính năng đặc biệt của ATMega8

Hiệu chuẩn bộ dao động RC nội

Bộ nguồn ngắt bên ngoài và bên trong

Năm chế độ Sleep: Idle, giảm nhiễu ADC, tiết kiệm năng lượng, Power-down, và chế độ chờ (stand by)

Đóng gói & I/O

2.2.2.2 Cấu trúc port xuất nhập

Hình 2: Cấu trúc chân của AVR

ATMEGA8 có 3 Port xuất nhập: PortB (có 8 bits), PortC (7 bits), PortD (có 8 Bits) Mỗi một cổng của Vi điều khiển được liên kết với 3 thanh ghi: PORTx, DDRx,

PINx 3 thanh ghi này sẽ phối hợp với nhau để điều khiển hoạt động của cổng thành lối vào sử dụng Pull-up…

Cấu trúc chân của AVR có thể phân biệt rõ chức năng (vào/ra), trạng thái (0/1) từ đó

ta có 4 kiểu vào ra cho một chân của AVR Khác với 89xx là chỉ có 2 trạng thái duy nhất (0 1) Đặc biệt nguồn từ chân của AVR đủ khoẻ để điều khiển Led trực tiếp (dòng khoảng hàng chục mA) còn 89xx chỉ là vài µA

Để điều khiển các chân này chúng ta có 2 thanh ghi:

PORTx :giá trị tại từng chân (0 – 1) có thể truy cập tới từng bit PORTx.n

DDRx : thanh ghi chỉ trạng thái của từng chân , vào hoặc là ra

a) Thanh ghi DDRx

Đây là thanh ghi 8 bits (có thể đọc ghi) có chứ năng điều khiển hướng của cổng (là lối vào hay lối ra) Khi một bit của thanh ghi này được set lên 1 thì chân tương ứng với nó được cấu hình thành ngõ ra Ngược lại nếu của thanh ghi DDRx là 0 thì chân tương ứng của nó được thiết lập thành ngõ vào Lấy ví dụ: Khi ta set tất cả 8 bit của thanh ghi DDRD đều là 1, thì 8 chân tương ứng của PORTD là PORTD.0,

PORTD.1, …, PORTD.7 được thiết lập là ngõ ra

Hình 3: Thanh ghi DDRD

b) Thanh ghi PORTx

PORTx là thanh ghi 8 bit có thể đọc ghi Đây là thanh ghi dữ liệu của PORTx Nếu thânh ghi DDRx thiết lập cổng là lối ra, khi đó giá trị của thanh ghi PORTx cũng là giá trị của các chân tương ứng của PORTx, nói cách khác, khi ta ghi một giá trị

logic lên bit 1 của thanh ghi này thì chân tương ứng của bit đó cũng có cùng mức logic Khi thanh ghi DDRx thiết lập cổng thành lối vào thì thanh ghi PORTx đóng vai trò như một thanh ghi điều khiển cổng Cụ thể, nếu một bit của thanh ghi này được ghi thành 1 thì điện trở treo (pull-up resistor) ở chân tương ứng với nó sẽ được kích hoạt, ngược lại nếu bit được ghi thành 0 thì điện trở treo ở chân tương ứng sẽ không được kích hoạt, cổng ở trạng thái tổng trở cao

Hình 4: Thanh ghi PORTD

Hình 5: Cấu hình chân của ATMega8

2.3 RS 232 và MAX232

2.3.1 RS232

Mặc dù tính năng hạn chế, RS-232 là một trong các chuẩn tín hiệu có từ lâu nhất,

vì thế được sử dụng rất rộng rãi Ngày nay mỗi máy tính cá nhân đều

có một vài cổng RS-232 (cổng COM), có thể sử dụng tự do để nối với các thiết bịngoại vi hoặc với các máy tính khác Nhiều thiết bịcông cũng tích hợp cổng RS-

232 phục vụlập trình hoặc tham số hóa

 Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn Đa số các hệ

thống hiện nay chỉ hỗ trợ tới tốc độ 19.2 kbps

 Chiều dài cho phép 15m ( 50 feet)

 Truyền số liệu Full-duplex sử dụng 3 dây: TxD, RxD, GND

 Các tín hiệu điều khiển dùng để bắt tay (Handshaking) phần cứng là: RTS, CTS, DSR, DTR Mức logic:+3V¸ +25V -> "1" và <0V -> "0"

 Truyền không đồng bộ, cấu trúc một khung truyền bao gồm: 1 start bit,

7-8 data bit, 1- 0 parity bit, 1-1,5-2 stop bit

 Giao diện cơhọc:

Chuẩn RS-232 qui định ba loại giắc cắm RS-232 là DB-9, DB-25 và ALT-A,

trong đó hai loại đầu được sửdụng rộng rãi hơn

Ý nghĩa của các chân quan trọng được mô tả dưới đây:

 RXD (receive Data): Đường nhận dữ liệu

 TXD (Transmit Data): Đường gửi dữ liệu

 DTR (Data Terminal Ready): Báo DTE sẵn sàng Chân DTR thường ở trạng thái ON khi thiết bị đầu cuối sẵn sàng thiết lập kênh truyền thông (tự động quay số hay tự động trả lời) DTR ở trạng thái OFF chỉ khi thiết bị đầu cuối không muốn DCE của nó chấp nhận lời gọi từ xa

 DSR (Data Set Ready): Báo DCE sẵn sàng, ở chế độ trả lời, 1 tone trả lời và DSR ON sau 2 giây khi Modem nhấc máy

 DCD (Data Carrier Detect): Tín hiệu này tích cực khi Modem nhận được tín hiệu từ trạm từxa và nó duy trì trong suốt quá trình liên kết

 RTS (Request To Send): Đường RTS kiểm soát chiều truyền dữ liệu Khi một trạm cần gửi dữ liệu, nó đóng mạch RTS sang ON để báo hiệu với modem của nó

 CTS (Clear To Send): Khi CTS chuyển sang ON, Modem xác nhận là DTE có thể truyền số liệu Quá trình ngược lại nếu đổi chiều truyền số liệu