đồ án thiết kế ii thiết kế và chế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến tương tự

Trong đó, học phần Đồ án thiết kế II là một học phần mà chúng em được trực tiếpthiết kế và chế tạo một sản phẩm về mạch điện tử.. Sản phẩm em lựa chọn là “Thiết kếvà chế tạo mạch đo nhiệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ IIĐề tài:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘSỬ DỤNG CẢM BIẾN TƯƠNG TỰ

Sinh viên thực hiện: HOÀNG BÍCH PHƯỢNG MSSV: 20172763

Lớp: ĐTVT 11-K62Giảng viên hướng dẫn: TS Đặng Khánh Hòa

Hà Nội, tháng 1-2021

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, tại Việt Nam, ngành điện tử viễn thông đang ngày càng phát triển và đạtđược nhiều thành tựu mới Đặc biệt, trong quá trình phát triển đó, sự hoàn thiện về vimạch ngày càng được chú trọng, vì vi mạch ngày càng được ứng dụng nhiều trong cácthiết bị điện tử thông minh, các thiết bị IoT… Chính vì lí do đó, việc tìm hiểu và thựchành về vi mạch cho sinh viên ngành điện tử - viễn thông ngày càng được chú trọnghơn bao giờ hết.

Là sinh viên viện Điện tử - Viễn thông của đại học Bách Khoa Hà Nội, chúng emrất tự hào vì truyền thống và những thành tựu mà viện đã đạt được Không những thế,viện Điện tử - Viễn thông luôn tạo điều kiện cho chúng em được thiết kế, chế tạo cácsản phẩm liên quan đến vi mạch từ rất sớm Đây là một điều kiện thiết thực để sinhviên chúng em khi ra trường có kiến thức chuyên môn tốt.

Trong đó, học phần Đồ án thiết kế II là một học phần mà chúng em được trực tiếpthiết kế và chế tạo một sản phẩm về mạch điện tử Sản phẩm em lựa chọn là “Thiết kếvà chế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến tương tự” Em nhận thấy đề tài này rấthữu ích và thiết thực, vì hiện nay, việc đo nhiệt độ rất quan trọng, giúp con người chủđộng điều chỉnh được các kế hoạch học tập, làm việc cho phù hợp, hiệu quả.

Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy (TS Đặng Khánh Hòa), người đã trực tiếphướng dẫn, chỉ bảo cho em để hoàn thiện sản phẩm này Trong quá trình thực hiện Đồán, mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc hẳn sẽ không tránh khỏi những sai lầm Em rấtmong nhận được ý kiến đóng góp để sản phẩm ngày càng hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Hoàng Bích Phượng, mã số sinh viên 20172763, sinh viên lớp ĐTVT.11,khóa 62 Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong đồ án Thiết kế vàchế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến tương tự là kết quả quá trình tìm hiểuvà nghiên cứu của tôi Các dữ liệu được nêu trong đồ án là hoàn toàn trung thực,phản ánh đúng kết quả đo đạc thực tế Mọi thông tin trích dẫn đều tuân thủ các quyđịnh về sở hữu trí tuệ; các tài liệu tham khảo được liệt kê rõ ràng Tôi xin chịu hoàntoàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong đồ án này.

Hà nội, ngày 20 tháng 01 năm2021

Người cam đoan

Hoàng Bích Phượng

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Tổng quan về vi điều khiển AVR 3

1.2 Phân loại vi điều khiển AVR 4

1.3 Nhiệt độ 4

1.3.1 Khái niệm 4

1.3.2 Các thang đo nhiệt độ 5

1.3.3 Phương pháp đo nhiệt độ 6

1.4 Các thành phần trong mạch 6

1.4.1 Atmega16 6

1.4.2 Cảm biến nhiệt độ LM35 8

1.4.3 LCD1602 10

1.5 Chuyển đổi ADC trên AVR 12

1.5.1 Chuyển đổi ADC trên AVR 12

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

PHỤ LỤC 31

Phụ lục 1 Chương trình chính: 31

Phụ lục 2 Chương trình con: 31

Hình 1 9 Tạo nguồn AVCC từ VCC 12

Hình 1 10 Analog và digital của hàm sin 13

YHình 2 1 Sơ đồ khối 15

Hình 2 2 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống 16

Hình 2 9 Khối led đơn 19

Hình 2 10 Khối led 7 thanh 20

Hình 2 11 Mạch in 20

Hình 2 12 Mạch 3D 21

Hình 2 13 Hình ảnh sản phẩm hoàn thiện 21

Hình 2 14 Giao diện phần mềm microchip studio 7 22

Hình 2 15 Giao diện welcome to microchip studio 7 22

Hình 2 16 Tạo mới project 23

Hình 2 17 Tạo project bằng ngôn ngữ C 24

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Quy đổi điện áp, ADC, nhiệt độ………27

Bảng 2 2 Test l n 1 lúc 18h ngày 19/01/2021……… ………28ầầ

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Nội dung chính của đề tài là trình bày các vấn đề liên quan đến vi điều khiển AVR,về cảm biến tương tự LM35, ứng dụng của vi điều khiển trong việc một mô hình thựctế Cụ thể:

Chương 1: Giới thiệu về phần lý thuyết, các vấn đề liên quan đến vi điều khiển AVR,cảm biến tương tự LM35, các thành phần để có thể tạo lên một mạch đo nhiệt độ thựctế.

Chương 2: Trình bày về các bước trong quá trình thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ sửdụng cảm biến tương tự.

iv

PHẦN MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, đo lường là một yếu tố quan trọng trong nền công nghiệp và nôngnghiệp Nếu thiếu đo lường, những người kĩ sư không thể có được cái nhìn chính xácđến các hiện tượng, đồng thời gây ra sai lệch và những kết quả không như mong đợitrong nghiên cứu.

Trong hệ đơn vị SI (International System Unit) có sáu đại lượng vật lý cơ bản vànhiệt độ là một trong số đó Sự thay đổi nhiệt độ chỉ ra một cách rõ ràng những gì xảyra trong hiện tượng, hoặc những chi tiết cơ học chúng ta quan sát được Việc đo nhiệtđộ cũng ngày trở lên dễ ràng và đa dạng, từ một chiếc nhiệt kế đơn giản đến những hệthống nhúng điện tử thông minh.

Là một sinh viên trường đại học Bách Khoa Hà Nội với những kiến thức đã đượchọc cùng với mong muốn tạo ra một sản phẩm thiết thực, có thể giúp ích cho cuộcsống, cùng với sự hướng dẫn của các thầy trong viện Điện tử- Truyền thông, do vậy

em đã chọn đề tài:‘‘ Thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến tương

tự” là đề tài thực hiện học phần Đồ án thiết kế II.1.2 Mục đích

Đề tài được thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức đã học để tạo ra mộtsản phẩm đo được nhiệt độ với với các chức năng cũng như ưu điểm:

Đo được nhiệt độ với độ chính xác cao.Dễ dàng theo dõi trên màn hình LCD.Sử dụng đơn giản, tiết kiệm thời gian.Nhỏ gọn, sản phẩm có tuổi thọ cao.Giá thành vừa phải.

1.3 Phương pháp

Trong khi thực hiện đề tài này, em đã sử dụng các phương pháp:

Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin trên internet.Phương pháp quan sát: quan sát một số phương pháp, sản phẩm đo nhiệt độ sửdụng những cảm biến tương tự khác

Phương pháp thực nghiệm: xem xét một số công nghệ đã được áp dụng để rútkinh nghiệm.

1.4 Kết luận chương

Chương mở đầu chủ yếu giới thiệu qua về đề tài Đề tài tuy còn mới lạ cũng nhưcó khá ít người thực hiện, nhưng đây là một đề tài tiềm năng có thể phát triển sau này.

2

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này đề cập đến cơ sở lý thuyết về nhiệt độ, vi điều khiển AVR, các thànhphần trong mạch.

1.1 Tổng quan về vi điều khiển AVR

Họ vi điều khiển AVR là dòng sản phẩm được phát triển bởi hảng Atmel (1996), nóđược chế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC (Reduced Instruction Set Computer) đồngthời AVR là một trong những họ vi điều khiển đầu tiên sử dụng bộ nhớ Flash để lưutrữ chương trình Có thể thấy rằng trong những năm gần đây Atmel đã trở thành nhàtiên phong trên thế giới về phát triển kỹ thuật bộ nhớ Flash (không biến đổi, có thể xóabằng điện và lập trình lại bộ nhớ, Họ AVR thường được sử dụng trong các sản phẩmnhư Camera số, board chủ PC…)

Vi điều khiển Atmega AVR có công suất cao, tiêu thụ năng lượng thấp, cấu trúcRISC tiến với 130 lệnh với chu kỳ thực hiện đơn xung lớn nhất, 32 thanh ghi đa mụcđích 8 bít, 16 MIPS tại tần số đặt 16 MHz, bộ nhân 2 chu kỳ On-chip, Power-on Resetvà Brown-out Detection có thể lập trình, bộ dao động RC bên trong có thể lập trình cácmức, 5 Mode ngủ (Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down và Standby),có khả năng Reset khi bật nguồn, khả năng dò lỗi Brown out lập trình được, có nguồnngắt trong và ngắt ngoài.

Cốt lõi của AVR là sự kết hợp các câu lệnh phong phú với 32 thanh ghi đa mụcđích Tất cả 32 thanh ghi đều trực tiếp kết nối tới bộ xử lý logíc số học - ArithmeticLogic Unit (ALU), cho phép truy nhập 2 thanh ghi độc lập trong một câu lệnh đơnđược thực hiện trong một chu kỳ xung Kết quả của cấu trúc trở nên gọn nhẹ, hiệu quảhơn, trong khi vẫn đạt được thời gian xử lý nhanh hơn gấp 10 lần các vi điều khiểnCISC thông thường khác.

8K byte Flash trên chíp có thể lập trình với các khả năng đọc trong khi ghi While-Write), 512 byte EEPROM, 1K byte SRAM, 23 đường vào ra đa mục đích, 32thanh ghi đa mục đích, 3 Timer/Counter rất linh hoạt với các compare mode, các ngắttrong và ngắt ngoài, một bộ USART nối tiếp có thể lập trình được, ghép nối nối tiếp 2dây định hướng byte, 6 kênh ADC (8 kênh với loại TQFP và MLF packages) trong đó4 (hoặc 6) kênh có độ chính xác 10-bit và 2 kênh có độ chính xác 8-bit, WatchdogTimer có thể lập trình được với bộ dao động bên trong, một cổng nối tiếp SPI và 5mode tiết kiệm năng lượng có thể lựa chọn mềm.

Idle mode dừng CPU trong khi vẫn cho phép SRAM, Timer/Counters, cổng SPI,và hệ thống ngắt tiếp tục chức năng của chúng.

2.2.2.2 Khối xử lý trung tâm

Hình 2 4 Khối xử lý trung tâm

Thiết kế: xử dụng vi điều khiển atmega16Chức năng: xử lý toàn bộ tính năng của hệ thống.2.2.2.3 Khối cảm biến

Mạch sử dụng cảm biến LM35.Chân VCC: Nguồn 5V

Chân Anglog output: chân ADC1 của atmega16Chân GND: GND

17

2.2.2.4 Khối LCD

Hình 2 5 Khối LCD

Thiết kế: sử dụng LCD 1602.Chức năng: hiển thị kết quả.2.2.2.5 Khối nạp chip AVR USB

Hình 2 6 Khối nạp chip

Mạch nạp mã nguồn cho vi điều khiển trong Kit là loại mạch ISP thông dụng, cóthể tìm tháy dễ dàng ở các cửa hàng điện tử.

2.2.2.7 Khối LED đơn

Hình 2 9 Khối led đơn

19

Chức năng: Báo trạng thái logic của PORT-D (sáng mức logic 0, tắt mức logic1).

2.2.2.8 Khối LED 7 thanh

Hình 2 10 Khối led 7 thanh

Chức năng: hiển thị số 0-9, do người dùng định nghĩa.

2.3 Mạch in và sản phẩm thực tế

2.3.1 Mạch in

Mạch layout

Hình 2 11 Mạch in

Hình 2 14 Màn hình khởi động Microchip Studio 7

2.4.1.2Tạo và biên dịch Project trên Microchip Studio 7

Hình 2 15 Giao diện phần mềm Microchip Studio 7

Tạo mới Project Chọn menu Project và chọn New Projects.

Hình 2 16 Tạo mới project

Microchip Studio cho phép người lập trình tạo các Project bằng cả 2 ngôn ngữ Cvà Assembly Trong bài này sẽ ví dụ làm với 1 Project bằng ngôn ngữ C, để tạo Projectviết bằng C hãy chọn GCC C Exercutable Project

23

Hình 2 17 Tạo project bằng ngôn ngữ C

Sau khi ghi đầy đủ thông tin Project như tên Project, file viết code, thư mục chứaProject, chọn Next để tiếp tục.

Trong vùng Debug platform chọn AVR Simulator nếu muốn mô phòng chip AVRtrên máy tính hoặc chọn mạch nạp tương ứng muốn sử dụng, trong vùng Device chọnchip cần lập trình, ví dụ chọn chip Atmega16.

Hình 2 18 Chọn chip mô phỏng

Kết thúc việc tạo Project, chọn Finish.

Thực hiện viết code và biên dịch bằng phím F7 hoặc chọn menu Build và chọnBuild.

Hình 2 19 Build chương trình

2.4.2 Phần mềm nạp mã máy Prosig

Prosig phiên bản 1.72, dung lượng khoảng 3-4MB

25

Hình 2 20 Giao diện Prosig

Điều chỉnh Fuse&Lock cho Atmega16:

2.4.3 Xây dựng công thức tính nhiệt độ

LM35 là cảm biến nhiệt độ đầu ra là tín hiệu analog, cứ 10mV tương ứng với 1 độC, VD: 250mV là 25 độ C Việc đọc giá trị từ cảm biến này rất đơn giản do nó có ápOUTPUT MAX nhỏ hơn 2.56V lên ta sử dụng luôn áp nội của AVR để so sánh sẽchính xác hơn là dùng ổn áp ngoài cấp vào AREF Với áp nội thì chúng ta không phảitính toán nhiều mà ở chế độ ADC 10 bit có 1023 thang điện áp tương ứng 0-2.55V, từđó suy ra cứ một giá trị ADC là ứng với 2.5mV

Ta có công thức tính giá trị ADC (sử dụng điện áp tham chiếu 2.56V):

Đi nệ áp(mV)

2560 .1023= ADC

Từ đó ta tính được nhiệt độ (oC) bằng công thức:

Nhiệt độ = ADC.25

Bảng 2 3 Quy đổi điện áp, ADC, nhiệt độ

Đ a đi mị ể Nhi t đ hi n th (oC)ệ ộ ể ị

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Qua qua trình tìm hiểu lý thuyết, nghiên cứu, và tiến hành thực hiê ±n đề tài đồ án 2,em đã tiếp thu được nhiều kiến thức bổ ích, kinh nghiê ±m thực hành thực tế Em đãhoàn thành cơ bản đề tài với các chức năng và yêu cầu của đồ án.

Cho phép mạch kit kết nối, mở rộng thêm với các loại cảm biến khác như cảm biếnánh sáng, cảm biến chuyển động

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] https://mualinhkien.vn/cam-bien-nhiet-do-lm35-to92[2] https://chotroihn.vn/search?query=ISP

PHỤ LỤC

Phụ lục 1 Chương trình chính:

#include <avr\io.h>#define FRE 8#include "hunget_adc.h"#include "hunget_lcd.h"#include "thu_vien_rieng.h"int main()

{ INIT();

DO_NHIET_DO(); return 0;

}Phụ lục 2 Chương trình con:

void DO_NHIET_DO(){

//Khoi tao man hinh LCD

DDRD |= (1<<PD5); //chan dieu khien RW = 0 write/ = 1 readPORTD &= ~(1<<PD5);// RW = 0 thuc hien write ra lcd

LCD4_INIT(0,0);//Hien thi dong 1 LCDLCD4_CUR_GOTO(1,0);LCD4_OUT_STR("Tempature:");LCD4_CUR_GOTO(2,0);LCD4_OUT_STR("00.00 C");LCD4_CUR_GOTO(2,6);LCD4_OUT_DATA(223);unsigned long int nhietdo;unsigned long int nguyen;unsigned long int thapphan;for(;;)

nhietdo = ADC*25;thapphan = nhietdo%100;nguyen = (nhietdo - thapphan)/100;

LCD4_OUT_DEC(nguyen, 2);LCD4_CUR_GOTO(2,3);LCD4_OUT_DEC(thapphan, 2);DELAY_MS(200);}

32