ĐỒ án THIẾT kế II đề tài THIẾT kế và CHẾ tạo MẠCH đo NHIỆT độ sử DỤNG cảm BIẾN TƯƠNG tự

Em nhận thấy đề tài này rấthữu ích và thiết thực, vì hiện nay, việc đo nhiệt độ rất quan trọng, giúp con người chủđộng điều chỉnh được các kế hoạch học tập, làm việc cho phù hợp, hiệu qu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội, tháng 1-2021

Nhận xét

Ngày: … / … / 20…

Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, tại Việt Nam, ngành điện tử viễn thông đang ngày càng phát triển và đạtđược nhiều thành tựu mới Đặc biệt, trong quá trình phát triển đó, sự hoàn thiện về vimạch ngày càng được chú trọng, vì vi mạch ngày càng được ứng dụng nhiều trong cácthiết bị điện tử thông minh, các thiết bị IoT… Chính vì lí do đó, việc tìm hiểu và thựchành về vi mạch cho sinh viên ngành điện tử - viễn thông ngày càng được chú trọnghơn bao giờ hết

Là sinh viên viện Điện tử - Viễn thông của đại học Bách Khoa Hà Nội, chúng emrất tự hào vì truyền thống và những thành tựu mà viện đã đạt được Không những thế,viện Điện tử - Viễn thông luôn tạo điều kiện cho chúng em được thiết kế, chế tạo cácsản phẩm liên quan đến vi mạch từ rất sớm Đây là một điều kiện thiết thực để sinhviên chúng em khi ra trường có kiến thức chuyên môn tốt

Trong đó, học phần Đồ án thiết kế II là một học phần mà chúng em được trực tiếpthiết kế và chế tạo một sản phẩm về mạch điện tử Sản phẩm em lựa chọn là “Thiết kế

và chế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến tương tự” Em nhận thấy đề tài này rấthữu ích và thiết thực, vì hiện nay, việc đo nhiệt độ rất quan trọng, giúp con người chủđộng điều chỉnh được các kế hoạch học tập, làm việc cho phù hợp, hiệu quả

Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy (TS Đặng Khánh Hòa), người đã trực tiếphướng dẫn, chỉ bảo cho em để hoàn thiện sản phẩm này Trong quá trình thực hiện Đồ

án, mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc hẳn sẽ không tránh khỏi những sai lầm Em rấtmong nhận được ý kiến đóng góp để sản phẩm ngày càng hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Hoàng Bích Phượng, mã số sinh viên 20172763, sinh viên lớp ĐTVT.11,

khóa 62 Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong đồ án Thiết kế và chế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến tương tự là kết quả quá trình tìm hiểu

và nghiên cứu của tôi Các dữ liệu được nêu trong đồ án là hoàn toàn trung thực,phản ánh đúng kết quả đo đạc thực tế Mọi thông tin trích dẫn đều tuân thủ các quyđịnh về sở hữu trí tuệ; các tài liệu tham khảo được liệt kê rõ ràng Tôi xin chịu hoàntoàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong đồ án này

Hà nội, ngày 20 tháng 01 năm2021

Người cam đoan

Hoàng Bích Phượng

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ i

TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích 1

1.3 Phương pháp 1

1.4 Kết luận chương 2

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 Tổng quan về vi điều khiển AVR 3

1.2 Phân loại vi điều khiển AVR 4

1.3 Nhiệt độ 4

1.3.1 Khái niệm 4

1.3.2 Các thang đo nhiệt độ 5

1.3.3 Phương pháp đo nhiệt độ 6

1.4 Các thành phần trong mạch 6

1.4.1 Atmega16 6

1.4.2 Cảm biến nhiệt độ LM35 8

1.4.3 LCD1602 10

1.5 Chuyển đổi ADC trên AVR 12

1.5.1 Chuyển đổi ADC trên AVR 12

1.5.2 Độ phân giải 13

1.5.3 Điện áp tham chiếu 13

1.6 Kết luận chương 14

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ SẢN PHẨM 15

2.1 Tổng quan 15

2.2 Sơ đồ khối và chức năng 15

2.2.1 Sơ đồ khối 15

2.2.2 Mạch nguyên lý 16

2.3 Mạch in và sản phẩm thực tế 20

2.3.1 Mạch in 20

2.3.2 Hình ảnh sản phẩm hoàn thiện 21

2.4 Thiết kế phần mềm 22

2.4.1 Phần mềm Microchip Studio 7 22

2.4.2 Phần mềm nạp mã máy Prosig 25

2.4.3 Xây dựng công thức tính nhiệt độ 27

2.5 Kiểm thử và đánh giá 28

2.5.1 Kiểm thử 28

2.5.2 Đánh giá 28

2.6 Kết luận chương 28

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

PHỤ LỤC 31

Phụ lục 1 Chương trình chính: 31

Phụ lục 2 Chương trình con: 31

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Thang đo nhiệt độ 5

Hình 1 2 Chuyển đổi 6

Hình 1 3 Atmega16 trong thực tế 7

Hình 1 4 Sơ đồ chân atmega 16 8

Hình 1 5 Sơ đồ chân LM35 9

Hình 1 6 LM35 trong thực tế 9

Hình 1 7 LCD 1602 10

Hình 1 8 LCD1602 trong thực tế 11

Hình 1 9 Tạo nguồn AVCC từ VCC 12

Hình 1 10 Analog và digital của hàm sin 13

YHình 2 1 Sơ đồ khối 15

Hình 2 2 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống 16

Hình 2 3 Khối nguồn 16

Hình 2 4 Khối xử lý trung tâm 17

Hình 2 5 Khối LCD 18

Hình 2 6 Khối nạp chip 18

Hình 2 7 Mạch nạp ISP AVR 19

Hình 2 8 Khối UART 19

Hình 2 9 Khối led đơn 19

Hình 2 10 Khối led 7 thanh 20

Hình 2 11 Mạch in 20

Hình 2 12 Mạch 3D 21

Hình 2 13 Hình ảnh sản phẩm hoàn thiện 21

Hình 2 14 Giao diện phần mềm microchip studio 7 22

Hình 2 15 Giao diện welcome to microchip studio 7 22

Hình 2 16 Tạo mới project 23

Hình 2 17 Tạo project bằng ngôn ngữ C 24

Hình 2 18 Chọn chip mô phỏng 24

Hình 2 19 Build chương trình 25

Hình 2 20 Giao diện Prosig 25

Hình 2 21 Fuse&Lock 26

Hình 2 22 Chọn file hex và nạp chương trình 26

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Quy đổi điện áp, ADC, nhiệt độ………

27

Bảng 2 2 Test l n 1 lúc 18h ngày 19/01/2021……… ………28ầầ

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Nội dung chính của đề tài là trình bày các vấn đề liên quan đến vi điều khiển AVR,

về cảm biến tương tự LM35, ứng dụng của vi điều khiển trong việc một mô hình thực

tế Cụ thể:

Chương 1: Giới thiệu về phần lý thuyết, các vấn đề liên quan đến vi điều khiển AVR,cảm biến tương tự LM35, các thành phần để có thể tạo lên một mạch đo nhiệt độ thựctế

Chương 2: Trình bày về các bước trong quá trình thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ sửdụng cảm biến tương tự

PHẦN MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, đo lường là một yếu tố quan trọng trong nền công nghiệp và nôngnghiệp Nếu thiếu đo lường, những người kĩ sư không thể có được cái nhìn chính xácđến các hiện tượng, đồng thời gây ra sai lệch và những kết quả không như mong đợitrong nghiên cứu

Trong hệ đơn vị SI (International System Unit) có sáu đại lượng vật lý cơ bản vànhiệt độ là một trong số đó Sự thay đổi nhiệt độ chỉ ra một cách rõ ràng những gì xảy

ra trong hiện tượng, hoặc những chi tiết cơ học chúng ta quan sát được Việc đo nhiệt

độ cũng ngày trở lên dễ ràng và đa dạng, từ một chiếc nhiệt kế đơn giản đến những hệthống nhúng điện tử thông minh

Là một sinh viên trường đại học Bách Khoa Hà Nội với những kiến thức đã đượchọc cùng với mong muốn tạo ra một sản phẩm thiết thực, có thể giúp ích cho cuộcsống, cùng với sự hướng dẫn của các thầy trong viện Điện tử- Truyền thông, do vậy

em đã chọn đề tài:‘‘ Thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến tương tự” là đề tài thực hiện học phần Đồ án thiết kế II.

1.2 Mục đích

Đề tài được thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức đã học để tạo ra mộtsản phẩm đo được nhiệt độ với với các chức năng cũng như ưu điểm:

 Đo được nhiệt độ với độ chính xác cao

 Dễ dàng theo dõi trên màn hình LCD

 Sử dụng đơn giản, tiết kiệm thời gian

 Nhỏ gọn, sản phẩm có tuổi thọ cao

 Giá thành vừa phải

1.3 Phương pháp

Trong khi thực hiện đề tài này, em đã sử dụng các phương pháp:

 Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin trên internet

 Phương pháp quan sát: quan sát một số phương pháp, sản phẩm đo nhiệt độ sửdụng những cảm biến tương tự khác

 Phương pháp thực nghiệm: xem xét một số công nghệ đã được áp dụng để rútkinh nghiệm

1.4 Kết luận chương

Chương mở đầu chủ yếu giới thiệu qua về đề tài Đề tài tuy còn mới lạ cũng như

có khá ít người thực hiện, nhưng đây là một đề tài tiềm năng có thể phát triển sau này

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này đề cập đến cơ sở lý thuyết về nhiệt độ, vi điều khiển AVR, các thànhphần trong mạch

1.1 Tổng quan về vi điều khiển AVR

Họ vi điều khiển AVR là dòng sản phẩm được phát triển bởi hảng Atmel (1996), nóđược chế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC (Reduced Instruction Set Computer) đồngthời AVR là một trong những họ vi điều khiển đầu tiên sử dụng bộ nhớ Flash để lưutrữ chương trình Có thể thấy rằng trong những năm gần đây Atmel đã trở thành nhàtiên phong trên thế giới về phát triển kỹ thuật bộ nhớ Flash (không biến đổi, có thể xóabằng điện và lập trình lại bộ nhớ, Họ AVR thường được sử dụng trong các sản phẩmnhư Camera số, board chủ PC…)

Vi điều khiển Atmega AVR có công suất cao, tiêu thụ năng lượng thấp, cấu trúcRISC tiến với 130 lệnh với chu kỳ thực hiện đơn xung lớn nhất, 32 thanh ghi đa mụcđích 8 bít, 16 MIPS tại tần số đặt 16 MHz, bộ nhân 2 chu kỳ On-chip, Power-on Reset

và Brown-out Detection có thể lập trình, bộ dao động RC bên trong có thể lập trình cácmức, 5 Mode ngủ (Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down và Standby),

có khả năng Reset khi bật nguồn, khả năng dò lỗi Brown out lập trình được, có nguồnngắt trong và ngắt ngoài

Cốt lõi của AVR là sự kết hợp các câu lệnh phong phú với 32 thanh ghi đa mụcđích Tất cả 32 thanh ghi đều trực tiếp kết nối tới bộ xử lý logíc số học - ArithmeticLogic Unit (ALU), cho phép truy nhập 2 thanh ghi độc lập trong một câu lệnh đơnđược thực hiện trong một chu kỳ xung Kết quả của cấu trúc trở nên gọn nhẹ, hiệu quảhơn, trong khi vẫn đạt được thời gian xử lý nhanh hơn gấp 10 lần các vi điều khiểnCISC thông thường khác

8K byte Flash trên chíp có thể lập trình với các khả năng đọc trong khi ghi While-Write), 512 byte EEPROM, 1K byte SRAM, 23 đường vào ra đa mục đích, 32thanh ghi đa mục đích, 3 Timer/Counter rất linh hoạt với các compare mode, các ngắttrong và ngắt ngoài, một bộ USART nối tiếp có thể lập trình được, ghép nối nối tiếp 2dây định hướng byte, 6 kênh ADC (8 kênh với loại TQFP và MLF packages) trong đó

(Read-4 (hoặc 6) kênh có độ chính xác 10-bit và 2 kênh có độ chính xác 8-bit, WatchdogTimer có thể lập trình được với bộ dao động bên trong, một cổng nối tiếp SPI và 5mode tiết kiệm năng lượng có thể lựa chọn mềm

Idle mode dừng CPU trong khi vẫn cho phép SRAM, Timer/Counters, cổng SPI,

và hệ thống ngắt tiếp tục chức năng của chúng

Power-down mode tiết kiệm nội dung thanh ghi, nhưng hạn định bộ dao động,không cho phép tất cả các chức năng khác của chíp được hoạt động cho đến khi ngắttiếp theo hoặc Reset phần cứng xuất hiện.

Trong Power-save mode, timer không đồng bộ tiếp tục chạy, cho phép sử dụng đểduy trì thời gian nền, trong khi các phần còn lại của thiết bị được ngủ

ADC Noise Reduction mode dừng CPU và tất các module I/O ngoại trừ timerkhông đồng bộ và ADC để tối thiểu hóa nhiễu mạch trong suốt quá trình ADC trongchuyển đổi

Trong Standby mode, bộ dao động thạch anh/ resonator được phép chạy trong khicác phần còn lại của thiết bị được ngủ Điều này cho phép start-up rất nhanh cùng vớihiệu quả tiêu thụ ít năng lượng

Thiết bị được sản suất áp dụng công nghệ tích hợp bộ nhớ non-volatile cao củaAtmel Bộ nhớ chương trình Flash này có thể lập trình thông qua ghép nối tiếp SPIbằng chương trình lập trình bộ nhớ non-volatile riêng, hoặc bằng một chương trìnhboot on – chip, chạy trong AVR core Chương trình boot có thể sử dụng bất kỳ mộtghép nối nào để download chương trình ứng dụng trong bộ nhớ Flash Phần mềmtrong Boot Flash sẽ tiếp tục chạy trong khi các phần sử dụng Flash vẫn được update,

hỗ trợ cho hoạt động đọc trong khi ghi (Read-While-Write)

1.2 Phân loại vi điều khiển AVR

 XMEGA — the ATxmega series: là dòng MCU mạnh mẽ nhất hiện nay

 Các dòng AVR32: hiện tại chưa thấy bán trên thị trường tuy nhiên đây là dòngvđk 32bit khá mạch với nhiều tính năng mới :Tích hợp USB , công nghệ xử lýtiếng nói (AC97) , tích hợp bộ RTC -thời gian thực , thêm giao thức ethernet

1.3 Nhiệt độ

1.3.1 Khái niệm

Nhiệt độ là một đại lượng vật lý đặc trưng cho sự nóng và lạnh của một vật (hệvật) trong hệ quy chiếu mà ta chọn

1.3.2 Các thang đo nhiệt độ

Hình 1 1 Thang đo nhiệt độ

 Fahrenheit

Độ Fahrenheit được nghĩ ra vào đầu thế kỉ 18 Trên thang đo này, điểm băng là 32o

và điểm hơi nước là 212o Những con số này phát sinh bởi vì Fahrenheit không sửdụng điểm băng và điểm hơi nước cố định mà chọn một hỗn hợp băng/muối làm điểmmốc dưới mà ông gán cho giá trị 0o, và nhiệt độ cơ thể người được gán cho giá trị 96o Thang đo Fahrenheit thỉnh thoảng vẫn được sử dụng trên bản tin thời tiết ở Mĩ, còntrong khoa học thì nó đã thuộc về lịch sử

 Celsius

Vào năm 1742, nhà thiên văn học người Thụy Điển Anders Celsius đề xuất mộtthang đo nhiệt độ trong đó băng tan ở 0o và nước sôi ở 100o Thang Celsius được sửdụng rộng rãi, thỉnh thoảng được gọi là thang bách phân vì có 100 độ chia giữa haiđiểm cố định đã nói Nhiệt độ trên thang đo này được cho theo “độ Celsius”, oC Một nhược điểm của thang Celsius là nhiệt độ thấp hơn điểm đóng băng là âm

 Kelvin

Vào năm 1848, nhà vật lí William Thomson (sau này là huân tước Kelvin) đề xuấtmột thang đo nhiệt độ bắt đầu tại nhiệt độ thấp nhất có thể có trên lí thuyết, độ khôngtuyệt đối Thang đo này được gọi là nhiệt giai tuyệt đối hay nhiệt giai Kelvin Các độchia trên thang đo này được gọi là kelvin và được kí hiệu là K (không phải oK) Một

độ chia kelvin bằng cỡ với một độ chia Celsius, tức là 1 K = 1oC

Hình 1 2 Chuyển đổi

1.3.3 Phương pháp đo nhiệt độ

 Đo trực tiếp: tính chất vật lý chung của nhiệt độ là truyền từ vật nóng sang vậtlạnh hơn Lợi dụng tính chất này cho tiếp xúc nhiệt kế vào vật cần đo, số chỉcủa nhiệt kế sẽ là chỉ số nhiệt độ của vật

 Đo gián tiếp: phương pháp đo bằng quang phổ, căn cứ vào màu sắc vật phát ra

sẽ cho biết nhiệt độ của vật

Vi điều khiển Atmega16 thực hiện hướng dẫn trong một chu kỳ đồng hồ duy nhất,

AVR Atmega16 so với các chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR có nhiều đặc tínhhơn hẳn, hơn cả trong tính ứng dụng (dễ sử dụng) và đặc biệt là về chức năng:

Gần như chúng ta không cần mắc thêm bất kỳ linh kiện phụ nào khi sử dụng AVR,thậm chí không cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường là các khối thạch anh) Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR rất đơn giản, có loại mạch nạp chỉ cần vàiđiện trở là có thể làm được một số AVR còn hỗ trợ lập trình on – chip bằng bootloaderkhông cần mạch nạp…

Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR được thiết kế tương thích C

Nguồn tài nguyên về source code, tài liệu, application note…rất lớn trên internet

Hình 1 4 Sơ đồ chân atmega 16

1.4.2 Cảm biến nhiệt độ LM35

1.4.2.1 Giới thiệu

Cảm Biến Nhiệt Độ LM35 được sản xuất bởi hãng national Semiconductor dải đo

từ 0 Độ đến 100 độ C LM35 là cảm biến tiêu hao điện năng thấp sử dụng điện áp 5V.Cảm biến gồm có 3 chân, 2 chân nguồn, 1 chân tín hiệu ra dạng Analog

Chân dữ liệu của LM35 là chân ngõ ra điện áp dạng tuyến tính Chân số 2 cảmbiến xuất ra cứ 1mV = 0.1°C (10mV = 1°C) Để lấy dữ liệu ở dạng °C chỉ cần lấy điện

áp trên chân OUT đem chia cho 10

Chân 1 cấp điện áp 5V, chân 3 cấp GND, chân 2 là chân OUTPUT dữ liệu dạngđiện áp

1.4.2.2 Thông số kỹ thuật

 Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

 Điện áp ra: -1V đến 6V

 Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

 Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài khoảng -55°C tới150°C

Hình 1 5 Sơ đồ chân LM35

Hình 1 6 LM35 trong thực tế

1.4.3 LCD1602

1.4.3.1 Giới thiệu

Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) được sử dụng trongrất nhiều các ứng dụng của VĐK LCD 1602 có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiểnthị khác như: khả năng hiển thị kí tự đa dạng (chữ, số, kí tự đồ họa); dễ dàng đưa vàomạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn rất ít tài nguyên hệthống, giá thành rẻ,…

1.4.3.2 Thông số kĩ thuật của sản phẩm LCD 1602:

1.4.3.3 Chức năng của từng chân LCD 1602

-Chân số 1 - VSS : chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch điều khiển -Chân số 2 - VDD : chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC=5V của mạch

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này đề cập đến cơ sở lý thuyết về nhiệt độ, vi điều khiển AVR, các thành phần trong mạch.

1.1 Tổng quan về vi điều khiển AVR

Họ vi điều khiển AVR là dòng sản phẩm được phát triển bởi hảng Atmel (1996), nó được chế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC (Reduced Instruction Set Computer) đồng thời AVR là một trong những họ vi điều khiển đầu tiên sử dụng bộ nhớ Flash để lưu