(TIỂU LUẬN) báo cáo đồ án THIẾT kế II đề tài thiết kế mạch đo nhiệt độ dùng atmega16 và cảm biến LM35

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ II Đề tài: Thiết kế mạch đo nhiệt độ dùng Atmega16 cảm biến LM35 Giảng Viên Hướng Dẫn: TS Vũ Hồng Vinh Lớp: CTTT-Điện Tử Viễn Thơng-K63 Nhóm: Mã lớp 718940 Thành Viên Nhóm: Lê Bảo Ngọc-20182930 Vũ Minh Nhật-20182931 Vũ Minh Dức-20182911 Giang Vũ Tuấn Hải-20182917 Hà Nội, tháng năm 2022 LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật thi lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật công nghệ cao ngày phát triển kỹ thuật điện tử khẳng định vai trò to lớn Lĩnh vực ứng dụng điện tử số ngày lớn mạnh ưa chuộng tính đa dạng, xác ưu điểm vượt trội so với kỹ thuật tương tự Đo lường yếu tố quan trọng phát triển Nếu thiếu đo lường, người kĩ sư khơng thể có nhìn xác tượng, đồng thời gây sai lệch kết không mong đợi nghiên cứu Trong hệ đơn vị SI (International System Unit), có sáu đại lượng vật lý nhiệt độ số Sự thay đổi nhiệt độ cách rõ ràng thực Sự xảy bên tượng, chi tiết học quan sát Việc đo nhiệt độ ngày trở nên dễ dàng đa dạng, từ nhiệt kê đơn giản đến hệ thống điện tử thơng minh Qua q trình học tập mơn học Đồ Án Thiết Kế em thầy hướng dẫn tiếp thu kiến thức để thiết kế mạch đo nhiệt độ sử dụng Kit AVR nhằm ứng dụng môi trường mang tính tự động hóa Em cảm ơn thầy hướng dẫn cung cấp tài liệu giúp bọn em hồn thành đề tài MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN I Khối điều khiển Giới thiệu AVR Thông số kĩ thuật sơ đồ chân ATmega16 II Mạch Kit cho VĐK họ AVR Giới thiệu mạch Kit AVR Cấu trúc mạch Kit Các thơng số Sơ đồ nguyên lí mạch Kit III Cảm biến nhiệt độ LM35 LCD1602 Cảm biến nhiệt độ LM35 Màn hình text LCD1602 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐO VÀ HIỂN THỊ I Ngơn ngữ lập trình phần mềm biên dịch Tổng quan ngôn ngữ C 2 Phần mềm biên dịch 15 Giao diện phần mềm biên dịch 15 II THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG 17 Thiết kế sơ đồ nguyên lí Altium Designer 17 Mơ hình 3D Kit AVR Altium Designer 19 Mạch in Kit AVR Altium 20 Mô Proteus Professional 21 Nạp Code PROGISP 22 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .25 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt VĐK TTL ASM DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Sơ đồ chân ATmega16 Hình 2: Mạch Kit phát triển phụ kiện Hình 3: Cấu trúc mạch Kit Hình 4: Sơ đồ nguyên lí mạch Kit Hình 5: Sơ đồ chân LM35 Hình 6: Sơ đồ chân LCD 1602 Hình 7: Giao diện AVR Studio 16 Hình 8: Giao diện CodeVisionAVR 17 Hình 9: Sơ đồ nguyên lí đo nhiệt độ độ ẩm sử dụng Kit AVR Hình 10: Mơ hình 3D Kit AVR Hình 11: Đi dây mạch in Kit AVR Hình 12: Mạch in Kit AVR 20 Hình 13: Mô Proteus cho kênh Hình 14: Mơ Proteus cho kênh Hình 15: Giao diện nạp code PROGISP Hình 16: Mạch sau hồn thiện Hình 17: Cảm biến DS18B20 Hình 18: Kết mơ dùng cảm biến DS18B20 Hình 19: Kết đo dùng mạch thực tế cảm biến DS18B20 24 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN I Khối điều khiển Giới thiệu AVR Vi điều khiển AVR hãng Atmel (Hoa Kỳ) sản xuất giới thiệu lần năm 1996 AVR có nhiều dịng khác bao gồm dòng Tiny ( At tiny 13, At tiny 22 ) có kích thước nhớ nhỏ, phận ngoại vi, đến dịng AVR ( chẳng hạn AT90S8535, AT90S8515 ) có kích thước nhớ vào loại trung bình mạnh dịng Mega ( ATmega 16, Atmega 32, Atmega 128 ) với nhớ có kích thước vài kbyte đến vài trăm Kb với nhớ ngoại vi đa dạng tích hợp LCD chip (dịng LCD AVR) Tốc độ dòng Mega cao so với dòng khác Sự khác dịng cấu trúc ngoại vi, cịn nhận ‫م‬ ATmega16 loại vi điều khiển có nhiều tính đặc biệt thích hợp cho việc giải toán điều khiển vi xử lý: - Các loại vi điều khiển AVR phổ biến thị trường Việt Nam nên khơng khó việc thay sửa chữa hệ thống lúc cân -Giá thành dòng vi điều khiển phải -Các phần mềm lập trình mã nguồn mở tìm kiếm dễ dàng mạng Các thiết kế demo nhiều nên có nhiều gợi ý tốt cho người thiết kế hệ thống ATmega16 vi điều khiển bit dựa kiến trúc RISC Với khả thực lệnh vòng chu kỳ xung clock, ATmega16 đạt tốc độ 1MIPS Mhz (1 triệu lệnh/s/Mhz), lệnh xử lý nhanh hơn, tiêu thụ lượng thấp Thông số kĩ thuật sơ đồ chân ATmega16 2.1 Thông số kỹ thuật: Flash (Kbytes): 16 Kbytes Pin Count: 44 Tần số thường hoạt động (MHz): 16 MHz CPU: 8-bit AVR Max I / O Pins: 32 2.2 Sơ đồ chân Atmega16 gồm có 40 chân: Chân 1-8: Cổng nhập xuất liệu song song B (Port B) sửdụng chức đặc biệt thay nhập xuất liệu - Chân 9: RESET để đưa chip trạng thái ban đầu - - Chân 10: VCC cấp nguồn cho VĐK - Chân 11,31: GND chân nối với nối đất Chân 12,13: chân XTAL2 XTAL1 dùng để đưa xung nhịp từ bên vào chip -Chân 14-21: Cổng nhập xuất liệu song song D (PORTD) sử dụng chức đặc biệt thay nhập xuất liệu -Chân 22-29: Cổng nhập xuất liệu song song C (PORTC) 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 33-40: Cổng vào liệu song song(Port A), ngồi cịn tích hợp chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số(ADC-analog to digital converter) Hình 1: Sơ đồ chân ATmega16 Vào vi điều khiển ATmega16: PORTA (PA7 PAO): chân số 33 đến 40 Là cổng vào song song bit không dùng chế độ ADC Bên có sẵn điện trở kéo, PORTA output điện trở kéo không hoạt động , PORTA input điện trở kéo kích hoạt - PORTB(PB7 PB0 ): chân số đến Nó tương tự PORTA sử dụng vào song song Ngồi chân PORTB cịn có chức đặc biệt khác - PORTC( PC7 PCO): chân 22 đến 30 Cũng giống PORTA PORTB cổng vào song song Nếu giao tiếp JTAG bật, trở treo chân PC5(TDI), PC3(TMS), PC2(TCK) hoạt động kiện reset xảy ra, ngồi cịn chức giao tiếp JTAG số chức đặc biệt khác - -PORTD ( PD7-PDO ): chân 13 đến 21 Cũng cổng vào song song giống PORT khác, ngồi cịn có số tính đặc biệt khác II Mạch Kit cho VĐK họ AVR Giới thiệu mạch Kit AVR AVR dịng VĐK bit mạnh thơng dụng thị trường Việt Nam Với tốc độ độ xung nhịp tới 16Mhz, nhớ chương trình tối đa tới 256 kB, nhiều chức nặng ngoại vi tích hợp sẵn, VĐK họ AVR đáp ứng tốt cho nhiều ứng dụng thực tế từ đơn giản đến phức tạp Với Kit thử nghiệm ứng dụng như: • Điều khiến cơng số, với LED đơn LED • Đọc trạng thái logic đầu vào số, từ bàn phím giác cắm mở rộng • Đo điện áp tương tự, với biến trở vị 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 khiển chế độ rộng xuI8 *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, Một ngôn ngữ côt lõi đơn giản, với chức quan trọng chẳng hạn hàm hay việc xử lý cung cấp thư viện thủ tục Tập trung mãu hình lập trình thủ tục, với phương tiện lập trình theo kiểu cấu trúc Một hệ thống kiểu đơn giản nhằm loại bỏ nhiều phép tốn khơng có ý nghĩa thực dụng Dùng ngôn ngữ tièn xử lý, tức câu lệnh tiền xử ly C, cho nhiệm vụ định nghĩa macro hàm chứa nhiều tập tin mã nguồn (bằng cách dùng câu lệnh tiền xử lý dạng #include chẳng hạn) Mức thấp ngôn ngữ cho phép dùng tới nhớ máy tính qua việc sử dụng Số lượng từ khóa nhỏ gọn Các tham số đưa vào hàm giá trị, không địa Hàm trỏ cho phép hình thành tảng ban đầu cho tính đóng tính đa hình Hỗ trợ ghi hay kiểu liệu kết hợp người dùng từ khóa định nghĩa struct cho phép liệu liên hệ tập hợp lại điều chỉnh toàn Một số chức khác mà C khơng có(hay cịn thiếu) tìm thấy ngơn ngữ khác gồm: An tồn kiểu Tự động thu dọn rác Các lớp hay đối tượng với ứng xử chúng Các hàm lồng Lập trình tiêu hay lập trình phổ dụng Quá tải tải toàn tử Các hỗ trợ đa luồng, đa nhiệm mạng Mặc dù C cịn thiếu nhiều chức hữu ích lý quan trọng để C chấp nhận cho phép trình tạo cahs nhanh chóng tảng cho phép người lập trình dễ kiểm sốt mà họ viết thực thi Đây điểm thường làm cho mã C chạy hiệu ngôn ngữ khác Thướng có ngơn ngữ ASM chạy nhanh ngơn ngữ C, ASM kiểm sốt tồn máy Mặc dù với phát triển trình dịch C với phức tạp CPU đại có tốc độ cao, C dần thu nhỏ khác biệt tốc độ 17 Một lí cho việc C sử dụng rộng rãi hiệu trình dịch,các thư viện phần mềm thơng dịch ngôn ngữ bậc cao khác lại thường tạo nên từ C Phần mềm biên dịch 2.1 AVR Studio AVR Studio cung cấp mô trường phát triển tích hợp(IDE), kết hợp với phần mềm hỗ trợ khác AVR Toochain WinAVR AVR Toolchain cài đặt thư viện cho AVR studio Nếu bạn cài đặt AVR Studio AVR Toolchain, bạn viết chương trình ASM Để viết chương trình C cần cài WinAVR Nếu có phát triển từ Atmel Studio, tốt phần mềm hỗ trợ lập trình bảng Các lập trình viên hỗ trợ có danh sách đây: -AVR Dragon -AVR One -AVR Simulator -AVR Simulator -ICE 200 -ICE 40 -ICE 50 -JTAG ICE -JTAG ICE mkll Ngôn ngữ lập trình: Ngơn ngữ assembly, C Các tính hữu ích: Khung xem I/O, chỉnh sửa nhiều tài liệu, tạo tập tin Hex Dung lượng: AVR Studio 6; 538MB AVR Toolchain: 194MB 18 Win AVR: 138MB Tổng cộng: 870MB Hình 7: Giao diện AVR 2.2 CodeVisionAVR CodeVisionAVR C Compiler phần mềm cho hệ điều hành Windows, thuộc nhóm phần mềm Software phát triển NA Phiên CodeVisionAVR C Compiler Version NA (cập nhật NA) Các CodeVision hay thường gọi CodeVision AVR C Compiler chương trình biên dịch C phát triển Pavel Nó thiết kế để làm lập trình C dễ dàng cho tất người dùng Tuy nhiên, trình biên dịch thiết kế với loại liệu hỗ trợ biến mà sử dụng cho cấu trúc AVR C 19 Trình biên dịch CodeVision AVR C phần vi điều khiển Atmel Studio Nó phát hành phần mềm miễn phí cho lập trình viên mà cần phải tạo hai chương trình đơn giản mã hố phức tạp Điểm bật trình biên dịch CodeVision C lưu trữ q trình nhớ flash khơng lại thẻ RAM máy tính Như vậy, chương trình chạy nhanh so với trình biên dịch thơng thường Nó có thư viện điểm nhanh với nhân phần cứng hướng dẫn lõi hỗ trợ tăng cường cho tất chip vi Trình biên dịch AVR C hỗ trợ hầu hết kiểu liệu C bit, bool, char, int, ngắn, dài phao Ngồi kiểu liệu, trình biên dịch hỗ trợ gián đoạn để gỡ lỗi nhanh chóng xây dựng Hơn nữa, trình biên dịch tối ưu hóa cấu trúc vịng lặp chương trình tạo CodeVision Điều cung cấp q trình ổn định vịng lặp chương trình Phần mềm loại bỏ biểu tiểu dự phịng chương trình Ngồi ra, lập trình viên cung cấp với điền tự động autosuggest tính trình biên dịch Điều có nghĩa, chương trình cho thấy khối mã loại lập trình viên thư mã Trình biên dịch AVR C hỗ trợ làm bật cú pháp; dễ dàng cho việc theo dõi lỗi Chương trình tương thích với ứng dụng Atmel khác giả lập AVR JTAG-ICE AVR Dragon Giao diện người dùng thiết kế để đơn giản, nhỏ gọn với tính Bên cạnh đó, chương trình dễ sử dụng tương thích với trình biên dịch ANSI C khác CodeVision AVR C Compiler chạy hệ điều hành Windows Nó hỗ trợ Windows XP, Windows Vista Windows (32bit 64bit) 20 Hình AI 8: Giao Thiết kế mơ Thiết kế sơ đồ nguyên lí Altium Designer 21 diện Hình 9: Sơ đồ ngun lí đo nhiệt độ độ ẩm sử dụng Kit AVR 22 Mô hình 3D Kit AVR Altium Designer Hình 10: Mơ hình 3D Kit 23 Mạch in Kit AVR Altium Hình 11: Đi dây mạch in Kit AVR 24 Hình 12: Mạch in Kit AVR Mơ Proteus Professional Hình 13: Mơ Proteus cho kênh 25 Hình 14: Mơ Proteus cho kênh Điện áp Vout LM35 thay đổi tuyến tính theo nhiệt dộ với tỉ lệ 10mV/1ºC Độ phân giải cảu ADC AVR 10 bit diện áp tham chiếu 2.56V Nếu ta nói đàu LM35 vào kênh AC giá trị cảu ADC đọc adc_data[0]=(Vout*1024V)/Vref=(V*1024)/2560 Giá trị adc_data[0] lại khoảng từ đến 1023 nên ta có: Nhiệt độ(ºC)=Vout(mV)/10 Vì giá trị nhiệt độ tính theo cơng thức: Nhiệt độ(ºC) = adc_data[0]*(2560/1024)/10 5.Nạp code PROGISP 26 Hình 15: Giao diện nạp code PROGISP 27 Hình 16: Mạch sau hồn thiện *Do q trình hồn thiện mạch, bọn em có gặp trục trặc với cảm biến LM35 nên bọn em thay cảm biến DS18B20 có tính chất tương tự với LM35 Hình 17: Cảm biến DS18B20 28 Hình 18: Kết mơ dùng cảm biến Hình 18: Kết đo dùng mạch thực tế cảm biến DS18B20 29 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận I) 1) Ưu điẻm -Chịu khó tìm hiểu tiếp thu kiến thức -Có kiến thức sử dụng phần mềm Proteus Altium -Làm việc nhóm hiệu giúp tiến dộ cơng việc hồn thành nhanh -Tiếp thu góp ý thầy để sản phẩm hồn thiện -Chịu khó thamn khảo tài liệu thầy giới thiệu 2) Nhược điẻm - Do kiến thức lần đầu làm nên sản phẩm chưa hoàn thiện đẹp mong đợi -Trong lúc làm gặp số lỗi phần mềm tốn thời gian để khắc phục 3) Kết Sản phẩm hoàn thiện, chạy mơ hồn thành thời hạn II) Hướng phát triển Kit AVR thực ứng dụng phức tạp như: -Đo nhiệt độ thêm độ ảm môi trường cảnh báo vượt ngưỡng nhiệt độ cho phép -Điều khiển tải bản: đèn báo, van điẹn tử, động DC -Điều khiển hiển thị: LED ma trận, LCD ma trận -Ứng dụng đo điều chỉnh để đạt ổn định tham số môi trường 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO -Xây dựng số vi điều khiển AVR: https://atmega32-avr.com/avr-projectscollection-16-atmega-mcu-projects/ -Thiết kế mạch đo nhiệt độ: https://khotrithucso.com/doc/p/thiet-ke-machdo-nhiet-do-va-phat-canh-bao-nhiet-do-258674 -Atmega16-datasheet:https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/ 78532/ATMEL/ATMEGA16.html -LM35-datasheet: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf 31 ... mềm mô mạch Proteus Professional 12 Hình 4: Sơ đồ ngun lí mạch BI) Cảm biến nhiệt độ LM35 LCD1602 Cảm biến nhiệt độ LM35 Cảm biến Nhiệt Độ LM35 sản xuất hãng National Semiconductor dải đo từ đến... thiện mạch, bọn em có gặp trục trặc với cảm biến LM35 nên bọn em thay cảm biến DS18B20 có tính chất tương tự với LM35 Hình 17: Cảm biến DS18B20 28 Hình 18: Kết mơ dùng cảm biến Hình 18: Kết đo dùng. .. sơ đồ chân ATmega16 II Mạch Kit cho VĐK họ AVR Giới thiệu mạch Kit AVR Cấu trúc mạch Kit Các thơng số Sơ đồ nguyên lí mạch Kit III Cảm biến nhiệt độ LM35