MỤC LỤC Lời nói đầu Ngày khoa học kĩ thuật phát triển mạnh mẽ ứng dụng tất lĩnh vực sống Với phát triển vũ bão công nghiệp vi điện tử với việc cho đời vi mạch cỡ vừa (MSI), cỡ lớn (LSI), cực lớn (VLSI) có khả lập trình ngày cao, đồng nghĩa với giá thành hạ khả ứng dụng ngày rộng rãi Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật để tăng suất lao động, tiết kiệm chi phí, lượng đáp ứng yêu cầu ngày cao người cần thiết Hiện có nhiều ứng dụng ứng dụng mang tính thực tiễn cao : Ngơi nhà thơng minh, ổn định nhiệt độ trang trại…Vì đề tài thực tập chuyên ngành em chọn đề tài “ Thiết kế mạch điều khiển khống chế nhiệt độ” Mặc dù cố gắng nhiều thời gian thực đề tài tránh khỏi sai sót kiến thức kinh nghiệm cịn hạn chế Rất mong góp ý từ thầy cô bạn để đề tài đạt kết tốt Xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Văn Thắng tận tình hướng dẫn em hoàn thành đề tài ! Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Lý thuyết cảm biến 1.1.1 Cảm biến Cảm biến thiết bị định nghĩa thiết bị điện tử, dùng để cảm nhận thay đổi bên ngồi mơi trường biến đổi thành tín hiệu điện Các tín hiệu điện thay đổi tùy thuộc vào thay đổi môi trường Dựa vào thay đổi mà biết lúc cần hiệu chỉnh, điều khiển xử lý Do cảm biến coi ba thành phần hệ thống điều khiển KHỐI ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN THIẾT BỊ ĐẦU RA Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển Sơ đồ mô tả hệ thống điều khiển thực tế, gồm khối : Khối cảm biến, khối điều khiển khối thiết bi đầu Nguyên lý chung sơ đồ hiểu sau: Sau cảm nhận thay đổi môi trường bên ngồi, khối cảm biến truyền tín hiệu tới khối điều khiển (có thể thơng qua biến đổi, khuếch đại) tới khối điều khiển Khối điều khiển lập trình sẵn, ln ln chờ tín hiệu từ cảm biến xử lý thiết bị khối thiết bị đầu Như thấy sản xuất, cảm biến đóng vai trị quan trọng, khâu nhận biết thơng tin đối tượng để từ người sử dụng hay thiết bị điều khiển có sở thơng tin để xử lý điều khiển theo ý muốn Xét ví dụ đơn giản cảm biến nhà thơng minh Nhà thông minh trước hết phải đáp ứng tiện nghi thoải mái, địi hỏi tính tự động hóa thi hành mức độ cao, tiết kiệm lượng nhiên liệu, an ninh an toàn Theo hướng dẫn nghiên cứu từ Tổ chức Điện tử công nghiệp Nhật năm 1986, cảm biến loại hàng hóa tiêu dùng, đặc biệt ứng dụng nhà chiếm khoảng 20% số sản phẩm cảm biến Nhà đại yêu cầu nhiều cảm biến để đáp ứng yêu cầu : Điều khiển : Yêu cầu cảm biến nhiệt, độ ẩm, tốc độ gió, nếm thức ăn, đơng sương, chống đơng sương, mức nước, rác, trọng lượng, áp lực, quan sát, khí, rị khí, chống cháy, chống nổ … An ninh : Cảm biến nhiệt, xạ hồng ngoại, khói, khí dễ cháy nổ, động đất, dò điện, qua nhiệt, rung, cảm biến siêu âm cửa số vào, nhận diện ghi nhận giọng nói, dấu tay, khn mặt…Điều khiển lượng yêu cầu cảm biến lượng điện, dòng/áp , lưu tốc(khí, nước) , nhiệt độ, mức nước, ánh sáng mặt trời độ sáng phịng Hình 1.2 Sơ đồ nhà thông minh Sự phát triển hệ thống cảm biến nhanh chóng đạt nhiều thành tựu thập kỷ qua Tuy nhiên nguyên lý cảm biến đưa Lion theo tín hiệu chủ đạo tín hiệu thứ yếu cịn ngun giá trị Các ngun lý nguyên lý loại cảm biến thường dùng là: khí, nhiệt, điện, từ, xạ, hóa chất 1.1.2 Phân loại cảm biến Các cảm biến phân loại theo đặc trưng sau:  Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích Hiện tượng Hiện tượng vật lý Hóa học Sinh học Âm Chuyển đổi đáp ứng kích thích  Nhiệt điện  Quang điện  Quang từ  Điện từ  Quang đàn hổi  Từ điện  Nhiệt từ…  Biến đổi hóa học  Biến đổi điện hóa  Phân tích phổ  Biến đổi sinh hóa  Biến đổi vật lý  Hiệu ứng thể sống  Biên pha, phân cực  Phổ  Tốc độ truyền sóng  Điện tích, dịng điện  Điện thế, điện áp  Điện trường(biên, pha, phân cực, phổ)  Từ trường  Từ thông, cường độ từ trường  Độ từ thẩm  Biên pha, phân cực, phổ  Tốc độ truyền  Hệ số, phát xạ,khúc xạ  Hệ số hấp thụ  Vị trí  Lực, áp suất  Gia tốc, vận tốc  Ứng suất, độ cứng  Khối lượng, tỷ trọng  Nhiệt độ  Thông lượng  Nhiệt dung, tỷ nhiệt  Kiểu(hồng ngoại, tử ngoại…)  Năng lượng  Cường độ Điện Từ Quang Cơ Nhiệt Bức xạ Bảng 1.1 Phân loại theo đáp ứng kích thích  Phân loại theo tính cảm biến               Độ nhạy Độ xác Độ phân giải Độ tuyến tính Cơng suất tiêu thụ Dải tần Độ trễ Độ chọn lọc Khả tải Tốc độ đáp ứng Độ ổn định Tuổi thọ Điều kiện mơi trường Kích thước, trọng lượng Bảng 1.2 Phân loại theo tính  Phân loại theo phạm vi sử dụng Cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực : Công nghiệp, nghiên cứu khoa học, môi trường, khí tượng, thơng tin viễn thơng, nơng nghiệp, dân dụng, giao thông, vũ trụ quân sự…  Phân loại theo thơng số mơ hình mạch thay + Cảm biến tích cực đầu nguồn dịng nguồn áp + Cảm biến thụ động chủ động đặt thơng số tuyến tính phi tuyến Thông số kỹ thuật cảm biến :      Dải đo, ngưỡng nhạy độ phân giải khả phân ly Độ nhạy tính tuyến tính thiết bị Sai số hay độ xác Đặc tính động Một số thông số khác công suất tiêu thụ, trở kháng,kích thước, trọng lượng thiết bị thơng số điện đầu ra… 1.1.3 Ứng dụng Các loại cảm biến được sử dụng rộng rãi tự động hóa các quá trình sản xuất và điều khiển tự động các hệ thống khác Chúng có chức biến đổi sự thay đổi liên tục các đại lượng đầu vào (đại lượng đo lường - kiểm tra, là các đại lượng không điện nào đó thành sự thay đổi của các đại lượng đầu là đại lượng điện, ví dụ: điện trở, điện dung, điện kháng, dòng điện, tần số, điện áp rơi, góc pha… Căn cứ theo dạng đại lượng đầu vào người ta phân các loại cảm biến như: cảm biến chuyển dịch thẳng, chuyển dịch góc quay, tốc độ, gia tốc, mô men quay, nhiệt độ, áp suất, quang, bức xạ, Trong quân : Các cảm biến sử dụng điều khiển máy bay thám, không người lái Áp dụng cơng nghệ tàu ngầm, vũ khí đại, mũ quân sự, tàu ngầm, tên lửa… Trong công nghiệp : Các cảm biển đếm sản phẩm, hệ thống kiểm sốt nhiệt độ lị luyện thép, hệ thống kiểm sốt thơng số nhà máy hóa chất… Trong dân dụng : Cảm biến hệ thống nhà thông minh nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, cảm biến khói, cảm biến khí ga… 1.2 Vi điều khiển PIC 16F877A 1.2.1 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC 16F877A Hình 1.3 Sơ đồ chân PIC 16F877A 1.2.2 Thông số kỹ thuật vi điều khiển PIC 16F877A Đây vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit Mỗi lệnh thực thi chu kì xung clock Tốc độ hoạt động tối đa cho phép 20 MHz với chu kì lệnh 200ns Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, nhớ liệu 368x8 byte RAM nhớ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte Số PORT I/O với 33 pin I/O Các đặc tính ngoại vi bao gồm khối chức sau: • Timer0: đếm bit với chia tần số bit • Timer1: đếm 16 bit với chia tần số, thực chức đếm dựa vào xung clock ngoại vi vi điều khiển hoạt động chế độ sleep • Timer2: đếm bit với chia tần số, postcaler Hai Capture/so sánh/điều chế độ rộng xung • Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI I2C Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với bit địa • Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với chân điều khiển RD, WR, CS bên • Các đặc tính Analog: kênh chuyển đổi ADC 10 bit Hai so sánh • Bộ nhớ flash với khả ghi xóa 100.000 lần Bộ nhớ EEPROM với khả ghi xóa 1.000.000 lần Dữ liệu nhớ EEPROM lưu trữ 40 năm Khả tự nạp chương trình với điều khiển phần mềm Nạp chương trình mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua chân Watchdog Timer với dao động Chức bảo mật mã chương trình Chế độ Sleep Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác 1.2.3 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 16F877A Hình 1.4 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A 1.2.4 Tổ chức nhớ Cấu trúc nhớ vi điều khiển PIC16F877A bao gồm nhớ chương trình (program memory) nhớ liệu (data memory) Bộ nhớ chương trình vi điều khiển PIC16F877A nhớ flash , dung lượng nhớ 8k word (1 word= 14bit) phân thành nhiều trang (từ page đến page 3) Như nhớ chương trinh có khả chứa 8*1024 =8192 lệnh (vì lệnh sau mã hóa có dung lượng word (14 bit) Để mã hóa địa 8k word nhớ chương trình , đếm chương trình có dung lượng 13 bit (PC) Khi vi điều khiển reset , đếm chương trình đến địa 0000h (reset vector) Khi có ngắt xảy , đếm chương trình đến địa 0004h (interrupt vector) Bộ nhớ chương trình khơng bao gồm nhớ stack đề cập cụ thể phần sau Bộ nhớ liệu PIC nhớ EEPROM chia làm nhiều bank Đối với PIC16F877A nhớ liệu chia làm bank Mỗi bank có dung lượng 128 byte, bao gồm ghi có chức đặc biệt SFG (Special Function Register) nằm vùng địa thấp ghi mục đích chung GPR (General Purpose Pegister) nằm vùng địa lại bank Các ghi SFR thường xuyên sử dụng (ví dụ ghi STATUS) đặt tất cà bank nhớ liệu giúp thuận tiện trình truy xuất làm giảm bớt lệnh chương trình Stack khơng nằm nhớ chương trình hay nhớ liệu mà vùng nhớ đặc biệt không cho phép đọc hay ghi Khi lệnh CALL thực hay ngắt xảy làm chương trình bị rẽ nhánh, giá trị đếm chương trình PC tự động vi điều khiển cất vào stack Khi lệnh RETURN, RETLW hat RETFIE thực thi, giá trị PC tự động lấy từ stack, vi điều khiển thực tiếp chương trình theo qui trình định trước Bộ nhớ Stack vi điều khiển PIC họ 16F87xA có khả chứa địa hoạt động theo chế xoay vòng Nghĩa giá trị cất vào nhớ Stack lần thứ ghi đè lên giá trị cất vào Stack lần giá trị cất vào nhớ Stack lần thứ 10 ghi đè lên giá trị cất vào Stack lần thứ Cần ý khơng có cờ hiệu cho biết trạng thái stack, ta khơng biết stack tràn Bên cạnh tập lệnh vi điều khiển dịng PIC khơng có lệnh POP hay PUSH, thao tác với nhớ stack hoàn toàn điều khiển CPU 1.1.5 Các cổng xuất nhập PIC 16F877A Cổng xuất nhập (I/O port) phương tiện mà vi điều khiển dùng để tương tác với giới bên Sự tương tác đa dạng thơng qua q trình tương tác đó, chức vi điều khiển thể cách rõ ràng Một cổng xuất nhập vi điều khiển bao gồm nhiều chân (I/O pin), tùy theo cách bố trí chức vi điều khiển mà số lượng cổng xuất nhập số 10 g Các linh kiện khác  Điện trở Hình 1.20 Hình ảnh Điện trở  Thạch anh Hình 1.21 Hình ảnh Thạch anh  Tụ điện 30 Hình 1.22 Hình ảnh Transistor 2.3 Thiết kế phần mềm 2.3.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển chung begin Read_adc,read_rom (min,max) Kiểm tra bấm phím Lưu vào Rom (min,max) Min=min) set_pwm1_duty((int8)ceil(value*1)); if((value>=min)&&(value