đồ-án-VXL-nhóm-2-da-sua

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HOÁ - - ĐỒ ÁN VI XỬ LÝ TRONG ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐIỀU KHIỂN HIỂN THỊ TRÊN LCD GVHD : Lớp : Nhóm sinh viên thực hiện: TS Bùi Thị Duyên D12 TĐH&DK1 Hoàng Hữu Nghĩa Nguyễn Nghiêm Đức Nguyễn Viết Hải Đăng Hà Nội- 2020 Đề tài: Nghiên cứu thiết kế mạch đo nhiệt độ điều khiển hiển thị LCD TT Họ tên Hoàng Hữu Nghĩa Nguyễn Nghiêm Đức Nguyễn Viết Hải Đăng Lớp D12TDH&DK1 D12TDH&DK1 D12TDH&DK1 MSV 1781410358 1781410322 1781410303 Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ VXL đo nhiệt độ xử dụng vi điều khiển AT89S52 cảm biến DS18B20 giải vấn đề sau: - Chức cấu tạo vi điều khiển AT89S52 Tính chọn linh kiện để thiết kế tiến hành lắp đặt Cách ghép nối AT89S52 với thiết bị ngoại vi Cụ thể là: ghép nối với LCD - 16 ký tự, cảm biến nhiệt độ DS18B20 Thiết kế mạch đo nhiệt độ dải từ -55 oC đến 125oC hiển thị LCD 16 ký tự Điều khiển chế độ lị sưởi quạt thơng qua hoạt động Relay Yêu cầu: Chương 1: Đặt vấn đề nhiệm vụ thư (1 tuần) Chương 2: Tổng quan phương pháp đo nhiệt độ (2 tuần) Chương 3: Thiết kế phần cứng (2 tuần) Chương 4: Thiết kế phần mềm (2 tuần) Chương 5: Kết luận phương hướng phát triển (1 tuần) Giảng viên hướng dẫn: cô Bùi Thị Duyên Email liên hệ: duyenbt@epu.edu.vn Sinh viên thực Giảng viên hướng dẫn MỤC LỤC Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Với phát triển ngày mạnh mẽ rộng lớn khoa học kỹ thuật, công nghệ thuộc lĩnh vực khác nhờ đời để đáp ứng nhu cầu xã hội Một số phải kể đến kỹ thuật “vi xử lý đo lường điều khiển” Thiết bị công nghệ ln được đổi tiên tiến góp phần nâng cao chất lượng máy móc, thiết bị hoạt động có hiệu quả, an tồn ổn định Ngày vi điều khiển có ứng dụng ngày rộng rãi lĩnh vực kỹ thuật đời sống xã hội, đặc biệt kỹ thuật tự động hóa điều khiển từ xa Giờ với nhu cầu chuyên dụng hóa, tối ưu (thời gian, khơng gian, giá thành) bảo mật, tính chủ động cơng việc ngày địi hỏi khắt khe việc đưa công nghệ lĩnh vực chế tạo mạch điện tử để đáp ứng nhu cầu hồn tồn cấp thiết mang tính thực tế cao Kỹ thuật vi điều khiển phát triển, được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, dân dụng nhiều lĩnh vực khác Kỹ thuật vi xử lý ngày được tích hợp nhỏ gọn có khả lập trình được để điều khiển nên tiện dụng độngHiện nay, kỹ thuật vi điều khiển lĩnh vực mẻ được đưa vào sử dụng rộng rãi trường Đại học, Cao đẳng nước toàn giới Tại trường Đại học Điện lực, giảng dạy dẫn nhiệt tình thầy cô mang lại cho sinh viên nhiều hiểu biết Vi xử lý đo lường điều khiển Trên tinh thần học đơi với hành, nhóm chúng em tìm hiểu ứng dụng Vi điều khiển đồ án môn học Được giúp đỡ dạy nhiệt tình giảng viên TS.Bùi Thị Duyên, chúng em tiến hành đồ án “Thiết kế mạch đo nhiệt độ hiển thị LCD” Mặc dù chúng em cố gắng trình thực đề tài Tuy nhiên, thời gian không nhiều hạn chế kiến thức nên nội dung cịn nhiều thiếu sót Chúng em mong nhận được góp ý thầy cô bạn sinh viên để báo cáo chúng em được hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ THƯ 1.1 Đặt vấn đề Nhiệt độ đại lượng vật lý được quan tâm nhiều Bởi vì nhiệt độ có vai trị 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 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 được 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 nhiều hướng, đưa đến nhiều phương pháp khác nhau, linh hoạt xác Có nhiều 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 giãn nở vật rắn, chất lỏng khí (với áp - suất khơng 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 1.2 Nhiệm vụ thiết kế Thiết kế hệ VXL đo nhiệt độ xử dụng vi điều khiển AT89S52 cảm biến DS18B20 giải vấn đề sau: - Chức cấu tạo vi điều khiển AT89S52 Tính chọn linh kiện để thiết kế tiến hành lắp đặt Cách ghép nối AT89S52 với thiết bị ngoại vi Cụ thể là: ghép nối với LCD - 16, cảm biến nhiệt độ DS18B20 Thiết kế mạch đo nhiệt độ dải từ -55 oC - 125oC hiển thị LCD 16 - ký tự Điều khiển chế độ lị sưởi quạt thơng qua hoạt động Relay CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan phương pháp đo nhiệt độ Trước tiên nói cảm biến nhiệt độ, cảm biến được 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 (dịng, áp) Một số cảm biến thường sử dụng: - Nhiệt điện trở đốt nóng, dịng điện chạy qua lớn làm nhiệt độ tăng lên cao nhiệt độ mơi trường (100°C - 800°C), nên có tỏa nhiệt mơi trường - xung quanh, nhiệt dẫn, đối lưu, xạ Nhiệt điện trở khơng đốt nóng, dịng điện chạy qua nhỏ không làm tăng nhiệt độ điện trở nhiệt nhiệt độ mơi trường Nhiệt điện trở loại dùng để đo nhiệt độ đại lượng học đo di chuyển Nhiệt điện trở phân làm loại: Nhiệt điện trở dây nhiệt điện trở bán dẫn - Cặp nhiệt điện, nguyên lý làm việc dựa hiệu ứng Thomson Seebeck ứng dụng cặp nhiệt điện chủ yếu để đo nhiệt độ, ngồi cịn được dùng để đo đại lượng không điện điện khác như: đo dòng điện tần số cao, đo hướng chuyển động lưu lượng 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 Thông thường nhiệt độ đo được chia làm dải: 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 được đặt trực tiếp môi trường cần đo Đối với nhiệt độ cao, đo phương pháp không tiếp xúc, nghĩa dụng cụ đo đặt ngồi mơi trường đo Một cách đo nhiệt độ không tiếp xúc sử dụng cảm biến DS18B20 Cảm biến DS18B20 hoạt động cách cho giá trị hiệu điện định chân Vout (chân giữa) ứng với mức nhiệt độ Hiển thị LCD 16 ký tự 2.2 Một vài ứng dụng đo từ loại cảm biến nhiệt độ 2.2.1 Cặp nhiệt điện (Thermocouples) Cấu tạo: Gồm chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính đầu Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho sức điện động thay đổi (mV) Ưu điểm: Bền, đo nhiệt cao Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao Thường dùng: Lị nhiệt, mơi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,… Hình 2.1: Cấu tạo Thẻmocouples Cấu tạo Thermocouples gồm dây kim loại khác được hàn dính đầu gọi đầu nóng (hay đầu đo), hai đầu lại gọi đầu lạnh (hay đầu chuẩn) Khi có chênh lệch nhiệt độ đầu nóng đầu lạnh thì phát sinh sức điện động V đầu lạnh Một vấn đề đặt phải ổn định đo được nhiệt độ đầu lạnh, điều tùy thuộc lớn vào chất liệu Do cho chủng loại cặp nhiệt độ, loại cho sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T Lưu ý điều để chọn đầu dò điều khiển cho thích hợp Dây cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến điều khiển, yếu tố dẫn đến khơng xác chỗ này, để giải điều phải bù trừ cho (offset điều khiển) Lưu ý sử dụng: - Từ yếu tố sử dụng loại cảm biến cần lưu ý khơng nên nối thêm dây (vì tín hiệu cho mV nối suy hao nhiều) Cọng dây cảm biến nên để thơng thống (khơng cho cọng dây dính vào mơi trường đo) - Cuối nên kiểm tra chuẩn tín hiệu đầu Vì tín hiệu cho điện áp (có cực âm dương) cần ý kí hiệu để lắp đặt vào khuếch đại cho 2.2.2 Thermistor Cấu tạo: làm từ hỗn hợp oxit kim loại: mangan, nickel, cobalt,… Nguyên lý, Thay đổi điện trở nhiệt độ thay đổi Ưu điểm: Bền, rẻ, dễ chế tạo Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp Thường dùng: Làm chức bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử Hình 2.2: Cấu tạo Thermistor Thermistor được cấu tạo từ hỗn hợp bột ocid Các bột được hòa trộn theo tỷ lệ khối lượng định sau được nén chặt nung nhiệt độ cao Mức độ dẫn điện hỗn hợp thay đổi nhiệt độ thay đổi Có loại Thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC (positive temperature coefficient) hệ số nhiệt âm NTC (negative temperature coefficient) Thường dùng loại NTC Thermistor tuyến tính khoảng nhiệt độ định người ta dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt Chỉ sử dụng mục đính bảo vệ, ngắt nhiệt Lưu ý sử dụng: - Tùy vào nhiệt độ mơi trường mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai - loại PTC NTC Có thể thử dễ dàng với đồng hồ vạn Nên ép chặt vào bề mặt cần đo Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ 2.2.3 Bán dẫn Cấu tạo: làm từ loại chất bán dẫn Nguyên lý: Sự phân cực chất bán dẫn bị ảnh hưởng bở nhiệt độ Ưu điểm: Rẻ, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản Khuyết điểm: không chịu nhiệt độ cao, bền Thường dùng: Đo nhiệt độ khơng khí, dùng thiết bị đo, bảo vệ mạch điện tử Hình 2.3: Cấu tạo bán dẫn - Cấu tạo bán dẫn: Cảm biến nhiệt bán dẫn loại cảm biến được chế tạo từ chất bán dẫn Có loại Diode, Transistor, IC.Nguyên lý chúng dựa mức độ phân cực lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường Ngày với phát triển ngành công nghệ bán dẫn cho đời nhiều loại cảm biến nhiệt với tích hợp nhiều ưu điểm: Độ xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẻ tiền,… Ta dễ dàng bắt gặp cảm biến loại dạng diode (hình dáng tương tự Pt100), loại IC như: LM35, LM335, LM45 Nguyên lý chúng nhiệt độ thay đổi cho điện áp thay đổi.Điện áp được phân áp từ điện áp chuẩn có mạch - IC cảm biến nhiệt LM35 cảm biến nhiệt độ dạng Diode: Gần có cho đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ chuẩn truyền thông I2C (DS18B20) mở xu hướng “thế giới cảm biến” Hình 2.4: IC cảm biến nhiệt LM35 - IC cảm biến nhiệt độ DS18B20 • Vì được chế tạo từ thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn bền, không chịu nhiệt độ cao Nếu vượt ngưỡng bảo vệ làm • hỏng cảm biến Cảm biến bán dẫn loại tuyến tính giới hạn đó, dải cảm biến tác dụng Hết sức quan tâm đến tầm đo loại cảm biến để đạt được xác • Loại cảm biến chịu đựng môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mịn, rung sốc va chạm mạnh 2.2.4 Nhiệt xạ (còn gọi hỏa kế - pyrometer) Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử quang học Nguyên lý: Đo tính chất xạ lượng môi trường mang nhiệt Ưu điểm: Dùng môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với mơi trường đo Khuyết điểm: độ xác khơng cao, đắt tiền Nhiệt kế xạ (hỏa kế) loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ môi trường mà cảm biến thông thường tiếp xúc được (lị nung thép, hóa chất ăn mịn mạnh, khó đặt cảm biến) Hình 2.5: Hỏa kế CHƯƠNG III: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 3.1 Sơ đồ khối - Khối nguồn nuôi Khối xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển AT Khối cảm biến nhiệt độ DS18B20 Khối hiển thị sử dụng LCD 16x2 Khối điều khiển sử dụng Relay 10 Hình 3.4: Cảm biến nhiệt độ DS18B20 • - Tính Theo ch̉n giao tiếp 1-wire, kết nối nhiều cảm biến DS18B20 đường - truyền Dải nhiệt độ đo lường: -55˚C to +125˚C (-67°F to +257°F) Độ xác: ±0.5°C khoảng đo -10°C to +85°C Độ phân giải đến 12 bit chương trình Mỗi thiết bị có mã định danh 64 bit Có thể dùng nguồn ký sinh (không cần cung cấp nguồn cho chip, chip lấy • nguồn từ tín hiệu) Sơ đồ chân 20 Hình 3.5: Sơ đồ chân DS18B20 3.4 LCD 16x2 Text LCD loại hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị dòng chữ số bảng mã ASCII Text LCD được chia sẵn thành ô ứng với hiển thị kí tự ASCII Mỗi Text LCD bao gồm chấm tinh thể lỏng, việc kết hợp “ẩn” “hiện” chấm tạo thành ký tự cần hiển thị Trong Text LCD, mẫu ký tự được định nghĩa sẵn Kích thước Text LCD được định nghĩa số ký tự hiển thị dòng tổng số dòng mà LCD có Text 16x2 loại có hai dịng dịng hiển thị tối đa 16 ký tự Hình 3.6: Màn hình hiển thị LED 16x2 a Sơ đồ chân Thứ tự chân được xếp bảng sau: Chức Ground Nguồn cho LCD Tương phản Điều khiển LCD Số thứ tự chân Tên Vss (GND) Vdd (VCC) Vee RS Trạng thái logic Mô tả 0V +5V – Vdd D0-D7: lệnh R/W D0-D7: liệu Ghi (từ AVR vào LCD) Dọc (từ LCD vào Dữ liệu/lệnh RE D0 D1 D2 21 AVR) Vơ hiệu hóa LCD Hoạt động bắt đầu 0/1 0/1 0/1 ghi/đọc LCD Bit LSB Bit Bit 10 11 12 13 14 VCC D3 D4 D5 D6 D7 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 Bit Bit Bit Bit Bit MSB VCC VEE VR1 20K C1 104 GND GND R8 EN_LCD D7 D6 D5 D4 560 RS VEE VCC U2 K 16 A 15 D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 D1 D0 EN RW RS VEE VDD VSS GND R7 56R/1W VCC GND GND Hình 3.7: Sơ đồ kết nối LCD LCD 16x2 sử dụng cho việc hiển thị kết đo được để dễ dàng cho việc theo dõi chỗ Nguồn nuôi cho LCD 5V Chân D0-D7 chân liệu kèm theo chân điều khiển RS EN + Các chân VCC, VSS VEE: Chân VCC cấp dương nguồn 5V, chân VSS nối đất, chân VEE được dùng để điều khiển độ tương phản hình LCD + RS (Register select): Khi mức thấp, thị được truyền đến LCD xóa hình, vi trí trỏ… Khi mức cao, kí tự được truyền đến LCD + RW (Read Write): Dùng để xác định hướng liệu được truyền LCD vi điều khiển Khi mức thấp liệu được ghi đến LCD mức cao, liệu được đọc từ LCD Nếu cần ghi liệu lên LCD thì nối chân xuống GND để tiết kiệm chân + EN (Enable): Cho phép truy cập/xuất đến LCD thong qua chân RS RW.Khi chân EN mức cao (1) LCD kiểm tra trạng thái chân RS RW đáp ứng cho phù hợp Khi liệu được cấp đến chân liệu thì xung mức cao xuống thấp phải được áp đến chân để LCD chốt liệu chân liệu Xung phải rộng tối thiểu la 450ns Còn chân EN mức thấp (0), LCD bị vô hiệu hóa bỏ qua tín hiệu chân RS RW 22 + Các chân D0 – D7: Đây chân liệu bit, được dùng để gửi thông tin lên LCD đọc nội dung ghi LCD Các kí tự được truyền theo mã tương ứng bảng mã ascii Cũng có mã lệnh mà được gửi đến LCD để xóa hình đưa trỏ đầu dịng nhấp nháy trỏ LCD có chế độ giao tiếp, chế độ bit (chỉ dùng chân D4 đến D7 để truyền liệu) chế độ bit (dùng chân liệu từ D0 đến D7), chế độ bit, truyền byte truyền nửa cao byte trước sau truyền nửa thấp byte Trước truyền ký tư hình LCD ta cần thiết lập cho LCD chọn chế độ bit bit Ở đồ án chúng em sử dụng chế độ bit b Các hàm giao tiếp với LCD Hình 3.8: Khối hiển thị sử dụng LCD Void lcd_gotoxy (unsigned char x, unsigned char y); Hàm đặt giá trị trỏ LCD tới vị trí x,y 23 Void lcd_clear(void); Hàm dùng để xóa hình thị LCD Void lcd_putchar(char c); Hàm dùng để thị ký tự lên LCD Void lcd_puts(char*str); Hàm dùng để thị chuỗi ký tự (chứa RAM) lên LCD Void lcd_pustf(char flash*str); Hàm dùng để thị chuỗi ký tự (chứa Flash) lên LCD 3.5 Khối điều khiển sử dụng Relay Hình 3.9: Khối điều khiển sử dụng Relay Nguyên lý hoạt động: - Cap 1, cap 2: Chân đầu vào nối với vi điều khiển Ở Cap nối chân P3.0 Cap nối chân P3.1 vi điều khiển - Transistor 5V BC237: khuếch đại tín hiệu từ vi điều khiển - Relay 1, Relay 2: Chân 4, Relay cuộn hút Ở trạng thái bình thường, chân số nối với chân số Khi có tín hiệu từ vi điều khiển qua cuộn hút, cuộn hút có điện, chân số Relay nhảy xuống chân số 3, bật, dừng, báo trạng thái nhiệt độ điều khiển quạt lò sưởi - Khi nhiệt độ lên 40˚C, relay bật, điều khiển bật quạt tản nhiệt 5V Khi nhiệt độ xuống 10˚C, relay bật, điều khiển bật lò sưởi - Chân HD3, HD5: chân nối điều khiển cho quạt tản nhiệt 5V máy sưởi 24 3.6 Mô mạch proteus Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý tổng thể CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 25