đô án chuyên ngành - đo và điều khiển nhiệt độ

Đồ án chuyên ngành GVHD : Nguyễn Trọng Khanh LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy cô trường Cao Đẳng Kỷ Thuật Cao Thắng , những người đã tạo điều kiện cho em có cơ hội nghiên cứu và tìm hiểu sâu rộng về lĩnh vực điện tử, đặc biệt là thầy Nguyễn Trọng Khanh đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong thời gian thực hiện đề tài. Đồng thời chúng em cũng gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã giúp đỡ em trong thời gian qua. Có được sự giúp đỡ nhiệt tình đó cộng với sự cố gắng của bản thân nên em đã hoàn thành được đề tài đúng thời hạn. Với sự hiểu biết còn hạn chế và thời gian thực hiện đề tài không nhiều nên đề tài không tránh khỏi những sai sót. Rất cảm ơn sự hướng dẫn và góp ý của quý thầy cô và bạn bè cho đề tài được hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Lý Nguyên Hà Trang 1 Đồ án chuyên ngành GVHD : Nguyễn Trọng Khanh NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN  Tp Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2009 Giáo viên hướng dẫn Ký tên Thầy Giáo Nguyễn Trọng Khanh Trang 2 Đồ án chuyên ngành GVHD : Nguyễn Trọng Khanh NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN  Tp HCM, ngày… tháng… năm 2009 Giáo viên phản biện Trang 3 Đồ án chuyên ngành GVHD : Nguyễn Trọng Khanh MỤC LỤC PHẦN 1 : LÝ THUYẾT I. Giới thiệu về vi điều khiển PIC 16F877A 1.1. Giới thiệu chung 1.2. Giới thiệu về PIC 16F8XX và PIC 16F877A 1.3. Sơ đồ chân , cấu trúc và chức năng PIC 16F877A loại 40 chân PDIP II. Cặp nhiệt điện 2.1. Buổi ban đầu của thiết bị đo nhiệt độ 2.2. Các loại cảm biến hiện tại 2.3. Thermocouple PHẦN 2 : THIẾT KẾ I. Cấu trúc phần cứng tổng quát II. Cấu trúc chi tiết 2.1. Khối nguồn 2.2. Khối hiển thị 2.3. Khối xử lý trung tâm 2.4. Khối cảm biến 2.5. Khối mạch điều khiển 2.6 Khối giao tiếp III. Lưu đồ giải thuât chương trình IV.Thông số các linh kiện sử dụng trong mạch V.chương trình Trang 4 Đồ án chuyên ngành GVHD : Nguyễn Trọng Khanh Trang 5 Đồ án chuyên ngành GVHD : Nguyễn Trọng Khanh I. GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A 1.1. Giới thiệu chung 1.1.1 Tổng quan về họ Vi điều khiển PIC PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology. Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics Division thuộc General_Instrument. PIC bắt nguồn từ chữ viết tắt của “Programmable Intelligent Computer” (Máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãng General Instruments đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC1650. Lúc này, PIC 1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16 bit CP1600, vì vậy, người ta cũng gọi PIC với tên “Peripheral Interface Controller” (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi). CP1600 là một CPU tốt, nhưng lại kém về các hoạt động xuất nhập, và vì vậy PIC 8-bit được phát triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CP1600. PIC sử dụng microcode đơn giản đặt trong ROM, và mặc dù, cụm từ RISC chưa được sử dụng thời bấy giờ, nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh một chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động). Năm 1985 General Instruments bán bộ phận vi điện tử của họ, và chủ sở hữu mới hủy bỏ hầu hết các dự án – lúc đó quá lỗi thời. Tuy nhiên, PIC được bổ sung EPROM để tạo thành 1 bộ điều khiển vào ra khả trình. Ngày nay rất nhiều dòng PIC được xuất xưởng với hàng loạt các module ngoại vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC…), với bộ nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word. 1.1.2. Một số đặc tính của Vi điều khiển PIC Hiện nay có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần cứng, nhưng chúng ta có thể điểm qua một vài nét như sau : • 8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến truc Harvard có sửa đổi • Flash và ROM có thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte • Các cổng Xuất/ Nhập (I/ O ports) (mức logic thường từ 0V đến 5.5V, ứng với logic 0 và logic 1) • 8/16 bit Timer • Các chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ/ khung đồng bộ USART • Bộ chuyển đổi ADC Analog-to-digital converters, 10/12 bit • Bộ so sánh điện áp (Voltage Comparator) • Các module Capture/ Compare/ PWM • LCD • MSSP Peripheral dựng cho các giao tiếp I 2 C, SPI, I 2 S • Bộ nhớ nội EPROM – có thể ghi/ xoá lớn tới 1 triệu lần • Module Điều khiển động cơ, đọc encoder Trang 6 Đồ án chuyên ngành GVHD : Nguyễn Trọng Khanh • Hỗ trợ giao tiếp USB • Hỗ trợ giao tiếp CAN • Hỗ trợ giao tiếp LIN • Hỗ trợ giao tiếp IrDA • Một số dòng có tích hợp bộ RF (PIC16f639, và rfPIC) • KEELOQ mờ hoá và giải mờ • DSP những tính năng xử lý tín hiệu số (dsPIC) Đặc điểm thực thi tốc độ cao của RISC CPU của họ vi diều khiển PIC16F87XA : • Chỉ gồm 35 lệnh đơn. • Tất cả các lệnh là 1chu kỳ ngoại trừ chương trình con là 2 chu kỳ. • Tốc độ hoạt động : *DC- 20MHz ngõ vào xung clock. *DC- 200ns chu kỳ lệnh. • Độ rộng của bộ nhớ chương trình Flash là 8K x 14word, của bộ nhớ dữ liệu (RAM) là 368 x 8bytes, của bộ nhớ dữ liệu là EPROM (RAM) là 256 x 8bytes. 1.1.3. Những đặc tính ngoại vi - Timer0 : 8- bit định thời/ đếm với 8- bit prescaler - Timer1 : 16- bit định thời/ đếm với prescaler, có thể được tăng lên trong suốt chế độ Sleep qua thạch anh/ xung clock bên ngoài. - Timer2 : 8- bit định thời/đếm với 8- bit, prescaler và postscaler - Hai module Capture, Compare, PWM * Capture có độ rộng 16 bit, độ phân giải 12.5ns * Compare có độ rộng 16 bit, độ phân giải 200ns * Độ phân giải lớn nhất của PWM là 10bit. - Có 13 ngõ I/O có thể điều khiển trực tiếp - Dòng vào và dòng ra lớn : * 25mA dòng vào cho mỗi chân * 20mA dòng ra cho mỗi chân 1.1.4. Đặc điểm về tương tự - 10 bit, với 8 kênh của bộ chuyển đổi tương tự sang số (A/D). - Brown – out Reset (BOR). - Module so sánh về tương tự. * Hai bộ so sánh tương tự. * Module điện áp chuẩn VREF có thể lập trình trên PIC. - Có thể lập trình ngõ ra vào đến từ những ngõ vào của PIC và trên điện áp bên trong. - Những ngõ ra của bộ so sánh có thể sử dụng cho bên ngoài. Trang 7 Đồ án chuyên ngành GVHD : Nguyễn Trọng Khanh 1.1.5. Các đặc điểm đặc biệt : - Có thể ghi/ xoá 100.000 lần với kiểu bộ nhớ chương trình Enhanced Flash. - 1.000.000 ghi/ xoá với kiểu bộ nhớ EPROM. - EPROM có thể lưu trữ dữ liệu hơn 40 năm. - Có thể tự lập trình lại dưới sự điều khiển của phần mềm. - Mạch lập trình nối tiếp qua 2 chân. - Nguồn đơn 5V cấp cho mạch lập trình nối tiếp. - Watchdog Timer (WDT) với bộ dao động RC tích hợp sẵn trên Chip cho hoạt động đáng tin cậy. - Có thể lập trình mờ bảo vệ. - Tiết kiệm năng lượng với chế độ Sleep. - Có thể lựa chọn bộ dao động. - Mạch dở sai (ICD : In- Circuit Debug) qua 2 chân 1.1.6. Công nghệ CMOS Năng lượng thấp, tốc độ cao Flash/ công nghệ EPROM Việc thiết kế hoàn toàn tĩnh Khoảng điện áp hoạt động từ 2V đến 5.5V Tiêu tốn năng lượng thấp. 1.2. Giới thiệu về PIC16F8XX và PIC16F877A PIC16F8X là nhóm PIC trong họ PIC16XX của họ Vi điều khiển 8-bit, tiêu hao năng lượng thấp, đáp ứng nhanh, chế tạo theo công nghệ CMOS, chống tĩnh điện tuyệt đối. Nhóm bao gồm các thiết bị sau: • PIC16F83 • PIC16CR83 • PIC16F84 • PIC16CR84 - Tất cả các PIC16/17 đều có cấu trúc RISC. PIC16CXX các đặc tính nổi bậc, 8 mức ngăn xếp Stack, nhiều nguồn ngắt tích hợp bên trong lẫn ngoài. Có cấu trúc Havard với các bus dữ liệu và bus thực thi chương trình riêng biệt nhau cho phép độ dài 1 lệnh là 14-bit và bus dữ liệu 8-bit cách biệt nhau. Tất cả các lệnh đều mất 1 chu kỳ lệnh ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh chương trình mất 2 chu kỳ lệnh. Chỉ có 35 lệnh và 1 lượng lớn các thanh ghi cho phép đáp ứng cao trong ứng dụng. - Họ PIC16F8X có nhiều tính năng đặc biệt làm giảm thiểu các thiết bị ngoại vi, vì vậy kinh tế cao, có hệ thống nổi bật đáng tin cậy và sự tiêu thụ năng lượng thấp. Ở đây có 4 sự lựa chọn bộ dao dộng và chỉ có 1 chân kết nối bộ dao động RC nên có giải pháp tiết kiệm cao. Chế độ SLEEP tiết kiệm nguồn và có thể được đánh thức bởi các nguồn reset. Và còn nhiều phần khác đó được giới thiệu bên trên sẽ được nói rõ ở các phần kế tiếp. - PIC16F877A có 40/44 chân với sự phân chia cấu trúc như sau : + Có 5 port xuất/nhập Trang 8 Đồ án chuyên ngành GVHD : Nguyễn Trọng Khanh + Có 8 kênh chuyển đổi A/D 10-bit + Có bộ nhớ gấp đôi so với PIC16F873A và PIC16F874A2.2.1. Tổ chức thanh ghi Bảng 1.1: Tóm tắt đặc điểm của PIC16F877A Tần số hoạt động DC-20MHz Reset và Delay POR, BOR (PWRT, OST) Bộ nhớ chương trình Flash (14-bit word) 8K Bộ nhớ dữ liệu (byte) 368 Bộ nhớ dữ liệu EEPROM (byte) 256 Các ngắt 15 Các Port xuất/nhập Port A, B, C, D, E Timer 3 Module Capture/Compare/PWM 2 Giao tiếp nối tiếp MSSP, USART Giao tiếp song song PSP Module A/D 10-bit 8 kênh ngõ vào Bộ so sánh tương tự 2 Tập lệnh 35 lệnh Số chân 40 chân PDIP 44 chân PLCC 44 chân TQFP 44 chân QFN 1.3. Sơ đồ chân ,cấu trúc và chức năng PIC 16F877A loại 40 chân PDIP Hình 1.1: Sơ đồ chân Pic 16F877A loại 40 chân PDIP • Chức năng các chân : * Chân OSC1/CLKI (13) : ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock bên ngoài. Trang 9 Đồ án chuyên ngành GVHD : Nguyễn Trọng Khanh - OSC1 : ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock bên ngoài. Ngõ vào Schmit trigger khi được cấu tạo ở chế độ RC ; một cách khác của CMOS. - CLKI : ngõ vào nguồn xung bên ngoài. Luôn được kết hợp với chức năng OSC1. * Chân OSC2/CLKO (13) : ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock - OSC2 : Ngõ ra dao động thạch anh. Kết nối đến thạch anh hoặc bộ cộng hưởng. - CLKO : ở chế độ RC, ngõ ra của OSC2, bằng tần số của OSC1 và chỉ ra tốc độ của chu kỳ lệnh. * Chân /V PP (1) : - MCLR : Hoạt động Reset ở mức thấp - V PP : ngõ vào áp lập trình * Chân RA0/AN0 (2) : - RA0 : xuất/nhập số - AN0 : ngõ vào tương tự 0 * Chân RA1/NA1 (3) : - RA1 : xuất/nhập số - AN1 : ngõ vào tương tự 1 * Chân RA2/NA2/V REF- /CV REF (4) : - RA2 : xuất/nhập số - AN2 : ngõ vào tương tự 2 - V REF -: ngõ vào điện áp chuẩn (thấp) của bộ A/D - CV REF : điện áp tham chiếu V REF ngõ ra bộ so sỏnh * Chân RA3/NA3/V REF+ (5) : - RA3 : xuất/nhập số - AN3 : ngõ vào tương tự 3 - V REF+ : ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộ A/D * Chân RA4/TOCKI/C1OUT (6) : - RA4 : xuất/nhập số - mở khi được cấu tạo như ngõ ra - TOCKI : ngõ vào xung clock bên ngoài cho Timer 0 - C1 OUT : Ngõ ra bộ so sánh 1 * Chân RA5/AN4/ /C2OUT (7) : - RA5 : xuất/nhập số - AN4 : ngõ vào tương tự 4 - SS : ngõ vào chọn lựa SPI phụ - C2 OUT : ngõ ra bộ so sánh 2 Trang 10 [...]... RE0/ /AN6 (8) : - RE0 : xuất nhập số - RD : điều khiển việc đọc ở port nhánh song song - AN5 : ngõ vào tương tự 5 * Chân RE1/ /AN6 (9) : - RE1 : xuất/nhập số - WR : điều khiển việc ghi ở port nhánh song song - AN6 : ngõ vào tương tự 6 * Chân RE2/ /AN7 (10) : - RE2 : xuất/nhập số - CS : Chip lựa chọn sự điều khiển ở port nhánh song song - AN7 : ngõ vào tương tự 7 * Chân VDD(11,32), và VSS(12,31) : là... quan đến bộ tạo điện áp so sánh này bao gồm: Thanh ghi CVRCON (đòa chỉ 9Dh): thanh ghi trực tiếp điều khiển bộ so sánh điện áp Thanh ghi CMCON (đòa chỉ 9Ch): thanh ghi điều khiển bộ Comparator Trang 34 Đồ án chun ngành GVHD : Nguyễn Trọng Khanh II CẶP NHIỆT ĐIỆN Điều đầu tiên trong điều khiển nhiệt độ là chúng ta phải có được một thiết bị (cảm biến) cho phép đo được nhiệt độ hiện tại Có rất nhiều loại... PGD : mạch dữ sai và dữ liệu lập trình ICSP * Chân RC0/T1 OCO/T1CKI (15) : - RC0 : xuất/nhập số - T1 OCO : ngõ vào bộ dao động Timer 1 - T1 CKI : ngõ vào xung clock bên ngồi Timer 1 * Chân RC1/T1 OSI/CCP2 (16) : - RC1 : xuất/nhập số - T1 OSI : ngõ vào bộ dao động Timer 1 - CCP2 : ngõ vào Capture 2, ngõ ra compare 2, ngõ ra PWM2 * Chân RC2/CCP1 (17) : - RC2 : xuất/nhập số - CCP1 : ngõ vào Capture 1, ngõ... Chân RC3/SCK/SCL (18): - RC3 : xuất/nhập số - SCK : ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ ra của chế độ SPI - SCL : ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ ngõ ra của chế độ I2C * Chân RC4/SDI/SDA (23) : - RC4 : xuất/nhập số - SDI : dữ liệu vào SPI - SDA : xuất/nhập dữ liệu vào I2C * Chân RC5/SDO (24) : Trang 11 Đồ án chun ngành GVHD : Nguyễn Trọng Khanh - RC5 : xuất/nhập số - SDO : dữ liệu ra SPI *... nhiệt của nước đá trộn với muối (hay ammonium chloride) vì đây là nhiệt độ thấp nhất thời đó Đầu trên của thiết bị được gán là 96 độ, đánh dấu nhiệt độ của máu người Tại sao là 96 độ mà khơng phải là 100 độ? Câu trả lời là bởi vì người ta chia tỷ lệ theo 12 phần như các tỷ lệ khác thời đó Khoảng năm 1742, Anders Celsius đề xuất ý kiến lấy điểm tan của nước đá gán 0 độ và điểm sơi của nước gán 100 độ, ... COMPARATOR Bộ so sánh bao gồm hai bộ so so sánh tín hiệu analog và được đặt ở PORTA gõ vào bộ so sánh là các chân RA3:RA0, ngõ ra là hai chân RA4 và RA5 Thanh ghi điều khiển bộ so sánh là CMCON Các bit CM2:CM0 trong thanh ghi CMCON đóng vai trò chọn lựa các chế độ hoạt động cho bộ Comparator (hình 2.10) Cơ chế hoạt động của bộ Comparator như sau: Tín hiệu analog ở chân VIN + sẽ được só sánh với điện áp... RC0/T1OSO/T1CKI Timer1 có hai chế độ đếm là đồng bộ (Synchronous) và bất đồng bộ (Asynchronous) Chế độ đếm được quyết đònh bởi bit điều khiển (T1CON) Khi =1 xung đếm lấy từ bên ngoài sẽ không được đồng bộ hóa với xung clock bên trong, Timer1 sẽ tiếp tục quá trình đếm khi vi điều khiển đang ở chế độ sleep và ngắt do Timer1 tạo ra khi bò tràn có khả năng “đánh thức” vi điều khiển Ở chế độ đếm bất đồng bộ, Timer1... Timer1 và Timer2 đều có hai chế độ hoạt động là timer và counter Xung clock có tần số bằng ¼ tần số của oscillator Xung tác động lên Timer0 được hỗ trợ bởi prescaler và có thể được thiết lập ở nhiều chế độ khác nhau (tần số tác động, cạnh tác động) trong khi các thông số của xung tác động lên Timer1 là cố đònh Timer2 được hỗ trợ bởi hai bộ chia tần số prescaler và postcaler độc lập, tuy nhiên cạnh tác động... liệu ra SPI * Chân RC6/TX/CK (25) : - RC6 : xuất/nhập số - TX : truyền bất đồng bộ USART - CK : xung đồng bộ USART * Chân RC7/RX/DT (26) : - RC7 : xuất/nhập số - RX : nhận bất đồng USART - DT : dữ liệu đồng bộ USART * Chân RD0/PSP0 (19) : - RD0 : xuất/nhập số - PSP0 : dữ liệu port nhánh song song * Chân RD1/PSP1 (20) : - RD1 : xuất/nhập số - PSP1 : dữ liệu port nhánh song song * Các chân RD2/PSP2 (21),... nguồn của PIC • Cấu trúc bên trong pic 16f877a: Trang 12 Đồ án chun ngành GVHD : Nguyễn Trọng Khanh Trang 13 Đồ án chun ngành GVHD : Nguyễn Trọng Khanh 2 MỘT VÀI THÔNG SỐ VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns . số - RD : điều khiển việc đọc ở port nhánh song song - AN5 : ngõ vào tương tự 5 * Chân RE1/ /AN6 (9) : - RE1 : xuất/nhập số - WR : điều khiển việc ghi ở port nhánh song song - AN6 : ngõ vào. số - T1 OCO : ngõ vào bộ dao động Timer 1 - T1 CKI : ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1 * Chân RC1/T1 OSI/CCP2 (16) : - RC1 : xuất/nhập số - T1 OSI : ngõ vào bộ dao động Timer 1 - CCP2 : ngõ vào. 0 - C1 OUT : Ngõ ra bộ so sánh 1 * Chân RA5/AN4/ /C2OUT (7) : - RA5 : xuất/nhập số - AN4 : ngõ vào tương tự 4 - SS : ngõ vào chọn lựa SPI phụ - C2 OUT : ngõ ra bộ so sánh 2 Trang 10 Đồ án chuyên