Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ sử dụng LM335

Tìm hiểu về vi điều khiển AVR ,ngôn ngữ C , phần mềm WINavr và LCD 16x2

MỞ ĐẦU ỹ thuật vi điều khiển hiện nay rất phát triển rất mạnh mẽ, nó được ứng dụng vào rất rất nhiều lĩnh vực từ trong đời sống sinh hoạt hàng ngày(khóa số, tủ lạnh, ti vi, .) cho tới các lĩnh vực trong công nghiệp cũng như trong quân sự. Do có nhiều ưu điểm như nhỏ gọn, khả năng lập trình để điều khiển theo ý muốn, giá thành thấp, có khả năng xử lí được nhiều công việc… lên vi điều khiển trở thành linh kiện không thể thiếu được trong các thiết bị phục vụ con người chúng ta. AVR là một trong rất nhiều dòng vi điều khiển 8bit hiện nay. Nó được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển ứng dụng, lĩnh vực điều khiển đo lường, lĩnh vực điều khiển tự động, lĩnh vực điều khiển quảng cáo .v.v … Với những kiến thức đã có được về dòng vi điều khiển AVR em đã chọn đề tài tốt nghiêp: ”Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ sử dụng LM335”. Mục tiêu của đề tài là kết hợp vi điều khiển AVR kết hợp với IC cảm biến nhiệt độ thành hệ thống đo nhiệt độ .IC LM335 sẽ cảm biến nhiệt độ bên ngoài môi trường ( chuyển nhiệt độ thành tín hiệu điện áp) đưa đến vi điều khiển AVR xử lý rồi hiển thị trên LCD 16x2. Nội dung của đồ án chia làm 3 chương : -, Chương 1: Tìm hiểu về một số loại cảm biến nhiệt thông dụng và LM335 -, Chương 2: Tìm hiểu về vi điều khiển AVR ,ngôn ngữ C , phần mềm WINavr và LCD 16x2. -, Chương 3: Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ xử dụng LM335. 1 Chương 1 Tìm hiểu về một số loại cảm biến thông dụng và LM335 Trước tiên ta cần biết cảm biến là gì: Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận,…các đại lượng vật lý không điện thành các tín hiệu điện. Ví dụ: Nhiệt độ là 1 đại lượng không liên quan đến điện chúng ta phải chuyển nó về 1 đại lượng khác ( điện trở, điện áp ) để phù hợp với các cơ cấu điện tử. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ : Nhiệt độ từ môi trường sẽ được cảm biến hấp thu, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đó ( điện áp, dòng điện ). Như thế một yếu tố hết sức quan trọng đó là “ nhiệt độ môi trường cần đo” và “nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”. Cụ thể điều này là: Các loại cảm biến mà ta trông thấy nó đều là cái vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm bên trong cái vỏ này ( bán dẫn, lưỡng kim….) do đó việc đo có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào đến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu ( 1 trong những yếu tố quyết định giá cảm biến nhiệt ). . PHÂN LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT. - Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ). - Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ) - PT100. - Thermistor. - Bán dẫn ( Diode, IC ,….). - Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ). Dùng hồng ngoại hay lazer. 1. CẶP NHIỆT ĐIỆN ( Thermocouples ). - Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu. - Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV). - Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao. - Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao. - Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,… - Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C 2 - Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. Vì thế cần lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp. - Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển ). Lưu ý khi sử dụng: - Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này chúng ta lưu ý là không nên nối thêm dây ( vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều ). Cọng dây của cảm biến nên để thông thoáng ( đừng cho cọng dây này dính vào môi trường đo ). - Lưu ý: Vì tín hiệu cho ra là điện áp ( có cực âm và dương ) do vậy cần chú ý kí hiệu để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng. Hình cặp nhiệt điện 2. NHIỆT ĐIỆN TRỞ ( RTD-resistane temperature detector ) - PT100 Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD - Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài. 3 Thường có các loại: 100, 200, 500,1000 ohm tại 0 D.C. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Lưu ý khi sử dụng: - Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số. - Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu hơn so với Thermocouple. Chúng ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến này ( hàn kĩ, chất lượng dây tốt, có chống nhiễu ) . - Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây. Ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn nguyên lý đo nhiệt độ của Pt100 : Thiết bị đo nhiệt độ Pt100 hay còn gọi là can nhiệt Pt có cấu tạo là một điện trở nhiệt (điện trở thay đổi khi nhiệt độ thay đổi).Điện trở này là một dây kim loại có bọc các đoạn sứ bao quanh toàn bộ dây kim loại.Phần bao bọc này lại được đặt trong một ống bảo vệ(thermowell) thường có dạng hình tròn,chỉ đưa 2 đầu dây kim loại ra để kết nối với thiết bị chuyển đổi.Phần ống bảo vệ sẽ được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ,thông thường can nhiệt Pt100 chỉ đo được nhiệt độ tối đa là 600độC. Hai đầu dây kim loại để chừa ra ở phần ống bảo vệ được kết nối tới một thiết bị gọi là bộ chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện phục vụ cho việc truyền tới phòng điều khiển giám sát.Thiết bị chuyển đổi có cấu tạo chẳng qua là một cầu điện trở có một nhánh chính là Pt100(có điện trở là 100 ôm ở 0 độ C) 3. THERMISTOR - Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,… - Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi. - Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo. - Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp. - Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử. - Tầm đo: 50 <150 D.C. Cấu tạo Thermistor. - Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid. Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. - Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số 4 nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC. - Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150độ C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt-mít. Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ. Lưu ý khi sử dụng: - Tùy vào nhiệt độ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC và NTC .Có thể test dễ dàng với đồng hồ VOM. - Nên ép chặt vào bề mặt cần đo. - Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ. - Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây. Hình thermistor. 4. IC BÁN DẪN - Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn. - Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. - Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản. - Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền. - Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử. - Tầm đo: -50 <150 D.C. 5 - Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn. Có các loại như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường. Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,…. - Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode ( hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi. Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch. IC cảm biến nhiệt LM35 Cảm biến nhiệt dạng Diode Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hướng mới trong “ thế giới cảm biến”. IC cảm biến nhiệt DS18B20 Lưu ý khi sử dụng: 6 - Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao. Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến. - Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác dụng. Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được sự chính xác. - Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh. *, Trong phần này ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về IC LM335: .a, Temperature accuracy ( sự chính xác của nhiệt độ đo). Thông số Điều kiện LM335A LM335 Đơn vị Min Typ Max Min typ Max Điên áp ra T C =25 0 C, I R =1.5mA 2.95 2.98 3.01 2.92 2.98 3.04 V Sai số nhiệt độ T c =25 0 C, I R =1mA 1 3 2 6 0 C Sai số nhiệt độ T c =25 0 C, I R =1mA 2 5 4 9 0 C Sai số với 25 0 C T Min ≤T C ≤T Max, I R =1mA 0.5 1 1 2 0 C Sai số ở mức nhiệt độ max T c =T Max 2 2 0 C Tính không tuyến tính I R =1mA 0.3 1.5 0.3 1.5 0 C .b, Thông số điện Thông số Điều kiện LM335 Đơn vị Min Typ Max Điện áp ra với dòng thay đổi 400µA≤I R ≤5mA Tại 1 nhiệt độ cố định. 3 14 mV Trở kháng I R =1mA 0.6 Ω Hệ số đầu ra +10 mV/ 0 C Thời gian ổn định T c =125 0 C 0.2 0 C/khr 7 .c. Các cách kết nối LM335 trong mạch H1 H2 H3 8 H4 -, Trong H1: đây là cách ghép nối cơ bản của LM335 trong mạch, LM335 sẽ được mắc nối tiếp với nguồn (5V) qua 1 điện trở R. Khi mắc kiểu này ta sẽ thu được điện áp đầu ra biến thiên 10mV/ 0 K. -, Trong H2: ta có thể mắc nối tiếp 3 IC LM335 với nhau ,nối tiếp với điện trở 6K và nguồn 15V. Với cách này điện áp đầu ra biến thiên trung bình 30mV/ 0 K. -,Trong H3 : ta có thể mắc nối tiếp LM335 với điện trở và nguồn, ta có thể điều chỉnh nấc thang đo của LM335 để lấy chuẩn điện áp biến thiên đầu ra là 10mV/ 0 K thông qua việc điều chỉnh biến trở 10K ở chân ADJ. -, Trong H4 : ta mắc song song 3 IC LM335 với nhau, rồi mắc nối tiếp với nguồn 15V qua điện trở 6K. Với cách này ta thu được điện áp ở đầu ra biến thiên 10mV/ 0 K. *, Hình dạng của LM335 thường thấy trong thực tế : Nó có 3 chân chính : 2 chân cấp nguồn và 1 chân out tín hiệu Analog Khi ta cấp điện áp 5V cho LM335 thì nhiệt độ đo được từ cảm biến sẽ chuyển thành điện áp tương ứng tại chân số 2 (Vout). Điện áp này được tỉ lệ với giải nhiệt độ mà nó đo được. Với độ giải của nhiệt độ đầu ra là 10mV/K. Hoạt động trong giải điện áp từ 0 cho đến 5V và giải nhiệt độ đo được từ 0 oC đến 100oC. Và cần chú ý đến những thông số chính sau : + Hoạt động chính xác ở dòng điện đầu vào từ 0.4mA đến 5mA. Dòng điện đầu vào 9 ngoài khoảng này kết quả đo sẽ sai + Điện áp cấp vào ổn định là 5V + Trở kháng đầu ra thấp 1 ôm + Giải nhiệt độ môi trường là từ 0 đến 100 C Như vậy LM335 nó cho chúng ta tín hiệu tương tự (Analog) và chúng phải xử lý tín hiệu này thành nhiệt độ. Chương 2 Tìm hiểu về vi điều khiển AVR ,ngôn ngữ C,phần mềm WINavr và LCD 16x2 1, Tìm hiểu về vi điều khiển AVR. 1.1. Tổng quan về dòng vi điều khiển AVR - Vi điều khiển AVR do hãng Atmel (Hoa Kì) sản xuất được gới thiệu lần đầu năm 1996. AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny AVR (như AT tiny 13, AT tiny 22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi, rồi đến dòng AVR (chẳn hạn AT90S8535, AT90S8515,…) có kích thước bộ nhớ vào loại trung bình và mạnh hơn là dòng Mega (như ATmega32, ATmega128,…) với bộ nhớ có kích thước vài Kbyte đến vài trăm Kbye cùng với các bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp trên chip, cũng có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip (dòng LCD AVR). Tốc độ của dòng ATmega cũng cao hơn so với các dòng khác. - Sự khác nhau cơ bản giữa các dòng chính là cấu trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau (hình 1.1). Đặt biệt, năm 2008, Atmel lại tiếp tục cho ra đời dòng AVR mới là XmegaAVR, với những tính năng mạnh mẽ chưa từng có ở các dòng AVR trước đó. Có thể nói AVR là dòng MCU 8 bit mạnh mẽ nhất hiện nay. Các đặc điểm chính: 1-Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp – lưu trữ và 32 thanh nghi đa năng. 2- Có nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip, bao gồm: Cổng và/ra số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM),giao tiếp CAN, … 3- Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp. 4- Hoạt động với chu kỳ xung nhịp cao, có thể lên đến 20 MHz tuỳ thuộc từng loại chíp cụ thể. 10 [...]... trình khởi động trên chip đang chạy trong lõi AVR Chương trình boot có thể sử dụng một vài giao diện để tải chương trình ứng dụng trong bộ nhớ Flash ứng dụng Phần mềm trong đo n Flash khởi động sẽ tiếp tục hoạt động trong khi đo n Flash khởi động được cập nhật, cung cấp hoạt động đọc ghi một cách chính xác Bằng cách kết hợp 1 CPU 8 bit theo cấu trúc RISC với bộ nhớ Flash lập trình ngay trên hệ thống trong... các thiết bị còn lại trong chế độ nghỉ Chế độ giảm nhiễu ADC làm cho CPU ngừng hoạt động và tất cả các môđun vào/ra ngoại trừ bộ Timer bất đồng bộ và bộ ADC, để nhiễu của việc chuyển mạch đạt cực tiều trong suốt quá trình chuyển đổi ADC Trong chế độ dự phòng, thạch anh/bộ dao động cộng hưởng sẽ hoạt động trong khi các thiết bị còn lại trong chế độ nghỉ Điều này cho phép việc khởi động nhanh được kết... thông tin về kết quả thưc hiện của hầu hết các lệnh số học Các thông tin này có thể được sử dụng để điều khiển chương trình Chú ý rằng các thanh ghi trạng thái được cập nhật sau tất cả các hoạt động của ALU Trong nhiều trường hợp, điều này sẽ bỏ đi những cần thiết khi sử dụng câu lệnh so sánh chuyên dụng, kết quả nhanh hơn và đo n chương trình ngắn gọn hơn Thanh ghi trạng thái không tự động lưu trữ... trong DDRAM 0x01 1 32 14 Thiết lập địa chỉ DDRAM hoặc vị trí con trỏ hiển thị 0x80 + add 128 + add 15 Thiết lập địa chỉ CGRAM hoặc cài đặt con trỏ tới vùng CGRAM 0x40 + add 64 + add c, Chế độ giao tiếp với LCD16x2 Có 2 chế độ giao tiếp là chế độ 8 bit và chế độ 4 bít Với chế độ 8 bít chúng ta cần sử dụng 8 chân của vi điều khiển(ở cùng 1 PORT) để làm 8 chân dữ liệu và phải sử dụng thêm 3 chân của vi... nhanh được kết hợp với việc tiêu thụ năng lượng thấp Ở chế độ dự phòng bên ngoài, cả hai bộ dao động chính và Timer bất đồng bộ vẫn tiếp tục hoạt động - Các thiết bị được chế tạo bởi công tuy Atmel sử dụng công nghệ bộ nhớ không tự mất dữ liệu và có mật độ cao Bộ nhớ Flash ISP trên chip cho phép bộ nhớ chương trình có thể lập trình được ngay trên hệ thống qua 1 bộ giao diện nối tiếp SPI hoặc bằng bộ nạp... Timer/Counter, cổng SPI, và hệ thống ngắt vẫn tiếp tục làm việc Chế độ làm giảm mức tiêu thụ năng lượng lưu nội dung thanh ghi nhưng lại để bộ dao động hoạt động, cấm tất cả các chức năng khác trên chip cho đến khi có tín hiệu ngắt ngoài kế tiếp hoặc tín hiệu reset phần cứng Ở chế độ tiết kiệm năng lượng, bộ Timer bất đồng bộ vẫn tiếp tục hoạt động và cho phép người sử dụng vẫn tiếp tục duy trì 1 bộ... hiển thị, độ dài dữ liệu… • Thiết lập địa chỉ RAM trong • Thực hiện truyền dữ liệu với RAM trong • Thực hiện một số chức năng khác Bảng1.2 Danh sách các lệnh thường xuyên sử dụng khi làm việc với LCD Số thứ tự Chỉ thị Mã lệnh (hex) Mã lênh (decimal) 1 Thiết lập : 8 bit, 1 dòng, 5x7 điểm 0x30 48 2 Thiết lập : 8 bit, 2 dòng, 5x7 điểm 0x38 56 3 Thiết lập : 4 bit, 1 dòng, 5x7 điểm 0x20 32 4 Thiết lập :... MUX để chọn kênh và chế độ cần sử dụng Bảng 3 tóm tắt các chế độ hoạt động của ADC thông qua các giá trị của các bit MUX Trong bảng này, ứng với các giá trị từ 00000 đến 00111 (nhị phân), các kênh ADC được chọn ở chế độ đơn kênh (tín hiệu input lấy trực tiếp từ các chân analog và so sánh với 0V), giá trị từ 01000 đến 11101 tương ứng với chế độ chuyển đổi so sánh Bảng 3: Chọn chế độ chuyển đổi • 24 - 2,... thanh ghi chức năng đặc biệt, 3 bit cao trong thanh ghi này quy định nguồn kích ADC nếu chế độ Auto Trigger được sử dụng Đó là các bit ADTS2:0 (Auto Trigger Source 2:0) Các loại nguồn kích được trình báy trong bảng 5 Bảng 5: Nguồn kích ADC trong chế độ Auto Trigger 2 LCD 16x2 2.1, Tìm hiểu về LCD 16x2 LCD sử dụng trong đề tài là loại 2 dòng và 16 cột, cho phép hiển hiển thị cùng lúc 32 ký tự Với 14... với chế độ so sánh, các ngắt ngoài và trong, 1 bộ USART lập trình nối tiếp, 1 giao diện nối tiếp 2 dây byte định hướng, 1 bộ chuyển ADC 8 kênh 10 bit với trạng thái đầu vào vi sai với độ lợi có thể lập trình, 1 bộ định thời Watchdog có thể lập trình với bộ dao động bên trong, 1 cổng nối tiếp SPI, và 6 chế độ tiết kiệm năng lượng có thể lựa chọn nhờ phần 14 mềm Chế độ nghỉ làm cho CPU ngừng hoạt động trong