Đồ án Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ

Nội dung text: Đồ án Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ

1. LỜI MỞ ĐẦU Nhiệt độ là tín hiệu vật lý mà ta thường xuyên gặp trong đời sống sinh hoạt hằng ngày cũng như trong kĩ thuật và công nghiêp. Việc đo đạc nhằm xác định chính xác giá trị của nhiệt độ theo các thang đo từ lâu đã trở thành một vấn đề mà cả những nhà khoa học hàng đầu thế giới cũng như những người dân thuộc nhiều lĩnh vực đều quan tâm; chính vì lẽ đó những phương xác đo đạc ngày một nhiều hơn và chính xác hơn. Hiện nay, việc sử dụng cảm biến nhiệt độ trong khối ngành công nghiệp và cả dân dụng ngày càng phỏ biến và mang lại hiệu quả cao. Đồ án “Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ” này nhóm em sử dụng cảm biến LM35 với mục đích nhằm nghiên cứu về các phương pháp đo nhiệt độ và thực hiện thiết kế một thiết bị đo và hiển thị nhiệt độ tự động, chính xác. Đồ án gồm: Chương 1: Nguyên lý hoạt động của hệ thống vi điều khiển 1.1 Xây dựng mục tiêu và sơ đồ khối của vi điều khiển Pic 1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống Chương 2: Tính chọn linh kiện sử dụng trong hệ thống 2.1 giới thiệu các linh kiện được sử dụng trong mạch 2.2 tính toán inh kiện trong hệ thống Chương 3: Mô phỏng hệ thống 3.1 thiết kế mạch nguyên lý 3.2 chạy mô phỏng bằng phần mềm ứng dụng Proteus Chương 4: Chế tạo mạch thực tế 4.1 thiết kế mạch in 4.2 Lắp đặt thiết bị và hoàn thiện mạch 4.2 chạy mạch và đánh giá kết quả Nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Tiến Dũng đã dành thời gian hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. Vì là sinh viên nên những kết quả nghiên cứu được trong đồ án không tránh khỏi những sai sót, nhóm em mong nhận được sự góp ý của thầy cô giáo để có thể hoàn thiện kiến thức của mình. Trang 1
2. CHƯƠNG I NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 Mục tiêu và sơ đồ khối của hệ thống đo nhiệt độ dùng Pic 1.1.1 Một số loại cảm biến đô nhiệt độ A. Nhiệt điện trở kim loại Đối với nhiệt điện trở kim loại thì viêc chế tạo nó thích hợp hơn cả là sử dụng các kim loại nguyên chất như : plantin, đồng, niken. Để tăng độ nhạy cảm nên sử dụng các kim loại có hệ số nhiệt điện trở càng lớn càng tốt. Tuy nhiên tùy thuộc vào khoảng nhiệt độ cần kiểm tra mà ta có thể sử dụng nhiệt điện trở loại này hay loại khác. Cụ thể nhiệt điện trở chế tạo từ dây dẫn bằng đồng làm việc trong khoảng nhiệt độ -50 0C ÷ 1500C. Nhiệt điện trở từ dây dẫn plantin làm việc trong khoảng nhiệt độ -1900C ÷ 6500C. Cấu trúc của nhiệt điện trở kim loại bao gồm: dây dẫn mảnh kép đôi quấn trên khung cách điện tạo thành phần tử nhạy cảm, nó được đặt trong chiếc vỏ đặc biệt có các cực đưa ra. Giá trị của nhiệt điện trở từ 100C÷ 1000C. Ưu điểm: + Việc sử dụng nhiệt điện trở kim loại để đo nhiệt độ cao rất tin cậy, đảm bảo độ chính xác đến 0.01 0C và sai số không quá 0,5% đến 1%. + Vật liệu chế tạo tương đối đơn giản. Nhược điểm: + Kích thước của nhiệt điện trở kim loại lớn nên hạn chế việc sử dụng nó để đo nhiệt độ ở nơi hẹp. + Do là kim loại nên sau 1 thời gian chúng sẽ dễ bị oxy hóa, gây ảnh hưởng đến độ nhạy của chúng. B. Nhiệt điện trở bán dẫn Nhiệt điện trở được chế tạo từ vật liệu bán dẫn, chúng được sử dụng trong hệ thống tự động kiểm tra và điều khiển. Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo từ hợp kim của đồng – măng gan hoặc coban. Loại này hoàn toàn trái ngược với nhiệt điện trở kim loại, khi nhiệt độ tăng thì điện trở của chúng lại giảm khoảng nhiệt độ đo của chúng thường dao động trong khoảng từ -600C ÷ 1800C. Ưu điểm: + độ chính xác khá cao + kích thước nhỏ nhẹ, giúp nó làm việc ở những nơi chật hẹp Trang 2
3. Nhược điểm: + chế tạo phức tạp 1.1.2 Một số phương pháp đo nhiệt độ A. Đo nhiệt độ bằng phương pháp cặp nhiệt điện Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu là 1 mạch có 2 dây dẫn. chỗ nối giữa 2 dây dẫn này được hàn với nhau. Chiều của dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ tương ứng của mỗi hàn. Nếu để hở một đầu thì giữa 2 cực xuất hiện 1 suất điện động nhiệt. như vậy bằng cách đo sdd ta có thể tìm được nhiệt độ của đối tượng đó. B. Đo nhiệt độ bằng hỏa kế quang học Nguyên lý làm việc của hỏa kế quang học là dựa trên các hiện tượng bức xa của các vật thể ở nhiệt độ cao, chúng dựa trên ánh sáng, bức xạ nhiệt của vật phát ra mà tính được nhiệt độ của vật. C. Đo nhiệt độ bằng IC Các IC này làm việc bằng cách tìm mỗi quan hệ giữa đại lượng nhiệt độ đầu vào và đại lượng ( điện áp, dòng điện) đầu ra. Các cảm biến này tạo ra các giá trị điện áp hay dòng điện tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ đầu vào,vì vậy đo tín hiệu điện đầu ra sẽ biết được nhiệt độ đầu vào. Nó có ưu điểm là vận hành đơn giản, tuy nhiên phạm vi đo nhiệt độ giới hạn từ -500C ÷ 1500C. đặc tính của một số loại ic thông dụng • AD 590 + ngõ ra là dòng điện + độ nhạy 1A/10K + nguồn cung cấp 4-30V + phạm vi sử dụng -550C ÷ 1500C • Họ LM35, LM135, LM235, LM335 + ngõ ra là điện áp + độ nhạy 10mV/0C + nguồn cung cấp 5-30V + phạm vi sư dụng: -LM335: -100C ÷ 1250C -LM235: - 400C ÷ 1400C -LM135: - 550C ÷ 2000C -LM35: - 550C ÷ 1500C 1.1.3 Mục tiêu và sơ đồ khối của mạch đo nhiệt độ dùng Pic A. Mục tiêu Trang 3
4. Ngày nay việc sử dụng các thiết bị điện tử phục vụ đời sống hằng ngày rất phổ biến. Trong đó ta có thế kể đến các thiết bị cảm ứng và hiển thị các thông số môi trường phục vụ nhiều mục đích khác nhau nhằm tạo sự tiện lợi trong sinh hoạt hằng ngày. Bắt nguồn từ mục đích đó, nhóm em đã thiết kế một mạch cảm ứng nhiệt độ và hiển thị ra LCD sử dụng vi điều khiển pic 16F877A và cảm biến nhiệt độ LM35. Mục tiêu của mạch giúp chúng ta biết được : - Chức năng ADC của PIC ứng trong mạch - Cách sử dụng LCD, giao tiếp giữa LCD và PIC - Cách sử dụng cảm biến - Tới việc đầy đủ các công cụ để làm mạch ( viết code, mô phỏng bằng proteus, vẽ layout, test mạch thử v v..) - Làm ra mạch thực tế. B. Sơ đồ khối của hệ thống đo nhiệt độ dùng Pic 16F877A Nút Bấm LED Báo Cảm biến PIC 16F877A Rơ le siêu âm Hiển thị LCD Nguồn Nuôi + Khối LM35: là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Nhiệm vụ của khối này là nhận trực tiếp đại lượng vật lý (nhiệt độ) đặc trưng cho đối tượng cần đo biến đổi đại lương vật lý này sang đại lương vật lý khác (điện áp) để thuận tiện cho việc tính toán. Trang 4
5. + Khối chuyển đổi ADC: Có nhiệm vụ nhận tín hiệu điện từ khối LM35 sau đó chuyển thành tín hiệu số, để từ đó mã hóa ra LCD. + Khối LCD: có chức năng hiển thị nhiệt độ của đối tượng cần đo sau khi nó nhận tín hiệu từ khổi giải mã LCD. + Nút Bấm: có chức năng cho hệ thống hoạt động và dừng để xem nhiệt độ tạm thời 1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo nhiệt độ Khi cho cảm biến vào vật cần đo nhiệt độ, đầu ra của cảm biến LM35 cho ta 1 điện áp tuyến tính với nhiệt độ đầu vào, tín hiệu điện này được đươc vào trong PIC16F877A, trong PIC có bộ chuyển đổi ADC nó sẽ thực hiện viêc chuyển tín hiệu tương tự (điện áp) sang tín hiệu số, rồi từ đó qua bộ giải mã led LCD sẽ giải mã tín hiệu số thành tín hiệu điện đưa ra cho LCD hiển thị. Trang 5
6. CHƯƠNG 2 TÍNH CHỌN LINH KIỆN TRONG HỆ THỐNG 2.1 Giới thiệu các linh kiện trong hệ thống 2.1.1 Giới thiệu Pic 16F877A A.sơ đồ chân Pic 16F877A PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer” có thể tạm dịch là máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ là PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600. Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay. Pic 16F877A là dòng Pic phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, có 40 chân, bộ nhớ đủ cho hấu hết các ứng dụng thông thường) cấu trúc tổng quát của Pic16F877A: - 8K plash Rom - 368 byte Ram - 256 byte EEPROM - 5 port (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu độc lập. - 2 bộ định thời 8 bit (timer0 và timer 2) - 1 bộ định thời 16 bit (timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode) với xung clock bên ngoài - 2 bộ CCP (Capture/Compare/PWM) - 1 bộ biến đổi AD 10 bit với 8 ngõ vào - 2 bộ so sánh tương tự (Compartor) - 1 bộ định thời giám sát (Watchdog Timer) - 1 cổng song song 8 bit với các tín hiệu điều khiển - 1 cổng nối tiếp - 15 nguồn ngắt - Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP (In-Circuit Serial Programming) - Được chế tạo bằng công nghệ CMOS - 35 tập lệnh có độ dài 14bit - Tầng số hoạt động tối đa 20MHz Trang 6
7. - Để Pic hoạt động ta cần cấp nguồn cho Pic, ngoài ra có thể thêm vào bộ dao động thạch anh, và nút reset. B. Sơ đồ chân của pic 16F877A Trang 7
8. C.Tổ chức bộ nhớ vi điều khiển Đây là vi điều khiển họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh với độ dài 14bit. Mỗi lệnh đều được thực hiện trong 1 chù kỳ xung clock, tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20MHz vời 1 chu kỳ lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình 8Kx 14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte. Số PORT I/O là 5 vời 33 pin I/O. Trang 8
9. D.Các đặc tính ngoại vi của các khối chức năng - Timer0: Bộ đếm 8 bit với bộ chia tầng 8 bit. - Timer1: Bộ đếm 16 bit với bộ chia tầng,có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep. - Timer 2:Bộ đếm 8 bit với bộ chia tầng 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 E. Các đặc tính Analog - 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit. - 2 bộ so sánh. F. Các cổng nhập/xuất của Pic 16F877A Cổng xuất nhập chính là phương tiện mà vi điều khiển dùng để tương tác với thế giới bên ngoài. Sự tương tác này rất đa dạng và thông qua sự tương tác đó, chức năng của vi điều khiển được thể hiện rõ ràng. Vi điều khiển PIC 16F877A có 5 cổng xuất nhập PORTA, PORTB, PORTC, PORTD và PORTE. + PORT A (RPA) bao gồm 6 I/O đây là các chân 2 chiều có thể xuất và nhập, chức năng xuất nhập được điều khiển bởi thanh ghi TRISA (địa chỉ 85h). Muốn xác lập 1 chân trong thanh ghi TRISA là input ta “set” bit tương ứng trong thanh ghi TRISA và mún có 1 chân output ta “clear”bit tương ứng trong thanh ghi. Thao tác này hoàn toàn tương tự với PORT và các thanh ghi điều khiển tương ứng.Bên cạnh đó PORTA còn là ngõ ra của bộ ADC, bộ so sánh, ngõ vào Analog, ngõ vào xung clock Timer0 và ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP.Các thanh ghi TRISA bao gồm: + PORTA (địa chỉ 05h): chứa giá trị các chân I/O trong PORTA + TRISA (địa chỉ 85h): điều khiển xuất nhập. + CMCON (địa chỉ 9Ch): thanh ghi điều khiển bộ so sánh. + CVRCON (địa chỉ 9Dh): thanh ghi điều khiển bộ so sánh điện áp. Trang 9
10. + ADCON1 (địa chỉ 9Fh): thanh ghi điều khiển ADC. + PORTB (RPB) bao gồm 8 chân I/O, thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISB. Bên cạnh đó có 1 số chân của PORTB dùng để nạp chương trình cho vi điều khiển với các chế độ nạp khác nhau. PORTB còn liên quan đến ngắt ngoại vi và Timer0. PORTB còn được tích hợp chức năng điện trở kéo lên được điều khiển bởi chương trình.Các thanh ghi PORTB bao gồm: + PORTB (địa chỉ 06h,106h): chứa giá trị các chân trong PORTB. + TRISB (địa chỉ 86h,186h): điểu khiển xuất nhập. + OPTION_REG (địa chỉ 81h,181h): điểu khiển ngắt ngoại vi toàn bộ Timer0. + PORTC (RPC) gồm 8 chân I/O,thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISC, bên cạnh đó PORTC còn chứa các chân chức năng của bộ so sánh, Timer1, bộ PWM, và các chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART. Các thanh ghi điều khiển: + PORTC (địa chỉ 07h):chứa giá trị các chân trong PORTC. + TRISC (địa chỉ 87h):điều khiển xuất nhập. + PORTD (RPD) gồm 8 chân I/O,thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISD, PORTD còn là cổng xuất dữ liệu của chuận giao tiếp PSP. Các thanh ghi: + Thanh ghi PORTD (địa chỉ 08h): chứa giá trị các chân trong PORTD + TRISD (địa chỉ 88h) điều khiển xuất nhập + PORTE (RPE) gồm 3 chân I/0,thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE. Các chân PORTE có ngõ vào analog, bên cạnh đó PORTE còn là các chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP Các thanh ghi: + PORT (địa chi 09h) chứa giá trị các chân trong PORTE. + TRISE (địa chỉ 89h) điều khiển xuất nhập và xác lập các thông số cho chuẩn PSP. + ADCON1 thanh ghi điều khiển khối ADC. + Timer1 là bộ định thời 16 bit, giá trị của 2 timer 1 sẽ lưu vào 2 thanh ghi (TMR1h và TML1R), cờ ngắt timer 1 là bit TMR 1IF, bit điều khiển của Timer1 là TMR1IE. Tương tự như Timer0,Timer1 cũng có 2 chế độ hoạt động: chế độ định thời (timer) với xung kích là xung clock của oscillator( tầng số bằng ¼ tầng số của oscillator) và chế độ đếm (counter) với xung kích là xung phản ánh các sự kiện cần đếm lấy từ bên ngoài. Các thanh ghi liên quan đến timer1 bao gồm: + INTCON(0BH, 8BH, 10BH, 18Bh) cho phép ngắt hoạt động( GIE và PEIE) + IR1( địa chỉ 0CH) chứa cờ ngắt timer1(TMR1IF) + PIE1( địa chỉ 8CH) cho phép ngắt timer1(TMR1IE) + TMR1L( địa chỉ 0Eh) chứa giá trị 8 bit thấp của bộ đếm timer1. + TMR1H( địa chỉ 0Eh) chứa giá trị 8 bit cao của bộ đếm timer1. + T1CON( địa chỉ 10H) xác lập các thông số cho Timer1 Trang 10