Thiết kế bộ đo nhiệt độ hiển thị bằng led 7 đoạn và trên PC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Đề tài Thiết kế bộ đo nhiệt độ hiển thị bằng led 7 đoạn và trên PC Đề tài nâng cao Khóa điện tử sử dụng mật mã BÁO CÁO MÔN VI XỬ LÝ & VI ĐIỀU KHIỂN Thà[.]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Đề tài:

Thiết kế bộ đo nhiệt độ hiển thị bằng led 7 đoạn và

trên PC

Đề tài nâng cao:

Khóa điện tử sử dụng mật mã

BÁO CÁO MÔN : VI XỬ LÝ & VI ĐIỀU KHIỂN

Thành viên nhóm:

Nguyễn Thế Khôi -19021067

Đỗ Đức Thanh Lâm -19021071

Giảng viên hướng dẫn : Thầy Phạm Mạnh Thắng

Hà Nội – 2022

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3

1.1 Đặt vấn đề 3

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.3 Phương pháp nghiên cứu 3

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1 IC cảm biến nhiệt độ LM35 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Cấu tạo 4

1.3 Đặc điểm 4

2 Arduino 5

2.1 Giới thiệu chung 5

2.2 Cấu tạo Arduino 6

2.3 Ứng dụng Arduino 6

3 Atmega16 6

3.1 Giới thiệu về Atmega16 6

3.2 Cấu tạo 7

3.3 Ứng dụng 10

4.L ed 7 đoạn 10

5 LCD Display 11

6 Relay 11

7 Keypad 12

Chương 3 Mô phỏng và kết quả 12

3.1 Thiết kế bộ đo nhiệt độ hiển thị bằng led 7 đoạn và trên PC 12

3.2 Khóa điện tử sử dụng mật mã 14

Chương 4 TỔNG KẾT 17

4.1 Kết luận 17

4.2 Phát triển ý tưởng 17

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày Một trong những ứng dụng rất quan trọng của ngành công nghệ điện tử là nhận biết nhiệt độ với Atmega16 và LM35 Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em đã thiết kế và thực hiện đề tài : “Thiết kế bộ đo nhiệt

độ hiển thị bằng led 7 đoạn và trên PC”

Về đề tài mở rộng, để gia tăng sự an toàn cho các loại khoá thông thường, chúng

em đã nghiên cứu đề tài Khóa điện tử sử dụng mật mã Bằng việc sử dụng Arduino chúng em đã làm ra được khóa điện tử đơn giản, tiện lợi để sử dụng

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

-Thực hiện các kiến thức đã học ở trường, nâng cao kiến thức của bản

thân

-Sử dụng Arduino và Atmega16 trên sản phẩm

-Nhận biết nhiệt độ và đưa ra thông báo qua led 7 đoạn

-Mở cửa khoá điện tử bằng mật mã, nhận biết qua LCD Display

1.3 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết của đề tài

- Đọc hiểu các tài liệu liên quan đến đề tài

- Thảo luận nhóm để thống nhất ý kiến

- Thiết kế phần mềm

- Thực nghiệm và kiểm chứng sản phẩm

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 IC cảm biến nhiệt độ LM35

1.1 Giới thiệu chung

Cảm biến nhiệt độ LM35 là một loại cảm biến tương tự rất hay được ứng dụng trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực Vì nó hoạt động khá chính xác với sai

số nhỏ, đồng thời với kích thước nhỏ và giá thành rẻ là một trong những ưu điểm của

nó Vì đây là cảm biến tương tự (analog sensor) nên ta có thể dễ dàng đọc được giá trị của nó

Hình minh họa cảm biến LM35

1.2 Cấu tạo

Gồm 3 chân trong đó có 2 chân cấp nguồn và một chân xuất điện áp tùy theo nhiệt độ mà cảm biến nhận được

- Chân 1: Chân nguồn Vcc

- Chân 2: Đầu ra Vout

- Chân 3: GND

1.3 Đặc điểm

- Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

- Độ chính xác cao ở 25 là 0.5

- Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

- Tầm hoạt động tuyến tính 0 °C đến 128 °C, tiêu hao công suất thấp

- Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 0C đến 1500C với các mức điện áp ra khác nhau Xét một số mức điện áp sau :

+ Nhiệt độ -5 °Cđiện áp đầu ra -550mV

+ Nhiệt độ 25 °Cđiện áp đầu ra 250mV

+ Nhiệt độ 150°C điện áp đầu ra 1500mV

- Cảm biến nhiệt LM35 có vai trò đo nhiệt độ môi trường , sau đó truyền tín hiệu

đo được cho Arduino dưới dạng điện áp , nhiệt độ tăng hay giảm 1 °C thì LM35 cũng tăng hay giảm 10mV theo 1°C

- LM35 có 3 chân

+ 1 chân cấp nguồn từ 4v-20v

+ 1 chân GND

+ 1 chân xuất điện áp ra tùy theo nhiệt độ

- Dòng LM35 là dòng mạch tích hợp cảm biến chính xác nhiệt độ, có điện áp ra tỉ

lệ thuận theo nhiệt độ Trở kháng của LM35 thấp , đầu ra tuyến tính và hiệu chỉnh chuẩn xác giúp đọc và kiểm soát mạch dễ dàng LM35 sử dùng nguồn 1 chiều , nhiệt

độ mạch tăng rất ít, thấp hơn 0,1 độ C trong không khi

2 Arduino

2.1 Giới thiệu chung

Arduino là một bo mạch vi điều khiển do một nhóm giáo sư và sinh viên nước Ý thiết kế và đưa ra đầu tiên vào năm 2005 Mạch Arduino được sử dụng để cảm nhận và điều khiển nhiều đối tượng khác nhau Nó có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ lấy tín hiệu

từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, và nhiều đối tượng khác Ngoài ra mạch còn

có khả năng liên kết với nhiều module khác nhau như module đọc thẻ từ, ethernet shield, sim900A, ….để tăng khả ứng dụng của mạch

Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử

lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM, Atmel 32-bit,… Hiện phần cứng của Arduino có tất

cả 6 phiên bản, Tuy nhiên phiên bản thường được sử dụng nhiều nhất là Arduino Uno

và Arduino Mega

Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino là phần mềm IDE

2.2 Cấu tạo Arduino

Hình 2.2 Cấu tạo của Arduino

2.3 Ứng dụng Arduino

Arduino có nhiều ứng dụng trong đời sống, trong việc chế tạo các thiết bị điện tử chất lượng cao Một số ứng dụng có thể kể đến như:

+ Lập trình robot: Arduino chính là một phần quan trọng trong trung tâm xử lí giúp điều khiển được hoạt động của robot

Lập trình máy bay không người lái Có thể nói đây là ứng dụng có nhiều kì vọng trong tương lai

+ Game tương tác: chúng ta có thể dùng Arduino để tương tác với Joystick, màn hình,… để chơi các trò như Tetrix, phá gạch, Mario… và nhiều game rất sáng tạo nữa + Arduino điều khiển thiết bị ánh sáng cảm biến tốt Là một trong những bộ phần quan trọng trong cây đèn giao thông, các hiệu ứng đèn nháy được cài đặt làm nổi bật các biển quảng cáo

+ Arduino cũng được ứng dụng trong máy in 3D và nhiều ứng dụng khác tùy thuộc vào khả năng sáng tạo của người sử dụng

3 Atmega16

3.1 Giới thiệu về Atmega16

Atmega16 là bộ vi điều khiển công suất thấp 40 chân được phát triển bằng công nghệ CMOS.Atmega16 là bộ điều khiển 8-bit dựa trên kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computing) tiên tiến AVR AVR là dòng vi điều khiển được Atmel phát triển vào năm 1996

Nó là một máy tính chip đơn đi kèm với CPU, ROM, RAM, EEPROM, bộ định thời,

bộ đếm, ADC và bốn cổng 8-bit được gọi là PORTA, PORTB, PORTC, PORTD trong

đó mỗi cổng bao gồm 8 chân I / O

Atmega16 có các thanh ghi tích hợp được sử dụng để tạo kết nối giữa CPU và các thiết

bị ngoại vi bên ngoài CPU không có kết nối trực tiếp với các thiết bị bên ngoài Nó có thể nhận đầu vào bằng cách đọc thanh ghi và đưa ra đầu ra bằng cách ghi thanh ghi Atmega16 đi kèm với hai bộ định thời 8 bit và một bộ định thời 16 bit Tất cả các bộ định thời này có thể được sử dụng làm bộ đếm khi chúng được tối ưu hóa để đếm tín hiệu bên ngoài

Atmega16 đi kèm với 1KB RAM tĩnh là một bộ nhớ dễ bay hơi, tức là lưu trữ thông tin trong thời gian ngắn và phụ thuộc nhiều vào nguồn điện liên tục Trong khi đó 16KB bộ nhớ flash, còn được gọi là ROM, cũng được tích hợp trong thiết bị với bản chất không bay hơi và có thể lưu trữ thông tin trong thời gian dài và không bị mất bất

kỳ thông tin nào khi nguồn điện bị ngắt

Atmega16 hoạt động trên tần số tối đa 16MHz, các lệnh được thực hiện trong một chu

kỳ máy

3.2 Cấu tạo

Kiến trúc của Atmega16 dựa trên Kiến trúc Harvard và đi kèm với các bus và bộ nhớ riêng biệt Các lệnh được lưu trữ trong bộ nhớ chương trình

1 CPU

CPU giống như bộ não của vi điều khiển giúp thực hiện một số lệnh Nó có thể xử lý các ngắt, thực hiện các phép tính và điều khiển các thiết bị ngoại vi với sự trợ giúp của các thanh ghi Atmega16 đi kèm với hai bus gọi là bus hướng dẫn và bus dữ liệu CPU đọc lệnh trong bus hướng dẫn trong khi bus dữ liệu được sử dụng để đọc hoặc ghi dữ liệu tương ứng CPU chủ yếu bao gồm bộ đếm chương trình, các thanh ghi mục đích chung, stack pointer, thanh ghi lệnh và bộ giải mã lệnh

2 ROM

Chương trình điều khiển được lưu trữ trong ROM, còn được gọi là bộ nhớ flash lập trình không bay hơi Bộ nhớ flash có độ phân giải ít nhất 10.000 chu kỳ ghi / xóa Bộ nhớ flash chủ yếu được chia thành hai phần được gọi là phần flash ứng dụng và phần flash booth Chương trình của bộ điều khiển được lưu trữ trong phần flash ứng dụng Trong khi phần flash booth được tối ưu hóa để hoạt động trực tiếp khi bộ điều khiển được bật nguồn

3 RAM

SRAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh) được sử dụng để lưu trữ thông tin tạm thời

và đi kèm với các thanh ghi 8-bit, giống như một RAM máy tính thông thường được

sử dụng để cung cấp dữ liệu thông qua thời gian chạy

4 EEPROM

EEPROM (Bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa bằng điện tử) là bộ nhớ không thay đổi được sử dụng như một bộ lưu trữ thời gian dài Nó không liên quan đến việc thực thi chương trình chính Nó được sử dụng để lưu trữ cấu hình của hệ thống và các thông số thiết bị tiếp tục hoạt động trong thiết lập lại bộ xử lý ứng dụng EEPROM đi kèm với chu kỳ ghi giới hạn lên đến 100.000 trong khi chu kỳ đọc là không giới hạn Trong khi sử dụng EEPROM, hãy viết các lệnh tối thiểu theo yêu cầu, để bạn có thể nhận được lợi ích từ bộ nhớ này trong thời gian dài hơn

5 Ngắt

Ngắt được sử dụng cho trường hợp khẩn cấp đặt chức năng chính ở trạng thái chờ và thực hiện các lệnh cần thiết tại thời điểm đó Khi ngắt được gọi và thực thi, mã sẽ chuyển trở lại chương trình chính

6 Module I / O analog và kỹ thuật số

Module I / O kỹ thuật số được sử dụng để thiết lập giao tiếp kỹ thuật số giữa bộ điều khiển và các thiết bị bên ngoài Trong khi module I / O analog được sử dụng để truyền thông tin analog Bộ so sánh analog và ADC thuộc loại module I / O analog

7 Bộ định thời / Bộ đếm

Bộ định thời được sử dụng để tính toán tín hiệu bên trong bộ điều khiển Atmega16 đi kèm với hai bộ định thời 8 bit và một bộ định thời 16 bit Tất cả bộ định thời này hoạt động như một bộ đếm khi chúng được tối ưu hóa cho các tín hiệu bên ngoài

8 Watchdog timer

Watchdog timer là một bổ sung đáng chú ý trong bộ điều khiển này được sử dụng để tạo ngắt và đặt lại bộ định thời Nó đi kèm với nguồn CLK riêng biệt 128kHz

9 Giao tiếp nối tiếp

Atmega16 đi kèm với các đơn vị USART và SPI được sử dụng để phát triển giao tiếp nối tiếp với các thiết bị bên ngoài

Hình 2.3 Cấu tạo của Atmega16

Atmega16 có 40 chân, mỗi chân được sử dụng để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể,

có tổng cộng 32 chân I / O và bốn cổng, mỗi cổng bao gồm 8 chân I / O

PORTA = 8 chân (Chân 33-40)

PORTB = 8 chân (Chân 1-8)

PORTC = 8 chân (Chân 22-29)

PORTD = 8 chân (Chân 14-21)

Sau đây là các chức năng chính liên quan đến các chân

PORTA: Các chân từ 33 đến 40 thuộc PORTA Nó hoạt động giống như đầu vào analog cho bộ chuyển đổi A / D Tuy nhiên, trong trường hợp không có bộ chuyển đổi

A / D, PORTA được sử dụng làm cổng I / O hai chiều 8 bit Nó đi kèm với điện trở kéo bên trong

PORTB: Các chân từ 1 đến 8 thuộc về PORTB Đây là các chân hai chiều I / O Cổng này cũng bao gồm các điện trở kéo lên bên trong

PORTC: PORTC là cổng I / O hai chiều bao gồm 8 chân Chân từ 22 đến 29 thuộc về cổng này, tương tự như các cổng khác, nó đi kèm với điện trở kéo bên trong

PORTD: Chân từ 14 đến 21 thuộc về cổng này Đây là cổng hai chiều trong đó mỗi chân có thể được sử dụng làm chân đầu vào hoặc đầu ra Tuy nhiên, có các tính năng

bổ sung liên quan đến cổng này như ngắt, giao tiếp nối tiếp, bộ hẹn giờ và PWM

Reset: Chân 9 là chân reset mức thấp đang hoạt động Xung mức thấp dài hơn độ dài xung tối thiểu sẽ tạo ra reset Các xung ngắn không có khả năng tạo ra reset

VCC: Chân 10 là chân cấp nguồn cho bộ điều khiển này Nguồn điện của cần phải có

5 V để đặt bộ điều khiển này trong điều kiện đang chạy

GND: Chân 11 là chân nối đất

AREF: Chân 32 là chân tham chiếu tương tự chủ yếu được sử dụng cho bộ chuyển đổi

A / D

AVCC: Chân 30 là AVCC là chân điện áp cung cấp cho PORTA và ADC Nó được kết nối với VCC thông qua bộ lọc thông thấp khi có ADC Tuy nhiên, trong trường hợp không có ADC, AVCC được kết nối bên ngoài với VCC

Chân 12 & 13: Một bộ dao động tinh thể được kết nối với các chân này Atmega16 hoạt động ở tần số bên trong 1MHZ; bộ dao động được thêm vào để tạo ra xung clock

và tần số cao

3.3 Ứng dụng

 Bộ điều khiển AVR đi kèm với một loạt các ứng dụng cần tự động hóa Sau đây là các ứng dụng chính của Atmega16

 Thiết bị y tế

 Tự động hóa nhà

 Những hệ thống nhúng

 Project Arduino

 Được sử dụng trong ô tô và tự động hóa công nghiệp

 Thiết bị gia dụng và hệ thống an ninh

 Thiết bị kiểm soát nhiệt độ và áp suất

4 Led 7 đoạn

LED 7 đoạn hay còn gọi là LED 7 thanh là dạng LED được sắp xếp theo hình chữ nhật đứng với một bóng LED là một đoạn của bộ khung 7 đoạn Khi các đoạn LED này được chiếu sáng thì một phần của chữ số – Theo hệ thập phân hoặc thập lục phân sẽ được hiển thị trên màn hình

Hình ảnh Led 7 đoạn

5 LCD Display

LCD là công nghệ màn hình phẳng thường được sử dụng trong TV và màn hình máy tính Nó cũng được sử dụng trong màn hình cho các thiết bị di động, chẳng hạn như máy tính xách tay, máy tính bảng và điện thoại thông minh

6 Relay

Relay là một thiết bị cơ điện có thể được sử dụng để tạo hoặc ngắt kết nối điện Nó bao gồm bộ phận cơ khí chuyển động linh hoạt có thể điều khiển điện tử thông qua nam châm điện, về cơ bản, rơ le giống như một công tắc cơ nhưng bạn có thể điều khiển nó bằng tín hiệu điện tử thay vì bật tắt thủ công

7 Keypad

là một khối hoặc một tập hợp các nút với sự sắp xếp của các chữ số, ký hiệu hoặc các chữ cái theo bảng chữ cái Bàn phím chủ yếu chứa số và được sử dụng với máy tính

là bàn phím số

Chương 3 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 3.1 Thiết kế bộ đo nhiệt độ hiển thị bằng led 7 đoạn và trên PC

Nhiệt độ giả định của bài bọn em sẽ lấy giá trị ở biến trở Màn hình Led 7 đoạn

sẽ hiển thị nhiệt độ được lấy từ các chân 22 đến 29 của Atmega16 Ngoài ra 4 chân 14

15 16 17 cũng được nối với Led 7 đoạn để hiển thị kí tự độ C

Nguyên lý hoạt động:

Atmega16 sẽ đọc giá trị nhiệt độ được lấy từ biến trở Nếu nhiệt độ ở mức bình thường (ở đây bọn em để là 35 độ C), led-yellow sẽ được chuyển giá trị tín hiệu thành

1 và sáng

Nếu nhiệt độ ở mức cao (ở đây bọn em để là 36 độ C), led-red sẽ được chuyển giá trị tín hiệu thành 1 và sáng

Nếu nhiệt độ ở mức thấp (ở đây bọn em để là 34 độ C), led-green sẽ được chuyển giá trị tín hiệu thành 1 và sáng

3.2 Khóa điện tử sử dụng mật mã

Khi nguồn được cấp, màn hình LCD sẽ ở chế độ mặc định và chờ nhập mật khẩu.

Khi đó cửa chưa mở nên led-red sẽ sáng báo cửa vẫn còn đang đóng cho chủ nhà Sau khi nhập mật khẩu, màn hình LCD sẽ chỉ hiển thị các dấu **** để đảm bảo tính bảo mật nếu có ai khác đang đứng cạnh chủ nhà

Nếu mật khẩu được nhập là chính xác, màn hình LCD sẽ hiển thị như hình bên dưới đồng thời led-birg sẽ sáng báo hiệu cửa đang được mở

Sau khi mở một khoảng thời gian (bọn em cài là 4s), cửa sẽ tự động đóng, đồng thời led-red sẽ sáng 1 lần nữa