MỤC LỤC Lời nói đầu Ngày nay khoa học kĩ thuật phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực của cuộc sống. Với sự phát triển như vũ bão của nền công nghiệp vi điện tử với việc cho ra đời các vi mạch cỡ vừa (MSI), cỡ lớn (LSI), và cực lớn (VLSI) có khả 1 năng lập trình ngày càng cao, đồng nghĩa với giá thành hạ và khả năng ứng dụng ngày càng rộng rãi. Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật để tăng năng suất lao động, tiết kiệm chi phí, năng lượng và đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của con người là rất cần thiết. Hiện nay có rất nhiều ứng dụng đã được ứng dụng mang tính thực tiễn cao như : Ngôi nhà thông minh, ổn định nhiệt độ trang trại…Vì vậy trong đề tài thực tập chuyên ngành em đã chọn đề tài “ Thiết kế mạch điều khiển và khống chế nhiệt độ”. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong thời gian thực hiện đề tài nhưng cũng không thể tránh khỏi những sai sót do kiến thức cũng như kinh nghiệm còn hạn chế. Rất mong được sự góp ý từ các thầy cô và các bạn để đề tài đạt kết quả tốt hơn. Xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Văn Thắng đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đề tài này ! Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Lý thuyết cảm biến 1.1.1. Cảm biến Cảm biến là thiết bị được định nghĩa là một thiết bị điện tử, dùng để cảm nhận những thay đổi bên ngoài môi trường và biến đổi thành các tín hiệu điện. Các tín hiệu điện này thay đổi tùy thuộc vào sự thay đổi của môi trường. Dựa vào sự thay 2 đổi đó mà chúng ta biết lúc nào cần hiệu chỉnh, điều khiển và xử lý. Do đó cảm biến được coi là một trong ba thành phần của một hệ thống điều khiển. KHỐI ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN THIẾT BỊ ĐẦU RA Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển Sơ đồ trên mô tả một hệ thống điều khiển trong thực tế, gồm 3 khối cơ bản : Khối cảm biến, khối điều khiển và khối thiết bi đầu ra. Nguyên lý chung của sơ đồ trên được hiểu như sau: Sau khi cảm nhận được sự thay đổi của môi trường bên ngoài, khối cảm biến sẽ truyền tín hiệu tới khối điều khiển (có thể thông qua bộ biến đổi, khuếch đại) tới khối điều khiển. Khối điều khiển đã được lập trình sẵn, luôn luôn chờ tín hiệu từ cảm biến và xử lý các thiết bị trong khối thiết bị đầu ra. Như vậy có thể thấy rằng trong sản xuất, cảm biến đóng vai trò hết sức quan trọng, nó là khâu đầu tiên nhận biết thông tin về đối tượng để từ đó người sử dụng hay thiết bị điều khiển có cơ sở thông tin để xử lý và điều khiển theo ý muốn. Xét ví dụ đơn giản về cảm biến trong nhà thông minh. Nhà thông minh trước hết phải đáp ứng được sự tiện nghi và thoải mái, đòi hỏi tính tự động hóa và thi hành ở mức độ cao, tiết kiệm năng lượng và nhiên liệu, an ninh an toàn. Theo như các hướng dẫn nghiên cứu từ Tổ chức Điện tử công nghiệp của Nhật năm 1986, các cảm biến là loại hàng hóa tiêu dùng, đặc biệt là các ứng dụng trong nhà chiếm khoảng 20% số sản phẩm cảm biến. Nhà hiện đại yêu cầu rất nhiều cảm biến để đáp ứng các yêu cầu : Điều khiển : Yêu cầu cảm biến nhiệt, độ ẩm, tốc độ gió, nếm thức ăn, đông sương, chống đông sương, mức nước, rác, trọng lượng, áp lực, quan sát, khí, rò khí, chống cháy, chống nổ … An ninh : Cảm biến nhiệt, bức xạ hồng ngoại, khói, khí dễ cháy nổ, động đất, dò điện, qua nhiệt, rung, cảm biến siêu âm cửa số ra vào, nhận diện và ghi nhận giọng nói, dấu tay, khuôn mặt…Điều khiển năng lượng yêu cầu cảm biến năng 3 lượng điện, dòng/áp , lưu tốc(khí, nước) , nhiệt độ, mức nước, ánh sáng mặt trời và độ sáng phòng. Hình 1.2. Sơ đồ nhà thông minh. Sự phát triển của các hệ thống cảm biến đã nhanh chóng đạt được nhiều thành tựu trong 2 thập kỷ qua. Tuy nhiên nguyên lý cơ bản của cảm biến được đưa ra bởi Lion theo tín hiệu chủ đạo và tín hiệu thứ yếu thì vẫn còn nguyên giá trị. Các nguyên lý đó là các nguyên lý về 6 loại cảm biến thường dùng là: cơ khí, nhiệt, điện, từ, bức xạ, hóa chất. 1.1.2. Phân loại cảm biến Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau:  Theo nguyên lý chuyển đổi giữa các đáp ứng và kích thích. Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng và kích thích Hiện tượng vật lý  Nhiệt điện  Quang điện  Quang từ  Điện từ  Quang đàn hổi  Từ điện  Nhiệt từ… Hóa học  Biến đổi hóa học  Biến đổi điện hóa  Phân tích phổ Sinh học  Biến đổi sinh hóa  Biến đổi vật lý  Hiệu ứng trên cơ thể sống Âm thanh  Biên pha, phân cực  Phổ  Tốc độ truyền sóng 4 Điện  Điện tích, dòng điện  Điện thế, điện áp  Điện trường(biên, pha, phân cực, phổ) Từ  Từ trường  Từ thông, cường độ từ trường  Độ từ thẩm Quang  Biên pha, phân cực, phổ  Tốc độ truyền  Hệ số, phát xạ,khúc xạ  Hệ số hấp thụ Cơ  Vị trí  Lực, áp suất  Gia tốc, vận tốc  Ứng suất, độ cứng  Khối lượng, tỷ trọng Nhiệt  Nhiệt độ  Thông lượng  Nhiệt dung, tỷ nhiệt Bức xạ  Kiểu(hồng ngoại, tử ngoại…)  Năng lượng  Cường độ Bảng 1.1. Phân loại theo đáp ứng kích thích  Phân loại theo tính năng của bộ cảm biến  Độ nhạy  Độ chính xác  Độ phân giải  Độ tuyến tính  Công suất tiêu thụ  Dải tần  Độ trễ  Độ chọn lọc  Khả năng quá tải  Tốc độ đáp ứng  Độ ổn định  Tuổi thọ  Điều kiện môi trường  Kích thước, trọng lượng Bảng 1.2. Phân loại theo tính năng  Phân loại theo phạm vi sử dụng Cảm biến được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như : Công nghiệp, nghiên cứu khoa học, môi trường, khí tượng, thông tin viễn thông, nông nghiệp, dân dụng, giao thông, vũ trụ và quân sự…  Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế + Cảm biến tích cực đầu ra là nguồn dòng hoặc nguồn áp. + Cảm biến thụ động hoặc chủ động được đặt bởi các thông số tuyến tính hoặc phi tuyến. 5 Thông số kỹ thuật cơ bản của bộ cảm biến :  Dải đo, ngưỡng nhạy và độ phân giải và khả năng phân ly  Độ nhạy và tính tuyến tính của thiết bị  Sai số hay độ chính xác  Đặc tính động  Một số thông số khác như công suất tiêu thụ, trở kháng,kích thước, trọng lượng thiết bị và các thông số điện đầu ra… 1.1.3. Ứng dụng Các loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa các quá trình sản xuất và điều khiển tự động các hệ thống khác nhau. Chúng có chức năng 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 ra 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 ra 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 sự : Các cảm biến sử dụng trong điều khiển máy bay do thám, không người lái. Áp dụng trong các công nghệ tàu ngầm, các vũ khí hiện đại, mũ quân sự, tàu ngầm, tên lửa… Trong công nghiệp : Các cảm biển đếm sản phẩm, hệ thống kiểm soát nhiệt độ trong các lò luyện thép, các hệ thống kiểm soát thông số trong nhà máy hóa chất…. Trong dân dụng : Cảm biến trong hệ thống nhà thông minh như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, cảm biến khói, cảm biến khí ga…. 6 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 là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình 8Kx14 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 với 33 pin I/O. Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau: •Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit. •Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep. •Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler. Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rộng xung. 7 •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 bên ngoài. •Các đặc tính Analog: 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit. Hai bộ so sánh. •Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần. Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần. Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm. Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm. Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân. Watchdog Timer với bộ dao động trong. Chức năng bảo mật mã chương trình. Chế độ Sleep. Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau. 8 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 bộ nhớ Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A bao gồm bộ nhớ chương trình (program memory) và bộ nhớ dữ liệu (data memory) . Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ flash , dung lượng bộ nhớ 8k word (1 word= 14bit) và được phân thành nhiều trang (từ page 0 đến page 3) .Như vậy bộ nhớ chương trinh có khả năng chứa được 8*1024 =8192 lệnh (vì một lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14 bit). Để mã hóa được địa chỉ của 8k word bộ nhớ chương trình , bộ đếm chương trình có dung 9 lượng 13 bit (PC<12:0>) . Khi vi điều khiển reset , bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h (reset vector). Khi có ngắt xảy ra , bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h (interrupt vector). Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau. Bộ nhớ dữ liệu của PIC là bộ nhớ EEPROM được chia ra làm nhiều bank. Đối với PIC16F877A bộ nhớ dữ liệu được chia ra làm 4 bank. Mỗi bank có dung lượng 128 byte, bao gồm các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFG (Special Function Register) nằm ở các vùng địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đích chung GPR (General Purpose Pegister) nằm ở vùng địa chỉ còn lại trong bank. Các thanh ghi SFR thường xuyên được sử dụng (ví dụ như thanh ghi STATUS) sẽ được đặt ở tất cà các bank của bộ nhớ dữ liệu giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và làm giảm bớt lệnh của chương trình. Stack không nằm trong bộ nhớ chương trình hay bộ nhớ dữ liệu mà là một vùng nhớ đặc biệt không cho phép đọc hay ghi. Khi lệnh CALL được thực hiện hay khi một ngắt xảy ra làm chương trình bị rẽ nhánh, giá trị của bộ đếm chương trình PC tự động được vi điều khiển cất vào trong stack. Khi một trong các lệnh RETURN, RETLW hat RETFIE được thực thi, giá trị PC sẽ tự động được lấy ra từ trong stack, vi điều khiển sẽ thực hiện tiếp chương trình theo đúng qui trình định trước. Bộ nhớ Stack trong vi điều khiển PIC họ 16F87xA có khả năng chứa được 8 địa chỉ và hoạt động theo cơ chế xoay vòng. Nghĩa là giá trị cất vào bộ nhớ Stack lần thứ 9 sẽ ghi đè lên giá trị cất vào Stack lần đầu tiên và giá trị cất vào bộ nhớ Stack lần thứ 10 sẽ ghi đè lên giá trị 6 cất vào Stack lần thứ 2. Cần chú ý là không có cờ hiệu nào cho biết trạng thái stack, do đó ta không biết được khi nào stack tràn. Bên cạnh đó tập lệnh của vi điều khiển dòng PIC cũng không có lệnh POP hay PUSH, các thao tác với bộ nhớ stack sẽ hoàn toàn được điều khiển bởi CPU. 1.1.5. Các cổng xuất nhập của PIC 16F877A Cổng xuất nhập (I/O port) 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 quá trình tương tác đó, chức năng của vi điều khiển được thể hiện một cách rõ ràng. Một cổng xuất nhập của vi điều khiển bao gồm nhiều chân (I/O pin), tùy theo cách bố trí và chức năng của vi điều khiển mà số lượng cổng xuất nhập và số 10 [...]... 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 21 2.1 Tổng quan về mạch điều khiển và khống chế nhiệt độ 2.1.1 Giới thiệu chung Mạch điều khiển và khống chế nhiệt độ là mạch điện tử thực hiện chức năng hiển thị và khống chế nhiệt độ trong một khoảng nào đó phù hợp với yêu cầu cũng như tính năng của các hệ thống Chúng ta có thể thực hiện chức năng điều khiển các thiết bị ngoại vi theo yêu cầu thực tế Trên thị trường hiện nay... từ mạch điều khiển và khống chế nhiệt độ như : Bộ ổn định nhiệt lò ấp trứng, Khống chế nhiệt lò luyện thép, kiểm soát nhiệt độ trong hệ thống nhà thông minh…Do tính ứng dụng của mạch này trong thực tế là rất lớn nên trong đề tài thực tập này em đã chọn “ Mạch điều khiển và khống chế nhiệt độ “ để tìm hiểu và nghiên cứu 2.1.2 Mục đích yêu cầu Đầu vào là nhiệt độ môi trường thông qua bộ cảm biến và. .. thanh và thực hiện điều khiển thiết bị ngoại vi Do đó yêu cầu như sau :     Hiển thị chính xác nhiệt độ môi trường qua led 7 thanh Kiểm soát và điều khiển trong dải nhiệt độ xác định Mạch làm việc ổn định, tốc độ đáp ứng nhanh Chi phí thấp , khả năng áp dụng vào thực tế lớn 2.1.3 Khảo sát hệ thống a Tính cấp thiết của đề tài Đề tài « Thiết kế mạch điều khiển và khống chế nhiệt độ « thực hiện điều khiển. .. Khối điều khiển trung tâm 27 Hình 1.16 Khối điều khiển trung tâm Thực chất đây là vi điều khiển PIC 16f877A được nối với thạch anh tạo dao động và có thêm công tắc Reset Chương trình được lập trình và nạp vào để điều khiển hoạt động của mạch d Khối điều khiển thiết bị đầu ra Gồm 1 quạt chip để điều chỉnh tốc độ, 1 thiết bị 2.2.4 Linh kiện sử dụng a LM 35 Hình 1.17 Hình ảnh LM35 Cấu tạo Lm35 là mạch mạch... thực hiện hiển thị ra khối hiển thị , kiểm soát để điều khiển khối thiết bị đầu ra Các công việc đó được xử lý bằng lập trình Khối hiển thị : Thực hiện chức năng hiển thị nhiệt độ và giao diện khi thiết đặt nhiệt độ Khối điều khiển thiết bị đầu ra: Thực chất là các thiết bị ngoại vi với chức năng thực thi ổn định nhiệt độ, được điều khiển bởi khối điều khiển trung tâm 24 2.2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống... lý trung tâm là vi điều khiển PIC 16F877A sử dụng thạch anh 20MHz tạo dao động Tín hiệu đầu vào lấy từ cảm biến nhiệt độ LM35 đưa tới chân RA0 của vi điều khiển và các nút nhấn Button nối vào 3 chân của cổng RC Tín hiệu ra đưa qua các transistor tới led 7 đoạn hoặc điều khiển thiết bị Ban đầu khi cấp nguồn cho mạch Vi điều khiển đã được lập trình sẵn sàng nhận tín hiệu từ LM35 và các phím bấm Tín... nhiệt độ min, max đọc từ ROM hay không Nếu nhiệt đúng ( nhiệt độ nằm trong dải min, max) thực hiện hiển thị, bật thiết bị và băm xung điều chỉnh đầu ra là quạt và đèn Nếu nhiệt độ nằm ngoài khoảng trên thực hiện hiển thị và điều khiển thiết bị, tắt quạt nếu nhiệt độ nhỏ hơn min và điều khiển quạt, tắt thiết bị nếu nhiệt độ lớn hơn max Sau đó quay lại chương trình tiếp tục kiểm soát 33 2.3.2 Lưu đồ thuật... có đến 15 nguồn tạo ra hoạt động ngắt được điều khiển bởi thanh ghi INTCON (bit GIE) Bên cạnh đó mỗi ngắt còn có một bit điều khiển và cờ ngắt riêng Các cờ ngắt vẫn được set bình thường khi thỏa mãn điều kiện ngắt xảy ra bất chấp trạng thái của bit GIE, tuy nhiên hoạt động ngắt vẫn phụ thuộc vào bit GIE và các bit điều khiển khác Bit điều khiển ngắt RB0/INT và TMR0 nằm trong thanh ghi INTCON, thanh... thì thực hiện so sánh giá trị đọc từ ADC với giá trị thiết đặt trong ROM và thực hiện hiển thị và hiệu chỉnh và quay lại chương trình ban đầu Khi có phím được nhấn thì thực hiện lưu giá trị thiết đặt vào trong ROM và quay lại chương trình như ban đầu Nếu không có phím nhấn thì thực hiện kiểm tra giá trị nhiệt độ nhận được có nằm trong khoảng nhiệt độ min, max đọc từ ROM hay không Nếu nhiệt đúng ( nhiệt. .. được tích hợp sẵn trong PIC được chuyển đổi thành tín hiệu số, tín hiệu này được xử lý và hiển thị ra led 7 thanh 25 Khi các phím BUTTON được nhấn vi điều khiển sẽ nhận biết và thực hiện thay đổi giá trị trên led 7 thanh và lưu trong EPROM Vi điều khiển sẽ kiểm soát so sánh và thực hiện điều khiển thiết bị đầu ra khi nhiệt độ thấp hơn hoặc vượt quá ngưỡng cho phép để ổn định 2.2.3 Sơ đồ chi tiết các khối . mang tính thực tiễn cao như : Ngôi nhà thông minh, ổn định nhiệt độ trang trại…Vì vậy trong đề tài thực tập chuyên ngành em đã chọn đề tài “ Thiết kế mạch điều khiển và khống chế nhiệt độ”. Mặc. thống điều khiển. KHỐI ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN THIẾT BỊ ĐẦU RA Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển Sơ đồ trên mô tả một hệ thống điều khiển trong thực tế, gồm 3 khối cơ bản : Khối cảm biến, khối điều. sức quan trọng, nó là khâu đầu tiên nhận biết thông tin về đối tượng để từ đó người sử dụng hay thiết bị điều khiển có cơ sở thông tin để xử lý và điều khiển theo ý muốn. Xét ví dụ đơn giản về