Thiết kế bộ đo nhiệt độ sử dụng LM235 và hiển thị lên LCD

Mọi người có thể tham khảo kết quả nghiên cứu làm việc của chúng tôi để áp dụng và học tập cũng như công việc trong cuộc sống. Trong bài có cả ảnh mô phỏng proteus và ảnh mạch thực. Cảm ơn mọi người đã tham khảo

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ

Trần Ngọc KhánhNguyễn Văn Đạt

 Tên đề tài : Thiết kế bộ đo nhiệt độ sử dụng LM35 và hiển thị lên LCD

Mở Đầu:

Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường xuyên gặp trọng đời sống sinh hoạthằng ngày cũng như trong kĩ thuật và công nghiệp Việc đo đạc nhằm xác địnhchính xác nhiệt độ theo các thang đo đã từ lâu trở thành một vấn đề rất đượcquan tâm, vì vậy nhiều phương pháp đo nhiệt độ càng ngày càng trở lên chínhxác hơn Hiện nay, việc sử dụng cảm biến nhiệt độ trong công nghiệp cũng nhưdân dụng ngày càng phổ biến và hiệu quả cao

Đồ án “ Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ “ này nhóm em sử dụng cảm biến

LM35 nhằm nghiên cứu và thiết kế bộ đo nhiệt độ độ tự động và chính xác nhất

có thể

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT HỆ THỐNG HỆ THỐNG BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG LM35 VÀ HIỂN THỊ LÊN LCD

1.1 MỘT SỐ THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ

1.1.1 Một số loại cảm biến nhiệt độ

1.1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ

1.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ

1.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

3.1.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế Arduino IDE

3.1.2 Thiết kế sơ đồ thuật toán và mạch nguyên lý

3.2 MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM PROTEUS

3.1.1 Sơ lược qua về phần mềm PROTEUS

3.1.2 Mô phỏng trên phần mềm PROTEUS

3.1.3 Kết quả mô phỏng

3.5 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

3.6 KẾT LUẬN

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT HỆ THỐNG HỆ THỐNG BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ SỬ

DỤNG LM35 VÀ HIỂN THỊ LÊN LCD

1.1 MỘT SỐ THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ

1.1.1 Một số loại cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để đo sự biến đổi về nhiệt độ của các đạilượng cần đo

Thiết bị cảm biến nhiệt được thiết kế đặc biệt cho các ngành công nghiệpthực phẩm, dược phẩm, hóa chất, ô tô, hàng hải và vật liệu nhựa, cũng như tất cảcác ngành đòi hỏi độ chính xác, độ tin cậy cao trong các phép đo

Cảm biến nhiệt được cấu tạo gồm hai dây kim loại khác nhau được gắn vàomột đầu gọi là đầu nóng (đầu đo) và đầu lạnh (đầu chuẩn) Khi có sự chênh lệchnhiệt độ giữa hai đầu thì sẽ phát sinh một nhiệt điện động tại đầu lạnh Vì thế cầnkiểm soát nhiệt độ đầu lạnh (tùy thuộc vào loại chất liệu)

Nguyên lý làm việc đối với nhiệt kế điện trở metaI, thường được gọi là cảmbiến nhiệt, là cơ sở dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại với sự thay đổi nhiệt

độ vượt trội [1]

Vật liệu: bạch kim và niken, do điện trở suất cao và tính ổn định của chúng.Các phép đo nhiệt độ được thực hiện với cảm biến nhiệt có độ chính xác và đángtin cậy hơn nhiều so với các phép đo được thực hiện với các loại cặp nhiệt điệnhoặc nhiệt kế khác

Một số loại cảm biến nhiệt cơ bản:

a Loại cảm biến nhiệt độ hai dây:

Là ít chính xác nhất và chỉ được sử dụng trong trường hợp kết nối độ bềnnhiệt được thực hiện với dây điện trở ngắn và điện trở thấp; kiểm tra mạch điệntương đương, có thể lưu ý rằng điện trở đo được là tổng của phần tử cảm biến

(phụ thuộc vào nhiệt độ) và điện trở của dây dẫn được sử dụng cho kết nối Lỗitrong phép đo này không liên quan: nó phụ thuộc vào nhiệt độ.

Hình 1.1 Mạch cảm biến nhiệt độ hai dây

b Loại cảm biến nhiệt độ ba dây:

Cho mức độ đo chính xác tốt hơn, kỹ thuật ba dây

được sử dụng nhiều nhất trong lĩnh vực công nghiệp

Với kỹ thuật đo lường này, loại bỏ các lỗi gây ra bởi

điện trở của các dây dẫn; ở đầu ra, điện áp phụ thuộc

hoàn toàn vào sự biến đổi điện trở của cảm biến nhiệt

và điều chỉnh liên tục theo nhiệt độ

c Loại cảm biến nhiệt bốn dây:

Volt-ampe kế cho độ chính xác lớn nhất có thể, ít được

sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp, nó hầu như chỉ

được sử dụng trong các ứng dụng trong phòng thí

nghiệm

Trên một mạch điện tương đương có thể thấy rằng điện áp đo được chỉ phụ thuộcvào điện trở của nhiệt; độ chính xác của phép đo phụ thuộc hoàn toàn vào độ ổnđịnh của dòng đo và độ chính xác của số đọc điện áp trên nhiệt

Có hai loại nhiệt điện tạo thành: cách nhiệt truyền thống hoặc cách nhiệt khoángchất MgO

1.1.2 Các phương pháp đo nhiệt độ:

Hình 1.2 Mạch cảmbiến nhiệt độ hai dây

Đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt khá đơn giản so với việc sử dụng các loại

đo nhiệt độ khác, tuy nhiên cần thực hiện một số bước nhất định để khắc phục mọilỗi phát hiện

Có ba nguyên nhân chính gây ra lỗi trong các phép đo nhiệt độ với nhiệt độ:

- Lỗi do quá nhiệt của phần tử cảm biến

- Lỗi do cách điện kém của thiết bị cảm biến

- Lỗi do phần tử cảm biến không được nhúng ở độ sâu nhất định

Bộ phận cảm biến tự nóng lên trong quá trình đo khi nó bị cắt ngang bởidòng điện quá cao, do hiệu ứng Joule, làm tăng nhiệt độ của phần tử Sự tăng nhiệt

độ phụ thuộc cả vào loại yếu tố chính được sử dụng và các điều kiện đo Ở cùngnhiệt độ, cùng độ bền nhiệt sẽ tự nóng lên ít hơn nếu được đặt trong nước chứkhông phải không khí; điều này là do thực tế nước có hệ số phân tán cao hơn khôngkhí

Thông thường tất cả các thiết bị đo sử dụng nhiệt điện trở làm cảm biến đều

có dòng đo cực thấp, tuy nhiên không nên vượt quá dòng đo 1 mA (EN 60751) Để

đo chính xác với cảm biến nhiệt, điều rất quan trọng là cách điện giữa các dây dẫn

và vỏ bọc bên ngoài là đủ lớn, đặc biệt là ở nhiệt độ cao

Điện trở cách điện có thể được xem như là một điện trở được đặt song songvới các phần tử cảm biến Do đó, rõ ràng, ở nhiệt độ không đổi, nếu cách điện giảm

đi, điện áp đo trên phần tử cảm biến cũng sẽ giảm do đó gây ra lỗi trong phép đo.Điện trở cách điện có thể giảm khi đầu dò được sử dụng ở nhiệt độ quá cao, khi córung động mạnh hoặc do ảnh hưởng của các tác nhân vật lý hoặc hóa học

Độ sâu ngâm của bộ phận cảm biến cũng cực kỳ quan trọng đối với các phép

đo chính xác, Không giống như trong cặp nhiệt điện, trong đó, các phép đo có thể

BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ

1.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống:

 Trên hình 1.3 là sơ đồ khối của hệ thống của bộ đo nhiệt độ

1.2.2 Nguyên lý hoạt đông

Cấp nguồn cho cảm biến, dựa vào nhiệt độ điện trở trong cảm biến thay đổi,

từ đó điện áp chân Vout thay đổi với 10mV tương ứng với 1 độ C

Tín hiệu điện áp được truyền từ cảm biến đến vi xử lý Vi xử lý tính toán điện

áp bằng công thức sau:

Nhiệt độ = (tín hiệu đọc được)*(5/1023)*100

Sau khi tính toán ra tín hiệu nhiệt độ, ta xuất lên màn hình

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN LINH KIỆN VÀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG

HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ

Vi xử lý

2.1.GIỚI THIỆU IC LM35

LM35 là một cái cảm biến nhiệt độ giá rẻ thường được tiêu dùng mang thểđược sử dụng để đo nhiệt độ (theo °C) được sản xuất bởi hãng NationalSemiconductor dải đo từ 0 Độ đến 100 độ C LM35 là cảm biến tiêu hao điện năngthấp sử dụng điện áp 5V Cảm biến gồm có 3 chân, 2 chân nguồn, 1 chân tín hiệu

ra dạng Analog

Chân dữ liệu của LM35 là chân ngõ ra điện áp dạng tuyến tính Chân số 2 cảmbiến xuất ra cứ 1mV = 0.1°C (10mV = 1°C) Để lấy dữ liệu ở dạng °C chỉ cần lấyđiện áp trên chân OUT đem chia cho 10

Chân 1 cấp điện áp 5V, chân 3 cấp GND, chân 2 là chân OUTPUT dữ liệudạng điện áp

LM35 có độ chuẩn xác hơn kém 0,4 ° C ở nhiệt độ phòng bình thường và hơnkém 0,8 ° C trong khoảng 0 ° C đến + 100 ° C Một đặc tính quan trọng hơn củacảm biến này là rằng nó chỉ thu được 60 microamps từ nguồn cung ứng và có khảnăng tự sưởi ấm thấp

Một số tính chất của cảm biến LM35:

 Đầu ra của cảm biến này thay đổi diễn tả tuyến tính

 Điện áp ra của cảm biến IC này tỉ lệ với nhiệt độ Celsius

 Điện áp hoạt động từ -55˚ đến + 150˚C

 Được vận hành dưới 4V tới 30V

Hình 2.1 IC cảm biến nhiệt độ LM35Các ứng dụng của cảm biến nhiệt độ LM35:

 Đo nhiệt độ của một môi trường đặc biệt và các áp dụng HVAC

 Kiểm tra nhiệt độ pin

 Cung cấp thông tin về nhiệt độ của một linh kiện điện tử

Các thông số kỹ thuật của lm35:

 Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

 Điện áp ra: -1V đến 6V

 Công suất tiêu thụ là 60uA

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

 Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C

 Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

 Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài khoảng -55°C tới 150°C.[2]

2.2 GIỚI THIỆU LCD 1602

Thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rấtnhiều các ứng dụng của VĐK LCD 1602 có rất nhiều ưu điểm so với các dạnghiển thị khác như: khả năng hiển thị kí tự đa dạng (chữ, số, kí tự đồ họa); dễ dàngđưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn rất ít tàinguyên hệ thống, giá thành rẻ

Các thông số kĩ thuật của LCD 1602:

Bảng chức năng từng chân của LM35:

Bảng 2.1 Bảng chức năng của LM35.[3]

Chân Ký hiệu Mô tả chức năngăng

1 VSS Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối

chân này với GND của mạch điều khiển

2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta

nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển

3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD

4 RS Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân

RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi

+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nốivới bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)

+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi

dữ liệu DR bên trong LCD

5 R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân

R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc

6 E Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu

được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khiphát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.

7 - 14 DB0-DB7 Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông

tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :

+ Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7

+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường

Hình 2.3 Board Arduino R3Bảng 2.2.Bảng thông số của arduino

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng

USB)Tần số hoạt động 16 Mhz

Dòng tiêu thụ khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển là ATmega8, ATmega168,ATmega328 Các con chip này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiểnđèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệtđộ- độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD.

Vi điều khiển của Adruino :

Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328.Tuy nhiên nếu yêu cầu phần cứng của bạn không cao hoặc túi tiền không cho phép,bạn có thể sử dụng các loại vi điều khiển khác có chức năng tương đương nhưng rẻhơn như ATmega8 (bộ nhớ flash 8KB) hoặc ATmega168 (bộ nhớ flash 16KB).Chức năng các chân tín hiệu của Arduino UNO như trong bảng 2.3 dưới đây

Bảng 2.3 Chức năng các chân của arduino

Arduino UNO Khi bạn dùng các thiết

bị sử dụng những nguồn điện riêng biệtthì những chân này phải được nối vớinhau

5V cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho

phép ở chân này là 500mA

3.3V cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa

cho phép ở chân này là 50mA

Vin (Voltage Input)

 để cấp nguồn ngoài cho ArduinoUNO, bạn nối cực dương củanguồn với chân này và cực âm củanguồn với chân GND

IOREF điện áp hoạt động của vi điều khiển

trên Arduino UNO có thể được đo ởchân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V.Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn5V từ chân này để sử dụng bởi chứcnăng của nó không phải là cấp nguồn

vi điều khiển tương đương với việcchân RESET được nối với GND qua 1điện trở 10KΩ

– TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTLSerial Arduino Uno có thể giao tiếp vớithiết bị khác thông qua 2 chân này Kếtnối bluetooth thường thấy nói nôm nachính là kết nối Serial không dây Nếukhông cần giao tiếp Serial, bạn khôngnên sử dụng 2 chân này nếu không cầnthiết

ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giátrị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V)bằng hàm analogWrite() Nói một cáchđơn giản, bạn có thể điều chỉnh đượcđiện áp ra ở chân này từ mức 0V đến5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5Vnhư những chân khác

Chân giao tiếp SPI 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK).

Ngoài các chức năng thông thường, 4chân này còn dùng để truyền phát dữliệu bằng giao thức SPI với các thiết bịkhác

cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset,bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báohiệu Nó được nối với chân số 13 Khichân này được người dùng sử dụng,LED sẽ sáng

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với

chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các

chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng cácchân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là10bit

CHƯƠNG 3 : XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG ĐO

NHIỆT ĐỘ 3.1 THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ

3.1.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế Arduino IDE

Hình bên dưới thể hiện những phần cơ bản của giao diện có thể tìm hiểu sâu

thể học nhanh Arduino IDE Khi có thời gian các bạn có thể tìm hiểu thêm các bàiviết về nó trên arduino.cc hoặc google,… Các chức năng cơ bản của các biểu tượngtrên phần mềm được trình bày chi tiết ở các phần bên dưới

Giao diện của phần mềm Arduino IDE có nhiều phần, tuy nhiên cũng phải chú ýđến những phần quan trọng như được nêu ra trong hình 3.1

Hình 3.1.Cửa sổ giao diện

3.1.2.Thiết kế sơ đồ thuật toán và mạch nguyên lý

17 Băt đầu

Loop:

Lưu đồ thuật toán chương trình:

 Arduino nhận tín hiệu điện áp từ cảm biến LM35 với chân A0

 Với mỗi 10 mV điện áp nhận được tương ứng với 1 độ C

 Tính toán “nhietdo” đã được nhận từ chân A0 bằng công thức

nhietdo=reading*(5/1023)*100

Tính toán cảm biến nhietdo=reading*(5/1023)*100

Hiển thị ra LCD

Ngắt nguồn

Đúng:

Kết thúc sai

Hình 3.4 Sơ đồ thuật toán

 Nếu cấp điện áp liên tục mạch hoạt động bình thường, nếu không cấp điện ápmạch sẽ ngừng hoạt động [5]

Hình 3.5 Mạch nguyên lý

3.2 Mô phỏng trên phần mềm Proteus

3.2.1 Sơ lược qua về phần mềm Proteus

Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử baogồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều khiểnnhư MCS-51, PIC, AVR, …

Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện tử của Lancenter Electronics, môphỏng cho hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho cả cácMCU như PIC, 8051, AVR, Motorola.

Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS cho phép mô phỏng mạch và ARESdùng để vẽ mạch in Proteus là công cụ mô phỏng cho các loại Vi Điều Khiển khátốt, nó hỗ trợ các dòng VĐK PIC, 8051, PIC, dsPIC, AVR, HC11, MSP430,ARM7/LPC2000 các giao tiếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethenet, ngoài ra còn môphỏng các mạch số, mạch tương tự một cách hiệu quả Proteus là bộ công cụchuyên về mô phỏng mạch điện tử

ISIS đã được nghiên cứu và phát triển trong hơn 12 năm và có hơn 12000người dùng trên khắp thế giới Sức mạnh của nó là có thể mô phỏng hoạt động củacác hệ vi điều khiển mà không cần thêm phần mềm phụ trợ nào Sau đó, phần mềmISIS có thể xuất file sang ARES hoặc các phần mềm vẽ mạch in khác

Trong lĩnh vực giáo dục, ISIS có ưu điểm là hình ảnh mạch điện đẹp, chophép ta tùy chọn đường nét, màu sắc mạch điện, cũng như thiết kế theo các mạchmẫu (templates)

Những khả năng khác của ISIS là:

• Tự động sắp xếp đường mạch và vẽ điểm giao đường mạch

• Chọn đối tượng và thiết lập thông số cho đối tượng dễ dàng

• Xuất file thống kê linh kiện cho mạch

• Xuất ra file Netlist tương thích với các chương trình làm mạch in thông dụng

• Đối với người thiết kế mạch chuyên nghiệp, ISIS tích hợp nhiều công cụ giúp choviệc quản lý mạch điện lớn, mạch điện có thể lên đến hàng ngàn linh kiện

• Thiết kế theo cấu trúc (hierachical design)

• Khả năng tự động đánh số linh kiện