Thiết kế mạch đo nhiệt độ không tiếp xúc đồ án vi xử lý (có đính kèm bản vẻ điện,ứng dụng,lưu đồ thuật toán)

Chương 1 TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN MÔN HỌC VI ĐIỀU KHIỂN GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ HIỂN THỊ NHIỆT ĐỘ HỒNG NGOẠI KHÔNG TIẾP XÚC HỌ VÀ TÊN LỚP GVHD Đồ.ádasd

-*** -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: VI ĐIỀU KHIỂN GHÉP NỐI THIẾT BỊ NGOẠI VI ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ HIỂN THỊ NHIỆT ĐỘ HỒNG NGOẠI

KHÔNG TIẾP XÚC HỌ VÀ TÊN: LỚP :

GVHD :

SVTH: Lớp Trang 2

MỞ ĐẦU

Trong xu thế phát triển hiện nay, với sự bùng nổ của các ngành công nghệ thông tin, điện tử, tự động hóa,… Đã làm cho đời sống của con người ngày càng hoàn thiện Các thiết bị tự động hóa đã ngày càng xâm lấn vào trong sản xuất và thậm chí là vào cuộc sống sinh hoạt hàng ngày của mỗi con người,vì thế Vi điều khiển là nội dung không thể thiếu với chương trình đào tạo Kỹ Thuật Cơ Điện Tử nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ sở , các giải thuật lập trình và ghép nối các thiết bị điện tử trong quá trình cơ bản khi thiết kế tự động hóa.Đồ án môn học Vi Điều Khiển là kết quả đánh giá thực chất nhất quá trình học tập các môn về điện tử và cách lập trình

Bằng những kiến thức đã học em đã chọn đề tài “Thiết kế mạch đo và hiển thị nhiệt độ bằng cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc cho đồ án

Trong quá trình thực hiện đồ án môn học này, em luôn được sự hướng dẫn tận tình của Thầy hướng dẫn và các thầy bộ môn trong khoa kỹ thuật công nghệ.Vì kiến thức bản thân còn hạn chế, trong quá trình hoàn thiện đồ án này

em không tránh khỏi những sai sót, nên kính mong nhận được sự chỉ bảo thêm của thầy

SVTH: Lớp Trang 3

CHƯƠNG I: KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH YÊU CẦU VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP

1.1Khảo sát đối tượng nghiên cứu

Đồ án tập trung nghiên cứu thiết kế mạch đo sử dụng cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc để đo đạc và điều khiển thông số nhiệt độ

Đối tượng cụ thể trong đồ án này là đo nhiệt độ của một vật thể và từ đó đưa ra một phương án ứng dụng của đề tài này vào thực tiễn

1.2Phân tích yêu cầu

Đo nhiệt độ là một trong các phương pháp cơ bản và thường gặp trong

đo lường, nó đã có từ lâu, mỗi giai đoạn có những phương pháp đo khác nhau Trước đây khi công nghệ điên tử và bán dẫn chưa phát triển thì các mạch

đo chủ yếu dùa trên kỹ thuật tương tự, phương pháp xử lý chủ yếu dùa vào phần cứng cho nên giá trị đó có sai số lớn, thiết bị cồng kềnh, lắp đặt không thuận tiện Đến đầu những năm 80 và nhất là những năm cuối thế kỷ

20, khi công nghệ bán dẫn và vi mạch phát triển mạnh, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đặc biệt là kỹ thuật số đã được ứng dụng rộng rãi trong các ngành đo lường điều khiển làm thay đổi hẳn phương pháp xử lý tín hiệu đo Trước đây xử lý tín hiệu đo chủ yếu là đo bằng phần cứng thì ngày nay việc xử lý được mềm hoá cùng với sự ra đời của những sensor thông minh đã làm cho các thiết bị đo ngày càng thông minh và độ chính xác cao hơn Ngày nay xuất hiên nhiều phương pháp đo nhiệt độ sử dụng cảm biến loại cặp nhiệt, nhiệt điện trở hay bán dẫn hoặc sử dụng phương pháp phân tích phổ để xác định nhiệt độ Đối với những nơi không trực tiếp đặt được các đầu đo nhiệt độ (nơi có nhiệt độ quá cao) Nhìn chung các phương pháp

đo nhiệt độ có nhiều nét giống nhau nhưng cách xử thì có thể khác nhau, tuỳ vào mục đích và yêu cầu kỹ thuật đối với từng công việc cụ thể nhưng mục đích cuối cùng của phép đo là thể hiện giá trị nhiệt độ với khoảng sai sè cho phép có thể chấp nhận được

1.3 Các phương pháp đo nhiệt độ

1.3.1 Khái niệm về nhiệt độ:

Nhiệt độ là đại lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên

tử, phân tử của một hệ vật chất Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất ( rắn,

SVTH: Lớp Trang 4

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 luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định Còn ở trạng thái rắn, các phần tử, nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng Các dạng vận động này của các phân tử, nguyên tử được gọi chung là chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý:Bảo toàn năng lượng.Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độthất Ở trạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bứcxạ nhiệt.Đối với các chất lỏng và khí ngoài dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn cótruyền nhiệt bằng đối lưu Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệtbằng cách vận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhaucủa hệ do chênh lệch về tỉ trọng

1.3.2 Thang đo nhiệt độ:

Từ xa xưa con người đã nhận thức được hiện tượng nhiệt và đánh giá cường

độ của nó bằng cách đo và đánh giá nhiệt độ theo một đơn vị đo của mỗi thời kỳ Có nhiều đơn vị đo nhiệt độ, chúng được định nghĩa theo từng vùng, từng thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật và xã hội Hiện nay chóng ta

có 3 thang đo nhiệt độ chính là:Thang nhiệt độ tuyệt đối ( K ) Thang Celsius ( C ): T( 0C ) Thang Farhrenheit: T( 0F ) Đây là 3 thang đo nhiệt độ được dùng phổ biến nhất hiện nay Trong

đó thang đo nhiệt độ tuyệt đối (K) được quy định là một trong 7 đơn vị đo cơ bản của hệ đơn vị quốc tế (SI) Dùa trên 3 thang đo này chúng ta có thể đánh giá được nhiệt độ

1.3.3 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 nguyên lí cảm biến khácnhau 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 dùatrên sự dãn nở của vật rắn, lỏng, khí hoặc dùa trên

tốc độ âm…

SVTH: Lớp Trang 5

Có 2 phương pháp đo chính:

+1.Đo nhiệt độ tiếp xúc:-Ở dải nhiệt độ thấp và trung bình phương pháp đo là

phương pháp tiếpxúc, nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ngay trong môi trường đo.Thiết bị đo như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt, bán dẫn

Ưu điểm và tính năng của phương pháp đo nhiệt độ tiếp xúc :

-xác định nhiệt độ chính xác và nhanh chóng cho sai số thấp

- Dụng cụ đo nhiệt độ tiếp xúc cho kết quả có chính xác cao nhờ vào công nghệ cảm biến ở bên mình, có độ chính xác cao nhờ có công nghệ cảm biến

về nhiệt tốt, tự động

-Giá thành rẻ

-Rất phổ biến, dễ t-Dễ sử dụng

ìm mua

-Đa dạng kiểu dáng và kích thước

-Dùng được trong nhiều môi trường

-Phản ứng nhiệt khá chậm hay độ nhạy nhiệt kém

-Chịu quá nhiệt kém

-Độ tin cậy kém khi hoạt động liên tục

-Không phù hợp với các yêu cầu nhiệt độ chính xác

-Có khoảng đo nhiệt hẹp

-Hoạt động phi tuyến

-Kiểm soát nhiệt độ công nghiệp của các bộ phận chuyển động

-Kiểm soát nhiệt độ máy in và máy photocopy

-Giám sát chăn nuôi

-Phát hiện chuyển động

-Chăm sóc sức khỏe

-Relay nhiệt / cảnh báo nhiệt độ

-Đo nhiệt độ cơ thể

2)Đo nhiệt độ không tiếp xúc:

+Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo là phương pháp không tiếp xúc

quang kế ( hoả quang kế phát xạ, hoả quang kế cường độ sáng, hoả quang kế màu sắc)…

Ưu điểm và tính năng của phương pháp đo không tiếp xúc :

Một vài ưu điểm về tính năng của cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc :

- Kích thước cảm biến nhỏ (28mm x 16mm) và chi phí thấp

- Dễ dàng giao tiếp với MCU thông qua gia thức truyền thông I2C

- Điện áp hoạt động : 3.3-5V

- Dải nhiệt độ hoạt động lớn :

+ Đối với cảm biến : -40°C đến 125°C

+ Đối với đối tượng : -70°C đến 380°C

- Độ chính xác cao

SVTH: Lớp Trang 7

- Có tích hợp chế độ giúp giảm tải tiêu thụ điện năng

+Nhược điểm:

-Giá thành của sản phẩm khá cao

-Sản phẩm cần sử dụng nguồn điện để hoạt động

+Ứng dụng :

Với những tính năng và lợi tích, ưu điểm nêu phía trên, cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn như :

- Cảm biến độ nhạy nhiệt cho hệ thống điều khiển điều hòa không khí di động

- Theo dõi và phát hiện chuyển động (nhất là ban đêm)

- Phát hiện góc mù của oto

- Kiểm soát nhiệt độ các thiết bị trong công nghiệp

- Kiểm soát nhiệt độ trong máy in, máy photocopy, laptop,

- Chăm sóc sức khỏe con người

- Giám sát chăn nuôi

- Làm nhiệt kế không tiếp xúc đo nhiệt độ con người (ứng dụng mạnh mẽ trong đợt COVID-19 hiện nay

Kết luận:So sánh 2 tính năng đo nhiệt độ trên,em quyết định chọn đề tài thiết

kế mạch đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc

Arduino cơ bản là một mã nguồn mở về điện tử được tạo thành từ phần cứng

và phần mềm.Về mặt kĩ thuật có thể coi Arduino là một bộ điều khiển logic có

thể lập trình được Đơn giản hơn, Arduino là thiết bị có thể tương tác với ngoại cảnh thông qua các cảm biến và hành vi được lập trình sẵn Với thiết bị này việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị điện tử sẽ dễ dàng hơn bao giờ hết

Hiện tại có rất nhiều loại vi điều khiển và đa số được lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ hoặc Assembly nên rất khó khăn cho những người có ít kiến thức sâu

về điện tử và lập trình Nó là trở ngại cho mọi người muốn tạo riêng cho mình

một món đồ mang tính công nghệ ong Arduino đã giải quyết được vấn đề

này, Arduino được phát triển nhằm đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử cũng như lập trình trên vi điều khiển và mọi người có thể tiếp cận dễ dàng hơn với thiết bị điện tử mà không cần nhiều về kiến thức điện tử và thời gian

Những thế mạnh của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác:

- Chạy trên đa nền tảng: Việc lập trình Arduino có thể thực hiện trên

các hệ điều hành khác nhau như Windows, Mac Os, Linux trên Desktop,

Android trên di động

- Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu

- Mã nguồn mở: Arduino được phát triển dựa trên nguồn mở nên phần

mềm chạy trên Arduino được chia sẻ dễ dàng và tích hợp vào các nền tảng khác nhau

- Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng

modul nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn

- Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị

không lo lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng

SVTH: Lớp Trang 9

+Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Trong số đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội của Arduino do chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp +Arduino được biết đến nhiều nhất là phần cứng của nó, nhưng phải có phần mềm để lập trình phần cứng Cả phần cứng và phần mềm gọi chung là Arduino

♦ Phần mềm Arduino:

Phần mềm Arduino được gọi là sketches, được tạo ra trên máy tính có tích hợp môi trường phát triển (IDE) IDE cho phép viết, chỉnh sửa code và chuyển đổi sao cho phần cứng có thể hiểu IDE dùng để biên dịch và nạp vào Arduino (quá trinh xử lý này gọi là UPLOAD)

♦ Phần cứng Arduino:

Phần cứng Arduino là các board Arduino, nơi thực thi các chương trình lập trình Các board này có thể điều khiển hoặc đáp trả các tín hiệu điện, vì vậy các thành phần được ghép trực tiếp vào nó nhằm tương tác với thế giới thực để cảm nhận và truyền thông Ví dụ các cảm biến bao gồm các thiết bị chuyển mạch, cảm biến siêu âm, gia tốc Các thiết bị truyền động bao gồm đèn, motor, loa và các thiết bị hiển thị

Có rất nhiều ứng dụng sử dụng Arduino để điều khiển Arduino có rất nhiều module, mỗi module được phát triển cho một ứng dụng.Về mặt chức năng, các bo mạch Arduino được chia thành hai loại: loại bo mạch chính có chip Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính Các bo mạch chính về cơ bản là giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu hình như số lượng I/O, dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có sự khác nhau Một số

bo mạch có trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth Các

bo mở rộng chủ yếu mở rộng thêm một số tính năng cho bo mạch chính ví dụ như tính năng kết nối Ethernet, Wireless, điều khiển động cơ

♦ Cấu trúc chung

- Có 6 chân đầu vào tín hiệu tương tự cho phép chúng ta kết nối với các

bộ cảm biến bên ngoài để thu thập số liệu

- Sử dụng một dao động thạch anh tần số dao động 16MHz

- Có một cổng kết nối bằng chuẩn U B để chúng ta nạp chương trình vào

bo mạch và một chân cấp nguồn cho mạch, một nút reset

- Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, nguồn cung cấp cho Arduino có thể là từ máy tính thông qua cổng USB hoặc là từ

bộ nguồn chuyên dụng được biến đổi từ xoay chiều sang một chiều hoặc

là nguồn lấy từ pin

nh 2 u t c ph n c ng c uino Uno



 Khối xử lý trung tâm là vi điều khiển Atmega328

 Điện áp hoạt động 5V

 Điện áp đầu vào khuyến nghị là 5-12V

 Điện áp đầu vào giới hạn 6-20V

 Dòng điện một chiều trên các chân vào ra là 40mA

♦ Nguồn nuôi

Arduino có thể được hỗ trợ thông qua kết nối USB hoặc với một nguồn cung cấp điện bên ngoài Các nguồn năng lượng được lựa chọn tự động Hệ thống vi điều khiển có thể hoạt động bằng một nguồn cung cấp bên ngoài từ 6V đến 20V Nên cung cấp với ít hơn 7V, tuy nhiên pin 5V có thể cung cấp ít hơn 5V và hệ thống vi điều khiển có thể không ổn định Nếu sử dụng nhiều hơn 12V điều chỉnh điện áp có thể quá nóng Phạm vi khuyến nghị là 7V đến 12V

 Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino khi chúng ta dùng nguồn điện bên ngoài Chúng ta có thể cung cấp nguồn thông qua chân này

 Chân 5V: Cung cấp nguồn vi điều khiển và các bộ phận khác trên bo mạch và cung cấp nguồn cho các thiết bị ngoại vi khi kết nối tới bo mạch

 Chân 3V3: Cung cấp nguồn cho các thiết bị cảm biến

 Chân GND : Chân nối đất

-Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử

dụng ít điện năng hơn

-Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu

-Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật, xem thêm

HD44780 datasheet để biết thêm chi tiết

SVTH: Lớp Trang 13

Trong 16 chân của LCD được chia ra làm 3 dạng tín hiệu như sau:

Các chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối mass (0V), chân thứ 2 là Vdd nối với nguồn+5V Chân thứ 3 dùng để chỉnh contrast thường nối với biến trở

Các chân điều khiển: Chân số 4 là chân RS dùng để điều khiển lựa chọn thanh ghi ChânR/W dùng để điều khiển quá trình đọc và ghi Chân E là chân cho phép dạng xung chốt

Các chân dữ liệu D7÷D0: Chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để trao đổi

dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và LCD

2.1.3 Giao tiếp I2C

I2C ( Inter – Integrated Circuit) là 1 giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ được phát triển bởi Philips Semiconductors, sử dụng để truyền nhận dữ liệu giữa các

IC với nhau chỉ sử dụng hai đường truyền tín hiệu.Các bit dữ liệu sẽ được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn được thiết lập bởi 1 tín hiệu đồng hồ Bus I2C thường được sử dụng để giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại vi điều khiển, cảm biến, EEPROM, …

SVTH: Lớp Trang 14

Để sử dụng các loại LCD có driver là HD44780 (LCD 1602, LCD 2004,… ) cần có ít nhất 6 chân của MCU kết nối với các chân R , EN, D7, D6, D5 và D4 để có thể giao tiếp với LCD

Nhưng với mạch chuyển đổi giao tiếp I2C cho LCD, chỉ cần 2 chân ( DA và CL) của MCU kết nối với 2 chân ( DA và CL) của module là đã có thể hiển thị thông tin lên LCD Ngoài ra có thể điều chỉnh được độ tương phản bởi biến trở gắn trên module

THÔNG SỐ MẠCH CHUYỂN ĐỔI GIAO TIẾP I2C

Kích thước: 41.5mm(L)X19mm(W)X15.3MM(H)

Trọng lượng: 5g

Điện áp hoạt động: 2.5v-6v

Jump chốt: Cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt

Biến trở xoay độ tương phản cho LCD

Module được thiết kế dễ dàng cắm vào màn hình LCD theo các chân định sẵn,

ơ đồ chân:

Hình 2.2 Modul I2C

Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại đo nhiệt độ bằng cách phát hiện năng lượng hồng ngoại phát ra từ tất cả các vật liệu có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối (0

° Kelvin)

Thiết kế cơ bản nhất bao gồm một thấu kính để tập trung năng lượng hồng ngoại (IR) vào đầu đo, giúp chuyển đổi năng lượng thành tín hiệu điện có thể được hiển thị theo đơn vị nhiệt độ sau khi được bù nhiệt cho sự thay đổi nhiệt

độ môi trường Thiết kế này tạo điều kiện cho phép đo nhiệt độ từ khoảng cách

xa mà không tiếp xúc với đối tượng cần đo

THÔNG SỐ KỸ THUẬT MLX90614

-Kích thước nhỏ, chi phí thấp

-10k Kéo điện trở lên cho giao diện I2C với các jumper hàn tùy chọn

SVTH: Lớp Trang 16

-Dễ tích hợp

-Nhiệt độ hoạt động :

-40 … + 125 ° C cho nhiệt độ cảm biến và

-70 … + 380 ° C đối với nhiệt độ đối tượng

-Độ chính xác cao 0.5 ° C trên nhiệt độ rộng (0 … + 50 ° C )

-Độ phân giải đo lường là 0,02 ° C

-Tùy chỉnh đầu ra PWM để liên tục

-Chế độ ngủ để giảm tiêu thụ điện năng

-Các tùy chọn gói khác nhau cho các ứng dụng và tính linh hoạt của tính linh hoạt

2.1.5Mạch Giảm Áp LM2596 :

Là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dòng ra đến 3A LM2596 là

IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong Tức là khi cấp nguồn 9v vào module, sau khi giảm áp ta có thể lấp được nguồn 3A < 9v như 5V hay 3.3V

Thông số kỹ thuật

-Module nguồn không sử dụng cách ly

-Nguồn đầu vào từ 4V - 35V

-Nguồn đầu ra: 1V - 30V

-Dòng ra Max: 3A

-Kích thước mạch: 53mm x 26mm

-Đầu vào: INPUT +, INPUT-

-Đầu ra: OUTPUT+, OUTPUT-