thiết kế kỹ thuật về pic16f877a đo nhiệt độ dùng lm35, hiển thị lên lcd

Kĩ thuật vi điều khiển hiện nay rất phát triển, nó đáp ứng được nhu cầu của nhiều ngành, lĩnhvực sản xuất công nghiệp, tự động hóa, trong đời sống …So với kĩ thuật số thì kĩ thuật vi điề

BÁO CÁO ĐỀ TÀI THIẾT KẾ KỸ THUẬT VỀ PIC16F877A

ĐO NHIỆT ĐỘ DÙNG LM35, HIỂN THỊ LÊN LCD

Lời nói đầu.

Thế kỉ 21 mở ra một thời đại mới, thời đại khoa học công nghệ đòi hỏi con người luôn luônkhông ngừng tìm tòi học hỏi để phát triển và tiến bộ Với sự nhảy vọt của khoa học, kĩ thuật điện điện

tử mà vì thế trong một thời gian ngắn nó đã đạt được những thành tựu to lớn trong hầu hết các lĩnh vựctrong đời sống xã hội Thiết bị và công nghệ ngày càng đổi mới để góp phần nâng cao chất lượng cuộcsống Ngày nay các thiết bị vi điều khiển có ứng dụng càng rộng rãi với ưu điểm nhỏ gọn, linh hoạt và

có thể điều khiển được rộng rãi Vi điều khiển càng ngày càng chiếm lĩnh và đóng vai trò cực kì quantrọng trong kĩ thuật điều khiển và tự động hóa

Giờ đây với nhu cầu chuyên dụng hóa, tối ưu ( thời gian , không gian, giá thành) bao mật, tínhchủ động linh hoạt trong công nghệ …ngày càng đòi hỏi khắt khe việc đưa ra công nghệ mới trong lĩnhvực chế tạo mạch điều khiển điện tử để đáp úng các nhu cầu cấp thiết trong khoa học kĩ thuật điện –điện tử

Kĩ thuật vi điều khiển hiện nay rất phát triển, nó đáp ứng được nhu cầu của nhiều ngành, lĩnhvực sản xuất công nghiệp, tự động hóa, trong đời sống …So với kĩ thuật số thì kĩ thuật vi điều khiểnnhỏ gọn hơn do đó nó được tích hợp lại và có khả năng lập trình để điều khiển nên tiện dụng và cơđộng.Với các tính chất ưu việt đó trong đề tài này nhóm chúng em sử dugnj vi đều khiển để đo nhiệt đọ

và đòng thời hiển thị LCD

Đề tài được thiết kế dựa trên kiến thức đã học, sách tham khảo và một số nguồn tài liệu khác.Tuy nhiên do thời gian và trình đọ có hạn nên chúng em không tránh khỉa những sai sót Vì vậy mongthầy và các bạn góp ý xây dựng, giúp đỡ để hoàn thiện hơn đề tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm 1

PHẦN MỞ ĐẦU TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG CUỘC SỐNG.

Nhiệt độ là một đại lượng vật lý gắn liền với cuộc sống của chúng ta Nó tác động đến mọi mọimặt của đời sống Và trong các lĩnh vực sản xuất cũng vậy, nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp tới quá trìnhvận hành, sản xuất

Trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp nhiệt độ có tác động trực tiếp đến chất lượng sản phẩn đầu

ra như trong quá trình gia công hàn vật liệu nhiệt độ ảnh hưởng tới độ chính xác, tính giãn nở nhiệt cảuvật liệu Trong quá trình nung, sấy như nung gạch mem thì nhiệt dộ ảnh hưởng tới chất lượng về đọcứng,đọ dẻo,màu sắc cảu sản phẩm đầu ra Trong y học nhiệt độ ảnh hưởng tới các kết quả nghiên cứu,chữa bệnh Trong cuộc sống nhiệt độ ảnh hưởng tới chất lượng và bảo quản lương thực, thực phẩm.Trong nông nghiệp cũng vậy nhiệt độ ảnh hưởng trục tiếp tới thành quả và năng suất nông nghiệp….Với các yếu cầu đó nhóm chúng em xin thiêt kế đề tài ổn định nhiệt độ với khoản nhiệt dộ ổn định vàđiều khiển là 0 đến 60 độ C dùng cảm biến LM35, sử dụng bộ vi điều khiển PIC16F877A =, hiển thịLCD

Ưu điểm: Cảm biến LM 35 là một loại cảm biến nhiệt có ái thành tương đối rẻ và bán nhiều trênthị trường, có khoảng đo nhiệt dộ phù hợp với yêu cầu của đề tài PIC16F877A là một loại chip vi điềukhiển khả trình có thể dùng mã nguồn mở, nó có ưu điểm về giá thành tương đối rẻ, điều khiển ổn định

và khá chính xác và khá phổ biến trên thị trường

Với đề tài lò ấp trúng thì yêu cầu ẩn định nhiệt độ là rất quan trọng tới việc thành công haykhông của quá trinh ấp Theo yêu cầu thì nhiệt độ trong lò phait đảm bào chênh lệch 2°C so với nhiệt

độ yêu cầu

Nguyên lý hoạt động của các máy ấp trứng trên thị trường.

Các máy ấp trứng tự động 100% được điều khiển bởi một module điều khiển chính Modulenày nhận thông tin hoạt động từ module cảm biến nhiệt , sau đó phát tín hiệu điều khiển module cấpnhiệt ngoài ra máyấp trứng còn có thêm module đặt nhiệt độ ấp trứng, thờ i gian ấptrứng- Một số máy

Kết cấu :

−Phun ẩm :Tuỳ chỉnh , tự động đóng ngắt khi quá % quy định

−Hệ thống cung cấp nhiệt :Bóng nhiêt halozen chuyên dùng cho ấp trứng

−Đảo Trứng :Tựchọn hẹn giờ từ30 Phút - 120 Giờ

−Nhiệt độ được điều khiển tựđộng,ổn định bằng vi xửlý

−Tạo độ ấm tự động

−Đảo trứng tựđộng (có thể tuỳchọn thờ i gian đảo từ1 giờ - 120 giờ )

−Có thể ấp theo chế độ đa kỳ(mỗi tuần vào trứng một lần) hoặc đơn kỳ

PHẦN 1 : GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN

- 5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập

- 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2)

- Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài

- 2 bô CCP( Capture / Compare/ PWM)

- 1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào

- 2 bộ so sánh tương tự (Compartor)

- 1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer)

- Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển

- Một cổng nối tiếp

- 15 nguồn ngắt

- Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP(In-Circuit Serial Programming)

- Được chế tạo bằng công nghệ CMOS

- 35 tập lệnh có độ dài 14 bits

- Tần số hoạt động tối đa 20MHz

Sơ đồ chân của PIC16F877A :

Để PIC hoạt động ta cần cấp nguồn cho PIC Ngoài ra có thể thêm vào bộ dao động thạch anh,

và nút nhấn reset:

Các linh kiện cho nguồn 5V:

- Board đục lỗ

- Biến áp cách ly-còn gọi là tăng phô

- 7805- dùng để xén 5V (7806 thì xén 6V), có thêm nhôm tản nhiệt

II CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ LM35

LM35 có 3 chân : 2 chân cấp nguồn và 1 chân xuất điện áp ra tùy theo nhiệt độ

Nhiệt độ tăng 1C thì điện áp xuất ra ở chân out của LM35 tăng 10mVCác đặc tính kỹ thuật khác :

Mô phỏng bằng Proteus:

Nhiệt độ là 27C, điện áp xuất ra là V=0.27176 chứng tỏ sự tăng 10mV /C là khá chính xác

Khi mô phỏng Proteus, nếu khối LM35 không hoạt động, thì click chuột phải/ edit properties/ bỏ check exclude from Simulation đi

III GIAO TIẾP NỐI TIẾP RS232

Cổng nối tiếp RS232 là một giao diện phổ biến rộng rãi nhất Người ta còn gọi cổng này là cổngCOM1, còn cổng COM2 để tự do cho các ứng dụng khác Giống như cổng máy in cổng COM cũngđược sử dụng một cách thuận tiện cho việc giao tiếp với thiết bị ngoại vi

Việc truyền dữ liệu qua cổng COM được tiến hành theo cách nối tiếp Nghĩa là các bit dữ liệuđược truyền đi nối tiếp nhau trên một đường dẫn Loại truyền này có khả năng dùng cho những ứngdụng có yêu cầu truyền khoảng cách lớn hơn, bởi vì các khả năng gây nhiễu là nhỏ đáng kể hơn khidùng một cổng song song (cổng máy in)

Cổng COM không phải là một hệ thống bus nó cho phép dễ dàng tạo ra liên kết dưới hình thứcđiểm với điểm giữa hai máy cần trao đổi thông tin với nhau, một thành viên thứ ba không thể tham giavào cuộc trao đổi thông tin này

Các chân và đường dẫn được mô tả như sau:

Phích cắm COM có tổng cộng 8 đường dẫn, chưa kể đến đường nối đất Trên thực tế có hai loại phích cắm, một loại 9 chân và một loại 25 chân Cả hai loại này đều có chung một đặc điểm.

Việc truyền dữ liệu xảy ra ở trên hai đường dẫn Qua chân cắm ra TXD máy tính gởi dữ liệu của

nó đến KIT Vi điều khiển Trong khi đó các dữ liệu mà máy tính nhận được, lại được dẫn đến chânRXD các tín hiệu khác đóng vai trò như là tín hiệu hổ trợ khi trao đổi thông tin, và vì thế không phảitrong mọi trường hợp ứng dụng đều dùng hết

Vì tín hiệu cổng COM thường ở mức +12V, -12V nên không tương thích với điện áp TTL nên đểgiao tiếp KIT Vi điều khiển 8051 với máy tính qua cổng COM ta phải qua một vi mạch biến đổi điện

áp cho phù hợp với mức TTL, ta chọn vi mạch MAX232 để thực hiện việc tương thích điện áp

GIỚI THIỆU VI MẠCH GIAO TIẾP MAX 232

Vi mạch MAX 232 của hãng MAXIM là một vi mạch chuyên dùng trong giao diện nối tiếp với máy tính Chúng có nhiệm vụ chuyển đổi mức TTL ở lối vào thành mức +10V hoặc –10V ở phía truyền và các mức +3…+15V hoặc -3…-15V thành mức TTL ở phía nhận

Vi mạch MAX 232 có hai bộ đệm và hai bộ nhận Đường dẫn điều khiển lối vào CTS, điềukhiển việc xuất ra dữ liệu ở cổng nối tiếp khi cần thiết, được nối với chân 9 của vi mạch MAX 232.Còn chân RST (chân 10 của vi mạch MAX ) nối với đường dẫn bắt tay để điều khiển quá trình nhận.Thường thì các đường dẫn bắt tay được nối với cổng nối tiếp qua các cầu nối, để khi không dùng đếnnữa có thể hở mạch các cầu này Cách truyền dữ liệu đơn giản nhất là chỉ dùng ba đường dẫn TxD,RxD và GND (mass)

ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT VỀ ĐIỆN CỦA RS232C

Qui định về chân của RS232CMức điện áp logic của RS-232C là khoảng điện áp giữa +15V và –15V Các đường dữ liệu sửdụng mức logic âm: logic 1 có điện thế giữa –5V và –15V, logic 0 có điện thế giữa +5V và +15V tuynhiên các đường điền khiển (ngoại trừ đường TDATA và RDATA) sử dụng logic dương: gía trị TRUE

= +5V đến +15V và FALSE =-5V đến –15

Ở chuẩn giao tiếp này, giữa ngõ ra bộ kích phát và ngõ vào bộ thu có mức nhiễu được giới hạn

là 2V Do vậy ngưỡng lớn nhất của ngõ vào là ±3V trái lại mức ± 5V là ngưỡng nhỏ nhất với ngõ ra.Ngõ ra bộ kích phát khi không tải có điện áp là ± 25V

Các đặc điểm về điện khác bao gồm

• RL (điện trở tải) được nhìn từ bộ kích phát có giá trị từ 3 ÷ 7k

• CL (điện dung tải) được nhìn từ bộ kích phát không được vượt quá 2500pF

• Để ngăn cản sự dao động quá mức, tốc độ thay đổi (Slew rate ) của điện áp không được vượt qúa 30V/µs

Đối với các đường điều khiển, thời gian chuyển của tín hiệu (từ TRUE sang FALSE, hoặc từ FALSE sang TRUE ) không được vượt qúa 1ms Đối với các đường dữ liệu, thời gian chuyển (từ 1 sang 0 hoặc từ 0 sang 1) phải không vượt qúa 4% thời gian của 1 bit hoặc 1ms

IRF 510:

Mosfet là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) làmột Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường mà ta đã biết Mosfetthường có công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT Đối với tín hiệu 1 chiều thì nó coi như là 1 khóađóng mở Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện

có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu

Ký hiệu

Qua đó ta thấy Mosfet này có chân tương đương với Transitor

+ Chân G tương đương với B

+ Chân D tương đương với chân C

+ Chân S tương đương với E

IV MỘT SỐ LINH KIỆN KHÁC

PHẦN 2 : GIỚI THIỆU PID

trong đó các thông số điều chỉnh là:

 Độ lợi tỉ lệ, Kp : giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn Một giá gị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá trình mất ổn định và dao động

 Độ lợi tích phân, Ki : giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định

 Độ lợi vi phân, Kd : giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và

có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số

Trong đó hàm truyền của khâu PID là:

Với :

Hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PI bằng phương pháp Zingler – Nichols :

Một phương pháp cổ điển nhưng đơn giản và hiệu quả để chỉnh định 3 thông số KP, KI,

KD của bộ điều khiển PID là phương pháp Ziegler Nichols thủ tục chỉnh định như sau:

1 Điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển tỉ lệ KP (đặt Ki=Kd= 0)

2 Tăng KP đến giá tri KC mà ở đó hệ thống bắt đầu bất ổn (bắt đầu xuất hiện sự dao động - điểm cực của hàm truyền kín nằm trên trục ảo jω xác định tần số ωc của dao động vừa đạt

Việc hiệu chỉnh 3 thông số KP, KI, KD sẽ làm tăng chất lượng điều khiển Ảnh hưởng của 3 thông số này lên hệ thống như sau:

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV) Ta có:

: thừa số tỉ lệ của đầu ra

: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh

: sai số

: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ Nếu độ lợi của khâu

tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai

số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quáthấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

Khâu tích phân

Phân phối của khâu tích phân tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số.Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó.Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển

Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tíchphân, Ki.

Thừa số tích phân được cho bởi:

trong đó

: thừa số tích phân của đầu ra

: độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh

: sai số

: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

: một biến tích phân trung gian

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt vàkhử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, vì khâu tích phân làđáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngangqua điểm đặt và tạo ra một độ lệch với các hướng khác) Để tìm hiểu thêm các đặc điểm của việc điềuchỉnh độ lợi tích phân và độ ổn của bộ điều khiển

Thừa số vi phân được cho bởi:

trong đó

: thừa số vi phân của đầu ra

: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh

: Sai số

: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú ýnhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên

độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp.Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối vớinhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn

Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử dụng hơn Chẳng hạn nhưmạch bù sớm pha

Phương pháp Ziegler–Nichols

Một phương pháp cổ điển nhưng đơn giản và hiệu quả để chỉnh định 3 thông số KP, KI, KD của bộ điều khiển PID là phương pháp Ziegler Nichols thủ tục chỉnh định như sau:

1 Chỉ điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển tỉ lệ KP (đặt KI=KD =0)

2 Tăng KP đến giá tri KC mà ở đó hệ thống bắt đầu bất ổn (bắt đầu xuất hiện sự dao động - điểm cực của hàm truyền kín nằm trên trục ảo jω xác định tần số ωc của dao động vừa đạt

Phần 3: Tổng quan về điều chế xung PWM

PWM là cái gì mà sao nó được ứng dụng nhiều trong điều khiển Lấy điển hình nhất mà chúng

ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ băm xung áp, điều áp Sử dụng PWM điều khiển nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó còn được dùng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM nó còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như

là : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha PWM chúng ta còn gặp nhiều trong thực tế và các mạch điện điều khiển Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định Như vậy PWM nó được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện điện tử Điều mà dân điện điện tử dễ dàng nhận ra là PWM chính nhân tố

mà các đội Robocon sử dụng để điều khiển động cơ hay ổn định tốc độ động cơ.Bài viết này sẽ nói lên phương pháp điều khiển PWM và các thông số cơ bản của PWM

1 ) PWM là gì?

Trước khi tìm hiểu sâu chúng ta hãy tìm hiểu định nghĩa của PWM là gì? Như vậy Phương pháp điều chế PWM có tên tiếng anh là Pulse Width Modulation là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫm đếm sự thay đổi điện áp ra

Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay hoặc là sườn âm

- Sơ đồ nguyên tắc điều khiển tải dùng PWM