Nhiệt độ, độ ẩm là các đại lượng vật lý có ảnh hưởng lớn tới chức năng, tínhhoạt động ổn định hầu hết của các thiết bị điện tử. Khi nhiệt độ, độ ẩm tăng cao cóthể dẫn đến các sai lệch về giá trị các linh kiện điện tử và gây nên các sai số tínhiệu, nghiêm trọng nhất là giảm tuổi thọ của thiết bị, từ đó gây ra những tổn thất về cả công sức và tiền bạc. Vì vậy trong nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các thiết bị điện tử, yêu cầu về đảm bảo hoạt động của các linh kiện trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm cao hoặc thay đổi bất thường là một trong những yêu cầu kỹ thuật quan trọng của thiết bị. Để thực hiện yêu cầu này, đề tài đặt ra vấn đề thiết kế một buồng thử nghiệm có thể thay đổi giá trị nhiệt độ, độ ẩm phục vụ cho quá trình thử nghiệm các module và thiết bị điện tử công suất nhỏ.
Trang 1hoạt động ổn định hầu hết của các thiết bị điện tử Khi nhiệt độ, độ ẩm tăng cao có thể dẫn đến các sai lệch về giá trị các linh kiện điện tử và gây nên các sai số tín hiệu, nghiêm trọng nhất là giảm tuổi thọ của thiết bị, từ đó gây ra những tổn thất về
cả công sức và tiền bạc Vì vậy trong nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các thiết bị điện
tử, yêu cầu về đảm bảo hoạt động của các linh kiện trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm cao hoặc thay đổi bất thường là một trong những yêu cầu kỹ thuật quan trọng của thiết bị Để thực hiện yêu cầu này, đề tài đặt ra vấn đề thiết kế một buồng thử nghiệm có thể thay đổi giá trị nhiệt độ, độ ẩm phục vụ cho quá trình thử nghiệm các module và thiết bị điện tử công suất nhỏ
Trong nội dung đề tài này, em đã tìm hiểu về “Phương pháp điều khiển nhiệt độ-độ ẩm của buồng thử nghiệm đánh giá khả năng hoạt động ổn định của các module và thiết bị công suất nhỏ” với dải làm việc từ 25oC-70oC
Nội dung đề tài bao gồm:
PHẦN I: TỔNG QUAN
PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
PHẦN III: CẤU TẠO VÀ CÁC BỘ PHẬN BUỒNG THỬ NGHIỆM
PHẦN IV: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
PHẦN V: KẾT LUẬN
Tuy nhiên do thời gian có hạn và hạn chế về kiến thức nên bản đồ án không tránh khỏi những sai sót Rất mong các thầy cô góp ý để em có thể hoàn thiện hơn
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đề tài này em đã nhận được sự giúp đỡ của nhiều người
Trước hết, em xin được bày tỏ lời cảm ơn đến PSG-TS Phạm Đình Khang đã định hướng đề tài, bình duyệt kết quả nghiên cứu, hướng dẫn và tạo điều kiện cho
em hoàn thành đồ án
Xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến Trung úy Trịnh Văn Ninh đã tận tình chỉ bảo, hỗ trợ, giúp đỡ và truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm suốt tiến trình thực hiện đề tài
Xin trân trọng cảm ơn Viện Hóa Học-Môi Trường Quân Sự, đặc biệt là Thiếu
tá Đinh Tiến Hùng và các anh, chị Phòng Phóng Xạ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất và cơ sở vật chất để em thực tập và hoàn hoàn thành đồ án tại Viện
Xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Viện Kỹ Thuật Hạt Nhân Và Vật Lý Môi Trường đã dạy dỗ và dìu dắt em trong suốt 5 năm học vừa qua, để em có được kiến thức chuyên môn cần thiết để thực hiện tốt đồ án, cũng như chuẩn bị kiến thức cho công việc trong tương lai
Cuối cùng, em xin chân thành gửi những lời biết ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè những người luôn sát cánh cùng chúng em, nuôi dưỡng chăm sóc, tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học tập để có kết quả như ngày hôm nay
Trang 3MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
LỜI CẢM ƠN 2
MỤC LỤC 3
DANH MỤC HÌNH VẼ 5
DANH MỤC BẢNG VÀ BIỂU ĐỒ 7
DANH MỤC KÍ TỰ ĐẶC BIỆT VÀ VIẾT TẮT 8
1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm đến hệ điện tử 9
1.1.1 Tác động của nhiệt độ 9
1.1.2 Tác động do độ ẩm 10
1.2 Giới thiệu về tủ thử nghiệm nhiệt độ-độ ẩm trên thị trường 11
1.2.1 Giới thiệu chung 11
1.2.2 Ứng dụng 11
1.3 Thiết kế ý tưởng 12
PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 13
2.1 Sơ đồ khối 13
2.2 Các thành phần mạch điều khiển 15
2.2.1 Khối cảm biến 15
2.2.1.1 Khái niệm cảm biến 15
2.2.1.2 Cảm biến SHT1x 16
2.2.2 Tổng quan về các chức năng của Atmega8 trong mạch điều khiển 20
2.2.2.2 Điều khiển vào ra (I/O) 22
2.2.2.3 Chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 22
2.2.3 Khối hiển thị 26
2.2.4 Khối nguồn 29
2.2.4.1 Khối nguồn cung cấp điện áp cho bộ gia nhiệt-gia ẩm 29
2.2.4.2 Nguồn nuôi hệ điều khiển [5] 29
2.2.5 Khối đóng ngắt 32
2.2.5.1 Opto 32
2.2.5.2 Rơ-le 33
2.2.5.3 Đóng ngắt dùng opto-rơ le 34
Trang 42.3 Sơ đồ thuật toán điều khiển 36
Phần III: THIẾT KẾ BUỒNG THỬ NGHIỆM 38
3.1 Các bộ phận của buồng thử nghiệm: 38
3.1.1 Bộ phận gia nhiệt 38
3.1.1.1 Bộ làm nóng 38
3.1.1.2 Bộ làm lạnh 38
3.1.2 Bộ phận gia ẩm 40
3.1.2.1 Bộ hạ ẩm 40
3.1.2.2 Bộ tạo sương 41
3.1.3 Lớp cách nhiệt-cách ẩm bằng bông thủy tinh 43
3.2 Mô hình thiết kế buồng thử nghiệm 44
PHẦN IV: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 46
4.1 Kết quả đo nhiệt độ-độ ẩm từ điều kiện ban đầu ở nhiệt độ và độ ẩm phòng 46 4.2 Một vài kết quả khi đo trong điều kiện đặc biệt 50
4.3 Kết quả đo nhiệt độ từ cảm biến và nhiệt kế 50
4.4 Đánh giá kết quả thu được 51
KẾT LUẬN 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO 55
[1] ATMEGA8-16PU Datasheet-ATMEL Corporation 55
PHỤ LỤC 1 LINH KIỆN VÀ THÔNG SỐ CÁC LINH KIỆN ĐÃ SỬ DỤNG 56
PHỤ LỤC 2: THÔNG SỐ MỘT SỐ BỘ PHẬN BUỒNG THỬ NGHIỆM 59
PHỤ LỤC 3: CODE THƯ VIỆN SHT10 62
PHỤ LỤC 4: CODE CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 75
PHỤ LỤC 5: CÁC THÔNG SỐ KHÁC 84
PHỤ LỤC 6: HÌNH ẢNH THIẾT BỊ ĐÃ CHẾ TẠO 88
Trang 5DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1 1: Dây diện bị cháy do nhiệt độ cao 9
Hình 1 2: Cháy chập mạch điện tử 10
Hình 1 3: Vi mạch bị hoen rỉ 10
Hình 1 4: Tủ thử nghiệm nhiệt độ-độ ẩm HD-100T 11
Hình 2 1 Sơ đồ khối của hệ thống 13
Hình 2 2: Sơ đồ nguyên lý 14
Hình 2 3: Mô hình cảm biến 15
Hình 2 4: Cảm biến SHT11x 16
Hình 2 5: Sơ đồ kết SHT1x với vi điều khiển 17
Hình 2 6: Quá trình truyền dữ liệu từ vi điều khiển về SHT11 19
Hình 2 7: Sơ đồ mô tả cách truyền dữ liệu từ SHT đến vi điều khiển 20
Hình 2 8: Sơ đồ chân Atmega8-16PU 21
Hình 2 9: Thiết kế nguồn cho ADC 23
Hình 2 10: LCD 16x2 27
Hình 2 11: Sơ đồ kết nối chân RS 27
Hình 2 12: Sơ đồ kết nối chân LCD với Amega8 28
Hình 2 13: Nguồn tổ ong 12V-15A 29
Hình 2 14: Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn 5V 30
Hình 2 15: Các chân của LM7805 31
Hình 2 16: Cấu tạo opto PC817 32
Hình 2 17: PC817 33
Hình 2 18: Cấu tạo rơ-le 5 chân 34
Hình 2 19: Sơ nguyên lý đóng ngắt dùng opto-relay 35
Hình 3 1: Bộ làm nóng 38
Hình 3 2: Sò nóng lạnh TEC1_12715 39
Hình 3 3: Bộ làm lạnh 40
Hình 3 4: Bộ hạ độ ẩm 40
Hình 3 5: Cấu tạo đầu phun sương 41
Hình 3 6: Mô phỏng hoạt động tấm áp điện 41
Hình 3 7: Đầu tạo sương siêu âm 42
Hình 3 8: Bộ nguồn tạo sương siêu âm 42
Hình 3 9: Điều chỉnh độ phun sương bằng biến trở 43
Hình 3 10: Bông thủy tinh 44
Hình 3 11: Hình ảnh buồng thử nghiệm 45
Trang 6Phụ lục 6 1: Mạch điều khiển đã thiết kế 88 Phụ lục 6 2: Cấu tạo buồng điều khiển 88
Trang 7DANH MỤC BẢNG VÀ BIỂU ĐỒ
Bảng 2 2: Bảng lựa chọn điện áp tham chiếu 24
Bảng 2 1: Bảng 5 bits xác định yêu cầu của VĐK với SHT1x 18
Bảng 4 1: Bảng so sánh nhiệt đặt và nhiệt độ đo được từ SHT10 46
Bảng 4 2: Nhiệt độ và độ ẩm đo được theo thời gian 48
Bảng 4 3: Kết quả đo độ ẩm cao nhất tại trong giải nhiệt độ 30-750C 49
Bảng 4 4: So sánh kết quả đo được giữa nhiệt kế và SHT10 50
Biểu đồ 4 1: So sánh thể hiện sự sai lệch giữa nhiệt độ đo từ SHT10 và nhiệt độ đặt 47
Biểu đồ 4 2: So sánh nhiệt độ đo giữa nhiệt kế và SHT10 theo thời gian 51
Phụ lục 1 1: Bảng thông số của SHT1X 57
Phụ lục 1 2: Bảng thông số kĩ thuật LCD16x2 57
Phụ lục 1 3: Bảng thông số các linh kiện mạch điều khiển 58
Phụ lục 2 1: Công suất các loại sò nóng lạnh 59
Phụ lục 5 1: Bảng giá trị d1 và d2 84
Phụ lục 5 2: Bảng giá trị d2 84
Phụ lục 5 3: Bảng giá trị t1 và t2 85
Phụ lục 5 4: Mạch nguồn xung clock bên ngoài 85
Phụ lục 5 5: Lựa chọn xung nhịp cho ADC 86
Phụ lục 5 6: Bảng mã lựa chon kênh ADC của Atmega8 87
Trang 8DANH MỤC KÍ TỰ ĐẶC BIỆT VÀ VIẾT TẮT
Kí tự viết tắt Tên Tiếng Anh Thuật ngữ Tiếng Việt
RISC Reduced Instruction Set
Computer
Cấu trúc tập lệnh đơn giản
sản xuất
IR Instruction Register Thanh ghi cấu trúc của LCD
CPU Central Processing Unit Bộ xử lí trung tâm
COM/POLE Common/Pole Chân chung/tiếp điểm của rơ-le
Trang 9PHẦN I: TỔNG QUAN 1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm đến hệ điện tử
Đối với điện trở: Nhiệt độ thay đổi giá trị điện trở cũng thay đổi theo
Transistor: Nhiệt độ càng cao, thời gian để kích hoạt điện áp ngưỡng càng dài, khiến thời gian mở cổng không như thiết kế ban đầu, nghiêm trọng hơn nhiệt độ tăng làm điện trở bên trong giảm, khiến cổng không thể mở được
Dây điện:
Hình 1 1: Dây diện bị cháy do nhiệt độ cao
Dây cách điện, khi nhiệt độ tăng: Độ đàn hồi và sức bền giảm
Sai lệch các giá trị về điện trở, tụ điện, ic, transistor…làm cho các module, thiết bị điện tử hoạt động không được trơn tru và gây ra các sai số đối với các thiết
bị đo đạc, tín hiệu ra có thể nhiễu
Trang 10Ngoài ra khi thiết bị điện tử phải làm việc trong những điều kiện môi trường
có sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ cũng tác động tiêu cực, làm giảm hiệu suất của thiết bị
1.1.2 Tác động do độ ẩm
Khi độ ẩm môi trường trong không khí tăng cao, hơi ẩm sẽ ngưng tụ bên trong các thiết bị điện tử gây ra rò điện, cháy chập do đoản mạch, các chi tiết kim loại làm việc trong môi trường độ ẩm cao một thời gian dài có thể bị rỉ sét, oxi hóa, khiến cho khả năng tiếp xúc điện thấp, tín hiệu bị chập chờn, thiết bị hoạt động không ổn định, chất lượng thiết bị giảm đáng kể
Hình 1 2: Cháy chập mạch điện tử
Hình 1 3: Vi mạch bị hoen rỉ
Trang 11Hậu quả nghiêm trọng nhất là khi hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ thay đổi bất ngờ kèm theo độ ẩm cao sẽ làm giảm tuổi thọ, hiệu suất làm việc của thiết bị, gây ra những tổn thất về công sức và tiền bạc Từ yêu cầu thực
tế, để tạo ra một buồng thử nghiệm có khả năng thay đổi nhiệt độ-độ ẩm để kiểm tra
độ ổn định các thiết bị điện tử trong nhiều môi trường khác nhau, có khả năng đáp ứng yêu cầu công việc là rất cần thiết
1.2 Giới thiệu về tủ thử nghiệm nhiệt độ-độ ẩm trên thị trường
1.2.1 Giới thiệu chung
Tủ thử nghiệm nhiệt độ-độ ẩm có khả năng tạo ra đầy đủ các điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm để kiểm nghiệm độ bền, khả năng chịu đựng sự thay đổi khí hậu, chống đóng băng, chịu nhiệt, chất lượng của sản phẩm được thử nghiệm
Tủ thử nghiệm nhiệt-độ ẩm có thiết kế hiện đại, sử dụng công nghệ tiên tiến,
có thể điều khiển nhiệt độ, độ ẩm chính xác, ổn định và tin cậy, tốc độ gia nhiệt và
hạ nhiệt nhanh, đồng đều giúp tiết kiệm thời gian của người sử dụng
Hình 1 4: Tủ thử nghiệm HD-100T do Haida International sản xuất
1.2.2 Ứng dụng
Tủ thử nghiệm nhiệt độ-độ ẩm có nhiều tính năng tiện ích và thường được sử dụng trong các mục đích sau:
- Sản phẩm điện tử, linh kiện điện tử, linh kiện cảm biến
- Sản phấm ngành cơ khí, quân sự, hàng không
Trang 12- Công nghiệp sản xuất xe máy, xe hơi
- Công nghiệp hóa chất và hóa dầu
- Kiểm tra nguyên vật liệu xây dựng, nhựa, dệt may
- Kiểm tra kim loại trong ngành mạ điện kim loại
Nguyên lý hoạt động của buồng:
Cảm biến sẽ đo nhiệt độ và độ ẩm được cung cấp thông qua bộ gia nhiệt-gia
ẩm, nếu giá trị đo được vượt qua giá trị đặt, bộ gia nhiệt-gia ẩm ngắt, không cung cấp nhiệt lượng và hơi ẩm cho buồng và ngược lại nếu giá trị đo nhỏ hơn giá trị đặt,
bộ gia nhiệt và gia ẩm sẽ cấp đủ nhiệt lượng và hơi ẩm để đạt được giá trị đặt
Thiết kế của buồng:
- Kích thước 33cm × 30cm × 21cm
- Dải nhiệt độ: 250C-700C, dải độ ẩm: 0-92%
- Thiết kế xây dựng mạch điều khiển
- Bộ phận gia nhiệt, bộ phận gia ẩm
Trang 13PHẦN II: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Từ yêu cầu của đề tài và dựa trên ý tưởng, mạch điều khiển được thiết kế bao
gồm:
Thiết kế mạch đóng ngắt bộ gia nhiệt,gia ẩm
Thiết kế mạch đo nhiệt độ-độ ẩm buồng thử nghiệm
Thiết kề nguồn nuôi mạch điều khiển
2.1 Sơ đồ khối
Từ yêu cầu của đề tài và dựa trên ý tưởng, ta có sơ đồ khối sau:
KHỐI CẢM BIẾN
KHỐI HIỂN THỊKHỐI VĐK
KHỐI GIA
NHIỆT - GIA
ẨM
KHỐI ĐÓNG NGẮT
Trang 14Chức năng: Cung cấp điện áp ổn định cho các bộ phận khác: khối cảm biến,
bộ phận gia nhiệt-gia ẩm, khối điều khiển, khối hiển thị, khối đóng ngắt
- Khối điều khiển
Trang 15Chức năng: Xử lý tín hiệu đưa vào từ bộ cảm biến sau đó qua vi điều khiển để
xử lý và đưa ra kết quả đo được, đồng thời khối này có nhiệm vụ so sánh kết quả đo được với giá trị đặt cho buồng thử nghiệm để đưa ra tín hiệu điều khiển bộ đóng ngắt làm việc
- Khối đóng ngắt
Nhận tín hiệu từ khối điều khiển, tùy vào yêu cầu từ khối điều khiển mà khối đóng ngắt cho phép bộ gia nhiệt-gia ẩm tiếp tục hay ngừng cung cấp nhiệt lượng và hơi ẩm cho buồng thử nghiệm
- Khối gia nhiệt-gia ẩm
Có chức năng cung cấp lượng nhiệt và hơi ẩm vào buồng thử nghiệm để ta có được nhiệt độ, độ ẩm cần thiết dùng cho việc kiểm tra các module và thiết bị điện tử công suất nhỏ
2.2 Các thành phần mạch điều khiển
2.2.1 Khối cảm biến
2.2.1.1 Khái niệm cảm biến
Cảm biến là thiết bị điện tử nhạy cảm dùng để biến đổi các đại lượng đo lường, kiểm tra những trạng thái hay quá trình vật lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó Cảm biến chịu tác tác động của các đại lượng cần đo không có tính chất điện ( nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, ánh sáng, độ ẩm…) tác động lên cảm biến sẽ xác định mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng…) chứa đựng thông tin cho phép để xác định giá trị của đại lượng đo
Ngõ vào X
(kích thích)
Ngõ vào Y (đáp ứng)
Bộ cảm biến
Hình 1 5: Mô hình bộ cảm biếnHình 2 3: Mô hình cảm biến
Trang 16Kích thích X ở ngõ vào là các đại lượng lý, hóa không điện Đáp ứng Y ở ngõ
ra thường là các đại lượng điện và thường có biên độ khá nhỏ
Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng Y và kích thích X của bộ cảm biến
có dạng: Y=f(X) Quan hệ Y=f(X) của bộ cảm biến thường rất phức tạp và có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tác động cùng lúc lên bộ cảm biến Để đơn giản, ta chỉ xét đáp ứng X ngõ ra theo tác động của kích thích X ở ngõ vào
Để đáp ứng yêu cầu thu được các thông số về độ ẩm, nhiệt độ từ buồng thử nghiệm, em chọn cảm biến SHT10 từ dòng cảm biến SHT1x Đây là loại cảm biển
có thể đo nhiệt độ và độ ẩm chuyên dụng và có độ chính xác cao
2.2.1.2 Cảm biến SHT1x
Hình 2 4: Cảm biến SHT11x
Cảm biến SHT1x là cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm Đây là dòng cảm biến (SHT10, SHT11, SHT15, SHT75) chuyên dùng, có độ chính xác cao và độ nhạy tương đối cao, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng
SHT1x có đầu ra là tín hiệu số, tích hợp bộ chuyển đổi tương tự sang số và một mạch giao tiếp với vi điều khiển trên cùng một chip SHT1x sử dụng phương thức giao tiếp nối tiếp truyền thông đồng bộ kết hợp với khả năng tự điều chỉnh điện
áp vào cho phép quá trình chuyển đổi nhanh và dễ dàng
Cảm biến SHT1x đo độ ẩm và nhiệt độ ở 2 chế độ:
Trang 17 Chế độ 1: Đo nhiệt độ 12 bit, độ ẩm 8 bit
Chế độ 2: Đo nhiệt độ 14 bit, đo độ ẩm 12 bit Đây là chế độ thường được sử dụng
Hình 2 5: Sơ đồ kết SHT1x với vi điều khiển
a) Chức năng các chân của SHT:
Chân VCC: Cấp nguồn nuôi cho cảm biến SHT1x
Chân GND: Chân nối đất
Chân DATA: Là đường truyền dữ liệu nối tiếp, tất cả các thông tin về địa chỉ hay dữ liệu đều được truyền trên đường này theo thứ tự từng bit một
Chân SCKS: Có chức năng tạo xung giữ nhịp cho quá trình truyền nhận giữ liệu từ SHT1x lên vi điều khiển
Để tránh xung đột tín hiệu, vi điều khiển truyền dữ liệu ở mức thấp nên điện trở kéo lên bên ngoài giúp kéo tín hiệu ở mức cao
b) Giao tiếp với SHT1x với vi điều khiển:
Quá trình truyền dữ liệu từ vi điều khiển đến SHT1x [6]:
Truyền xung Start:
Trang 18- Chân DATA chuyển về 1 Bắt đầu quá trình gửi lệnh về SHT
Gửi giữ liệu đến SHT
- Gửi 0: Cho chân DATA xuống mức 0, sau đó kích xung SCK từ thấp lên cao
- Gửi 1: Cho chân DATA lên 1, sau đó kích xung SCK từ thấp lên cao
- VĐK gửi lệnh 8 bit đến SHT1x: 3 bit đầu là 0, 5 bit sau xác định yêu cầu của VĐK với SHT1x
Bảng 2 1: Bảng 5 bits xác định yêu cầu của vi điều khiển với SHT1x
Kiểm tra lỗi:
Sau khi gửi đủ 8 bit lệnh đến SHT1x thì SHT1x kiểm tra lỗi
- Cho chân DATA lên 1, sau đó chuyển chế độ là chân INPUT
- Kích xung từ thấp lên cao tạo SCK Đọc lại chân DATA
Nếu DATA=0: Gửi lệnh thành công
Nếu DATA=1: Gửi lệnh có lỗi
Trang 19Nếu gửi lệnh thành công, ta chờ một thời gian để SHT1x đo giá trị và gửi lại
dữ liệu cho vi điều khiển Lúc này chân DATA vẫn là chân INPUT SHT1x sẽ kéo chân DATA lên trong một quá trình đo chờ kết quả
Hình 2 6: Quá trình truyền dữ liệu từ vi điều khiển về SHT11
Quá trình gửi dữ liệu từ SHT1x đến vi điều khiển [6]:
Quá trình đọc dữ liệu bắt đầu khi chân DATA là mức 0 Khi đó SHT1x thông báo với vi điều khiển xử lý xong
Dữ liệu kết quả độ ẩm hay nhiệt độ SHT1x gửi tới vi điều khiển gồm 16 bit
Cứ sau 8 bit được gửi từ SHT1x, vi điều khiển truyền 1 bit ACK=0 tới SHT1x Khi bit được nhận, SHT1x truyền byte tiếp theo
Ngoài 16 bit dữ liệu, SHT1x còn gửi lại 1 byte CheckSum Ta có thể sử dụng hoặc không Sau khi nhận vi điều khiển nhận 8 bit LSB (các bit thấp) thì cho tín hiệu ACK=1 Khi đó SHT1x sẽ chuyển sang chế độ sleep và chuẩn bị đọc các bit MSB (các bit cao)
Đọc các bit MSB:
Chân DATA vi điều khiển là Input, kích xung SCK từ thấp lên cao, sau đó đọc
dữ liệu từ chân DATA
- Bit 0: DATA=0;
Trang 20- Bit 1: DATA=1;
Khi đọc được 8 bit: chuyển chân DATA của vi điều khiển thành chân Output
Vi điều khiển kéo chân DATA=0, có xung kích SCK từ thấp lên cao Byte CheckSum có thể đọc hoặc không Nếu không đọc thì chú ý bit ACK =1 Để SHT1x chuyển vào trạng thái sleep Chuẩn bị quá trình làm việc tiếp theo
Khung truyền dữ liệu SHT1x đến vi điều khiển:
Hình 2 7: Sơ đồ mô tả cách truyền dữ liệu từ SHT đến vi điều khiển
2.2.2 Tổng quan về các chức năng của Atmega8 trong mạch điều khiển
2.2.2.1 Tổng quan về Atmega8
Atmega8 kết hợp với một CPU 8-bit RICS với bộ nhớ Flash tự lập trình trong
hệ thống trên một chip, Atmega8 là một vi điểu khiển rất tối ưu của AVR, thỏa mãn các yêu cầu về một bộ vi điều khiển với độ linh hoạt cao và đem lại lợi nhuận lớn với rất nhiều ứng dụng điều khiển tác động nhanh Atmega8 được hỗ trợ đầy đủ các trình biên dịch, chương trình nạp, mạch nạp chương trình mô phỏng Do đó em đã lựa chọn Atmega8 để làm trung tâm xử lý tín hiệu đo được từ SHT10, thiết lập giá trị đặt nhiệt độ-độ ẩm và hiển thị lên LCD
Trang 21Hình 2 8: Sơ đồ chân Atmega8-16PU
Chức năng các chân của Atmega8
Atmega8 có tổng cộng 28 chân và 3 port: Port B, Port C, Port D
Port B gồm 8 chân từ PB0 đến PB7: Cổng vào/ra hai hướng 8 bit, có điện trở nối lên nguồn dương bên trong Port B cung cấp các chức năng ứng với các tính năng đặc biệt của Atmega8 như giao tiếp SPI, nối nguồn xung clock, bộ đếm Timer-Couter…
Port C gồm các chân từ PC0-PC6: Cổng vào/ra 8 bit, có điện trở nối lên nguồn dương bên trong Đây là cổng có chức năng chuyển đổi tương tự sang số, giao tiếp TWI/I2C…
Port D gồm các chân từ PD0 đến PD7: Cổng vào/ra hai hướng 8 bit, có điện trở nối lên nguồn dương bên trong, Port D cung cấp các tính năng đặc biệt của Atmega32, như giao tiếp UART, ngắt ngoài,…
Chân nguồn VCC: Điện áp nguồn nuôi của Atmega8
Trang 22Chân GND: Chân nối đất
Chân AVCC: Cung cấp nguồn cho Port C và bộ chuyển đổi ADC hoạt động Ngay khi không sử dụng bộ chuyển đổi ADC thì chân AVCC vẫn phải được kết nối tới nguồn VCC
AREF: Đây là chân điều chỉnh điện áp tham chiếu cho chuyển đổi tương tự sang số
Em sử dụng Atmega8 với các chức năng chính sau:
- Điều khiển vào ra (I/O)
- Chuyển từ tương tự sang số (ADC)
- Giao tiếp với SHT10
2.2.2.2 Điều khiển vào ra (I/O)
Atmega8 có 3 port là port B, port C, port D và các port này được điều khiển thông qua 3 thanh ghi 8 bit: PORTx, DDRx, PINx Mỗi bit của mỗi thanh ghi tương ứng với một chân của PORT
DDRx: Thanh ghị định hướng cho các chân của vi điều khiển
- DDRx=0: Cấu hình chân INPUT
- DDRx=1: Cấu hình chân là OUTPUT
PORTx: Thanh ghi cho biết mức điện áp được xuất ra ở chân OUTPUT
- PORTx=0: Điện áp xuất ra 0V
- PORTx=1: Điện áp xuất ra 5V
PINx: Thanh đọc trạng thái chân INPUT
2.2.2.3 Chuyển đổi tương tự sang số (ADC)
ADC là chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số Trên Atmega8 được tích hợp 6 kênh ADC với độ phân giải 10 bit ADC được ứng dụng rất nhiều như đo nhiệt độ, đọc giá trị điện áp, tính dòng điện, đọc phím nhấn theo thang điện trở, biến đổi tín hiệu âm thanh sang kỹ thuật số để lưu trữ,
Trang 23Trong đề tài này, ADC của Atmega8 được sử dụng để chuyển tín hiệu điện thông qua triết áp, đặt nhiệt độ-độ ẩm điều khiển cho buồng gia nhiệt-gia ẩm thông qua triết áp
a) Thiết kế nguồn cho bộ ADC
Điện áp tham chiếu cho ADC trên Atmega8 có thể được tạo bởi 3 nguồn: Dùng điện áp tham chiếu nội 2.56V, dùng điện áp AVCC hoặc điện áp ngoài đặt trên chân VREF
Khi đặt điện áp tham chiếu, nếu dùng điện áp ngoài đặt trên chân VREF thì điện áp này phải được lọc nhiễu tốt, nếu dùng điện áp tham chiếu nội 2.56V hoặc AVCC thì chân VREF cần được nối với tụ điện Trong đề tài này, em chọn AVCC làm điện áp tham chiếu Dưới đây là thiết kế nguồn điện áp tham chiếu cho ADC
Hình 2 9: Thiết kế nguồn cho ADC
Chân AVCC là chân cấp nguồn cho bộ ADC của Atmega8, không chung với VCC của chip
Chân AREF là chân chọn điện áp tham chiếu ngoài của bộ ADC (AREF Max=5V) nó sẽ so sánh điện áp tham chiếu để cho ra các mức logic tương ứng kiểu
tỷ lệ phần trăm VD: AREF=5V, ADC input =2.5V tức bằng 50% AREF thì giá trị ADC là 1024/2=512
Trang 24Các tụ lọc C16 và C15 được đưa vào để giảm nhiễu nhằm giảm sai số quá trình chuyển đổi
Công thức tính giá trị điện áp chuyển đổi:
Vì ADC của Atmega8 có độ phân giải là 10 bit nên ta có:
ADC 10bit: Vin = (VREF*ADC)/1024
Trong đó:
VREF là điện áp tham chiếu
ADC là giá trị sau chuyển đổi
b) Các thanh ghi
ADMUX (ADC Multiplexer Selection Register):
Là thanh ghi 8 bit điều khiển việc chọn điện áp tham chiếu, kênh và chế độ hoạt động của ADC Chức năng của từng bit trên thanh ghi này sẽ được trình bày cụ thể như sau:
REFS1 REFS0 ADLAR MUX4 MUX3 MUX2 MUX1 MUX0 ADMUX
- REFS1 và REFS0: 2 bit chọn điện áp tham chiếu để so sánh
REFS1 REFS0 Giá trị điện áp
Bảng 2 2: Bảng lựa chọn điện áp tham chiếu
Trang 25- ADLAR: Bit sắp xếp 2 thanh ghi ADCH và ADCL, do bộ chuyển đổi ADC
là 10 bit nên ta phải có 2 thanh ghi 8 bit để lưu giá trị chuyển đổi
Bảng chọn kênh ADC tra bảng phụ lục 5.5
ADCSRA: Là thanh ghi điều khiển bộ ADC:
- ADEN: Bit cho phép bộ ADC hoạt động
- ADSC: Bit cho phép bộ ADC chuyển đổi, khi quá trình chuyển đổi hoàn tất bit này sẽ tự động được xóa về 0, muốn bộ ADC chuyển đổi tiếp ta bắt buộc phải set lại bit này
- ADFR: Bit cho chế độ liên tục chuyển đổi, nếu set bit này thì bộ ADC sẽ liên tục chuyển đổi
- ADIE: Bit cho phép ngắt bộ ADC Khi chuyển đổi hoàn tất sẽ có một ngắt xảy ra nếu cho phép ngắt ADC
Trang 26- ADPS2:0: 3 bit chọn xung nhịp cho bộ ADC, tốc độ chuyển đổi phụ thuộc vào 3 bit này Chế độ 10 bit sẽ chuyển đổi chậm hơn chế độ 8 bit
Chọn tốc độ xung nhịp bộ ADC, tra thông số bảng phụ lục 5.4
2.2.3 Khối hiển thị
Đối với việc hiển thị kết quả đo và kiểm soát giá trị mà em đặt cho buồng thử nghiệm, ta sử dụng LCD 16x2 LCD là loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị các dòng chữ và số trong bảng mã ASCII Mỗi ô của LCD bao gồm các chấm tinh thể lỏng, kích thước LCD được định nghĩa bằng số ký tự có thể hiển thị trên 1 dòng và tổng số dòng mà LCD có
Text LCD có 2 cách giao tiếp cơ bản là nối tiếp và song song Ta sử dụng LCD16x2 tích hợp sẵn chip HD44780U là loại giao tiếp song song HD44780U là
bộ điều khiển ma trận điểm, có thể dùng cho các loại LCD có 1 hoặc 2 dòng hiển thị HD 44780U có 2 mode giao tiếp là 4 bit và 8 bit
Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường từ DB0 đến DB7, với bit MSB là bit DB7
Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7
HD44780U có 2 thanh ghi 8 bit là thanh ghi tập lệnh (INSTRUCTION REGISTER-IR) và thanh ghi dữ liệu (DATA REGISTER-DR) Thanh ghi IR chứa
mã lệnh điều khiển LCD và chỉ có chức năng ghi dữ liệu Thanh ghi DR chứa các loại dữ liệu như ký tự cần hiển thị hoặc dữ liệu đọc ra từ bộ nhớ LCD Cả 2 thanh ghi đều được nối với các đường dữ liệu DB0:DB7 và được lựa chọn tùy theo các chân điều khiển RS, RW, EN [4]
Trang 27Sơ đồ và chức năng của các chân LCD 16x2
Hình 2 11: Sơ đồ kết nối chân RS
Trang 28 Chân số 5 - RW: Chân lựa chọn giữa đọc và ghi RW=0 thì dữ liệu sẽ được
ghi từ bộ điều khiển ngoài vào LCD RW=1 dữ liệu sẽ được đọc từ LCD ra
ngoài
Chân số 6 - EN: Chân cho phép,s au khi các tín hiệu được đặt bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân EN
- Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus được LCD chuyển vào thanh ghi bên trong
nó khi phát hiện một xung từ cao xuống thấp của tín hiệu chân EN
- Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện xung
từ thấp lên cao ở chân EN và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân EN xuống mức thấp
Chân số 7 đến chân số 14 - D0 đến D7: Các bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với Atmega8
Chân số 15 - A: Nguồn dương cho đèn nền
Chân số 16 - K: Nguồn âm cho đèn nền
Thông số kĩ thuật của LCD tra theo bảng phụ lục 1 3
Hình 2 12: Sơ đồ kết nối chân LCD với Amega8
Trang 292.2.4 Khối nguồn
Khối nguồn nuôi có tác dụng cung cấp điện áp ổn định cho các khối còn lại:
Khối gia nhiệt-gia ẩm: Điện áp cung cấp 12V
Khối hiển thị, khối đóng ngắt, khối cảm biến, khối điều khiển: Các khối này đều cần điện áp cung cấp 5V
2.2.4.1 Khối nguồn cung cấp điện áp cho bộ gia nhiệt-gia ẩm
Sử dụng nguồn tổ ong 12V-15A để cung cấp điện áp cho hệ thống
Hình 2 13: Nguồn tổ ong 12V-15A
Nguồn tổ ong là bộ phận chuyển đổi điện áp từ nguồn điện xoay chiều (AC)
về nguồn điện một chiều (DC), cung cấp nguồn điện thích hợp cho thiết bị điện tử hoạt động ổn định, thường được sử dụng trong các mạch công suất, tủ điều khiển tự động
Thông số nguồn tra phụ lục 1.4
2.2.4.2 Nguồn nuôi hệ điều khiển [5]
Mạch điều khiển sử dung vi điều khiển, LCD và bộ đóng ngắt cần được cung cấp nguồn một chiều ổn định 5V, nếu điện áp không nằm trong khoảng đó mà dưới mức giới hạn thì các linh kiện điện tử không hoạt động, còn trên mức giới hạn có
Trang 30thể làm hỏng vi mạch Do vậy, trong mạch thiết kế dùng vi điều khiển người ta phải dùng một nguồn cung cấp ổn định để nuôi vi điều khiển và các khối liên quan Điện
áp không thay đổi theo điện áp nguồn
Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V:
Hình 2 14: Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn 5V
Thông số chính của mạch:
- Điện áp đầu vào là 12V
- Điện áp đầu ra 5V-1A
- Có bảo vệ chống dòng ngược
- Thông số các linh kiện của mạch tra bảng 1.4 phụ lục 1
Nguyên tắc hoạt động của mạch:
Linh kiện ổn áp 7805:
Trang 31Trong thành phần một chiều có các thành phần gây ra nhiễu ảnh hưởng đến hoạt động của 7805 Nếu mạch tồn tại những thành phần gây nhiễu, làm mạch hoạt động không ổn định Hai tụ lọc nhiễu tần số cao C1 và C2 Tụ này phải là tụ không phân cực, có tác dụng lọc nhiễu thành phần đầu vào và thành phần đầu ra, đảm bảo mạch hoạt động bình thường
Trang 322.2.5.1 Opto
Opto gọi là cách ly quang là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm 1 led và 1 photo diot hay 1 photo transistor Được sử dụng để cách ly, ngăn các xung điện áp cao hay các mạch điện công suất lớn có thể làm hư hỏng các ngõ điều khiển công suất nhỏ trên một bo mạch
Hình 2 16: Cấu tạo opto PC817
Trang 33Cấu tạo và các chân rơ-le:
Trang 34Hình 2 18: Cấu tạo rơ-le 5 chân
Hai chân 2 đầu của cuộn dây (nơi cấp nguồn nuôi cuộn hút) Bình thường, khi cuộn hút chưa được cấp điện, chân COM/POLE luôn kết nối với chân NC (thường đóng) Khi cuộn dây được cấp điện, chân COM/POLE được kết nối với chân NO (thường mở) của rơ-le
Đối với thiết kế buồng thử nghiệm, bộ gia nhiệt-gia ẩm và nguồn cấp 15A được nối với chân chung, chân thường mở NO được nối với tải Khi có tín hiệu
12V-từ cuộn dây, rơ-le chuyển 12V-từ đóng sang mở, cấp điện cho tải
Rơ-le có 2 mạch độc lập nhau hoạt động Một mạch là để điều khiển cuộn dây của rơ-le, cho dòng chạy qua cuộn dây hay không, điều khiển rơ-le mở hay đóng Một mạch khác kết nối với tải, tùy vào có dòng điện chạy qua cuộn dây hay không
mà mạch công suất được cấp điện hoạt động hoặc là ngắt
2.2.5.3 Đóng ngắt dùng opto-rơ le
Sơ đồ nguyên lý:
Trang 35Hình 2 19: Sơ nguyên lý đóng ngắt dùng opto-relay
Khi lối ra từ vi điều khiển ở mức 1, không có dòng chạy qua opto, 2 cực của photo diot sẽ không được thông, nên sẽ không có tín hiệu qua R4, transistor đóng, không có dòng chạy qua cuộn cảm rơ-le, công tắc không chuyển mạch, chân COMMON/POLE của rơ-le nối với chân NC, mạch không cấp nguồn cho tải
Lối ra từ vi điều khiển ở mức 0, có dòng chạy qua opto, dòng kích sẽ kích cho Opto hoạt động Opto hoạt động cấp dòng mở thông transistor được nối với cuộn dây của rơ-le, cuộn dây có dòng điện chạy qua hút đòn bẩy và làm mở các tiếp điểm điện Nếu nối chân chung COMMON/POLE với nguồn và chân NO (thường mở) nối với tải thì khi có dòng chạy qua cuộn dây, cuộn dây sẽ kích cho công tắc chuyển hướng điểm từ chân NC sang chân NO, mạch cấp nguồn cho tải
Dòng chạy qua cuộn dây để điều khiển rơ-le đóng hay mở thường khá nhỏ nên
ta cần có một transistor để khuếch đại dòng tín hiệu nhỏ thành dòng lớn hơn cấp cho cuộn dây rơ-le
Đồng thời, rơ-le hoạt động dựa trên dòng điện chạy qua cuộn cảm đề tạo lực hút điền khiển đóng, mở các tiếp điểm Sự dừng đột ngột của cuộn cảm sẽ là nguyên nhân làm hỏng transistor hoặc IC Để tránh làm hỏng transistor thì luôn luôn có một diot kèm theo một rơ-le
Thông số của mạch tra bảng 1.4 phụ lục 1
Trang 362.3 Sơ đồ thuật toán điều khiển
DEC_TERM=0
Trang 37DEC_HUM=0
Trang 38Phần III: THIẾT KẾ BUỒNG THỬ NGHIỆM 3.1 Các bộ phận của buồng thử nghiệm:
3.1.1 Bộ phận gia nhiệt
3.1.1.1 Bộ làm nóng
Dùng để cấp nhiệt lượng và nhiệt độ cho buồng thử nghiệm, ta sử dụng dây trở nhiệt hợp kim Cr20Ni80 kết hợp quạt tản nhiệt 12V để tỏa nhiệt và phân tán nhiệt lượng nhanh và đều cho buồng thử nghiệm
Thông số bộ gia nhiệt tra theo mục 4 phụ lục 2
Hình 3 1: Bộ làm nóng
3.1.1.2 Bộ làm lạnh
Để hạ nhiệt độ hoặc làm lạnh buồng thử nghiệm, ta sử dụng sò nóng lạnh Sò nóng lạnh là tấm bán dẫn công nghệ có tính chất làm lạnh một mặt và mặt còn lại nóng lên Miếng bán dẫn nhỏ, nhẹ, lượng nhiệt ở bề mặt bên kia sẽ bằng tổng nhiệt năng hút từ bề mặt khác
Trang 39Hình 3 2: Sò nóng lạnh TEC1_12715
Do đó trong ứng dụng làm lạnh thì ta tản nhiệt cho mặt nóng càng tốt thì mặt bên kia sẽ càng lạnh, có thể xuống âm độ và đóng tuyết Nếu đặt vào 2 đầu dây một điện áp lớn khiến bề mặt bên kia rất nóng mà không có tản nhiệt đủ thì sò nóng lạnh