Đang tải... (xem toàn văn)
đồ án thiết kế mạch đo nhiệt độ độ ẩm dùng cảm biến đht 11 và pic 16f77a là một trong những đồ án của môn học các hệ thống đo cơ điện tử đây là một môn quan trọng của bộ môn cơ điện tử. ứng dụng mạch điện tử sử dụng các vi điều khiển để đo và giám sát các đại lượng vật lý như nhiệt độ, độ ẩm, lực tốc độ.... trên đây là đồ án thiết kế mạch đo nhiệt độ độ ẩm sử dụng pic 16f877a hiển thị trên lcd cho các bạn thâm khảo. hi vọng sẽ giúp ích được cho các bạn
LỜI CAM ĐOAN Chúng em xin cam đoan đồ án hồn tồn chúng em tự tìm hiểu, tự làm theo hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo NGÔ VĂN AN Các nội dung, kết đồ án trung thực hoàn toàn chưa cơng bố hình thức Trong đồ án có sử dụng kiến thức, nhận xét, đánh thông số tác giả, quan tổ chức mà chúng em tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau, ghi rõ phần tài liệu tham khảo Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên không liên quan đến vi phạm quyền, quyền tác giả chúng em gây q trình thực đồ án (nếu có) LỜI NĨI ĐẦU - Trong sống có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến trình sản xuất người.Trong nhiệt độ độ ẩm yếu tố đề cập tới nhiều, mạch đo nhiệt độ độ ẩm đời tất yếu Với phát triển công nghệ việc sản xuất mạch đo nhiệt độ độ ẩm đơn giản mà độ xác cao điều đơn giản Việc áp dụng thực tế phổ biến nhiệt độ độ ẩm đóng vai trò lớn ảnh hưởng đến người, hàng hố, máy móc, độ bền … Vì nhiệt độ sử dụng hầu hết nhà máy sản xuất, kho chứa hàng hố, bảo quản máy móc điều kiện vận hành Trong y tế sử dụng rộng rãi phòng cách ly, phòng điều trị cho bệnh nhân áp dụng hầu hết dây chuyền công nghệ sản xuất tuỳ theo nhu cầu mà tuỳ biến thêm chức đề tài để phù hợp với nhu cầu trình hoạt động ngồi chức hiển thị nhiệt độ độ ẩm khu vực cần khảo sát nhiệt độ độ ẩm Với đề tài mạch “Đo nhiệt độ độ ẩm” ta đo lúc nhiệt độ độ ẩm phát triển hiệu hơn, đề tài phạm vi Đồ án nên tính hiệu thực tế tính xác mạch không CHƯƠNG : Tổng quan hệ thống Thiết kế đồng hồ điện tử sử dụng PIC16F877a hiển thị LCD có báo nhiệt độ độ ẩm mơi trường 1.1 vai trò tầm quan trọng hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm - Nhiệt độ độ ẩm tín hiệu vật lý mà ta thường xuyên gặp đời sống sinh hoạt ngày kĩ thuật công nghiêp Việc đo đạc nhằm xác định xác giá trị nhiệt độ độ ẩm theo thang đo từ lâu trở thành vấn đề mà nhà khoa học hàng đầu giới người dân thuộc nhiều lĩnh vực quan tâm Chính lẽ phương xác đo đạc ngày nhiều xác Hiện nay, việc sử dụng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm khối ngành công nghiệp dân dụng ngày phổ biến mang lại hiệu cao - Ngày việc sử dụng thiết bị điện tử phục vụ đời sống ngày phổ biến Trong ta kể đến thiết bị cảm ứng hiển thị thông số môi trường phục vụ nhiều mục đích khác nhằm tạo tiện lợi sinh hoạt ngày Bắt nguồn từ mục đích đó, nhóm em thiết kế mạch cảm ứng nhiệt độ độ ẩm hiển thị LED sử dụng vi điều khiển pic 16F877A cảm biến DHT11 1.1.1 Nhiệt độ a Định nghĩa nhiệt độ - Nhiệt độ tính chất vật lý vật chất hiểu nơm na thang đo độ "nóng" "lạnh" Vật chất có nhiệt độ cao nóng - Định nghĩa xác nhiệt độ nhiệt động lực học dựa vào định luật nhiệt động lực học, miêu tả bên Nhiệt độ đo nhiệt kế Nhiệt độ đo đơn vị khác biến đổi công thức Trong hệ đo lường quốc tế, nhiệt độ đo đơn vị Kelvin, ký hiệu K Trong đời sống Việt Nam nhiều nước, đo độ C (1 độ C trùng 274,15 K)(Chú thích: độ C K,, hai thang đo mức chia, có vạch xuất phát cách 273.15 Trong đời sống nước Anh, Mỹ số nước, đo độ F (1 độ F trùng 255,927778 K)(xin thích: ⁰F = (1,8 x ⁰C) + 32, hay độ C 1.8 độ F, mức xuất phát thang đo khác nhau, tính nhiệt độ thể người khoảng 98 ⁰F) b Các thang đo nhiệt độ - Để đo nhiệt độ vật thể vật lý phải xây dựng thang đo chuẩn chung gọi thang nhiệt giai Các thang nhiệt giai hay dùng : + thang nhiệt giai celsius + thang nhiệt giai fahrelheit + thang nhiệt giai kelvin 1.1.2 Độ ẩm Độ ẩm đại lượng vật lí xác định khối lượng nước tính gam có đơn vị thể tích xác định 1.1.3 Phuơng pháp đo nhiệt độ độ ẩm hệ thống - Có nhiều cách đo nhiệt độ độ ẩm, phạm vi ta tìm hiểu em xin giới thiệu phương pháp đo nhiệt độ độ ẩm thông qua cảm biến DHT11 Hình1.1 - Bộ mạch điều khiển vi điều khiển PIC16F628A đóng vai trò điều khiển nhập xuất liệu từ thiết bị giao tiếp với nó, điển cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 giao tiếp với vi điều khiển pic16f628a xuất nhập liệu đọc nhiệt độ độ ẩm từ cảm biến sau giao tiếp với thiết bị LCD mã hoá liệu để thị kết hình với liệu cảm biến có dãi nhiệt độ từ 0- 50oC độ ẩm từ 20%- 95% Phần cứng sau thi cơng hồn thành vi điều khiển nạp chương trình qua lệnh thiết kế ngơn ngữ C tập lệnh điều khiển vi điều khiển để mạch hoạt động cách trơn tru Chương : Cấu trúc hệ thống 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm Hình 2.1.1 sơ đồ cấu trúc hệ thống đo nhiệt độ, độ ẩm sử dụng Pic 16F877A - Muốn cảm biến gửi tín hiệu Vi điều khiển PIC gửi tín hiệu muốn đo đến cảm biến DHT11 sau xác nhận Khối cảm biến nhận nhiệt độ độ ẩm từ mơi trường bên ngồi để gửi tín hiệu dạng sóng 5byte liệu nhiệt độ đo đến vi điều khiển PIC Sau Vi điều khiển PIC đọc liệu gửi trực tiếp đến hình LCD, qua giải mã tích hợp LCD nhiệt độ độ ẩm hiển thị hình Nguồn dùng để cung cấp áp cho hoạt động Vi điều khiển, Cảm biến, Màn hình LCD hoạt động ổn định 2.2 Giới thiệu khối hệ thống chức khối + PIC 16F877A + Cảm biến DHT11 + Màn hình LCD + Nguồn 2.2.1 Giới thiệu Pic 16F877A A Giới thiệu Pic 16A877A PIC viết tắt “Programable Intelligent Computer” tạm dịch máy tính thơng minh khả trình” hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển họ PIC1650 thiết kế để dùng làm thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600 Vi điều khiển sau nghiên cứu phát triển thêm từ hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày Pic 16F877A dòng Pic phổ biến (đủ mạnh tính năng, có 40 chân, nhớ đủ cho hấu hết ứng dụng thông thường) cấu trúc tổng quát Pic16F877A: - 8K plash Rom - 368 byte Ram - 256 byte EEPROM - port (A, B, C, D, E) vào với tín hiệu độc lập - định thời bit (timer0 timer 2) - định thời 16 bit (timer 1) hoạt động chế độ tiết kiệm lượng (Sleep Mode) với xung clock bên - CCP (Capture/Compare/PWM) - biến đổi AD 10 bit với ngõ vào - so sánh tương tự (Compartor) - định thời giám sát (Watchdog Timer) - cổng song song bit với tín hiệu điều khiển - cổng nối tiếp - 15 nguồn ngắt - Nạp chương trình cổng nối tiếp ICSP (In-Circuit Serial Programming) - Được chế tạo cơng nghệ CMOS - 35 tập lệnh có độ dài 14bit - Tầng số hoạt động tối đa 20MHz - Để Pic hoạt động ta cần cấp nguồn cho Pic, ngồi thêm vào dao động thạch anh, nút reset B Sơ đồ chân pic 16F877A Hình 1.2.1 Hình 1.2.2 C.Tổ chức nhớ vi điều khiển Đây vi điều khiển họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh với độ dài 14bit Mỗi lệnh thực chù kỳ xung clock, tốc độ hoạt động tối đa cho phép 20MHz vời chu kỳ lệnh 200ns Bộ nhớ chương trình 8Kx 14 bit, nhớ liệu 368x8 byte RAM nhớ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte Số PORT I/O vời 33 pin I/O D.Các đặc tính ngoại vi khối chức - Timer0: Bộ đếm bit với chia tầng bit - Timer1: Bộ đếm 16 bit với chia tầng,có thể thực chức đếm dựa vào xung clock ngoại vi vi điều khiển hoạt động chế độ sleep - Timer 2:Bộ đếm bit với chia tầng số,bộ postcaler - Hai capture,so sánh,điều chế độ rộng xung - Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous serial port),SPI I2C - Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với bit địa - Cổng giao tiếp song song PSP( Parallel Slave Port) với chân điều khiển RD, WR, CS bên ngồi E Các đặc tính Analog - kênh chuyển đổi ADC 10 bit - so sánh F Các cổng nhập/xuất Pic 16F877A Cổng xuất nhập phương tiện mà vi điều khiển dùng để tương tác với giới bên Sự tương tác đa dạng thông qua tương tác đó, chức vi điều khiển thể rõ ràng Vi điều khiển PIC 16F877A có cổng xuất nhập PORTA, PORTB, PORTC, PORTD PORTE + PORT A (RPA) bao gồm I/O chân chiều xuất nhập, chức xuất nhập điều khiển ghi TRISA (địa 85h) Muốn xác lập chân ghi TRISA input ta “set” bit tương ứng ghi TRISA mún có chân output ta “clear”bit tương ứng ghi Thao tác hoàn toàn tương tự với PORT ghi điều khiển tương ứng.Bên cạnh PORTA ngõ ADC, so sánh, ngõ vào Analog, ngõ vào xung clock Timer0 ngõ vào giao tiếp MSSP.Các ghi TRISA bao gồm: + PORTA (địa 05h): chứa giá trị chân I/O PORTA + TRISA (địa 85h): điều khiển xuất nhập + CMCON (địa 9Ch): ghi điều khiển so sánh + CVRCON (địa 9Dh): ghi điều khiển so sánh điện áp + ADCON1 (địa 9Fh): ghi điều khiển ADC + PORTB (RPB) bao gồm chân I/O, ghi điều khiển xuất nhập tương ứng TRISB Bên cạnh có số chân PORTB dùng để nạp chương trình cho vi điều khiển với chế độ nạp khác PORTB liên quan đến ngắt ngoại vi Timer0 PORTB tích hợp chức điện trở kéo lên điều khiển chương trình.Các ghi PORTB bao gồm: + PORTB (địa 06h,106h): chứa giá trị chân PORTB + TRISB (địa 86h,186h): điểu khiển xuất nhập + OPTION_REG (địa 81h,181h): điểu khiển ngắt ngoại vi toàn Timer0 + PORTC (RPC) gồm chân I/O,thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng TRISC, bên cạnh PORTC chứa chân chức so sánh, Timer1, PWM, chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART Các ghi điều khiển: SHT11 có độ sai số nhỏ, phù hợp với khảo sát nơi cần độ xác cao nhà máy, phòng thí nghiệm Hình 2.2.4 cảm biến SHT11 - Nhưng phạm vi Đồ Án , để phù hợp tiện dụng ta sử dụng cảm biến tích hợp nhiệt độ độ ẩm DHT11, giá thành rẻ thiết bị khác có khuyết điểm tính xác tương đối, mà Đồ Án minh hoạ qua thiết bị tìm hiểu chức ý nghĩa đề tài, khơng sử dụng vào mục đích thực tiễn nên khơng cần độ xác cao Vì chọn DHT11 lựa chọn đảm bảo hai chức mà giá thành tương đối + Giới thiệu cảm biến DHT11 - Cảm biến độ ẩm nhiệt độ DHT11 cảm biến thơng dụng chi phí rẻ dễ lấy liệu thơng qua giao tiếp wire (giao tiếp digital dây truyền liệu nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp cảm biến giúp ta có liệu xác mà khơng phải qua tính tốn - Nguồn: -> VDC - Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền liệu) - Đo tốt độ ẩm 20-80%RH với sai số 5% - Đo tốt nhiệt độ to 50°C sai số ±2°C - Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây lần) Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm chân, khoảng cách chân 0.1'' Nguyên lý hoạt động Để giao tiếp với DHT11 theo chuẩn chân vi xử lý thực theo bước: Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau DHT11 xác nhận lại Khi giao tiếp với DHT11, Cảm biến gửi lại byte liệu nhiệt độ đo - Bước 1: gửi tín hiệu Start Hình 1.2.2 dạng tín hiệu giao tiếp với cảm biến MCU thiết lập chân DATA Output, kéo chân DATA xuống khoảng thời gian >18ms Trong Code để 25ms Khi DHT11 hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ độ ẩm MCU đưa chân DATA lên 1, sau thiết lập lại chân đầu vào Sau khoảng 20-40us, DHT11 kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us mà chân DATA ko kéo xuống thấp nghĩa ko giao tiếp với DHT11 Chân DATA mức thấp 80us sau DHT11 kéo nên cao 80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU biết có giao tiếp với DHT11 khơng Nếu tín hiệu đo DHT11 lên cao, hồn thiện trình giao tiếp MCU với DHT - Bước 2: đọc giá trị DHT11 DHT11 trả giá trị nhiệt độ độ ẩm dạng byte Tr ng đó: Byte 1: giá trị phần nguyên độ ẩm (RH%) Byte 2: giá trị phần thập phân độ ẩm (RH%) Byte 3: giá trị phần nguyên nhiệt độ (TC) Byte : giá trị phần thập phân nhiệt độ (TC) Byte : kiểm tra tổng Nếu Byte = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) giá trị độ ẩm nhiệt độ xác, sai kết đo khơng có nghĩa Đọc liệu: Sau gia tiếp với DHT11, DHT11 gửi liên tiếp 40 bit MCU, tương ứng chia thành byte kết Nhiệt độ độ ẩm Hình 1.2.3 dạng tín hiệu bit Sau tín hiệu đưa 0, ta đợi chân DATA MCU DHT11 kéo lên Nếu chân DATA khoảng 26-28 us 0, tồn 70us Do lập trình ta bắt sườn lên chân DATA, sau delay 50us Nếu giá trị đo ta đọc bit 0, giá trị đo giá trị đo Cứ ta đọc bit 2.2.3 Khối hiển thị Khối hiển thị LCD 2x16(2 dòng, 16cột) Hình 2.2.3.1 hình LCD thực tế - LCD làm việc chế độ bit ghép nối Port D vi điều khiển trung tâm Hình 2.10 Sơ đồ chân LCD - Sử dụng biến trở 10K điều chỉnh độ tương phản LCD Chân 10 11 12 13 14 15 16 Ký hiệu VSS VDD VEE RS RW E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLBL+ Chức Mass Nguồn cung cấp cho LCD Chỉnh độ tương phản Chon ghi LCD Đọc ghi liệu Cho phếp chon LCD Bit byte liệu Bit byte liệu Bit byte liệu Bit byte liệu Bit byte liệu Bit byte liệu Bit byte liệu Bit byte liệu Nguồn cho LED LCD Mass cho LED LCD Bảng 2.1 Các kí hiệu ý nghĩa chân LCD - Chỉ dùng LCD để hiển thị (Write) nên chân R/W nối mass 2.2.4 Khối nguồn - Sử dụng nguồn 5V thiết kế sẵn để cung cấp cho mạch -Khối nguồn có chức cung cấp lượng điện cho cảm biến , PIC 16F877A khối hiển thị LCD hoạt động CHƯƠNG : Thiết kế mạch hồn chỉnh 3.1 Mơ phần mềm Protues - Phần mềm protues phần mềm chuyên dụng cho việc thiết kế mạch điện tử, mô đề tài điện tử - Một số ưu điểm phần mềm như: Thư viện linh kiện phong phú Hỗ trợ thiết bị đo Hỗ trợ thiết kế mạch in Cho phép chạy mô vi điều khiển họ AT89, PIC… - Vì Protues phần mềm có ưu điểm vượt trội để dễ dàng hỗ trợ thực thiết kế, mô trước lắp đặt nhằm khắc phục tối đa lỗi xảy Các bước mô mạch đo nhiệt độ độ ẩm proteus Bước : Chọn linh kiện thư viện để phục vụ cho q trình mơ mạch - VĐK PIC16f628A - LCD LM16x2 - Biến Trở 10k - Cảm biến DHT11 - Điện trở - Nút nhấn - Tụ gốm 22pF - Tụ thạch anh 4Mhz - Tụ 470uF - Nguồn 5v - Bước : Xắp xếp linh kiện nối mạch mô để thiết kế mạch hoàn chỉnh proteus 3.2 thiết kế mạch in Altium Phần mềm thiết kế mạch tự động Altium Designer môi trường thiết kế điện tử đồng nhất, tích hợp thiết kế nguyên lý, thiết kế mạch in PCB, lập trình hệ thống nhúng FPGA Các điểm đặc trưng Altium Designer : • Giao diện thiết kế, quản lý chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên cho tài liệu thiết kế • Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, dây tự động theo thuật tốn tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ việc tìm giải pháp thiết kế chỉnh sửa mạch, linh kiện, netlist có sẵn từ trước theo tham số • Mở, xem in file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ thông tin linh kiện, netlist, liệu vẽ, kích thước, số lượng… • Hệ thống thư viện linh kiện phong phú, chi tiết hoàn chỉnh bao gồm tất linh kiện nhúng, số, tương tự… • Đặt sửa đối tượng lớp khí, định nghĩa luật thiết kế, tùy chỉnh lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện PCB • Mơ mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh mạch điện trung thực không gian chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mơ hình STEP, kiểm tra khoảng cách cách điện, cấu hình cho 2D 3D • Hỗ trợ thiết kế PCB sang FPGA ngược lại • Có thể thấy Altium Designer có nhiều điểm mạnh so với phần mềm khác đặt luật thiết kế, quản lý dự án dễ dàng ,giao diện thân thiện Thiết kế mạch in altium 3.3 Lưu đồ thuật toán Chương Kết bàn luận 4.1 Đánh giá kết luận Trên sở thiết kế phần cứng phần mềm thực đồ án đạt số kết sau: - Về phần cứng: Tìm hiểu vi điều khiển Pic linh kiện cách thiết kế làm mạch thủ cơng - Đi sâu tìm hiểu số thuật toán điều khiển điều khiển PIC - Nhận dạng mô đối tượng điều khiển Một số điểm hạn chế : - Trong gian đoạn làm đồ án, chúng em cố gắng nghiên cứu, thiết kế để có kết nêu Tuy nhiên thời gian kiến thức chúng em có hạn, mặt khác số điều kiện thiết bị không cho phép nên đồ án hạn chế thiếu sót - Pic 16F628A dòng vi điều khiển 4bit nên có tốc độ nhớ thấp, chân nên hạn chế lập trình điều khiển Về đề tài : - Đề tài có ứng dụng nhiều sống thực tế - Đề tài có hướng phát triển điều khiển nhiệt độ phòng cách tự động tắt mở quạt, máy lạnh mở cửa sổ, đặc biệt báo cháy tự động dập lửa - Do lí vềthời gian lí khách quan khác nên đồán thực nhiều khiếm khuyết Chúng em mong nhận nhũng ý kiến đóng góp q báu thầy - Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn chúng em tận tình trình thực đồán ... 2.2 cảm biến LM35 HS1 011, HS220… : cảm biến đo độ ẩm HS1101 cảm biến độ ẩm có độ xác cao Hình 2.3 cảm biến hs1101 - DHT1 1, DHT2 1,SHT11 : tích hợp cảm biến nhiệt độ độ ẩm SHT11 có độ sai... hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm Hình 2.1.1 sơ đồ cấu trúc hệ thống đo nhiệt độ, độ ẩm sử dụng Pic 16F877A - Muốn cảm biến gửi tín hiệu Vi điều khiển PIC gửi tín hiệu muốn đo đến cảm biến DHT1 1 sau xác... tuỳ biến thêm chức đề tài để phù hợp với nhu cầu trình hoạt động ngồi chức hiển thị nhiệt độ độ ẩm khu vực cần khảo sát nhiệt độ độ ẩm Với đề tài mạch Đo nhiệt độ độ ẩm ta đo lúc nhiệt độ độ ẩm