Tiểu luận thiết kế hệ thống đo nhiệt độ phòng

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ

HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Sơ đồ nguyên lý sản phẩm Cơ điện tử tổng hợp các mô đun cấu thành, thể hiện sự tích hợp và ghép nối giữa các thành phần Sơ đồ này có thể được biểu diễn dưới dạng khối, giúp người xem dễ dàng nhận biết cấu trúc và chức năng của từng phần trong sản phẩm.

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống Cơ điện tử

Trong đó ý nghĩa các khối được như sau:

- Phần công tác: là bộ phận phần trực tiếp tạo ra các thao tác công nghệ

- Đo lường: là modul kết nối đối tượng với bộ điều khiển, nó tạo tín hiệu phản hồi làm đầu vào cho bộ điều khiển.

- Mô hình hóa: là modul tạo tín hiệu đặt cho bộ điều khiển Xác định các thông

Tiểu luận Kinh tế quản lý

Bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ chương trình điều khiển và phát tín hiệu trực tiếp tới khâu chấp hành Điều này giúp điều chỉnh năng lượng cho phần công tác, đảm bảo rằng quá trình thực hiện đúng theo quy trình công nghệ mong muốn.

- Cơ cấu chấp hành (CCCH): là modul tạo nguồn động lực cho phần công tác, nó nhận lệnh điều khiển trực tiếp từ bộ điều khiển.

- DSP (Digital Signal Processing): Khối xử lý tín hiệu số.

Qua sơ đồ, chúng ta thấy rằng từ Phần công tác (bao gồm điện, hệ cơ học, máy công cụ, tay máy,…) có thể thiết lập phương trình toán mô tả hoạt động của đối tượng thông qua việc xem xét cấu trúc và các mối quan hệ động lực học nội tại Phương trình này cho phép xác định các yếu tố động lực học cần thiết để đảm bảo đầu ra đúng theo ý đồ công nghệ Các thông số động lực học này được lưu trữ trong Bộ điều khiển dưới dạng tín hiệu đặt để hiệu chỉnh hệ thống Khi đối tượng hoạt động, tín hiệu ra được giám sát bởi các Sensor, thuộc Mô đun đo lường, nhằm thu thập thông tin hoạt động của Phần công tác Tín hiệu thu được thường ở dạng Analog, do đó cần mã hóa và xử lý trước khi đưa vào Bộ điều khiển (hoạt động với tín hiệu Digital) Quá trình này được thực hiện nhờ mô đun xử lý tín hiệu DSP 1, bao gồm các bước chuyển đổi AD (từ tương tự sang số), lọc, và điều chế.

Bộ điều khiển, thông qua việc tích hợp máy tính, mạch điện tử và vi xử lý, thực hiện so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu đặt Khi có sai lệch hoặc thay đổi tín hiệu, bộ điều khiển sẽ tính toán và đưa ra hiệu chỉnh cần thiết Tín hiệu điều khiển được phát ra dưới dạng số (Digital) và cần phải qua mô đun xử lý tín hiệu DSP2 để chuyển đổi thành dạng Analog, nhằm tác động lên CCCH.

(cơ cấu chấp hành) để điều khiển nó cung cấp nguồn động lực giúp phần công tác hoạt động đúng ý đồ công nghệ mong muốn.

Hình 1.2 Mô hình một hệ thống Cơ điện tử trong thực tế.

VAI TRÒ CỦA HỆ THỐNG ĐO TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Modul đo lường được lắp đặt ở cuối hệ thống nhằm thu thập thông tin hoạt động của phần công tác Hệ thống đo tạo ra sự kết nối và tương tác giữa phần công tác và bộ điều khiển Từ hệ thống đo, tín hiệu phản hồi được tạo ra để làm đầu vào cho việc khởi tạo bài toán hiệu chỉnh ở bộ điều khiển.

Tín hiệu thu từ hệ thống đo thường ở dạng Analog, do đó cần được mã hóa và xử lý trước khi đưa vào Bộ điều khiển, vì Bộ điều khiển chỉ hoạt động với tín hiệu số.

Quá trình xử lý tín hiệu được thực hiện thông qua Bộ DSP 1, bao gồm các bước như khuếch đại, chuyển đổi tín hiệu từ analog sang digital (AD), lọc, điều chế và tách sóng.

Khuếch đại là quá trình cần thiết khi tín hiệu nhỏ, nhằm tăng cường biên độ hoặc tần số của tín hiệu Điều này được thực hiện thông qua các mạch khuếch đại, giúp tín hiệu đạt được mức độ phù hợp cho các ứng dụng tiếp theo.

- Chuyển đổi AD: chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, bản chất quá trình này là mã hóa thông tin.

Lọc là quá trình ngăn chặn các tín hiệu có tần số tạp, giúp loại bỏ nhiễu từ bên ngoài tác động vào hệ thống, từ đó nâng cao chất lượng tín hiệu và đảm bảo hoạt động hiệu quả của thiết bị.

Khi cần truyền dẫn không dây với trung tâm điều khiển cách xa phần công tác, quá trình điều chế đóng vai trò quan trọng Nó ghép tín hiệu cần xử lý có biên độ nhỏ vào sóng mang cao tần, giúp đảm bảo đủ năng lượng để truyền đi xa mà không làm méo dạng tín hiệu.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.3.1 Đặt bài toán a Đề tài:

“Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ phòng ”. b Phân tích bài toán :

Hệ thống đo nhiệt độ môi trường trong phòng em bé được thiết kế để theo dõi và hiển thị nhiệt độ trong nhà, giúp người dùng phát hiện kịp thời những biến động bất thường Khi nhiệt độ xuống dưới mức tối thiểu đã cài đặt, hệ thống sẽ phát ra âm thanh và đèn nháy để cảnh báo Tương tự, khi nhiệt độ vượt quá mức tối đa, thiết bị cũng sẽ thông báo cho người sử dụng, đảm bảo an toàn cho trẻ nhỏ.

MSSV: K125520114053 và MSSV: K125520114033 sử dụng hệ thống tự động làm mát bằng quạt, quạt sẽ ngừng hoạt động khi nhiệt độ đạt mức tối thiểu Trong suốt quá trình hoạt động, thông tin về nhiệt độ và trạng thái được hiển thị trên màn hình LCD.

- Sử dụng vi điều khiển PIC16F877A đóng vai trò là vi điều khiển trung tâm, dùng chương trình CCS để lập trình C và biên dịch.

- Dùng cảm biến đo nhiệt độ LM35 để đo nhiệt độ môi trường bên ngoài.

- Dùng màn hình LCD16×02 để hiện thị giá trị nhiệt độ đo được và lập trình ở chế độ 4bits (dùng 4 chân vi điều khiển để nhận dữ liệu).

- Khối nguồn cho mạch ta sử dụng mộ đổi nguồn 220V/12V để cấp nguồn 12V cho vi điều mạch điện.

KẾT LUẬN

Hệ thống cơ điện tử là một hệ thống hiện đại và thông minh, trong đó các hệ thống đo cơ điện tử đóng vai trò quan trọng Chúng quyết định hoạt động bình thường của hệ thống và ảnh hưởng lớn đến độ chính xác Sự chính xác của hệ thống cơ điện tử phụ thuộc vào khả năng giao tiếp của nó với môi trường làm việc và đối tượng tác động, điều này lại liên quan trực tiếp đến hiệu suất của hệ thống đo.

Hệ thống đo nhiệt độ phòng là một sản phẩm cơ điện tử quan trọng, mang đến tính năng hiện đại và tiện lợi cho người sử dụng Chúng tôi giới thiệu hệ thống này nhằm giúp các thầy cô và bạn học hiểu rõ hơn về tầm quan trọng của công nghệ đo cơ điện tử trong đời sống.

Qua việc phân tích bài toán, chúng tôi đã xác định rõ nội dung công việc mà hệ thống cần thực hiện, từ đó xây dựng sơ đồ khối tổng thể cho hệ thống.

Hình 1.4: Sơ đồ khối tổng thể của mạch hệ thống

THIẾT KẾ

CÁC LINH KIỆN CHÍNH SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

2.1.1 Vi điều khiển PIG a PIC là gì ?

PIC là viết tắt của “ Progamable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là

Máy tính thông minh khả trình, được hãng General Instrument đặt tên cho vi điều khiển PIC1650, được thiết kế để sử dụng làm thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600 Vi điều khiển này đã được nghiên cứu và phát triển thêm, từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC mà chúng ta biết đến ngày nay.

MSSV: K125520114053 MSSV: K125520114033 b Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC

- Các dạng ký hiệu của PIC do nhà sản xuất quy định như sau:

 PIC12xxxx: độ dài lệnh 12bit

 C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM)

 F: PIC có bộ nhớ flash

 LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp

 LV: Ký hiệu cũ của LF

- Bên cạnh đó một số vi điều khiển có ký hiệu dạng xxFxxx là EEPROM, nếu có thêm chữ A ở cuối là Flash

Ví dụ: PIC16F877 có EEPROM, còn PIC16F877A là có thêm Flash.

Vi điều khiển dsPIC mới từ hãng Microchip đang ngày càng phổ biến tại Việt Nam Để lựa chọn một vi điều khiển PIC phù hợp, bạn cần xem xét các yếu tố như yêu cầu về hiệu suất, tính năng và ứng dụng cụ thể của dự án.

Khi lựa chọn vi điều khiển cho ứng dụng, điều quan trọng là xác định số lượng chân cần thiết Các loại vi điều khiển PIC có sự đa dạng về số chân, từ những loại chỉ có 8 chân đến các loại 28, 40 hay 44 chân, phù hợp với nhiều yêu cầu khác nhau.

- Cần lựa chọn vi điều khiển PIC có bộ nhớ flash để có thể nạp và xóa chương trình được nhiều lần hơn.

- Tiếp theo là cần chú ý đến các khối chức năng được tích hợp sẵn trong vi điều khiển và các chuẩn giao tiếp bên trong.

- Sau cùng cần chú ý đến bộ nhớ chương trình mà vi điều khiển cho phép.

Tất cả thông tin về cách lựa chọn vi điều khiển PIC có thể được tìm thấy trong cuốn sách "Select PIC guide" do Microchip phát hành Một trong những vi điều khiển nổi bật là PIC16F877A.

- Căn cứ vào cách chọn vi điều khiển ở mục 2.1.1c, vi điều khiển PIC16F877A là linh kiện được lựa chọn và ứng dụng trong đề tài này.

Hình 2.1.1a: Vi điều khiển PIC16F877A.

Hình 3.1.2: Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC16F877A. d Một vài thông tin về vi điều khiển PIC16F877A

Vi điều khiển PIC16Fxxxx có 35 lệnh với độ dài 14 bits, mỗi lệnh được thực thi trong một chu kỳ xung clock Tốc độ tối đa đạt được là 20MHz, tương ứng với chu kỳ lệnh 200ns Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển này là 8K×14 bits, trong khi bộ nhớ dữ liệu RAM có dung lượng 368×8 byte và bộ nhớ EEPROM là 256×8 byte Ngoài ra, vi điều khiển này hỗ trợ 5 PORT I/O với tổng cộng 33 pin I/O.

- Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng khác:

 Timer 0: Bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

Timer 1 là bộ đếm 16 bit tích hợp bộ chia tần số, cho phép thực hiện các chức năng đếm dựa trên xung clock bên ngoài ngay cả khi vi điều khiển đang hoạt động ở chế độ ngủ.

 Timer 2: Bộ đếm 8bit với bộ chia tần số, bộ postcaler.

 Hai bộ so sánh capture/so sánh/ điều chế độ rộng xung.

 Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C.

 Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ.

 Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD,WR,CS ở bên ngoài.

 Tám kênh chuyển đổi ADC 10bits.

 Hai bộ so sánh. e Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:

 Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần.

 Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1000.000 lần.

 Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thế lưu trữ trên 40 năm.

 Khả năng tự nạp xóa chương trình với sự điều khiển của phần mềm.

 Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân.

 Watchdog Timer với bộ dao động trong.

 Chức năng bảo mật mã chương trình.

 Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau.

2.1.2 Cảm biến đo nhiệt độ LM35 a Giới thiệu cảm biến nhiệt độ LM35:

LM35 là cảm biến nhiệt độ analog, hoạt động dựa trên việc đo hiệu điện thế đầu ra để xác định nhiệt độ Dưới đây là sơ đồ chân của LM35.

Hình 2.1.2a1: Cảm biến LM35 trong thực tế

Hình 2.1.2a2: Sơ đồ chân của cảm biến LM35

Chân 1: Chân nguồn +V S là chân nối với nguồn.

Chân 2: V OUT là chân ngõ tín hiệu ra

Chân 3: GND là chân nối đất

Cảm biến nhiệt độ LM35 là một thiết bị cảm biến tương tự, thường được sử dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực Với độ chính xác cao, LM35 là lựa chọn lý tưởng cho nhiều dự án yêu cầu đo lường nhiệt độ chính xác.

Cảm biến LM35 có kích thước nhỏ gọn và giá thành hợp lý, đồng thời cho phép đo nhiệt độ với sai số nhỏ Những ưu điểm này đã khiến chúng tôi quyết định lựa chọn LM35 cho đồ án của mình.

+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V.

+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/ ℃.

+ Độ chính xác cao (ở 25 ℃ chính xác tới 0.5℃ ).

+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải.

Dải nhiệt độ đo được của cảm biến LM35 là từ -55 C đến 150 C với các mức điện áp ra khác nhau Xét một số mức điện áp sau :

- Nhiệt độ -55 C điện áp đầu ra -550mV

- Nhiệt độ 25 C điện áp đầu ra 250mV

- Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV

Tùy thuộc vào cách kết nối của cảm biến LM35, chúng ta có thể đo được các mức nhiệt độ khác nhau, với khoảng đo từ 0 đến 150℃ cho hệ thống này Để có thông tin chi tiết hơn về cách sử dụng và tính toán nhiệt độ từ cảm biến LM35, bạn có thể tham khảo datasheet của nó.

- Nguyên tắc tính toán nhiệt độ :

Việc đo nhiệt độ sử dụng LM35 thông thường chúng ta sử dụng bằng cách từ cảm biến nhiệt độ LM35 → ADC → Vi điều khiển

U là iện áp đầu ra t là nhiệt độ môi trường đo k là hệ số theo nhiệt độ của LM35: 10mV/ ℃

Giả sử điện áp V S cấp cho LM35 là 5V với bộ ADC 10 bits (khi đó giá trị của ADC sẽ là từ 0 - ).

Bước thay đổi của LM35 sẽ là:

Độ phân giải điện áp đầu ra của LM35 là kmV/℃, có nghĩa là khi nhiệt độ môi trường thay đổi 1℃, điện áp ra của LM35 sẽ thay đổi 10 mV Giá trị ADC đo được thể hiện điện áp đầu vào của LM35.

Vậy nhiệt độ ta đo được là: t = (℃)

Với bộ ADC 11 bits và giá trị V S khác ta cũng tính tương tự như trên để được công thức lấy nhiệt độ.

- Sai số của cảm biến LM35:

 Tại 0 ℃ thì điện áp của LM35 là 10mV

 Tại 150℃ thì điện áp của LM35 là 1.5V

Giải điện áp ADC biến đổi là 1.5 - 0.01 = 1.49 (V)

 ADC 11 bit nên bước thay đổi của ADC là : n = 2.44mV

Vậy sai số của hệ thống đo là :

Vậy ta có cách thức giao tiếp với vi xử lý:

2.1.3 Màn hình LCD a Màn hình LCD là gì?

LCD là viết tắt của cụm từ Liquid Crystal Display (Màn hình tinh thể lỏng).

Màn hình LCD có nhiều loại với hình dáng và kích thước đa dạng, trong đó LCD 16x2 là loại phổ biến nhất Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng bài toán, chúng ta thường lựa chọn màn hình LCD 16×2, với khả năng hiển thị 2 dòng và mỗi dòng chứa 16 ký tự.

Hình 2.1.3a: Màn hình LCD 16×2 trong thực tế b Các thông số của LCD 16×2:

Chi tiết về LCD 16×2, chúng ta có thể xem datasheet của nó tại địa chỉ https://www.sparkfun.com/datasheets/LCD/ADM1602K-NSW-FBS-3.3v.pdf

2.1.3b: Màn hình LCD 16×2 trong phần mềm mô phỏng Proteus

Trong quá trình sản xuất màn hình LCD, các nhà sản xuất đã tích hợp chip điều khiển HD44780 vào bên trong lớp vỏ, chỉ để lại các chân giao tiếp cần thiết Các chân này được đánh số thứ tự và được đặt tên theo bảng dưới đây.

Chân Ký hiệu Mô tả

Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển

Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển

3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD.

4 RS Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0”

+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ

“đọc” - read) + Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD.

Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc.

Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0- DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E.

Trong chế độ ghi, dữ liệu trên bus sẽ được chuyển vào thanh ghi nội bộ của LCD khi tín hiệu chân E phát hiện một xung chuyển từ cao sang thấp.

Khi ở chế độ đọc, dữ liệu sẽ được LCD xuất ra các chân DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (chuyển từ thấp sang cao) tại chân E Dữ liệu này sẽ được giữ trên bus cho đến khi chân E trở về mức thấp.

Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :

+ Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7.

+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7

15 - Nguồn dương cho đèn nền

Dùng để biến đổi nguồn 220V 12V, ổn định nguồn 12V cho mạch Dưới đây là mạch nguyên lý củfa bộ nguồn:

Chức năng của các chân:

V IN :chân điện áp vào (220V).

VOUT : Chân điện áp ra 12V

Máy biến thế G có chức năng biến đổi nguồn điện lưới 220V sang 12V, các tụ C có chức năng san phẳng, và ổn định điện áp ra 12V.

TÌM HIỂU PHẦN MỀM CCS VÀ LẬP TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN

2.2.1 Giới thiệu về CCS a CCS là gì?

CCS là trình biên dịch lập trình trên ngôn ngữ C cho vi điều khiển PIC của hãng

Microchip Chương trình là sự tích hợp của 3 trình biên dịch riêng biệt cho 3 dòng PIC khác nhau đó là:

- PCB cho dòng PIC 12- bit opcodes

- PCM cho dòng PIC 14- bit opcodes

- PCH cho dòng PIC 16 và 18- bit

CCS là một chương trình tích hợp bao gồm ba trình biên dịch, trình soạn thảo và biên dịch, giúp người dùng dễ dàng làm quen với vi điều khiển PIC Giống như nhiều trình biên dịch khác, CCS hỗ trợ người dùng trong việc phát triển các dự án với PIC, cho phép thực hiện các chương trình điều khiển một cách nhanh chóng và hiệu quả thông qua ngôn ngữ lập trình C.

Để tạo một chương trình, chúng ta có thể sử dụng tác vụ New/Project Wizard, giúp tạo ra giao diện đồ họa cho phép lựa chọn loại chip, tần số thạch anh và cấu hình các modul chức năng một cách dễ dàng Dưới đây là cấu trúc chung của một chương trình.

// khai báo chỉ thị tiền xủ lý và các cấu hình modul chức năng

#INT_XXX // khai báo chương trình ngắt

// mã lệnh chương trình con phục vụ ngắt

Type chương_trình_con(tham số) // khai báo chương trình con

// mã lệnh chương trình con

Void main() // mã lệnh chương trình chính

// mã lệnh chương trình chính

2.2.2 Lập trình cho vi điều khiển a Chức năng của từng khối:

Từ sơ đồ khối Hình 1.4, ta xác định chức năng của từng khối:

- Khối nguồn: cung cấp điện áp chuẩn 12V cho PIC, cảm biến LM35, màn hình

- Khối sensor: Lấy tín hiệu từ cảm biến LM35 và đưa vào vi điều khiển.

Khối điều khiển đảm nhận vai trò xử lý thông tin từ khối sensor mã hóa, từ đó phát sinh các lệnh điều khiển để hiển thị trên LCD, kích hoạt chuông báo động và điều khiển quạt.

- Khối hiển thị: hiển thị nhiệt độ lên LCD.

- Chuông: nhận tín hiệu từ PIC, báo động phát ra âm thanh

- Quạt: Nhận tín hiệu từ PIC, làm mát môi trường đo. b Lưu đồ thuật toán

Dưới đây là sơ đồ quy trình thiết kế chương trình cho vi điều khiển PIC PIC16F877A

Hình 2.2.2b: Lưu đồ thuật toán lập trình

MSSV: K125520114053 MSSV: K125520114033 c Sơ đồ quy trình thiết kế

Hình 2.2.2c: Lưu đồ thuật toán

MSSV: K125520114053 MSSV: K125520114033 d Viết chương trình.

#bit LED2 = 0X06.4 float temp=0; int i%,j; int8 z=0; float temp_max,temp_min; void reset_lcd();

#int_TIMER1 void ngat_tiner1()

LOA=1;delay_ms(50);LOA=0;} if(temp>temp_MIN){LED1=LED2=0;} if(temp

Tiêu đề	Tiểu Luận Thiết Kế Hệ Thống Đo Nhiệt Độ Phòng
Tác giả	Phạm Văn Biên, Lăng Văn Nuôi
Thể loại	tiểu luận

Định dạng
Số trang	45
Dung lượng	2,43 MB