ĐO và điều KHIỂN tối ưu NHIỆT độ PHÒNG dùng PIC (có code và sơ đồ mạch)

ĐO và điều KHIỂN tối ưu NHIỆT độ PHÒNG dùng PIC (có code và sơ đồ mạch) ĐO và điều KHIỂN tối ưu NHIỆT độ PHÒNG dùng PIC (có code và sơ đồ mạch) ĐO và điều KHIỂN tối ưu NHIỆT độ PHÒNG dùng PIC (có code và sơ đồ mạch) ĐO và điều KHIỂN tối ưu NHIỆT độ PHÒNG dùng PIC (có code và sơ đồ mạch) ĐO và điều KHIỂN tối ưu NHIỆT độ PHÒNG dùng PIC (có code và sơ đồ mạch)

ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU

NHIỆT ĐỘ PHÒNG

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

PWM Pulse With Modulation

ADC Analog to Digital Conventer

LCD Liquid Crystal Display

IC Intergrated Circuit

CHƯƠNG 1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU VÀ LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

1.1 Mục đích và ý nghĩa của đề tài

Con người ngày càng bận rộn với công việc và cuộc sống nên việc đưa các ứngdụng mang tính tự động hóa cao sẽ giúp con người tiết kiệm được khá nhiều thờigian, đồng thời giảm phần nào áp lực Chính vì thế nhiều ứng dụng hệ thông minh

ra đời như hệ thống giao thông thông minh, nhà thông minh, hệ thống phun, tướinước tự động

Đề tài thiết kế hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ phòng chỉ là một mảng nhỏtrong hệ thống nhà thông minh, giúp cho con người có thể biết được nhiệt độ hiệntại và tận hưởng cuộc sống tốt hơn, dành thời gian để làm các công việc khác

1.2 Nội dung của đề tài

1.1.1 Chức năng

Mạch gồm có 2 chức năng chính:

• Chức năng của khối hiển thị LCD

Hiển thị nhiệt độ của môi trường lên LCD để chúng ta có thể biết chính xác nhiệt

độ môi trường ở thời điểm hiện tại

• Chức năng của khối động cơ (quạt)

Khi nhiệt độ vượt ngưỡng được cài đặt trước thì quạt sẽ tự động chạy để làm mátkhông gian

1.1.2 Yêu cầu

Cảm biến LM35 đo nhiệt độ môi trường thông qua sự thay đổi điện áp, tín hiệuđược đưa vào hệ thống vi xử lí, thông qua lập trình sẽ:

- Hiển thị nhiệt độ thực môi trường lên LCD

- Điều khiển động cơ quay theo các mức nhiệt độ bằng phương pháp điều xungPWM

- Viết code để thực hiện giao tiếp bằng CCS nạp cho PIC.

- Mạch được tiến hành thi công có mô hình thực tế cụ thể

CHƯƠNG 2 MẠCH VÀ CÁC LINH KIỆN CƠ BẢN1.4 Sơ đồ mạch thiết kế mô phỏng

Hình 2- 1:Sơ đồ mạch mô phỏng

1.5 Các linh kiện cơ bản

1.1.3 Vi điều khiển PIC 16F877A

Hình 2- 2: Cấu tạo và sơ đồ chân của PIC 16F877A

Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16xxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14bit Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock Tốc độ hoạt động tối

đa cho phép là 20MHz với một chu kì lệnh là 200ns Bộ nhớ flash chương trình là

8192 words và bộ nhớ dữ liệu là 368 bytes SRAM + 256 bytes EEPROM Số PORTI/O là 5 với 33 pin I/O

1.1.1.1 Các đặc tính ngoại vi

- Timer0: bộ nhớ 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

- Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số có thể thực hiện các chức năng dựa vàoxung 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 (Synchronuos Serial Port), ISP 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,

WS, CS bên ngoài

1.1.1.2 Các đặc tính analog

- 14 kênh chuyển đổi analog

- 2 bộ so sánh

Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:

- Bộ nhớ flash có khả năng ghi xóa được 100 000 lần

- Bộ nhớ EEPROM có khả năng xóa được 1000 000 000 lần

- Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm

- Khả năng tự nạp chương trình vói sự điều khiển của phần mềm

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

- Watchdog timer với bộ dao động trong

- Chức năng bảo mật mã chương trình

- Chế độ sleep

- Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau

1.1.1.3 Các cổng ra vào của PIC 16F877A

• PORT A: có 6 bit (tương ứng với 6 chân RA0 –RA5) các chân của cổng A cótích hợp một số chức năng ngoại vi, nếu một thiết bị ngoại vi được enable thìcổng này sẽ không hoạt động như một cổng vào ra Bình thường port A sẽ làmột cổng vào ra 2 chiều Thanh ghi xác định chiều tương ứng của các chânPort A là thanh ghi TrisA Các bit ở thanh ghi Tris A bằng 1 thì sẽ xác địnhcác chân ở Port A là đầu vào và ngược lại bằng 0 thì sẽ là đầu ra

• PORT B: Rộng 8 bit (tương ứng với RB0 - RB7) là một cổng vào ra 2 chiều.Thanh ghi qui định chiều của Port B là thanh ghi TrisB Thiết lập các thanhghi trisB bằng 1 sẽ làm cho cổng B là cổng vào và ngược lại sẽ là cổng ra

• PORT C : rộng 8 bit (tương ứng với các chân RC0 – RC7), bình thường nó làmột cổng vào ra 2 chiều Thanh ghi qui định chiều của cổng này là thanh ghi

trisC Các chân RC3, RC4 dùng để kết nối, truyền nhận thông tin giữa cácthiết bị ngoại vi.

• PORT D rộng 8 bit (RD0- RD7), nó có thể là cổng vào hoặc ra

• PORT E Rộng 3 bit (RE0 – RE2), được cấu tạo là đầu ra hoặc đầu vào Port

E có thể là đầu vào điều khiển I/O khi bit PSPSTATUS (TRISE.4) được xáclập

1.1.1.4 Chức năng của các chân

- Chân 11,32: Các chân nối nguồn VDD (VCC)

- Chân 12,31: Các chân nối đất VSS (GND)

+ AN2: Ngõ vào tương tự

+ VREF-: Ngõ vào điện áp chuẩn thấp của bộ A/D

- Chân số 5: RA3/AN3/VREF+/CVREF

+ RA3: Xuất/nhập số

+ AN3: Ngõ vào tương tự

+ VREF+: Ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộ A/D

- Chân số 6: RA4/TOCKI/C1 OUT

+ AN5: Ngõ vào tương tự 4

+ SS: Ngõ vào lựa chọn SPI phụ

- Chân số 10: RE2/CS/AN7

+ RE2: Xuất/nhập số

+ CS: Chip lựa chọn sự điều khiển ở port nhánh song song

+ AN7: Ngõ vào tương tự

- Chân số 15: RC0/T1OCO/T1CKI

+ RC0 Xuất/nhập số

+ T1OCO: Ngõ vào bộ dao động timer1

+ T1CKI: Ngõ vào xung clock bên ngoài timer1

+ SCK: Ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ ra của chế độ SPI

+ SCL: Ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ ra của chế độ I2C

- Chân số 19, 20, 21, 22: RD/SPS

+ RD0, 1, 2, 3: Xuất/nhập số

+ SPS0, 1, 2, 3: Dữ liệu port nhánh song song

- Chân số 23: RC4/SDI/SDA

+ RC4: Xuất/nhập số

+ SDI: Dữ liệu vào SPI

+ SDA: Xuất/nhập dữ liệu vào I2C

+ Chân 1: Chân nguồn VCC

+ Chân 2: Đầu ra điện áp Vout

+ Chân 3: Chân nối đất GND

1.1.1.6 Thông số và cách thức hoạt động

• Đặc điểm chính của cảm biến LM35

- Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

- Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC

- Độ chính xác cao ở 25oC là 0.5C

- Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

• Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55oC-150oC với các mức điện áp rakhác nhau Xét một số mức điện áp sau:

- Nhiệt độ -55oC điện áp đầu ra -550mV

- Nhiệt độ 25oC điện áp đầu ra 250mV

- Nhiệt độ 150oC điện áp đầu ra 1500mV

1.1.1.7 Tính toán nhiệt độ đầu ra của LM35Việc đo nhiệt độ sử dụng LM35 thông thường được chúng ta tính như sau:

- U=t*k

+ U: Điện áp đầu ra của LM35

+ t: nhiệt độ của môi trường

+ k: hệ số thay đổi theo nhiệt độ của LM35 (k=10mV/oC)

Điện áp cấp cho LM35 là 5V, ADC: 10 bit

Độ phân giải ADC: 5/1024

Giá trị ADC đo được từ điện áp đầu ra của LM35 là:

ADC=(t*k)/(5/1024)=t*2.048

Vậy giá trị nhiệt độ đo được là: t=ADC/2.048

1.1.5 Màn hình hiển thị LCD

Hình 2- 4: Cấu tạo và sơ đồ chân của LCD

1.1.1.8 Giới thiệu chung về LCDThiết bị LCD được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng của Vi Điều Khiển.LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác Nó có khả năng hiển thị kí

tự đa dạng, trực quan (chữ, số, kí tự, đồ họa) và dễ dàng đưa vào mạch ứng dụngtheo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau Tốn ít tài nguyên hệ thống và giá thànhrẻ…

1.1.1.9 Sơ đồ chân và cấu tạo

0: thanh ghi lệnh1: thanh ghi dữ liệu

1: Đọc từ LCD module

7 DB0 0/1 I/O Data Bus Line 0(LSB)

Bảng 2- 1: Chức năng các chân của LCD

1.1.6 Động cơ một chiều DC

Hình 2- 5: Hình dạng động cơ một chiều DC

1.1.1.10 Khái niệm động cơ một chiều DCĐộng cơ một chiều là máy điện chuyển đổi năng lượng điện một chiều sangnăng lượng cơ Máy điện chuyển đổi năng lượng cơ sang năng lượng điện là máyphát điện

Động cơ điện một chiều gồm loại có chổi than (DC) và loại không có chổi than(BLDC) BLDC thực chất là động cơ điện 3 pha không đồng bộ

- Với mỗi loại động cơ điện một chiều như trên thì có các ứng dụng khác nhau

1.1.1.12 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

- Cấu tạo gồm có 3 thành phần chính là stator (phần cảm), rotor (phần ứng), phầnchỉnh lưu (chổi than, cổ góp)

+ Stator: Gồm 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cữu, nam châm điện

+ Rotor: Gồm các cuộn dây quấn và được nối với nguồn 1 chiều

+ Bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quaycủa rotor là liên tục Bộ phận này gồm bộ cổ góp và bộ chổi than tiếp xúc với cổgóp. 

- Nguyên lí hoạt động

Hình 2- 6: Nguyên tắc hoạt động của động cơ DC

1.1.7 Các loại linh kiện khác

Hình 2- 8: Hình dạng tụ điện

Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi 2 bề mặt dẫn điện đượcngăn cách bởi điện môi Khi có chệnh lệch điện thế tại 2 bề mặt, tại các bề mặt sẽxuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

1.6 Tìm hiểu các kiến thức cơ bản

1.1.8 Tổng quan về đo nhiệt độ

1.1.1.18 Khái niệm về nhiệt độNhiệt độ là một đại lượng đặc trưng cho cường độ chuyển động của các nguyên

tử, phân tử của một hệ vật chất Tùy theo từng trạng thái của vật chất (rắn, lỏng,khí) mà chuyển động này có khác nhau Ở trạng thái lỏng, các phân tử dao độngquanh vị trí cân bằng nhưng vị trí cân bằng của nó luôn dịch chuyển làm cho chấtlỏng không có hình dạng nhất định Khi ở trạng thái rắn, các phần tử, nguyên tử chỉdao 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 cótrao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nóitrên gọi là sự truyền nhiệt

1.1.1.19 Đo nhiệt độ bằng cảm biến LM35Nhiệt độ là một đại lượng vật lí vô hướng do đó để đo đạc và tính toán giá trịcủa nó ta phải dùng các bộ cảm biến Mạch đo nhiệt độ dùng các loại bộ cảm biếnLM35 Các bộ cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt, mạch tích hợp chính xác cao

mà điện áp đầu ra của nó tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang Celcius

Bộ cảm biến LM35 cũng không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã đượccân chỉnh Chúng đưa ra điện áp 10mV cho mỗi sự thay đổi 1 độ C

Như vậy chỉ cần 1 bộ cảm biến LM35 ta có thể tính được giá trị nhiệt độ tại thờiđiểm xác định dựa vào điện áp đầu ra LM35 Như đã nói ở trên, ứng với mỗi thayđổi 1oC thì giá trị đầu ra sẽ tăng thêm 10mV Do đó qua một bộ chuyển đổi tín hiệutương tự (điện áp) sang tín hiệu số (bit) để hiển thị kết quả đo đạc và tính toán, xử líkết quả Mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC) ta có thể dùng IC ADC0804, ViĐiều Khiển, PIC…Ở đây chúng ta dùng PIC 16F877A, vừa chuyển đổi ADC, hiểnthị LCD, vừa điều khiển động cơ DC

1.1.9 Điều khiển tốc độ động cơ

1.1.1.20 Phương pháp điều xung PWM

• Ứng dụng của PWM trong điều khiển

- PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà chúng ta thườnghay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp… Sử dụng PWM để điềukhiển tốc độ nhanh hay chậm của động cơ hay cao hơn nữa nó còn dùng để điềukhiển sự ổn định của tốc độ động cơ

- Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia vào điều chế cácmạch nguồn như: boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha…

• Nguyên lí hoạt động của PWM

Hình 3- 2: Mạch nguyên lí điều khiển tải PWM

Hình 3- 3: Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra

Trong khoản thời gian từ t-t0 van G mở toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa ratải, còn trong khoản t0-T van G khóa cắt nguồn cung cấp cho tải Vì vậy, với t0 từ 0-

T ta sẽ cung cấp toàn bộ, một phần hay khóa hoàn toàn điện áp cung cấp cho tải

- Công thức tính điện áp trung bình của điện áp ra tải:

+ t1: Thời gian xung ở sườn dương

+ T: Thời gian ở cả sườn dương và âm (chu kì)

+ Umax: Nguồn cấp cho tải.

 Ud=Umax(t1/T) hay Ud=Umax*D

+ Trong phần cứng: Có thể tạo bằng phương pháp so sánh hay là từ trực tiếp từ

các IC dao động tạo xung vuông như: IC555, LM556…

+ Trong phần mềm: Được tạo bằng các chip có thể lập trình được Tạo bằng

phần mềm thì độ chính xác cao hơn là tạo bằng phần cứng, nên người ta hay sửdụng phần mềm để tạo PWM

1.1.10 Mô hình điều khiển động cơ

Để điều khiển động cơ quay hay ngừng quay cũng giống như công tắc điện, bậtthì quay, tắt thì ngừng Quan trọng là bật khi nào và tắt khi nào phải được thực hiệnmột cách tự động Cũng giống như nhiệt độ trong phòng ở mức 26oC thì quạt tựđộng bật, và khi nhiệt độ thấp hơn 22oC thì quạt tự động tắt Để làm được điều nàychúng ta phải cần một thiết bị đo nhiệt độ và khi nhiệt độ hiện tại lớn hơn hoặc nhỏhơn mức điện áp ngưỡng cài đặt thì động cơ (quạt) sẽ được điều khiển theo chế độ

đã được định sẵn

1.1.11 Tổng quan khối hiển thị nhiệt độ

Khi nhiệt độ được đưa qua bộ cảm biến và chuyển đổi qua tín hiệu số, chúng tacần một thiết bị để hiển thị giá trị đo được Thiết bị đó có thể là LED hoặc LCD…LCD dùng ở đây là LCD 2 hàng, mỗi hàng 16 kí tự Để sử dụng LCD, ta hãyđọc file “LCD.C” trong thư viện CCS, ở đó CCS hướng dẫn.

1.7 Các sơ đồ khối của hệ thống

Hình 3- 6: Khối điều khiển trung tâm

1.1.1.23 Module động cơ

Hình 3- 7: Sơ đồ khối động cơ

1.1.1.24 Module khối hiển thị LCD

- Điện trở chia áp RV được nối với chân 3 để chỉnh độ tương phản cho LCD

Hình 3- 8: Module khối hiển thị

1.1.14 Thi công mạch và thực nghiệm

1.1.1.25 Sơ dồ mạch in

Hình 3- 9: Mạch in khối hiển thị LCD

Hình 3- 10: Mạch in khối vi xử lí

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT1.8 Kết quả thực nghiệm

Hình 4- 1: Hình ảnh thực nghiệm 1

Hình 4- 2: Hình ảnh thực nghiệm 2

• Kết quả chạy thử

Quạt chạy theo sự thay đổi nhiệt độ của môi trường.

Nhiệt độ hiển thị lên LCD nhưng có lúc không ổn định do cảm biến nhạy dẫn tới sựthay đổi liên tục của nhiệt độ

1.9 Nhận xét

Mạch được thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng và tiện lợi

Mạch hiển thị lên LCD nên giúp cho người sử dụng dễ theo dõi và sử dụng dù trongđiều kiện thiếu ánh sáng

Tuy còn nhược điểm như độ nhạy của cảm biến dẫn tới sự thay đổi liên tục nhiệt độ

đo được, sai số do linh kiện và trong tính toán thiết kế mạch nhưng không đáng kể

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN

1.10 Kết luận

Mạch đã đáp đáp ứng yêu cầu đề tài đề ra

Do thời gian có hạn nên những hạn chế chưa được khắc phục triệt để

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt:

[1] Võ Quang Vinh-Dương Quốc Hưng (2010), Giáo trình hệ Vi Điều Khiển,Nhà xuất bản Khoa Học và Kĩ Thuật, bộ giáo dục và đào tạo Thái Nguyên.[2] Ngô Diên Tập (2006), Vi Điều Khiển với lập trình C, Nhà xuất bản KhoaHọc và Kĩ Thuật

PHỤ LỤC CODE ĐỂ ĐIỀU KHIỂN BẰNG NGÔN NGỮ C

#include <16f877a.h>

#device *=16 adc=10

#fuses hs, noput, nowdt

#use delay(clock=12M)

#define LCD_RS_PIN pin_d1

#define LCD_RW_PIN pin_d2

#define LCD_ENABLE_PIN pin_d3

#define LCD_DATA4 pin_d4

#define LCD_DATA5 pin_d5

#define LCD_DATA6 pin_d6

#define LCD_DATA7 pin_d7

setup_adc_ports(AN0);//cau hinh PIN:ADC

set_adc_channel(0);//Truoc khi doc ADC can chi ro kenh can doc