thiết kế mạch đo nhiệt độ

Cảm biến nhiệt là dụng cụ chuyển đổi nhiệt độ thành các đại lượng vật lí khác như điện áp , điện trở, áp suất, độ nở dài, độ nở khối,..và lúc này ta chỉ cần đo các đại lượng này để biết

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 2

1.1 Vai trò của mạch đo nhiệt độ 2

1.2 Giới thiệu đề tài 2

CHƯƠNG II:CƠ SỞ LÍ THUYẾT- GIẢI PHÁP 3

2.1 Cơ sở lí thuyết về đo nhiệt độ 3

2.2 Giới thiệu về DS18B20 và ATMEGA8 5

2.2.1 DS18B20 5

2.2.1.1 Các đặc điểm kĩ thuật của cảm biến DS18B20 5

2.2.1.2 Các tập lệnh của DS18B20 6

2.2.2 ATMEGA8 7

2.2.2.1 Tổngquan 7

2.2.2.2 Cấu trúc xuất nhập 8

2.3 MAX232 và RS232………12

2.3.1 RS232 12

2.3.2 MAX232 13

2.4 Giới thiệu về RF315 15

CHƯƠNG III THIẾT KẾ MẠCH 17

3.1 Phần thu 17

3.2 Phần đo nhiệt độ và phát tín hiệu qua RF 17

CHƯƠNG IV KẾT QUẢ CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM 19

CHƯƠNG III KẾT LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN 20

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Vai trò của mạch đo nhiệt độ

Trong công nghiệp và đời sống hiện nay có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất và ảnh hưởng đến con người.Trong đó nhiệt độ là yếu tố được đề cập tới rất nhiều.Vì thế mạch đo nhiệt độ ra đời là sự tất yếu.Với sự phát triển của công nghệ hiện nay có thể sản xuất mạch đo nhiệt độ dơn giản mà độ chính xác cao

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều cảm biến đo nhiệt độ như

DS18B20,LM35.Đa số các cảm biến hiện nay đều có độ chính xác tương đối cao 1.2

Giới thiệu đề tài

Với 1 bộ mạch “Đo nhiệt độ ” ta có thể đo cùng lúc nhiệt độ ở các vị trí khác

nhau (chọn các vị trí ẩm thấp, ít không khí để đặt Mạch cảm biến, và đánh dấu số ở mỗi vị trí đó)

Bộ “Đo nhiệt độ và truyền không dây về máy tính” gồm 2 phần :

-Đo nhiệt độ hiển thị LCD

-Truyền tín hiệu nhiệt độ đo được về PC giao tiếp qua cổng COM

Mạch cảm biến Nhiệt độ: gồm IC cảm biến nhiệt độ DS18B20, có điện trở thay đổi theo nhiệt độ môi trường, ngõ ra của mạch dưới dạng điện áp, tầm thay đổi

10mV/ ͦ C

Ta dùng mạch cảm biến nhiệt độ, đặt ở các vị trí khác nhau Ngõ vào điện áp sẽ được chuyển đổi sang dạng số và hiển thị ra LCD Sử dụng IC ATMEGA8 với tần số thạch anh 8Mhz.Việc truyền dữ liệu không dây sẽ dung modul thu phát RF 315,giao

tiếp qua cổng COM bằng chuẩn RS232

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÍ THUYẾT-GIẢI PHÁP

2.1 Cơ sở lí thuyết về đo nhiệt độ

Đo nhiệt đọ chia làm nhiều dải

- Đo nhiệt độ thấp

- Đo nhiệt độ trung bình

- Đo nhiệt độ cao

Cảm biến nhiệt là dụng cụ chuyển đổi nhiệt độ thành các đại lượng vật lí khác như điện áp , điện trở, áp suất, độ nở dài, độ nở khối, và lúc này ta chỉ cần đo các đại lượng này để biết được chính xác nhiệt độ

Các loại cảm biến nhiệt độ rất đa dạng, tuy nhiên chúng cũng xuất phát từ một số loại nhất định Ngày nay, tùy theo mục đích sử dụng, chúng ta có thể chọn một trong các loại cảm biến sau đây:

+RTD (Resistance Temperature Detector):

Hoạt động dựa vào độ nhạy nhiệt của kim loại với nhiệt độ, tức là khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở của các kim loại này cũng thay đổi

Vật liệu cấu tạo RTD cần các yêu cầu: hệ số nhiệt lớn, điện trở suất lớn, tính thuần khiết, và độ ổn định chống ăn mòn tốt Kim loại thường dùng là Platinum vì đặc tuyến của nó tuyến tính nhất và ổn định nhất so với các loại khác

RTD cũng có những ưu khuyết điểm riêng:

- Ưu điểm: Chính xác, tuyến tính, ổn định

- Khuyết điểm: Giá thành cao, cần nguồn cc, tự gia nhiệt

+Thermocouple:

Là cảm biến nhiệt dùng rộng rãi trong công nghiệp Cặp nhiệt điện được chế tạo từ hai sợi kim loại khác nhau và có ít nhất là hai mối nối (junction), đầu tiếp xúc với đối tượng đo, gọi là "điểm nóng", đầu còn lại giữ ở nhiệt độ chuẩn, gọi là đầu ra

Về nguyên tắc khi ta đốt nóng mối nối của hai kim loại bất kỳ đều sinh ra một suất điện động nhiệt, nhưng không phải kim loại nào cũng làm thermocouple được, mà phải là những kim loại có đặc tính:

- Độ tinh khiết cao

- Nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ cần đo

- Chống ăn mòn tốt

- Có khả năng lặp lại trong khoảng thời gian dài (repeatable)

- Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt

Với vật liệu cấu tạo khác nhau, ta có các loại thermocouple khác nhau tương ứng với giá thành thay đổi rõ rệt Trên thị trường hiện nay có các loại như: J, K, T, R, B, S… Chú ý: phải đặt thermocouple trong vỏ bọc để tránh xâm thực của môi trường (yêu cầu cách điện, không cách nhiệt), phải chọn địa điểm thích hợp hoặc đặt nhiều nơi vì thường thì nhiệt độ phân bố không đều, phải lắp đặt dây bù nhiệt trong ống sắt nối đất

và dây dẫn tín hiệu cảm biến phải luôn là một loại vì nếu khác nhau sẽ sinh ra điểm nóng mới, và làm sai kết quả

- Ưu điểm: Tầm đo nhiệt rộng (>11000F), giá thành thấp, đơn giản, thời gian đáp ứng nhanh

- Khuyết điểm: Cần tham chiếu, phi tuyến, trôi tham chiếu không dự đoán trước được, không thể ca-lip lại, kém ổn định, không nhạy

+ Thermistor:

Vật liệu nhận nhiệt là chất bán dẫn làm từ những hỗn hợp đặc biệt (oxit nickel, mangan, đồng, coban hoặc những oxit kim loại chịu nhiệt cao) Ta dùng kèm với cầu Wheatstone để khuếch đại những thay đổi nhỏ của điện trở theo nhiệt độ

Thermistor gồm 2 loại:

- NTC (Negative Temperature Coefficient): Là loại nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt âm tức là trị số điện trở giảm khi nhiệt độ tăng (Từ 0oC đến 150oC điện trở giảm đi hơn 100 lần)

- PTC (Positive Temperature Coefficient): Có hệ số nhiệt độ dương Ở nhiệt độ nhỏ thì nó cũng có hệ số nhiệt âm như các bán dẫn khác nhưng bắt đầu từ một điểm nhiệt nào đó thì nhiệt điện trở loại này có hệ số nhiệt dương rất cao Vật liệu chế tạo PTC gồm hỗn hợp Bariumcarbonat, oxit Stronium và oxit Titan được ép nung từ 1000oC đến 1400oC Với các đặc tính như trên ta có thể rút ra:

Ưu điểm: Đáp ứng nhanh, lắp đặt đơn giản, đo hai dây, bền

Khuyết điểm: Phi tuyến, giới hạn tầm đo nhiệt, tự gia nhiệt

+ IC cảm biến nhiệt:

Hiện nay nhiều công ty trên thế giới đã chế tạo được những IC bán dẫn dùng đo

và hiệu chỉnh rất tiện lợi Trong mạch tổ hợp, cảm biến nhiệt là lớp chuyển tiếp PN trong một transistor lưỡng cực Lớp cảm biến này nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện dưới dạng dòng hay áp

IC cảm biến nhiệt có những ưu khuyết điểm như sau :

- Ưu điểm: gọn nhẹ, rẻ tiền, tuyến tính Phù hợp với các thiết kế cỡ nhỏ và

onboard

- Khuyết điểm: Nhiệt độ đo thấp (150-2000), cần cấp nguồn cho IC

Trên thị trường hiện có các loại IC sau: STP 35 A/B/C (Texas Instrument), LM 35/45/50 (National Semiconductor), AD590/2210 (Analog Devices),

D1620/1820/1920 (Dallas Semiconductor)…Ngoài ra còn có các loại ít thông dụng hơn như : Lưỡng kim, nhiệt kế hồng ngoại, áp suất hơi, tinh thể thạch anh, phóng xạ.Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ là phổ biến nhất Ở đồ án này sử dụng IC cảm biến DS18B20

2.2 Giới thiệu về DS18B20 và ATMEGA8

2.2.1 DS18B20

DS18B20 là một sản phẩm của công ty Dallas(Hoa Kỳ), đây cũng là công ty đóng góp nhiều vào việc cho ra đời bus một dây và các cảm biến một dây.Hình dáng bên ngoài của cảm biến một dây DS18B20 được mô tả trên hình 2, trong đó dạng vỏ

T0-92 với 3 chân là dạng thường gặp và được dung nhiều trong nhiều ứng dụng,còn dạng

vỏ SOIC với 8 chân được dung để đo nhiệt độ bề mặt kể cả da người

Hình 1.Dạng đóng vỏ và bề ngoài của cảm biến DS18B20

2.2.1.1 Các đặc điểm kỹ thuật của cảm biến DS18B20

Các đặc điểm kỹ thuật của cảm biến DS18B20 có thể kể ra một cách tóm tắt như sau:

• Sử dụng giao diện một dây nên chỉ cần có một chân ra để truyền thông

• Có thể đo nhiệt độ trong khoảng -55⁰C -> +125⁰C.Với khoảng nhiệt độ là -10°C tới +85°C thì độ chính xác ±0.5°C.Có thể chuẩn tới 0.1⁰C qua hiệu chỉnh phần mềm.Có chức năng cảnh báo nhiệt độ vược qua giá trị cho trước

• Điện áp sử dụng : 3 – 5.5 V,có thể cấu hình mã hóa nhiệu độ từ 9 – 12 bit

số bit càng lớn thì độ chính xác cao hơn.Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa là 750ms cho mã hóa 12 bit

• Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ cực nhỏ

• Mỗi cảm biến có một mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ ROM trên chip (on chip), giá trị nhị phân được khắc bằng tia laze

• Nếu cấu hình cho DS18B20 theo 9,10,11,12 bit thì ta có độ chính xác tương ứng là : 0.5°C , 0.25°C ,0.125°C, 0.0625°C.Theo mặc định của nhà sản xuất nếu chúng ta không cấu hình chế độ chuyển đổi thì nó sẽ tự cấu hình là 12 bit

Khi bắt đầu chuyển đổi nhiệt độ thì chân DQ sẽ được kéo xuống mức thấp và khi chuyển đổi xong thì ở mức cao.Như vậy ta sẽ căn cứ vào hiện tượng này để xác định khi nào chuyển đổi xong nhiệt độ

2.2.1.2 Các tập lệnh của DS18B20

- READ ROM (33h)

Cho phép đọc ra 8 byte mã đã khắc bằng laser trên ROM, bao gồm: 8 bit mã định tên linh kiện (10h), 48 bit số xuất xưởng, 8 bit kiểm tra CRC Lệnh này chỉ dùng khi trên bus có 1 cảm biến DS1820, nếu không sẽ xảy ra xung đột trên bus do tất cả các thiết

bị tớ cùng đáp ứng

- MATCH ROM (55h)

Lệnh này được gửi đi cùng với 64 bit ROM tiếp theo, cho phép bộ điều khiển bus chọn ra chỉ một cảm biến DS1820 cụ thể khi trên bus có nhiều cảm biến DS1820 cùng nối vào Chỉ có DS1820 nào có 64 bit trên ROM trung khớp với chuỗi 64 bit vừa được gửi tới mới đáp ứng lại các lệnh về bộ nhớ tiếp theo Còn các cảm biến DS1820 có 64 bit ROM không trùng khớp sẽ tiếp tục chờ một xung reset Lệnh này được sử dụng cả trong trường hợp có một cảm biến một dây, cả trong trường hợp có nhiều cảm biến một dây

- SKIP ROM (CCh)

Lệnh này cho phép thiết bị điều khiển truy nhập thẳng đến các lệnh bộ nhớ của

DS1820 mà không cần gửi chuỗi mã 64 bit ROM Như vậy sẽ tiết kiệm được thời gian chờ đợi nhưng chỉ mang hiệu quả khi trên bú chỉ có một cảm biến

- SEARCH ROM (F0h)

Lệnh này cho phép bộ điều khiển bus có thể dò tìm được số lượng thành viên tớ đang được đấu vào bus và các giá trị cụ thể trong 64 bit ROM của chúng bằng một chu trình dò tìm

- ALARM SEARCH (ECh)

Tiến trình của lệnh này giống hệt như lệnh Search ROM, nhưng cảm biến DS1820 chỉ đáp ứng lệnh này khi xuất hiện điều kiện cảnh báo trong phép đo nhiệt độ cuối cùng Điều kiện cảnh báo ở đây được định nghĩa là giá trị nhiệt độ đo được lớn hơn giá trị TH và nhỏ hơn giá trị TL là hai giá trị nhiệt độ cao nhất và nhiệt độ thấp nhất

đã được đặt trên thanh ghi trong bộ nhớ của cảm biến

Sau khi thiết bị chủ (thường là một vi điều khiển) sử dụng các lệnh ROM để định địa chỉ cho các cảm biến một dây đang được đấu vào bus, thiết bị chủ sẽ đưa ra các lệnh chức năng DS1820 Bằng các lệnh chức năng thiết bị chủ có thể đọc ra và ghi vào bộ nhớ nháp (scratchpath) của cảm biến DS1820 khởi tạo quá trình chuyển đổi giá trị nhiệt độ đo được và xác định chế độ cung cấp điện áp nguồn Các lệnh chức năng có thể được mô tả ngắn gọn như sau:

- WRITE SCRATCHPAD (4Eh)

Lệnh này cho phép ghi 2 byte dữ liệu vào bộ nhớ nháp của DS1820 Byte đầu tiên được ghi vào thanh ghi TH (byte 2 của bộ nhớ nháp) còn byte thứ hai được ghi vào thanh ghi TL (byte 3 của bộ nhớ nháp) Dữ liệu truyền theo trình tự đầu tiên là bit có

ý nghĩa nhất và kế tiếp là những bit có ý nghĩa giảm dần Cả hai byte này phải được ghi trước khi thiết bị chủ xuất ra một xung reset hoặc khi có dữ liệu khác xuất hiện

- READ SCRATCHPAD (BEh)

Lệnh này cho phép thiết bị chủ đọc nội dung bộ nhớ nháp Quá trình đọc bắt đầu từ

bit có ý nghĩa nhấy của byte 0 và tiếp tục cho đến byte rhứ 9 (byte 8 – CRC) Thiết bị chủ có thể xuất ra một xung reset để làm dừng quá trình đọc bất kỳ lúc nào nếu như chỉ có một phần của dữ liệu trên bộ nhớ nháp cần được đọc

- COPYSCRATCHPAD (48h)

Lệnh này copy nội dung của hai thanh ghi TH và TL (byte 2 và byte 3) vào bộ nhớ EEPROM Nếu cảm biến được sử dụng trong chế dộ cấp nguồn l bắt đầu việc đo

- CONVERT T (44h)

Lệnh này khởi động một quá trình đo và chuyển đổi giá trị nhiệt độ thành số (nhị phân) Sau khi chuyển đổi giá trị kết quả đo nhiệt độ được lưu trữ trên thanh ghi nhiệt

độ 2 byte trong bộ nhớ nháp Thời gian chuyển đổi không quá 200 ms, trong thời gian đang chuyển đổi nếu thực hiện lệnh đọc thì các giá trị đọc ra đều bằng 0.

- READ POWER SUPPLY (B4h)

Một lệnh đọc tiếp sau lệnh này sẽ cho biết DS1820 đang sử dụng chế độ cấp nguồn như thế nào, giá trị đọc được bằng 0 nếu cấp nguồn bằng chính đường dẫn dữ liệu và bằng 1 nếu cấp nguồn qua một đường dẫn riêng

2.2.2 AMETGA8

ATMega8 là một con Vi Điều Khiển thuộc dòng Mega AVR của hãng ATMEL Dòng Vi Điều Khiển này có tính năng nổi trội như:

.Rất tiết kiệm năng lượng, hiệu suất cao

.CPU có kiến trúc RISC, có 130 lệnh, hầu hết chúng thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung clock

.32 thanh ghi đa dụng

.Tốc độ tối đa lên đến 16MIPS với thạch anh 16MHz

.Bộ nhớ phân đoạn, có độ bền cao không dễ bay hơi

.Có 8KB bộ nhớ Flash lập trình ISP

.512Bytes EEPROM

.1KB SRAM

.Chu kỳ ghi/xóa 10.000 lần cho bộ nhớ Flash ROM, và 100.000 cho EEPROM

.Dữ liệu không bị mất sau 20 năm (ở 850C) và 100 năm (ở 250C)

.Có tính năng bảo mật

.Tính năng ngoại vi

.2 bộ Timer/Counter 8 bit, 1 bộ so sánh

.1 bộ Timer/Counter 16 bit

.Bộ đếm Thời gian thực với dao động riêng

.3 kênh PWM

.6 kênh ADC 10 bits cho kiểu vỏ PDIP, và 8 kênh ADC 10 bít cho kiểu vỏ TQFP Giao tiếp nối tiếp TWI

.Lập trình nối tiếp USART, giao tiếp nối tiếp SPI master/slave

.Bộ so sánh Analog on-chip

.Tính năng đặc biệt của ATMega8

.Hiệu chuẩn bộ dao động RC nội

.Bộ nguồn ngắt bên ngoài và bên trong

.Năm chế độ Sleep: Idle, giảm nhiễu ADC, tiết kiệm năng lượng, Power-down, và chế độ chờ (stand by)

Đóng gói & I/O

.23 ngõ vào/ra khả trình

.Được đóng gói trong 28 chân kiểu vỏ PDIP

.Điện áp hoạt động

2,7 - 5.5V (ATmega8L)

4.5 - 5.5V (ATmega8)

.Tần số hoạt động từ 0 - 8 MHz (ATmega8L)

và từ 0 - 16 MHz (ATmega8)

2.2.2.2 Cấu trúc port xuất nhập

Hình 2: Cấu trúc chân của AVR

ATMEGA8 có 3 Port xuất nhập: PortB (có 8 bits), PortC (7 bits), PortD (có 8 Bits) Mỗi một cổng của Vi điều khiển được liên kết với 3 thanh ghi: PORTx, DDRx, PINx

3 thanh ghi này sẽ phối hợp với nhau để điều khiển hoạt động của cổng thành lối vào

sử dụng Pull-up…

Cấu trúc chân của AVR có thể phân biệt rõ chức năng (vào/ra), trạng thái (0/1) từ đó

ta có 4 kiểu vào ra cho một chân của AVR Khác với 89xx là chỉ có 2 trạng thái duy nhất (0 1) Đặc biệt nguồn từ chân của AVR đủ khoẻ để điều khiển Led trực tiếp (dòng khoảng hàng chục mA) còn 89xx chỉ là vài µA

Để điều khiển các chân này chúng ta có 2 thanh ghi:

.PORTx :giá trị tại từng chân (0 – 1) có thể truy cập tới từng bit PORTx.n

.DDRx : thanh ghi chỉ trạng thái của từng chân , vào hoặc là ra

a) Thanh ghi DDRx

Đây là thanh ghi 8 bits (có thể đọc ghi) có chứ năng điều khiển hướng của cổng (là lối vào hay lối ra) Khi một bit của thanh ghi này được set lên 1 thì chân tương ứng với nó được cấu hình thành ngõ ra Ngược lại nếu của thanh ghi DDRx là 0 thì chân tương ứng của nó được thiết lập thành ngõ vào Lấy ví dụ: Khi ta set tất cả 8 bit của thanh ghi DDRD đều là 1, thì 8 chân tương ứng của PORTD là PORTD.0, PORTD.1,

…, PORTD.7 được thiết lập là ngõ ra

Hình 3: Thanh ghi DDRD

b) Thanh ghi PORTx

PORTx là thanh ghi 8 bit có thể đọc ghi Đây là thanh ghi dữ liệu của PORTx Nếu thânh ghi DDRx thiết lập cổng là lối ra, khi đó giá trị của thanh ghi PORTx cũng là giá trị của các chân tương ứng của PORTx, nói cách khác, khi ta ghi một giá trị logic lên bit 1 của thanh ghi này thì chân tương ứng của bit đó cũng có cùng mức logic Khi thanh ghi DDRx thiết lập cổng thành lối vào thì thanh ghi PORTx đóng vai trò như một thanh ghi điều khiển cổng Cụ thể, nếu một bit của thanh ghi này được ghi thành 1 thì điện trở treo (pull-up resistor) ở chân tương ứng với nó sẽ được kích hoạt, ngược lại nếu bit được ghi thành 0 thì điện trở treo ở chân tương ứng sẽ không được kích hoạt, cổng ở trạng thái tổng trở cao

Hình 4: Thanh ghi PORTD

Hình 5: Cấu hình chân của ATMega8

Page