Thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ và độ ẩm hiển thị lcd

621 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM HIỂN THỊ LCD SV thực hiện: Lê Văn Đức GV hướng dẫn: ThS NGUYỄN XUÂN NGỌC Lớp:51K2 - ĐTVT Khóa học: 2010 – 2015 NGHỆ AN - 01/2015 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC I LỜI CẢM ƠN iv LỜI NÓI ĐẦU v TÓM TẮT ĐỒ ÁN vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Một số định nghĩa 1.2 Các thông số đặc trưng cảm biến .1 1.2.1 Độ nhạy cảm biến 1.2.2 Sai số .2 1.2.3 Độ xác độ xác lặp lại 1.2.4 Độ phân giải 1.2.5 Độ tuyến tính 1.2.6 Độ nhanh, thời gian hồi đáp 1.2.7 Giới hạn sử dụng cảm biến 1.3 Các đặc trưng kĩ thuật đo lường .5 1.3.1 Đại lượng đo (hay tín hiệu đo) 1.3.2 Điều kiện đo 1.3.3 Thiết bị đo .6 1.4 Giới thiệu vi điều khiển .6 1.4.1 Khái quát vi điêu khiển 1.4.2 Các vi điều khiển 1.5 Họ vi điều khiển 8051 1.5.1 Tóm tắt họ vi điều khiển 8051 1.5.2 Đặc tính vi điều khiển 8051 1.5.3 Sơ đồ khối họ 8051 .10 1.5.4 Thành viên họ vi điều khiển 8051 .10 1.6 Kết luận chương 12 i CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN CHÍNH SỬ DỤNG TRONG MẠCH 13 2.1 Vi điều khiển 89S52 13 2.1.1 Cấu hình 89S52 13 2.1.2 Sơ đồ chức chân 89S52 13 2.1.3 Tổ chức nhớ bên 89S52 .16 2.1.4 Kết nối với thiết bị ngoại vi đơn giản 19 2.2 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 21 2.2.1 Đặc điểm kỹ thuật DS18B20 21 2.2.2 Các bước trao đổi liệu vi điều khiển DS18b20 24 2.3 Cảm biến độ ẩm hs1101 26 2.3.1 Giới thiệu 26 2.3.2 Nguyên lý làm việc hs1101 26 2.4 IC 555 27 2.4.1 Giới thiệu 27 2.4.2 Chức 555 28 2.5 Tìm hiểu LCD 16x2 29 2.5.1 Giới thiệu LCD 16x2 29 2.5.2 Sơ đồ chân LCD 16x2 30 2.6 Kết luận chương 31 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH 32 3.1 Sơ đồ khối mạch 32 3.1.1 Khối vi điều khiển .32 3.1.2 Khối cảm biến .33 3.1.3 Khối hiển thị .35 3.2 Sơ đồ nguyên lý 36 3.3 Sơ đồ mạch in .37 3.4 Lưu đồ thuật toán 38 3.4.1 Lưu đồ toàn mạch .38 3.4.2 Lưu đồ đo nhiệt độ 39 3.4.3 Lưu đồ đo độ ẩm 40 3.5 Hình ảnh kết sản phẩm 42 ii 3.6 Kết luận chương 42 KẾT LUẬN .43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 PHỤ LỤC 45 iii LỜI CẢM ƠN Trong suốt q trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp này, em nhận hướng dẫn, giúp đỡ thầy cô, anh chị bạn Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu trường Đại học Vinh, khoa Điện Tử Viễn Thông Thầy, Cô giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt q trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp Đặc biệt, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TH.S Nguyễn Phúc Ngọc hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn động viên em suốt trình thực đồ án tốt nghiệp Cuối lời cảm ơn chân thành đến người thân toàn thể bạn bè giúp đỡ, động viên em suốt thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn! Nghệ An, tháng năm 2015 Sinh viên thực Lê Văn Đức iv LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, biến đổi khí hậu tồn cầu diễn ngày nghiêm trọng, gây ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe tài sản người Việc theo dõi nhiệt độ độ ẩm môi trường việc làm quan trọng cần thiết Vì vậy, em chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ độ ẩm hiển thị LCD” để làm đề tài tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu đề tài tìm hiểu cách tổng quan lý thuyết đo lường cảm biến, tìm hiểu vi điều khiển họ vi điều khiển 8051 Tính tốn, thiết kế chế tạo thành cơng mạch đo nhiệt độ độ ẩm môi trường, qua giúp người đưa giải pháp cụ thể để tránh hậu không mong muốn chúng gây Để thực đề tài em theo thực nhiệm vụ sau: Tìm hiểu lý thuyết đo lường, cảm biến, tổng quan vi điều khiển họ vi điều khiển 8051 Tìm hiểu cấu tạo, thơng số kỹ thuật, nguyên lý hoạt động, chức chân linh kiện sử dụng mạch Sử dụng thành thạo phần mềm mô mạch phần mềm lập trình cho vi điều khiển Đề tài thực phương pháp: Tìm hiểu qua sách, trang mạng internet, diễn đàn Cấu trúc đồ án phần mở đầu, kết luận, danh mục bảng biểu, hình vẽ, tài liệu tham khảo, nội dung đồ án trình bày chương:  Chương 1: Cơ sở lý thuyết  Chương 2: Các linh kiện sử dụng mạch  Chương 3: Thiết kế chế tạo mạch v TÓM TẮT ĐỒ ÁN Nội dung đồ án sâu vào tìm hiểu lý thuyết sở đo lường, tài liệu vi điều khiển AT89S52, cảm biến nhiệt độ DS18B20, cảm biến độ ẩm HS1101, nguyên lý hoạt động mạch đo nhiệt độ độ ẩm Dựa sở ta tính tốn thiết kế mạch đo nhiệt độ độ ẩm phần mềm mơ Sau tiến hành chế tạo mạch đo nhiệt độ độ ẩm thị lên LCD Sản phẩm có tính ổn định, giá rẻ có khả ứng dụng rộng rãi thực tế ABSTRACT Contents of this thesis is going into understanding the theoretical basis of measurement, the material about AT89S52 microcontroller, DS18B20 temperature sensor, humidity sensor HS1101, the principle of operation of the circuit temperature and humidity measurement Based on that basis we calculate and design the circuit temperature and humidity on the simulation software Then going to manufacture circuit measurement temperature and humidity LCD display It is stable, cheap and it can widely used in practice vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1 Các đặc tính 8051 Bảng 1.2 So sánh đặc tính thành viên họ 8051 11 Bảng 2.1 Chức chân port 14 Bảng 2.2 Bản đồ nhớ Data bên Chip 89S52 tổ chức sau: 16 Bảng 2.3 Nội dung dãy mã 64 bit nhớ ROM 23 Bảng 2.4 Bảng chức chân LCD 16x2 31 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối bên 8051 .10 Hình 2.1 Sơ đồ chân 89S52 13 Hình 2.2 Mạch reset 15 Hình 2.3 Mạch dao động 15 Hình 2.4 Giao tiếp với led đơn phím nhấn 19 Hình 2.5 Kết nối vi điều khiển với rơle 20 Hình 2.6 Kết nối vi điều khiển với LCD 21 Hình 2.7 Sơ đồ chân DS1820 .22 Hình 2.8 Hình ảnh HS1101 26 Hình 2.9 Sơ đồ ghép nối hs1101 vói IC 555 27 Hình 2.10 Hình ảnh IC 555 27 Hình 2.11 Sơ đồ chân IC 555 .28 Hình 2.12 Hình ảnh LCD 16x2 29 Hình 2.13 Sơ đồ chân LCD 16x2 30 Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch 32 Hình 3.2 khối vi điều khiển .32 Hình 3.3 Sơ đồ khối cảm biến nhiệt độ .33 Hình 3.4 Khối cảm biến độ ẩm 34 Hình 3.5 Khối hiển thị .35 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điện 36 Hình 3.7 Sơ đồ mạch in .37 Hình 3.8 Lưu đồ thuật tốn tồn mạch 38 Hình 3.9 Lưu đồ đo nhiệt độ .39 Hình 3.10 Lưu đồ đo độ ẩm 40 Hình 3.11 Hình ảnh kết sản phẩm .41 viii CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Một số định nghĩa Trong thực tế đời sống sản xuất, việc nắm bắt thông tin trình hoạt động hệ thống thiết bị vô quan trọng cần thiết Chỉ nắm bắt thơng số chúng, nói cách khác đánh giá định lượng chúng, làm chủ hồn tồn thiết bị hệ thống phương diện điều chỉnh, điều khiển Các thông số thường thể qua đại lượng vật lý đặc trưng tương ứng nhiệt độ, áp suất, độ ẩm… Vì vậy, khơng có cách khác phải có phương pháp tương ứng để đo lường giá trị đại lượng vật lý - Đo lường: trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết số so với đơn vị đo - Đo lường học: ngành kỹ thuật nghiên cứu phương pháp để đo đại lượng khác mẫu đơn vị đo - Kỹ thuật đo lường: ngành kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng thành đo lường học vào phục vụ sản xuất đời sống Cảm biến sản phẩm quan trọng kĩ thuật đo lường Các đại lượng vật lý cần đo cảm biến biến đổi thành đại lượng điện tương ứng đầu Đại lượng điện phản ánh thông tin cần thiết liên quan đến đại lượng cần đo - Cảm biến: thiết bị chịu tác động đại lượng cần đo Nó khơng có tính chất điện mà cho ta đặc trưng mang chất điện (điện tích, điện áp, dòng điện trở kháng…) ký hiệu s 1.2 Các thông số đặc trưng cảm biến 1.2.1 Độ nhạy cảm biến Thông thường người ta chế tạo cảm biến cho có liên hệ tuyến tính biến thiên đầu s biến thiên đầu vào m s = S * m (1.1) Trong S độ nhạy cảm biến, S = s m 3.2 Sơ đồ nguyên lý Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điện Nguyên lý hoạt động mạch: Để đo nhiệt độ độ ẩm ta phải dùng đến cảm biến nhiệt độ DS18B20 cảm biến độ ẩm HS1101 Khi ta cấp nguồn cho mạch cảm biến DS18B20 nhận thấy thay đổi nhiệt độ mơi trường đo lưu vào ghi scratchpad, vi điều khiển dùng lệnh đọc nhiệt độ lưu DS18B20 xử lý điều khiển LCD hiển thị nhiệt độ Cảm biến độ ẩm ghép nối với IC 555, độ ẩm thay đổi giá trị điện dung HS1101 thay đổi làm thay đổi tần số đầu IC 555 Vi điều khiển tính tốn tần số đầu 555 so sánh kết điều khiển cho LCD hiển thị giá trị độ ẩm 36 3.3 Sơ đồ mạch in Hình 3.7 Sơ đồ mạch in 37 3.4 Lưu đồ thuật toán 3.4.1 Lưu đồ toàn mạch Ngắt : Đếm xung Start chạy chương trình Ngắt Timer : Tạo chu kì tính hiển thị Khởi tạo : + LCD chế độ bít + DS18b20 +Timer ngắt ngồi Timer lặp 20 lần Chờ while(1) cuối CT Tính tốn, hiển thị LCD: + Nhiệt độ : Ds18b20 + Độ ẩm từ xung HS1101 kết hợp NE555 Hình 3.8 Lưu đồ thuật tốn tồn mạch 38 3.4.2 Lưu đồ đo nhiệt độ Khởi tạo DS18b20 , I=0 Thiết lập hàm : + Hàm ghi liệu vào ds18b20 + Hàm đọc liệu từ ds18b20 Thiết lập hàm xử lí đọc giá trị nhiệt độ từ ds18b20 Sai I 1)&0x01; LCD_D6=(Data>>2)&0x01; LCD_D7=(Data>>3)&0x01; } void LCD_SendCommand (unsigned char command ) { LCD_Send4Bit ( command >>4 ); /* Gui bit cao */ LCD_Enable () ; LCD_Send4Bit ( command ); /* Gui bit thap*/ LCD_Enable () ; } void LCD_Clear(void) { LCD_SendCommand(0x01); delay_ms(5); } void LCD_Init ( void ) { LCD_Send4Bit(0x00); delay_ms(20); LCD_RS=0; LCD_RW=0; LCD_Send4Bit(0x03); LCD_Enable(); delay_ms(5); LCD_Enable(); delay_us(100); LCD_Enable(); LCD_Send4Bit(0x02); LCD_Enable(); LCD_SendCommand( 0x28 ); LCD_SendCommand( 0x0c); LCD_SendCommand( 0x06 ); // giao thuc bit, hien thi hang, ki tu 5x8 // cho phep hien thi man hinh // tang ID, khong dich khung hinh 46 LCD_Clear(); // xoa toan bo khung hinh } void LCD_Gotoxy(unsigned char x, unsigned char y) // Ham dinh vi tri LCD { unsigned char address; if(!y)address = (0x80+x); // 0x80 dong cot else address = (0xC0+x); // 0xc0 dong cot delay_ms(1); LCD_SendCommand(address); delay_ms(5); } void LCD_PutChar ( unsigned char Data ) // Ham ghi du lieu len LCD { LCD_RS=1; LCD_SendCommand( Data ); LCD_RS=0; } void LCD_Puts (unsigned char *s) { while (*s) { LCD_PutChar(*s); s++; } } // Ham ghi chuoi ki tu len LCD // // Ham khoi tao DS18b20 // void DS18B20_Init() // Ham khoi tao ds18b20 { DQ = 1; delay_us(8); DQ = 0; delay_us(65); DQ = 1; delay_us(20); } // - 47 // Ham doc byte tu DS18b20 ngoai // unsigned char ds18b20_readbyte(void) // doc du lieu tu ds18b20 { unsigned char i = ; unsigned char Data = ; for (i = ; i > ; i ) // thu thuat lay tung bit goi du lieu bit { DQ = ; Data >>= ; DQ = ; if(DQ) Data |= 0x80 ; delay_us(4) ; } return (Data) ; } // // Ham viet byte vao DS18b20 // void ds18b20_writebyte(unsigned char Data) { unsigned char i = ; for (i = ; i > ; i ) // Thu thuat viet tung bit vào ds18b20 { DQ = ; DQ = Data&0x01 ; // dua bit thap vao truoc delay_us(5) ; DQ = ; Data>>=1 ; } } // // Ham chuyen doi va tra ve gia tri nhiet do duoc // float ds18b20_readtemp(void) { float temp; unsigned char a,b; DS18B20_Init(); Khoi tao DS18b20 ds18b20_writebyte(0xCC) ; truy cap thang den cac lenh bo nho cua DS18b20 48 // // Cho phep VDK ds18b20_writebyte(0x44) ; trinh va chuyen doi nhiet so nhi phan DS18B20_Init() ; ds18b20_writebyte(0xCC) ; ds18b20_writebyte(0xBE) ; lieu tu bo nho DS18b20 ngoai // Khoi dong qua // Cho phep doc du a = ds18b20_readbyte(); temp=((float)(a&0x0f))/16; // Lay phan thuc cua gia tri nhiet b = ds18b20_readbyte(); a =((a&0xf0)>>4)|((b&0x0f)