thiết kế mạch sử dụng vi điều khiển điều chỉnh nhiệt độ trong lò ấp trứng
Trang 1Mở đầu
1 Lý do chọn đề tài:
Ngày nay, các bộ vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng rãitrong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội, đặc biệt là trong kỹ thuật tựđộng hoá và điều khiển từ xa Giờ đây, với nhu cầu chuyên dụng hoá, tối ưu(thời gian, không gian, giá thành),tính bảo mật, tính chủ động trong côngviệc… ngày càng đòi hỏi khắt khe Việc đưa ra công nghệ mới trong lĩnhvực chế tạo mạch điện tử để đáp ứng những yêu cầu trên là hoàn toàn cấpthiết mang tính thực tế cao
Ngày nay, nền kinh tế ở vùng nông thôn đô thị đang được đẩy mạnhphát triển Việc chọn đề tài thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ trong lò ấptrứng với mục đích góp phần vào nghiên cứu phát triển ngành nghề đangđược sử dụng khá phổ biến
Đề tài gần gũi với đời sống và có đóng góp lớn cho việc phát triểnkinh tế xã hội đặc biệt là nền kinh tế nông thôn
2 Giới thiệu đề tài:
Đề tài thiết kế mạch sử dụng vi điều khiển điều chỉnh nhiệt độ trong
lò ấp trứng là một trong những ứng dụng phổ biến của đời sống được đưa
ra qua quá trình tìm hiểu thực tế
Mạch bao gồm khối cảm biến nhiệt biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó báo
về cho khối xử lý tự động thu nhận tín hiệu điện, xử lý tín hiệu này rồi sosánh, từ đó điều chỉnh nhiệt độ trong lò ấp trứng được giữ ở một mức nhiệt
Trang 2Đề tài góp phần trong việc giảm công sức lao động và mang lại hiệuquả kinh tế cao.
Chương I: Cơ sở lý thuyết.
Trang 31.1 Chọn phương án:
a Chọn bộ vi xử lý:
Với đề tài: “Sử dụng vi điều khiển thiết kế mạch điều chỉnh nhiệt độ
trong lò ấp trứng”, ta có thể sử dụng vi điều khiển Atmega8535 hoặc
PIC16F877A
Trong đề tài này sử dụng PIC16F877A vì nó đáp ứng được các yêu
cầu đề ra, có sẵn bộ chuyển đổi ADC, hiện nay các máy công nghiệp đềudùng và giá thành rẻ
- Tốc độ hồi đáp nhanh với tốc độ thay đổi của nhiệt độ
- Độ nhạy khá cao ( khoảng 1%)
- Có thể tạo ra nhiều kích cỡ, phù hợp với các mục đích đo khác nhau
- Được chế tạo có giá trị điện trở mở rộng, có thể chọn để thiết kế chophù hợp là rất dễ dàng
Nhược điểm:
- Đặc tuyến R-T của Themistor không tuyến tính
Phương án 2: Dùng nhiệt kế thủy ngân có điều chỉnh được nhiệt độ.
Ưu điểm:
- Độ chính xác tương đối cao ( khoảng 1%)
- Giá thành rẻ
Nhược điểm:
Trang 4- Cồng kềnh dễ vỡ
- Dùng sau một thời gian thường bị kẹt do thủy ngân bị oxy hóa
- Khi nhiệt độ lò ấp dao động xung quanh nhiệt độ đặt thì tiếp điểmthủy ngân làm rơle đóng ngắt mở liên tục, gây cháy rơle ( Nếu khôngđóng mở liên tục thì thiệt độ > 0,5OC, trong khi yêu cầu không đượcquá 0,2OC
Phương án 3: Dùng cảm biến nhiệt bằng thủy ngân.
- Ưu điểm của cảm biến nhiệt LM35 vượt trội hơn so với những
phương pháp khác là được chế tạo từ chất bán dẫn
Qua việc phân tích các phương án thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ
trên, đề tài này chọn bộ vi điều khiển là PIC16F877A cảm biến nhiệt
là LM35 Tài liệu về PIC16F877A và LM35 sẽ được giới thiệu trong
các phần sau
Quy trình thực hiện theo phương án lựa chọn như sau:
Trang 6 Khối 1: là khối đầu vào
Có nhiệm vụ cảm biến nhiệt và biến đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệuđiện
Khối 2: là khối điều khiển
Khối điều khiển này là bộ vi xử lý tự động có nhiệm vụ thu nhận tínhiệu điện từ cảm biến nhiệt đưa đến, xử lý tín hiệu này rồi so sánh Từ
đó điều chỉnh lò sưởi và đưa ra khối hiển thị nhiệt độ ấp trứng
Khối 3: là khối đầu ra
Có nhiệm vụ hiển thị nhiệt độ, hiển thị nhiệt độ dưới dạng số
Khối 4: là khối lò sưởi
Có nhiệm vụ cung cấp nhiệt độ cho lò ấp trứng
1.3 Mạch điều khiển:
1.3.1 Sơ đồ khối chi tiết.
Hình 1.3
Trang 71.3.2 Hoạt động của các khối.
a Khối đầu vào:
Khối đầu vào có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện dựa trên quan hệ giữanhiệt độ và điện trở của vật dẫn điện Khi nhiệt độ tăng thì R tăng, vì vậykhi nhiệt độ thay đổi thì R cũng thay đổi Nên cảm biến nhiệt ta chọn là “biến trở nhiệt ”
Hình 1.4
Ura thay đổi khi R1 thay đổi, tức là khi nhiệt độ thay đổi
Sơ đồ biểu diễn sự phụ thuộc của Ura với nhiệt độ (toC)
Hình 1.5
Trang 8 Biến trở nhiệt được chọn là LM35 Tín hiệu từ cảm biến ra là tín hiệu
Trang 9- Sai số khoảng 0.50C tại 250C.
- Mức độ phi tuyến tiêu biểu là ±1⁄4 oC
- Trở kháng ngõ ra thấp khoảng 0.1Ω với tải 1mA
Ứng dụng tiêu biểu:
- LM35 đo nhiệt độ ngõ vào và xuất tín hiệu điện áp ngõ ra tuyến
tính với nhiệt độ ngõ vào là 0C Vì vậy nó có hơn các cảm biếntuyến tính hiệu chỉnh theo nhiệt độ Kelvin 0K
- LM35 không cần thiết phải hiệu chỉnh hay tinh chỉnh bên ngoài vì
nó được cung cấp phạm vi chính xác tiêu biểu là ±1⁄4 oC tại nhiệt
độ phòng và ±3⁄4 oC ở nhiệt độ từ -550C đến +1500C Trở khángngõ ra thấp, tuyến tính và hiệu chỉnh chính xác làm cho việc đọcngõ ra và kiểm soát mạch điện trở nên dễ dàng
- LM35 có thể sử dụng nguồn đơn hoặc nguồn đôi và rút dòng
khoảng 60 µA
Trang 10Nguồn đơn dùng để đo trong phạm
vi từ +20C đến +1500C
Nguồn đôi để đo trong phạm vi từ
-550C đến +1500C
Bảng A.1: Thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt họ LM35
Mã sản phẩm Dải nhiệt độ Độ chính xác Đầu ra
Trang 11LM35 là 1 IC cảm biến nhiệt, mạch tích hợp chính xác cao có điện áp
đầu ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celcius Họ cảm biến nàycũng không yêu cầu cân chỉnh bên ngoài vì bản thân nó đã được cân chỉnh
Họ này cho ra điện áp 10mV ứng với thay đổi nhiệt độ là 10C.Bảng A.3giới thiệu một số thông số kỹ thuật chính của họ LM35
Hình A.2: Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt LM35.
Vì IC cảm biến nhiệt cho ra tương ứng là +10mV/10C mà ADC có độphân giải là 8 bit tương ứng 256 bước vì vậy ta sẽ chọn VREF cho ADCtương ứng là 2,56 V
b Khối đầu ra:
Hiển thị nhiệt độ ra LCD Hiển thị nhiệt độ dưới dạng số, đó là nhiệt
độ do khối lò sưởi cấp Dải nhiệt độ cần thiết của lò ấp là 400C đến 420C
Trang 12c Khối lò sưởi:
Lò sưởi có nhiệm vụ cung cấp nhiệt độ cho lò ấp nên ta chọn bếp điệnhoặc bóng đèn tròn 100W/ 220V hoặc 200W/220V
Hình 1.6
d Khối điều khiển:
- Biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiêu số để xử lý
- Đưa ra tín hiệu đên hiển thị số
- So sánh với toC (40oC – 42oC) để đưa ra tín hiệu điều khiển
Để thực hiện các chức năng phức tạp trên nếu thực hiên bằng các linhkiện rời (bộ chuyển đổi ADC, bộ so sánh cổng logic …) Khi đó mạchrất phức tạp, cồng kềnh, độ chính xác không cao Nhưng nếu dùng viđiều khiển thì nó sẽ thực hiện tất cả các nhiệm vụ trên một cách chínhxác và đơn giản Sơ đồ thực hiện mạch cũng đơn giản vì tất cả đềuđược tích hợp trong vi điều khiển và tất cả chỉ cần lập trình cho các
modul hoạt động Ta chọn vi điều khiển thực hiện là PIC16F877A.
Giới thiệu về PIC16F877A:
Trang 13PIC (prepheral interface contronller) điều khiển các thiết bị giao tiếpvới ngoại vi.
Đặc điểm về PIC16F877A:
Bộ nhớ: SRAM = 368 (byte)
EEPROM = 256 (byte)
Bộ nhớ chương trình Flash = 8Kb100.000 lần ghi/ xóa bộ nhớ chương trình Flash1.000.000 lần ghi/ xóa bộ nhớ dữ liệu EEPROMThời gian lưu trữ của EEPROM > 40 năm
Nguồn cung cấp +5V
Tích hợp các modul:
+ Timer 0: bộ định thời/ bộ đếm 8 bit
+ Timer 1: bộ định thời/ bộ đếm 16 bit
+ Timer 2: bộ định thời/ bộ đếm 8 bit sử dụng trong modul PWM(pulse wide modulation)
+ Modul PWM (điều rộng xung) và compore (so sánh)
+ Giao tiếp SSP (synchrous serial port- cổng đồng bộ nối tiếp) vớiSPI (serial port interface-cổng giao tiếp nối tiếp) và IIC (integratetnegrate tnegrate circuirt-mạch tích hợp)
+ USART (universal sychronous asychronours resiever thu/ phát/ đồng bộ/ không đồng bộ kết hợp
transmit-+ Bộ chuyển đổi ADC (analog digital convert):
o Độ phân giải 10 bit
o Có 8 kênh ADC
o Có 2 bộ so sánh tương tự
Trang 15VSS: đất (GND)OSC1
OSC2Giới thiệu về modul ADC trong PIC 16F877A và các thanh ghiliên quan
Sơ đồ khối A/D:
+ Thanh ghi: ADCONO (địa chỉ 1FH)
Trang 16 Bít 7 và bit 6: ADCS1 ; ADCS0: bit chọn tốc độ chuyển đổi
ADCON1
(ADCS2)
ADCON0ADCS1ADCS0
Xung chuyển đổi
trong vi điều khiển)
Bit 5 3: CHS2: CHS0 bit chọn kênh tương tự
Bít 2: G0/: bit trạng thái biến đổi A/D
1: Đang thực hiện chuyển đổi, bit này được tự động xóa bằng 0 khichuyển đổi xong
0: Chuyển đổi xongBit 1: không bỏBit 0: bit bật nguồn chuyển đổi A/D1: A/D được cấp nguồn
Trang 170: A/D không được cấp nguồn+ Thanh ghi: ADCON 1
Bít 7: ADFM: bit chọn khung kết quả A/D
1: Dịch phải0: Dịch tráiKết quả chuyển đổi được đưa vào 2 thanh ghi: ADRESH VàADRESL
10 bit kết quả
dịch trái
10 bit kết quả
dịch phải
bit 6: ADCS2: bit chọn xung chuyển đổi
ADCS 2 kết hợp với ADCS1 và ADCS0 trong thanh ghi ADCON0Bit 4-5 bỏ
Trang 19A (analog): Đầu vào tín hiệu tương tự
- PIC 16F877A có thể lập trình bằng 2 ngôn ngữ là Assemble và C
Trang 20- Nhằm thuận tiện cho lập trình người ta dùng ngôn ngữ bậc cao (C)
để thuận lập trình cho vi điều khiển
Chương II: Sơ đồ toàn mạch
2.1 Sơ đồ nguyên lý.
Trang 21Hình 2.12.2 Sơ đồ mạch in.
a Sơ đồ mạch in phủ đồng
Trang 22Hình 2.2
b Sơ đồ mạch in không phủ đồng
Trang 23Hình 2.3
Trang 24Chương III: Lập trình cho vi điều khiển.
Trang 252 Hướng phát triển của đề tài:
Việc phát triển kinh tế, đặc biệt là kinh tế vùng nông thôn đang đượcđẩy mạnh Các lò ấp trứng cũng được thiết kế để dành cho các loạitrứng khác nhau với các dải nhiệt độ thích hợp Vì vậy việc lập trìnhcho vi điều khiển có thể tạo ra lựa chọn dải nhiệt độ cho từng trườnghợp tương ứng
Ngoài ra, có thể lập trình cho vi điều khiển nhằm gắn thêm các modulvào các role để thực hiện các chức năng như: mở quạt thông gió, bậtmáy bơm nước…
Một hướng phát triển nữa là thiết kế lập trình cho vi điều khiển thựchiện các chức năng bằng điều khiển từ xa