THIẾT kế và CHẾ tạo bộ điều KHIỂN NHÀ vườn THÔNG MINH

Giới thiệu các linh kiện điện tử sử dụng trong hệ thống điều khiển tự động cho mô hình trồng hoa thông minh bằng cảm biến nhiệt đô, cảm biến ánh sáng, độ ẩm.Quy trình thiết kế, nguyên lý

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN 3

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 4

CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 5

CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN 7

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8

LỜI MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN 10

1.1 Khái niệm và phân loại cảm biến .10

1.1.1 Khái niệm .10

1.1.2 Phân loại cảm biến 10

1.1.3 Giới hạn sử dụng của cảm biến .15

1.2 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến .15

1.2.1 Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực 15

1.3 Nguyên tắc chế tạo cảm biến thụ động 18

1.3.1 Mạch đo 19

1.3.2 Một số phần tử cơ bản của mạch đo 20

CHƯƠNG 2 CÁC LINH KIỆN, THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 23 2.1 Màn hiển thị LCD 23

2.1.1 Phân loại LCD 23

2.1.2 Sơ đồ chân LCD 23

2.1.3 Khả năng hiển thị của LCD 24

2.1.4 Nguyên tắc hiển thị kí tự trên LCD 26

2.2 Cảm biến DHT11 27

2.3 Vi điều khiển PIC 16F877A 29

2.3.1 Giới thiệu chung về vi điều khiển PIC 29

2.4 Một vài thông tin về vi điều khiển PIC 16F877A 33

2.4.1 Đặc điểm của vi điều khiển PIC 16F877A 33

2.4.2 Các dạng sơ đồ chân 34

2.4.3 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 16F877A 35

2.4.4 Chức năng các chân của PIC 36

2.5 Tổ chức bộ nhớ 38

2.5.2 Bộ nhớ dữ liệu 39

2.6 Các cổng xuất nhập của PIC 16F877A 40

2.6.1 PORTA 41

2.6.2 PORTB 42

2.6.3 PORTC 42

2.6.4 PORTD 42

2.6.5 PORTE 42

2.7 TIMER 0 43

2.8 TIMER 1 44

2.9 TIMER2 46

2.10 ADC 47

2.11 COMPARATOR 50

2.12 CCP (CAPTURE/COMPARE/PWM) 52

2.13 Ngắt ( Interrupt) 54

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO .56

3.1 Yêu cầu thiết kế 56

3.2 Thiết kế mạch 56

3.2.1 Sơ đồ khối 56

3.2.2 Các khối và sơ đồ nguyên lý 56

3.2 Các linh kiện sử dụng trong mạch 58

3.3 Chế tạo mạch .59

KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 64

LỜI NÓI ĐẦU

Em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Thái Sơn đã tận tình hướng dẫn và địnhhướng em trong thời gian nghiên cứu và thực hiền đề tài này Em xin chân thànhcảm ơn các cô các thầy trong khoa Điện Tử Viễn Thông đã nhiệt tình dạy dỗ, truyềnđạt cung cấp cho em những kiến thức cần thiết, kiến thức nền vững chắc trong suốt

5 năm theo học dưới mái trường Đại Học Vinh

Trong thời gian thực hiện đồ án này, dù đã cố gắng rất nhiều nhưng đồ ánkhông thể tránh khỏi những thiếu sót Kính mong các thầy cô chỉ bảo và góp ý kiến

để đồ án này được hoàn thiện hơn

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án này trình bày về hệ thống điều khiển tự động, các thành phần trong hệthống và các cách điều chế trong hệ thống điều khiển tự động áp dụng cho mô hìnhtrồng hoa thông minh

Tìm hiểu về vi điều khiển PIC, ngôn ngữ lập trình cho PIC, các thông số về viđiều khiển PIC 16F877A

Giới thiệu các linh kiện điện tử sử dụng trong hệ thống điều khiển tự động cho

mô hình trồng hoa thông minh bằng cảm biến nhiệt đô, cảm biến ánh sáng, độ ẩm.Quy trình thiết kế, nguyên lý hoạt động và chế tạo hoàn thiện hệ thống

ABSTRACT

The thesis presented the automatic control system , the components in thesystem and the preparation of the automatic control system applied to model smartflorists

Find out about PIC microcontroller, PIC programming language, theparameters of PIC 16F877A microcontroller

Introduction of electronic parts used in automatic control system for modelswith florists smart temperature sensor, light sensor, humidity Process design,operation principles and manufacture complete systems

CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Trang

Hình 1.1 Đường cong chuẩn cảm biến 11

Hình 1.2 Phương pháp chuẩn cảm biến 11

Hình 1.3 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ 14

Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện 16

Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện 16

Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện 16

Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ 17

Hình 1.8 Ứng dụng hiệu ứng quang – điện- từ 17

Hình 1.9 Ứng dụng hiệu ứng Hall 18

Hình 1.10 Sơ đồ mạch đo nhiệt độ băng cặp nhiệt 19

Hình 1.11 Mạch đo điện thế bề mặt 19

Hình 1.12 Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán 20

Hình 1.13 Sơ đồ bộ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở 20

Hình 1.14 Sơ đồ bộ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở 21

Hình 1.15 Mạch lặp lại điện áp 21

Hình 1.16 Sơ đồ mạch cầu 22

Hình 2.1 Hình Ảnh LCD 23

Hình 2.2 Sơ đồ chân LCD 23

Hình 2.3 Hình ảnh cảm biến DHT11 27

Hình 2.4 Sơ đồ kết nối vi xử lý 27

Hình 2.5 Tín hiệu Start được gửi đi 28

Hình 2.6 Bit 0 29

Hình 2.7 Bit 1 29

Hình 2.8 Kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman 30

Hình 2.9 Vi điều khiển PIC16F877A/PIC16F874A và các dạng sơ đồ chân 34

Hình 2.10 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 16F877A 35

Hình 2.11 Chức năng các chân của PIC 36

Hình 2.12 Bộ nhớ chương trình 39

Hình 2.13 Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu PIC 16F877A 40

Hình 2.14 Sơ đồ khối của Timer0 .43

Hình 2.15 Sơ đồ khối của Timer1 .45

Hình 2.16 Sơ đồ khối Timer2 46

Hình 2.17 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC 49

Hình 2.18 Các cách lưu kết quả chuyển đổi AD .49

Hình 2.19 Nguyên lí hoạt động của một bộ so sánh đơn giản .50

Hình 2.20 Các chế độ hoạt động của bộ comparator 51

Hình 2.21 Sơ đồ khối CCP 53

Hình 2.12 Sơ đồ khối CCP (Compare mode) .54

Hình 3.1 Sơ đồ khối 56

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến 56

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý PIC 16F877A 57

Hình 3.4 Khối nguồn 58

Hình 3.5 Mạch điều khiển 59

Hình 3.6 Mạch điều khiển lúc hoạt động 59

Hình 3.8 Mạch điều khiển lúc hoạt động 60

Hình 3.9 Mạch điều khiển lúc hoạt động 60

Hình 3.10 Cảm biến ánh sáng 61

Hình 3.11 Hệ thống mái che 61

CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN

Trang

Bảng 2.1 Giới thiệu sơ đồ chân LCD 24

Bảng 2.2 Tập lệnh của LCD 25

Bảng 2.3 Tập lệnh của LCD 26

Bảng 2.4 Bảng điều chế xung 52

LCD Liquid Crystal Display Màn hình hiển thị

CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

ICSP In Circuit Serial Programming Nạp chương trình trên mạch

MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới về mọi mặt, trong đó khoahọc công nghệ nói chung và công nghệ kỹ thuật điễn tử tự động hóa nói riêng cónhiều phát triển vượt bậc, góp phần làm cho thế giới ngày càng hiện đại cà vănminh hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt thiết bị với các đặcđiểm như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ và hoạt động ổn định Là nhữngyếu tố cần thiết cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao Từ lâu cảm biếnđược sử dụng như những thiết bị để cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ từ vài chụcnăm trở lại đâu chúng mới thể hiện vai trò quan trọng của mình trong kỹ thuật vàcông nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển tự động Chính vì vậy, tôi đã chọn

đề tài " THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÀ VƯỜN THÔNG MINH".

Mục đích của đồ án là:

Nghiên cứu, chế tạo một hệ thống điều khiển tự động áp dụng cho một môhình trồng hoa thông minh, qua đó có thể áp dụng vào thức tế

Tìm hiểu, phân tích, chức năng và nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện

tử sử dụng trong hệ thống, sử dụng các phần mềm thiết kế và mô phỏng mạchnhuw: Proteus, altium designer

Cấu trúc của đồ án, ngoài phần mở đầu, phần kết và các tài liệu tham khảo,phụ lục thì phần nội dung chính của đồ án có ba chương sau đây:

Chương 1 Tổng quan về cảm biến.

Chương 2 Các linh kiện, thiết bị điện tử sử dụng trong đề tài.

Chương 3 Thiết kế, thi công và chế tạo

cảm biến

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN

1.1 Khái niệm và phân loại cảm biến

1.1.1 Khái niệm

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và cácđại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và

xử lý được

(Đại lượng cần đo) S (đặc trưng điện)

Đặc trưng điện S là hàm của đại lượng cần đo m: s = f(m)

Quan hệ giữa s và m có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến Song thực tế để dễ sửdụng thông thường người ta chế tạo cảm biến sao cho nó có sự liên hệ tuyến tínhgiữa biến thiên đầu ra và biến thiên đầu vào

Trong đó: S gọi là độ nhạy của cảm biến

1.1.2 Phân loại cảm biến

Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây:

Theo nguyên lý người ta chia cảm biến làm hai loại:

+ Cảm biến tích cực : là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s) là điện tích, điện áp hay dòng

+ Cảm biến thụ động : là các cảm biến hoạt động như một trở kháng trong đó đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung

a Đường cong chuẩn của cảm biến

Khái niệm

Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đạilượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào.Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = F(m ) ,hoặc bằng đồ thị như hình sau:

Hình 1 1 Đường cong chuẩn cảm biến

a Dạng đường cong chuẩn

b Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính

Phương pháp chuẩn cảm biến

Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s

đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến cácyếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tườngminh (đồ thị hoặc biểu thức đại số) Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đãbiết chính xác mi của m, đo giá trị tương ứng si của s và dựng đường cong chuẩn

Hình 1.2 Phương pháp chuẩn cảm biến

b Các đặc trưng cơ bản.

- Độ nhạy của cảm biến.

Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào

Δm có sự liên hệ tuyến tính

Đại lượng S xác định bởi biểu thức S=Δs/Δm được gọi là độ nhậy của cảmbiến, Trong trường hợp tổng quát,biểu thức xác định độ nhậy S của cảm biến xungquanh giá trị mi của đại lườn đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đạilượng đầu ra và biến thiên Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trịđó

- Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh

Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tươngứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độlàm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến Một điểm Qi(mi,si)trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh

Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) chính là độ đốccủa đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh khôngphải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc

Đại lượng ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vàođược gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh:

s(t) = s0 + s1cos(ωt t +φ)) (1.6)Trong đó :

S là giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc q0 trênđườngcong chuẩn ở chế độ tĩnh

S1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng đogây ra φ) là độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra

Trong chế độ động độ nhậy S của cảm biến được xác định bởi tỷ số giữa biên

độ của đầu ra s1 và biến thiên của biến thiên đầu vào m1 ứng với điểm làm việcđược xét q0, theo công thức:

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ởchế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp(như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ cũng không phụ thuộcvào đại lượng đó).

Đường thẳng tốt nhất

Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt điểm tươngứng (si,mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào Về mặt lý thuyết, đối vớicác cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng Tuy nhiên, do sai

số khi đo, các điểm chuẩn (mi, si) nhận được bằng thực nghiệm thường không nằmtrên cùng một đường thẳng

phương trình có dạng:

s = am + b (1.8)

- Độ lệch tuyến tính

Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, người ta đưa ra khái niệm

độ lệch tuyến tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đườngthẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo

- Sai số và độ chính xác

Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo(cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữagiá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo Gọi x là giá trị tuyệt x là giá trị tuyệt đối giữa

giá trị đo và giá trị thực x(sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến đượctính bằng:

(1.9)Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổihoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giátrị thực và giá trị đo được Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là:

 Do nguyên lý của cảm biến

 Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng

 Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

 Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

 Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến

- Độ nhanh và thời gian hồi áp

Độ nhanh Tr là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp

về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên Thời gian hồiđáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh

Hình 1.3 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ

1.1.3 Giới hạn sử dụng của cảm biến.

Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học,tác động nhiệt Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làmthay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sửdụng cần phải biết rõ các giới hạn này

a Vùng làm việc danh định.

Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thườngcủa cảm biến

b Vùng không gây nên hư hỏng.

Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc cácđại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng củavùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hưhỏng

c Vùng không phá huỷ.

Vùng không phá hủy là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượngvật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng khônggây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy

1.2 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến.

Các cảm biến được chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và được phânlàm hai loại:

- Cảm biến tích cực

- Cảm biến thụ động

1.2.1 Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực

Các cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật

lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượngđiện Dưới đây mô tả một cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng vật lý khi chếtạo cảm biến

a Hiệu ứng nhiệt điện

Hai dây dẫn (M1) và (M2) có bản chất hoá học khác nhau được hàn lại vớinhau thành một mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 khác

nhau, khi đó trong mạch xuất hiện một suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn của nóphụ thuộc chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2.

cv

Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện

Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độT2, thường chọn T2 = 0oC

b Hiệu ứng hoả điện

Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) cótính phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiệntrên các mặt đối diện của chúng những điện tích trái dấu Độ lớn của điện áp giữahai mặt phụ thuộc vào độ phân cực của tinh thể hoả điện

Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện

Hiệu ứng hoả điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng.Khi ta chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng vànhiệt độ của nó tăng lên, làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể Đo điện áp V

ta có thể xác định được thông lượng ánh sáng Φ

c Hiệu ứng áp điện

Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) khi bịbiến dạng dước tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuấthiện những lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi là hiệu ứng ápđiện Đo V ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng F

Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện

d Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây dẫn xuấthiện một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thờigian, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây Tương tự như vậy, trong mộtkhung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điệnđộng tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây

Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ

Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển củavật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng

e Hiệu ứng quang điện

- Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện

tượng giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếuvào chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bước sóng nhỏhơn một ngưỡng nhất định

- Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện

ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu tạothành dòng có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường

f Hiệu ứng quang - điện - từ

Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng,trong vật liệubán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với

từ trường B và hướng bức xạ ánh sáng

Hình 1.8 Ứng dụng hiệu ứng quang – điện- từ

g Hiệu ứng Hall

Khi đặt một tấm mỏng vật liệu mỏng (thường là bán dẫn), trong đó có dòngđiện chạy qua, vào trong một từ trường B có phương tạo với dòng điện I trong tấmmột góc θ, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế Vh theo hướng vuông góc với B và I ,biểu thức hiệu điện thế có dạng

1.3 Nguyên tắc chế tạo cảm biến thụ động

Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng có các thông sốchủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích thướchình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo ( điện trở suất , độ từ thẩm, hằng sốđiện môi ).Vì vậy tác động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng riêng biệt đến kíchthước hình học ,tính chất điện hay đồng thời cả hai

Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng gây ra do chuyển động của phần

tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến Xác định trở kháng ta có thểxác định được đại lượng cần đo

Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất vật liệu chếtạo trở kháng và yếu tố tác động (nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm ) Đểchế tạo cảm biến, người ta chọn sao cho tính chất điện của nó chỉ nhạy với mộttrong các đại lượng vật lý trên, ảnh hưởng của các đại lượng khác là không đáng kể

Khi đó có thể thiết lập được sự phụ thuộc đơn trị giữa giá trị đại lượng cần đo vàgiá trị trở kháng của cảm biến.

1.3.1 Mạch đo

Sơ đồ mạch đo

Mạch đo bao gồm toàn bộ thiết bị đo (trong đó có cảm biến) cho phép xác địnhchính xác giá trị của đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể Mạch

đo nhiệt độ gồm một cặp nhiệt ghép nối trực tiếp với một milivôn kế

Hình 1.10 Sơ đồ mạch đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện

Hình 1.11 Mạch đo điện thế bề mặt Trong đó

Khối 1: Máy phát chức năng

Khối 2: Cảm biến điện tích

Khối 3: Tiền khuếch đại

Khối 4: So pha lọc nhiễu

Khối 5 :Khuếch đại

Khối 6 :Chuyển đổi tương tự số

Khối 7: Máy tính

1.3.2 Một số phần tử cơ bản của mạch đo

a Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT)

Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợp là bộ khuếch đại dòng một chiều cóhai đầu vào và một đầu ra chung, thường gồm hàng trăm tranzito và các điện trở, tụđiện ghép nối với nhau Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán biểu diễn trên hình

Hình 1.12 Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán

Các đặc tính cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán :

+ Bộ khuếch đại có hai đầu vào: một đầu đảo (-), một đầu không đảo (+) + Điện trở rất lớn cỡ hàng trăm MΩ đến GΩ

+ Điện trở ra rất nhỏ cỡ hàng chục Ω

+ Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn, cỡ 100 000

+ Giải tần làm việc rộng

+ Hệ số suy giảm theo cách nối chung CMRR là tỷ số hệ số khuếch đại của

bộ khuếch đại thuật toán đối với các tín hiệu sai lệch và hệ số khuếch đại theo cách nối chung của cùng bộ khuếch đại thuật toán Thông thường CMRR vào khoảng 90 bB

b Bộ khuếch đại đo lường IA

Bộ khuếch đại đo lường IA có hai đầu vào và một đầu ra Tín hiệu đầu ra tỷ

lệ với hiệu của hai điện áp đầu vào:

U ra = A(U + −U − ) = AΔU (1.10)

Hình 1.13 Sơ đồ bộ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở

Đầu vào vi sai đóng vai trò rất quan trọng trong việc khử nhiễu ở chế độ chung

và tăngđiện trở vào của KĐTT Điện áp trên Ra phải bằng điện áp vi sai đầu vào

ΔU và tạo nên dòng điện i=ΔU/Ra.Các điện áp ra từ KDTT U1và U2 phải băngnhau về biên độ nhưng ngược pha nhau Điện áp U3 của tầng thứ hai biến đổi đầu

ra vi sai thành đầu ra đơn cực Hệ số khuếch đại tổng của IA bằng:

áp lệch có thể sử dụng sơ đồ hình 1.14, bằng cách điều chỉnh biến trở R3

Hình 1.14 Sơ đồ bộ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở

hệ số khuếch đại bằng 1 Mạch lặp điện áp có chức năng tăng điện trở đầu vào, dovậy thường dùng để nối giữa hai khâu trong mạch đo.

e Mạch cầu

Cầu Wheatstone thường được sử dụng trong các mạch đo nhiệt độ, lực, ápsuất, từ trường Cầu gồm bốn điện trở R1, R2, R3 cố định và R4 thay đổi (mắc nhưhình 1.16)

hoạt động như cầu không cân bằng dựa trên việc phát hiện điện áp qua đường chéo của cầu

Hình 1.16 Sơ đồ mạch cầu

Trong mạch cầu, điện áp ra là hàm phi tuyến nhưng đối với biến đổi nhỏ( <x là giá trị tuyệt 0,05) có thể coi là tuyến tính Khi R1=R2, và R3=R4 độ nhậy của cầu là cực đại.Trường hợp R1>>R2 hay R1<< R2 điện áp ra của cầu giảm Đặt K =R1/R2 độ nhậycủa cầu là

(1.12)

CHƯƠNG 2 CÁC LINH KIỆN, THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 2.1 Màn hiển thị LCD

2.1.1 Phân loại LCD

Có thể chia các module LCD làm hai loại chính là:

Loại hiển thị kí tự gồm có các kích cỡ 16x1 (16 ký tự trên 1 dòng), 16x2,16x4, 20x1, 20x2, 20x4, 40x1, 40x2, 40x4 Mỗi ký tự được tạo bởi một ma trậncác điển sáng kích thước 5x7 hoặc 5x10 điểm ảnh

Loại hiển thị đồ họa đen trắng hoặc màu, gồm có các kích cỡ 1,47inch(128x128 điểm ảnh); 1,8 inch(128x160 điểm ảnh) được dùng trong điện thoại

Bảng 2.1 Giới thiệu sơ đồ chân LCD

Nhóm 1: (3 chân) Cấp nguồn VDD, VSS : cấp 5V, 0V VEE: thay đổi điện áp

để thay đổi độ tương phản

Nhóm 2: (8 chân) Vào ra thông tin với VĐK : Từ chân D0-D7

Nhóm 3 : (3 chân) Điều khiển việc vào ra thông tin : E,RS,R/W

E :(bật /tắt ) (cho phép/ không cho phép trao đổi thông tin với VĐK )

2.1.3 Khả năng hiển thị của LCD

LCD có khả năng hiển thị rất linh hoạt Thiết lập chế độ hiển thị :

Hiển thị trên 1 dòng hay cả 2 dòng

Chọn cỡ chữ hiển thị (5x7 hay5x10).

Chọn kiểu con trỏ màn hình (có/không gạch chân , có/không nhấp nháy) Thiết

lập kiểu trao đổi thông tin :

Trao đổi thông tin với Vi điều khiển dùng 4 bit hay 8 bít

Bảng 2.2 Tập lệnh của LCD

Mã hexa Lệnh đến thanh ghi của LCD

1 Xóa màn hinh hiển thị

2 Trở về đầu dòng

4 Dịch con trỏ sang trái

6 Dịch con trỏ sang phải

5 Dịch hiển thị sang phải

7 Dịch hiển thị sang trái

8 Tắt con trỏ, tắt hiển thị

A Bật con trỏ, tắt hiển thị

C Tắt con trỏ, bật hiển thị

E Bật hiển thị, nhấp nháy con trỏ

F Tắt hiển thị, nhấp nháy con trỏ

10 Dịch vị trí con trỏ sang trái

14 Dịch vị trí con trỏ sang phải

18 Dịch toàn bộ hiển thị sang trái1C Dịch toàn bộ hiển thị sang phải

80 Đưa con trỏ về đầu dòng thứ nhấtC0 Đưa con trỏ về đầu dòng thứ nhất hai

38 Hai dòng và ma trận 5 x 7

Địa chỉ con trỏ 1= tự động tăng; 0= tự động giảm

S Dịch con trỏ sau khi

hiển thị

Có (1); Không (0)

U Con trỏ được gạch chân Có (1); Không (0)

B Con trỏ nhấp nháy Có (1); Không (0)

D/

C

Dịch chuyển Màn hình (1); Con trỏ (0)R/

/7

Cỡ chũ Cỡ 5x10 (1); Cỡ 5x7 (0)

2.1.4 Nguyên tắc hiển thị kí tự trên LCD

Một chương trình hiển thị ký tự trên LCD sẽ đi theo bốn bước sau:

Các bước 3, 4 có thể lặp lại nhiều lần nếu cần hiển thị nhiều ký tự

Mỗi khi thực hiện ghi lệnh hoặc ghi dữ liệu hiển thị trên LCD phải kiểm tra

cờ bận (hàm busy_ flag) Tuy nhiên có một số loại LCD không cho phép kiểm tra

cờ bận, vì vậy bộ vi điều khiển cần phải chủ động phân phối thời gian khi ra lệnhcho LCD (ví dụ sau khi xóa màn hình thì sau khoảng 2s mới ra lệnh khác vì thờigian để LCD xóa màn hình là 1,64ms)

Chế độ hiển thị mặc định sẽ là hiển thị dịch, vị trí con trỏ mặc định sẽ là đầudòng thứ nhất

Để điều khiển hoạt động của LCD nên sử dụng Port 2 hoặc Port 1 cho việcxuất nhập dữ liệu, các chân tạo tín hiệu điều khiển RS,RW, EN_LCD có thể chọn

tùy ý trong các chân của các Port còn lại.

Khi đã giao tiếp được với DHT11, Cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt

độ đo được

- Bước 1: gửi tín hiệu Start

Hình 2.5 Tín hiệu Start được gửi đi

MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảngthời gian >18ms Trong Code mình để 25ms Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đogiá trị nhiệt độ và độ ẩm

MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào

Sau khoảng 20-40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us màchân DATA ko được kéo xuống thấp nghĩa là ko giao tiếp được với DHT11

Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo nên cao trong80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được vớiDHT11 ko Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao, khi đó hoàn thiện quá trình giaotiếp của MCU với DHT

- Bước 2: đọc giá trị trên DHT11

DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte Trong đó:

Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)

Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%)

Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC)

Byte 4 : giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC)

Byte 5 : kiểm tra tổng

Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt

độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa

Đọc dữ liệu:

Sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1 vềMCU, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của Nhiệt độ và độ ẩm.

là 1 Cứ như thế ta đọc các bit tiếp theo

2.3 Vi điều khiển PIC 16F877A

2.3.1 Giới thiệu chung về vi điều khiển PIC

a PIC là gì

PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là

“máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điềukhiển đầu tiên của họ: PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho

vi điều khiển CP1600 Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và

từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay.

b Tại sao dùng vi điều khiển PIC

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051,Motorola68HC, AVR, ARM, Ngoài họ 8051 được hướng dẫn một cách căn bản ở môitrường đại học , bản thân người viết đã chọn họ vi điều khiển PIC để mở rộng vốnkiến thức và phát triển các ứng dụng trên công cụ này vì các nguyên nhân sau:

Họ vi điều khiển này có thể mua dễ dàng ở thị trường Việt Nam Giá thànhkhông quá đắt Có đầy đủ tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập Làmột sự bổ sung rất tốt về kiến thức cũng như về ứng dụng cho họ vi điều khiểnmang tính truyền thống 8051

Hiện nay Việt Nam cũng như trên thế giới, họ vi điều khiển naft được sử dụngkhá rộng rãi Điều này tào nhiều thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển cácứng dụng như : số lượng tài liệu, số lượng các ứng dụng mở đã được phát triển trựctiếp thành công, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được sự chỉ dẫn khi gặp khókhăn

c Kiến Trúc PIC

Cấu trúc phần cứng của một vi điều khiển được thiết kế theo hai dạng kiếntrúc: kiến trúc Von Neuman và kiến trúc Havard

Hình 2.8 Kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman

Tổ chức phần cứng của PIC được thiết kế theo kiến trúc Havard Điểm khácbiệt giữa kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman là cấu trúc bộ nhớ dữ liệu và

bộ nhớ chương trình

Đối với kiến trúc Von-Neuman, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm

chung trong một bộ nhớ, do đó ta có thể tổ chức, cân đối một cách linh hoạt bộ nhớchương trình và bộ nhớ dữ liệu Tuy nhiên điều này chỉ có ý nghĩa khi tốc độ xử lícủa CPU phải rất cao, vì với cấu trúc đó, trong cùng một thời điểm CPU chỉ có thểtương tác với bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình Như vậy có thể nói kiếntrúc Von-Neuman không thích hợp với cấu trúc của một vi điều khiển.

Đối với kiến trúc Havard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thànhhai bộ nhớ riêng biệt Do đó trong cùng một thời điểm CPU có thể tương tác với cảhai bộ nhớ, như vậy tốc độ xử lí của vi điều khiển được cải thiện đáng kể

Một điểm cần chú ý nữa là tập lệnh trong kiến trúc Havard có thể được tối ưutùy theo yêu cầu kiến trúc của vi điều khiển mà không phụ thuộc vào cấu trúc dữliệu Ví dụ, đối với vi điều khiển dòng 16F, độ dài lệnh luôn là 14 bit (trong khi dữliệu được tổ chức thành từng byte), còn đối với kiến trúc Von-Neuman, độ dài lệnhluôn là bội số của 1 byte (do dữ liệu được tổ chức thành từng byte) Đặc điểm nàyđược minh họa cụ thể trong hình 1.1

d RISC VÀ CISC

Như đã trình bày ở trên, kiến trúc Havard là khái niệm mới hơn so với kiếntrúc Von-Neuman Khái niệm này được hình thành nhằm cải tiến tốc độ thực thi củamột vi điều khiển

Qua việc tách rời bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu, bus chương trình vàbus dữ liệu, CPU có thể cùng một lúc truy xuất cả bộ nhớ chương trình và bộ nhớ

dữ liệu, giúp tăng tốc độ xử lí của vi điều khiển lên gấp đôi Đồng thời cấu trúc lệnhkhông còn phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu nữa mà có thể linh động điều chỉnh tùytheo khả năng và tốc độ của từng vi điều khiển Và để tiếp tục cải tiến tốc độ thựcthi lệnh, tập lệnh của họ vi điều khiển PIC được thiết kế sao cho chiều dài mã lệnhluôn cố định (ví dụ đối với họ 16Fxxxx chiều dài mã lệnh luôn là 14 bit) và chophép thực thi lệnh trong một chu kì của xung clock ( ngoại trừ một số trường hợpđặc biệt như lệnh nhảy, lệnh gọi chương trình con … cần hai chu kì xung đồng hồ).Điều này có nghĩa tập lệnh của vi điều khiển thuộc cấu trúc Havard sẽ ít lệnh hơn,ngắn hơn, đơn giản hơn để đáp ứng yêu cầu mã hóa lệnh bằng một số lượng bitnhất định

Vi điều khiển được tổ chức theo kiến trúc Havard còn được gọi là vi điều

khiển RISC (Reduced Instruction Set Computer) hay vi điều khiển có tập lệnh rútgọn Vi điều khiển được thiết kế theo kiến trúc Von-Neuman còn được gọi là viđiều khiển CISC (Complex Instruction Set Computer) hay vi điều khiển có tập lệnhphức tạp vì mã lệnh của nó không phải là một số cố định mà luôn là bội số của 8 bit(1 byte).

e PIPELINING

Đây chính là cơ chế xử lí lệnh của các vi điều khiển PIC Một chu kì lệnh của

vi điều khiển sẽ bao gồm 4 xung clock

Thông thường, để thực thi một lệnh, ta cần một chu kì lệnh để gọi lệnh đó, vàmột chu kì xung clock nữa để giải mã và thực thi lệnh Với cơ chế pipelining đượctrình bày ở trên, mỗi lệnh xem như chỉ được thực thi trong một chu kì lệnh Đối vớicác lệnh mà quá trình thực thi nó làm thay đổi giá trị thanh ghi PC (ProgramCounter) cần hai chu kì lệnh để thực thi vì phải thực hiện việc gọi lệnh ở địa chỉthanh ghi PC chỉ tới Sau khi đã xác định đúng vị trí lệnh trong thanh ghi PC, mỗilệnh chỉ cần một chu kì lệnh để thực thi xong

f Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC

Các kí hiệu của vi điều khiển PIC:

- PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit

- PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit

- PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit

C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM)

F: PIC có bộ nhớ flash

LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp

LV: tương tự như LF, đây là kí hiệu cũ

Bên cạnh đó một số vi điệu khiển có kí hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có thêmchữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, còn PIC16F877A là flash).Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC

Ở Việt Nam phổ biến nhất là các họ vi điều khiển PIC do hãng Microchip sản xuất.Cách lựa chọn một vi điều khiển PIC phù hợp:

- Trước hết cần chú ý đến số chân của vi điều khiển cần thiết cho ứng dụng

Có nhiều vi điều khiển PIC với số lượng chân khác nhau, thậm chí có vi điều khiển

chỉ có 8 chân, ngoài ra còn có các vi điều khiển 28, 40, 44, … chân.

- Cần chọn vi điều khiển PIC có bộ nhớ flash để có thể nạp xóa chương trìnhđược nhiều lần hơn Tiếp theo cần chú ý đến các khối chức năng được tích hợp sẵntrong vi điều khiển, các chuẩn giao tiếp bên trong

- Sau cùng cần chú ý đến bộ nhớ chương trình mà vi điều khiển cho phép

- Ngoài ra mọi thông tin về cách lựa chọn vi điều khiển PIC có thể được tìmthấy trong cuốn sách “Select PIC guide” do nhà sản xuất Microchip cung cấp

g Ngôn ngữ lập trình cho PIC

Ngôn ngữ lập trình cho PIC rất đa dạng Ngôn ngữ lập trình cấp thấp cóMPLAB (được cung cấp miễn phí bởi nhà sản xuất Microchip), các ngôn ngữ lậptrình cấp cao hơn bao gồm C, Basic, Pascal, … Ngoài ra còn có một số ngôn ngữlập trình được phát triển dành riêng cho PIC như PICBasic, MikroBasic,…

2.4 Một vài thông tin về vi điều khiển PIC 16F877A

2.4.1 Đặc điểm của vi điều khiển PIC 16F877A

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 độngtối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns Bộ nhớ chương trình8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dunglượng 256x8 byte Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O Có 8 kênh chuyển đổi A/DCác đặc tính ngoại vi bao gồmcác khối chức năng sau:

- Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

- Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếmdựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep

- Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler

- Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rông xung

- Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C

- Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ

- Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển

RD, WR,CS ở bên ngoài

Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:

- Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần