Báo Cáo Đề Tài Thiết Kế Bộ Đo Nhiệt Độ Cầm Tay.pdf

BÁO CÁO:ĐỒ ÁN II

Đề tài : Thiết kế bộ đo nhiệt độ cầm tay

Hà Nội, 2/2023

Lời nói đầu Mục lục

Danh mục hình ảnh

Chương 1 Yêu cầu và kết quả cần đạt 1.1

Sơ đồ các khối trong bộ đo nhiệt độ

Chương 2 Thiết kế phần cứng

2.1 Thiết kế , tính toán khối nguồn:

Hình 1 Sơ đồ nguồn sử dụng pin lithium 186505

Do yêu cầu máy đo nhiệt độ cầm tay sử dụng pin Nhóm đã chọn pin lithium 18650 (3.7V-3400mAh) làm nguồn cấp cho mạch điện:

Pin 18650 là pin có kích thước 18mm x 65mm Mã pin 18650 dành riêng cho kích thước của pin lithium-ion với nhiều thương hiệu sản xuất như pin panasonic, sony,ansmann, akasha… đã trở thành tiêu chuẩn vàng mới cho pin có thể thay thế và có thể sạc lại.

Pin 18650 cung cấp hiệu suất của một pin lithium-ion, công suất trong khoảng 1800mAh đến khoảng 3500mAh và công suất 3,7 volt Chúng được sử dụng trong một loạt các thiết bị từ máy tính xách tay đến con trỏ laser và các phụ kiện máy ảnh như gimbals và thanh trượt, đèn pin…

Pin sạc 18650 cung cấp hiệu suất tốt nhất của bất kỳ pin sạc nào người tiêu dùng đang sử dụng Chúng không dễ bị hỏng khi sạc trước khi được xả hoàn toàn (như trường hợp của pin cadmium niken).

Nhờ những đặc điểm phù hợp với một thiết bị đo nhiệt độ cầm tay tiêu thụ năng lượng thấp Pin lithium hoàn toàn phù hợp với yêu cầu đề tài Nhưng có một vấn đề đặt ra là: pin lithium cung cấp 1 đầu ra dao động từ 2.4V => 4.2v(khi sạc đầy), nhưng các loại chiphiện tại chỉ hoạt động tối ưu nhất khi cấp 1 điện áp ổn định 3.3V Để đáp ứng yêu cầu đó, bọn em sử dụng IC RT-9013 để tạo ra 1 điện áp ổn định 3.3V và dòng ra 500mA để cấp cho mạch điện.

2.1.1 RT-9013:

2.1.1.1 Nguyên lý hoạt động của nguồn tuyến tính:

Mô hình của một bộ chuyển đổi điện áp vô cùng đơn giản, dựa trên nguyên lý hoạt động của cặp điện trở phân áp Theo đó điện áp VOUT có giá trị bằng điện áp rơi trên R2, được tính bằng công thức sau:

Bằng cách thay đổi giá trị của biến trở R1, chúng ta có thể thay đổi được giá trị điện áp ở đầu ra Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm như sau: Khi điện áp đầu vào thay đổi, cần phải điều chỉnh R1 bằng tay để giữ nguyên giá trị điện áp VOUT Vì vậy đây là một giải pháp phi thực tế:

Hình 2 Mô hình cơ bản nguồn tuyến tính hiện nay

Hình 2 trình bày đơn giản hóa nguyên lý của hầu hết các nguồn tuyến tính hiện nay, bằng cách sử dụng MOSFET Q1 thay cho biến trở R1 (Hình 2B) Để hiểu được lý do của sự thay đổi này, chúng ta cần ôn lại một chút kiến thức cơ bản về MOSFET.

Hình 3 Đặc tuyến của 1 MOSTFET kênh N

Khi cấp một điện áp VGS vào cực Gate của MOSFET, sẽ có dòng điện IDS chạy trong MOSFET, đồng thời có một điện áp VDS rơi giữa hai cực Drain và Source Ở vùng tuyến

tính (Linear Region) trên đặc tuyến của MOSFET, chúng ta thấy khi IDS tăng thì VDS cũng tăng với tỷ lệ gần như không đổi Đặc điểm này của vùng tuyến tính tương tự như đặc tính của một điện trở – khi dòng điện đi qua điện trở tăng thì điện áp rơi trên trở cũngtăng với hệ số nhân là giá trị của điện trở Một đặc điểm khác của MOSFET đó là khi thay đổi điện áp VGS thì RDS cũng thay đổi Như vậy có thể coi MOSFET khi làm việc ở vùng tuyến tính là một biến trở có thể thay đổi giá trị bằng cách thay đổi điện áp VGS cấp vào giữa hai cực Gate và Source Khi mắc MOSFET với tải theo dạng phân áp, chúngta sẽ tạo ra sự chuyển đổi từ điện áp cao xuống điện áp thấp.

Điều này có nghĩa là, nếu có một cơ chế điều khiển điện áp VGS một cách tự động, chúng ta có thể tạo ra một nguồn điện có điện áp ra ổn định, dù cho điều kiện hoạt động của tải có thay đổi Đây chính là nguyên lý cơ bản của một bộ nguồn tuyến tính.

Hình 4 Cấu trúc đơn giản hóa của một nguồn tuyến tính

Hình 4 mô tả một cấu trúc tiêu biểu của các nguồn tuyến tính hiện đại Theo đó, một nguồn tuyến tính thường bao gồm các thành phần cơ bản sau: Một thành phần cho dòng điện chạy qua và gây ra một điện áp rơi trên nó, gọi là “Pass Element” Thành phần này thường là FET, MOSFET, hoặc BJT mắc theo kiểu Darlington hoạt động ở vùng tuyến tính Như đã nói ở trên, tại vùng làm việc tuyến tính, nó có tính chất như một điện trở, cũng là thành phần gây ra sự giảm áp ở đầu ra so với đầu vào Điện áp ở đầu ra sẽ được cảm nhận và so sánh với một giá trị điện áp tham chiếu (Reference Voltage – VREF) bởi bộ so sánh “Error Amplifier” Đầu ra của bộ so sánh này sẽ là đầu vào của “Gate Drive” –bộ điều khiển điện áp trên cực Gate của Pass Element để bảo đảm điện áp tại đầu ra luôn ổn định Cơ chế cảm nhận sự thay đổi ở đầu ra, sau đó đưa ra những thay đổi để ổn định lại thông số ở đầu ra này được gặp rất nhiều trong các mạch điện tử, được gọi là “feedback”.

2.1.1.2 RT9013:

Hình 5 IC RT-9013

RT9013 là bộ điều chỉnh LDO 500mA hiệu suất cao,cung cấp PSRR cực cao và tỷ lệ bỏ học cực thấp Lý tưởng cho các ứng dụng không dây và RF di động với yêu cầu khắt khe yêu cầu về hiệu suất và không gian Dòng tĩnh RT9013 thấp tới 25μA, hơn nữa kéo dài tuổi thọ pin RT9013 cũng hoạt động với tụ gốm ESR thấp, giảm số lượng bo mạchkhông gian cần thiết cho các ứng dụng năng lượng, quan trọng trong các thiết bị không dây cầm tay RT9013 tiêu thụ 0,7μA thông thường ở chế độ tắt máy và có thời gian bật nhanh dưới 40μs Các tính năng khác bao gồm điện áp rơi cực thấp, độ chính xác đầu ra cao, bảo vệ giới hạn hiện tại và tỷ lệ loại bỏ gợn sóng cao.

Hình 6 Thông số cơ bản của LDO RT-9013

Hình 7 Sơ đồ khối của RT-90132.1.2 TP4056:

Hình 8 IC TP-4056

Để sạc pin cho mạch, nhóm bọn em sử dụng IC TP4056 TP4056 là bộ sạc tuyến tính dòng điện không đổi/điện áp không đổi hoàn chỉnh cho một pin lithium-ion Gói SOP củanó và số lượng thành phần bên ngoài thấp làm cho TP4056 lý tưởng phù hợp cho các ứngdụng di động Hơn nữa, TP4056 có thể hoạt động trong USB và tường bộ chuyển đổi Không cần điốt chặn do kiến trúc PMOSFET bên trong và đã ngăn điện tích âm của dòngmạch sạc Phản hồi nhiệt điều chỉnh dòng sạc để hạn chế chết nhiệt độ trong quá trình vận hành công suất cao hoặc nhiệt độ môi trường xung quanh cao Điện áp sạc là cố định ở mức 4,2V và dòng sạc có thể được lập trình bên ngoài bằng một điện trở Các TP4056 tự động kết thúc chu kỳ sạc khi dòng sạc giảm xuống 1/10 giá trị được lập trình sau khi đạt được điện áp thả nổi cuối cùng Các tính năng khác bao gồm màn hình hiện tại, khóa

dưới điện áp, sạc lại tự động và hai chân trạng thái để biểu thị kết thúc sạc và sự hiện diệncủa điện áp đầu vào.

Thông số cơ bản TP-40562.2 Lựa chọn khối MCU

2.3 Lựa chọn cảm biến 2.3.1 Giao tiếp One-Wire

OneWire là hệ thống bus giao tiếp được thiết kế bởi Dallas Semiconductor Corp Giống như tên gọi, hệ thống bus này chỉ sử dụng 1 dây để truyền nhận dữ liệu

Chính vì chỉ sử dụng 1 dây nên giao tiếp này có tốc độ truyền thấp nhưng dữ liệu lại truyền được khoảng cách xa hơn

OneWire chủ yếu sử dụng để giao tiếp với các thiết bị nhỏ, thu thập và truyền nhận dữ liệu thời tiết, nhiệt độ,… các công việc không yêu cầu tốc độ cao

Giống như các chuẩn giao tiếp khác, 1-Wire cho phép truyền nhận dữ liệu với nhiều Slave trên đường truyền Tuy nhiên chỉ có thể có 1 Master ( điểm này giống với SPI)

Hoạt động của giao tiếp One-Wire: Đường dây luôn được giữ ở mức cao (High)

Các thao tác hoạt động cơ bản của bus sẽ được quy định bởi thời gian kéo đường truyền xuống mức thấp (Low) như hình vẽ dưới

Có 4 thao tác cơ bản như sau:

Giải thích ý nghĩa :

Gửi bit 1: Khi muốn gửi đi bit 1, thiết bị Master sẽ kéo bus xuống mức 0trong một khoảng thời gian A (µs) và trở về mức 1 trong khoảng B (µs)

Gửi bit 0: Thiết bị Master kéo bus xuống mức 0 trong một khoảng thời gianC (µs) và trở về mức 1 trong khoảng D (µs)

Đọc bit: Thiết bị Master kéo bus xuống 1 khoảng A (µs) Trong khoảng thờigian E (µs) tiếp theo, thiết bị master sẽ tiến hành lấy mẫu Có nghĩa trong E(µs) này, nếu bus ở mức 1, thiết bị master sẽ đọc bit 1 Ngược lại, nếu bus ởmức 0 thì master sẽ đọc được bit 0

Reset: Thiết bị Master kéo bus xuống 1 khoảng thời gian H (µs) và sau đóvề mức 1 Khoảng thời gian này gọi là tín hiệu reset Trong khoảng thời gian I(µs) tiếp theo, thiết bị master tiến hành lấy mẫu Nếu thiết bị slave gắn với busgửi về tín hiệu 0, (tức bus ở mức 0), master sẽ hiểu rằng slave vẫn có mặt vàquá trình trao đổi dữ liệu lại tiếp tục Ngược lại nếu slave gửi về tin hiệu 1( bus ở mức 1) thì master hiểu rằng không có thiết bị slave nào tồn tại và dừngquá trình

Bảng giá trị thời gian:

Có thể đo dải giá trị nhiệt độ từ -55 ° C đến + 125 ° với độ chính xác khá tốt ± 5°C Mỗi cảm biến có một địa chỉ duy nhất để truyền dữ liệu qua một chân của MCU, vì vậy đây làlựa chọn rất tốt để đo nhiệt độ tại nhiều điểm mà không ảnh hưởng nhiều đến các chân digital trên bộ vi điều khiển

Thông số kỹ thuật

Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số một dây, nghĩa là nó chỉ yêu cầu một dây data (và GND) để giao tiếp với MCU

Nó có thể được cấp nguồn bằng nguồn điện bên ngoài hoặc có thể lấy nguồn từ dây data (được gọi là parasite mode), giúp loại bỏ nhu cầu về nguồn điện bên ngoài

Mỗi cảm biến nhiệt độ DS18B20 có một mã sê-ri 64 bit duy nhất Điều này cho phép ta nối nhiều cảm biến với cùng một dây dữ liệu Vì vậy, ta có thể lấy nhiệt độ từ nhiều cảm biến chỉ bằng một chân GPIO

Cảm biến nhiệt độ DS18B20 cũng có phiên bản chống thấm nước

Sơ đồ chân Mã ROM 64 bit:

Mỗi DS18B20 đều có mã định danh với độ lớn 64 bit duy nhất được lưu trong ROM - 8 bit thấp nhất của ROM chứa đựng mã quy ước của họ dòng đo nhiệt độ 1 dây DS18B20 với mã là :28h

- 48 bit tiếp theo là số serial duy nhất của thiết bị

- 8 bit cuối cùng mà mã kiểm tra CRC tính toán từ 56 bit trước

Bộ nhớ

Bộ nhớ của DS18B20 bao gồm bộ nhớ nháp (SRAM scratchpad), thanh ghi lưu trữ kíchhoạt cảnh báo cao và thấp (TH và TL) và thanh ghi cấu hình, cả hai thanh ghi này đềutrang bị bộ nhớ EEPROM Lưu ý rằng nếu nếu chức năng cảnh báo không được sử dụngthì thanh ghi TH và TL có thể được sử dụng như bộ nhớ đa mục đích.Byte 0 và Byte 1của bộ nhớ nháp chứa đựng LSB và MSB của thanh ghi nhiệt độ Những Byte này chỉ cóthể đọc Byte 2 và 3 truy cập thanh ghi TH và TL Byte 4 chứng đựng dữ liệu của thanhghi cấu hình Byte 5, 6 và 7 để dành riêng cho sử dụng bởi thiết bị, ta không thể ghi đếncác byte này Byte 8 chứa đựng mã CRC của byte 0 đến byte 7 của bộ nhớ nháp Dữ liệu trong các thanh ghi EEPROM không mất đi khi ngắt nguồn cấp; khi có nguồncấplại dữ liệu trong các thanh ghi này sẻ được nạp vào bộ nhớ nháp theo vị trí byte tươngứng Dữ liệu này có thể nạp lại bằng lệnh từ EEPROM bằng lệnh E2 [B8h]

Bộ nhớ SRAM scratchpad

Thanh ghi cấu hình:

Byte thứ 4 của bộ nhớ nháp chứa đựng thanh ghi cấu hình, với tổ chức như hình bên dưới Người dùng có thể thiết lập độ phân giải của DS18B20 sử dụng bit R0 và R1 Khi cấp nguồn mặt định R0=1, R1=1 (độ phân giải 12 bit) Bit thứ 7 và bit 0 đến bit 4trong thanh ghi cấu hình được để dành riêng cho thiết bị và không thể ghi đè

Bảng cấu hình độ phân giải và thời gian chuyển đổi tương ứng

Các lệnh cơ bản:

SEARCH ROM [F0h]

- Khi hệ thống đươc cấp nguồn, thiết bị đóng vai trò master phải xác định mã ROM của tất cả các thiết bị slave được đấu trên cùng bus, việc làm này cho phép thiết bị master xácđịnh số lượng thiết bị salve và kiểu thiết bị

READ ROM (33h)

- Lệnh này chỉ dùng khi trên bus có 1 cảm biến DS1820, nếu không sẽ xảy ra xung đột trên bus do tất cả các thiết bị tớ cùng đáp ứng Nó cho phép đọc 64 bit mã ROM (8 bit mãđịnh tên linh kiện (10h), 48 bit số xuất xưởng, 8 bit kiểm tra CRC) và không sử dụng quy trình Search Rom

MATCH ROM (55h)

- Lệnh này được gửi đi cùng với 64 bit ROM tiếp theo, cho phép bộ điều khiển bus chọn ra chỉ một cảm biến DS1820 cụ thể khi trên bus có nhiều cảm biến DS1820 cùng nối vào.Chỉ có DS1820 nào có 64 bit trên ROM trung khớp với chuỗi 64 bit vừa được gửi tới mớiđáp ứng lại các lệnh về bộ nhớ tiếp theo Còn các cảm biến DS1820 có 64 bit ROM không trùng khớp sẽ tiếp tục chờ một xung reset Lệnh này được sử dụng cả trong trường hợp có một cảm biến một dây, cả trong trường hợp có nhiều cảm biến một dây SKIP ROM (CCh)

- Thiết bị master có thể sử dungj lệnh này để gửi đến tất cả các thiết bị slave trên bus một các đồng thời mà không cần gửi mã ROM định danh của thiết bị Ví dụ như thiết bị master ra lệnh cho tất cả các DS18B20 trên Bus chuyển đổi nhiệt độ một cách đồng thời bởi gửi lệnh SKIP ROM và lệnh CONVERT T (44h)

- Lưu ý rằng lệnh READ SCRATCHPAD có thể theo sau lệnh SKIP ROM chỉ khi trên bus chỉ có một thiết bị slave Trong trường hợp này, ta tiết kiệm được thời gian bởi nó cho phép đọc từ thiết bị slave mà không cần gửi mã ROM của thiết bị Trong trường hợp trên bus có nhiều thiết bị tớ nếu ta sử dụng 2 lệnh này sẻ xãy ra xung đột dữ liệu ALARM SEARCH (ECh)

- Tiến trình của lệnh này giống hệt như lệnh Search ROM, nhưng cảm biến DS1820 chỉ đáp ứng lệnh này khi xuất hiện điều kiện cảnh báo trong phép đo nhiệt độ cuối cùng Điều kiện cảnh báo ở đây được định nghĩa là giá trị nhiệt độ đo được lớn hơn giá trị TH và nhỏ hơn giá trị TL là hai giá trị nhiệt độ cao nhất và nhiệt độ thấp nhất đã được đặt trên thanh ghi trong bộ nhớ của cảm biến

- Sau khi thiết bị chủ (thường là một vi điều khiển) sử dụng các lệnh ROM để định địa chỉ cho các cảm biến một dây đang được đấu vào bus, thiết bị chủ sẽ đưa ra các lệnh chứcnăng DS1820 Bằng các lệnh chức năng thiết bị chủ có thể đọc ra và ghi vào bộ nhớ nháp(scratchpath) của cảm biến DS1820 khởi tạo quá trình chuyển đổi giá trị nhiệt độ đo được và xác định chế độ cung cấp điện áp nguồn Các lệnh chức năng có thể được mô tả ngắn gọn như sau:

WRITE SCRATCHPAD (4Eh)

- Lệnh này cho phép ghi 2 byte dữ liệu vào bộ nhớ nháp của DS1820 Byte đầu tiên được ghi vào thanh ghi TH (byte 2 của bộ nhớ nháp) còn byte thứ hai được ghi vào thanh ghi TL (byte 3 của bộ nhớ nháp) Dữ liệu truyền theo trình tự đầu tiên là bit có ý nghĩa nhất và kế tiếp là những bit có ý nghĩa giảm dần Cả hai byte này phải được ghi trước khi thiếtbị chủ xuất ra một xung reset hoặc khi có dữ liệu khác xuất hiện

READ SCRATCHPAD (BEh)

- Lệnh này cho phép thiết bị chủ đọc nội dung bộ nhớ nháp Quá trình đọc bắt đầu từ bit có ý nghĩa nhất của byte 0 và tiếp tục cho đến byte thứ 9 (byte 8 – CRC) Thiết bị chủ có thể xuất ra một xung reset để làm dừng quá trình đọc bất kỳ lúc nào nếu như chỉ có một phần của dữ liệu trên bộ nhớ nháp cần được đọc

COPYSCRATCHPAD (48h)

- Lệnh này copy nội dung của hai thanh ghi TH và TL (byte 2 và byte 3), và thanh ghi cấuhình từ bộ nhớ nháp đến bộ nhớ EEPROM Nếu cảm biến được sử dụng trong chế độ sử dụng nguồn ký sinh, trong 10us (tối đa) sau khi truyền lệnh này, thiết bị master phải cho phép một "strong pullup" lên bus

CONVERT T (44h)

- Lệnh này khởi động một quá trình đo và chuyển đổi giá trị nhiệt độ thành số (nhị phân) Sau khi chuyển đổi giá trị kết quả đo nhiệt độ được lưu trữ trên thanh ghi nhiệt độ 2 byte trong bộ nhớ nháp Trong thời gian đang chuyển đổi nếu thực hiện lệnh đọc thì các giá trị đọc ra đều bằng 0

READ POWER SUPPLY (B4h)

- Một lệnh đọc tiếp sau lệnh này sẽ cho biết DS1820 đang sử dụng chế độ cấp nguồn như thế nào, giá trị đọc được bằng 0 nếu cấp nguồn bằng chính đường dẫn dữ liệu và bằng 1 nếu cấp nguồn qua một đường dẫn riêng

Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến hoạt động với giao thức 1-wire Nó nó yêu cầu chân data được kết nối với bộ viđiều khiển bằng một điện trở pull-up và hai chân còn lại được sử dụng để cấp nguồn như hình dưới đây

Điện trở pull-up được sử dụng để giữ đường truyền dữ liệu ở trạng thái logic cao khikhông sử dụng Giá trị nhiệt độ do cảm biến đo được sẽ được lưu trong thanh ghi 2bytebên trong cảm biến

Dữ liệu này có thể được đọc bằng cách sử dụng giao thức 1-wire bằng cách gửi theo mộtchuỗi dữ liệu Có hai lệnh được gửi để đọc các giá trị, một là lệnh ROM và lệnh kia làlệnh function

Ứng dụng :

Đo nhiệt độ trong nhà thông minh: Bạn có thể sử dụng cảm biến DS18B20để đo nhiệt độ trong nhà của bạn và điều chỉnh hệ thống điều hòa, quạt haybơm nước để tạo môi trường thoải mái nhất

Đo nhiệt độ trong ứng dụng công nghiệp: Cảm biến DS18B20 có thể đượcsử dụng để đo nhiệt độ trong các ứng dụng công nghiệp, ví dụ như trong hệthống làm mát hoặc trong các quá trình sản xuất

Đo nhiệt độ trong thiết bị y tế: Cảm biến DS18B20 có độ chính xác cao vàan toàn cho sức khỏe, vì vậy nó có thể được sử dụng trong các thiết bị y tế đểđo nhiệt độ của bệnh nhân