Đang tải... (xem toàn văn)
BÁO CÁO, MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ, DÙNG PIC16F877A
1 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ VÀ CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 1.1 Tổng quan mạch điều khiển nhiệt độ 1.2 Giới Thiệu Về Các Linh Kiện Sử Dụng 1.2.1 PIC16F877A .6 1.2.1.1 Cấu trúc tổng quát PIC 16F877A: 1.2.1.2 Sơ đồ chân PIC 16F877A 1.2.2 Cảm biến nhiệt độ LM35 1.2.2.1 Nguyên lý hoạt động chung IC đo nhiệt độ: 1.2.2.2 IC cảm biến nhiệt LM35: 1.2.2.3 Các đặc điểm tính chất quan trọng LM35 1.2.3 Màn hình LCD: 10 1.2.4 Các linh kiện khác: 12 1.2.4.1 Tụ điện: 12 1.2.4.2 Điện trở: 13 1.2.4.3 Thạch anh: 13 CHƯƠNG : Tổng Quan Về Mạch Phần Cứng 14 2.1 Sơ đồ khối: .14 2.2 Sơ đồ nguyên lý : .15 2.2.1 Nguyên lý hoạt động: 15 2.3 Quá Trình Thi Công : .16 CHƯƠNG 3: Chương Trình Phần Mềm 19 3.1 Sơ lược phần mềm sử dụng: 19 3.2 Lưu đồ thuật toán……………………………………………………20 KẾT LUẬN .22 TÀI LIỆU THAM KHẢO .23 Nguyễn Hữu Nam Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A Danh Mục Hình Ảnh: Hình 1: Ảnh thực tế PIC16F877A Hình 2: Datasheet PIC16F877A Hình 3: PIC16F877A gắn thạch anh……………………………… Hình 4:Cảm biến LM35 Hình 5: Hình dạng sơ đồ chân IC cảm biến nhiệt độ LM35……………………… Hình 6: LCD 16X2…………………………………………………………………………10 Hình 7: Sơ đồ chân LCD Hình 8: Điện trở………………………………………………………………………….…13 Hình 9: Thạch anh 12M Hình 10: Sơ đồ nguyên lý vẽ Proteus 8.5 Hình 11: Mơ Phỏng Proteus 8.5 Hình 12 : Sơ đồ mạch in Hình 13: Mơ Phỏng 3D Hình 14 : Hình ảnh sau hồn thành Hình 15: Proteus 8.5 Hình 16: Phần mềm lập trình CCS…………………… .20 Nguyễn Hữu Nam Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A MỞ ĐẦU Thế kỷ 21 mở thời đại mới, thời đại khoa học cơng nghệ đòi hỏi người ln ln khơng ngừng tìm tòi học hỏi để phát triển tiến Với nhảy vọt khoa học , kỹ thuật điện- điện t ử, mà th ế thời gian ngắn đạt thành tựu to lớn h ầu h ết lĩnh vực đời sống xã hội.Thiết bị công nghệ ngày đổi m ới đ ể góp phần nâng cao chất lượng sống.Ngày thi ết bị vi ều ển có ứng dụng rộng rãi với ưu điểm nhỏ gọn ,linh hoạt có th ể điều khiển rộng rãi.Vi điều khiển ngày chiếm lĩnh đóng vai trò c ực kỳ quan trọng kỹ thuật điều khiển tự động hóa Giờ đây, nhu cầu chuyên dụng hóa, tối ưu( thời gian, khơng gian, giá thành) bảo mật ,tính chủ động linh hoạt cơng nghệ… ngày đòi h ỏi khắc khe việc đưa công nghệ lĩnh vực chế tạo mạch điều ển điện tử, để đáp ứng nhu cầu cấp thiết khoa học kỹ thu ật ện -điện tử Kỹ thuật vi điều khiển phát triển,nó đáp ứng đ ược nhu c ầu nhiều ngành lĩnh vực sản xuất công nghiệp, tự động hóa ,trong đ ời sống…So với kỹ thuật số kỹ thuật vi điều khiển nh ỏ gọn h ơn, tập hợp lại có khả lập trình để điều khiển nên tiện dụng c động.Với tính chất ưu việc đó, đề tài em sử dụng vi ều ển đo nhiệt độ đồng thời hiển thị lên LCD Đề tài thiết kế dựa kiến thức học ,sách tham kh ảo m ột số nguồn tài liệu khác Tuy nhiên thời gian trình độ có hạn nên em khơng tránh kh ỏi sai sót Vì mong thầy ,cơ góp ý xây dựng giúp đ ỡ đ ể hoàn thành đ ề tài Em xin chân thành cảm ơn Nguyễn Hữu Nam Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A Để thực nội dung báo cáo tơi gồm ch ương, c ụ th ể: Chương 1: Tổng quan mạch điều khiển nhiệt độ linh kiện s d ụng Chương 2: Tổng quan mạch phần cứng Chương 3: Chương trình phần mềm Nguyễn Hữu Nam Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ VÀ CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 1.1 Tổng quan mạch điều khiển nhiệt độ Nhiệt độ đại lượng vật lý gắn liền với sống Nó tác động đến người mặt sống Và lĩnh vực sản xuất vậy,nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp tới trình vận hành, sản xuất Trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp nhiệt độ có tác động tr ực tiếp đến chất lượng sản phẩm đầu q trình gia cơng hàn v ật li ệu, nhiệt độ ảnh hưởng tới độ xác ,tính giãn nở nhiệt vật liệu Trong q trình nung nóng,sấy nung gạch men nhiệt độ ảnh hưởng tới chất lượng độ cứng ,độ dẻo, màu sắc sản ph ẩm đ ầu Trong y học nhiệt độ ảnh hưởng tới kết nghiên cứu ch ữa bệnh Trong sống nhiệt độ ảnh hưởng tới chất lượng bảo quản lương thực thực phẩm Trong nông nghiệp bạn nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp tới thành suất nơng nghiệp Với yếu tố em xin thiết kế đề tài ổn định nhiệt độ với khoản nhiệt độ ổn định điều khiển đến 60 độ C dùng cảm biến LM35 ,s dụng vi điều khiển PIC16F877A hiển thị lên LCD Ưu điểm cảm biến LM35: loại cảm biến nhiệt có giá thành tương đối rẻ có nhiều thị trường , có khoảng đo phù h ợp v ới yêu c ầu c đ ề tài Nguyễn Hữu Nam Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A PIC16F877A: loại chip vi điều khiển khả trình dùng mã nguồn mở ,nó có ưu điểm giá thành tương đối rẻ,điều ển ổn đ ịnh xác phổ biến thị trường 1.2 Giới Thiệu Về Các Linh Kiện Sử Dụng 1.2.1 PIC16F877A Hình 1: Ảnh thực tế PIC16F877A PIC 16F877A dòng PIC phổ biến (đ ủ m ạnh v ề tính năng, 40 chân, nhớ đủ cho hầu hết ứng dụng thông thường) 1.2.1.1 Cấu trúc tổng quát PIC 16F877A: K Flash ROM 368 Bytes RAM 256 Bytes EEPROM ports (A, B, C, D, E) vào với tín hiệu điều ển độc lập định thời bits (Timer Timer 2) Nguyễn Hữu Nam Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A Một định thời 16 bits (Timer 1) hoạt động chế độ tiếtkiệm lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock bô CCP( Capture / Compare/ PWM) biến đổi AD 10 bits, ngõ vào so sánh tương tự (Compartor) định thời giám sát (WatchDog Timer) Một cổng song song bits với tín hiệu điều khiển Một cổng nối tiếp 15 nguồn ngắt Nạp chương trình cổng nối tiếp ICSP(In-Circuit Serial Programming) Được chế tạo công nghệ CMOS Tần số hoạt động tối đa 20MHz 1.2.1.2 Sơ đồ chân PIC 16F877A Nguyễn Hữu Nam Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A Hình 2: Datasheet PIC16F877A Để PIC hoạt động ta cần cấp nguồn cho PIC Ngồi có th ể thêm vào dao động thạch anh Hình 3: PIC16F877A gắn thạch anh Nguyễn Hữu Nam Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A 1.2.2 Cảm biến nhiệt độ LM35 Hình 4:Cảm biến LM35 1.2.2.1 Nguyên lý hoạt động chung IC đo nhiệt độ: IC đo nhiệt độ mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt đo chuyển thành tín hiệu điện dạng dòng điện hay điện áp Dựa vào đặc tính nhạy bán dẫn với nhiệt độ tạo điện áp dòng điện, tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối Đo tín hiệu điện ta biết giá trị nhiệt độ cần đo.Sự tác động nhiệt độ tạo điện tích tự lổ trống chất bán dẫn Bằng phá vỡ phân tử, bứt electron thành dạng tự di chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo xuất lỗ trống Làm cho tỉ lệ điện tử tự lổ trống tăng lên theo qui luật hàm mũ với nhiệt độ 1.2.2.2 IC cảm biến nhiệt LM35: Hình 5: Hình dạng sơ đồNguyễn chânHữu IC Nam cảm biến nhiệt độ LM35 10 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A 1.2.2.3 Các đặc điểm tính chất quan trọng LM35 LM35 cảm biến tích hợp dùng để đo nhiệt độ với tín hiệu đầu tỉ lệ với nhiệt độ Celsius (bằng ) LM35 cho phép đo nhiệt độ xác nhiều so với nhiệt trở, cặp nhiệt điện v v Là cảm biến định đối tượng trình Oxy hố … LM35 tạo điện áp cao mà không cần khuếch đại Hệ số thang chia độ 0,01V/10C (tức độ biến thiên theo nhiệt độ) Nó khơng u cầu kiểm tra bên ngồi hay xếp trì độ xác nhiệt độ phòng (250C) dãy nhiệt độ từ Đặc tính quan trọng khác LM35DZ chịu đựng dòng tối thiểu 60μA từ nguồn cung cấp Đặc biệt ta nung cảm biến dẫn đến nhiệt độ tăng lên mơi trường chân khơng 0,1 Đặc tính điện Theo thông số nhà sản xuất LM35DZ, quan hệ nhiệt độ điện áp ngõ sau: Dòng điện đầu khoảng 10mA Vậy ứng với tầm hoạt động từ 1280C, ta có biến thiên điện áp ngõ là: o Ở điện áp ngõ o Ở 100 điện áp ngõ o Ở 128 điện áp ngõ Tùy theo cách mắc LM35 để ta đo giải nhiệt độ phù h ợp Đ ối v ới hệ thống đo từ đến 150 Chi ti ết b ạn có th ể xem datasheet 1.2.3 Màn hình LCD: Hình 7: Sơ đồ chân LCD Nguyễn Hữu Nam Hình 6: LCD 16X2 11 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A o Chức chân : Chân Ký hiệu Vss VDD Chân cấp nguồn cho LCD, thiết kế mạch ta nối chân với VCC=5V mạch điều khiển VEE Điều chỉnh độ tương phản LCD RS R/W E Mô tả Chân nối đất cho LCD, thiết kế mạch ta nối chân với GND mạch điều khiển Chân chọn ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) logic “1” (VCC) để chọn ghi + Logic “0”: Bus DB0-DB7 nối với ghi lệnh IR LCD (ở chế độ “ghi” - write) nối với đếm địa LCD (ở chế độ “đọc” - read) + Logic “1”: Bus DB0-DB7 nối với ghi liệu DR bên LCD Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động chế độ ghi, nối với logic “1” để LCD chế độ đọc Chân cho phép (Enable) Sau tín hiệu đặt lên bus DB0-DB7, lệnh chấp nhận có xung cho phép chân E + Ở chế độ ghi: Dữ liệu bus LCD chuyển vào(chấp nhận) ghi bên phát xung (high-to-low transition) tín hiệu chân E + Ở chế độ đọc: Dữ liệu LCD xuất DB0-DB7 phát Nguyễn Hữu Nam 12 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A - 14 DB0 DB7 15 16 - Tám đường bus liệu dùng để trao đổi thơng tin với MPU Có chế độ sử dụng đường bus : + Chế độ bit : Dữ liệu truyền đường, với bit MSB bit DB7 + Chế độ bit : Dữ liệu truyền đường từ DB4 tới DB7, bit MSB DB7 Nguồn dương cho đèn GND cho đèn 1.2.4 Các linh kiện khác: 1.2.4.1 Tụ điện: Tụ hóa: có tính nên Hình 8: Tụ gốm tụ hóa có tác chất phóng nạp dụng lọc nguồn làm cho điện áp đầu phẳng dập tắt dao đ ộng Tụ gốm: có độ tích điện nhỏ có điện tích nhỏ nên tụ gốm có th ể phóng nạp nhanh ưu điểm loại tụ không phân c ực dùng để lọc gai sóng làm cho điện áp ngõ ph ẳng h ơn Nguyễn Hữu Nam 13 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A 1.2.4.2 Điện trở: Hình 8: Điện trở Điện trở loại linh kiện điện tử thụ động có đặc tính cản tr dòng điện điện chạy qua Có tác dụng tạo sụt áp mạch m ắc n ối tiếp v ới 1.2.4.3 Thạch anh: Hình 9: Thạch anh 12M Thạch anh sử dụng rộng rãi, đâu có giá thành dẻ, khoảng Vài nghìn Nguyễn Hữu Nam 14 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A Ứng dụng thạch anh điện tử đa phần để tạo tần số ổn định tần số thạch anh tạo bị ảnh hưởng nhiệt độ mạch dao động RC… CHƯƠNG : Tổng Quan Về Mạch Phần Cứng 2.1 Sơ đồ khối: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ N G U Ồ N BỘ XỬ LÝ TRUNG TÂM HIỂN THỊ Trong đó: Khối Nguồn: cung cấp điện áp ổn định 5V cho toàn mạch, có vai trò quan trọng Nếu điện áp dòng điện khơng ổn định ảnh hưởng đến tất IC mạch Khối Cảm Biến Nhiệt Độ: cảm nhận nhiệt độ mơi trường bên ngồi xuất tín hiệu gửi xử lý trung tâm Khối Bộ Xử Lý Trung Tâm: xử lý tính hiệu nhận từ khối cảm biến nhiệt độ giá trị cài đặt Khối Hiển Thị: hiển thị nhiệt độ hình LCD Nguyễn Hữu Nam 15 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A 2.2 Sơ đồ nguyên lý : Hình 10: Sơ đồ nguyên lý vẽ Proteus 8.5 2.2.1 Nguyên lý hoạt động: Cảm biến LM35 quy đổi trực tiếp thay đổi nhiệt độ môi trường thành s ự thay đổi điện áp VD: Với nhiệt độ phòng 250C ngõ out LM35 có điện áp 250mV.Với vi điều khiển PIC 16F877A có tích hợp sẵn chuy ển đ ổi ADC nên tín hiệu lấy từ cảm biến đưa trực tiếp vào vi điều khiển PIC chuyển đổi giá trị đọc thành giá trị nhị phân Trong m ạch ta ch ọn ADC 10 bit.Quá trình chuyển đổi sau: ADC 10 bit tương ứng giá trị 1023 Ta chọn VEP = 5V = 5000 mV Vậy 5000mV ứng với 1023 khoản LM35 chuyển đổi 10C tương ứng với 10mV Suy 5000mV tương ứng với 5000C Nguyễn Hữu Nam 16 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A 5000C ứng với 1023 ? giá trị ADC chuy ển đ ổi (value) Vậy ta có cơng thức chuyển đổi sau: Độ C = (value * 500)/1023 2.3 Q Trình Thi Cơng : Hình 11: Mơ Phỏng Proteus 8.5 Hình 12 : Sơ đồ mạch in Nguyễn Hữu Nam 17 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A Hình 13: Mơ Phỏng 3D Nguyễn Hữu Nam 18 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A Hình 14 : Hình ảnh sau hồn thành Nguyễn Hữu Nam 19 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A CHƯƠNG 3: Chương Trình Phần Mềm 3.1 Sơ lược phần mềm sử dụng: 3.1.1 Phần mềm Proteus 8.5: Hình 15: Proteus 8.5 Proteus VSM (Virtual Simulation Machine) Labcenter Electronics phần mềm mô mạch điện ưa thích Proteus hỗ trợ nhiều chip vi điều khiển nh 8051, AVR, PIC, HC11, ARM7/LPC2000 Phần mềm bao gồm chương trình: ISIS cho phép mô mạch ARES dùng để vẽ mạch in 3.1.2 Phần mềm lập trình CCS: Nguyễn Hữu Nam Hình 16: Phần mềm lập trình CCS 20 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A Phần mềm CCS lập trình cho họ vi điều khiển PIC ngôn ngữ C cho hầu hết dòng vi điều khiển PIC.Sử sụng CCS tạo project,viết source code , xây dựng ,debug lập trình cho PIC cách nhanh chóng 3.1.3 Lưu đồ thuật tốn: 3.1.3.1 Chương trình chính: BEGIN LẤY MẪU CHUYỂN ĐỔI ADC VÀ CHUYỂN SANG GIÁ TRỊ NHIỆT ĐỘ HIỂN THỊ Khởi tạo chế độ cho ADC PIC Lấy mẫu nhiệt độ lần Cập nhật nhiệt độ Xuất lên LCD Nguyễn Hữu Nam 21 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A 3.1.3.2 Chương trình viết CCS: #include #include float f, ADCvalue, voltage; void main() { unsigned int8 x; setup_adc_ports(AN0); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); set_adc_channel(0); lcd_init(); printf(lcd_putc,"\fInitting "); delay_ms(1000); printf(lcd_putc,"\fTemp = "); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"Nguyen Huu Nam"); while(true) { ADCvalue = read_adc();//ham read_adc co san CCS voltage = (ADCvalue*50) / 1023; //(VOL) Nguyễn Hữu Nam 22 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A f = voltage / 10; lcd_gotoxy(8,1); printf(lcd_putc,"%0.1f C",f); delay_ms(1000); } } Nguyễn Hữu Nam 23 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A KẾT LUẬN Sau tháng nổ lực làm việc với hướng dẫn tận tình th ầy giáo Th.S Võ Minh Thông với đề tài “Thiết kế kỹ thuật v ề PIC 16F877A – Đo nhiệt độ” hoàn thành thời gian quy định Ưu điểm: Mạch có dãy đo nhiệt lớn từ đến 1500C Khả đáp ứng nhanh với độ thay đổi nhiệt độ môi tr ường Mạch thiết kế nhỏ gọn, dể sử dụng, tiện lợi Nhượt điểm: Tính ổn định chưa cao Còn có sai số nhiệt độ đo sai số linh kiện nh ững sai s ố tính tốn thiết kế mạch chấp nhận đươc Tình trạng mạch thiết kế: Mạch đo dược nhiệt độ khoản đến 1500c Có thể sử dụng nơi cần theo dõi nhiệt độ nhà kho, công xưởng, nhà số thiết bị máy móc khác Hướng phát triển: Sử dụng loại cảm biến nhiệt độ khác với độ xác cao h ơn, chống nhiễu tốt Thiết kế mạch giao tiếp với máy tính để thuận tiện h ơn việc sử dụng theo dõi Nguyễn Hữu Nam 24 Mạch Đo Nhiệt Độ Dùng PIC16F877A TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Diên Tập, “Vi Điều Khiển Với Lập Trình C ”, 2006, NXB Khoa học kỹ thuật [2] Lê Duy Phi, “Lập Trình Vi Điều Khiển PIC”,2006,Xuất tác giả [3] Trang web tham khảo: http://www.picvietnam.com Nguyễn Hữu Nam ... tựu to lớn h ầu h ết lĩnh vực đời sống xã hội.Thiết bị công nghệ ngày đổi m ới đ ể góp phần nâng cao chất lượng sống.Ngày thi ết bị vi ều ển có ứng dụng rộng rãi với ưu điểm nhỏ gọn ,linh hoạt... Compare/ PWM) biến đổi AD 10 bits, ngõ vào so sánh tương tự (Compartor) định thời giám sát (WatchDog Timer) Một cổng song song bits với tín hiệu điều khiển Một cổng nối tiếp 15 nguồn ngắt... nhiệt trở, cặp nhiệt điện v v Là cảm biến định đối tượng q trình Oxy hố … LM35 tạo điện áp cao mà không cần khuếch đại Hệ số thang chia độ 0,01V/10C (tức độ biến thiên theo nhiệt độ) Nó