Chuyên đề thực tập thiết kế mạch đo và hiển thị nhiệt độ và độ ẩm môi trường

Chương Vấn đề đo thông số môi trường LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và một thay đổi, văn minh và hiện đại Sự phát triển của khoa học kỹ thuật điện tử đã tạo hàng loạt những thiết bị với những đặc điểm nổi bật độ chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố cần thiết góp phần cho hoạt động của người đạt hiệu quả cao Các bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển đơn giản để vận hành và sử dụng được lại là một điều rất phức tạp Các bộ vi điều khiển theo thời gian cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã tiến triển rất nhanh, từ các bộ vi điều khiển 32 bit, rồi sau này la 64 bit Điện tử đã áp ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực nông – lâm – ngư nghiệp cho đến các nhu cầu cần thiết hoạt động đời sống hằng ngày Qua năm học tập nghiên cứu Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, chúng em thầy, cô truyền đạt cho kiến thức lý thuyết thực hành, để chúng em áp dụng kiến thức vào thực tế làm quen công việc độc lập người kỹ sư tương lai, thông qua công việc cụ thể, lý mà chúng em nhận đề tài tốt nghiệp thực tế là: Thiết kế mạch đo và hiển thị nhiệt độ và độ ẩm môi trường Mặc dù đã cố gắng thiết kế và làm mạch trình độ và lực còn hạn chế nên mạch vẫn còn những sai sót Vì vậy, chúng em mong nhận góp ý thầy, giáo để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp nhiệm vụ học tập trường 37 Chương Vấn đề đo thông số môi trường Chương VẤN ĐỀ ĐO CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG 1.1 Mục đích Sự cần thiết, quan trọng cũng nhờ tính khả thi vào lợi ích của mạch số cũng chính là lý nên chọn và thực hiện đồ án “Thiết kế mạch đo và hiển thị nhiệt độ và độ ẩm môi trường” nhằm dùng kiến thức số học và kỹ thuật số vào thực tế 1.2 Tầm quan trọng của nhiệt độ và độ ẩm Nhiệt độ và độ ẩm là yếu tố sinh thái ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống động, thực vật và hoạt động xã hội của người.Nhiệt độ xem yếu tố sinh thái có ảnh hưởng lớn động vật Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến sống,  sinh  trưởng,  phát  triển,  tình  trạng  sinh  lý,  sự  sinh  sản,  do  đó  có  ảnh hưởng đến biến động số lượng phân bố động vật - Ảnh hưởng trực tiếp nhiệt độ môi trường đến chuyển hóa lượng thể Khi nhiệt độ môi trường thay đổi chừng mực đó, ảnh hưởng đến nhiệt độ thể Khi nhiệt độ thể vượt khỏi giới hạn thích hợp làm tăng hay giảm cường độ chuyển hóa gây rối loạn q trình sinh lý bình thường thể Khi nhiệt độ hạ thấp xuống tới mức độ đó, làm ngưng trệ chức tiêu hóa, sau đến chức vận động, đến tuần hoàn sau hô hấp Tuy nhiên số lồi động vật, động vật biến nhiệt có khả sống tiềm sinh nhiệt độ xuống thấp lên cao, chế độ nhiệt trở lại bình thường trình sinh lý lồi động vật nói sớm trở lại trạng thái hoạt động bình thường - Ảnh hưởng gián tiếp nhiệt độ tác động lên động vật loại tín hiệu, tín hiệu nhiệt độ làm thay đổi điều kiện phát triển, sinh sản hoạt động động vật - Ảnh hưởng của độ ẩm không khí: Độ ẩm tỉ đối khơng khí nhỏ, bay qua lớp da nhanh, thân người dễ bị lạnh Độ ẩm tỉ đối cao 80% tạo 37 Chương Vấn đề đo thông số môi trường điều kiện cho cối phát triển, lại dễ làm ẩm mốc hàng hóa kho làm hư hỏng máy móc, dụng cụ điện tử, khí, khí tài quân Để bảo quản thứ ta phải thực nhiều biện pháp chống ẩm dùng chất hút ẩm, bôi dầu mỡ lên chi tiết máy  Để chống ẩm, người ta phải thực nhiều biện pháp dùng chất hút ẩm, sấy nóng, thơng gió,… 1.3 Ứng dụng Đo và hiển thị nhiệt độ và độ ẩm môi trường bằng màn hình LCD được ứng dụng rất rộng rãi công - nông nghiệp cũng đời sống hằng ngày, giúp người chúng ta hoạt động và làm việc hiệu quả Một số ứng dụng tiêu biểu như: Trong hệ thống công nghiệp thì yếu tố được sử dụng nhiều là nhiệt độ Nhiệt độ được đo các hệ thống nồi hơi, các lò ấp sấy… Các hệ thống đo và điều khiển hiện xuất hiện nhiều thị trường với phương pháp đo và điều khiển khác Ví dụ: Trong các lò ấp trứng gia cầm, yêu cầu phải cung cấp lượng nhiệt đầy đủ và liên tục thì suất và độ chính xác của lò mới cao Nếu quá trình ấp trứng mà mất nhiệt thì trứng dễ hỏng, yêu cầu của ấp trứng gia cầm là sai lệch nhiệt độ thấp (tùy từng thời kỳ) không quá 0,1 – 0,2 độ C (Tất nhiên còn nhiều yêu cầu khác nữa độ ẩm, độ thông thoáng, độ vô trùng…) Mục tiêu là nâng cao tỷ lệ nở và tỷ lệ chính phẩm Do vậy cần phải có hệ thống kiểm soát, quản lý xem lò có được cung cấp nhiệt đầy đủ hay không, và có thể biết dễ dàng ngăn trứng nào không được cung cấp nhiệt để kịp sửa chữa Để tạo một máy ấp trứng phải đáp ứng các yêu cầu bản sau: - Bảo đảm nhiệt độ thích hợp (37-38ºC ) và tương đối ổn định theo từng giai đoạn của mỗi đợt ấp - Bảo đảm độ ẩm thích hợp (50-80%) và tương đối ổn định theo từng giai đoạn của mỗi đợt ấp - Bảo đảm thông gió thoáng khí nơi tủ ấp - Bảo đảm đảo trứng thường xuyên (1-3 h lần) Trong nông nghiệp được dùng để kiểm tra và theo dõi nhiệt độ và độ ẩm để trồng có thể sinh trưởng phát triển tốt nhất, hay để hiển thị nhiệt độ và độ ẩm 37 Chương Vấn đề đo thông số môi trường phòng bảo quản nông sản Ví dụ: Trong kỹ thuật trồng nấm rơm Đối với nấm rơm Theo dõi nhiệt độ độ ẩm khâu quan trọng trình sản xuất Độ ẩm yếu tố hàng đầu, độ ẩm giúp trình phân hủy rơm rạ thuận lợi từ tạo nhiệt độ mô nấm Nếu ẩm độ dư, thừa nước: Nhiệt độ giảm, mô nấm bị lạnh Nếu độ ẩm thiếu, mô bị khô nhiệt độ tăng Để nấm sinh trưởng phát triển tốt và đạt suất cao thì chúng ta nên cần theo dõi nhiệt độ và độ ẩm của ụ nấm Việc sử dụng vi điều khiển vào quá trình trồng nấm là hoàn toàn thiết thực, sử dụng mạch đo và hiển thị nhiệt độ môi trường sẽ đáp ứng được yêu cầu đặt vì mạch có rất nhiều những ưu điểm như: Độ chính xác tương đối cao, an toàn, nhỏ gọn… Chính vì những lý mà chúng em đã thực hiện đề tài: “Thiết kế mạch đo và hiển thị nhiệt độ và độ ẩm môi trường” 37 Chương Cấu trúc mạch đo lựa chọn thiết bị Chương CẤU TRÚC MẠCH ĐO VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ Khối Nguồn Khối Truyền Thông Khối Vi Xử Lý Khối Cảm Biến Khới Hiển Thị Nhiệt Đợ và Đợ Ẩm Hình 2.1 Cấu trúc mạch đo 2.1 Khối CPU 2.1.1 Giới thiệu về AVR       AVR họ vi điều khiển hãng Atmel sản xuất (Atmel nhà sản xuất dịng vi điều khiển 89C51 mà bạn nghe đến) AVR chip vi điều khiển bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC (Reduced Instruction Set Computer), kiểu cấu trúc thể ưu xử lí.         Tại AVR: so với chip vi điều khiển bits khác, AVR có nhiều đặc tính hẳn, tính ứng dụng (dễ sử dụng) đặc biệt chức năng: Gần khối không cần mắc thêm linh kiện phụ sử 37 Chương Cấu trúc mạch đo lựa chọn thiết bị dụng AVR, thậm chí khơng cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường thạch anh) Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR đơn giản, có loại mạch nạp cần vài điện trở làm Một số AVR cịn hỗ trợ lập trình on - chip bootloader khơng cần mạch nạp… Bên cạnh lập trình ASM, cấu trúc AVR thiết kế tương thích C Nguồn tài nguyên source code, tài liệu, application note… lớn internet.  Hầu hết chip AVR có tính (features) sau:  Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, sử dụng xung clock nội lên đến MHz (sai số 3%) Bộ nhớ chương trình Flash lập trình lại nhiều lần dung lượng lớn, có SRAM (Ram tĩnh) lớn, đặc biệt có nhớ lưu trữ lập trình EEPROM  Nhiều ngõ vào (I/O PORT) hướng (bi-directional)  bits, 16 bits timer/counter tích hợp PWM  Các chuyển đối Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh  Chức Analog comparator  Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS-232)  Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial Master Slaver Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI) AVR có cấu trúc Harvard, đường truyền cho nhớ liệu (data memory bus) đường truyền cho nhớ chương trình (program memory bus) tách riêng Data memory bus có bit kết nối với hầu hết thiết bị ngoại vi, với register file Trong program memory bus có độ rộng 16 bits phục vụ cho instruction registers Hình 2.2 mơ tả cấu trúc nhớ AVR 37 Chương Cấu trúc mạch đo lựa chọn thiết bị Hình 2.2 Tổ chức nhớ AVR Bộ nhớ chương trình (Program memory): Là nhớ Flash lập trình được, chip AVR cũ (như AT90S1200 hay AT90S2313…) nhớ chương trình gồm phần Application Flash Section chip AVR có thêm phần Boot Flash setion Thực chất, application section bao gồm phần: phần chứa instruction (mã lệnh cho hoạt động chip) phần chứa vector ngắt (interrupt vectors) Các vector ngắt nằm phần đầu application section (từ địa 0x0000) dài đến tùy thuộc vào loại chip Phần chứa instruction nằm liền sau đó, chương trình viết cho chip phải load vào phần Vì chức nhớ chương trình chứa instruction, khơng có nhiều hội tác động lên nhớ lập trình cho chip, người lập trình AVR, nhớ “khơng q quan trọng” Tất ghi quan trọng cần khảo sát nằm nhớ liệu chip Bộ nhớ liệu (data memory): Đây phần chứa ghi quan trọng chip, việc lập trình cho chip phần lớn truy cập nhớ Bộ nhớ liệu chip AVR có độ lớn khác tùy theo chip, nhiên phần nhớ chia thành phần:       Phần 1: phần nhớ liệu, mơ tả hình 1, phần bao gồm 32 ghi có tên gọi register file (RF), hay General Purpose Rgegister – GPR, đơn giản Thanh ghi Tất ghi ghi bits 37 Chương Cấu trúc mạch đo lựa chọn thiết bị Bảng 2.1 Bảng 2.1 Thanh ghi bits Bit Bit Bit Bit Bit Bit Bit Bit Tất chip họ AVR bao gồm 32 ghi Register File có địa tuyệt đối từ 0x0000 đến 0x001F Mỗi ghi chứa giá trị dương từ đến 255 giá trị có dấu từ -128 đến 127 mã ASCII ký tự đó…Các ghi đặt tên theo thứ tự R0 đến R31 Chúng chia thành phần, phần bao gồm ghi từ R0 đến R15 phần ghi R16 đến R31 Các ghi có đặc điểm sau:  Được truy cập trực tiếp instruction  Các toán tử, phép toán thực ghi cần chu kỳ xung clock  Register File kết nối trực tiếp với xử lí trung tâm – CPU chip  Chúng nguồn chứa số hạng phép toán đích chứa kết trả lại phép toán   Phần 2: phần nằm sau register file, phần bao gồm 64 ghi gọi 64 ghi nhập/xuất (64 I/O register) hay gọi vùng nhớ I/O (I/O Memory) Vùng nhớ I/O cửa ngõ giao tiếp CPU thiết bị ngoại vi Tất ghi điều khiển, trạng thái…của thiết bị ngoại vi nằm Vùng nhớ I/O truy cập SRAM hay ghi I/O Nếu sử dụng instruction truy xuất SRAM để truy xuất vùng nhớ địa chúng tính từ 0x0020 đến 0x005F Nhưng truy xuất ghi I/O địa chúng đựơc tính từ 0x0000 đến 0x003F      Phần 3: RAM tĩnh, nội (internal SRAM), vùng khơng gian cho chứa biến (tạm thời tồn cục) lúc thực thi chương trình, vùng tương tự RAM máy tính có dung lượng nhỏ (khoảng vài KB, tùy thuộc vào loại chip) 37 Chương Cấu trúc mạch đo lựa chọn thiết bị      Phần 4: RAM ngoại (external SRAM), chip AVR cho phép người sử dụng gắn thêm nhớ để chứa biến, vùng thực chất tồn người sử dụng gắn thêm nhớ vào chip      Phần 5: EEPROM (Electrically Ereasable Programmable ROM) phần quan trọng chip AVR mới, ROM nên nhớ khơng bị xóa khơng cung cấp nguồn ni cho chip, thích hợp cho ứng dụng lưu trữ liệu Phần nhớ EEPROM tách riêng có địa tính từ 0x0000  AVR có ưu điểm hầu hết instruction thực thi chu kỳ xung clock, nguồn clock lớn cho AVR nhỏ số vi điều khiển khác PIC thời gian thực thi nhanh Một số chip AVR thông dụng: AT90S1200 AT90S2313 AT90S2323 and AT90S2343 AT90S4434 and AT90S8535 ATtiny28 ATmega8/8515/8535 ATmega16 ATmega32 AT86RF401 10    Trong đồ án chúng em sử dụng chip ATmega8 để làm, loại chip thuộc dịng AVR nhất, có đầy đủ tính AVR lại nhỏ gọn 2.1.2 Chíp AT mega 37 Chương Cấu trúc mạch đo lựa chọn thiết bị a) Tính  Hiệu cao, AVR cơng suất thấp 8-bit vi điều khiển  Advanced RISC Kiến trúc - Hồn tồn hoạt động tĩnh - Tính đến 16 MIPS sản lượng 16 MHz - On-chip chu kỳ Nhân - Bytes 8K hệ thống tự lập trình Flash - Sức chịu đựng: 10.000 Viết / Xoá bỏ chu kỳ - Tùy chọn Bộ Luật khởi động với Bit Khóa độc lập - 512 Bytes EEPROM - Sức chịu đựng: 100.000 Viết / Xoá bỏ chu kỳ - 1K Byte nội SRAM - Lập trình Khóa cho phần mềm bảo mật b) Các tính ngoại vi - Hai 8-bit Timer / đếm với Prescaler riêng biệt, so sánh chế độ - Một 16-bit Timer / Counter với Prescaler riêng biệt, so sánh chế độ, Capture - Thời gian thực truy cập với dao động riêng - Ba PWM kênh - Tám kênh ADC TQFP gói MLF - Sáu kênh 10-bit Độ xác - Hai kênh 8-bit Độ xác - Sáu kênh ADC gói PDIP - Byte định hướng hai dây Giao diện nối tiếp 37