Đồ án: Thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ hiển thị trên LCD 16X2

Với kết cấu nội dung gồm 4 chương, đồ án Thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ hiển thị trên LCD 16X2 trình bày về các phương pháp đo nhiệt độ, cơ sở lý thuyết đo nhiệt độ hiển thị trên LCD 16X2, thiết kế và chế tạo LCD 16X2,... Đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn chuyên ngành Điện - Điện tử.

   ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài:  THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ  HIỂN THỊ TRÊN LCD 16X2 Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Viết Ngư Sinh viên thực hiện:     Phạm Văn Thực                                 Thân Thị Thương Lớp:                               112134.1 Tháng 10, năm 2015 NHÂN XET CUA GIAO VIÊN H ̣ ́ ̉ ́ ƯỚNG DÂN ̃ Ngày           tháng 10 năm 2015 Giáo viên hướng dẫn MỤC LỤC: Table of Contents MỞ ĐẦU  Lý do chọn đề tài    Ngày nay khoa học cơng nghệ hiện đại đã có những bước tiến nhanh và xa đi  theo nó là những thành tựu ứng dụng trong các lĩnh vực đời sống, cơng nghiệp   Kỹ thuật điều khiển trong tiến trình hồn thiện lý thuyết cũng đã tạo cho mình   nhiều phát triển có ý nghĩa. Bây giờ khi nhắc tới điều khiển con người dường   hình dung tới độ  chính xác, tốc độ  xử  lý và thuật tốn thơng minh đồng  nghĩa là lượng chất xám cao hơn. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại vi  điều khiển như  8051, Motorola  68HC, AVR,  ARM,  Ngồi họ  8051  được  hướng dẫn một cách căn bản ở mơi trường đại học, chúng em đã chọn vi điều  khiển PIC để mở rộng vốn kiến thức và phát triển các ứng dụng trên cơng cụ  này vì các ngun nhân sau: Họ vi điều khiển nàycó thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Việt Nam Có đầy đủ tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập Là sự  bổ  sung rất tốt về  kiến thức cũng như   ứng dụng cho họ  vi điều  khiển mang tính truyền thống: họ  vi điều khiển 8051. Giá thành khơng  đắt Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các cơng cụ lập trình, nạp   chương trình từ dơn giản tới phức tạp Các tính năng đa dạng của vi điều khiển PIC và các tính năng này khơng  ngừng được phát triển Số  lượng người sử  dụng họ  vi điều khiển PIC trên thế  giới cũng như  Việt Nam khá nhiều.Đã tạo thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát  triển các  ứng dụng như: số lượng tài liệu, số  lượng các ứng dụng mở  đã được phát triển, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được hỗ  trợ  khi gặp khó khăn Vì vậy, sau một thời gian học tập và tìm hiểu tài liệu với sự giảng dạy  của các thầy cơ giáo. Cùng với sự dẫn dắt nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn  thầy Nguyễn Viết Ngư. Chúng em đã chọn đề tài:  “thiết kế chế tạo mạch đo nhiệt độ hiển thị trên LCD 16x2” làm đồ án  tích  hợp 1 của mình  Đối tượng nghiên cứu Với đề tài này chúng em tập trung vào: Tìm hiểu về vi điều khiển PIC 16F877A Nghiên cứu và chế tạo thiết bị đo nhiệt độ phòng  Mục đích nghiên cứu Khi nghiên cứu đồ án này chúng em đã: Hiểu được cách thức và chế độ hoạt động của VĐK PIC 16F877A Hiểu được cách thức hoạt động của cảm biến nhiệt độ LM 35 Thiết kế, chế tạo được mạch đo nhiệt độ phòng dùng PIC 16F877A  Phương pháp nghiên cứu Do đây là một đồ  án sản phẩm, nên chúng em đã áp dụng phương pháp  nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm trực tiếp trên sản phẩm thật,  chạy thử và hồn thiện chương trình  Ý nghĩa nghiên cứu Như  đã nói   trên thì nếu thực hiện thành cơng đề  tài này sẽ  mang lại ý   nghĩa to lớn về cả thực tiễn và lý luận Ý nghĩa lý luận:  Tồn bộ  chương trình và bản thuyết minh của  đề  tài sẽ  trở  thành tài liệu  nghiên cứu, tham khảo nhanh, dễ hiểu, thiết thực cho các bạn sinh viên, những  người thích tìm hiểu về đề tài này của chúng em Ý nghĩa thực tiễn:   Với sự thành cơng của đề  tài sẽ  góp phần giúp cho các bạn sinh viên mới nói  chung và các bạn sinh viên khoa Điện ­ Điện Tử nói riêng thấy rõ được ý nghĩa   thực tế và thêm u thích chun ngành mình đã chọn Do kiến thức và trình độ năng lực hạn hẹp nên việc thực hiện đề tài này khơng  thể  tránh được thiếu sót, kính mong nhận được sự  thơng cảm và góp ý của  thầy giáo, cơ giáo và các bạn để đồ án này hồn chỉnh hơn Chúng em xin trân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện:  Phạm Văn Thực Thân Thị Thương CHƯƠNG I: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1   Khái niệm về nhiệt độ:    1.1.1  Khái niệm:         Nhiệt độ là đại lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các ngun  tử, phân tử của một hệ vật chất. Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất ( rắn,  lỏng, khí) mà chuyển động này có khác nhau. ở trạng thái láng, các phân tử dao  động quanh vi trí cân bằng nhưng vi trí cân bằng của nó ln dịch chuyển làm  cho chất lỏng khơng có hình dạng nhất định. Còn ở trạng thái rắn, các phần tử,  ngun tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng. Các dạng vận động này của  các phân tử, ngun tử  được gọi chung là chuyển động nhiệt. Khi tương tác   với bên ngồi có trao đổi năng lượng nhưng khơng sinh cơng, thì q trình trao  đổi năng lượng nói trên gọi là sự  truyền nhiệt.     Q trình truyền nhiệt trên  tn theo 2 ngun lý: Bảo tồn năng lượng Nhiệt chỉ  có thể  tự  truyền từ  nơi có nhiệt độ  cao đến nơi có nhiệt độ  thất. Ở trạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức  xạ nhiệt Đối với các chất lỏng và khí ngồi dẫn nhiệt và bức xạ  nhiệt còn có  truyền nhiệt bằng đối lưu. Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt   bằng cách vận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau  của hệ do chênh lệch về tỉ trọng    1.1.2   Sơ lược về phương pháp đo nhiệt độ: Nhiệt độ  là đại lượng chỉ  có thể  đo gián tiếp trên cơ  sở  tính chất của  vật phụ  thuộc nhiệt độ. Hiện nay chóng ta có nhiều ngun lí cảm biến khác  nhau  để  chế  tạo  cảm  biến  nhiệt  độ  như: nhiệt   điện  trở,   cặp  nhiệt  ngẫu,  phương pháp quang dùa trên phân bố phổ bức xạ nhiệt, phương pháp dùa trên  sự dãn nở của vật rắn, lỏng, khí hoặc dùa trên tốc độ âm… Có 2 phương pháp   đo chính:  Ở dải nhiệt độ thấp và trung bình phương pháp đo là phương pháp tiếp   xúc, nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ngay trong mơi trường đo   Thiết bị đo như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt, bán dẫn Ở  dải nhiệt độ  cao phương pháp đo là phương pháp khơng tiếp xúc  ( dơng cụ  dặt ngồi mơi trường đo). Các thiết bị  đo nh: cảm biến quang, hoả  quang kế ( hoả quang kế phát xạ, hoả quang kế cường độ sáng, hoả quang kế  màu sắc)… 1.2  Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc    1.2.1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở:           Ngun lý hoạt động: Điện trở của một số kim loại thay đổi theo nhiệt độ và dùa vào sự thay   đổi điện trở đó người ta đo được nhiệt độ cần đo Nhiệt điện trở dùng trong dụng cụ đo nhiệt độ làm việc với dòng phụ tải nhỏ  để  nhiệt năng sinh ra do dòng nhiệt điện trở  nhỏ  hơn so với nhiệt năng nhận  được từ mơi trường thí nghiệm u cầu cơ  bản đối với vật liệu dùng làm chuyển đổi của nhiệt điện   trở là có hệ số nhiệt độ lớn và ổn định, điện trở suất khá lớn…            Trong cơng nghiệp nhiệt điện trở  được chia thành nhiệt điện trở  kim  loại và nhiệt điện trở bán dẫn    1.2.2  Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu: Ngun lý làm việc: Bộ  cảm biến cặp nhiệt ngẫu là 1 mạch từ  có 2 hay nhiều thanh dẫn  điện gồm 2 dây dẫn A và B. Sebeck đã chứng minh rằng nếu mối hàn có nhiệt   độ t và t0 khác nhau thì trong mạch khép kín có một dòng điện chạy qua. Chiều  của dòng điện này phụ thuộc vào nhiệt độ tương ứng của mối hàn nghĩa là t >  t0 thì dòng điện chạy theo hướng ngược lại. Nếu để  hở  một đầu thì sẽ  xuất  hiện một sức điện động nhiệt. Khi mối hàn có cùng nhiệt độ ( ví dụ  bằng t 0 )  thì sức điện động tổng bằng: EAB = eAB(t0) + eAB(t0) = 0           Từ đó rót ra: eAB = eAB(t0)           Khi t0 và t khác nhau thì sức điện động tổng bằng: EAB = eAB(t) – e+AB(t0) Phương trình trên là phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu ( sức điện  động phụ thuộc vào hệ số nhiệt độ của mạch vòng t và t0) Nh vậy bằng cách đo sức điện động ta có thể tìm được nhiệt độ của đối  tượng Phương pháp này được sử  dụng nhiều trong cơng nghiệp khi cần đo   những nơi có nhiệt độ cao    1.2.3  IC cảm biến nhiệt độ                                                       Có rất nhiều hãng chế tạo linh kiện điện tử  đã sản xuất ra các loại IC  bán dẫn dùng để  đo dải nhiệt độ  từ  ­55‚ 150  0C. Trong các mạch tổ  hợp IC,  10 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO 3.1. SƠ ĐỒ KHỐI Hình 2.1: Sơ đồ khối 43 3.1.1  Phân tích chức năng các khối Khối nguồn: Có chức năng cung cấp nguồn ni cho tồn bộ mạch điện Nguồi ni thường duy trì  ổn định ở mức +5V. Do u cầu cao của hệ thống các  nguồn ni thường được chế tạomột cách đặc biệt nhằm đem lại hiệu quả, và tính   ổn định cao Thơng thường có 2 kiểu nguồn chính:  Dùng pin hoặc  ắc quy cho điện áp tương  đối ổn định, mặc dù trên thị trường khơng có loại pin hoặc ắc quy chuẩn 5V cho nên  nếu dùng nó thì phải qua một bộ  biến đổi điện áp để  đưa điện áp về  dạng chuẩn   hơn nữa trong q trình sử dụng, năng lượng trong pin, ắc quy hết đi hệ thống sẽ bị  gián đoạn Hình 2.2: Sơ đồ đưa điện áp 6V từ pin về điện áp chuẩn Trên thực tế để có nguồn điện đáng tin cậy người ta hay dùng phương pháp ổn áp  điện áp  một chiều từ  cuộn sơ  cấp của biến áp sau khi đ ã  chỉnh lưu  bằng cách sử  dụng một số IC ổn áp như 7805 hoặc một số loại khác Mạch chỉnh lưu và  ổn áp: Để  tạo ra điện áp một chiều sử  dụng cho mạch ln  chạy  ổn định thì trên thực tế cần phải có bộ  chuyển đổi từ  nguồn xoay chiều sang   nguồn một chiều. Bộ chuyển đổi đó cơ bản bao gồm: ­ Biến áp nguồn: Hạ thế từ 220V xuống các điện áp thấp hơn  ­ Mạch chỉnh lưu: Chuyển đổi nguồn AC thành DC ­ Mạch lọc: Lọc gợn xoay chiều sau chỉnh lưu cho nguồn DC phẳng hơn ­ Mạch ổn áp: Giữ một điện áp ra cố định cung cấp cho tải tiêu thụ 44 Hình 2.3: Sơ đồ mắc mạch chuyển đổi nguồn AC thành DC Sơ đồ và nguyên lý hoạt động mạch ổn áp một chiều 5V: Hình 2.4: Mạch ổn áp 5V DC Ngun lý hoạt động: Nguồn 6V AC từ  cuộn thứ  cấp của biến áp được chỉnh lưu thành DC tại điểm A   thơng qua mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kì gồm 4 diode D1, D2, D3, D4. Sau chỉnh lưu, điện   áp một chiều vẫn còn gợn sóng nên được đưa qua mạch lọc gồm tụ C1 để giảm thiều  gợn sóng rồi tiếp tục vào mạch  ổn áp 7805.  Ổn áp 7805 có đầu vào VIN(chân 1) > 5V  nên nó thực hiện ổn áp thành đầu ra mức 5V tại VOUT(chân 3) để cung cấp cho tải LCD 16X2 : tại điện áp nguồn 5V thì dòng tiêu thụ max của  LCD là 265mA 45   Khối cảm biến : Khối cảm biến có chức năng đo nhiệt độ của mơi trường và đưa  tín hiệu thu được đến khối vi xử lí 46 Khối vi xử lý: Khối này có chức năng chuyển đổi ADC Đo nhiệt độ mơi trường tại một điểm thơng qua sensor nhiệt LM35. LM35 là sensor   đo nhiệt, đo được nhiệt độ  trong khoảng từ  ­500C đến 1500C, đầu ra là 10mV/0C.  Đầu ra này được đưa vào chân Analog của bộ ADC   Khối hiển thị : Có chức năng hiển thị giá trị nhiệt độ lên LCD 47 LCDHDISPLAYH16x2 3.1.2 Sơ đồ ngun lý MCLR/HV RC2 48 3.1.3 Phân tích ngun lý hoạt động của cả mạch điện ­ Nut nhân S1 la nut RESET: 1 đâu nơi GND, đâu con lai nơi v ́ ́ ̀ ́ ̀ ́ ̀ ̀ ̣ ́ ới trở treo tao m ̣ ưc lên ́   Vcc va nôi vao chân MCLR/Vpp cua vi x ̀ ́ ̀ ̉ ử ly. Khi ch ́ ưa tac đông chân MCLR/Vpp ́ ̣   ở   mưć   cao,bộ   vi   xử   lý  hoaṭ   đông ̣   binh ̀   thương ̀   Khi   được   tać   đông ̣   thì  chân  MCLR/Vpp được đưa xuông m ́ ưc thâp,bô x ́ ́ ̣ ử  ly ngay lâp t ́ ̣ ức được reset nhay vê ̉ ̀  thực hiên câu lênh  ̣ ̣ ở ngăn nhớ đâu tiên cua bô nh ̀ ̉ ̣ ớ ­ LM35: Chân 1 la GND, chân 2 la Vout, chân 3 la Vcc. D ̀ ̀ ̀ ữ liêu chân 2 se đ ̣ ̃ ược đưa  vao bô đoc va chuyên đôi ADC đ ̀ ̣ ̣ ̀ ̉ ̉ ược tich h ́ ợp trong bô x ̣ ử ly thông qua kênh AN2 ́ ­ Tạo dao đông: gôm thach anh 20MHz va 2 tu đât 33pF ̣ ̀ ̣ ̀ ̣ ́ ­ Hiển thi LCD, gôm 1 LCD 16x2. LCD đ ̣ ̀ ược truyên d ̀ ữ liêu 4 bit t ̣ ́ ừ vi điêu khiên ̀ ̉   qua cac chân D4, D5, D6, D7. Con lai D0, D1, D2, D3 không s ́ ̀ ̣ ử  dung ta b ̣ ỏ  trống   Ta câp ngu ́ ồn cho led man hinh LCD thông qua chân 15 va 16 cua LCD ̀ ̀ ̀ ̉ Ở  mạch nay ta chi ̀ ̉  xư dung ch ̉ ̣ ưc năng ghi d ́ ữ liệu lên LCD nên chân RW ta nôí  GND.  Biên tr ́ ở tinh chỉnh R3 co tac dung điêu chinh đô t ́ ́ ̣ ̀ ̉ ̣ ương phan cho LCD ̉ ­ Khôi mach nap: Gôm co chân 1 chân Reset, chân 2 la chân Vcc, chân 3 la chân nôi ́ ̣ ̣ ̀ ́ ̀ ̀ ́  GND, chân 4 la chân PGD, chân 5 la chân PGC ( chân PGD va PGC dung đ ̀ ̀ ̀ ̀ ể truyên ̀  dư liêu t ̃ ̣ ư may tinh thông qua mach nap vao IC ̀ ́ ́ ̣ ̣ ̀ 49 3.2  Thiết kế sơ đồ board mạch.   Sơ đồ mạch in:  Sơ đồ bố trí linh kiện: 50  Xây dựng phần mềm.  3.3       Chúng em sẽ sử dụng chương trình CCS (ngơn ngữ C trong PIC của Microchip)  để  lập trình cho vi điều khiển,  ưu điểm của nó là khá nhỏ  gọn so với khi ta viết   bằng MASM nhờ được hỗ trợ khá nhiều hàm, ngồi ra ta còn có thể chèn một đoạn   chương trình viết bằng ASM giữa 2 chỉ thị tiền xử lý là #ASM và #ENDASM 3.4    Chương trình.  Lưu đồ thuật tốn  Lưu đồ thuật tốn tồn mạch:  51 52 53 SƠ ĐỒ CÀI ĐẶT NHIỆT ĐỘ 3.5. Ứng dụng thực tiễn của mạch Đây là một trong những mạch cơ bản sử dụng PIC với tính năng cảm ứng đem lại  nhiều tiện ích khi sử  dụng. Trước hết, việc cảm  ứng và hiển thị  sự  thay đổi và   nhiệt độ  mơi trường là hết sức cần thiết trong cả  đời sống và sản xuất, giúp chủ  động trong các thao tác liên quan đến nhiệt độ mơi trường như yếu tố nhiệt độ trong   sinh hoạt (ấp trứng, ươm mầm, báo động…) hay các thao tác nghiệp vụ đòi hỏi nhiệt  độ ổn định trong cơng nghiệp. Đây cũng là một mạch điện tử thân thiện với người sử  dụng, nhờ vào khả  năng hiển thị  đa dạng của màn hình LCD, ngồi việc hiển thị  nhiệt độ  mạch còn giúp hiển thị  những cảnh báo hữu ích cho con người. Cảm biến  nhiệt LM35 cũng là một trong những thiết bị  cảm  ứng độ  nhạy cao, giá thành thấp  54 giúp cảm  ứng tốt nhiệt độ  mơi trường. Do còn hạn chế  trong kiến thức về  phần   cứng và thực hiện thao tác làm mạch, nhóm em vẫn chưa thực hiện được ý tưởng  của mình trong việc mở rộng ứng dụng của  mạch này trong việc điều khiển động cơ  hay các thiết bị báo cháy, thiết bị điều hòa nhiệt độ (quạt, máy lạnh…) mà chỉ dừng  lại ở mức độ hiển thị. Nhưng nhóm em cũng có tham khảo đến những hướng để mở  rộng mạch như:  ­ Nâng cao độ  chính xác hiển thị  bằng cách dùng ADC có độ  phân giải cao  hơn (có thể dùng ADC ngồi) ­ Thêm bàn phím giao tiếp để  có thể  thay đổi trực tiếp khoảng nhiệt độ  theo  dõi ­ Sử  dụng EEPROM để lưu giá trị  nhiệt độ  mà người dùng thiết lập, các lần   thay đổi khác ­ Ghép nối máy tính để truyền giá trị nhiệt độ đến máy tính.  ­ Ghép nối LCD và một mạch đếm thời gian thực (DS1307) để   ứng với mỗi   thời điểm chương trình sẽ tự động chọn khoảng thiết lập nhiệt độ thích hợp   theo  từng mùa, theo từng thời điểm định trước…  ­ Sử  dụng PIC trong các mạch thiết kế  tự  động kết hợp với các mạch tăng  giảm nhiệt độ để đảm bảo nhiệt độ  luôn bám theo một giá trị  cho trước, hệ  ổn  định nhiệt (giá trị thay đổi là rất nhỏ).  55 CHƯƠNG   IV:   KẾT   LUẬN   VÀ   HƯỚNG   PHÁT  TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Sau một thời gian tìm hiểu và được sự  hướng dẫn tận tình của thầy   Nguyễn  Viết  Ngư, chúng em đã hồn thành đồ án “Thiết kế và chế tạo mạch đo nhiệt độ”.  Chúng em đã cho chạy thử và kết quả thu được thỏa mãn nhu cầu đặt ra       Với đề tài này chúng em đã ứng dụng một phần nhỏ của vi điều khiển PIC. Trong   thực tế có rất nhiều ứng dụng thành cơng sử dụng vi điều khiển PIC       Trong thời gian thực hiện đồ án này chúng em đã thu được những kết quả như sau: ­ Học hỏi được nhiều hơn và có thêm nhiều kiến thức ­ Có khả năng phân tích, thiết kế và thi cơng một sản phẩm hồn chỉnh        Tuy nhiên với thời gian cho phép cũng như  kiến thức còn hạn chế  đồ  án vẫn còn   những thiếu sót       Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn thầy  Nguyễn Viết Ngư và các thầy,  cơ giáo đã nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt q trình học tập và   thực hiện đồ án này.  Nhóm sinh viên thực hiện Phạm Văn Thực Thân Thị Thương 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Giáo trình đo lường cảm biến 2.Giáo trình kỹ thuật tương tự 3.Giáo trình điện tử căn bản. tác giả Nguyễn Thành Long­ Nguyễn Vũ Thắng 4.Website: www.diendandientu.com www.dientuvietnam.net www.alldatasheet.com www.dientumaytinh.com 57 ... của các thầy cơ giáo. Cùng với sự dẫn dắt nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn  thầy Nguyễn Viết Ngư. Chúng em đã chọn đề tài:  thiết kế chế tạo mạch đo nhiệt độ hiển thị trên LCD 16x2  làm đồ án  tích  hợp 1 của mình... Hiểu được cách thức và chế độ hoạt động của VĐK PIC 16F877A Hiểu được cách thức hoạt động của cảm biến nhiệt độ LM 35 Thiết kế, chế tạo được mạch đo nhiệt độ phòng dùng PIC 16F877A  Phương pháp nghiên cứu Do đây là một đồ  án sản phẩm, nên chúng em đã áp dụng phương pháp ... Tìm hiểu về vi điều khiển PIC 16F877A Nghiên cứu và chế tạo thiết bị đo nhiệt độ phòng  Mục đích nghiên cứu Khi nghiên cứu đồ án này chúng em đã: Hiểu được cách thức và chế độ hoạt động của VĐK PIC 16F877A