on dinh nhiet do be tam gia dinh moinhat 2018 chuan IN

KHOA ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc o0o ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN ĐĂNG HÀO Tên đề tài : ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỂ TẮM GIA ĐÌNH Sinh viên thực : PHAN VĂN HỮU MSSV: K145520114083 NGUYỄN QUANG KHANH MSSV: K145520114122 3.NGUYỄN VĂN HÙNG MSSV: K145520114084 Yêu cầu đề tài: + Thuyết minh + Sản phẩm thực Ngày giao đề tài : Ngày hồn thành : Trưởng mơn PGS.TS Phạm Thành Long Giáo viên hướng dẫn ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………… Bộ môn điện tử ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO LỜI NÓI ĐẦU CHUƠNG 1: PHÂN TÍCH BÀI TỐN 1.1 Khảo sát phân tích 1.2 Phân tích cụ thể 1.2.1 Phân tích u cầu cơng nghệ 1.2.2 Các yêu cầu 1.2.3 Giới hạn làm việc CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ tổng quát 2.2 Sơ đồ điều khiển 2.3 Sơ đồ đặc tả 2.3.1 Xử lý tính tốn PID 2.4 Các module hệ thống 10 2.4.1 Module khối nguồn 10 2.4.2 Module điều khiển trung tâm 11 2.4.1 Module tương tác điều khiển (hiển thị) 12 2.4.2 Module chấp hành 12 2.5 Lựa chọn linh kiện 13 2.5.1 Vi điều khiển PIC16f877A 13 2.5.2.Cảm biến 13 2.5.3 LCD 18 2.5.4 Mosfets 21 2.5.5 Tụ điện 21 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch 23 2.7 Thuật toán điều khiển 23 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG 25 3.1Thiết kế phần cứng 25 3.1.1Vẽ mạch in mô altium 25 3.1.2Thử nghiệm thực tế đánh giá kết 26 3.2 Thiết kế lập trình phần mềm CSS 29 ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 Bộ môn điện tử ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, việc ứng dụng cho hệ thống thông minh ngày trở nên phổ biến: từ ứng dụng đơn giản điều khiển chốt đèn giao thông định thời, đếm sản phẩm dây chuyền sản xuất, điều khiển tốc độ động điện chiều, thiết kế biển quảng cáo dùng Led ma trận, đồng hồ thời gian thực….đến ứng dụng phức tạp hệ thống điều khiển robot, kiểm soát nhà máy hệ thống kiểm soát máy lượng hạt nhân Các hệ thống tự động trước sử dụng nhiều công nghệ khác hệ thống tự động hoạt động nguyên lý khí nén, thủy lực, rơle điện, mạch điện tử số, thiết bị máy móc tự động cam chốt khí thiết bị, hệ thống có chức xử lý mức độ tự động thấp so với hệ thống tự động đại xây dựng tảng hệ thống nhúng Với mong muốn giới thiệu ứng dụng chip vi xử lý đời sống đại, nhóm chúng em đưa mơ hình thiết kế hệ thống « Ổn định nhiệt độ bể tắm gia đình» Trong q trình thực đồ án mơn học, nhóm chúng em cố gắng thiết kế cho mơ hình đơn giản nhất, ổn định nhất; nhiên vấn đề thời gian kinh nghiệm nên mơ hình gặp phải vấn đề chưa thể khắc phục Trân trọng chân thành cảm ơn! Nhóm thực đề tài: Bộ môn điện tử ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH BÀI TỐN 1.1 Khảo sát phân tích Bồn tắm nóng lạnh sản phẩm thiếu sống sinh hoạt gia đình đại Tuy nhiên qua trình sử dụng nhận thấy điều khiển nhà sản xuất cung cấp chưa phụ hợp với tiêu chí tiết kiệm tiện lợi, nhóm chúng em định nghiên cứu chế tạo điều khiển « Ổn định nghiệt độ bể tắm gia đình » 1.2 Phân tích cụ thể 1.2.1 Phân tích u cầu cơng nghệ Qua phân tích trên, nhóm chúng em đưa giải pháp xây dựng điều khiển có chức sau: tự động diều chỉnh nhiệt độ bể tắm theo nhiệt độ đặt trước, cài đặt thời gian chờ, hiển thị nhiệt độ lên hình LCD  Giải pháp thiết kế Trong đó: + van nóng dùng để cung cấp nước nóng điều khiển để có nhiệt độ định mức Bộ môn điện tử ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO + van lạnh dùng để cung cấp nước lạnh điều khiển mở van nóng để đạt nhiệt độ định mức + van xả dùng để xả nước + cảm biến nhiệt độ: đo truyền thông đến VXL  Phương pháp điều khiển  Điều khiển van nóng kết hợp van lạnh thuật tốn PID  Bình nóng lạnh sử dụng 1kw lắp van điện on/off  Bể chưa nước lạnh lắp van điện on/off  Đọc nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt độ DS18B20  Ổn định nhiệt độ cách đóng cắt cấp nguồn van nóng lạnh  Xử lý, điều khiển dùng vi điều khiển PIC 16f877A  Để hiển thị ta dùng LCD: lấy tín hiệu từ PIC để hiển thị lên LCD 1.2.2 Các yêu cầu  Hệ thống sử dụng cho hộ gia đình, khách sạn, cơng sở, bệnh viện…  Có hiển thị nhiệt độ dặt cho người dùng  Cài đặt thời gian chờ cho người dùng  Thay đổi nhiệt độ đặt phần mềm 1.2.3 Giới hạn làm việc  Làm việc ban ngày lẫn ban đêm  Đồng với điện lưới  Nhiệt độ môi trường: nhà 100C đến 600C  Hệ thống cấp điện từ đầu Bộ môn điện tử ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ tổng quát Hệ thống điều khiển van nóng van lạnh gồm có khối Khối nguồn Khối Đồng Khối xử lý Khối Cảm biến Khối chấp hành Khối hiển thị Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống Ổn định nhiệt độ bể tắm gia đình  Khối Nguồn: Cung cấp nguồn cho hệ thống  Khối Đồng bộ: Sử dụng mạch điện nhỏ gọn, phát điểm điện áp lưới để xác định thông số cài đặt( thời gian, nhiệt độ)  Khối Xử lý: Dùng VDK PIC 16F877A để lấy tín hiệu từ mạch đồng bộ, tính tốn, lưu trữ đưa khối hiển thị khối chấp hành  Khối Hiển thị: Lấy tín hiệu từ chân PIC để hiển thị nhiệt độ đặt  Khối cảm biến nhiệt: cảm biến nhiệt độ từ môi trường để đưa vào VDK 2.2 Sơ đồ điều khiển Bộ môn điện tử ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO Chương trình điều khiển Module Xử lý Đồng Module Xử lý Cảm biến Cảm biến Module Xử lý Chương trình Mạch đồng Chấp hành Hiển thị Hình 2.2: Sơ đồ điều khiển HT 2.3 Sơ đồ đặc tả Hiển thị Thay đổi on/off van Khối xử ly Và tính tốn Cảm biến Hình 2.3: Sơ đồ đặc tả HT 2.3.1 Xử lý tính tốn PID  Tính độ rộng xung thuật tốn PID  Tìm hiểu thuật tốn PID Bộ môn điện tử ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO Một điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID điều khiển sử dụng nhiều điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID tính tốn giá trị "sai số" hiệu số giá trị đo thông số biến đổi giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp khơng có kiến thức (mơ hình tốn học) hệ thống điều khiển điều khiển PID điều khiển tốt Tuy nhiên, để đạt kết tốt nhất, thông số PID sử dụng tính tốn phải điều chỉnh theo tính chất hệ thống-trong kiểu điều khiển giống nhau, thông số phải phụ thuộc vào đặc thù hệ thống Giải thuật tính tốn điều khiển PID bao gồm thông số riêng biệt, đơi gọi điều khiển ba khâu: giá trị tỉ lệ, tích phân đạo hàm, viết tắt P, I, D Giá trị tỉ lệ xác định tác động sai số tại, giá trị tích phân xác định tác động tổng sai số khứ, giá trị vi phân xác định tác động tốc độ biến đổi sai số Tổng chập ba tác động dùng để điều chỉnh q trình thơng qua phần tử điều khiển vị trí van điều khiển hay nguồn phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, giá trị làm sáng tỏ quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số tại, I phụ thuộc vào tích lũy sai số khứ, D dự đoán sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân cộng lại với để tính tốn đầu điều khiển PID Định nghĩa u(t) đầu điều khiển, biểu thức cuối giải thuật PID là: Độ lợi tỉ lệ Kp: giá trị lớn đáp ứng nhanh sai số lớn, bù khâu tỉ lệ lớn Một giá trị độ lợi tỉ lệ lớn dẫn đến trình ổn định dao động Độ lợi tích phân Ki: giá trị lớn kéo theo sai số ổn định bị khử nhanh Đổi lại độ vọt lố lớn: sai số âm tích phân suốt đáp Bộ mơn điện tử ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO ứng độ phải triệt tiêu tích phân sai số dương trước tiến tới trạng thái ổn định Độ lợi vi phân Kd: giá trị lớn giảm độ vọt lố, lại làm chậm đáp ứng độ dẫn đến ổn định khuếch đại nhiễu tín hiệu phép vi phân sai số  Thuật toán PID cho toán Trong miền thời gian Output = kp*pPart+kd*dPart+ki*iPart -Đối tượng điều khiển van nước nóng DC-12V -Các ngõ vào điều khiển PID sau + ngõ vào: e=nhiệt độ đặt – nhiệt độ + ngõ u=%duty cycle -Thuật toán PID: Ki: hệ số tích phân Kp: hệ số tỉ lệ Kd: hệ số vi phân pPart: sai lệch nhiệt độ iPart: tổng sai lệch khứ pPart: tốc độ biến thiên sai lệch Ta có code tính tốn với PIC16f877A: sailech=nhietdodat-nhietdodo; iPart=iPart+sailech*0.05 ; pPart=sailech; dPart=(sailech-sltruoc)*20; Output =(float) output+kp*pPart+kd*dPart+ki*iPart; //Output = Output+pPart+dPart+iPart; Xuất xung PWM vơi output tính  Phương pháp xuất xung PWM Phương pháp điều chế PWM có tên riêng Pulse Width Modulation phương pháp điều chỉnh điện áp tải hay nói cách khác phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi xung vuông dẫn đến thay đổi điện áp Bộ môn điện tử ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch Các modul kết nối với theo sơ đồ hình vẽ Hình 3.1 Sơ đồ mạch ngun lý 2.7 Thuật tốn điều khiển Chương trình có nhiệm vụ:  Đọc nhiệt độ từ cảm biến, cảm biến trả giá trị lớn lượng đặt, chân vi điều khiển phát tín hiệu on/off cấp nguồn cho van nóng khóa mosfets Khi giá trị đọc nhỏ lượng đặt khóa mosfets đóng cấp điện cho van nóng Bộ mơn điện tử 23 ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO  Sơ đồ thuật tốn Start Khởi tạo Chương trình Ngắt ngồi: Kích hoạt timer ĐọcDs18B20 Ngắt Timer Phát xung dk Tinh PID PWM Qt Phím Hình 3.2: Sơ đồ thuật tốn  Chương trình nạp vào Vi điều khiển Pic 16f877A Để viết chương trình điều khiển ta sử dụng ngơn ngữ C viết phần mềm CCS chạy mô Proteus Bộ môn điện tử 24 ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế phần cứng Với đồ án môn học Thiết kế hệ thống điện tử với đề tài ‘‘Ổn định nhiệt độ bể tắm gia đình’’, việc thiết kế phần cứng mạch hệ thống cụ thể chia làm khối : - Khối nguồn - Khối đồng - Khối chấp hành - Khối điều khiển -Khối cảm biến 3.1.1 Vẽ mạch in mô altium Bộ môn điện tử 25 ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO 3.1.2 Thử nghiệm thực tế đánh giá kết Bộ môn điện tử 26 ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO  Thử nghiệm : Bộ môn điện tử 27 ĐAMH Thiết kế HT CĐT Bộ môn điện tử GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO 28 ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO  Đánh giá kết - Sản phẩm hoàn thành yêu cầu đặt tốn  Kết luận chung  Sản phẩm chưa đạt số công nghệ đại  số hướng phát triển tương lai - SP kết nối không dây điều khiển từ xa - sử dụng điều khiển, modul điều khiển đại - SP thiết kế đưa vào thực tiễn hàng ngày 3.2 Thiết kế lập trình phần mềm CSS  Mã lập trình khai bào biến : #include #device ADC=16 #FUSES NOWDT #FUSES NOBROWNOUT #use delay(crystal=4000000) #include #include #define UP input(PIN_B4) #define DOWN input(PIN_B5) #define MENU input(PIN_B6) #define MN input(PIN_B7) #define TAT input(PIN_C2) #define LED1_XA PIN_C4 #define LANH PIN_C3  Mã lập trình đọc nhiệt độ : #ifndef DS18B20_C #define DS18B20_C #include "one_wire.c" float ds18b20_read(); void ds18b20_configure(int8 TH, int8 TL, int8 config); float ds18b20_read() { int8 busy=0, temp1, temp2; signed int16 temp3; float result; onewire_reset(); onewire_write(0xCC); onewire_write(0x44); while(busy == 0) busy = onewire_read(); Bộ môn điện tử 29 ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO onewire_reset(); onewire_write(0xCC); onewire_write(0xBE); temp1 = onewire_read(); temp2 = onewire_read(); temp3 = make16(temp2, temp1); result = (float) temp3 / 16.0; delay_ms(200); return(result); } void ds18b20_configure(int8 TH, int8 TL, int8 config) { onewire_reset(); onewire_write(0xCC); onewire_write(0x4E); onewire_write(TH); onewire_write(TL); onewire_write(config); } #endif  Mã lập trình chính: #include #byte CoNgatRB = float nhietdodat=40,nhietdodo,nhietdodo1,tgdat=30; float Kp=18, Kd=10, Ki=0.01; float pPart=0, iPart=0, dPart=0,output; float sailech,sltruoc; int8 Option=0; void _Delay(char time) { int i; for(i=0;i2) { Option=0; } } Clear = CoNgatRB; } #int_TIMER1 void TIMER1_ngat(void) { Set_timer1(3035); sailech=nhietdodat-nhietdodo; iPart=iPart+sailech*0.05 ; pPart=sailech; dPart=(sailech-sltruoc)*20; Output =(float) output+kp*pPart+kd*dPart+ki*iPart; if (output 0 && output150) { output=150; set_pwm1_duty(output); } sltruoc=sailech; } void main() { lcd_init(); lcd_putc('\f'); lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc,"LOADING "); output_low(LED1_XA); output_high(LANH); delay_ms(500); clear_interrupt(INT_RB); enable_interrupts(INT_RB); enable_interrupts(GLOBAL); setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_2); setup_timer_2(T2_DIV_BY_4,149,1); setup_ccp1(CCP_PWM); Bộ môn điện tử 32 ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO set_pwm1_duty(0); set_pwm2_duty(0); while(TRUE) { while(Option==0) { setup_timer_2(T2_DIV_BY_4,149,1); setup_ccp1(CCP_PWM); enable_interrupts(INT_TIMER1); enable_interrupts(GLOBAL); output_low(LED1_XA); output_high(LANH); nhietdodo = ds18b20_read(); nhietdodo1 = (int8)nhietdodo; lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc,"SET TEMP: %f ",nhietdodat); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"TEMP: %f ",nhietdodo); if (MN==1) { output_low(LANH); output_low(LED1_XA); setup_ccp1(CCP_OFF); output_low(TAT); _delay(tgdat); while(1) { output_high(LED1_XA); } } Bộ môn điện tử 33 ĐAMH Thiết kế HT CĐT GVHD NGUYỄN ĐĂNG HÀO } while(Option==1) { output_low(LED1_XA); output_low(LANH); setup_ccp1(CCP_OFF); output_low(TAT); lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc,"opption ."); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"Set temp: %f",nhietdodat); if(UP==0) { while(UP==0); nhietdodat=nhietdodat+1; if(nhietdodat>50) { nhietdodat=40; } } else if(DOWN==0) { while(DOWN==0); nhietdodat=nhietdodat-1; if(nhietdodat600) { tgdat=30; } } else if(DOWN==0) { while(DOWN==0); tgdat=tgdat-2; if(tgdat