Lý do chọn đề tài: Tăng cường sự ổn định của nhiệt độ trong các môi trường như phòng máy tính,phòng thí nghiệm là yếu tố quan trọng đối với việc bảo dưỡng và bảo quản thiết bị.Nhu cầu ng
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
GIỚI THIỆU VỀ VĐK PIC
Vi điều khiển PIC (Peripheral Interface Controller) là một dòng vi điều khiển phổ biến do Microchip Technology sản xuất, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như điện tử tiêu dùng, ô tô, thiết bị y tế, và hệ thống điều khiển công nghiệp.
Dưới đây là một số đặc điểm tổng quan về vi điều khiển PIC:
Vi điều khiển PIC sử dụng kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computing), cho phép xử lý nhanh chóng nhờ vào các lệnh đơn giản và hạn chế Các phiên bản vi điều khiển PIC, bao gồm PIC16, PIC18, PIC24, dsPIC và PIC32, được thiết kế để phục vụ cho nhiều ứng dụng khác nhau, mang lại hiệu suất tối ưu cho người dùng.
Vi điều khiển PIC có nhiều phiên bản với dung lượng bộ nhớ RAM và bộ nhớ Flash khác nhau Một số phiên bản tích hợp bộ nhớ lưu trữ nội (on-chip) và cho phép mở rộng thông qua bộ nhớ ngoại vi.
Vi điều khiển PIC sở hữu nhiều tính năng nổi bật, bao gồm các kênh ADC (Analog-to-Digital Converter) giúp xử lý tín hiệu analog, cùng với khả năng giao tiếp qua các giao diện như UART, SPI, I2C, USB và Ethernet Ngoài ra, nó còn hỗ trợ các chức năng nâng cao như PWM (Pulse-Width Modulation), bộ đếm và bộ xung nhịp (timer).
Microchip cung cấp bộ công cụ phát triển phần mềm (SDK) cho vi điều khiển PIC, bao gồm trình biên dịch, trình biên tập mã, trình gỡ lỗi và các công cụ hỗ trợ khác Các ngôn ngữ lập trình phổ biến cho vi điều khiển PIC là C và Assembly.
Microchip cung cấp một loạt tài liệu và nguồn hỗ trợ cho vi điều khiển PIC, bao gồm datasheet, hướng dẫn sử dụng, ví dụ ứng dụng và diễn đàn trực tuyến, giúp người dùng dễ dàng chia sẻ kinh nghiệm và trao đổi thông tin.
Vi điều khiển PIC được ưa chuộng nhờ vào tính đơn giản, độ tin cậy cao và tiêu thụ điện năng thấp Cộng đồng lớn và phát triển mạnh mẽ xung quanh PIC, cùng với sự hỗ trợ từ Microchip, đã góp phần vào sự phổ biến của dòng sản phẩm này, cho phép tích hợp nhiều giao diện và tính năng phong phú.
CÁC MODUL VÀ LINH KIỆN
Text LCD là loại màn hình tinh thể lỏng chuyên dụng để hiển thị chữ và số theo mã ASCII, khác với các màn hình LCD lớn hơn Mỗi ô của Text LCD chỉ hiển thị một ký tự ASCII và được chia thành các ô riêng biệt, do đó được gọi là Text LCD để phân biệt với Graphic LCD có khả năng hiển thị hình ảnh Các ô này chứa các chấm tinh thể lỏng, và việc điều khiển chúng để hiện hoặc ẩn sẽ tạo thành ký tự cần hiển thị Kích thước của Text LCD được xác định bởi số ký tự trên mỗi dòng và tổng số dòng, ví dụ như LCD 16x2 có 2 dòng với tối đa 16 ký tự mỗi dòng Một số kích thước phổ biến của Text LCD bao gồm 16x1, 16x2, 16x4, 20x2, và 20x4.
Màn hình LCD có hai giao thức cơ bản là nối tiếp (như I2C) và song song Bài viết này sẽ tập trung vào giao tiếp song song, cụ thể là màn hình LCD 16x2 được điều khiển bởi chip HD44780U của hãng Hitachi Đối với các loại LCD khác, bạn cần tham khảo datasheet riêng của từng loại Chip HD44780U được coi là chuẩn chung cho các màn hình LCD, do đó bạn có thể sử dụng chương trình ví dụ trong bài viết này để điều khiển các loại LCD khác với một số điều chỉnh nhỏ cho phù hợp.
HD44780U là bộ điều khiển cho màn hình LCD dạng ma trận điểm, có khả năng hỗ trợ hiển thị 1 hoặc 2 dòng Chip này cung cấp hai chế độ giao tiếp là 4 bit và 8 bit, giúp linh hoạt trong việc kết nối Ngoài ra, HD44780U tích hợp sẵn 208 ký tự mẫu với kích thước font 5x8 và 32 ký tự mẫu với kích thước font 5x10, phục vụ cho nhiều ứng dụng hiển thị khác nhau.
Chức năng Số thứ tự chân Tên Trạng thái logic Mô tả
Tương phản 3 Vee - 0 – Vdd Điều khiển
Ghi (Từ PIC vào LCD) Đọc (từ LCD vào PIC)
Bảng 1 Chức năng chân của LCD
Các chân Vcc, Vss và Vee:
Chân Vcc cấp nguồn dương 5v, chân Vss nối đất, chân Vee được dùng để điều khiển độ tương phản của màn hình LCD.
Khi ở mức thấp, chỉ thị được truyền đến LCD như xóa màn hình, vị trí con trỏ…Khi ở mức cao kí tự được truyền đến LCD.
Chân này được sử dụng để xác định hướng dữ liệu giữa LCD và vi điều khiển; khi ở mức thấp, dữ liệu được ghi vào LCD, còn khi ở mức cao, dữ liệu được đọc từ LCD Nếu chỉ cần ghi dữ liệu lên LCD, có thể nối chân này xuống GND để tiết kiệm chân.
LCD cho phép truy cập và xuất dữ liệu thông qua chân RS và R/W Khi chân E ở mức cao (1), LCD sẽ kiểm tra trạng thái của hai chân này và phản hồi tương ứng Để chốt dữ liệu trên các chân dữ liệu, cần phải áp dụng một xung từ mức cao xuống thấp, với độ rộng tối thiểu là 450ns Ngược lại, khi chân E ở mức thấp (0), LCD sẽ bị vô hiệu hóa và bỏ qua tín hiệu từ hai chân RS và R/W.
Chân D0-D7: Đây là 8 chân dữ liệu 8 bit, dùng để gửi thông tin lên LCD hoặc để đọc nội dung của thanh ghi trong LCD.
LCD có 2 chế độ giao tiếp:
Chế độ 4-bit sử dụng 4 chân dữ liệu từ D4 đến D7 để truyền dữ liệu, trong khi chế độ 8-bit sử dụng cả 8 chân từ D0 đến D7 Khi truyền 1 byte trong chế độ 4-bit, nửa cao của byte sẽ được truyền trước, sau đó mới đến nửa thấp của byte.
Trước khi hiển thị ký tự trên màn hình LCD, cần thiết lập các thông số như chế độ 4-bit hoặc 8-bit, số dòng hiển thị (1 dòng hoặc 2 dòng) và chức năng bật tắt con trỏ.
Hình 2: Sơ đồ chân LCD
Kết nối Text LCD với Vi điều khiển
Chân 1 và 2 là các chân nguồn, được nối với GND và nguồn 5V Chân 3 là chân chỉnh độ tương phản (contrast), chân này cần được nối với 1 biến trở để đạt được độ tương phản cần thiết, sau đó giữa mức biến trở này Các chân điều khiển RS, R/W,
EN và các đường dữ liệu được kết nối trực tiếp với vi điều khiển Tùy thuộc vào chế độ hoạt động 4bit hoặc 8bit, các chân từ D0 đến D3 có thể được bỏ qua hoặc kết nối với vi điều khiển Chúng ta sẽ xem xét chi tiết hơn trong các phần tiếp theo.
Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động quan trọng, được ứng dụng phổ biến trong các mạch điện tử như mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu và mạch tạo dao động Chúng có chức năng nạp và xả điện, đồng thời giúp ổn định điện áp đầu ra.
Điện trở là một linh kiện quan trọng trong thiết bị điện tử, được chế tạo từ các hợp chất cacbon và kim loại Tùy thuộc vào tỷ lệ pha trộn của các thành phần này, người ta có thể tạo ra các điện trở với trị số khác nhau.
Trong mạch sử dụng biến trở 10k để điều chỉnh độ sáng tối cho LCD
Trong mạch sử dụng thạch anh 20Mhz để tạo dao động cho PIC 18F4520
Bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp này có độ chính xác cao, với điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ theo thang độ Celsius Đặc biệt, sản phẩm không cần phải hiệu chỉnh ngoài, vì đã được cân chỉnh sẵn.
Hình 3: Cảm biến nhiệt độ LM35 Đặc điểm chính của cảm biến LM35
+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V
+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC
+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C
+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải
Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C - 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
Tính toán nhiệt độ đầu ra của LM35.
Trong đó: t là nhiệt độ môi trường.
K là hệ số theo nhiệt độ của LM35 10mV/1 o C
Giả sử điện áp Vcc cấp cho LM35 là 5V ADC 10bit
Vậy bước thay đổi của LM35 sẽ là :
Giá trị ADC đo được từ điện áp đầu vào của LM35 là
Vậy nhiệt độ ta đo được là.
+ Tại 0 độ C thì điện áp của LM35 là 10mV
+ Tại 150 độ C thì điện áp của LM35 là 1.5V
==> Giải điện áp ADC biến đổi là 1.5 - 0.01 = 1.49 (V)
+ ADC 10 bit nên bước thay đổi của ADC là :
Vậy sai số của hệ thống đo là :
NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH
Ngôn ngữ lập trình cho PIC rất phong phú, bao gồm cả ngôn ngữ cấp thấp như MPLAB, được cung cấp miễn phí bởi Microchip Ngoài ra, còn có các ngôn ngữ lập trình cấp cao hơn như C, Basic, và Pascal Đặc biệt, một số ngôn ngữ như PICBasic và MikroBasic được phát triển riêng cho PIC, mang lại sự linh hoạt và tiện ích cho lập trình viên.
1.4.1 Khung một chương trình viết cho vi điều khiển
//khai báo các thư viện, ví dụ:
#pragma config WDT = OFF int x; char m[10]; void high_isr (void);
//viết các chương trình con, ví dụ: void high_isr (void)
Một hằng số thông thường được định nghĩa bởi từ khoá const:
Ví dụ: const unsigned int c = 100; const unsigned char tens[] = { 1, 10, 100, 1000 };
Hằng số trong ROM được định nghĩa bởi từ khoá rom: unsigned char rom coolant_temp = 0x02 ;
Một mảng các giá trị nằm trong ROM có thể được địng nghĩa như sau: unsigned char rom anh_so[] {
THIẾT KẾ MẠCH
MỤC ĐÍCH YÊU CẦU
Mạch ổn định nhiệt độ phòng được thiết kế nhằm duy trì nhiệt độ ổn định trong các hệ thống và thiết bị, điều này cực kỳ quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và độ tin cậy cao Các lĩnh vực như y tế, công nghiệp, và điện tử thường sử dụng mạch này để đảm bảo hiệu suất tối ưu và an toàn trong hoạt động.
Để bảo vệ linh kiện điện tử và các thành phần trong hệ thống, việc duy trì nhiệt độ ổn định là rất quan trọng Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp có thể gây tổn hại cho các linh kiện, vì vậy mạch ổn định nhiệt độ phòng giúp giữ nhiệt độ trong khoảng an toàn, từ đó bảo vệ linh kiện khỏi hư hỏng và kéo dài tuổi thọ của chúng.
Độ ổn định và độ tin cậy của nhiệt độ là yếu tố cực kỳ quan trọng trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực y tế Việc duy trì nhiệt độ ổn định cho các thiết bị y tế như máy quét MRI và thiết bị xạ trị không chỉ đảm bảo kết quả chính xác mà còn góp phần nâng cao sự an toàn cho bệnh nhân.
Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, việc duy trì nhiệt độ ổn định là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phẩm Do đó, mạch ổn định nhiệt độ phòng được sử dụng rộng rãi để điều khiển và điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình sản xuất, giúp các doanh nghiệp công nghiệp đạt được kết quả mong muốn.
Mục đích chính của thiết kế mạch ổn định nhiệt độ phòng là duy trì nhiệt độ ổn định, chính xác và đáng tin cậy trong các ứng dụng yêu cầu, đồng thời bảo vệ linh kiện và thiết bị khỏi các tổn thương do nhiệt độ không ổn định.
Mạch ổn định nhiệt độ phòng cần đáp ứng các yêu cầu sau:
Để đảm bảo độ chính xác cao trong việc đo và duy trì nhiệt độ, mạch cần sử dụng các cảm biến nhiệt độ chính xác và áp dụng các thuật toán điều khiển phức tạp.
Mạch ổn định nhiệt độ cần đảm bảo duy trì nhiệt độ ổn định trong thời gian dài mà không có sự dao động lớn, nhằm đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong các ứng dụng.
Mạch cần có khả năng đáp ứng nhanh trong một số ứng dụng để điều chỉnh nhiệt độ kịp thời khi có sự thay đổi nhanh chóng trong môi trường xung quanh.
Mạch điện cần được thiết kế với các cơ chế bảo vệ nhằm bảo vệ linh kiện và thiết bị khỏi tình trạng quá nhiệt hoặc quá lạnh Điều này có thể được thực hiện thông qua việc kích hoạt các biện pháp như cắt nguồn hoặc giảm công suất khi cần thiết.
Mạch ổn định nhiệt độ phòng cần có khả năng tích hợp linh hoạt vào các hệ thống và thiết bị khác nhau Để đảm bảo hiệu quả, nó phải hỗ trợ nhiều cổng giao tiếp và giao thức, cho phép tương tác mượt mà với các phần mềm và thiết bị trong hệ thống.
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
1.6.1 Sơ đồ khối mạch ổn định nhiệt độ phòng
Hình 5: Sơ đồ nguyên lý mạch ổn định nhiệt độ phòng
1.6.3 Chức năng các khối trong mạch
Gồm các linh kiện sau:
-Tụ gốm 10uF , trở 10k, nút nhấn
-Được nối với chân 1 ( MCLR /VPP/RE3) của PIC 18F4520 để Reset toàn bộ mạch về trạng thái ban đầu.
Hình 7: Khối tạo dao động
Tạo dao đông cho mạch.
-Gồm có cảm biến nhiệt độ LM35 và tụ gốm 104 lọc nhiễu cho tín hiệu.
-Khối cảm biến LM35 dùng để cảm biến nhiệt độ môi trường rồi chuyển đến khối ADC treeb PIC 18F4520.
Khối xử lí tín hiệu
Hình 9: Khối xử lý tín hiệu
Chức năng của thiết bị là tiếp nhận tín hiệu tương tự và chuyển đổi chúng thành tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi ADC (Analog Digital Converter) Sau đó, tín hiệu số này sẽ được gửi đến khối hiển thị để trình bày thông tin.
LCD 16×2A: hiển thị kết quả đoc được lên màn hình.
VR1: Điều chỉnh độ sáng tối của LCD
Hình 11: Lưu đồ thuật toán
KẾT QUẢ THỰC HIỆN
SẢN PHẨM
Hình 13: Khi mạch ở nhiệt độ lý tưởng
Hình 14: Khi mạch ở nhiệt độ dưới mức lý tưởng
Hình 15: Khi mạch ở nhiệt độ trên mức lý tưởng
Hình 16: Giao diện chính của MPLAP
Hình 17: Chức năng cài đặt nhiệt độ ngưỡng
Hình 18: Các chức năng khi nhiệt độ thay đổi
KIỂM THỬ SẢN PHẨM
Nhiệt độ(℃) Kết quả Thời gian phản hồi( ₛ ) Đánh giá
-15-10 không chính xác Do mạch không được thiết kế cho môi trường có độ ẩm cao dễ bị hỏng các modul và linh kiện
10-40 Chính xác 5 ở nhiệt độ này mạch hoạt động tốt nhưng thời gian phản hồi còn mất nhiều thời gian
40-60 Không ổn định 5 Do môi trường nhiệt độ không được ổn định khiến mạch không đo được chính xác
Trên 60 Không đo được Do cảm biến nhiệt độ không chịu được nhiệt độ cao dẫn tới bị cháy phần bọc nhựa gây hỏng cảm biến lm35
Bảng 2: Kết quả kiểm thử
