TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÀ VƯỜN THÔNG MINH Người hướng dẫn: SV thực hiện: Lớp: Khóa học: ThS Đặng Thái Sơn Đặng Bá Hải 52K – ĐTTT 2011 - 2016 NGHỆ AN - 5/2016 I MỤC LỤC Trang 1.1 Khái niệm phân loại cảm biến 10 1.1.1 Khái niệm 10 1.1.2 Phân loại cảm biến 10 a Đường cong chuẩn cảm biến 10 Khái niệm 10 Hình 1 Đường cong chuẩn cảm biến 11 Phương pháp chuẩn cảm biến 11 b Các đặc trưng 11 - Độ nhạy cảm biến 11 - Độ nhạy chế độ tĩnh tỷ số chuyển đổi tĩnh 12 - Độ nhạy chế độ động 12 - Độ tuyến tính 13 Khái niệm 13 Đường thẳng tốt 13 - Độ lệch tuyến tính 13 - Sai số độ xác 13 - Độ nhanh thời gian hồi áp 14 Hình 1.3 Xác định khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ độ 14 1.1.3 Giới hạn sử dụng cảm biến 15 a Vùng làm việc danh định 15 b Vùng không gây nên hư hỏng 15 c Vùng không phá huỷ 15 1.2 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến 15 1.2.1 Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực 15 a Hiệu ứng nhiệt điện 15 Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện 16 b Hiệu ứng hoả điện 16 Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện 16 c Hiệu ứng áp điện 16 Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện 16 d Hiệu ứng cảm ứng điện từ 17 Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ 17 e Hiệu ứng quang điện 17 f Hiệu ứng quang - điện - từ 17 Hình 1.8 Ứng dụng hiệu ứng quang – điện- từ 17 g Hiệu ứng Hall 18 Hình 1.9 Ứng dụng hiệu ứng Hall 18 1.3 Nguyên tắc chế tạo cảm biến thụ động 18 1.3.1 Mạch đo 19 1.3.2 Một số phần tử mạch đo 20 Hình 1.12 Sơ đồ khuếch đại thuật toán 20 Hình 1.13 Sơ đồ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở 21 Hình 1.14 Sơ đồ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở 22 Hình 1.15 Mạch lặp lại điện áp 22 2.1.1 Phân loại LCD 24 Bảng 2.2 Tập lệnh LCD 26 2.1.4 Nguyên tắc hiển thị kí tự LCD 27 Hình 2.3 Hình ảnh cảm biến DHT11 28 Hình 2.4 Sơ đồ kết nối vi xử lý 28 Hình 2.5 Tín hiệu Start gửi 29 Hình 2.6 Bit 30 Hình 2.7 Bit 30 LỜI NÓI ĐẦU Em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Thái Sơn tận tình hướng dẫn định hướng em thời gian nghiên cứu thực hiền đề tài Em xin chân thành cảm ơn cô thầy khoa Điện Tử Viễn Thông nhiệt tình dạy dỗ, truyền đạt cung cấp cho em kiến thức cần thiết, kiến thức vững suốt năm theo học mái trường Đại Học Vinh Trong thời gian thực đồ án này, dù cố gắng nhiều đồ án tránh khỏi thiếu sót Kính mong thầy cô bảo góp ý kiến để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn Sinh Viên Thực Hiện Đặng Bá Hải TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày hệ thống điều khiển tự động, thành phần hệ thống cách điều chế hệ thống điều khiển tự động áp dụng cho mô hình trồng hoa thông minh Tìm hiểu vi điều khiển PIC, ngôn ngữ lập trình cho PIC, thông số vi điều khiển PIC 16F877A Giới thiệu linh kiện điện tử sử dụng hệ thống điều khiển tự động cho mô hình trồng hoa thông minh cảm biến nhiệt đô, cảm biến ánh sáng, độ ẩm Quy trình thiết kế, nguyên lý hoạt động chế tạo hoàn thiện hệ thống ABSTRACT The thesis presented the automatic control system , the components in the system and the preparation of the automatic control system applied to model smart florists Find out about PIC microcontroller, PIC programming language, the parameters of PIC 16F877A microcontroller Introduction of electronic parts used in automatic control system for models with florists smart temperature sensor, light sensor, humidity Process design, operation principles and manufacture complete systems CÁC HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN Trang Hình 1 Đường cong chuẩn cảm biến 11 Hình 1.3 Xác định khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ độ 14 Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện 16 Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện 16 Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện 16 Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ 17 Hình 1.8 Ứng dụng hiệu ứng quang – điện- từ 17 Hình 1.9 Ứng dụng hiệu ứng Hall 18 Hình 1.12 Sơ đồ khuếch đại thuật toán 20 Hình 1.13 Sơ đồ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở 21 Hình 1.14 Sơ đồ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở 22 Hình 1.15 Mạch lặp lại điện áp 22 Bảng 2.2 Tập lệnh LCD 26 Hình 2.3 Hình ảnh cảm biến DHT11 28 Hình 2.4 Sơ đồ kết nối vi xử lý 28 Hình 2.5 Tín hiệu Start gửi 29 Hình 2.6 Bit 30 Hình 2.7 Bit 30 CÁC BẢNG BIỂU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN Trang Hình 1 Đường cong chuẩn cảm biến 11 Hình 1.3 Xác định khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ độ 14 Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện 16 Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện 16 Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện 16 Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ 17 Hình 1.8 Ứng dụng hiệu ứng quang – điện- từ 17 Hình 1.9 Ứng dụng hiệu ứng Hall 18 Hình 1.12 Sơ đồ khuếch đại thuật toán 20 Hình 1.13 Sơ đồ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở 21 Hình 1.14 Sơ đồ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở 22 Hình 1.15 Mạch lặp lại điện áp 22 Bảng 2.2 Tập lệnh LCD 26 Hình 2.3 Hình ảnh cảm biến DHT11 28 Hình 2.4 Sơ đồ kết nối vi xử lý 28 Hình 2.5 Tín hiệu Start gửi 29 Hình 2.6 Bit 30 Hình 2.7 Bit 30 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TÊN TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT IC Integrated circuit Vi mạch tích hợp PIC Progaramable Intelligent computer Máy tính thông minh khả trình LED Light-Emitting Diode Đi ốt phát quang LCD Liquid Crystal Display Màn hình hiển thị I/O In/Out Vào/Ra CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm ICSP In Circuit Serial Programming Nạp chương trình mạch MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ giới mặt, khoa học công nghệ nói chung công nghệ kỹ thuật điễn tử tự động hóa nói riêng có nhiều phát triển vượt bậc, góp phần làm cho giới ngày đại cà văn minh Sự phát triển kỹ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị với đặc điểm xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ hoạt động ổn định Là yếu tố cần thiết cho hoạt động người đạt hiệu cao Từ lâu cảm biến sử dụng thiết bị để cảm nhận phát hiện, từ vài chục năm trở lại đâu chúng thể vai trò quan trọng kỹ thuật công nghiệp, đặc biệt lĩnh vực điều khiển tự động Chính vậy, chọn đề tài " THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÀ VƯỜN THÔNG MINH" Mục đích đồ án là: Nghiên cứu, chế tạo hệ thống điều khiển tự động áp dụng cho mô hình trồng hoa thông minh, qua áp dụng vào thức tế Tìm hiểu, phân tích, chức nguyên lý hoạt động linh kiện điện tử sử dụng hệ thống, sử dụng phần mềm thiết kế mô mạch nhuw: Proteus, altium designer Cấu trúc đồ án, phần mở đầu, phần kết tài liệu tham khảo, phụ lục phần nội dung đồ án có ba chương sau đây: Chương Tổng quan cảm biến Chương Các linh kiện, thiết bị điện tử sử dụng đề tài Chương Thiết kế, thi công chế tạo CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN 1.1 Khái niệm phân loại cảm biến 1.1.1 Khái niệm Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý đại lượng tính chất điện cần đo thành đại lượng điện đo xử lý (Đại lượng cần đo) cảm biến S (đặc trưng điện) Đặc trưng điện S hàm đại lượng cần đo m: s = f(m) Quan hệ s m tuyến tính phi tuyến Song thực tế để dễ sử dụng thông thường người ta chế tạo cảm biến cho có liên hệ tuyến tính biến thiên đầu biến thiên đầu vào ∆s = S ∆m (1.1) Trong đó: S gọi độ nhạy cảm biến 1.1.2 Phân loại cảm biến Các cảm biến phân loại theo đặc trưng sau đây: Theo nguyên lý người ta chia cảm biến làm hai loại: + Cảm biến tích cực : cảm biến hoạt động máy phát, đáp ứng (s) điện tích, điện áp hay dòng + Cảm biến thụ động : cảm biến hoạt động trở kháng đáp ứng (s) điện trở, độ tự cảm điện dung a Đường cong chuẩn cảm biến Khái niệm Đường cong chuẩn cảm biến đường cong biểu diễn phụ thuộc đại lượng điện (s) đầu cảm biến vào giá trị đại lượng đo (m) đầu vào Đường cong chuẩn biểu diễn biểu thức đại số dạng s = F(m ) , đồ thị hình sau: 10 Khi hoạt động chế độ Capture có “hiện tượng” xảy pin RC2/CCP1 (hoặc RC1/T1OSI/CCP2), giá trị ghi TMR1 đưa vào ghi CCPR1 (CCPR2) Các “hiện tượng” định nghĩa bit CCPxM3:CCPxM0 (CCPxCON) tượng sau: Hình 2.21 Sơ đồ khối CCP - Mỗi có cạnh xuống pin CCP - Mỗi có cạnh lên - Mỗi cạnh lên thứ - Mỗi cạnh lên thứ 16 Sau giá trị ghi TMR1 đưa vào ghi CCPRx, cờ ngắt CCPIF set phải xóa chương trình Nếu tượng xảy mà giá trị ghi CCPRx chưa xử lí, giá trị nhận tự động ghi đè lên giá trị cũ Một số điểm cần ý sử dụng CCP sau: - Các pin dùng cho khối CCP phải ấn định input (set bit tương ứng ghi TRISC) Khi ấn định pin dùng cho khối CCP output, việc đưa giá trị vào PORTC gây “hiện tượng” tác động lên khối CCP trạng thái pin thay đổi - Timer1 phải hoạt động chế độ Timer chế độ đếm đồng - Tránh sử dụng ngắt CCP cách clear bit CCPxIE (thanh ghi PIE1), cờ ngắt CCPIF nên xóa phần mềm set để tiếp tục nhận định trạng thái hoạt động CCP - CCP tích hợp chia tần số prescaler điều khiển bit CCPxM3:CCPxM0 Việc thay đổi đối tượng tác động prescaler tạo hoạt động ngắt Prescaler xóa CCP không hoạt động reset 55 Hình 2.12 Sơ đồ khối CCP (Compare mode) Tương tự chế độ Capture, Timer1 phải ấn định chế độ hoạt động timer đếm đồng Ngoài ra, chế độ Compare, CCP có khả tạo tượng đặc biệt (Special Event trigger) làm reset giá trị ghi TMR1 khởi động chuyển đổi ADC Điều cho phép ta điều khiển giá trị ghi TMR1 cách linh động 2.13 Ngắt ( Interrupt) PIC16F877A có đến 15 nguồn tạo hoạt động ngắt điều khiển ghi INTCON (bit GIE) Bên cạnh ngắt có bit điều khiển cờ ngắt riêng Các cờ ngắt set bình thường thỏa mãn điều kiện ngắt xảy bất chấp trạng thái bit GIE, nhiên hoạt động ngắt phụ thuôc vào bit GIE bit điều khiển khác Bit điều khiển ngắt RB0/INT TMR0 nằm ghi INTCON, ghi chứa bit cho phép ngắt ngoại vi PEIE Bit điều khiển ngắt nằm ghi PIE1 PIE2 Cờ ngắt ngắt nằm ghi PIR1 PIR2 Trong thời điểm có chương trình ngắt thực thi, chương trình ngắt kết thúc lệnh RETFIE Khi chương trình ngắt thực thi, bit GIE tự động xóa, địa lệnh chương trình cất vào nhớ Stack đếm chương trình đến địa 0004h Lệnh RETFIE dùng để thoát khỏi chương trình ngắt quay trở chương trình chính, đồng thời 56 bit GIE set phép ngắt hoạt động trở lại Các cờ hiệu dùng để kiểm tra ngắt xảy phải xóa chương trình trước cho phép ngắt tiếp tục hoạt động trở lại để ta phát thời điểm mà ngắt xảy Đối với ngắt ngoại vi ngắt từ chân INT hay ngắt từ thay đổi trạng thái pin PORTB (PORTB Interrupt on change), việc xác định ngắt xảy cần chu kì lệnh tùy thuộc vào thời điểm xảy ngắt Cần ý trình thực thi ngắt, có giá trị đếm chương trình cất vào Stack, số ghi quan trọng không cất bị thay đổi giá trị trình thực thi chương trình ngắt Điều nên xử lí chương trình để tránh tượng xảy 57 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO 3.1 Yêu cầu thiết kế • Xây dựng , thiết kế mô hình trồng hoa, phải gần giống với thực tế nhằm mô cách hoạt động • Mạch hoạt động hiệu quả, ổn định, bền • Toàn hệ thống điều khiển vi điều khiển PIC 3.2 Thiết kế mạch 3.2.1 Sơ đồ khối Khối cảm biến Bộ điều khiển Cơ cấu chấp hành Khối Nguồn Hình 3.1 Sơ đồ khối 3.2.2 Các khối sơ đồ nguyên lý a Khối cảm biến Gồm cảm biến ảnh sáng ( quang trở ), cảm biến nhiệt độ độ ẩm để tiếp nhận thông tin môi trường bên Đưa thông tin vào điều khiển Điện trở R1 để hạn dòng cho cảm biến Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến 58 b Bộ điều khiển Sử dụng PIC 16F877A để tính toán, xử lý đưa lệnh khối cấu chấp hành Trong điều khiển có LCD hiển thị thông số gửi từ cảm biến Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý PIC 16F877A c Cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành gồm led, mô tơ, quạt Hoạt động nhờ vi điều khiển 16F877 Quạt dùng để làm mát nhiệt độ môi trường cao nhiệt độ cho phép Hệ thống đèn led dùng để sưởi ấm, hoạt động nhiệt độ môi trường thấp nhiệt độ cho phép Mô-tơ dùng để quay điểu khiển mái che Rơ-le dùng để đóng cắt mạch điều khiển,bảo vệ điều khiển làm việc mạch điện d Khối nguồn Khối nguồn dùng để cung cấp nguồn cho mạch ,bộ vi điều khiển hoạt động Khối cân đảm bảo nguồn ổn định, đảm bảo đủ nguồn nuôi, có bảo vệ sụt tải,sụt hao 59 - Mạch sử dụng nguồn 5v, ghim áp IC 7805 - Tụ C1 C3 lọc nhiễu hạn dòng cho mạch Sơ đồ nguyên lý Hình 3.4 Khối nguồn 3.2 Các linh kiện sử dụng mạch • PIC 16F877A • Led • Điện trở tụ điện • IC 7805 • Transitor C1815 • Các nút bấm, domino • LCD • Diode • Rơle • Relay 60 3.3 Chế tạo mạch 61 Hình 3.5 Mạch điều khiển Hình 3.6 Mạch điều khiển lúc hoạt động 62 Hình 3.8 Mạch điều khiển lúc hoạt động Hình 3.9 Mạch điều khiển lúc hoạt động 63 Hình 3.10 Cảm biến ánh sáng Hình 3.11 Hệ thống mái che KẾT LUẬN Sau nhiều tháng thực đề tài, thiết kế thi công thành công điều khiển sử dụng cho nhà vườn thông minh 64 Kết đạt Hệ thống hoạt động ổn định Có áp dụng vào thực tế vườn hoa nhỏ hộ gia đình Tìm hiểu thêm họ vi điều khiển, mà vi điều khiển PIC 16F877A Cách lập trình cho hệ thống hoạt động Những hạn chế đề tài Hạn chế thời gian nên phần thi công thiết kế chưa hoàn mỹ mặt khí Hạn chế mặt tài nên phần cấu chấp hành chưa thật tốt đẹp mắt Chưa khắc phục việc lâp lịch cho tưới nước tự động mô hình chủ yếu thiết bị điện Hướng phát triển đề tài Phát triển hệ thống theo hướng điều khiển tự động smartphone Khắc phục, thêm vào việc tưới nước tự động cho hệ thống 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình [1] Văn Thế Minh, Kỹ thuật vi xử lý, nhà xuất Giáo Dục, Hà Nội 1997 [2] Nguyễn Hứa Duy Khang, Trần Hữu Danh, Tài liệu lập trình hệ thống, nhà xuất Đại học Cần Thơ, 2008 [3] Dương Minh Trí, Linh Kiện Quang Điện Tử ,nhà xuất Khoa học kĩ thuật, Hà Nội1994 [4] Phan Quốc Phô, Giáo Trình Cảm Biến, nhà xuất Khoa học kĩ thuật Hà Nội, năm 2001 Trang Web [5] http://www.dientuvietnam.com, truy nhập cuối ngày 2/5/2016 [6] http://www.picvietnam.com, truy nhập cuối ngày 2/5/2016 [7] http://www.luanvan.co, truy nhập cuối ngày 10/5/2016 66 PHỤ LỤC Đây chương trình nạp cho PIC viết ngôn ngữ lập trình C chương trình CCS ******Chương Trình Chính Cho PIC ****** #include "main.h" #include "var.h" #include "lcd16x2/lcd_16x2.c" #include "dht/dht11.c" #fuses HS,NOWDT,NOPROTECT,BROWNOUT,PUT,NOLVP #use delay (clock = 20000000 ) #define k1 PORTD0//ngo vao nut nhan #define k2 PORTD1 #define k3 PORTD2 #define k4 PORTD3 #define l1 PORTC0//ngo #define l2 PORTC1 #define l3 PORTC2 int t1 = 30,t2 = 35,d1=2; int32 read,AS; uint8_t str[20]; void caidat() { LCD_Clear(); LCD_Gotoxy(0,0); sprintf(str,"CAI DAT NHIET DO"); LCD_Puts(str); while(TRUE) { LCD_Gotoxy(0,1); sprintf(str,"T thap la: %d",t1); LCD_Puts(str); if(k2==0) { while(k2==0){} if(t1>0) t1 ; else t1 = t2; } if(k3==0) { while(k3==0){} if(t1t1) t2 ; else t2 = 99; } if(k3==0) { while(k3==0){} if(t25) AS = 5; LCD_Gotoxy(0,1); sprintf(str,"AS:%u",AS); LCD_Puts(str); LCD_Gotoxy(7,1); sprintf(str,"CD:%d",d1); LCD_Puts(str); // puts("Test-String"); // puts((int8)dh_nhiet_do); //puts((int8)dh_do_am); // puts((int8)nd); if(k1==0) { while(k1==0) {} caidat(); LCD_Clear(); LCD_Gotoxy(0,0); sprintf(str,"NHIET DO-DO AM"); LCD_Puts(str); } 68 if(dh_nhiet_dot1)l1 = 0; // lon hon t2 - dk bom nho hon t1 - tat bom if(dh_nhiet_dot2) l2 = 1; if(ASd1) l3 = 1; } } 69 ... THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÀ VƯỜN THÔNG MINH" Mục đích đồ án là: Nghiên cứu, chế tạo hệ thống điều khiển tự động áp dụng cho mô hình trồng hoa thông minh, qua áp dụng vào thức tế Tìm hiểu,... thống điều khiển tự động, thành phần hệ thống cách điều chế hệ thống điều khiển tự động áp dụng cho mô hình trồng hoa thông minh Tìm hiểu vi điều khiển PIC, ngôn ngữ lập trình cho PIC, thông. .. đặt tên cho vi điều khiển họ: PIC1650 thiết kế để dùng làm thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600 Vi điều khiển sau nghiên cứu phát triển thêm 30 từ hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày