Đồ án cơ sở 2 mạch cảm biến nhiệt độ

báo cáo đồ án cở sở 2 ‘‘THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐIỀU KHIỂN RELAY’’ sử dụng cảm biến nhiệt độ LM 35 điều khiển bằng pic 16f877a Hiển thị qua LCD báo cáo đã duyệt và bảo vệ Đo và hiển thị nhiệt độ của môi trường một thời điểm bất kỳ trong khoảng từ 0 đến 99 độ C. Chịu được nhiệt độ thay đổi. Sử dụng sensor cảm biến nhiệt. Hiển thị trên LCD và điều khiển rela

Lời Nói Đầu 1

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 2

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI : 2

II MỤC ĐỊCH YÊU CẦU CỦA BÀI TOÁN : 2

III KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH BÁI TOÁN : 2

1 Tính cấp thiết của đề tài 2

2 Quy tình đo nhiệt độ 3

3 Các yêu cầu và giới hạn của hệ thống trong thực tế : 3

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 4

I SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT : 4

II LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ : 5

1 Giải pháp công nghệ : 5

2 Giải pháp thiết kế : 6

III LỰA CHỌN TỔNG QUAN VỀ CÁC LINH KIỆN : 8

1 Lựa chọn linh kiện: 8

2 Tổng quan về linh kiện : 9

IV SƠ ĐỒ CALL GRAPH: 10

V SƠ ĐỒ ĐẶC TẢ CỦA HỆ THỐNG : 11

VI CÁC MODULE TRONG HỆ THỐNG: 12

1 Module điều khiển: 12

2 Module hiển thị và điều khiển relay: 13

3 Module cảm biến nhiệt: 13

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG 14

I SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ: 14

II SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN: 15

III SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG : 16

IV SƠ ĐỒ MẠCH IN CỦA SẢN PHẨM: 17

V CHƯƠNG TRÌNH : 18

PHỤ LỤC 22

* Thiết bị cảm biến nhiệt độ LM 35 22

a) Giới thiệu chung về LM35: 22

b) Tính năng: 23

c) Ứng dụng tiêu biểu: 23

d) Các giá trị: 26

e) Phân loại và đặc điểm: 27

* PIC16F877A 28

a) Giới thiệu 29

b) Các đặc tính ngoại vi: 29

c) Các đặc tính analog: 29

d) Các đặc tính khác của vi điều khiển: 29

a) Các chức năng của chân: 39

b) Sơ đồ khối của HD44780: 41

c) Tập lệnh của LCD : 42

* RELAY 47

a) Các loại rơ-le và cách xác định trạng thái của nó 47

b) Thông số của một module relay 48

* CÁC LOẠI LINH KIỆN KHÁC 49

+ Thạch anh dao động : 49

+ Tranzitor 49

+ Các loại điện trở 50

Lời Nói Đầu

Trong thời kỳ công nghiệp hóa và hiện đại hóa như ngày nay, các thiết bị điện

tử, tự động hóa đóng một vai trò rất quan trọng, đặc biệt là trong quá trình sản xuất

ở các phân xưởng, nhà máy cũng như là trong đời sống gia đình Áp dụng những kiến thức đạt được trong quá trình học môn Vi Điều Khiển, chúng em quyết định

chọn đề tài: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐIỀU KHIỂN

Qua đó, nhóm sinh viên xin chân thành cám ơn thầy Th.S Lê Quốc Đán đã nhiệt tình

giúp đỡ và hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt đề tài của đồ án

Đồ án được trình bày thành 03 chương

Chương 1: Khảo sát và phân tích hệ thống: Tìm hiểu qua và khảo sát thực tế về

các linh kiện, các loại IC, LCD, hoạt động của các loại cảm biến sử dụng trong hệ thống

Chương 2: Thiết kế hệ thống: Lựa chọn giải pháp: Chọn giải pháp công nghệ, giải

pháp thiết kế, các yêu cầu và giới hạn cho hệ thống.Thiết kế nguyên lý: Sơ đồ tổng quát, sơ đồ đặc tả, lựa chọn và tổng quan về linh kiện.Thiết kế kỹ thuật: Module mạchđiều khiển,module điều khiển trung tâm, module tương tác điều khiển, module điều khiển, module hiển thị

Chương 3: Xây dựng hệ thống: Sơ đồ mạch, chương trình demo, các module

chương trình

Tuy nhiên do kiến thức chuyên môn còn hạn chế, tài liệu tham khảo có giới hạn

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG

I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI :

Nhiệt độ môi trường luôn ảnh hưởng trực tiếp tới sinh hoạt và đời sống của chúng ta Việc xác định nhiệt độ môi trường từ lâu đã là điều không thể thiếu Chúng ta có rất nhiều cách xác định nhiệt độ môi

trường như nhiệt kế thuỷ ngân … Ngày nay với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật thì nhiệt độ được xác định và xử lý dựa vào các linh

kiện điện tử để giúp đạt hiệu quả cao nhất Vì vậy nhóm chúng em đã

chọn đề tài : ‘‘THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐIỀU KHIỂN

RELAY’’

II MỤC ĐỊCH YÊU CẦU CỦA BÀI TOÁN :

Đầu vào là nhiệt độ môi trường thông qua bộ cảm biến và bộ vi xử lý

để điều khiển relay Từ đó ta có yêu cầu bài toán như sau :

Hiển thị chính xác nhiệt độ môi trường xung quanh

Hiển thị qua LCD và điều khiển relay

Hiển thị làm việc ổn định, tốc độ đáp ứng nhanh

III KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH BÁI TOÁN :

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay nhu cầu về giám sát nhiệt độ có nhiều ứng dụng trong cuộc sống như: giám sát nhiệt độ của của lò sấy, phòng thí nghiệm…nơi mà có những yêu cầu cao về

tính ổn định của nhiệt độ Nên trong đồ án này, em chọn đối tượng đo là nhiệt độ môi trường, và trình bày một mạch đo nhiệt độ phòng sử dụng IC tích hợp LM35.

2 Quy tình đo nhiệt độ

Hình 1.1 Sơ đồ đo nhiệt độ

*Quá trình thực hiện đo:

Nhiệt độ môi trường là tín hiệu tương tự thông qua khối cảm biến thu nhận tín hiệu và chuyển thành tín hiệu điện tương tự gửi đến ADC Qua khối ADC tín hiệu chuyển đổi thành tín hiệu số truyền đến khối vi điều khiển xử lý truyền ra khối hiển thị và điều khiển relay

3 Các yêu cầu và giới hạn của hệ thống trong thực tế :

a) Các yêu cầu :

- Đo và hiển thị nhiệt độ của môi trường một thời điểm bất kỳ trong khoảng từ 0 đến 99 độ C

- Chịu được nhiệt độ thay đổi

- Sử dụng sensor cảm biến nhiệt

- Hiển thị trên LCD và điều khiển relay

- Chi phí cho hệ thống với giá hợp lý

b) Giới hạn cho hệ thống :

- Sử dụng nguồn điện 5V

- Kích thước phù hợp với người sủ dụng

- Hệ thống bê được bằng tay

ĐỐI

TƯỢNG

CẦN ĐO

CẢM BIẾN

ĐIỀU KHIỂN

XỬ LÝ ADC

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG

I SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT :

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quátChi tiết từng khối trong sơ đồ như sau:

a) Khối cảm biến nhiệt độ

Khối cảm biến có chức năng thu nhận tín hiệu tương tự ( nhiệt độ môi trường ) rồigửi đến khối chuyển đổi ADC dưới dạng điện

b) Khối xử lý

HIỂN THỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN

NGUỒN

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

RESET

VI ĐIỀU KHIỂN

LCD, LED 7 đoạn hoặc LED đơn

d) Reset

Khối có chức năng reset lại hệ thống, giúp hệ thống làm việc từ đầu

e) Khối nguồn

Cung cấp điện cho các khối trong sơ đồ

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ :

Khi nhiệt độ môi trường tác động vào bộ cảm biến, bộ cảm biến sẽ thu nhận rồi gửi đến khối chuyển đổi ADC dưới dạng điện tương tự Ở đây ADC có nhiệm vụ biếnđổi tín hiệu tương tự đó thành tín hiệu số và gửi cho khối vi điều khiển Khối vi điều khiển xử lý tín hiệu rồi đưa ra ngoài thông qua khối hiển thị và điều khiển relay đóng hoặc mở thông qua nhiệt độ

II LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ :

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

tỉ lệ thuận tuyến tính với nhiệt độ (ºC) do đó có lợi thế hơn so với cảm biến nhiệt độ tuyến tính hiệu chuẩn trong ºK, chẳng hạn như người dùng không phải trừ đi một lượng lớn hằng số điện áp từ đầu ra để phân chia thang nhiệt độ thuận tiện hơn

 LM35 không cần hiệu chuẩn hay chỉnh sửa để đưa về nhiệt độ chính

xác như ±1/4ºC ở nhiệt độ phòng và ±3/4ºC trong khoảng -55 đến 150ºC Sai sốthấp vì được vi mạch điều chỉnh

 Trở kháng đầu ra của LM35 thấp, đầu ra tuyến tính và hiệu chuẩn chính xác giúp đọc và kiểm soát mạch dễ dàng Nó được sử dụng với nguồn một chiều Chỉ sử dụng 60µA từ nguồn nên nhiệt độ vi mạch tăng rất ít, thấp hơn 0,1ºC trong không khí.Được đánh giá cao khi hoạt động trong khoảng -55 đến 150ºC, trong khi LM35C được đánh giá trong khoảng -40 đến 110ºC (-10ºC với độ chính xác được cải thiện).

+ Sử dụng PIC16F877A vì :

 Trong PIC tích hợp sẵn ADC thuận tiện cho quá trình lập trình và tiến

hành lắp mạch tốc độ xử lý nhanh tốc độ tối đa cho phép 20MHz với 1 chu

kỳ 20s Chúng ta có thể sử dụng AT89C51 nhưng phải kết hợp với ADC lên

rất phức tạp

 Trong chíp tích hợp nhiều modul của một vi xử lý hiện đại như: timer,

ADC, CCP, PWM…và bộ nhớ chương trình đủ lớn cho phép thực hiện

các dự án trung bình

2 Giải pháp thiết kế :

Thiết kế hệ thống có vai trò rất quan trọng chất lượng của phần mềm phụ thuộc rất nhiều vào bản thiết kế Một bản thiết kế tốt còn giúp cho việc thực hiện các giai đoạn khác dễ dàng hơn, giúp cho người thực hiện hoàn thành chính xác hơn công việccủa mình Các quy trình thiết kế thường được sử dụng như: Top-Down, Bottom-Up hoặc kết hợp cả hai quy trình trên.Ở đây chúng em lựa chọn giải pháp thiết kế là Top-

Down

Top-down: Quy trình này tiếp cận bài toán theo hướng xem xét bài toán từ các

khía cạnh chi tiết và sau đó mới tổng quát lên Quy trình Top-Down thường được áp dụng cho các bài toán đã có giải pháp công nghệ cả về phần mềm cũng như phần cứng Các giải pháp này đã được phát triển trước đó ở các ứng dụng khác, và đã được kiểm định

Trong thực tế chúng ta sẽ thấy, bản chất hay mấu chốt của quy trình là vấn đề tìm hiểu và xác định bài toán, làm sao để xác định được chính xác và đầy đủ nhất các

Hình 2.2 Sơ đồ khối quy trình kế TOP-DOWN

Phân tích vấn đề (Analyze the proplem)

Thiết kế nguyên lý (High level design)

Thiết kế kỹ thuật (Engineering design)

Kiểm tra (Test)

Xây dựng hệ thống (Implementation)

buộc cho hệ thống mới

Các yêu cầu và các điều kiện rằng buộc đã được xác định cụ thể

Sơ đồ khối và các biểu đồ luồng dữ liệu

Các cấu trúc dữ liệu Các giao tiếp vào ra Biểu đồ quan hệ giữa các khối chức năng

Phần cứng Phần mềm

Đạt yêu cầu Không Đạt yêu

cầu

III LỰA CHỌN TỔNG QUAN VỀ CÁC LINH KIỆN :

1 L ựa chọn linh kiện :

 Khối cảm biến

+ Để đo lường nhiệt độ thì có thể sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau, mỗi loại có

một ưu điểm riêng phù hợp với tùng yêu cầu riêng Ở đây yêu cầu của bài tập là đo nhiệt môi trường bình thường nên sủ dụng LM35 là tối ưu nhất vì : đây là loại cảm biến có độ chính xác cao, tầm hoạt động tuyến tính từ 0 – 128 độ C, tiêu tán công suấtthấp

+ Hệ thống đơn giản hơn nhiều,kích thước nhỏ,hơn nữa sẽ giảm được độ kém ổn định

do nhiều linh kiện gây ra

+ Có thể thay đổi thêm chức năng bằng cách thay đổi mềm

+ Phương án 1 : Dùng led 7 thanh

Ưu điểm : Đơn giản , rẻ và có góc nhìn rộng

Nhược điểm : Không chỉ dẫn cụ thể, giới hạn ký tự hiện ra Nếu muốn hiển thị dài cần nhiều LED và đi kèm nó là bộ giải mã Điều này làm cho hệ thống trở nên cồng

Nhược điểm : Giá thành đắt.

Kết luận : Sau khi cân nhắc các phương án đưa ra và khả năng phối hợp giữa các khối, phù hợp với đề tài, chúng em lựa chọn giải pháp :

- Thiết bị cảm biến nhiệt độ LM35

- Các linh kiện khác như: tranzito, thạch anh, tụ diện …

***(Được đưa vào phần phụ lục cuối báo cáo)***

IV SƠ ĐỒ CALL GRAPH:

Hình 2.3 Sơ đồ CALL GRAPH

VI ĐIỀU KHIỂN

Tín hiệu số

CẢM BIẾN

Tín hiệu điện Tín hiệu điện

Tín hiệu số

Hình 2.4 Sơ đồ đặc tả của hệ thống

Hiển thị và điều khiển

Bộ vi xử lý

Bộ cảm biến

Bộ biến đổi

ADC

Nhiệt độ môi trường

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ :

Nhiệt độ môi trường là một dạng tín hiệu tương tự được bộ cảm biến thu nhận và chuyển thành tín hiệu điện tương tự rồi gửi đến bộ chuyển đổi ADC Từ tín hiệu tương tự được đưa vào ADC mã hoá và chuyển nó thành tín hiệu điện dạng số gửi đến

bộ vi xử lý Ở đây tín hiệu số được xử lý theo chương trình đã viết để điều chỉnh hiển thị nhiệt độ theo quy ước

VI CÁC MODULE TRONG HỆ THỐNG:

1 Module điều khiển:

Hình 2.5 Module điều khiển

- Nhận tín hiệu từ cảm biến qua bộ biến đổi ADC của VDK có chức năng chuyểnđổi từ tín hiệu analog sang digital Điều khiển,xử lý rồi đưa tới khối hiển

- Nút ấn và điện trở để tạo ra RESET cho PIC

- Thạch anh tạo dao dộng và các tụ lọc nhiễu

2 Module hiển thị và điều khiển relay:

Hình 2.6 Module hiển thị và điều khiển relay

- LCD nhận tín hiệu từ cổng RD0->RD2, RD4->RD7 để hoạt động

- Khi tín hiệu ở các transistor là mức logic cao thì led được kích hoạt và điều khiển relay

3 Module cảm biến nhiệt:

Hình 2.8 Module cảm biến nhiệt

- Cảm biến nhiệt LM35 có vai trò đo nhiệt độ môi trường , sau đó truyền tín hiệu đo được cho pic dưới dạng điện áp Đầu ra số 3 của biến trở được nối vào chân RA0 của VĐK

- LM 35 cứ tăng 1oC thì điện áp tăng 10mv

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG

I SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ:

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống

II SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN:

Hình 3.2 Sơ đồ thuật toán

Định nghĩa các biến, càiđặt các thông số LCD

Đọc giá trị nhiệt độhiện tại từ ADC PIC16F877A

Hiển thị các giá trị nhiệt độ lên LCD và điều khiển relay

Bắt đầu

Kết thúc

III SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG :

Hình 3.3 Sơ đồ tổng thể mô phỏng bằng PROTEUS

Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Khi khởi động hệ thống, cảm biến nhiệt LM35 sẽ thu nhận tín hiệu tương tự đầu vào là nhiệt độ môi trường được mã hóa thành tín hiệu điện đưa tới bộ vi xử lý Tín hiệu này được đưa vào vi điều khiển qua chân AN0 (analog của ADC) của

PIC16f877A; trong pic đã tích hợp sẵn bộ chuyển đổi tương tự sang số  tín hiệu điện áp được chuyển đổi sang tín hiệu số và được xuất ra cổng từ RD0->RD2, RD4-

>RD7 được hiển thị lên màn hình LCD 16x2 ; xuất ra cổng RB4,RB5 để điều khiển

Vcc=5V nên tại 0 độ C hay 273 độ K thi đầu ra của LM35 là 0 V

Độ phân giải ADC là 10 bit thì ta có nguồn vào

#define LCD_ENABLE_PIN PIN_D0

#define LCD_RS_PIN PIN_D1

#define LCD_RW_PIN PIN_D2

#define LCD_DATA4 PIN_D4

#define LCD_DATA5 PIN_D5

#define LCD_DATA6 PIN_D6

#define LCD_DATA7 PIN_D7

PHỤ LỤC

TỔNG QUAN CHI TIẾT VỀ CÁC LINH KIỆN

* Thiết bị cảm biến nhiệt độ LM 35

a) Giới thiệu chung về LM35:

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

tỉ lệ thuận tuyến tính với nhiệt độ (ºC) do đó có lợi thế hơn so với cảm biến nhiệt

độ tuyến tính hiệu chuẩn trong ºK, chẳng hạn như người dùng không phải trừ đi một lượng lớn hằng số điện áp từ đầu ra để phân chia thang nhiệt độ thuận tiện hơn

Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, ở nhiệt độ 25(0C) nó có sai số

±1/4ºC ở nhiệt độ phòng và ±3/4ºC trong khoảng -55 đến 150ºC.Sai số thấp vì được vi mạch điều chỉnh.

Trở kháng đầu ra của LM35 thấp, đầu ra tuyến tính và hiệu chuẩn chính xác giúp đọc và kiểm soát mạch dễ dàng

Nó được sử dụng với nguồn một chiều Chỉ sử dụng 60µA từ nguồn nên nhiệt

độ vi mạch tăng rất ít, thấp hơn 0,1ºC trong không khí

Được đánh giá cao khi hoạt động trong khoảng -55 đến 150ºC, trong khi

LM35C được đánh giá trong khoảng -40 đến 110ºC (-10ºC với độ chính xác được cải thiện)

Dòng LM35 đã được đóng gói sẵn trong các khối bán dẫn kín TO-46, LM35C, LM35CA và LM35D được đóng gói trong khối bán dẫn TO-92

 Vi mạch tăng nhiệt thấp, 0,06ºC trong không khí

 Trở kháng ra thấp, 0,1Ω cho 1mA tải

c) Ứng dụng tiêu biểu:

Hình 3 Cảm biến nhiệt độ (ºC) cơ bản

Hình 4 Cảm biến toàn bộ trong phạm vi nhiệt độ (-55ºC - 150ºC)

Hình 5 Cảm ứng nhiệt độ từ xa 2 dây (cảm biến nối đất)

Hình 6 Cảm ứng nhiệt độ từ xa 2 dây (đầu ra nối đất)

Hình 7 Cảm biến nhiệt độ, nguồn đơn, -55ºC – 150ºC

Hình 8 Nhiệt kế Fahrenheit

Hình 9 Nhiệt kế bách phând) Các giá trị:

 Áp nguồn: +35V đến -0,2V

 Áp ra: +6v đến -1V

 Dòng ra: 10mA

o TO-46 Package (hàn 10 giây): 300ºC

o TO-92 and TO-220 Package (hàn 10s): 260ºC

 Phạm vi nhiệt độ:

o LM35, LM35A: -55ºC đến +150ºC

o LM35C, LM35CA: -40ºC đến +110ºC

o LM35D: 0ºC đến +100ºC

e) Phân loại và đặc điểm:

Thông

Đơn vị Thuộc

tính

Giới hạn thử nghiệm

Giới hạn thiết kế

Thuộc tính

Giới hạn thử nghiệm

Giới hạn thiết kế

67

133

56 91 56,2 91,5

67 68

114 116

µA µA µA µA

dài 14 bit, mỗi lệnh thực thi trong 1 chu kỳ xung clock, tốc độ tối đa cho phép 20MHz với 1 chu kỳ 20 ns.

 Bộ nhớ chương trình là 8K X 14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368 X 8 byte Ram và bộ nhớ dữ liệu EEPROM dung lượng 256 X 8 byte

 Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O

b) Các đặc tính ngoại vi:

 Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

 Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep

 Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler

 Hai bộ capture/so sánh/điều chế độ rộng xung

 Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C

 Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ

 Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển

RD, WR, CS ở bên ngoài

c) Các đặc tính analog:

 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit

 Hai bộ so sánh

d) Các đặc tính khác của vi điều khiển:

 Bộ nhớ flash ghi/xóa được 100.000 lần

 Bộ nhớ EEPROM ghi/xóa 1.000.000 lần, lưu trữ trên 40 năm

 Khả năng nạp chương trình với sự điều khiền của phần mềm

 Nạp chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân

 Watchdog Timer với bộ dao động trong

 Chức năng bảo mật

 Chế độ sleep

 Hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau