Báo cáo đồ án i đề tài phát triển thiết bị đo lcr bằng mạch stm32

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRƯỜNG ĐIỆN- ĐIỆN TỬ ***** BÁO CÁO ĐỒ ÁN I Đề tài: Phát triển thiết bị đo LCR mạch STM32 Họ Tên Nguyễn Đình Chiến MSSV 20202077 Mã học phần: Giảng viên hướng dẫn: Lớp KT Điện 02 K65 EE3810 – 731735 TS Phùng Anh Tuấn Hà Nội, 06/2023 MỤC LỤC MỤC LỤC MỤC LỤC ẢNH MỤC LỤC BẢNG LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN BÀI TOÁN 1.1 Tổng quan toán 1.2 Yêu cầu toán CHƯƠNG LỰA CHỌN PHẦN CỨNG 2.1 Module đọc ADC 2.1.1 Tổng quan module ADS1115 2.1.2 Chức module ADS1115 2.1.3 Sơ đồ khối chức ADS1115 2.2 Màn hình LCD 1602 2.3 Nguồn 2.4 Lõi xử lý STM32F103C8T6 2.5 Module relay CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 3.1 Thiết kế nguyên lý 3.1.1 Khối nguồn 3.1.2 Khối vi điều khiển 3.1.3 Khối hình 3.1.4 Khối ADC 3.1.5 Mạch đo điện trở 3.1.5.1 Phương pháp đo 3.1.5.2 Mô tả phương pháp đo 3.1.5.3 Sai số 3.1.6 Mạch đo tụ điện 3.1.6.1 Phương pháp đo 3.1.6.2 Mô tả cách đo 3.1.7 Mạch đo cuộn cảm 3.1.7.1 Phương pháp đo 3.1.7.2 Mô tả cách đo 3.1.8 Khối relay 3.2 Thiết kế PCB MỤC LỤC ẢNH Hình 2-1 Module ADC ADS 1115 16 bit Hình 2-2 Sơ đồ khối chứng ADC ADS1115 Hình 2-3 Màn hình LCD 1602 Hình 2-4 Pin lion 18650 Hình 2-5 Kit phát triển STM32F103C8T6 Blue Pill Corte-M3 Hình 2-6 Module relay kênh với Opto cách ly Hình 3-1 Sơ đồ khối tổng quan thiết bị Hình 3-2 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn Hình 3-3 Khối vi điều khiển Hình 3-4 Hình ảnh hình LCD kèm với module I2C Hình 3-5 Sơ đồ nguyên lý module ADS 1115 Hình 3-6 Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện trở Hình 3-7 Đồ thị đường cong điện áp tụ theo thời gian mạch RC Hình 3-8 Sơ đồ nguyên lý nạp điện cho tụ Hình 3-9 Sơ đồ nguyên lý mạch đo tụ điện Hình 3-10 Dạng sóng cộng hưởng mạch LC Hình 3-11 Hình ảnh sóng chuyển đổi qua so sánh Hình 3-12 Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện cảm Hình 3-13 Hình ảnh khối relay kênh Hình 3-14 Hình PCB 3D MỤC LỤC BẢNG LỜI NÓI ĐẦU Đồ án I có mục tiêu phát triển mạch đo LCR Arduino/STM32 Thiết bị sử dụng module đọc ADC ADS1115 với độ phân giải 16 bit cho kết có độ xác cao sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 phổ biến , giá thành rẻ có khả chống nhiễu tốt so với vi điều khiển khác tầm giá.Về phần cấp nguồn sử dụng cell pin 18650 có khả sạc lại hết pin giúp có tính di động cao.Thiết bị có sử dụng hình hiển thị LCD giúp thị chế độ đo hiển thị kết đo Phần báo cáo chia làm chương bao gồm: - CHƯƠNG LỰA CHỌN PHẦN CỨNG - - CHƯƠNG TỔNG QUAN BÀI TOÁN - CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG - CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN MỀM CHƯƠNG KIỂM NGHIỆM ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT QUẢ Em xin cam đoan nội dung báo cáo hoàn toàn em tự tìm hiểu xây dựng Em hồn tồn chịu trách nghiệm nội dung báo cáo Chữ ký giáo viên hướng dẫn Chữ ký sinh viên thực Nguyễn Đình Chiến CHƯƠNG TỔNG QUAN BÀI TỐN 1.1 Tổng quan tốn Bài tốn tiếp cận phát triển thiết bị đo LCR dùng vi điều khiển STM32 LCR viết tắt thông số quan trọng cần đo : tụ điện (C) , điện trở ( R ) cuộn cảm ( L ).Thiết bị dùng để kiểm tra giá trị tụ điện, cuộn cảm , điện trở mạch điện tử Mục tiêu thiết kế thiết bị đo LCR có khả đo xác sai số thấp 1.2 Yêu cầu tốn Sau tìm hiểu sản phẩm thị trường nguyên lý hoạt động chức thường có, phân tích điểm mạnh, điểm yếu sản phẩm, phương pháp ứng dụng, u cầu tốn tóm gọn lại sau: Sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 Đo điện trở Đo cuộn cảm Đo tụ điện Nguồn sử dụng pin có khả sạc lại Có hình hiển thị Mạch điện đóng gói hộp nhựa CHƯƠNG LỰA CHỌN PHẦN CỨNG 2.1 Module đọc ADC Hình 0-1 Module ADC ADS1115 16bit 2.1.1 Tổng quan module ADS1115 ADS1115 module chuyển đổi ADC với độ phân giải 16-bit, tiêu thụ điện thấp hoạt động dải điện áp từ 2.0-5.5V Bộ tạo dao động IC ADS1115 giao tiếp với vi điều khiển giao thức truyền thơng I2C Nó có khuếch đại tùy chỉnh lên đến x16, giúp khuếch đại tín hiệu yếu giá trị chênh lệch tín hiệu Thơng số kỹ thuật module ADS1115: ✓ Dải điện áp cấp từ 2-5.5V ✓ ADC 16 bit ✓ Tiêu thụ dòng điện liên tục: 150uA ✓ Hỗ trợ giao thức truyền thông I2C ✓ Bộ dao động bên ✓ Tốc độ liệu tùy chỉnh từ 8SPS đến 860SPS (Sample/second) ✓ Tốc độ lấy mẫu tín hiệu 860 (mẫu/giây) với giao thức I2C 2.1.2 Chức module ADC ADS1115 Tất vi điều khiển có ADC (bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang digital) vi điều khiển hiểu tín hiệu digital Vì vậy, để chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu digital để MCU đọc được, cần phải có ADC Bộ ADC có vi điều khiển khơng xác có độ phân giải khơng tốt, may mắn mở rộng theo ý muốn Lúc module ADS1115 phát huy tác dụng Ví dụ: STM32 có ADC 12 bit cấp đầu analog có giá trị từ đến 4095 Sử dụng ADC có độ phân giải cao, ADS1115 16 bit mở rộng phạm vi đọc liệu analog với độ xác cao có thang đo lên đến 65536 (khoảng 65000) Có nghĩa là, tín hiệu đầu vào mức nhỏ, xuất kết xác 2.1.3 Sơ đồ khối chức ADC ADS1115 Hình 0-2 Sơ đồ khối chức ADC ADS1115 Các đầu vào analog đưa đến ghép kênh (Multiplexer), sau đưa đến khuếch đại khuếch đại, để khuếch đại tín hiệu đầu vào Tín hiệu khuếch đại chuyển đến ADC 16 bit có đầu cấp cho vi điều khiển thơng qua giao thức I2C 2.2 Màn hình LCD 1602 Hình 0-3 Màn hình LCD 1602 Màn hình LCD 1602 xanh sử dụng driver HD44780, có khả hiển thị dòng với dòng 16 ký tự, hình có độ bền cao, phổ biến, nhiều code mẫu dễ dàng sử dụng kèm mạch chuyển tiếp I2C giúp tiết kiệm chân I/O vi điều khiển Thông số kỹ thuật hình LCD 1602: ✓ Điện áp hoạt động 5V ✓ Kích thước: 80 x 36 x 12.5mm ✓ Chữ trắng, xanh dương ✓ Khoảng cách hai chân kết nối 2.54mm tiện dụng kết nối với Breadboard ✓ Tên chân ghi mặt sau hình LCD hổ trợ việc kết nối, dây điện ✓ Có đèn led nền, dùng biến trở PWM điều chỉnh độ sáng để sử dụng điện ✓ Có thể điều khiển với dây tín hiệu ✓ Có ký tự xây dựng hỗ trợ tiếng Anh 2.3 Nguồn Hình 2-4 Pin lion 18650 Để thiết bị có tính di động ta sử dụng pin làm nguồn cung cấp cho mạch.Ở ta sử dụng cell pin lion 18650 cho điện áp 8.4V đầy ( cell 4.2V).Đây dòng pin phổ biến thị trường, kích thước phù hợp, có khả sạc lại nhiều lần Hầu hết thành phần mạch sử dụng điện áp 5V nên ta cần sử dụng mạch ổn áp sử dụng IC LM7805 để cung cấp điện áp ổn định 5V cho mạch 2.4 Lõi xử lý STM32F103C8T6 Với yêu cầu đưa bên module thành phần lựa chọn, ta cần chọn vi điều khiển phù hợp để điều khiển giao tiếp với toàn thành phần thiết bị đo Ta chọn vi điều khiển STM32F103C8T6.Để tiện lợi cho việc gia cơng phần cứng ta sử dụng kit STM32 Blue Pill tích hợp vi điều khiển STM32F103C8T6 Kit phát triển STM32F103C8T6 Blue Pill ARM Cortex-M3 loại sử dụng để nghiên cứu ARM nhiều có mức giá rẻ đồng thời nạp bootloader Blue Pill để giao tiếp lập trình với phần mềm Arduino cách dễ dàng, kit có chất lượng gia cơng tốt, độ bền cao 10 Hình 2-5 Kit phát triển STM32F103C8T6 Blue Pill ARM Cortex-M3 Thông số kỹ thuật kit STM32 Blue Pill: ✓ Vi điều khiển: STM32F103C8T6 ✓ Điện áp cấp 5VDC qua cổng Micro USB chuyển đổi thành 3.3VDC qua IC nguồn cấp cho Vi điều khiển ✓ Tích hợp sẵn thạch anh 8Mhz ✓ Tích hợp sẵn thạnh anh 32Khz cho ứng dụng RTC ✓ Ra chân đầy đủ tất GPIO giao tiếp: CAN, I2C, SPI, UART, USB, ✓ Tích hợp Led trạng thái nguồn, Led PC13, Nút Reset ✓ Kích thước: 53.34 x 15.24mm 2.5 Module Relay Để chuyển sang chế đo linh kiện khác sử dụng cặp đầu đo ta sử dụng relay để chuyển đổi đầu đo mạch đo khác 11 Hình 2-6 Module relay với Opto cách ly CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 3.1 Thiết kế nguyên lý Từ khối thành phần lựa chọn, hệ thống mơ tả sơ đồ khối tổng quan hình đây: Hình 3-1 Sơ đồ khối tổng quan thiết bị 12 3.1.1.Khối nguồn Hình 3-2 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn Khối nguồn xem khối quan trọng toàn thiết bị Khối nguồn cần cho điện áp ổn định gợn sóng ảnh hưởng đến độ xác khối ADC từ ảnh hưởng đến kết đo Khối nguồn sử dụng IC ổn áp LM7805 giúp ổn định biến đổi điện áp từ cell pin lion 18650 với điện áp 7.2v sang điện áp 5V cung cấp cho MCU khối mạch đo 3.1.2 Khối vi điều khiển Hình 3-3 Khối vi điều khiển 13 Khối vi điều khiển sử dụng thiết kế sẵn board phát triển STM32 Blue Pill.Thạch anh cho vi điều khiển có tần số 8MHZ,các chân để nạp code cho vi điều khiển đưa hàng jump 3.1.3 Khối hình Khối hình sử dụng hình LCD 1602 kèm với module chuyển đổi I2C giúp giao tiếp với vi điều khiển cách dễ ràng đồng thời giúp tiết kiệm chân vi điều khiển ( giao tiếp với hình sử dụng chân vi điều khiển ) Hình 3-4 Hình ảnh hình LCD kèm với module I2C 3.1.4.Khối ADC Hình 3-5 Sơ đồ nguyên lý module ADC ADS1115 Khối ADC sử dụng board mạch thiết kế sẵn.Module có kênh đọc ADC với độ phân giải 16bit cho kết đo xác so với sử dụng ADC tích hợp vi điều khiển.Khối ADC giao tiếp với vi điều khiển giao thức I2C 3.1.5 Mạch đo điện trở 3.1.5.1.Phương pháp đo 14 Cách đơn giản để đo điện trở sử dụng chia điện áp điện trở hình minh họa bên Hình 3-6 Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện trở Sau sử dụng chuyển đổi tương tự sang số (ADC) để vi điều khiển hiểu được.Chúng ta sử dụng chuyển ADC tích hợp sẵn vi điều khiển Mặc dù có dịng dị 𝐼𝐿 vào đầu vào ADC chấp nhận ảnh hưởng không đáng kể (do điện trở đầu vào ADC lớn tiến tới vô cùng) VREF RREF biết, dễ dàng tính điện áp đầu vào VIN ADC: 𝑉𝑖𝑛 = 𝑅 𝑉 𝑅+𝑅𝑅𝐸𝐹 𝑅𝐸𝐹 (1) Đầu ADC nhận giá trị N khác tùy thuộc vào độ phân giải ADC, ADC 10 bit 𝑁 = 210 = 1024 điện áp đầu tính: 𝑉𝐼𝑁 = 𝑥 𝑉 𝑁 𝑅𝐸𝐹 (2) Trong x giá trị đầu ADC ( nằm khoảng từ → N-1 ) Từ ta tính giá trị điện trở R : 𝑅 = 𝑅𝑅𝐸𝐹 𝑥 𝑁−𝑥 (3) Giá trị R không phụ thuộc vào 𝑉𝑅𝐸𝐹 độ xác 𝑉𝑅𝐸𝐹 khơng đáng quan trọng Mặc dù nên cấp nguồn riêng biệt cho ADC thay sử dụng chung với nguồn hệ thống để tránh tín hiệu gây nhiễu khơng đáng có 3.1.5.2 Mơ tả phương pháp đo 15 Đầu tiên sử dụng ADC tích hợp sẵn vi điều khiển để đọc giá trị ,sau sử dụng cơng thức số (3) để tính giá trị điện trở R Hiển thị kết lên hình LCD thơng qua giao tiếp I2C với vi điều khiển 3.1.5.3.Sai số 𝑅𝑅𝐸𝐹 𝑥 Ta có : 𝑅 = 𝑁−𝑥 Lấy logarit tự nhiên vi phân vế : 𝑑(𝑙𝑛𝑅) = 𝑑(ln(𝑅𝑅𝐸𝐹 𝑥) − ln(𝑁 − 𝑥)) 𝑑𝑅 𝑑𝑅 𝑑𝑥 𝑑(𝑁−𝑥) = 𝑅𝐸𝐹 + − = 𝑅 𝑑𝑅𝑅𝐸𝐹 𝑅𝑅𝐸𝐹 + 𝑅𝑅𝐸𝐹 𝑥 𝑁−𝑥 𝑑𝑥 𝑑𝑁 𝑑𝑥 𝑥 − 𝑁−𝑥 + 𝑁−𝑥 Δ𝑅 Sai số điện trở đo : 𝛿 = R = = →𝛿 = ∆𝑅𝑅𝐸𝐹 𝑅𝑅𝐸𝐹 + ∆𝑥 𝑁 𝑥(𝑁−𝑥) Δ𝑅𝑟𝑒𝑓 Rref Δ𝑅𝑟𝑒𝑓 Rref + + Δ𝑥 + Δ𝑁 + Δ𝑥 x N-x N-x Δ𝑥⋅𝑁 Δ𝑁 x⋅(N-x) + N-x (∆𝑁 = 0) 3.1.6.Mạch đo tụ điện 3.1.6.1 Phương pháp đo Dựa đường đặc tính nạp tụ điện thời điểm 𝜏 ( số thời gian mạch RC ) tính từ lúc tụ xả hoàn toàn tới giá trị 0.632Vc Hằng số thời gian RC đặc trưng cho khả nạp xả nhanh hay chậm mạch điện RC 𝜏 = 𝑅 𝐶 Với R điện trở Ω, C điện dung F 16 Hình 3-7 Đồ thị đường cong nạp điện tụ theo thời gian mạch RC Hình 3-8 Sơ đồ nguyên lý nạp điện cho tụ Với cơng tắc vị trí S2, điện trở-tụ điện nối với khơng kết nối với nguồn cung cấp điện áp VS Kết dịng điện chạy quanh mạch khơng nên I= tụ điện xả hoàn toàn qua điện trở R nên VC = Khi công tắc S1 ban đầu đóng t = 0, cường độ dịng điện chạy quanh mạch kín có giá trị xấp xỉ 𝑉𝑅 𝑅 VC = 0V Sau đó, điện áp tụ điện bắt đầu tăng dần dòng điện mạch bắt đầu giảm với tốc độ xác định số thời gian Khi cơng tắc chuyển sang vị trí S1, dịng điện 𝑖(𝑡) từ nguồn 𝑉𝑠 qua điện trở R nạp cho tụ điện C Từ ta có : 𝑉𝑠 = 𝑉𝑅 + 𝑉𝐶 (1) 𝑑𝑉𝑠  𝑉𝑠 = 𝑖 𝑅 + 𝑉𝐶 = 𝐶 𝑅 + 𝑉𝐶 (2)  −𝑑𝑉𝑠 𝑉𝑠−𝑉𝐶 = 𝑑𝑡 −𝑑𝑡 𝑅𝐶 Tích phân hai vế ta được: 𝑉𝑠−𝑉𝑐 𝑡 ln ( =− ) 𝑉𝑠 𝑅𝐶 (3) 𝒕 𝑽𝑪 (𝒕) = 𝑽𝒔 (𝟏 − 𝒆−𝑹𝑪 ) (4) Với điện trở biết giá trị tụ điện chưa biết cần đo Vi điều khiển đo điện áp tụ điện ghi lại thời gian cần thiết để đạt 50% điện áp tụ sạc đầy (hằng số thời gian) Sau sử dụng cơng thức để tính giá trị tụ điện C Nếu giá trị R, Vs ∆𝑡 (thời gian sạc 𝑉𝑐 𝑡ừ 0𝑉𝑠 đế𝑛 0.5𝑉𝑠 ) tính điện dung tụ điện −𝑡 𝑒 𝑅𝐶 = 𝑉𝑠 −𝑉𝐶 (𝑡) (5) 𝑉𝑠 17 𝑣𝑠 −0,5𝑣5 ó − 𝑡 = 𝑅𝐶 ln ( ó 𝐶𝑋 = 𝛥𝑡 𝑣𝑠 0,6931471∗𝑅𝐶𝐻𝐺 ) = −0.6931471 ∗ 𝑅𝐶 (6) (Fara) (7) 3.1.6.2.Mô tả cách đo STM32F103C8T6 Hình 3-9 Sơ đồ nguyên lý mạch đo tụ điện Trước sạc điện áp tụ Cx xả thông qua điện trở 𝑅𝐷𝐼𝑆𝐶𝐻𝐴𝑅𝐺𝐸 cách nối với GND thông qua chân D6 𝐶𝑋 sạc thông qua 𝑅𝐶𝐻𝐴𝑅𝐺𝐸 cách nối với điện áp 3,3V chân D7.Thời gian sạc tính timer vi điều khiển Và giá trị điện dung tính thơng qua phương trình số (7) Cụ thể : 1.Xả tụ 𝐶𝑋 để V𝐶𝑋 = 0v 2.Sạc tụ 𝐶𝑋 xác định thời điểm t1 3.Dừng sạc 𝐶𝑋 V𝐶𝑋 = 0.5Vs(để kiểm tra giá trị điện áp ta sử dụng ADC tích hợp vi điều khiển ) 4.Xác định thời điểm t2 5.Tính tốn ∆𝑡 = 𝑡2 − 𝑡1 tính 𝐶𝑋 phương trình số (7) 6.Hiển thị kết lên hình LCD thơng qua giao thức I2C với vi điều khiển 7.Lặp lại bước 3.1.7 Mạch đo cuộn cảm 3.1.7.1 Phương pháp đo Sử dụng cuộn cảm mắc song song với tụ điện gọi mạch LC.Khi cấp xung khởi động ban đầu có điện áp V cho dao động Tần số dao động không đổi dù biên độ có tắt dần hay khơng 18 Ban đầu cấp nguồn cho mạch LC, đợi chút để mạch cộng hưởng ổn định, sau tiến hành đo Với mạch lý tưởng, nội trở mạch dao động vĩnh cửu, nhiên thực tế ln có điện trở dù thấp chứa dây dẫn Trong cuộn cảm vật liệu làm chân linh kiện nên thực mạch RLC dao động mạch tắt dần Hình 3- 10 Dạng sóng cộng hưởng mạch LC Sau sử dụng so sánh LM339 để chuyển đổi tín hiệu sóng hình sine mạch dao động LC sang dạng sóng hình vng Ngay điện áp mạch LC trở nên dương (sóng sine đầu vào nửa chu kỳ dương) đầu thả nổi, kéo lên mức cao điện trở pullup Khi điện áp mạch LC chuyển sang nửa chu kỳ âm hình sine LM339 kéo đầu xuống GND Hình 3-11 Hình ảnh sóng chuyển đổi qua so sánh 19 3.1.7.2 Mô tả cách đo Đầu tiên sử dụng vi điều khiển cấp xung mức cao(có điện áp V) cho mạch LC hoạt động, sau mạch LC tự dao động Qua so sánh thu sóng vng Sử dụng timer vi điều khiển để đo chu kỳ xung từ suy tần số cộng hưởng mạch LC Ta có cơng thức tính tần số cộng hưởng mạch LC: 𝑓= 2𝜋√𝐿𝐶 Từ suy giá trị : 𝐿 = 2 4𝑐𝑓 𝜋 Sau hiển thị giá trị L lên hình LCD thơng qua giao tiếp I2C với vi điều khiển Hình 3-12 Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện cảm 3.1.8 Khối relay Thay sử dụng cặp đầu đo cho thông số L,R,C cần đo ta sử dụng relay để chuyển đổi mạch đo với Khi sử dụng cặp đầu đo 20 Hình 3-13 Hình ảnh khối relay kênh 3.2 Thiết kế PCB Mạch PCB phải thiết kế theo quy tắc chuẩn dây linh kiện điện tử, linh kiện đặt hợp lý, gọn gàng.Đặc biệt đường dây tín hiệu analog phải đặt cho khơng có đường tín hiệu digital qua tránh gây nhiễu ảnh hưởng đến kết đo 3.2.1 Mạch PCB 3D 21 Hình 3-14 Mạch PCB 3D CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN MỀM 4.1 Cấu hình vi điều khiển ngoại vi Phần mềm thiết bị cấu hình phần mềm STM32CubeMX cung cấp hãng ST chuyên sử dụng để cấu hình cho dòng chip STM32 Trong giao diện phần mềm có sẵn chức năng, sơ đồ chân chip khiến cho việc chuẩn bị cho trình lập trình code diễn nhanh chóng đơn giản 22