BÁO cáo đồ án II đề TÀI MẠCH đo NHIỆT độ sử DỤNG cảm BIẾN LM35

Em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Khánh Hòa.. Em xin chân thành cảm ơn!... Ngoài ra đồ án này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho những sinh viên khóa sau... - Nhiều

Trang 1

BÁO CÁO ĐỒ ÁN II ĐỀ TÀI: MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG CẢM BIẾN LM35

Giảng viên hướng dẫn : Thầy Đặng Khánh Hòa

Sinh viên thực hiện :

-Mã lớp :

Trang 2

-DANH MỤC HÌNH ẢNH ii

LỜI NÓI ĐẦU iii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu đề tài 1

1.2 Mục đích 1

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 3

2.1 Các linh kiện được sử dụng 3

2.1.1 VĐK họ ARV 3

2.1.2 Cấu trúc mạch Kit 5

2.1.3 Cấu trúc mạch 7

2.1.4 Các thông số chính 9

2.1.5 Mạch nạp mã nguồn 10

2.1.6 LCD 16x2 10

2.1.7 Cảm biến nhiệt độ LM35 12

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ VẼ MẠCH 14

3.1 Sơ đồ khối của mạch 14

3.1.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lí 14

3.2 Vẽ mạch PCB 17

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 19

Trang 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Vi điều khiển ATMEGA16 3

Hình 2.2: Sơ đồ chân VĐK Atmega16 4

Hình 2.3: Các linh kiện trong bộ kit 6

Hình 2.4: Cấu trúc bộ kit 7

Hình 2.5: Sơ đồ mạch nạp 10

Hình 2.6: LCD 16x2 10

Hình 2.7: Các chân của LCD 11

Hình 2.8: Sơ đồ kết nối chân LCD 12

Hình 2.9: Cảm biến LM35 12

Hình 2.10: Chân cảm biến LM35 13

Hình 3.1: Sơ đồ khối của mạch 14

Hình 3.2: Khối nguồn 14

Hình 3.3: Khối tạo xung 15

Hình 3.4: Khối nạp 15

Hình 3.5: Khối hiển thị 16

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lí của mạch 16

Hình 3.7: Chỉnh độ rộng line 17

Hình 3.8: Chỉnh kích cỡ đường GND 17

Hình 3.9: Mạch sau khi đã đi dây và đổ đồng 18

Trang 4

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xu hướng công nghệ 4.0 đã đi được gần một nửa chặng đường, các ngành công nghiệp vi điện tử, kỹ thuật số đang phát triển với một tốc độ chóng mặt Các hệ thống đo lường, điều khiển, các dây chuyền sản xuất dần được tự động hóa ở tỉ lệ cao Dần dần, các thiết bị đo lường đơn giản được số hóa và kết nối với nhau, tạo thành các mạng lưới IoT rộng lớn và dần dần thay thế các hệ thống đo lường và điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm, độ chính xác thấp

Mạch cảm biến nhiệt độ là một trong nhiều ứng dụng của tự động hóa đo lường và điều khiển Tuy chỉ là một loại mạch đơn giản, nhưng có rất nhiều công dụng trong thực tế: từ các ứng dụng cho hộ gia đình như theo dõi nhiệt độ nước bể cá, vv cho đến các ứng dụng quan trọng trong các ngành công nghiệp: theo dõi và khống chế nhiệt độ lò nung, phòng server, lồng ấp… giúp quản lý và nắm bắt tình trạng hệ thống một cách nhanh chóng và chính xác Nhận biết được tầm quan trọng của việc đo và kiểm soát nhiệt độ, viện Điện tử - Viễn thông, cùng các thầy cô ở Trung tâm Đào tạo Thực hành đã đưa ra đề tài, cung cấp kiến thức đồng thời cấp phát các trang thiết bị cần thiết

để giúp sinh viên trau dồi thêm kiến thức, bắt kịp với sự phát triển của các ngành công nghiệp tự động như hiện nay Trong đồ án II này, em đã lựa chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến LM35”, một phần để kiểm tra kiến thức của bản thân, đồng thời trau dồi thêm những kiến thức mà mình còn thiếu để phục vụ học tập một cách tốt nhất.

Em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Khánh Hòa Nhờ sự giúp đỡ tận tình và những chỉ bảo của thầy từ lúc bắt đầu cho tới lúc kết thúc đồ án mà em đã hoàn thành đúng thời hạn quy định và tích lũy được cho mình một lượng nền tảng kiến thức Mặc dù đã cố gắng hoàn thành đề tài tốt nhất nhưng do thời gian và kiến thức còn có hạn nên chúng em sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định, rất mong nhận được sự cảm thông, chia sẻ và tận tình đóng góp chỉ bảo của thầy.

Em xin chân thành cảm ơn!

Trang 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài

Đề tài “Thiết kế và chế tạo mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến LM35” của chúng em gồm hai phần chính:

Phần 1- Cơ sơ lý thuyết: Phần này em đi sâu nghiên cứu lý thuyết của những linh kiện sẽ được sử dụng trong mạch đo nhiệt độ đó là lý thuyết của cảm biến Phần này chiếm vị trí hết sức quan trọng trong đồ án, nó chính là nền tảng cho việc lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch một cách thích hợp nhất Nói cách khác phần 1 là phần cơ sở

để thực hiện phần 2.

Phần 2 - Thực hành lắp ráp mạch: Phần này là phần chứng minh sự hiểu biết của chúng em về lý thuyết dựa trên việc ứng dụng lý thuyết vào thực tế Ở phần này, chúng

em thực hiện việc thiết kế, tính toán và lựa chọn linh kiện cho mạch Sau cùng là việc kiểm tra mạch, tinh chỉnh và thiết kế mạch.

Mặt khác quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài là một cơ hội để chúng em tự phát huy tính sáng tạo, khả năng giải quyết một vấn đề theo yêu cầu đặt ra Ngoài ra đồ án này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho những sinh viên khóa sau Giúp họ hiểu

rõ hơn về mạch đo nhiệt độ và sẽ giúp họ một phần nào trong việc hoàn chỉnh hệ thống

đo và không chế nhiệt độ.

Để làm được một mạch thật hoàn chỉnh chúng em phải trải qua rất nhiều khâu Qua đây em có một cách nhìn tổng quát cho một dây chuyền sản xuất các ứng dụng của

Trang 6

ngành điện tử Chính những lợi ích đó cũng là những mục đích mà em mong muốn đạt được.

Trang 7

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 2.1 Các linh kiện được sử dụng

2.1.1 VĐK họ ARV

AVR là một dòng VĐK 8 bits khá mạnh và thông dụng tại thị trường Việt Nam Với tốc độ xung nhịp tới 16 MHz, bộ nhớ chương trình tối đa tới 256 kB, và rất nhiều chức năng ngoại vi tích hợp sẵn, VĐK họ AVR có thể đáp ứng tốt cho nhiều ứng dụng trong thực tế, từ đơn giản đến phức tạp VĐK AVR là vi điều khiển có kiến trúc RISC – kiến trúc ưu thế trong các bộ vi xử lí.

Hình 2.1: Vi điều khiển ATMEGA16

Thông số kĩ thuật và cấu trúc của VĐK Atmega16

- Được chế tạo theo kiến trúc RISC, hiệu suất cao và điện năng tiêu thụ thấp.

- Bộ lệnh gồm 118 lệnh, hầu hết đều thực thi chỉ trong một chu kì xung nhịp.

- 32x8 thanh ghi làm việc đa dụng.

- 8kb Flash ROM lập trình được ngay trên hệ thống :

▪ Giao diện nối tiếp SPI cho phép lập trình ngay trên hệ thống.

▪ Cho phép 1000 lần ghi/xoá.

Trang 8

- Bộ EEPROM 512 byte: Cho phép 100.000 ghi/xoá.

- Bộ nhớ SRAM 512 byte.

- Bộ biến đổi ADC 8 kênh, 10 bit.

- 32 ngõ I/O lập trình được.

- Bộ truyền nối tiếp bất đồng bộ vạn năng UART.

- Vcc=2.7V đến 6V.

- Tốc độ làm việc: 0 đến 8 MHz.

- Tốc độ xử lí lệnh đến 8 MIPS ở 8 MHz nghĩa là 8 triệu lệnh trên giây.

- Bộ đếm thời gian thực (RTC) với bộ dao động và chế độ đếm tách biệt.

- 2 bộ Timer 8 bit và 1 bộ Timer 16 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách biệt và chế độ bắt mẫu.

- Ba kênh điều chế độ rộng xung PWM.

- Có đến 13 interrupt ngoài và trong.

- Bộ định thời Watchdog lập trình được, tự động reset khi treo máy.

- Bộ so sánh tương tự.

- Ba chế độ ngủ: chế độ rỗi (Idle), tiết kiệm điện (Power save) và chế độ Power Down.

Hình 2.2: Sơ đồ chân VĐK Atmega16

Chức năng các chân Atmega16:

Trang 9

- Chân 1 đến 8: Cổng nhập xuất dữ liệu song song B (PORTB) nó có thể được sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu.

- Chân 9: RESET để đưa chip về trạng thái ban đầu.

- Chân 10: VCC cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển.

- Chân 11, 31: GND 2 chân này đc nối với nhau và nối đất.

- Chân 12,13: 2 chân XTAL2 và XTAL1 dùng để đưa xung nhịp từ bên ngoài vào chip.

- Chân 14 đến 21: Cổng nhập xuất dữ liệu song song D (PORTD) nó có thể đc sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu.

- Chân 22 đến 29: Cổng nhập xuất dữ liệu song song C (PORTC) nó có thể đc sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu.

- Chân 30: AVCC cấp điện áp so sánh cho bộ ADC.

- Chân 32: AREF điện áp so sánh tín hiệu vào ADC.

- Chân 33 đến 40: Cổng vào ra dữ liệu song song A (PORTA) ngoài ra nó còn đc tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC

2.1.2 Cấu trúc mạch Kit

Kit phát triển sử dụng trong học phần Đồ án II được Viện Điện tử - Viễn thông thiết kế riêng để đảm bảo tính hiệu quả trong quá trình đào tạo Với bộ kit này, sinh viên có thể thử nghiệm các ứng dụng cơ bản như:

- Điều khiển cổng ra số, với LED đơn và LED 7 thanh.

- Đọc trạng thái logic đầu vào số, từ bàn phím và giắc cắm mở rộng.

- Đo điện áp tương tự, với biến trở vi chỉnh và bộ ADC 10-bit.

- Điều khiển màn hình tinh thể lỏng, với màn hình LCD dạng text.

- Giao tiếp với máy tính qua chuẩn UART ↔ USB.

- Thử nghiệm các ngắt ngoài, thử khả năng điều chế độ rộng xung.

- Nhiều ứng dụng điều khiển các chức năng tích hợp sẵn trong VĐK như: vận hành các bộ định thời (Timer) và bộ đếm (Counter), đọc ghi EEPROM, lập trình các ngắt chương trình, thiết lập Watchdog…

Trang 10

Hình 2.3: Các linh kiện trong bộ kit

Mặt khác, bằng việc kết nối với các mô-đun mở rộng, sinh viên có thể thử nghiệm các ứng dụng phức tạp hơn như:

- Đo tham số môi trường cơ bản: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, v.v.

- Điều khiển tải cơ bản: đèn báo, van điện từ, động cơ DC, động cơ bước, v.v.

- Điều khiển hiển thị cơ bản: LED ma trận, LCD ma trận, màn hình cảm ứng, v.v.

- Giao tiếp I2C và SPI: IC thời gian thực, IC EEPROM, cảm biến gia tốc, v.v.

- Ứng dụng tổng hợp: đo và duy trì sự ổn định các tham số môi trường; số hóa và xử lý tín hiệu âm thanh; điều khiển robot hoặc xe tự hành; v.v.

Trang 11

2.1.3 Cấu trúc mạch

Hình 2.4: Cấu trúc bộ kit

STT Tên linh kiện Chức năng

1 Giắc cắm nguồn Nhận nguồn điện 9-12 VDC cấp cho mạch Kit

2 IC ổn áp 7805 Hạ 9-12 VDC xuống 5 VDC và giữ ổn định mức

điện áp này để cấp cho toàn mạch

3 LED báo nguồn Báo nguồn (sáng: có nguồn 5 VDC, tắt: mất

nguồn)

4 VĐK họ AVR Điều khiển hoạt động của toàn mạch theo mã

nguồn do người dùng lập trình và nạp xuống

Trang 12

5 Thạch anh Quyết định tần số xung nhịp cấp cho VĐK

6 Nút ấn Reset Khởi động lại VĐK

7 Giắc ISP Kết nối mạch nạp (có bán sẵn) để nạp mã nguồn

cho VĐK

8 Nhóm 4 phím ấn Nhận lệnh điều khiển từ người sử dụng

9 Giắc cắm 8 chân Nối tới 8 chân vào/ra đa năng (ứng với Port-A) của

14 Jumper dãy LED

đơn Cho phép hoặc vô hiệu hóa dãy LED đơn

15 LED 7 thanh Hiển thị số 0-9 và một vài ký tự do người dùng

định nghĩa

16 Jumper LED 7 Cho phép hoặc vô hiệu hóa LED 7 thanh

Trang 13

17 Giắc cắm LCD Kết nối màn hình LCD dạng text có bán sẵn Loại

phù hợp nhất là 1602 (16 ký tự × 2 dòng)

18 Biến trở vi chỉnh

Điều chỉnh trơn và liên tục, từ 0 đến 5 VDC, mức điện áp tại đầu vào ADC0 của bộ ADC (chân PA0)

19 Giắc UART-USB Kết nối mô-đun chuyển đổi UART-USB (còn gọi

là COM-USB) có bán sẵn

2.1.4 Các thông số chính

● Điện áp nguồn:

- Tiêu chuẩn: 9-12 VDC

- Giới hạn: 7-18 VDC

● Dòng điện tiêu thụ:

- Khi không có mô-đun mở rộng, toàn bộ LED chỉ thị I/O tắt: 18 mA

- Khi có LCD và mô-đun USB, các LED chỉ thị I/O bị vô hiệu hóa: 22 mA

- Khi có LCD và mô-đun USB, toàn bộ LED chỉ thị I/O sáng: 80 mA

● Mạch có khả năng tự bảo vệ khi bị lắp ngược cực tính nguồn

● Mức logic các cổng I/O: TTL (5 V)

● Điện áp tương tự vào các chân ADC: từ 0 đến +5 V

● Loại VĐK được hỗ trợ: ATmega16, ATmega32, và tương đương

● Cổng I/O mở rộng: 4 giắc cắm (loại 8 chân) ứng với 4 Port (8 bit mỗi Port)

● Hỗ trợ màn hình LCD: dạng text, giao tiếp 8 bit hoặc 4 bit

● Hỗ trợ mô-đun USB: UART-USB hay COM-USB (mức 5 VDC)

● Xung nhịp tích hợp sẵn: thạch anh 8 MHz

Trang 14

2.1.5 Mạch nạp mã nguồn

Mạch nạp mã nguồn cho VĐK trong Kit là loại mạch nạp ISP thông dụng Sinh viên có thể tìm thấy mạch nạp này tại hầu hết cửa hàng bán lẻ hay đại lý phân phối sản phẩm liên quan đến VĐK AVR Minh họa một vài loại mạch nạp ISP thông dụng tại Việt Nam và chuẩn kết nối ISP 10 chân tương ứng:

Hình 2.5: Sơ đồ mạch nạp

Nếu kết nối giữa mạch nạp ISP và mạch Kit quá dài, tín hiệu truyền tải có thể bị can nhiễu trong quá trình nạp mã nguồn Sinh viên nên sử dụng cáp dẹt ngắn (khoảng 10-20 cm) kết hợp với một cáp kéo dài USB để đảm bảo tính linh hoạt, cơ động, nhưng vẫn tin cậy.

2.1.6 LCD 16x2

Hình 2.6: LCD 16x2

Trang 15

Đây là loại gồm 16 ký tự x2 dòng, mỗi ký tự được tạo ra từ một ma trận điểm sáng kích cỡ 5×7 hoặc 5×10.

Các Text LCD theo chuẩn HD44780U thường có 16 chân trong đó 14 chân kết nối với bộ điều khiển và 2 chân nguồn cho “đèn LED nền” Thứ tự các chân thường được sắp xếp như trong hình dưới:

Hình 2.7: Các chân của LCD

Trong một số LCD 2 chân LED nền được đánh số 15 và 16 nhưng trong một số trường hợp 2 chân này được ghi là A (Anode) và K (Cathode) Hình dưới đây mô tả cách kết nối LCD với nguồn và mạch điều khiển.

Trang 16

Hình 2.8: Sơ đồ kết nối chân LCD

Chân 1 và chân 2 là các chân nguồn, được nối với GND và nguồn 5V Chân 3 là chân chỉnh độ tương phản (contrast), chân này cần được nối với 1 biến trở chia áp như trong hình 2 Trong khi hoạt động, chỉnh để thay đổi giá trị biến trở để đạt được độ tương phản cần thiết, sau đó giữ mức biến trở này Các chân điều khiển RS, R/W, EN và các đường dữ liệu được nối trực tiếp với vi điều khiển Tùy theo chế độ hoạt động 4 bits hay 8 bits mà các chân từ D0 đến D3 có thể bỏ qua hoặc nối với vi điều khiển.

2.1.7 Cảm biến nhiệt độ LM35

Cảm biến nhiệt độ LM35 có điện áp Analog đầu ra tuyến tính theo nhiệt độ thường được sử dụng để đo nhiệt độ của môi trường hoặc theo dõi nhiệt độ của thiết bị , cảm biến có kiểu chân TO-92 với chỉ 3 chân rất dễ giao tiếp và sử dụng.

Hình 2.9: Cảm biến LM35

Trang 17

Hình 2.10: Chân cảm biến LM35

Cảm biến LM35 có 3 chân:

- Chân 1: VCC 3-5.5V

- Chân 2: Output

- Chân 3: GND Thông số của cảm biến:

- Điện áp hoạt động: 4~20VDC

- Công suất tiêu thụ: khoảng 60uA

- Khoảng đo: -55°C đến 150°C

- Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C

- Sai số: 0.25°C

- Kiểu chân: TO92

- Kích thước: 4.3 × 4.3mm

Trang 18

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ VẼ MẠCH 3.1 Sơ đồ khối của mạch

Hình 3.11: Sơ đồ khối của mạch

3.1.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lí

 Khối nguồn

Hình 3.12: Khối nguồn

Trang 19

 Khối tạo xung sử dụng thạch anh

Hình 3.13: Khối tạo xung

 Các chân nạp chip

Hình 3.14: Khối nạp

Trang 20

 Khối hiển thị sử dụng LCD

Hình 3.15: Khối hiển thị

 Toàn bộ sơ đồ nguyên lí

Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lí của mạch

Trang 21

3.2 Vẽ mạch PCB

Sau khi update mạch sang PCB, ta sẽ sắp xếp linh kiện và bắt đầu đặt các luật đi dây như sau:

 Độ rộng line cho các đường là 20mil

Hình 3.17: Chỉnh độ rộng line

 Chỉnh kích thước các đường GND và VCC là 35mil

Trang 22

 Kết quả mạch PCB sau khi đi dây và đổ đồng:

Hình 3.19: Mạch sau khi đã đi dây và đổ đồng

Tiêu đề	Mạch Đo Nhiệt Độ Sử Dụng Cảm Biến LM35
Người hướng dẫn	Thầy Đặng Khánh Hòa
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Điện Tử Viễn Thông
Thể loại	Báo Cáo Đồ Án
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	23
Dung lượng	1,26 MB