Sử dụng vi Điều khiển avr Đọc giá trị nhiệt Độ, Độ ẩm Điều khiển quạt quận nhiệt và máy phun sương

Trong khuôn khô môn học “ Hệ thống nhúng”, chúng em đã có cơ hội tìm hiểu và thực hành về các thành phần chính của hệ thống nhúng, bao gồm vi điều khiến, cảm biến, các giao thức truyền t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

ĐỎ ÁN MÔN HỌC

DE TAI: SU DUNG VI DIEU KHIỂN AVR DOC GIA TRI NHIET DQ, DO AM DIEU KHIEN QUAT QUAN

NHIET VA MAY PHUN SUONG

Giảng viên hướng dẫn : — TS, HOÀNG ANH DŨNG Sinh viên thực hiện : HÀ TRỌNG PHƯƠNG NAM

NGUYEN ANH TUẦN NGUYEN VAN TUAN

Hà Nội, 10-2024

Lời mở đầu

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của công nghệ, hệ thống nhúng đã trở thành một phần không thê thiếu trong các thiết bị điện tử, từ các hệ thống đơn giản như đồng hồ điện tử, máy giặt, cho đến các hệ thống phức tạp hơn như điện thoại thông minh, hệ thống điều khiển trong xe hơi và các thiết bị tự động hóa Hệ thông nhúng không chỉ nâng cao hiệu xuất làm việc của thiết bị mà còn tối ưu hóa chỉ phí kích thước và năng lượng tiêu thụ

Trong khuôn khô môn học “ Hệ thống nhúng”, chúng em đã có cơ hội tìm hiểu

và thực hành về các thành phần chính của hệ thống nhúng, bao gồm vi điều khiến, cảm biến, các giao thức truyền thông, và các phương pháp lập trình để xây dựng những ứng dụng thực tế Báo cáo này tông kết lại quá trình học tập vả nghiên cứu của chúng em trong suốt học kỳ, bao gồm cả lý thuyết và các bài thực hành, nhằm giải quyết những

bai toán thực tế mà hệ thống nhúng mang lại

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn của thầy Hoàng Anh Dũng và

sự hỗ trợ từ nhà trường đã giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt môn học này

CHUONG I: TONG QUAN VE DE TAI

1 Giới thiệu về đề tài

1.1 Mô tả hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiến

Hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiến là 1 loại hệ thống điện tử thông

minh, có khả năng tự động giám sát, thu thập dữ liệu từ các cảm biến và điều khiển các

thiết bị đầu ra dựa trên các thiết đầu vào theo lập trình có sẵn Trong hệ thống này, vi

điều khiển đóng vai trò là trung tam xu ly, nhận đữ liệu từ các cảm biến ( cảm biến nhiệt độ, độ ầm ) sau đó sử dụng các thuật toán để điều khiến các thiết bị ngoại vĩ như quạt, máy phun sương, quận nhiệt dựa trên ngưỡng thiết lập trước

Quá trình này hoạt động hoàn toàn tự động và không cần sự can thiệp của con người sau khi hệ thống được lập trình và cài đặt hoàn chỉnh Vi điều khiển có thể điều khiến các thiết bị theo thời gian thực, từ đó giúp duy trì các điều kiện môi trường ổn định, đáp ứng các yêu cầu cụ thé cua ứng dụng

Tầm quan trọng của việc giám sát và điều khiến nhiệt độ, độ ấm trong các hệ thông Nhiệt độ độ âm là 2 yếu tố môi trường quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phần và sự an toản trong nhiều ứng dụng như :

- Nông nphiệp: Nhiệt độ, độ 4m ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của cây trồng trong nhà kính

- _ Kho bảo quản: Trong các kho lưu trữ thực phẩm, thuốc, hoặc các sản phân công nghệ cao, kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ, độ âm là cần thiết dé ngăn ngừa hư hỏng

- _ Phòng thí nghiệm, sản suất: Nhiệt độ và độ âm ôn định là điều kiện cần thiết để đảm bảo quá trình sản suất hoặc thí nghiệm diễn ra đúng đúng yêu cầu kĩ thuật Nếu không có hệ thống giam sát và điều khiến tự dong, việc duy trì các thông số nhiệt

độ và độ âm sẽ phụ thuộc vảo con người, dễ dẫn đến sai sót và mắt nhiều thời gian, công sức Hệ thống tự động giúp đảm bảo quá trình kiểm soát nhiệt độ

1.2 Lý do chọn vi điều khiến AVR để thực hiện đề tài

Vi điều khiển AVR được thiết kế bởi hãng atmel là một trong những dòng ví điều khiến phô biên, được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm sau:

Dễ lập trình: AVR sử dụng kiến trúc RISC với các tập lênh đơn giản, đễ học và

dễ triển khai, phù hợp cho cả người mới bắt đầu và các dự án phức tạp Tốc độ xử lý nhanh: với cầu trúc RISC, vi điều khiến AVR có thê thực hiện các lệnh trong 1 chu kỳ xung nhịp, mang lại hiệu xuất cao, giúp hệ thống đáp ứng

kịp thời với các tín hiệu cảm biến và điều khiến thiết bị

Tiêu thụ năng lượng thấp: AVR tiêu thụ ít năng lượng, phù hợp cho các ứng dụng yêu câu hoạt động lâu dài mà không cần nhiều điện năng, đặc biệt trong

các hệ thông nhỏ gọn vả tiết kiệm năng lượng

Hỗ trợ nhiều giao tiếp: Ví điều khiên AVR có khả năng giao tiếp với nhiều loại

cảm biến và thiết bị thông qua các giao tiếp chuẩn như UART, SPI, I2C giúp việc kết nối và điều khiến trở nên linh hoạt

Cộng đồng hỗ trợ lớn: Vì là dòng vi điều khiển phô biến, AVR có cộng đồng người dùng lớn và tai liệu hỗ trợ phong phú, đễ dàng tìm kiếm tải nguyên học tập, giúp cho quá trình phát triển hệ thông nhanh chóng hơn

Việc chọn vi điều khiên AVR cho đề tài này không chỉ phù hợp về mặt kỹ thuật mà

con dam bảo tính khả thi va hiệu quả trong việc xây dựng hệ thống điều khiển tự động cho các ứng dụng giám sát nhiệt độ, độ âm

Hình 1.1: Vi điều khiển AVR

2 Mục tiêu nghiên cứu

2.1 Thiết kế và triển khai hệ thống giám sát và điều khiến nhiệt độ, độ âm

- Hệ thông sẽ bao pôm các cảm biên đê đọc thông sô môi trường, vi điêu khiên

để xử lý và ra quyết định điều khiến, cũng như các thiết bị đầu ra như quạt, quận nhiệt và máy phun sương để thay đổi điều kiện môi trường khi cần thiết

- Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và hiện thực một hệ thống điều khiến tự

động để giam sat va điều chỉnh nhiệt độ, độ âm trong môi trường sử dụng vi

điều khiển AVR

2.1 đọc giá trị nhiệt độ và độ âm từ cảm biến và điều chỉnh thiết bị

- — Vi điều khiến sẽ được lập trinh dé thu thập dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ và

độ âm trong thời p1an thực Các cảm biên sẽ cung câp giá trị nhiệt độ và độ âm hiện tại của môi trường cho vi điêu khiến Dữ liệu này sẽ được xử lý đề xác định xem các thông số có nằm trone khoảng giá trị mong muốn hay không -_ Khi giá trị nhiệt độ hoặc độ âm vượt quá ngưỡng đã định trước, vĩ điều khiên sẽ kích hoạt các thiết bị điều khiến tương ứng

- Hệ thống sẽ liên tục theo dõi và điều chỉnh cho đến khi đạt được các thông sỐ môi trường tối ưu Điều này không chỉ đảm bảo môi trường được duy trì ở trạng thái mong muốn mà còn giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách chỉ kích hoạt các

thiết bị khi cần thiết

3 Phạm vi ứng dụng

Hệ thống giam sat va diéu khién tu động nhiệt độ, độ âm sử dung vi diéu khién AVR có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong các môi trường yêu câu kiêm soát chặt chẽ về điêu kiện nhiệt độ và độ âm đề đảm bao chat lượng và hiệu quả hoạt động Dưới đây là một số ứng dụng tiêu biểu:

1 Nhà kính nông nghiệp

Trong các nhà kính, việc kiểm soát nhiệt độ và độ 4m là yếu tổ quan trọng để tối ưu hóa quá trình sinh trưởng của cây trồng Hệ thông này giúp tự động điều chỉnh môi trường bên trong nhà kính, đảm bảo rằng nhiệt độ không quá cao hoặc quá thấp, đồng thời duy trì độ âm ở mức tối ưu Điều nảy giúp cây trồng phát triển nhanh, khỏe mạnh, đồng thời tiết kiệm năng lượng và nước

điều kiện lý tưởng, kéo đài thời gian sử dụng

Phòng thí nghiệm Trong các phòng thí nghiệm, đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh, hóa học hoặc công nghệ sinh học, việc kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và độ âm là bắt buộc

để đảm bảo tính chính xác của các thí nghiệm và chất lượng của mẫu vật Hệ thông này có thể tự động giám sát các thông số môi trường và điều chỉnh các thiết bị như quạt hoặc hệ thống lam 4m dé dam bảo điều kiện môi trường đạt chuẩn

Phòng sản xuất Trong các nhà máy hoặc dây chuyền sản xuất yêu cầu kiểm soát chặt chẽ điều kiện môi trường, ví dụ như trong sản xuất linh kiện điện tử, dệt may hoặc chế biến thực pham, nhiệt độ và độ âm không ổn định có thể sây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng sản phâm Hệ thống này có thế được triển khai để đảm bảo rằng các thông số môi trường luôn ở mức phù hợp, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm

Trung tâm đữ liệu và phòng máy chủ Đối với các trung tâm dữ liệu và phòng máy chủ, việc kiểm soát nhiệt độ

và độ âm là vô cùng quan trọng để đảm bảo hoạt động liên tục của các thiết bị điện tử và máy tính Hệ thống này có thể tự động điều chỉnh quạt làm mát hoặc

hệ thống làm âm để giữ cho các thiết bị hoạt động trong điều kiện an toàn, giảm nguy cơ hư hỏng do quá nhiệt hoặc độ âm không ổn định

CHUONG II: HE THONG DIEU KHIỂN DUA TREN VI DIEU

KHIEN AVR

2.1 Thiết kế phần cứng

Phần cứng là phần mềm nền tảng quan trọng trong bất kì hệ thống điều khiến nao Dé xây dụng một hệ thống có thể đo đạc nhiệt độ, độ ẩm và điều khiển quạt quận nhiệt và máy phun sương, chúng ta cần thiết kế sơ đồ mạch điện hợp lý với các thành phần chính bao gồm: vi điều khiển AVR, cảm biến nhiệt độ và độ âm, reley để điều khiến quạt và máy phun sương, và một số linh kiện khác như điện trở, tụ điện và diode

2.2 Tổng quan về sơ đồ mạch điện

Sơ đỗ tông quan mạch điện của hệ thông sẽ bao gồm các phần chính như sau:

- _ Vi điều khiến AVR (Atmega328p): là trung tâm điều khiển, nhập dữ liệu từ cảm

biến và xử lý để điều khiên các thiết bị ngoại VI

- Cảm biến nhiệt độ và độ âm (LM35): Dữ liệu từ cảm biến như DHTTII hoặc

DHTT22 được truyền đến các chân GPIO của vi điều khiến AVR

- Reley: là thiết bị điều khiển đóng ngắt các dòng điện chó các thiết bị công xuất lớn hơn như quạt quận nhiệt và máy phun sương Reley sẽ được điều khiển bởi

các tín hiệu của vi điều khiển AVR

- _ Quạt, quận nhiệt và máy phun sương: đây là hai thiết bị đầu ra chính, được điều chỉnh dựa trên các thông số nhiệt độ và độ âm được đo từ cảm biến

Sơ đồ mạch điện cần đảm bảo các kết nối đúng giữa các thiết bị và đảm bảo các tín hiệu điều khiển được truyền chính xác từ vi điều khiển đến các reley điều khiển thiết

bị

2.3 Tong quan ve vi diéu khién AVR

vi điều khiển AVR để điều khiển toàn bộ hệ thống, và chúng em đã chọn sử dung vi diéu khién Atmega328p, la 1 thành viên trong dòng điều khiển 8-bít AVR do atmel (nay la mét phan cua microchip technology) phat triên Atmepa32 được sử dụng phỏ biến trong các ứng dụng nhúng nhờ khả năng linh hoạt, dễ lập trình và giá thành

Bộ nhớ Flash: 32kb, dùng để lưu trữ chương trình

SRAM: 2kb, sử dụng cho bộ nhớ làm việc tạm thời (RAMI)

EEROM: Ikb, có thể ghi và đọc lại đữ liệu, giúp lưu trữ thông tin mà không bị mat khi tắt nguồn

Số chân I/O: 23 chân

Số kênh PWM: 6 chân

Điện áp hoạt động: từ 1.8V DC đến 5.5V DC

Số chân ngõ vảo analog: 6 chân

Cách giao tiếp và ngoại vĩ

Atmega328p được tích hợp nhiều giao diện và ngoại ví cho các ứng dụng điều khiến: ADC-10bit: Có 8 kênh, cho phép chuyên đôi tín hiệu tương tự sang số USART (Universal Synchronous/Asynchronous Recetiver/Transmitter): Giao tiếp nối tiếp phô biến

SPI (Serial Peripheral Interface): Giao tiếp song song giữa vi điều khiển và các tín hiệu ngoại v1 khác

I2C (Inter-integrated circuit): Giao tiếp 2 dây, thường được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu kết nối thiết bị

Timer/counter: Có 3 bộ timer/counter với nhiều chế độ hoạt động

PWM: hỗ trợ điều khiển động cơ, đèn LED hoặc các ứng dụng tương tự Ngắt ngoài: Có thể kích hoạt các ngắt ngoài thông qua chân ngắt (INTO, INT1) Nguồn điện và tiết kiệm năng lương

Điện áp hoạt động: 1.8V-5.5V (Trong các ứng dụng sử dụng nguồn 5V), nhưng

có thể hoạt động ở mức điện áp thấp hơn khi sử dụng các phiên bản khác nhau Chế độ tiết kiệm năng lượng: Atmesa328p có các chế độ sleep dé giảm tiêu thụ năng lương khi hệ thông không cần hoạt động đây đủ

.Ứng dụng

Atmesa32 được ứng dụng rộng rãi trone các ứng dụng như

Robot tự động: điều khiến các bộ phận cảm biến, động cơ và hệ thông giao tiếp

Hệ thông nhúng: Điều khiến các hệ thông nhúng, bao gồm các thiết bị gia dung,

y tế và công nghiệp

Thiết bị đo lường và điều khiển: Dùng trong các trạng thái đo lường nhiệt độ,

độ âm, hoặc các thông số môi trường khác

Ứng dụng giáo dục: nhờ cấu trúc phô biến dễ học, atmega32 thường được sử

dụng trong các khoa học về vi điều khiến

Công cụ lập trình

- Ngôn ngữ lập trình: Atmesa328p thường được lập trình bằng ngôn ngữ C, các

IDE phé bién nhu Atmel studio va trinh bién dich AVR GCC

- Phuong thitc lap trinh: Su dung phwong thie IPS ( In- system Programing), cho

phép lập trình trực tiếp trên mạch mả không cần tháo rời chip

Có thê chia các module LCD thành 2 loại chính:

-Loại hiển thị ký tự (character LCD): 16x1 (16 ký tự xI dòng), 16x2, 16x4, 20x1, 20x2, 20x4, 40x1, 40x2, 40x4 Mỗi ký tự được tạo bởi một ma trận các điểm sáng kích

thước 5x7 hoặc 5x10 điểm ảnh

-Loại hiến thị đỗ hoa (graphic LCD): den trang hodc mau g6m có các kích cỡ: 1.8 inch, 2.4 inch, 3.5 inch, 7 inch,

Hình 2.6 Phân loại LCD

Bảng 2.1 Chức năng của các chân trên LCD

VSS Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND

của mạch điều khiển

VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế chân mạch ta nỗi chân này

với VCC=5V của mạch điều khiên VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD

RS Chân chọn thanh ghi Nỗi chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic

“1” (VCC) dé chon thanh ghi:

+ Logic “0”: Bus DO - D7 sé néi với thanh ghi lệnh IR của LCD

hoặc nỗi với bộ đếm địa chi cia LCD+ Logic “1”: Bus DO - D7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD

R/W Chân chọn chê độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với

logic “0” để LCD hoạt độn

E Cho phép chân (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus D0 -

D7, các lệnh chỉ được phép chấp nhận khi có một xung cho phép

của chân E

+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyên vào thanh ghi

bên trong nó khi phát hiện một xung của tín hiệu chan E