- 2 bộ định thời 8 bit timer0 và timer 2 - 1 bộ định thời 16 bit timer 1 có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng Sleep Mode với xung clock bên ngoài - 2 bộ CCP Capture/Compare
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ
HỆ THỐNG NHÚNG ĐIỆN TỬ
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ ĐO NHIỆT ĐỘ
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2024
Trang 2BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ
BẢNG PHÂN CÔNG
1 Nguyễn Hoàng Khải 21125441 Đặc tả phần cứng
2 Võ Việt Hoàng 21135741 Đặc tả kỹ thuật
3 Nguyễn Thị Mỹ Hằng 21101191 Đặc tả sản phẩm
4 Nguyễn Hoàng Sơn 21122151 Đặc tả phần mềm
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2024
Trang 3
I ĐẶC TẢ SẢN PHẨM:
- Đo nhiệt độ:
+ Hệ thống cần có khả năng đo nhiệt độ từ các cảm biến nhiệt độ
+ Cần đo chính xác, đảm bảo giá trị đo gần với nhiệt độ thực tế
- Ghi lại dữ liệu: Hệ thống cần có khả năng ghi lại dữ liệu đo được
- Lưu trữ dữ liệu: sử dụng bộ nhớ lớn để lưu trữ dữ liệu nhiệt dộ trong một thời gian dài
- Xử lý dữ liệu : có khả năng xử lý dữ liệu nhiệt độ sau khi đo được để chuẩn bị cho quá trình lưu trữ
- Độ phân giải : yêu cầu về độ phân giải để đảm bảo hệ thống phát hiện các biến động nhỏ của nhiệt độ
- -Tần số lấy mẫu: xác định tần số lấy mẫu phù hợp, đảm bảo rằng dữ liệu được cập nhật đầy đủ và không bị thiếu sót
- Thời gian phản hồi: hệ thống cần có thời gian phản hồi nhanh để phản ứng với các biến động nhiệt độ đột ngột
- Khoảng đo: xác định khoảng nhiệt độ mà hệ thống có khả năng đo được, từ nhiệt
độ tối thiểu đến nhiệt độ tối đa
II ĐẶC TẢ KỸ THUẬT:
❖ Vi điều kiển: PIC18F877A :Bộ xử lý tất cả các thông tin vào và ra của toàn hệ thống
❖ Cảm biến LM35
- Dùng để do chính xác nhiệt độ ở khu vực có lảm biến
- Chuyền tín hiệu đo được về PIC(dưới dạng điện áp)
- Lm35 có dãi nhiệt độ từ -55 ̊C đến 150 ̊C
- Trở kháng đầu ra thấp, đầu ra tuyến tính và hiệu chỉnh chuẩn xác giúp đọc và kiểm soát mạch dễ dàng
- LM35 sự dụng nguồn một chiều(khoảng 60µA từ nguồn) nên nhiệt độ vi mạch thấp
❖ Máy biến áp
- Nên sử dụng máy biến áp 220V/12V, vì để dễ dàng thay đổi điện áp của mạch
- Dòng điện cho phép khoảng 2.5A(12V)
❖ LED
- Dùng đển hiện thị 3 mức nhiệt độ:
+ LED đỏ: thể hiện nhiệt độ cao
+ LED vàng: thể hiện nhiệt độ trung bình
+ LED xanh: thể hiện nhiệt độ thấp
Trang 4❖ Thạnh anh
- Thạch anh dùng để tạo ra tần số ổn định
- Tạo xung clock cho các vi điều khiển
❖ LCD
- Khả năng hiên thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, sô và kí tự đô họa) dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau
- Hàng trên thể hiện tên “Nhiệt độ”
- Hàng dưới thể hiện nhiệt độ đo được
III ĐẶC TẢ PHẦN CỨNG
1 PIC 16F877A :
1.1 Sơ đồ chân Pic 16F877A
PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer” có thể tạm dịch là máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ là PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600 Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay.Pic 16F877A là dòng Pic phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, có 40 chân, bộ nhớ đủ cho hấu hết các ứng dụng thông thường) cấu trúc tổng quát của Pic 16F877A:
- 8K plash Rom
- 368 byte Ram
- 256 byte EEPROM
- 5 port (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu độc lập
- 2 bộ định thời 8 bit (timer0 và timer 2)
- 1 bộ định thời 16 bit (timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode) với xung clock bên ngoài
- 2 bộ CCP (Capture/Compare/PWM)
- 1 bộ biến đổi AD 10 bit với 8 ngõ vào
- 2 bộ so sánh tương tự (Compartor)
- 1 bộ định thời giám sát (Watchdog Timer) 1 cổng song song 8 bit với các tín hiệu điều khiển 1 cổng nối tiếp15 nguồn ngắt
- Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP (In-Circuit Serial Programming)
- Được chế tạo bằng công nghệ CMOS
- 35 tập lệnh có độ dài 14bit
- Tầng số hoạt động tối đa 20MHz
- Để Pic hoạt động ta cần cấp nguồn cho Pic, ngoài ra có thể thêm vào bộ dao động thạch anh, và nút reset
Trang 51.2 Các đặc tính ngoại vi của các khối chức năng
- Timer0: Bộ đếm 8 bit với bộ chia tầng 8 bit
- Timer1: Bộ đếm 16 bit với bộ chia tầng,có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep
- Timer 2:Bộ đếm 8 bit với bộ chia tầng số,bộ postcaler
- Hai bộ 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
1.3 Các cổng nhập/xuất của Pic 16F877A
Cổng xuất nhập chính là phương tiện mà vi điều khiển dùng để tương tác với thế giới bên ngoài Sự tương tác này rất đa dạng và thông qua sự tương tác đó, chức năng của
Trang 6vi điều khiển được thể hiện rõ ràng Vi điều khiển PIC 16F877A có 5 cổng xuất nhập PORTA, PORTB, PORTC,PORTD và PORTE
- PORT A (RPA) bao gồm 6 I/O đây là các chân 2 chiều có thể xuất và nhập, chức năng xuất nhập được điều khiển bởi thanh ghi TRISA (địa chỉ 85h) Muốn xác lập
1 chân trong thanh ghi TRISA là input ta “set” bit tương ứng trong thanh ghi TRISA và mún có 1 chân output ta “clear bit tương ứng trong thanh ghi Thao tác này hoàn toàn tương tự với PORT và các thanh ghi điều khiển tương ứng.Bên cạnh
đó PORTA còn là ngõ ra của bộ ADC, bộ so sánh, ngõ vào Analog, ngõ vào xung clock Timer0 và ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP.Các thanh ghi TRISA bao gồm:
- PORTA (địa chỉ 05h): chứa giá trị các chân I/O trong PORTA
- TRISA (địa chỉ 85h): điều khiển xuất nhập
- CMCON (địa chỉ 9Ch): thanh ghi điều khiển bộ so sánh + CVRCON (địa chỉ 9Dh): thanh ghi điều khiển bộ so sánh điện áp + ADCON1 (địa chỉ 9Fh): thanh ghi điều khiển ADC
- PORTB (RPB) bao gồm 8 chân I/O, thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISB Bên cạnh đó có 1 số chân của PORTB dùng để nạp chương trình cho vi điều khiển với các chế độ nạp khác nhau PORTB còn liên quan đến ngắt ngoại vi
và Timer0 PORTB còn được tích hợp chức năng điện trở kéo lên được điều khiển bởi chương trình.Các thanh ghi PORTB bao gồm:
- PORTB (địa chỉ 06h,106h): chứa giá trị các chân trong PORTB + TRISB (địa chỉ 86h,186h): điểu khiển xuất nhập
- OPTION_REG (địa chỉ 81h,181h): điểu khiển ngắt ngoại vi toàn bộ Timer0
- PORTC (RPC) gồm 8 chân I/O,thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISC, bên cạnh đó PORTC còn chứa các chân chức năng của bộ so sánh, Timerl,
bộ PWM, và các chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART Các thanh ghi điều khiển:
- PORTC (địa chỉ 07h):chứa giá trị các chân trong PORTC + TRISC (địa chỉ
87h):điều khiển xuất nhập
- PORTD (RPD) gồm 8 chân I/O,thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là
TRISD, PORTD còn là cổng xuất dữ liệu của chuận giao tiếp PSP
Các thanh ghi:
- Thanh ghi PORTD (địa chỉ 08h): chứa giá trị các chân trong PORTD + TRISD (địa chỉ 88h) điều khiển xuất nhập
- PORTE (RPE) gồm 3 chân 1/0,thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là
TRISE Các chân PORTE có ngõ vào analog, bên cạnh đó PORTE còn là các chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP
Các thanh ghi:
- PORT (địa chi 09h) chứa giá trị các chân trong PORTE
Trang 7- TRISE (địa chỉ 89h) điều khiển xuất nhập và xác lập các thông số cho chuẩn PSP
- ADCON1 thanh ghi điều khiển khối ADC
- Timer1 là bộ định thời 16 bit, giá trị của 2 timer 1 sẽ lưu vào 2 thanh ghi (TMR1h
và TML1R), cờ ngắt timer 1 là bit TMR 1IF, bit điều khiển của Timer1 là
TMR1IE Tương tự như Timer0,Timer1 cũng có 2 chế độ hoạt động: chế độ định thời (timer) với xung kích là xung clock của oscillator( tầng số bằng '% tầng số của oscillator) và chế độ đếm (counter) với xung kích là xung phản ánh các sự kiện cần đếm lấy từ bên ngoài Các thanh ghi liên quan đến timer1 bao gồm:
- INTCON(0BH, 8BH, 10BH, 18Bh) cho phép ngắt hoạt động( GIE và PEIE)
- IR1( địa chỉ 0CH) chứa cờ ngắt timer1(TMR1IF)
- PIE1( địa chỉ 8CH) cho phép ngắt timer1(TMR1IE)
- TMR1L( địa chỉ 0Eh) chứa giá trị 8 bit thấp của bộ đếm timer1
- TMR1H( địa chỉ 0Eh) chứa giá trị 8 bit cao của bộ đếm timer1
- T1CON( địa chỉ 10H) xác lập các thông số cho Timerd
2 KHỐI CẢM BIẾN:
Để đo lường nhiệt độ có thể sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau, mỗi loại có ưu điểm riêng phù hợp với từng yêu cầu riêng Đối với đề tài này chỉ đo nhiệt độ môi trường bình thường nên sử dụng LM35 là tối ưu nhất vì: đây là loại cảm biến có độ chính xác cao tầm hoạt động tuyến tính từ 0°C – 128C, tổn hao công suất thấp
Cảm biển nhiệt LM35 có vai trò đo nhiệt độ môi trường sau đó truyền tín hiệu đo được cho Pic dưới dạng điện áp, nhiệt độ tăng hay giảm 10C thì LM35 cũng tăng hay giảm 10mv theo 19C
LM35 có 3 chân,2 chân cấp nguồn (chân 1:cấp nguồn từ 4V – 20V, chân 3 nối GND) 1 chân xuất điện áp ra tùy theo nhiệt độ (chân 2)
Các đặc tính kỹ thuật khác:
+ LM35 có dãi nhiệt từ -55°C đến 150°C, độ chính xác 1.5°C, đầu ra 10mv/1°C
+ Dòng LM35 là dòng mạch tích hợp cảm biến chính xác nhiệt độ, có điện áp ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ, do đó có lợi thế hơn so với cảm biến nhiệt độ tuyến tính hiệu chuẩn như (K) chẳng hạn nhưng dùng không phải trừ đi 1 lượng lớn hằng số điện áp
từ đầu ra để phân chia thang nhiệt độ thuận tiện hơn
+ LM35 không cần hiệu chỉnh hay chỉnh sửa để đưa về nhiệt độ chính xác như 1/4C nhiệt độ ở trong phòng và 3/4C ở trong khoảng -55C đến 150°C Sai số thấp vì được
vi mạch điều chỉnh
Trang 8+ Trở kháng đầu ra của LM35 thấp, đầu ra tuyến tính và hiệu chỉnh chuẩn xác giúp đọc và kiểm soát mạch dễ dàng
+ Nó được sử dụng với nguồn 1 chiều, chỉ sử dụng 60uA từ nguồn nên nhiệt độ vi mạch tăng rất ít, thấp hơn 0,1C trong không khí
3 KHỐI HIỂN THỊ LCD
Trang 9- Một số chú ý :
+ Chân 15 và chân 16: ghi là A và K Nó là anot và katot của một con led dùng để sáng LCD trong bóng tối, chúng ta có thể không nối, nếu sử dụng nối chân 15 với trở
220 or 330 ôm lên VCC, chân 16 nối đất
+ Các lệnh của LCD có thể chia thành 4 nhóm như sau: các lệnh về kiểu hiển thị VD: Kiểu hiển thị (1 hàng / 2 hàng), chiều dài dữ liệu (8bit/4 bit) Chỉ định địa chỉ RAM nội Nhóm lệnh truyền dữ liệu trong RAM nội + Địa chỉ của RAM (AC) sẽ tự động tăng (giảm) 1 đơn vị, mỗi khi có lệnh ghi vào RAM (điều này giúp chương trình gọn hơn)
+ Với mỗi lệnh LCD cần một khoảng thời gian để hoàn tất, thời gian này có thể khá lâu đối với tốc độ của MPU, nên ta cần kiểm tra cờ BF hoặc đợi
+ Tuy trong sơ đồ khối của LCD có nhiều khối khác nhau, nhưng khi lập trình điều khiển LCD ta chỉ có thể tác động trực tiếp được vào 2 thanh ghi DR và IR thông qua các chân DBx, và ta phải thiết lập chân RS, R/W phù hợp để chuyển qua lại giữ 2 thanh ghi này
4 Tính toán linh kiện trong hệ thống
4.1 LM35
Dựa vào những đặc điểm của LM35 đã nêu trên ta tính toán nhiệt độ đầu ra của
LM35 việc đo nhiệt độ dùng LM35 ta tính bằng cách
LM35 → ADC → VI ĐIỀU KHIỂN
Như vậy ta có U = t*K trong đó :
- U là điện áp đầu ra
- t là nhiệt độ môi trường cần đo
- K là hệ số nhiệt độ của LM35 10mV/C
Giả sử điện áp Vc cấp cho LM35 là 5V, dùng ADC 10 bit vậy bước thay đổi của LM35 là 5/1024, giá trị ADC đo được t= giá trị ADC/2048 Sai số của LM35 :
+ Tại 0° C thì hiệu điện áp của lm35 là 10mV
+ Tại 150° C thì hiệu điện áp của lm35 là 1500mV
4.2 Máy biến áp :Ta chọn máy biến áp có các thông số hoạt động sau :
Trang 10Thông số điện áp : 220V/12V, để thuận tiện ta chọn loại máy biến áp có chia thành nhiều dải điện áp khác nhau như “ 5v,9v, 12v ” Dòng điện cho phép ở cuộn thứ cấp 12V
là 2.5A
4.3 Tính chọn cầu diod
Ở đây vì công suất của mạch nhỏ nên ta chọn loại cầu diod cỡ 2-3A Ta chọn Diode cầu 2A
4.4 Tính chọn thạch anh
Để tốc độ xử lý của PIC 16F877A được nhanh nhất,ta chon thạch anh loại 20MHz Chức năng :
Thạch anh dùng để tạo ra khối dao động, và tần số dao động được ghi trên lưng thạch anh.Trong điện tử đa phần để tạo tần số được ổn định vì tần số của thạch anh tạo ra ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là các mạch dao động RC Trong vi điều khiển bắt buộc phải
có thạch anh, vì khi xét chi tiết thì vi điều khiển có CPU, timer, CPU bao gồm các mạch logic và mạch logic muốn hoạt động cũng cần có xung clock, còn timer thì cũng cần phải
có xung để đếm Tùy loại vi điều khiển mà bao nhiêu xung clock thì ứng với 1 chu kì máy, và với mỗi xung clock thi vi điều khiển sẽ đi làm 1 công việc nhỏ ứng với lệnh đang thực thi
Trang 114.5 Led đơn
Định nghĩa : LED, viết tắt của Light-Emitting-Diode có nghĩa là “đi-ốt phát sáng”, là một nguồn sáng phát sáng khi có dòng điện tác động lên nó Được biết tới từ những năm đầu của thế kỷ 20, công nghệ LED ngày càng phát triển, từ những diode phát sáng đầu tiên với ánh sáng yếu và đơn sắc đến những nguồn phát sáng đa sắc, công suất lớn hay phát ra các tia hồng ngoại hoặc tử ngoại
Ta chọn 3 đèn led : xanh, đỏ và vàng để báo ở 3 mức nhiệt độ thấp, trung bình, cao
4.6 Tính chọn điện trở
Chọn điện trở cho led báo nguồn và led báo trạng thái:
Ta có : dòng qua led là 15mV, điện áp rơi trên led là 2V
=> giá trị R =220
Chọn R=2202 Điện trở trong mạch reset, chọn R=10K
4.7 LM7805:
Giới thiệu :
Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao, sử dụng IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng vì mạch điện khá đơn giản Các loại ổn áp thường được sử dụng là IC 78xx, 79xx, với xx là điện áp cần ổn áp Ví dụ 7805 ổn áp 5V, 7808
ổn áp 8V, 7812 ổn áp 12V hay ổn áp điện áp âm có 7905 ổn áp điện áp -5V, 7912 ổn áp 12V Họ 78xx là họ cho ổn định điện áp đầu ra là dương Còn xx là giá trị điện áp đầu ra
Trang 12
như 5V, 6V Họ 79xx là họ ổn định điện áp đầu ra là âm Còn xx là điện áp đầu ra như: -5V,-6V
Sự kết hợp của hai con này sẽ tạo ra được bộ nguồn đối xứng Về mặt nguyên lý nó hoạt động tương đối giống nhau Bây giờ ta xét từng IC 78xx, 79xx
IV ĐẶC TẢ PHẦN MỀM:
1 Sơ đồ thuật toán
Trang 152 Sơ đồ nguyên lý
Trang 16V TÍCH HỢP CÁC THÀNH PHẦN VÀ KIỂM TRA:
- Quy trình tích hợp:
+ Lắp ráp các thành phần phần cứng theo sơ đồ thiết kế
+Nạp chương trình phần mềm vào vi điều khiển
+Kiểm tra kết nối và hoạt động của các thành phần
+Chỉnh sửa và hiệu chỉnh phần mềm để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định
- Kiểm tra hệ thống
+ Phân tích khả năng lỗi của hệ thống
+ Kiểm tra tính đúng đắn của thiết bị với nhiệt độ thực tế
+ Bền bỉ với môi trường khắc nghiệt
+ Sai số nhỏ