Luận văn, khóa luận tốt nghiệp, báo cáo là sản phẩm kiến thức, là công trình khoa học đầu tay của sinh viên, đúc kết những kiến thức của cả quá trình nghiên cứu và học tập một chuyên đề, chuyên ngành cụ thể. Tổng hợp các đồ án, khóa luận, tiểu luận, chuyên đề và luận văn tốt nghiệp đại học về các chuyên ngành: Kinh tế, Tài Chính Ngân Hàng, Công nghệ thông tin, Khoa học kỹ thuật, Khoa học xã hội, Y dược, Nông Lâm Ngữ... dành cho sinh viên tham khảo. Kho đề tài hay và mới lạ giúp sinh viên chuyên ngành định hướng và lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp, thực hiện viết báo cáo luận văn và bảo vệ thành công đồ án của mình.
Trang 1Đề tài Ứng dụng ATMEGA16 thiết kế và xây dựng
chương trình mạch đo nhiệt độ
Trang 2PHẦN A: PHẦN MỞ ĐẦU
1 Đặt vấn đề.
Ngày nay, với sự phát triển của công nghiệp vi điện tử, kỹ thuật số các hệ thống
đo lường và điều khiển dần dần được tự động hóa Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lí, vi mạch số … đựơc ứng dụng vào lĩnh vực đo lường và điều khiển,thì các hệ thống đo lường và điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lí chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống đo lường và điều khiển tựđộng với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước
Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp hiện nay, việc đo và khống chế nhiệt độ tự động là một yêu cầu hết sức cần thiết và quan trọng Vì nếu nắm bắt được nhiệt độ làm việc của các hệ thống, dây chuyền sản xuất… giúp ta biết được tình trạng làm việc của chúng và có những xử lý kịp thời tránhđược những hư hỏng và sự cố có thể xảy ra
Nhận biết được tầm quan trọng của việc đo và khống chế nhiệt độ và đồng thời đây cũng là đồ án môn học nên nhóm sinh viên đã quyết tâm nghiên cứu đề tài này , một phần vừa để kiểm chứng khả năng kiến thức của bản thân , hai là để trau dồi thêm những kiến thức mà mình còn thiếu để có thể phục vụ học tập mộtcách tốt nhất
2 Giới thiệu đề tài.
Đề tài “Thiết kế mạch đo nhiệt độ” của chúng em gồm hai phần chính:+ Phần 1 là phần Cơ sơ lý thuyết, phần này em đi sâu nghiên cứu lý thuyếtcủa những thiết bị sẽ được sử dụng trong mạch đo nhiệt độ đó là lý thuyết củacảm biến, bộ biến đổi tương tự – số và cấu trúc máy vi tính Phần này chiếm vị
Trang 3trí hết sức quan trọng trong đồ án, nó chính là nền tảng cho việc lựa chọn linhkiện và thiết kế mạch một cách thích hợp nhất Nói cách khác phần 1 là phần cơ
sở để thực hiện phần 2
+ Phần 2 là phần thực hành lắp ráp mạch, phần này là phần chứng minh sựhiểu biết của chúng em về lý thuyết dựa trên việc ứng dụng lý thuyết vào thực
tế Ở phần này, em thực hiện việc thiết kế, tính toán và lựa chọn linh kiện chomạch Sau cùng là việc kiểm tra mạch, tinh chỉnh và thiết kế mạch
+ Mặt khác quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài là một cơ hội để chúng
em tự phát huy tính sáng tạo, khả năng giải quyết một vấn đề theo yêu cầu đặtra
+ Ngoài ra đồ án này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho những sinhviên khóa sau Giúp họ hiểu rõ hơn về mạch đo nhiệt độ và sẽ giúp họ một phầnnào trong việc hoàn chỉnh hệ thống đo và không chế nhiệt độ
+ Để làm được một mạch thật hoàn chỉnh chúng em phải trải qua rất nhiềukhâu Qua đây chúng em có một cách nhìn tổng quát cho một dây chuyền sảnxuất các ứng dụng của ngành điện tử
Chính những lợi ích đó cũng là những mục đích mà nhóm sinh viên chúng
em mong muốn đặt được
Trang 4Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng Nó xuấthiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng,điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động…
Vi điều khiển AVR
Vi điều khiển AVR (Atmel Norway design) thuộc họ vi điều khiển Atmel,
nó là họ Vi điều khiển khá mới trên thị trường cũng như đối với người sử dụng.Đây là họ Vi Điều Khiển được chế tạo theo kiến trúc RISC (Reduced IntructionSet Computer) có cấu trúc khá phức tạp Ngoài các tính năng như các họ VĐKkhác, nó còn tích hợp nhiều tính năng mới rất tiện lợi cho người thiết kế và lậptrình
Trang 5Sự ra đời của AVR bắt nguồn từ yêu cầu thực tế là hầu hết khi cần lậptrình cho vi điều khiển, chúng ta thường dùng những ngôn ngữ bậc cao HLL(Hight Level Language) để lập trình ngay cả với loại chip xử lí 8 bit trong đóngôn ngữ C là ngôn ngữ phổ biến nhất Tuy nhiên khi biên dịch thì kích thướcđoạn mã sẽ tăng nhiều so với dùng ngôn ngữ Assembly Hãng Atmel nhận thấyrằng cần phải phát triển một cấu trúc đặc biệt cho ngôn ngữ C để giảm thiểu sựchênh lệch kích thước mã đã nói trên Và kết quả là họ vi điều khiển AVR rađời với việc làm giảm kích thước đoạn mã khi biên dịch và thêm vào đó là thựchiện lệnh đúng đơn chu kỳ máy với 32 thanh ghi tích lũy và đạt tốc độ nhanhhơn các họ vi điều khiển khác từ 4 đến 12 lần Vì thế nghiên cứu AVR là một
đề tài khá lý thú và giúp cho sinh viên biết thêm một họ vi điều khiển vào loạimạnh nhất hiện nay
Tổng quan về vi điều khiển atmega16
Giới thiệu
ATMEGA 16 là bộ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ điện năng thấp dựatrên kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer) Với công nghệ này chophép các lệnh thực thi chỉ trong một chu kì xung nhịp, vì thế tốc độ xử lý dữliệu có thể đạt đến 1 triệu lệnh trên giây ở tần số 1 Mhz Vi Điều Khiển này chophép người thiết kế có thể tối ưu hoá mức độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảmbảo tốc độ xử lí
Phần cốt lõi của AVR kết hợp tập lệnh phong phú về số lượng với 32 thanh ghi làm việc đa năng Toàn bộ 32 thanh ghi đều được nối trực tiếp với ALU (Arithmetic Logic Unit), cho phép truy cập 2 thanh ghi độc lập bằng một chu kì xung nhịp Kiến trúc đạt được có tốc độ xử lý nhanh gấp 10 lần vi điều
Trang 6khiển dạng CISC (Complex Intruction Set Computer) thông thường.
- 32x8 thanh ghi làm việc đa dụng
- 8kb Flash ROM lập trình được ngay trên hệ thống
+ Giao diện nối tiếp SPI cho phép lập trình ngay trên hệ thống
- Tốc độ xử lí lệnh đến 8 MIPS ở 8 MHz nghĩa là 8 triệu lệnh trên giây
- Bộ đếm thời gian thực (RTC) với bộ dao động và chế độ đếm tách biệt
- 2 bộ Timer 8 bit và 1 bộ Timer 16 bit với chế độ so sánh và chia tần sốtách biệt và chế độ bắt mẫu
- Ba kênh điều chế độ rộng xung PWM
- Có đến 13 interrupt ngoài và trong
- Bộ định thời Watchdog lập trình được, tự động reset khi treo máy
- Bộ so sánh tương tự
Trang 7- Ba chế độ ngủ: chế độ rỗi (Idle), tiết kiệm điện (Power save) và chế độ
Ý nghĩa các chân của ATMEGA 16
- VCC: Điện áp nguồn nuôi
- GND: Nối mass
- AVCC: cấp điện áp so sánh cho bộ ADC.
- AREF: điện áp so sánh tín hiệu vào ADC.
- PortA (PA7…PA0): PortA là Port vào/ ra hai hướng 8 bit, các chân củaPort có các điện trở nối lên nguồn dương Các chân ra của Port A có thể chophép dòng điện 20mA đi qua và trực tiếp điều khiển LED hiển thị
Khi các chân PA0 đến PA7 là các lối vào và được đặt xuống mức thấp từbên ngoài, chúng sẽ là nguồn dòng nếu các điện trở nối lên nguồn dương đượckích hoạt Các chân của cổng A ở vào trạng thái có điện trở cao khi tín hiệureset ở mức tích cực hoặc ngay cả khi không có tín hiệu xung clock
Trang 8Port A: cung cấp các đường địa chỉ/ dữ liệu vào/ ra hoạt động theo kiểu đa
hợp kênh khi dùng bộ nhớ SRAM ở bên ngoài Port A còn có thêm chức năng
là ngõ vào tương tự và đưa đến bộ chuyển đổi AD
Các Port B, C, D tương tự như Port A
- RESET: Lối vào đặt lại Bộ vi điều khiển sẽ được đặt lại khi chân này ởmức thấp trong hơn 50ns, các xung ngắn hơn không tạo ra tín hiệu đặt lại
- XTAL1: Lối vào bộ khuếch đại đảo và lối vào mạch tạo xung nhịp bêntrong
- XTAL2: Lối ra bộ khuếch đại đảo
- XTAL1 và XTAL2 lần lượt là lối vào và lối ra của một bộ khuếch đạiđảo Bộ khuếch đại này được bố trí để làm bộ tạo dao động trên chip Một bộtinh thể thạch anh hoặc một bộ cộng hưởng gốm có thể được sử dụng Để điềukhiển bộ vi điều khiển từ một nguồn xung nhịp bên ngoài, chân XTAL2 đểtrống, còn chân XTAL1 được nối với bộ dao động bên ngoài
- ICP: Là chân vào cho chức năng bắt tín hiệu vào bộ timer/ counter1
- OC1B: Là chân ra PWM, ngõ ra so sánh của timer/ counter1
- ALE: Là chân tín hiệu cho phép chốt địa chỉ được dùng khi truy nhập bộ
nhớ ngoài Xung ALE được dùng để chốt 8 bit địa chỉ thấp vào một bộ chốt địachỉ trong chu kỳ truy cập bộ nhớ thứ nhất Sau đó các chân AD0-7 được dùnglàm các đường dữ liệu trong chu kỳ truy nhập bộ nhớ thứ hai
2.Cảm biến nhiệt LM35.
LM35 là một họ IC cảm biến nhiệt độ sản xuất theo công nghệ bán dẫndựa trên các chất bán dẫn dễ bị tác động bởi sự thay đổi của nhiệt độ , đầu racủa cảm biến là điện áp(V) tỉ lệ với nhiệt độ mà nó được đặt trong môi trườngcần đo.Họ LM35 có rất nhiều loại và nhiều kiểu đóng vỏ khác nhau
Trang 9Cảm biến nhiệt độ LM35
Nguyên lý làm việc :
- Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tínhvới nhiệt độ môi trường
Khi làm việc LM35 sẽ làm việc dựa vào sự thay đổi nhiệt độ làm cho điện
áp ra thay đổi Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch.Đặc điểm nổi bật :
+ Độ chính xác cao, cảm biến nhạy, ở nhiệt độ 250°C nó sai số không quá1%
+ Đo nhiệt độ với thang đo nhiệt bách phân (0°C)
+ Độ phân giải : 10mV/1°C
+ Khả năng đo nhiệt độ trong khoảng: - 55 đến +150 (0°C)
+ Nguồn áp hoạt động : 4V đến 30V
+ Điện áp đầu ra : +6V đến -1V
+ Dòng làm việc : từ 400μA đến 5mA
Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo,chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản
Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền Nếu vượt ngưỡng bảo vệ
có thể làm hỏng cảm biến
Trang 10+ Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệcác mạch điện tử.
Trang 11Trong một số LCD 2 chân LED nền được đánh số 15 và 16 nhưng trongmột số trường hợp 2 chân này được ghi là A (Anode) và K (Cathode) Hìnhdưới đây mô tả cách kết nối LCD với nguồn và mạch điều khiển.
Trang 12Kết nối Text LCD.
Chân 1 và chân 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 1biến trở chia áp như trong hình 2.Trong khi hoạt động, chỉnh để thay đổi giá trịbiến trở để đạt được độ tương phản cần thiết, sau đó giữ mức biến trở này Cácchân điều khiển RS, R/W, EN và các đường dữ liệu được nối trực tiếp với viđiều khiển Tùy theo chế độ hoạt động 4 bit hay 8 bit mà các chân từ D0 đến D3
có thể bỏ qua hoặc nối với vi điều khiển
4 Thạch anh.
Trang 13-Thạch anh điện tử: là một linh kiện làm bằng tinh thể đá thạch anh đượcmài phẳng và chính xác Linh kiện thạch anh làm việc dựa trên hiệu ứng ápđiện Hiệu ứng này có tính thuận nghịch Khi áp một điện áp vào 2 mặt củathạch anh, nó sẽ bị biến dạng Ngược lại, khi tạo sức ép vào 2 bề mặt đó, nó sẽphát ra điện áp.
- Như vậy nếu ta đặt một điện áp xoay chiều vào thì nó sẽ biến dạng theotần số của điện áp đó
Khi thay đổi đến một tần số nào đó, thì nó sẽ cộng hưởng Mạch tương đươngcủa nó gồm một L và một C nối tiếp với nhau Cả cụm ấy song song với một Ckhác và một R cách điện
- Tần số cộng hưởng của Thạch anh tùy thuộc vào hình dáng và kích thướccủa nó Mỗi tinh thể thạch anh có 2 tần số cộng hưởng: tần số cộng hưởng nốitiếp, và tần số cộng hưởng song song Hai tần số này khá gần nhau và có trị sốkhá bền vững, hầu như rất ít bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường bênngoài Ngoài ra, hệ số phẩm chất của mạch cộng hưởng rất lớn, nên tổn hao rấtthấp
- Mạch dao động thạch anh: cho ra tần số rất ổn định, sử dụng rất nhiềutrong các đồng hồ điện tử (như đồng hồ đeo tay, đồng hồ để bàn ), trong cácthiết bị đo lường điện tử (tạo xung chuẩn), trong mạch đồng bộ màu của TV,VCR, trong các thiết bị tin học (máy vi tính, các thiết bị nối với máy vi tính),trong các nhạc cụ điện tử như Piano điện, organ
-Mạch lọc tích cực dùng Thạch anh: sử dụng nhiều trong các mạch khuếchđại trung tần của các máy thu thông tin liên lạc, TV, Radio
5 Diod :
Trang 14-Mô tả: Diode được cấu tạo từ 2 lớp bán dẫn tiếp xúc với nhau Diode có
2 cực Anốt và Katốt Nó chỉ cho dòng điện đi theo 1 chiều từ Anốt sangKatốt(Chính xác là khả năng cản trở dòng điện theo chiều AK là rất nhỏ,Còn KA là rất lớn) Nó được dùng như van 1 chiều trong mạch điện -Phân loại:
Theo chức năng có một số loại diode ngoài diode chuẩn Một số loại diodethường gặp:
Diode chuẩn phổ biến: 4007,4004,…
+ Led: Diode có khả năng phát sáng
+ Diode zener: dùng để ổn định điện áp Hoạt động ở chế độ phân cựcngược(KA)
+ Photo diode: Khi không có ánh sáng nó hoạt động như 1 diode thườngcòn khi có ánh sáng nó dẫn theo cả 2 hướng (KA,AK)
Trang 15Có 1 loại diode có tác dụng đặc biệt đó là diode zener dùng để ổn áp.
Led(Light Emitting Diode) : Là diode có khả năng phát sáng các bảng điện
tử mà các bạn nhìn thấy trên phố là tập hợp của rất nhiều led
Tác dụng của led là làm đèn báo
Diode phát laze cũng là 1 loại led
Điều cần ghi nhớ đó là hiệu điện thế giữa 2 đầu của diode khoảng 0,6V
6 Tụ.
Tụ điện là linh kiện cũng được dùng phổ biến như điện trở Sự khác nhaugiữa tụ điện và điện trở đó là sự cản trở của tụ điện phụ thuộc vào tần số điện
áp Đặc trưng cho tính cản trở của tụ là dung kháng
Tính theo công thức sau:
C: giá trị của tụ điện- Fara
Ký hiệu của tụ điện:
Trang 16Tụ điện phân cực Tụ điện không phân cực.
Sự khác nhau giữa tụ phân cực và không phân cực: Tụ không phân cực thì
2 cực của tụ có vai trò như nhau, giá trị của tụ không phân cực thườngnhỏ( picro Fara) Tụ phân cực thì có 2 cực tính dương và âm không thể dùnglẫn lộn Giá trị của tụ phân cực thường lớn 1 đến hàng ngàn uF(Micro Fara)
- Phân loại:
Tụ điện trong thực tế được phân ra làm nhiều loại và theo nhiều cách khácnhau nhưng có thể kể ra là: tụ thường, tụ hóa, tụ xoay, vv
+ Theo chất liệu có tụ giấy, tụ gốm, tụ sứ, vv…
+ Bản chất tụ điện là một kho điện nó có khả năng nạp điện và cho tới khi
đã bão hòa thì nó sẽ lại phóng điện
Trang 17Cách đoc giá trị tụ điện:
- Tụ không phân cực, phổ biến là tụ gốm( tụ đất), đọc giống đọc trở dán.Đơn vị là pF
- Tụ phân cực( tụ hóa) giá trị và cực tính ghi trên tụ
dụ 7805 ổn áp 5V, 7812 ổn áp 12V
Trang 18Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tự nhau, dưới đây là minh họa cho
IC ổn áp 7805
Sơ đồ phía dưới IC 7805 có 3 chân:
+ Chân số 1 là chân IN (hình vẽ trên)
+ Chân số 2 là chân GND (hình vẽ trên)
+ Chân số 3 là chân OUT (hình vẽ trên)
Ngõ ra OUT luôn ổn định ở 5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi.Mạch này dùng để bảo vệ những mạch điện chỉ hoạt động ở điện áp 5V (cácloại IC thường hoạt động ở điện áp này) Nếu nguồn điện có sự cố đột ngột:điện áp tăng cao thì mạch điện vẫn hoạt động ổn định nhờ có IC 7805 vẫn giữđược điện áp ở ngõ ra OUT 5V không đổi
Mạch trên lấy nguồn một chiều từ một máy biến áp với điện áp từ 7V đến9V để đưa vào ngõ IN Khi kết nối mạch điện, do nhiều nguyên nhân, ngườidùng dễ nhầm lẫn cực tính của nguồn cung
Chương 2 : Thiết kế và láp ráp mạch.
1. Sơ đồ nguyên lý mạch.
Trang 19a. Khối nguồn.
b. Khối tạo xung sử dụng thạch anh
c. Các chân nạp chip
d. Khối hiển thị sử dụng LCD
Trang 20e. Khối thu và xử lý tín hiệu sử dụng LM35 và ATMEGA16.
f. Sơ đồ tổng quát
Trang 212. Lắp ráp mạch.
- mạch được lắp ráp và kiểm tra theo sơ đồ nguyên lý đã có ở trên
3 cosde lập trình
/*****************************************************This program was produced by the
CodeWizardAVR V1.25.8 Standard
Automatic Program Generator
© Copyright 1998-2007 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l
http://www.hpinfotech.com
Project :
Trang 22Chip type : ATmega16
Program type : Application
Clock frequency : 4.000000 MHz
Memory model : Small
External SRAM size : 0
Data Stack size : 256
Trang 23// Read the 8 most significant bits
// of the AD conversion result
unsigned char read_adc(unsigned char adc_input)
{
ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff);
// Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage
delay_us(10);
// Start the AD conversion
ADCSRA|=0x40;
// Wait for the AD conversion to complete
while ((ADCSRA & 0x10)==0);
// Declare your local variables here
// Input/Output Ports initialization
// Port A initialization
Trang 24// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=InFunc0=In
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=TState0=T
