THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC : VI XỬ LÍ ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: T.S - CHU ĐỨC TOÀN SINH VIÊN THỰC HIỆN : NHÓM LỚP D7 – ĐCN2: _ NGUYỄN VĂN HUY _ NGUYỄN NGỌC HUYỀN _ LÊ VĂN HOÀNG _TRỊNH VIỆT HÙNG Hà Nội, tháng 11 năm 2015 LỜI NÓI ĐẦU : _Nhiệt độ đại lượng vật lý quan tâm nhiều Bởi nhiệt độ có vai trò định nhiều tính chất vật chất Một đặc điểm tác động nhiệt độ làm thay đổi cách liên tục đại lượng chịu ảnh hưởng nó,ví dụ như: áp suất ,thể tích chất khí, Bởi vậy, nghiên cứu khoa học , công nghiệp đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ điều cần thiết Tuy nhiên, để đo trị số xác nhiệt độ lại vấn đề không đơn giản Cùng với đời phát triển mạnh mẽ hệ vi xử lý,việc đo nhiệt độ áp dụng vi xử lý,vi điều khiển mở nhiêu hướng,đưa đến nhiều phương pháp khác nhau,linh hoạt xác Có nhiều cách để đo nhiệt độ, liệt kê số phương pháp sau đây: + Phương pháp quang dựa phân bố xạ nhiệt dao động nhiệt (do hiệu ứng Doppler) +Phương pháp dựa dãn nở vật rắn , chất lỏng khí (với áp suất không đổi ), dựa tốc độ âm +Phương pháp dựa phụ thuộc đIện trở vào nhiệt độ , hiệu ứng Seebeck , dựa thay đổi tần số dao động thạch anh CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.Vi điều khiển ? Vi điều khiển máy tính tích hợp chíp, thường sử dụng để điều khiển thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, hệ thống bao gồm vi xử lý có hiệu suất đủ dùng giá thành thấp (khác với vi xử lý đa dùng máy tính) kết hợp với khối ngoại vi nhớ, mô đun vào/ra, mô đun biến đổi số sang tương tự tương tự sang số, Ở máy tính mô đun thường xây dựng chíp mạch Vi điều khiển thường dùng để xây dựng hệ thống nhúng Nó xuất nhiều dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động… Các phương pháp đo nhiệt độ Trước tiên nói cảm biến nhiệt độ,đó cảm biến sử dụng vào trình nhiệt như: đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt.v.v .Đại lượng vào cảm biến nhiệt độ nhiệt độ đại lượng tín hiệu điện (dòng,áp).Một số cảm biến thường sử dụng: +Nhiệt điện trở : Nguyên lý làm việc có điện trở thay đổi theo thay đổi nhiệt độ nó.Tuỳ theo tác dụng nhiệt dòng điện cung cấp chạy qua chuyển đổi người ta phân ra: Nhiệt điện trở đốt nóng nhiệt điện trở không đốt nóng nên có toả nhiệt môi trường xung quanh, nhiệt dẫn, đối lưu, xạ °C -800°Nhiệt điện trở đốt nóng ,dòng điện chạy qua lớn làm nhiệt độ tăng lên cao nhiệt độ môi trường(100• C), • Nhiệt điện trở không đốt nóng, dòng điện chạy qua nhỏ không làm tăng nhiệt độ điện trở nhệt độ nhiệt độ môi trường Nhiệt điện trở loại dùng để đo nhiệt độ đại lượng học đo di chuyển Nhiệt điện trở phân làm hai loại: Nhiệt điện trở dây(nhiệt điện trở đồng,nhiệt điện trở Platin, nhiệt điện trở Niken) nhiệt điện trở bán dẫn +Cặp nhiệt điện:Nguyên lý làm việc dựa hiệu ứng:Thomson Seebek Ứng dụng cặp nhiệt điện chủ yếu để đo nhiệt độ, dược dùng để đo đại lượng không điện điện khác như: đo dòng điện tần số cao,đo hướng chuyển động lưu ượng dòng chảy, đo di chuyển , đo áp suất nhỏ +Cảm biến nhiệt độ dùng đặc tính diode tranzitor Đo nhiệt độ nhiệm vụ thường gặp ngành nhiệt học, hoá học ,luyện kim Tuỳ theo nhiệt độ đo mà dùng phương pháp đo khác nhau.Thông thường nhiệt độ đo chia thành giải : Nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình nhiệt độ cao.Ở nhiệt độ trung bình thấp, phương pháp đo thường tiếp xúc nghĩa chuyển đổi đặt trực tiếp môi trường cần đo Đối với nhiệt độ cao,đo phương pháp không tiếp xúc, nghĩa dụng cụ đo đặt môi trường đo Một số cách đo nhiệt độ không tiép xúc sử dụng cảm biến LM335 3.Các linh kiện sử dụng 3.1 ATMEGA16: phép lệnh thực thi chu kì xung nhịp, tốc độ xử lý liệu đạt đến triệu lệnh giây tần số Mhz Vi Điều Khiển cho phép người thiết kế tối ưu hoá mức độ tiêu thụ * Tổng quan vi điều khiển atmega16 Giới thiệu ATMEGA 16 vi điều khiển CMOS bit tiêu thụ điện thấp dựa kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer) Với công nghệ cho lượng mà đảm bảo tốc độ xử lí Phần cốt lõi AVR kết hợp tập lệnh phong phú số lượng với 32 ghi làm việc đa Toàn 32 ghi nối trực tiếp với ALU (Arithmetic Logic Unit), cho phép truy cập ghi độc lập chu kì xung nhịp Kiến trúc đạt có tốc độ xử lý nhanh gấp 10 lần vi điều khiển dạng CISC (Complex Intruction Set Computer) thông thường Về Cấu trúc: - Được chế tạo theo kiến trúc RISC, hiệu suất cao điện tiêu thụ thấp - Bộ lệnh gồm 118 lệnh, hầu hết thực thi chu kì xung nhịp - 32x8 ghi làm việc đa dụng - 8kb Flash ROM lập trình hệ thống + Giao diện nối tiếp SPI cho phép lập trình hệ thống + Cho phép 1000 lần ghi/xoá - Bộ EEPROM 512 byte + Cho phép 100.000 ghi/xoá - Bộ nhớ SRAM 512 byte - Bộ biến đổi ADC kênh, 10 bit - 32 ngõ I/O lập trình - Bộ truyền nối tiếp bất đồng vạn UART - Vcc=2.7V đến 6V - Tốc độ làm việc: đến MHz - Tốc độ xử lí lệnh đến MIPS MHz nghĩa triệu lệnh giây - Bộ đếm thời gian thực (RTC) với dao động chế độ đếm tách biệt - Timer bit Timer 16 bit với chế độ so sánh chia tần số tách biệt chế độ bắt mẫu - Ba kênh điều chế độ rộng xung PWM - Có đến 13 interrupt - Bộ định thời Watchdog lập trình được, tự động reset treo máy - Bộ so sánh tương tự - Ba chế độ ngủ: chế độ rỗi (Idle), tiết kiệm điện (Power save) chế độ PowerDown Ý nghĩa chân ATMEGA 16 - VCC: Điện áp nguồn nuôi - GND: Nối mass - AVCC: cấp điện áp so sánh cho ADC - AREF: điện áp so sánh tín hiệu vào ADC - PortA (PA7…PA0): PortA Port vào/ hai hướng bit, chân Port có điện trở nối lên nguồn dương Các chân Port A cho phép dòng điện 20mA qua trực tiếp điều khiển LED hiển thị Khi chân PA0 đến PA7 lối vào đặt xuống mức thấp từ bên ngoài, chúng nguồn dòng điện trở nối lên nguồn dương kích hoạt Các chân cổng A vào trạng thái có điện trở cao tín hiệu reset mức tích cực tín hiệu xung clock Port A: cung cấp đường địa chỉ/ liệu vào/ hoạt động theo kiểu đa hợp kênh dùng nhớ SRAM bên Port A có thêm chức ngõ vào tương tự đưa đến chuyển đổi AD Các Port B, C, D tương tự Port A - RESET: Lối vào đặt lại Bộ vi điều khiển đặt lại chân mức thấp 50ns, xung ngắn không tạo tín hiệu đặt lại - XTAL1: Lối vào khuếch đại đảo lối vào mạch tạo xung nhịp bên - XTAL2: Lối khuếch đại đảo - XTAL1 XTAL2 lối vào lối khuếch đại đảo Bộ khuếch đại bố trí để làm tạo dao động chip Một tinh thể thạch anh cộng hưởng gốm sử dụng Để điều khiển vi điều khiển từ nguồn xung nhịp bên ngoài, chân XTAL2 để trống, chân XTAL1 nối với dao động bên - ICP: Là chân vào cho chức bắt tín hiệu vào timer/ counter1 - OC1B: Là chân PWM, ngõ so sánh timer/ counter1 - ALE: Là chân tín hiệu cho phép chốt địa dùng truy nhập nhớ Xung ALE dùng để chốt bit địa thấp vào chốt địa chu kỳ truy cập nhớ thứ Sau chân AD0-7 dùng làm đường liệu chu kỳ truy nhập nhớ thứ hai 3.2.Cảm biến nhiệt LM35 LM35 họ IC cảm biến nhiệt độ sản xuất theo công nghệ bán dẫn dựa chất bán dẫn dễ bị tác động thay đổi nhiệt độ , đầu cảm biến điện áp(V) tỉ lệ với nhiệt độ mà đặt môi trường cần đo.Họ LM35 có nhiều loại nhiều kiểu đóng vỏ khác Cảm biến nhiệt độ LM35 Nguyên lý làm việc : - Nguyên lý chúng dựa mức độ phân cực lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường Khi làm việc LM35 làm việc dựa vào thay đổi nhiệt độ làm cho điện áp thay đổi Điện áp phân áp từ điện áp chuẩn có mạch Đặc điểm bật : + Độ xác cao, cảm biến nhạy, nhiệt độ 250°C sai số không 1% + Đo nhiệt độ với thang đo nhiệt bách phân (0°C) + Độ phân giải : 10mV/1°C + Khả đo nhiệt độ khoảng: - 55 đến +150 (0°C) + Nguồn áp hoạt động : 4V đến 30V + Điện áp đầu : +6V đến -1V + Dòng làm việc : từ 400μA đến 5mA Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo,chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, bền Nếu vượt ngưỡng bảo vệ làm hỏng cảm biến + Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng thiết bị đo, bảo vệ mạch điện tử 3.3 LCD 16x2 Đây loại gồm 16 ký tự x2 dòng , ký tự tạo từ ma trận điểm sáng kích cỡ 5×7 5×10 Sơ đồ chân Các Text LCD theo chuẩn HD44780U thường có 16 chân 14 chân kết nối với điều khiển chân nguồn cho “đèn LED nền” Thứ tự chân thường xếp bảng : Điều cần ghi nhớ hiệu điện đầu diode khoảng 0,6V 3.6 Tụ Tụ điện linh kiện dùng phổ biến điện trở Sự khác tụ điện điện trở cản trở tụ điện phụ thuộc vào tần số điện áp Đặc trưng cho tính cản trở tụ dung kháng Tính theo công thức sau: XC = 2π f C f: tần số điện áp- Hz C: giá trị tụ điện- Fara Ký hiệu tụ điện: Tụ điện phân cực Tụ điện không phân cực Sự khác tụ phân cực không phân cực: Tụ không phân cực cực tụ có vai trò nhau, giá trị tụ không phân cực thường nhỏ( picro Fara) Tụ phân cực có cực tính dương âm dùng lẫn lộn Giá trị tụ phân cực thường lớn đến hàng ngàn uF(Micro Fara) - Phân loại: Tụ điện thực tế phân làm nhiều loại theo nhiều cách khác kể là: tụ thường, tụ hóa, tụ xoay, vv + Theo chất liệu có tụ giấy, tụ gốm, tụ sứ, vv… + Bản chất tụ điện kho điện có khả nạp điện bão hòa lại phóng điện Sơ đồ nạp – phóng tụ Do mà tụ điện sử dụng đặc biệt mạch tạo dao động, tạo xung, mạch lọc vv… Chú ý sử dụng tụ hóa đặc thù có chân + chân – nên đấu vào mạch ta cần ý chiều -Tụ hóa : Cách đoc giá trị tụ điện: -Tụ không phân cực, phổ biến tụ gốm( tụ đất), đọc giống đọc trở dán Đơn vị pF Tụ phân cực( tụ hóa) giá trị cực tính ghi tụ Tụ xoay: -Ngoài loại tụ có giá trị thay đổi cách vặn vít biến trở 3.7 IC 7805 Với mạch điện không đòi hỏi độ ổn định điện áp cao, sử dụng IC ổn áp thường người thiết kế sử dụng mạch điện đơn giản Các loại ổn áp thường sử dụng IC 78xx, với xx điện áp cần ổn áp Ví dụ 7805 ổn áp 5V, 7812 ổn áp 12V Việc dùng loại IC ổn áp 78xx tương tự nhau, minh họa cho IC ổn áp 7805 Sơ đồ phía IC 7805 có chân: + Chân số chân IN (hình vẽ trên) + Chân số chân GND (hình vẽ trên) + Chân số chân OUT (hình vẽ trên) Ngõ OUT ổn định 5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thay đổi Mạch dùng để bảo vệ mạch điện hoạt động điện áp 5V (các loại IC thường hoạt động điện áp này) Nếu nguồn điện có cố đột ngột: điện áp tăng cao mạch điện hoạt động ổn định nhờ có IC 7805 giữ điện áp ngõ OUT 5V không đổi Mạch lấy nguồn chiều từ máy biến áp với điện áp từ 7V đến 9V để đưa vào ngõ IN Khi kết nối mạch điện, nhiều nguyên nhân, người dùng dễ nhầm lẫn cực tính nguồn cung CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ LẮP RÁP MẠCH 1.Sơ đồ nguyên lý mạch a Khối nguồn b Khối tạo xung sử dụng thạch anh c Các chân nạp chip d Khối hiển thị sử dụng LCD f Sơ đồ tổng quát Lắp ráp mạch - mạch lắp ráp kiểm tra theo sơ đồ nguyên lý có cosde lập trình /***************************************************** This program was produced by the CodeWizardAVR V1.25.8 Standard Automatic Program Generator © Copyright 1998-2007 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l http://www.hpinfotech.com Project : Version : Date : 12/5/2011 Author : F4CG Company : F4CG Comments: Chip type : ATmega16 Program type : Application Clock frequency : 4.000000 MHz Memory model : Small External SRAM size : Data Stack size : 256 *****************************************************/ #include #include // Alphanumeric LCD Module functions #asm equ lcd_port=0x15 ;PORTC #endasm #include #include #define ADC_VREF_TYPE 0x60 // Read the most significant bits // of the AD conversion result unsigned char read_adc(unsigned char adc_input) { ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); // Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10); // Start the AD conversion ADCSRA|=0x40; // Wait for the AD conversion to complete while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA|=0x10; return ADCH; } // Declare your global variables here void main(void) { char y; char lcd_buffer[20]; float x; // Declare your local variables here // Input/Output Ports initialization // Port A initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTA=0x00; DDRA=0x00; // Port B initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTB=0x00; DDRB=0x00; // Port C initialization // Func7=Out Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=Out Func2=Out Func1=Out Func0=Out // State7=0 State6=0 State5=0 State4=0 State3=0 State2=0 State1=0 State0=0 PORTC=0x00; DDRC=0xFF; // Port D initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTD=0x00; DDRD=0x00; // Timer/Counter initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer Stopped // Mode: Normal top=FFh // OC0 output: Disconnected TCCR0=0x00; TCNT0=0x00; OCR0=0x00; // Timer/Counter initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer Stopped // Mode: Normal top=FFFFh // OC1A output: Discon // OC1B output: Discon // Noise Canceler: Off // Input Capture on Falling Edge // Timer Overflow Interrupt: Off // Input Capture Interrupt: Off // Compare A Match Interrupt: Off // Compare B Match Interrupt: Off TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x00; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; // Timer/Counter initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer Stopped // Mode: Normal top=FFh // OC2 output: Disconnected ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; // External Interrupt(s) initialization // INT0: Off // INT1: Off // INT2: Off MCUCR=0x00; MCUCSR=0x00; // Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization TIMSK=0x00; // Analog Comparator initialization // Analog Comparator: Off // Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80; SFIOR=0x00; // ADC initialization // ADC Clock frequency: 1000.000 kHz // ADC Voltage Reference: AVCC pin // ADC Auto Trigger Source: None // Only the most significant bits of // the AD conversion result are used ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff; ADCSRA=0x82; // LCD module initialization lcd_init(16); lcd_gotoxy(5,0); //dia chi hien thi lcd_putsf ("Welcome"); delay_ms(1000); lcd_clear(); lcd_gotoxy(6,0); lcd_putsf ("MODUL"); //ham hien thi chuoi ki tu bat ki lcd_gotoxy(3,1); lcd_putsf ("DO NHIET DO"); delay_ms(1000); while (1) { // Place your code here y= read_adc(0) ; // doc gia tri adc (gia tri dien ap) x=1.948051*y; // dat gia tri x la gia tri nhiet dc tinh theo dien ap itoa(x,lcd_buffer); thi dc len lcd lcd_clear(); // chuyen gia tri so thuc chuoi ki tu de hien // xóa LCD trước hiển thị lcd_putsf("NHIET DO DO DUOC"); lcd_gotoxy(2,1); lcd_puts(lcd_buffer); // hien thi chuoi vua dc chuyen tu so thuc x sang lcd_gotoxy(5,1); lcd_putsf("do C"); delay_ms(500); }; } //tre de mat nguoi quan sat dc TỔNG KẾT VÀ ĐÁNH GIÁ Nhận xét, đánh giá - Hệ thống đo kiểm tra nhiệt độ ứng dụng rộng rãi tất lĩnh vực sống Ngày nay, với phát triển xã hội, người chế tạo nhiều hệ thống đo kiểm soát nhiệt độ với độ xác cao hoạt động trong mơi trường khắc nghiệt Trong đề tài, chúng em đưa cách hoạt động hệ thống với việc đo nhiệt độ pham vi nhỏ Do chưa có nhiều kinh nghiệm hiểu biết chưa nhiều hệ thống, nên mô hình làm thiếu sót Mong thầy bạn xem góp ý để đề tài hoàn thiện Kết đạt -Trong trình thực tập lớn, chúng em cảm thấy thu số kiến thức định cho thân + + + + + Hiểu biết thêm số linh kiện điện tử sử dụng phổ biến Nâng cao khả sử dụng số loại thiết bị đo linh kiện điện tử Biết cách sử dụng phần mềm mô mạch điện tử : orcad … Nâng cao hoàn thiện số kĩ thân lĩnh vực điện tử … Khả làm việc môi trường nhóm cải thiện MỤC LỤC TRANG Lời nói đầu ………………………………………………………………………2 I Chương I: giới thiệu chung…………………………………………………….3 1.Vi điều khiển làgì? 2.Các phương pháp đo nhiệt độ …………………………………………… …3 3.Các linh kiện……………………………………………………………… 3.1 ATMEGA 16…………………………………………………………… 3.2 Cảm biến nhiệt LM35…………………………………………………… 3.3 LCD 16x2……………………………………………………………… 10 3.4 Thạch anh…………………………………………………………………12 3.5 Đi ốt……………………………………………………………… …….13 3.6 Tụ…………………………………………………………………………15 3.7 IC 7805………………………………………………………………… 17 II Chương II: Thiết kế lắp ráp mạch……………………………………… 19 1.Sợ đồ nguyên lí mạch……………………………………………………… 19 Lắp ráp mạch theo sơ đồ…………………………………………………….21 Cốt lập trình…………………………………………………………………21 III Tổng kết đánh giá……………………………………………………… 28 1.nhận xét………………………………………………………………………28 2.đánh giá kết quả…………………………………………………………… 28 ... hàng ngày vi c đo nhiệt độ điều cần thiết Tuy nhiên, để đo trị số xác nhiệt độ lại vấn đề không đơn giản Cùng với đời phát triển mạnh mẽ hệ vi xử lý ,vi c đo nhiệt độ áp dụng vi xử lý ,vi điều khiển... CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1 .Vi điều khiển ? Vi điều khiển máy tính tích hợp chíp, thường sử dụng để điều khiển thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, hệ thống bao gồm vi xử lý có hiệu suất đủ... thấp (khác với vi xử lý đa dùng máy tính) kết hợp với khối ngoại vi nhớ, mô đun vào/ra, mô đun biến đổi số sang tương tự tương tự sang số, Ở máy tính mô đun thường xây dựng chíp mạch Vi điều khiển