Đang tải... (xem toàn văn)
Với kết cấu nội dung gồm 4 chương, đồ án Thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ hiển thị trên LCD 16X2 trình bày về các phương pháp đo nhiệt độ, cơ sở lý thuyết đo nhiệt độ hiển thị trên LCD 16X2, thiết kế và chế tạo LCD 16X2,... Đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn chuyên ngành Điện - Điện tử.
ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ HIỂN THỊ TRÊN LCD 16X2 Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Viết Ngư Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thực Thân Thị Thương Lớp: 112134.1 Tháng 10, năm 2015 NHÂN XET CUA GIAO VIÊN H ̣ ́ ̉ ́ ƯỚNG DÂN ̃ Ngày tháng 10 năm 2015 Giáo viên hướng dẫn MỤC LỤC: Table of Contents MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Ngày nay khoa học cơng nghệ hiện đại đã có những bước tiến nhanh và xa đi theo nó là những thành tựu ứng dụng trong các lĩnh vực đời sống, cơng nghiệp Kỹ thuật điều khiển trong tiến trình hồn thiện lý thuyết cũng đã tạo cho mình nhiều phát triển có ý nghĩa. Bây giờ khi nhắc tới điều khiển con người dường hình dung tới độ chính xác, tốc độ xử lý và thuật tốn thơng minh đồng nghĩa là lượng chất xám cao hơn. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại vi điều khiển như 8051, Motorola 68HC, AVR, ARM, Ngồi họ 8051 được hướng dẫn một cách căn bản ở mơi trường đại học, chúng em đã chọn vi điều khiển PIC để mở rộng vốn kiến thức và phát triển các ứng dụng trên cơng cụ này vì các ngun nhân sau: Họ vi điều khiển nàycó thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Việt Nam Có đầy đủ tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập Là sự bổ sung rất tốt về kiến thức cũng như ứng dụng cho họ vi điều khiển mang tính truyền thống: họ vi điều khiển 8051. Giá thành khơng đắt Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các cơng cụ lập trình, nạp chương trình từ dơn giản tới phức tạp Các tính năng đa dạng của vi điều khiển PIC và các tính năng này khơng ngừng được phát triển Số lượng người sử dụng họ vi điều khiển PIC trên thế giới cũng như Việt Nam khá nhiều.Đã tạo thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứng dụng như: số lượng tài liệu, số lượng các ứng dụng mở đã được phát triển, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được hỗ trợ khi gặp khó khăn Vì vậy, sau một thời gian học tập và tìm hiểu tài liệu với sự giảng dạy của các thầy cơ giáo. Cùng với sự dẫn dắt nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn thầy Nguyễn Viết Ngư. Chúng em đã chọn đề tài: “thiết kế chế tạo mạch đo nhiệt độ hiển thị trên LCD 16x2” làm đồ án tích hợp 1 của mình Đối tượng nghiên cứu Với đề tài này chúng em tập trung vào: Tìm hiểu về vi điều khiển PIC 16F877A Nghiên cứu và chế tạo thiết bị đo nhiệt độ phòng Mục đích nghiên cứu Khi nghiên cứu đồ án này chúng em đã: Hiểu được cách thức và chế độ hoạt động của VĐK PIC 16F877A Hiểu được cách thức hoạt động của cảm biến nhiệt độ LM 35 Thiết kế, chế tạo được mạch đo nhiệt độ phòng dùng PIC 16F877A Phương pháp nghiên cứu Do đây là một đồ án sản phẩm, nên chúng em đã áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm trực tiếp trên sản phẩm thật, chạy thử và hồn thiện chương trình Ý nghĩa nghiên cứu Như đã nói trên thì nếu thực hiện thành cơng đề tài này sẽ mang lại ý nghĩa to lớn về cả thực tiễn và lý luận Ý nghĩa lý luận: Tồn bộ chương trình và bản thuyết minh của đề tài sẽ trở thành tài liệu nghiên cứu, tham khảo nhanh, dễ hiểu, thiết thực cho các bạn sinh viên, những người thích tìm hiểu về đề tài này của chúng em Ý nghĩa thực tiễn: Với sự thành cơng của đề tài sẽ góp phần giúp cho các bạn sinh viên mới nói chung và các bạn sinh viên khoa Điện Điện Tử nói riêng thấy rõ được ý nghĩa thực tế và thêm u thích chun ngành mình đã chọn Do kiến thức và trình độ năng lực hạn hẹp nên việc thực hiện đề tài này khơng thể tránh được thiếu sót, kính mong nhận được sự thơng cảm và góp ý của thầy giáo, cơ giáo và các bạn để đồ án này hồn chỉnh hơn Chúng em xin trân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thực Thân Thị Thương CHƯƠNG I: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1.1 Khái niệm về nhiệt độ: 1.1.1 Khái niệm: Nhiệt độ là đại lý đặc trưng cho cường độ chuyển động của các ngun tử, phân tử của một hệ vật chất. Tuỳ theo từng trạng thái của vật chất ( rắn, lỏng, khí) mà chuyển động này có khác nhau. ở trạng thái láng, các phân tử dao động quanh vi trí cân bằng nhưng vi trí cân bằng của nó ln dịch chuyển làm cho chất lỏng khơng có hình dạng nhất định. Còn ở trạng thái rắn, các phần tử, ngun tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng. Các dạng vận động này của các phân tử, ngun tử được gọi chung là chuyển động nhiệt. Khi tương tác với bên ngồi có trao đổi năng lượng nhưng khơng sinh cơng, thì q trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt. Q trình truyền nhiệt trên tn theo 2 ngun lý: Bảo tồn năng lượng Nhiệt chỉ có thể tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thất. Ở trạng thái rắn, sự truyền nhiệt xảy ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt Đối với các chất lỏng và khí ngồi dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt còn có truyền nhiệt bằng đối lưu. Đó là hiện tượng vận chuyển năng lượng nhiệt bằng cách vận chuyển các phần của khối vật chất giữa các vùng khác nhau của hệ do chênh lệch về tỉ trọng 1.1.2 Sơ lược về phương pháp đo nhiệt độ: Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc nhiệt độ. Hiện nay chóng ta có nhiều ngun lí cảm biến khác nhau để chế tạo cảm biến nhiệt độ như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phương pháp quang dùa trên phân bố phổ bức xạ nhiệt, phương pháp dùa trên sự dãn nở của vật rắn, lỏng, khí hoặc dùa trên tốc độ âm… Có 2 phương pháp đo chính: Ở dải nhiệt độ thấp và trung bình phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc, nghĩa là các chuyển đổi được đặt trực tiếp ngay trong mơi trường đo Thiết bị đo như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt, bán dẫn Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo là phương pháp khơng tiếp xúc ( dơng cụ dặt ngồi mơi trường đo). Các thiết bị đo nh: cảm biến quang, hoả quang kế ( hoả quang kế phát xạ, hoả quang kế cường độ sáng, hoả quang kế màu sắc)… 1.2 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc 1.2.1 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở: Ngun lý hoạt động: Điện trở của một số kim loại thay đổi theo nhiệt độ và dùa vào sự thay đổi điện trở đó người ta đo được nhiệt độ cần đo Nhiệt điện trở dùng trong dụng cụ đo nhiệt độ làm việc với dòng phụ tải nhỏ để nhiệt năng sinh ra do dòng nhiệt điện trở nhỏ hơn so với nhiệt năng nhận được từ mơi trường thí nghiệm u cầu cơ bản đối với vật liệu dùng làm chuyển đổi của nhiệt điện trở là có hệ số nhiệt độ lớn và ổn định, điện trở suất khá lớn… Trong cơng nghiệp nhiệt điện trở được chia thành nhiệt điện trở kim loại và nhiệt điện trở bán dẫn 1.2.2 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu: Ngun lý làm việc: Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu là 1 mạch từ có 2 hay nhiều thanh dẫn điện gồm 2 dây dẫn A và B. Sebeck đã chứng minh rằng nếu mối hàn có nhiệt độ t và t0 khác nhau thì trong mạch khép kín có một dòng điện chạy qua. Chiều của dòng điện này phụ thuộc vào nhiệt độ tương ứng của mối hàn nghĩa là t > t0 thì dòng điện chạy theo hướng ngược lại. Nếu để hở một đầu thì sẽ xuất hiện một sức điện động nhiệt. Khi mối hàn có cùng nhiệt độ ( ví dụ bằng t 0 ) thì sức điện động tổng bằng: EAB = eAB(t0) + eAB(t0) = 0 Từ đó rót ra: eAB = eAB(t0) Khi t0 và t khác nhau thì sức điện động tổng bằng: EAB = eAB(t) – e+AB(t0) Phương trình trên là phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu ( sức điện động phụ thuộc vào hệ số nhiệt độ của mạch vòng t và t0) Nh vậy bằng cách đo sức điện động ta có thể tìm được nhiệt độ của đối tượng Phương pháp này được sử dụng nhiều trong cơng nghiệp khi cần đo những nơi có nhiệt độ cao 1.2.3 IC cảm biến nhiệt độ Có rất nhiều hãng chế tạo linh kiện điện tử đã sản xuất ra các loại IC bán dẫn dùng để đo dải nhiệt độ từ 55‚ 150 0C. Trong các mạch tổ hợp IC, 10 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO 3.1. SƠ ĐỒ KHỐI Hình 2.1: Sơ đồ khối 43 3.1.1 Phân tích chức năng các khối Khối nguồn: Có chức năng cung cấp nguồn ni cho tồn bộ mạch điện Nguồi ni thường duy trì ổn định ở mức +5V. Do u cầu cao của hệ thống các nguồn ni thường được chế tạomột cách đặc biệt nhằm đem lại hiệu quả, và tính ổn định cao Thơng thường có 2 kiểu nguồn chính: Dùng pin hoặc ắc quy cho điện áp tương đối ổn định, mặc dù trên thị trường khơng có loại pin hoặc ắc quy chuẩn 5V cho nên nếu dùng nó thì phải qua một bộ biến đổi điện áp để đưa điện áp về dạng chuẩn hơn nữa trong q trình sử dụng, năng lượng trong pin, ắc quy hết đi hệ thống sẽ bị gián đoạn Hình 2.2: Sơ đồ đưa điện áp 6V từ pin về điện áp chuẩn Trên thực tế để có nguồn điện đáng tin cậy người ta hay dùng phương pháp ổn áp điện áp một chiều từ cuộn sơ cấp của biến áp sau khi đ ã chỉnh lưu bằng cách sử dụng một số IC ổn áp như 7805 hoặc một số loại khác Mạch chỉnh lưu và ổn áp: Để tạo ra điện áp một chiều sử dụng cho mạch ln chạy ổn định thì trên thực tế cần phải có bộ chuyển đổi từ nguồn xoay chiều sang nguồn một chiều. Bộ chuyển đổi đó cơ bản bao gồm: Biến áp nguồn: Hạ thế từ 220V xuống các điện áp thấp hơn Mạch chỉnh lưu: Chuyển đổi nguồn AC thành DC Mạch lọc: Lọc gợn xoay chiều sau chỉnh lưu cho nguồn DC phẳng hơn Mạch ổn áp: Giữ một điện áp ra cố định cung cấp cho tải tiêu thụ 44 Hình 2.3: Sơ đồ mắc mạch chuyển đổi nguồn AC thành DC Sơ đồ và nguyên lý hoạt động mạch ổn áp một chiều 5V: Hình 2.4: Mạch ổn áp 5V DC Ngun lý hoạt động: Nguồn 6V AC từ cuộn thứ cấp của biến áp được chỉnh lưu thành DC tại điểm A thơng qua mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kì gồm 4 diode D1, D2, D3, D4. Sau chỉnh lưu, điện áp một chiều vẫn còn gợn sóng nên được đưa qua mạch lọc gồm tụ C1 để giảm thiều gợn sóng rồi tiếp tục vào mạch ổn áp 7805. Ổn áp 7805 có đầu vào VIN(chân 1) > 5V nên nó thực hiện ổn áp thành đầu ra mức 5V tại VOUT(chân 3) để cung cấp cho tải LCD 16X2 : tại điện áp nguồn 5V thì dòng tiêu thụ max của LCD là 265mA 45 Khối cảm biến : Khối cảm biến có chức năng đo nhiệt độ của mơi trường và đưa tín hiệu thu được đến khối vi xử lí 46 Khối vi xử lý: Khối này có chức năng chuyển đổi ADC Đo nhiệt độ mơi trường tại một điểm thơng qua sensor nhiệt LM35. LM35 là sensor đo nhiệt, đo được nhiệt độ trong khoảng từ 500C đến 1500C, đầu ra là 10mV/0C. Đầu ra này được đưa vào chân Analog của bộ ADC Khối hiển thị : Có chức năng hiển thị giá trị nhiệt độ lên LCD 47 LCDHDISPLAYH16x2 3.1.2 Sơ đồ ngun lý MCLR/HV RC2 48 3.1.3 Phân tích ngun lý hoạt động của cả mạch điện Nut nhân S1 la nut RESET: 1 đâu nơi GND, đâu con lai nơi v ́ ́ ̀ ́ ̀ ́ ̀ ̀ ̣ ́ ới trở treo tao m ̣ ưc lên ́ Vcc va nôi vao chân MCLR/Vpp cua vi x ̀ ́ ̀ ̉ ử ly. Khi ch ́ ưa tac đông chân MCLR/Vpp ́ ̣ ở mưć cao,bộ vi xử lý hoaṭ đông ̣ binh ̀ thương ̀ Khi được tać đông ̣ thì chân MCLR/Vpp được đưa xuông m ́ ưc thâp,bô x ́ ́ ̣ ử ly ngay lâp t ́ ̣ ức được reset nhay vê ̉ ̀ thực hiên câu lênh ̣ ̣ ở ngăn nhớ đâu tiên cua bô nh ̀ ̉ ̣ ớ LM35: Chân 1 la GND, chân 2 la Vout, chân 3 la Vcc. D ̀ ̀ ̀ ữ liêu chân 2 se đ ̣ ̃ ược đưa vao bô đoc va chuyên đôi ADC đ ̀ ̣ ̣ ̀ ̉ ̉ ược tich h ́ ợp trong bô x ̣ ử ly thông qua kênh AN2 ́ Tạo dao đông: gôm thach anh 20MHz va 2 tu đât 33pF ̣ ̀ ̣ ̀ ̣ ́ Hiển thi LCD, gôm 1 LCD 16x2. LCD đ ̣ ̀ ược truyên d ̀ ữ liêu 4 bit t ̣ ́ ừ vi điêu khiên ̀ ̉ qua cac chân D4, D5, D6, D7. Con lai D0, D1, D2, D3 không s ́ ̀ ̣ ử dung ta b ̣ ỏ trống Ta câp ngu ́ ồn cho led man hinh LCD thông qua chân 15 va 16 cua LCD ̀ ̀ ̀ ̉ Ở mạch nay ta chi ̀ ̉ xư dung ch ̉ ̣ ưc năng ghi d ́ ữ liệu lên LCD nên chân RW ta nôí GND. Biên tr ́ ở tinh chỉnh R3 co tac dung điêu chinh đô t ́ ́ ̣ ̀ ̉ ̣ ương phan cho LCD ̉ Khôi mach nap: Gôm co chân 1 chân Reset, chân 2 la chân Vcc, chân 3 la chân nôi ́ ̣ ̣ ̀ ́ ̀ ̀ ́ GND, chân 4 la chân PGD, chân 5 la chân PGC ( chân PGD va PGC dung đ ̀ ̀ ̀ ̀ ể truyên ̀ dư liêu t ̃ ̣ ư may tinh thông qua mach nap vao IC ̀ ́ ́ ̣ ̣ ̀ 49 3.2 Thiết kế sơ đồ board mạch. Sơ đồ mạch in: Sơ đồ bố trí linh kiện: 50 Xây dựng phần mềm. 3.3 Chúng em sẽ sử dụng chương trình CCS (ngơn ngữ C trong PIC của Microchip) để lập trình cho vi điều khiển, ưu điểm của nó là khá nhỏ gọn so với khi ta viết bằng MASM nhờ được hỗ trợ khá nhiều hàm, ngồi ra ta còn có thể chèn một đoạn chương trình viết bằng ASM giữa 2 chỉ thị tiền xử lý là #ASM và #ENDASM 3.4 Chương trình. Lưu đồ thuật tốn Lưu đồ thuật tốn tồn mạch: 51 52 53 SƠ ĐỒ CÀI ĐẶT NHIỆT ĐỘ 3.5. Ứng dụng thực tiễn của mạch Đây là một trong những mạch cơ bản sử dụng PIC với tính năng cảm ứng đem lại nhiều tiện ích khi sử dụng. Trước hết, việc cảm ứng và hiển thị sự thay đổi và nhiệt độ mơi trường là hết sức cần thiết trong cả đời sống và sản xuất, giúp chủ động trong các thao tác liên quan đến nhiệt độ mơi trường như yếu tố nhiệt độ trong sinh hoạt (ấp trứng, ươm mầm, báo động…) hay các thao tác nghiệp vụ đòi hỏi nhiệt độ ổn định trong cơng nghiệp. Đây cũng là một mạch điện tử thân thiện với người sử dụng, nhờ vào khả năng hiển thị đa dạng của màn hình LCD, ngồi việc hiển thị nhiệt độ mạch còn giúp hiển thị những cảnh báo hữu ích cho con người. Cảm biến nhiệt LM35 cũng là một trong những thiết bị cảm ứng độ nhạy cao, giá thành thấp 54 giúp cảm ứng tốt nhiệt độ mơi trường. Do còn hạn chế trong kiến thức về phần cứng và thực hiện thao tác làm mạch, nhóm em vẫn chưa thực hiện được ý tưởng của mình trong việc mở rộng ứng dụng của mạch này trong việc điều khiển động cơ hay các thiết bị báo cháy, thiết bị điều hòa nhiệt độ (quạt, máy lạnh…) mà chỉ dừng lại ở mức độ hiển thị. Nhưng nhóm em cũng có tham khảo đến những hướng để mở rộng mạch như: Nâng cao độ chính xác hiển thị bằng cách dùng ADC có độ phân giải cao hơn (có thể dùng ADC ngồi) Thêm bàn phím giao tiếp để có thể thay đổi trực tiếp khoảng nhiệt độ theo dõi Sử dụng EEPROM để lưu giá trị nhiệt độ mà người dùng thiết lập, các lần thay đổi khác Ghép nối máy tính để truyền giá trị nhiệt độ đến máy tính. Ghép nối LCD và một mạch đếm thời gian thực (DS1307) để ứng với mỗi thời điểm chương trình sẽ tự động chọn khoảng thiết lập nhiệt độ thích hợp theo từng mùa, theo từng thời điểm định trước… Sử dụng PIC trong các mạch thiết kế tự động kết hợp với các mạch tăng giảm nhiệt độ để đảm bảo nhiệt độ luôn bám theo một giá trị cho trước, hệ ổn định nhiệt (giá trị thay đổi là rất nhỏ). 55 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Sau một thời gian tìm hiểu và được sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Viết Ngư, chúng em đã hồn thành đồ án “Thiết kế và chế tạo mạch đo nhiệt độ”. Chúng em đã cho chạy thử và kết quả thu được thỏa mãn nhu cầu đặt ra Với đề tài này chúng em đã ứng dụng một phần nhỏ của vi điều khiển PIC. Trong thực tế có rất nhiều ứng dụng thành cơng sử dụng vi điều khiển PIC Trong thời gian thực hiện đồ án này chúng em đã thu được những kết quả như sau: Học hỏi được nhiều hơn và có thêm nhiều kiến thức Có khả năng phân tích, thiết kế và thi cơng một sản phẩm hồn chỉnh Tuy nhiên với thời gian cho phép cũng như kiến thức còn hạn chế đồ án vẫn còn những thiếu sót Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Viết Ngư và các thầy, cơ giáo đã nhiệt tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức trong suốt q trình học tập và thực hiện đồ án này. Nhóm sinh viên thực hiện Phạm Văn Thực Thân Thị Thương 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Giáo trình đo lường cảm biến 2.Giáo trình kỹ thuật tương tự 3.Giáo trình điện tử căn bản. tác giả Nguyễn Thành Long Nguyễn Vũ Thắng 4.Website: www.diendandientu.com www.dientuvietnam.net www.alldatasheet.com www.dientumaytinh.com 57 ... của các thầy cơ giáo. Cùng với sự dẫn dắt nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn thầy Nguyễn Viết Ngư. Chúng em đã chọn đề tài: thiết kế chế tạo mạch đo nhiệt độ hiển thị trên LCD 16x2 làm đồ án tích hợp 1 của mình... Hiểu được cách thức và chế độ hoạt động của VĐK PIC 16F877A Hiểu được cách thức hoạt động của cảm biến nhiệt độ LM 35 Thiết kế, chế tạo được mạch đo nhiệt độ phòng dùng PIC 16F877A Phương pháp nghiên cứu Do đây là một đồ án sản phẩm, nên chúng em đã áp dụng phương pháp ... Tìm hiểu về vi điều khiển PIC 16F877A Nghiên cứu và chế tạo thiết bị đo nhiệt độ phòng Mục đích nghiên cứu Khi nghiên cứu đồ án này chúng em đã: Hiểu được cách thức và chế độ hoạt động của VĐK PIC 16F877A