Thiết Kế Module Đo Và Chỉ Thị Nhiệt Độ Trên Lcd Sử Dụng Cảm Biến Nhiệt Điện Trở Hoặc Nhiệt Ngẫu.docx

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TÌM HIỂU VỀ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 Phương pháp đo nhiệt độ 1.2 Lựa chọn phương pháp đo CHƯƠNG LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MẠCH .8 2.1 Lựa chọn thiết bị 2.3 Sơ đồ nguyên lí mạch nhiệt điện trở 17 2.4 Sơ đồ mô Proteus .18 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM VÀ MÔ PHỎNG 19 3.1 Sơ đồ thuật toán 19 3.2 Chương trình điều khiển (Phụ lục) .20 3.3 Mô phần mềm Proteus .20 3.4 Mạch thực tế .20 3.5 Đánh giá, kiểm tra 21 KẾT LUẬN 22 LỜI CẢM ƠN 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 TÓM TẮT ĐỒ ÁN .25 PHỤ LỤC 28 PHỤ LỤC 30 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu tạo nhiệt điện trở kim loại Hình 1.2 Cấu tạo nhiệt điện trở bán dẫn Hình 1.3 Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu .6 Hình 1.4 IC cảm biến nhiệt độ LM35, LM335 .7 Hình 2.1 Cảm biến nhiệt điện trở NTC Hình 2.2 LCD 16x2 Hình 2.3 Arduino Uno R3 .12 Hình 2.4 Thơng số chân Arduino Uno R3 13 Hình 2.5 Các chân Digital .14 Hình 2.6 Các chân Analog 15 Hình 2.7 Giao diện Arduino IDE 16 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lí nhiệt điện trở NTC .17 Hình 2.10 Sơ đồ mơ Proteus .18 Hình 3.1 Sơ đồ thuật tốn kết thúc 19 Hình 3.2 Mạch mơ Proteus đo nhiệt độ phịng 20 Hình 3.3: Mạch thực tế đo nhiệt độ phòng 20 DANH MỤC BẢN Bảng 2.1 Thông số chân LCD 16x2 Bảng 2.2 Các lệnh điểu khiển LCD 11 Bảng 2.3 Các nút lệnh menu 16 LỜI NÓI ĐẦU Ngày khoa học công nghệ ngày phát triển, lĩnh vực điều khiển ngày hoàn thiện ứng dụng rộng rãi thiết bị sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt ngày người ti vi, đồng hồ điện tử,… nhằm giúp đời sống ngày đại tiện lợi Đồng thời điều địi hỏi cần phải biết cách sử dụng, nâng cao tiếp thu moi công nghệ từ đơn giản đại nhất, tránh để thụt lùi lạc hậu với xu Đề tài ứng dụng vi điều khiển đời sống thực tế phong phú đa dạng nhằm đáp ứng cho sống tiện nghi người Dựa kiến thức tiếp thu môn học nhà trường: Điện tử tương tự số, vi điều khiển,… với hiểu biết thiết bị điện tử, chúng em định thực đề tài: “ Thiết kế module đo thị nhiệt độ LCD sử dụng cảm biến nhiệt điện trở nhiệt ngẫu” với mục đích để tìm, làm quen thiết bị điện tửvà nâng cao hiểu biết cho Nội dung đồ án gồm chương Chương 1: Tìm hiểu mạch đo nhiệt độ Chương 2: Lựa chọn thiết bị xây dựng sơ đồ mạch Chương 3: Xây dựng phần mềm mô 1.1 CHƯƠNG 1.TÌM HIỂU VỀ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ Phương pháp đo nhiệt độ Nhiệt độ thông số quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính vật chất nên trình kỹ thuật đời sống ngày hay gặp yêu cầu đo nhiệt độ Ngày hầu hết trình sản xuất cơng nghiệp, nhà máy có u cầu đo nhiệt độ Hiện có nhiều nguyên lí cảm biến khác để chế tạo cảm biến nhiệt độ như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phương pháp quang dựa phân bố phổ xạ nhiệt, phương pháp dựa dãn nở vật rắn, lỏng, khí dựa tốc độ âm… Tùy theo nhiệt độ đo dùng phương pháp khác Thông thường nhiệt độ đo chia thành ba dải: nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình cao - Ở dải nhiệt độ thấp trung bình phương pháp đo phương pháp tiếp xúc - Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo phương pháp không tiếp xúc 1.1.1 Đo nhiệt độ phương pháp tiếp xúc Gồm loại: + Đo nhiệt độ nhiệt điện trở + Đo nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu + Đo nhiệt độ cảm biến bán dẫn a Đo nhiệt độ nhiệt điện trở - Cảm biến nhiệt điện trở có loại là: + Nhiệt điện trở kim loại + Nhiệt điện trở bán dẫn * Nhiệt điện trở kim loại (RTD - resitance temperature detector) - Cấu tạo: Hình 1.1 Cấu tạo nhiệt điện trở kim loại Cảm biến nhiệt điện trở kim loại gồm có dây dẫn kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum, … quấn tùy theo hình dáng đầu đo - Nguyên lý hoạt động: Nhiệt độ mơi trường tăng giảm điện trở RTD tăng giảm theo cách tỉ lệ thuận Giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ [1] * Nhiệt điện trở bán dẫn Thermistor (thermal sensitive resitor) - Cấu tạo Vỏ bọc Điện trở Dây nối Hình 1.2 Cấu tạo nhiệt điện trở bán dẫn - Nguyên lý hoạt động: Điện trở có giá trị thay đổi theo nhiệt độ Trong đó: A: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý chất bán dẫn, kích thước hình dạng vật β: Hằng số chất phụ thuộc vào tính chất vật lý chất bán dẫn T: Nhiệt độ Kenvin nhiệt điện trở b Đo nhiệt độ cặp nhiệt ngẫu - Cấu tạo Hình 1.3 Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu - Nguyên lý hoạt Cặp nhiệt điện cảm biến đo nhiệt độ, chuyển tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp dựa tượng nhiệt điện Hiện tượng sau: Nếu lấy hai dây dẫn có chất kim loại khác nối chặt lại với hai đầu đốt nóng đầu vịng dây xuất dịng điện gây sức điện động nhiệt điện Dòng điện gọi dòng điện nhiệt [1] c Đo nhiệt độ cảm biến bán dẫn - Cấu tạo: Cảm biến nhiệt bán dẫn loại cảm biến chế tạo từ chất bán dẫn Có loại Diode, Transistor, IC - Nguyên lý hoạt động Nguyên lý chúng dựa mức độ phân cực lớp PN tuyến tính với nhiệt độ môi trường Ngày với phát triển ngành công nghệ bán dẫn cho đời nhiều loại cảm biến nhiệt với tích hợp nhiều ưu điểm: Độ xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẻ tiền,… [1] Hình 1.4 IC cảm biến nhiệt độ LM35, LM335 1.1.2 Đo nhiệt độ phương pháp không tiếp xúc Phương pháp đo không tiếp xúc: Dụng cụ đặt ngồi mơi trường đo Đây phương pháp dựa định luật xạ vật đen tuyệt đối, tức vật hấp thụ lượng theo hướng với khả lớn [1] Gồm loại: + Hoả quang kế phát xạ + Hoả quang kế cường độ sáng + Hoả quang kế màu sắc 1.2 Lựa chọn phương pháp đo Nhiệt điện trở NTC điện trở có hệ số nhiệt độ âm phạm vi nhiệt độ hoạt động NTC dao động khoảng từ −55 ° C đến 200 ° C Kích thước nhỏ gọn, có độ bền cao dễ chế tạo - Độ nhạy nhiệt độ điện trở nhiệt gấp khoảng năm lần so với cảm biến nhiệt độ silicon khoảng mười lần so với nhiệt điện trở RTD =>Vì ưu điểm ta sử dụng phương pháp đo nhiệt độ nhiệt điện trở NTC CHƯƠNG 2.LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MẠCH 2.1 Lựa chọn thiết bị - Cảm biến đo nhiệt độ: Cảm biến nhiệt điện trở NTC Hình 2.1 Cảm biến nhiệt điện trở NTC - Cấu tạo: Cảm biến nhiệt điện trở NTC cấu tạo từ hỗn hợp bột oxit kim loại mangan, nickel, cobalt, … Các bột hòa trộn theo tỉ lệ khối lượng định sau nén chặt nung nhiệt độ cao Và mức độ dẫn điện hổn hợp thay đổi nhiệt độ thay đổi Kích thước hình dạng điện trở nhiệt phụ thuộc vào mục đích sử dụng kết cấu mạch 2.1.1 Nguyên lý hoạt động Khi nhiệt độ tăng giảm trở kháng NTC thay đổi theo công thức: ΔR=k ΔtR=k ΔR=k Δtt (2.1) Trong đó:  ΔR=k ΔtR thay đổi trở kháng  ΔR=k Δtt thay đổi nhiệt độ  k hệ số nhiệt điện trở (Với điện trở NTC, điện trở giảm theo nhiệt độ, hệ số k có giá trị âm) 2.1.2 Ứng dụng Đo nhiệt độ môi trường xung quanh với độ nhạy cực cao, giúp phát thay đổi nhiệt độ môi trường, cảm biến tương thích với hầu hết board vi điều khiển Arduino Điện trở nhiệt NTC dùng để làm bảo vệ, ngắt nhiệt Chúng sử dụng nhiều bảng mạch điện tử Trong thực tế, bảng mạch cịn cảm ứng nhiệt nồi cơm, máy điều hòa nhiệt độ hay cảm ứng tủ lạnh Đồng thời, điện trở nhiệt NTC dùng để làm làm cảm ứng nhiệt máy móc thiết bị Đồng thời kiểm sốt nhiệt độ kiểm tra thiết bị gia đình Trong số đó, bật việc sử dụng điện trở nhiệt phòng nhà bếp cảm ứng, lò điện, bể khử trùng, lị vi sóng, lị nướng, ấm đun điện… 2.2 LCD 16x2 Arduino 2.2.1 Đặc điểm LCD 16x2 LCD kiểu hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị thông tin dạng ký tự bảng mã ASCII LCD 16x2 loại LCD phổ biến, có khả hiển thị dịng dịng 16 ký tự Hình 2.2 LCD 16x2 LCD 16x2 gồm có 16 chân tín hiệu Các chân tín hiệu mơ tả bảng sau: Bảng 2.1 Thông số chân LCD 16x2 Số Tên Chức Vss Chân cấp 0V Vcc +5V (nguồn cấp) Vo Điều chỉnh độ tương phản RS Chọn ghi liệu (1)/ lệnh (0) R/W Điều khiển trình đọc (1)/ ghi (0) E D0 Chân vào/ liệu D0 D1 Chân vào/ liệu D1 D2 Chân vào/ liệu D2 10 D3 Chân vào/ liệu D3 11 D4 Chân vào/ liệu D4 12 D5 Chân vào/ liệu D5 13 D6 Chân vào/ liệu D6 14 D7 Chân vào/ liệu D7 chân 15,16 A, K Chân chốt liệu cho LCD (Enable) Anode Cathode đèn 2.2.2 Nguyên lý hoạt động LCD16x2 LCD 16x2 tích hợp sẵn font chữ tiêu chuẩn (5x10 5x7) nhớ cần hiển thị ký tự lên LCD cần gửi mã ASCII ký tự tới bus liệu (D0 D7) Các ký tự gửi xuống LCD lưu nhớ DDAM (Display DRAM) thiết bị 10 a Giao diện làm việc Arduino IDE Hình 2.7 Giao diện Arduino IDE Vùng lệnh Bao gồm nút lệnh menu (File, Edit, Tools, Help) Phía icon cho phép sử dụng nhanh chức thường dùng IDE miêu tả sau: Bảng 2.3 Các nút lệnh menu Icon Chức Biên dịch chương trình soạn thảo để kiểm tra lỗi lập trình Biên dịch upload chương trình soạn thảo Mở trang soạn thảo Mở chương trình lưu Lưu chương trình soạn Mở cửa sổ Serial Monitor để gửi nhận liệu máy tính board Arduino 16 Vùng thơng báo Hình 2.8 Vùng thơng báo b Ứng dụng Lập trình cho thiết bị điện tử phục vụ đời sống robot, máy bay không người lái, game, lập trình cho hệ thống đèn giao thơng, … 2.3 Sơ đồ ngun lí mạch nhiệt điện trở Hình 2.9 Sơ đồ ngun lí nhiệt điện trở NTC - Giải thích: Ta dựa vào thay đổi nhiệt điện trở NTC theo nhiệt độ Trong mạch này, chân analog A0 Arduino kết nối với nhiệt điện trở cung cấp giá trị ADC, điện trở nhiệt điện trở khơng tính trực tiếp Vì vậy, mạch tạo giống mạch phân áp hình trên, cách mắc nối tiếp điện trở biết 10k ohm với NTC Sử dụng chia điện áp này, Arduino nhận điện áp chân A0, suy điện trở NTC thời điểm Và cuối nhận giá trị nhiệt độ cách đặt điện trở nhiệt điện trở phương trình Stein-Hart: = A+ B ln ( Rt )+ C (ln ( R t ) )3 T (2.2) 17 Trong đó: Rt điện trở nhiệt T (Kelvin) A, B, C số nhiệt điện trở Giá trị nhiệt độ tính hiển thị lên LCD thông qua Arduino [3] 2.4 Sơ đồ mơ Proteus Hình 2.10 Sơ đồ mơ Proteus 18 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM VÀ MƠ PHỎNG 3.1 Sơ đồ thuật tốn Bắt đầu Khai báo thư viện LiquidCrystal.h Khai báo chân kết nối với LCD Khai báo LCD 16x2 Đọc giá trị chân A0 (0-1023) Chuyển đổi sang mức điện áp 0-5V Chuyển đổi điện áp sang điện trở Chuyển đổi giá trị điện trở sang nhiệt độ Đưa trỏ vị trí hàng 0, cột In giá trị nhiệt độn LCD "T=" Đưa trỏ vị trí hàng 8, cột In giá trị làm trịn nhiệt độ "=" Đưa trỏ vị trí hàng 12, cột In "oC" Đưa trỏ vị trí hàng 0, cột In giá trị điện trở "R=" Hình 3.1 Sơ đồ thuật tốn kết thúc 19 3.2 Chương trình điều khiển (Phụ lục) 3.3 Mơ phần mềm Proteus Hình 3.2 Mạch mơ Proteus đo nhiệt độ phịng 3.4 Mạch thực tế Hình 3.3: Mạch thực tế đo nhiệt độ phòng 20