ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG IC SHT10 và PIC16F877A - BKHN

2.1 Ý tưởng: Thiết kế mạch đo nhiệt độ, độ ẩm bằng IC SHT10 và điều khiển quạt thông gió, đếm số người trong phòng và bật tắt đèn tự đông.2.2 Phân tích yêu cầu 2.2.1 Yêu cầu chức năng : Bậttắt đèn tự động:•Nếu có người vào phòng thì đèn tự động bật. •Nếu không còn ai trong phòng thì đèn sẽ tắt.Hệ thống thông gió:Nếu nhiệt độ phòng > nhiệt độ mẫu nhập vào => Quạt sẽ bật.Nếu độ ẩm phòng > độ ẩm mẫu nhập vào => quạt thông gió sẽ bật.Mạch có chức năng cài đặt các giá trị mẫu thông qua các nút bấm trên mạch.Mạch có truyền nhận dữ liệu với máy tính. Máy tính nhận dữ liệu là nhiệt độ , độ ẩm và hiển thị lên giao diện của phần mềm.Máy tính truyền các giá trị mẫu cho vi xử lí để điều khiển cơ cấu chấp hành.2.2.2 Yêu cầu phi chức năng : Dễ sử dụng . Mạch được thiết kế đẹp, kích thước nhỏ gọnChi phí thấp.

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Viện Điện Tử - Viễn Thông

Sinh viên thực hiện : xxxxxxxxx

Hà Nội 12-12-2011

Nội dung

1 Lời nói đầu……… 2

2 Tổng quan về bài đồ án……… 3

2.1 Ý tưởng ……….3

2.2 Phân tích yêu cầu……… 3

2.2.1 Yêu cầu chức năng ……… 3

2.2.2 Yêu cầu phi chức năng……… 3

2.3 Thiết kế……… 4

2.3.1 Sơ đồ khối……… 4

2.3.2 Các modul cần thực hiện………4

A Vi xử lí……… 4

B Khối cảm biến………7

C Khối thu phát hông ngoại……….11

D Khối LCD ………13

E Khối RS232……… 16

F Quạt thông gió……… 18

G Khối nguồn……… 19

2.3.3 Lưu đồ thuật toán……… 20

3 Thực hiện……… 21

3.1 Các công cụ thực hiện……….21

3.2 Sơ đồ nguyên lý……… 21

3.3 Mô phỏng……….25

3.4 Coding……….26

3.5 Mạch in………31

3.6 Giao diện trên PC………

4 Phân chia công việc……….36

5 Kết luận………37

6 Tài liệu tham khảo……… 38

1 Lời nói đầu

Ngày nay cùng với sự tiến bộ của nghành kĩ thuật đo lường nói chung và nghành

đo lường tự động nói riêng đã và đang đóng góp vai trò to lớn trong đời sống sinh hoạt cũng như trong lĩnh vực sản xuất

Với vai trò to lớn đó Môn Đo lường tự động điều khiển đã được đưa vào giảng dạy chính thức trong nhiều năm qua cho các sinh viên nghành điện, điện tử,… của trường đại học Bách khoa Hà Nội

Môn đo lường tự động điều khiển giới thiệu cho sinh viên về hệ thống đo lường tự động điều khiển, các kiến thức tổng hợp của chuyên nghành điện, điện tử, cơ khí Sau đây em xin trình bày kiến thức cơ bản của môn Đo lường tự động điều khiển Nội dung của môn học gồm có 2 phần chính là: đo lường tự động và điều khiển

Đo lường tự động là một hệ thống đo lường thực hiện việc tự động đo và cập nhật khi đối tượng đo thay đổi Và sau đó , so sánh giá trị của đối tượng đo được so sánh với giá trị mẫu ( mặc đinh hoặc được đặt trước ) Sự chênh lệch giữa hai giá trị này sẽ được đưa lên mạch điều khiển Mạch điều khiển sẽ cấp tín hiệu và điều khiển cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành sẽ khống chế giá trị của đối tượng cần

đo phải bằng giá trị mẫu

Đo lường tự động có vai trò rất quan trọng đối với con người cũng như khoa học

kĩ thuật

Trong quá trình học để giúp sinh viên có cái nhìn thực tế hơn về môn học Nhóm chúng em đã được giao nhiệm vụ thiết kế một hệ thống đo lường tự động điều khiển Sau thời gian tìm hiểu nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài : “Hệ thống thông gió và bật tắt đèn tự động ” Sau đây em thay mặt nhóm sẽ trình bày chi tiết việc thực hiện đề tài trên

2 Tổng quan

2.1 Ý tưởng: Thiết kế mạch đo nhiệt độ, độ ẩm và điều khiển quạt thông gió, đếm

số người trong phòng và bật tắt đèn tự đông

2.2 Phân tích yêu cầu

2.2.1 Yêu cầu chức năng :

 Bật/tắt đèn tự động:

• Nếu có người vào phòng thì đèn tự động bật

• Nếu không còn ai trong phòng thì đèn sẽ tắt

 Hệ thống thông gió:

Nếu nhiệt độ phòng > nhiệt độ mẫu nhập vào => Quạt sẽ bật

Nếu độ ẩm phòng > độ ẩm mẫu nhập vào => quạt thông gió sẽ bật

 Mạch có chức năng cài đặt các giá trị mẫu thông qua các nút bấm trên mạch

 Mạch có truyền nhận dữ liệu với máy tính

 Máy tính nhận dữ liệu là nhiệt độ , độ ẩm và hiển thị lên giao diện của phần mềm

 Máy tính truyền các giá trị mẫu cho vi xử lí để điều khiển cơ cấu chấp hành

2.2.2 Yêu cầu phi chức năng :

 Dễ sử dụng

 Mạch được thiết kế đẹp, kích thước nhỏ gọn

 Chi phí thấp

 IC dạng 40 pin- PDIP

Memory :

 Flash Program Memory : 8K x 14bits

 Data Memory : 368 bytes

 EEPROM Data Memory : 256 bytes

Interrupts :

 Số lượng ngắt : 15

 External Interrupt : chân RB0 sẽ “cảm nhận ” thay đổi khi ấn nút bấm

 RB4-RB7 Interrupt : Chân RB4 đến RB7 “cảm nhận ” thay đổi khi ấn nút bấm

 USART Transmit Interrupt : ngắt truyền nhận dữ liệu với PC

 Truyền giá trị của thông số nhiệt đô, độ ẩm lên PC

 Nhận giá trị mẫu từ PC để điều khiển cơ cấu chấp hành

 Xử lí ngắt để đếm số người trong phòng

 Xử lí ngắt ngoài để thiết lập các mẫu nhiệt độ ,độ ẩm từ nút bấm trên mạch

 Điều khiển cơ cấu chấp hành

 Power

Nguồn cung cấp cho SHT10 từ 2,4-5.5V Nên dùng điện áp 3,3V

Figure 1: Connection between SHT10 & MCU

 Sensor SHT10 nhận lệnh và gửi số liệu về cho PIC theo chuẩn ghép nối tương tự I2C : tín hiệu đồng bộ SCK do PIC tạo ra Chân số 2 là chân data 2 truyền song

công Dữ liệu được Sensor gửi về cho PIC PIC xử lí dữ liệu và hiển thị lên LCD

 Giao tiếp SHT10 với PIC gồm các quá trình sau

 Khởi tạo phiên truyền : DATA ở mức thấp trong khi SCK ở mức cao, và sau một chu kỳ xung nhịp SCK thì DATA ở đang tăng

Figure 2: “Transmission Start” sequence

 Mã lệnh : Chuỗi mã lệnh gồm có 3 bit địa chỉ và mặc định là ‘000’ và 5 bit lệnh Sau khi sensor nhận được mã lệnh đúng từ PIC thì SHT10 sẽ kéo tín hiệu ở chân DATA xuống mức ‘0’ sau xung clock SCK thứ 8 DATA lên mức ‘1’ sau khi sườn xuống của SCK thứ 9 Dưới đây là bảng mã lệnh

Figure 3 : SHT1X Command List

sang trước khi restarting SCK để đọc dữ liệu ra Chú ý rằng : dữ liệu mà SHT10 đo

được lưu trữ cho đến khi đọc ra

Hai byte dữ liệu đo được và 1 byte CRC checksum sẽ được truyền tới PIC PIC phải

xác nhận với SHT10 rằng đã nhận được dữ liệu bằng cách là sau mỗi byte nhận được

PIC kéo chân DATA xuống mức ‘0’

Việc truyền thông sẽ ‘kết thúc’ sau khi bit ACK của CRC data Nếu CRC-8 checksum

không được sử dụng thì PIC có thể ‘kết thúc’ việc truyền thông bằng việc giữ ACK

mức cao SHT10 sẽ tự động trở về trạng thái Sleep Mode sau khi việc truyền thông

kết thúc

 Reset phiên truyền

Nếu truyền thông với SHT10 bị mất dữ liệu thì sẽ reset lại phiên truyền

Figure 4 : Connection Reset Sequence

 Ví dụ về đo độ ẩm

Figure 5: Example RH measurement sequence for value “0000 0100 0001” = 1073 =

35 5%RH

 Công thức tính RH và T

Figure 6: Formulation for Humidity calculation

Figure 7: Formulation for temperature Calculation

 Độ chính xác

Figure 8: Accuracy of Relative Humidity and Temperature

Relative Humidity : sai số nhỏ nhất là :  4,5% khi đo độ ẩm trong khoảng 20-80%

Temperature : sai số nhỏ nhất là :  0,5% khi đo tại nhiệt độ 20-250C

C Khối thu phát hồng ngoại

Sử dụng led thu phát hồng ngoại Ưu điểm dễ sử dụng ,giá rẻ

Figure 9: Counting People by using Led & Phototransistor

 Trên hình chân 1 và 2 sẽ lần lượt được nối vào 2 chân của PIC 2 chân của PIC có nhiệm vụ ‘cảm nhận’ thay đổi mức điện áp đầu vào

Ta xét cặp Led thứ nhất LEDT1 : led phát , LEDR1 : led thu Ban đầu khi chưa có vật chắn giữa 2 led thì LEDR1 được ‘chiếu sáng’ và LEDR1 thông hay chân 1 của PIC nối đất Nếu có vật chắn giữa 2 đèn led thì LEDR1 không thông, khi đó chân 1 của PIC sẽ nhảy lên mức ‘1’ Sử dụng ngắt trên các trên 1 và 2 để “cảm nhận” được

sự thay đổi này Tương tự với cặp led còn lại Và từ đó ta sẽ xác định được người

đi vào hay ra khỏi phòng

D Khối hiện thị LCD

VEE: Thay đổi điện áp để thay đổi độ tương phản

A,K: Điều khiển led nền LCD

 Nhóm 2: (8 chân) Vào ra thông tin với VĐK : Từ chân D0-D7

 Nhóm 3 : (3 chân) Điều khiển việc vào ra thông tin : E,RS,R/W

E : (Bật /tắt ) (cho phép/ không cho phép trao đổi thông tin với VĐK )

RS : (Loại thông tin trao đổi) Là lệnh điều khiển hay dữ liệu để hiển thị

R/W : (Hướng truyền của thông tin) đọc trạng thái từ LCD hay thông

tin do VĐK gửi vào LCD để hiển thị

Cụ thể tên gọi và mô tả chức năng các chân được tổng kết trong bảng sau:

Chọn chức năng ghi/ đọc RW=1 : chọn chức năng đọc dữ liệu từ LCD vào VĐK

RW=0 : chọn chức năng ghi dữ liệu từ VĐK vào LCD

để hiển thị

6 E Read Write enable

Khi E chuyển từ 10 thì tín hiệu ở các chân D0-D7

mới được đưa vào LCD

Như trên hình minh hoạ ta có thể thấy các chân D0-D3 là

đường tín hiệu 2 chiều (để trao đổi thông tin Vi điều khiển và

LCD) 3 chân điều khiển RS, R/W, E là chân đưa tín hiệu điều

khiển từ Vi điều khiển tới LCD nên nó chỉ là đường tín hiệu 1

chiều thôi

Vì chân Contrast (VEE) điều chỉnh độ tương phản của LCD nên

ta cấp nguồn cho nó thông qua biến trở (như hình vẽ)

E Khối RS232

Để nói về RS232 ta nói về cổng COM hay cổng nối tiếp

Trên đây là 2 dạng cổng COM 9 chân và 25 chân Trong bài tập lớn này em chọn cổng COM 9 chân Dưới đây em xin tóm tắt chức năng các chân của COM 9 chân

Loại 9 chân(PIN) Viết tắt Tên gọi Chức năng

Pin3 TxD Transmit Data Truyền dữ liệu

Pin2 RxD Receive Data Nhận dữ liệu

Pin7 RTS Request To Send Yêu cầu gửi , bộ truyền đặt

đường này lên mức hoạt động khi sẵn sàng truyền tín hiệu

Pin8 CTS Clear To Send Xóa để gửi , bộ nhận đặt

đường này lên mức hoạt động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận

dữ liệu Pin6 DSR Data Set Ready Dữ liệu sẵn sàng , như CTS

nhưng nó được điều khiển bởi bộ truyền

Pin5 SG Signal Ground Mass của tín hiệu

Pin1 CD Carrier Detect Phát tín hiệu mang dữ liệu Pin4 DTR Data Terminal

Ready

Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng

Pin9 RI Ring Indicator Báo chuông, cho biết là bộ

nhận đang nhận tín hiệu rung chuông

Đáng chú ý nhất trong các chân COM là 3 chân 0V (GND) , chân phát dữ liệu TxD và chân nhận dữ liệu RxD Đây là 3 chân cơ bản phục vụ truyền thông theo chuẩn RS232 và tương thích với UART trên PIC

Một số tiêu chuẩn quan trọng trong truyền nối tiếp :

 Baud rate (tốc độ Baud ) : theo định nghĩa, tốc độ baud là số bit truyền trên 1s

 Frame (khung truyền) : khung truyền quy định về số bit trong mỗi lần truyền , bit ‘báo’ như bit start và bit Stop , các bit kiểm tra như Parity, ngoài ra số lượng các bit trong một data cũng được quy định bởi khung truyền

 Như hình vẽ : khung truyền gồm có một start bit , tiếp theo là 8 bit data , sau đó là 1 bit parity dùng để kiểm tra dữ liệu và cuối cùng là 2 bit stop

 Start bit : start là bit đầu tiên được truyền trong một frame truyền ,bit này

có chức năng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyền tới

 Data : data hay dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần gởi

và nhận Data thường để 8bit

 Parity bit : parity là bit dùng để kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không Có

2 loại parity : parity chẵn và parity lẻ

 Stop bits : stop bits là một hoặc các bit báo cho thiết bị nhận rằng một gói

dữ liệu đã gửi xong Sau khi nhận được stop bits thiết bị sẽ tiến hành kiểm

tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Stop bits là các bit bắt buộc trong một khung truyền

 Khung truyền phổ biến nhất : start bit + 8 bit data +1stop bit

Trong chuẩn UART ( trên PIC) tương ứng với điện áp cao (5V,TTL) trong khi đối với RS232 thì mức tương ứng với điện áp thấp ( -12V ) Như vậy cần có một ‘convetor’ kết nối giữa 2 chuẩn này Để thực hiện việc đó ta dùng

MAX232 là một trong các IC chuyển UART-RS232

F Quạt thông gió

Chức năng : Khi nhiệt độ hoặc độ ẩm trong phòng lớn hơn nhiệt độ mẫu thì quạt sẽ tự động được bật

G.Khối nguồn

Figure 11: Supply Power

Figure 12: Lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ ,độ ẩm

Figure 13: Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống đèn

2 Thực hiện

3.1 Các công cụ thực hiện

 Phần mềm : Proteus 7.6 dùng để mô phỏng mạch

PIC-C dùng để coding mã nguồn cho MCU PIC

Orcad 9.0 vẽ sơ đồ nguyên lý và mạch in

 Các linh kiện và các dụng cụ để hoàn thành phần cứng

 Linh kiện : PIC16F877A

3.2.2 Vi xử lí

3.2.3 Sensor SHT10

3.2.4 RS232

3.2.5 Khối điều khiển đèn và quạt

3.2.6 Khối nút bấm

3.2.7 Khối hiển thị

3.3 Mô phỏng

 Công cụ mô phỏng Proteus 7.6

Công cụ này cho phép mô phỏng hầu hết các linh kiện Đặc biệt có thư viện IC lập trình được

Mô phỏng giúp ta biết được coding có đúng hay không ?

 Kết quả mô phỏng như trên hình vẽ

 Khối Vi xử lí PIC16F877A

 Khối Cảm biến SHT10

 Khối hiển thị LCD1602

 Khối đếm số người vào ra

 Khối điều khiển quạt và đèn

Project name : Ventilation Fan and Light Control

Automatic in the room

Author : Vu Hong Viet

//define SCL PIN_B1

//define SDA PIN_B2

// define several functions using in programmer

#define LCD_ENABLE_PIN PIN_D0

#define LCD_RS_PIN PIN_D1

#define LCD_RW_PIN PIN_D2

select mode

mode = 0 : measuring temperature and humidity

mode = 1 : setup temperature sample

mode = 2 : setup humidity sample

 Lớp SST

3.6 Giao diện trên PC

 Yêu cầu :

 Thiết lập thông số nhiệt độ từ PC cho PIC

 Các bước thực hiện :

 Công cụ thực hiện : Visual Studio 2008(VB.NET)

 Code cho giao diện

Imports System.IO.Ports

Dim temperature As Integer

Dim setting As Decimal

e As System.EventArgs) Handles MyBase Load

End Sub

System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles

TextBox2.TextChanged

setting = TextBox2.Text

End Sub

System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles

TextBox3.TextChanged

End Sub

System.Object, ByVal e As System.EventArgs) Handles

TextBox1.TextChanged

End Sub

End Sub

Private Sub serialport_DataReceived( ByVal sender As Object ,

SerialPort1.DataReceived

Invoke( New mydelegate( AddressOf updatetextbox), New

End Sub

Dim mytemp As String

ElseIf TextBox1.Text < setting Then

TextBox3.Text = "FAN OFF"

TextBox3.BackColor = Color.Red

SerialPort1.Write(200)

End If

End Sub

e As System.EventArgs) Handles Timer1.Tick

Dim thedate As String = Now.ToString( "dd.mm.yyyy" )

3 Phân chia công việc

độ ẩm lên LCD

 Thực hiện việc đếm

số người trong phòng

 Layout mạch

 Chưa tối ưu về kích thước

 Bố trí linh kiện chưa hợp lý

Môn học Đo lường tự động điều khiển đã giúp các thành viên trong nhóm hiểu về lý thuyết môn học và các lĩnh vực ứng dụng Làm bài tập lớn là một cách hữu hiệu để giúp các bạn sinh viên làm quen với thực tế , củng cố và tích lũy thêm kinh nghiệm về các môn học khác ,cũng như biết cách thiết kế một hệ thống đo lường tự động điều khiển

Sau một thời gian thực hiện cả nhóm đã hoàn thành bài tập lớn Do trình độ

và thời gian có hạn nên còn những thiếu xót cần bổ sung Mong nhận được

sự đóng góp của thầy để các thành viên hoàn thiện và tiếp tục phát triển thành một sản phẩm hoàn chỉnh

Lời cuối, thay mặt cho nhóm em xin gửi lời cảm ơn tới thầy Hán Trọng Thanh đã hướng dẫn nhóm hoàn thành bài tập lớn

Tài liệu tham khảo

1 Sách ‘Kỹ thuật đo lường và tự động điều khiển ’ - Phạm Văn Tuân ( chủ

biên), Hán Trọng Thanh,Đỗ Quang Ngọc,Phạm Văn Biên