NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Nhiệm vụ đề tài tập trung vào tìm hiểu Thiết kế điều khiển hệ thống ổn định nhiệt độ cho lò ấp trứng loại nhỏ, nội dung đề tài bao gồm:  Khảo sát phân tích hệ thống lò ấp trứng, yêu cầu nhiệt độ lò  Thiết kế cấu phần cứng nhằm thu thập nhiệt độ điều khiển ổn định nhiệt  Lập trình điều khiển ổn định nhiệt cho lò  Viết báo cáo tổng kết đồ án LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đồ án nghiên cứu Hệ thống phần cứng chương trình phần mềm thiết kế xây dựng Các thông tin số liệu đồ án hoàn toàn trung thực, xác có nguồn gốc rõ ràng Trong trình nghiên cứu có tham khảo số tài liệu có danh mục tài liệu tham khảo liệt kê cuối đồ án Sinh viên Nguyễn Văn Huân MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN STM32 1.1 Lịch sử hình thành phát triển 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Cortex 1.2 Đặc điểm ARM STM32 10 1.2.1 Các giai đoạn phát triển STM32 10 1.2.2 Tính ưu việt .11 1.2.3 Sự an toàn 12 1.2.4 Tính bảo mật .12 1.2.5 Phát triển phần mềm 13 1.2.6 Dòng Performance Access STM32 .13 1.3 Lõi Cortex-M0 .14 1.4 So sánh dòng ARM 15 1.5 Giới thiệu kit STM32F0 16 1.5.1 Tổng quan kít STM32F051R8T6 .17 1.5.2 Cấu trúc phần cứng STM32F0 19 1.5.3 Các khối chức kit STM32F0 .20 1.6 Mạch nạp .30 1.7 Chương trình biên dịch Keil c cách tạo project 31 1.7.1 Chương trình biên dịch Keil C v4 31 1.7.2.Tạo Project 34 CHƯƠNG KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG LÒ ẤP TRỨNG LOẠI NHỎ .42 2.1 Giới thiệu 42 2.2 Yêu cầu hệ thống 42 2.3 Phân tích khối chức .43 2.3.1 Khối cảm biến(LM35) .43 2.3.2 Khối Nguồn .44 2.3.3 Khối hiển thị LCD 45 2.3.4 Khối xử lí trung tâm KIT STM32F051R8T6 .47 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 49 3.1 Thiết kế hệ thống 49 3.1.1 Sơ đồ mạch nguyên lí khối 49 3.1.2 Sơ đồ tổng thể hệ thống 51 3.3 Chương trình hệ thống 52 3.4 Kết hệ thống .55 3.5 Đánh giá kết 56 KẾT LUẬN .57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Chíp ARM hệ thứ M1 Hình 1.2 Biểu đồ giai đoạn phát triển STM32 .11 Hình 1.3 Đặc điểm cuả bốn nhánh họ STM32 14 Hình 1.4 Sự phát triển STM32 15 Hình 1.5 Biểu đồ thể tốc độ xử lí chip STM32 15 Hình 1.6 Cấu trúc dòng chip STM32 16 Hình 1.7 Hình ảnh kit STM32F0 .17 Hình 1.8 Thông số kỹ thuật kit STM32F0 18 Hình 1.9 Sơ đồ khối STM32F0-Discovery 19 Hình 1.10 Mặt KIT STM32F0 21 Hình 1.11 Mặt KIT STM32F051R8T6 .22 Hình 1.12 Nạp chương trình CN2 23 Hình 1.13 Kết nối CN3 (SWD) 23 Hình 1.14 Nạp chương trình CN3 (SWD) 24 Hình 1.15 Vị trí Led 27 Hình 1.16 Vị trí nút bấm KIT 28 Hình 1.17 Mạch nạp j-link V7 30 Hình 1.18 Mạch nạp J-link V8 30 Hình 1.19 Truy nhập trang chủ Keil C ấn download 31 Hình 1.20 Điền thông tin cá nhân .31 Hình 1.21 Click để tải phần mềm máy 32 Hình 1.22 Tải Keil C máy 32 Hình 1.23 Cài đặt chương trình .33 Hình 1.24 Cài đặt chương trình(tiếp) 33 Hình 1.25 Chọn đườg dẫn ấn “ Next” 34 Hình 1.26 Ấn Next để cài đặt chờ kết thúc 34 Hình 1.27 Tạo project 35 Hình 1.28 Chọn đường dẫn tới thư mục để lưu project đặt tên cho project 35 Hình 1.29 Chọn vi điều khiển muốn lập trình 36 Hình 1.30 Thêm thành phần cần project 36 Hình 1.31 Thêm thư viện 37 Hình 1.32 Project đủ thư viện 37 Hình 1.33 Cửa sổ Options for target 38 Hình 1.34 Chọn tần số thạch anh 38 Hình 1.35 Tạo file hex 39 Hình 1.36 Thêm thư viện C/C++ .39 Hình 1.37 Chọn công cụ nạp 40 Hình 1.38 Viết code cho chương trình 40 Hình 1.39 Kết dịch chương trình 41 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống đo nhiệt hiển thị LCD 43 Hình 2.2 Sơ đồ chân cảm biến LM35 43 Bảng 2.3 Chức chân LCD 16x2 45 Hình 2.4 Bảng chức chân LCD 46 Hình 2.5 Kết nối LCD 16x2 với VĐK 47 Hình 2.6 KIT STM32F051R8T6 47 Hình 3.1 Mạch nguyên lí khối cảm biến 49 Hình 3.2 Sơ đồ mạch nguyên lí khối vi điều khiển 50 Hình 3.3 Mạch nguyên lí khối hiển thị LCD .50 Hình 3.4 Sơ đồ tổng thể hệ thống 51 Hình 3.5 Sơ đồ mạch nguyên lý 51 Hình 3.6 Hệ thống đo nhiệt độ sử dụng cảm biến LM35 55 LỜI NÓI ĐẦU Trong hoạt động sản xuất nông nghiệp nay, việc tự động hóa khâu sản xuất quan trọng Nhiều năm trở lại đây, có nhiều ứng dụng vi điều khiển vào hoạt động chăn nuôi, …Một yếu tố quan trọng ngành nông nghiệp chăn nuôi gia cầm khâu sản xuất giống, để nâng cao chất lượng sản xuất đòi hỏi phải có côn giống tốt Từ thực tế thấy tầm quan trọng việc ấp nở giống từ trứng gia cầm đặc biệt việc ổn định nhiệt độ lò ấp trứng Vì em lựa chọn đề tài “Thiết kế điều khiển hệ thống ổn định nhiệt độ cho lò ấp trứng loại nhỏ” Trong trình hoàn thành đề tài kinh nghiệm kiến thức hạn chế nên em không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận bảo, góp ý thầy cô để báo cáo em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường Đại học Công Nghệ Thông Tin Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên đặc biệt cô giáo ThS Lưu Thị Liễu - Khoa Công Nghệ Điện Tử Truyền Thông tận tình bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành đề tài Thái Nguyên, tháng năm 2016 Sinh viên thực Nguyễn Văn Huân CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN STM32 1.1 Lịch sử hình thành phát triển 1.1.1 Giới thiệu ARM (Acorn RISC Machine) loại cấu trúc vi xử lý 32-bit kiểu RISC (Reduced Instructions Set Computer - Máy tính với tập lệnh tối giản) sử dụng rộng rãi hệ thống nhúng Do có đặc điểm tiết kiệm lượng nên vi xử lí ARM ngày chiếm ưu sản phẩm thiết bị điện tử di động Chip ARM bắt đầu thiết kế từ năm 1983 dự án phát triển công ty máy tính Acorn Nhóm thiết kế dẫn đầu Roger Wilson Steve Furber năm 1985 nhóm cho đời mẫu chip ARM hệ có tên ARM1 Hình 1.1 Chíp ARM hệ thứ M1 Năm 1986 nhóm hoàn thành sản phẩm thực gọi tên ARM2, ARM2 có đường truyền liệu 32-bit, không gian địa 26-bit cho phép quản lý đến 64 Mbyte địa 16 ghi 32-bit Một ghi đóng vai trò đếm chương trình với bit cao bit thấp lưu giữ cờ trạng thái vi xử lý Có thể nói ARM2 vi xử lý 32-bit khả dụng đơn giản giới, gồm 30.000 transistor Sự đơn giản có nhờ ARM vi chương trình giống hầu hết CPU vào thời đó, không chứa cache Vì có cấu trúc đơn giản nên ARM có đặc điểm tiêu thụ công suất thấp đồng thời đảm bảo tính vượt trội so với dòng vi xử lí khác Thế ARM3, ARM3 tạo với 4KB cache có chức cải thiện tốt hệ trước Vào năm cuối thập niên 80, hãng máy tính Apple Computer bắt đầu hợp tác với Acorn để phát triển hệ lõi ARM kết hợp tác đời hệ ARM6 Hiện ARM tiếp tục phát triển, cập nhật kiến trúc cách toàn diện Hiện phiên sử dụng phổ biến phiên ARM7 và phát triển phiên ARM8 sử dụng điện toán xử lý 64 bít Trong vài năm trở lại đây, xu hướng chủ yếu thiết kế với vi điều khiển sử dụng chip ARM7 ARM9 vi điều khiển đa dụng Ngày nhà sản xuất IC đưa thị trường 240 dòng vi điều khiển sử dụng lõi ARM Tập đoàn ST Microelectronic vừa cho mắt dòng STM32, vi điều khiển dựa lõi ARM Cortex-M3 hệ hãng ARM thiết kế, lõi ARM Cortex-M3 cải tiến lõi ARM7 truyền thống Dòng STM32 thiết lập tiêu chuẩn hiệu suất, chi phí, khả đáp ứng ứng dụng tiêu thụ lượng thấp tính điều khiển thời gian thực khắt khe 1.1.2 Cortex Dòng ARM Cortex xử lí hệ đưa kiến trúc chuẩn cho nhu cầu đa dạng công nghệ Không giống chip ARM khác, dòng Cortex lõi xử lí hoàn thiện, đưa chuẩn CPU kiến trúc hệ thống chung Dòng Cortex gồm phân nhánh chính: dòng A dùng cho ứng dụng cao cấp, dòng R dùng cho ứng dụng thời gian thực đầu đọc dòng M dùng cho ứng dụng vi điều khiển chi phí thấp STM32 đươc thiết kế dựa dòng Cortex-M3, dòng Cortex-M3 thiết kế đặc biệt để nâng cao hiệu suất hệ thống, kết hợp với tiêu thụ lượng thấp Cortex-M3 thiết kế dựa kiến trúc chi phí sản xuất thấp để cạnh tranh với dòng vi điều khiển bit 16 bit truyền thống Cortex-M3 thiết kế lõi chi phí thấp CPU 32 bit với hai chế độ hoạt động: Thread Handler, chế độ cấu hình với vùng stack riêng biệt nó, điều cho phép thiết kế phần mềm phức tạp hỗ trợ hệ điều hành thời gian thực Lõi Cortex có hỗ trợ timer 24 bit tự động nạp lại giá trị, cung cấp ngắt timer đặn cho nhận RTOS ( read time operating system) Các chíp ARM7 ARM9 có tập lệnh ( tập lệnh ARM 32 bit tập lệnh Thumb 16 bit ) dòng Cortex thiết kế hỗ trợ tập lệnh ARM Thumb-2, tập lệnh pha trộn tập lênh 32 bit tập lệnh 16 bit Tập lệnh Thumb-2 thiết kế đặc biệt dành cho chương trình C/C++, tức ứng dụng dựa Cortex hoàn toàn viết ngôn ngữ C mà không cần đến chương trình khởi động viết Assembler ARM7 ARM9 1.2 Đặc điểm ARM STM32 1.2.1 Các giai đoạn phát triển STM32 Hiện STM32 chải qua giai đoạn: - Cortex-M0: Đây hệ STM32 bao gồm chip STM32F0 - Cortex-M3: Đây hệ thứ STM32 bao gồm chip STM32L1, STM32F1, STM32F2 - Cortex-M4: Đây hệ thứ STM32 bao gồm chip STM32F3, STM32F4 10 2.3.3 Khối hiển thị LCD LCD loại hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị dòng chữ số bảng mã ASCII Không giống loại LCD lớn, Text LCD chia sẵn thành ô ứng với ô hiển thị ký tự ASCII Cũng lý thị ký tự ASCII nên loại LCD gọi Text LCD (để phân biệt với Graphic LCD hiển thị hình ảnh) Mỗi ô Text LCD bao gồm “chấm” tinh thể lỏng, việc kết hợp “ẩn” “hiện” chấm tạo thành ký tự cần hiển thị Trong Text LCD, mẫu ký tự định nghĩa sẵn Kích thước Text LCD định nghĩa số ký tự hiển thị dòng tổng số dòng mà LCD có Ví dụ LCD 16x2 loại có dòng dòng hiển thị tối đa 16 ký tự Một số kích thước Text LCD thông thường gồm 16x1, 16x2, 16x4, 20x2, 20x4… Bảng 2.3 Chức chân LCD 16x2 45 Hình 2.4 Bảng chức chân LCD Trong số LCD chân LED đánh số 15 16 số trường hợp chân ghi A (Anode) K (Cathode) Hình 3.3 mô tả cách kết nối LCD với nguồn mạch điều khiển: 46 Hình 2.5 Kết nối LCD 16x2 với VĐK Chân chân chân nguồn, nối với GND nguồn 5V Chân chân chỉnh độ tương phản (contrast), chân cần nối với biến trở chia áp hình 2.Trong hoạt động, chỉnh để thay đổi giá trị biến trở để đạt độ tương phản cần thiết, sau giữ mức biến trở Các chân điều khiển RS, R/W, EN đường liệu nối trực tiếp với vi điều khiển Tùy theo chế độ hoạt động bit hay bit mà chân từ D0 đến D3 bỏ qua nối với vi điều khiển 2.3.4 Khối xử lí trung tâm KIT STM32F051R8T6 Hình 2.6 KIT STM32F051R8T6 - Vi điều khiển STM32F051R8T6 gồm 64 KB Flash, MB nhớ RAM 47 - Mạch nạp gỡ lỗi ST-LINK/V2 - Nguồn nuôi thông qua cổng USB từ nguồn cung cấp điện bên ngoài: V V - Bốn đèn LED: + LD1 (màu đỏ) cho 3,3 V điện vào + LD2 (màu đỏ / xanh cây) để giao tiếp USB + LD3 (màu xanh) cho sản lượng PC9 + LD4 (màu xanh) cho đầu PC8 - Hai nút bấm (người sử dụng thiết lập lại) - Tiêu đề mở rộng cho tất LQFP64 I / O để kết nối nhanh chóng dễ dàng tạo mẫu bảng thăm dò - Một bảng bổ sung cung cấp kết nối với cổng mở rộng cho mẫu dễ dàng thăm dò 48 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Thiết kế hệ thống 3.1.1 Sơ đồ mạch nguyên lí khối 3.1.1.1 Sơ đồ mạch nguyên lí khối cảm biến Hình 3.1 Mạch nguyên lí khối cảm biến Khối cảm biến làm nhiệm vụ cảm biến nhiệt độ môi trường gửi tín hiệu đo ADC khối xử lí trung tâm STM32F051R8T6 để chuyển đổi thành tín hiệu số cho ta kết mong muốn 49 3.1.1.2 Sơ đồ mạch nguyên lí khối vi điều khiển Hình 3.2 Sơ đồ mạch nguyên lí khối vi điều khiển Khối xử lí trung tâm làm nhiệm vụ xử lí tín hiệu nhận từ cảm biến, biến đổi tín hiệu cảm biến LM35 gửi tới thành tín hiệu số xuất hiển lên hình LCD 3.1.1.3 Sơ đồ mạch nguyên lí khối hiển thị LCD Hình 3.3 Mạch nguyên lí khối hiển thị LCD 50 Khối hiển thị LCD làm nhiệm vụ hiển thị liệu xuất từ vi điều khiển STM32F0R8T6 3.1.2 Sơ đồ tổng thể hệ thống Hình 3.4 Sơ đồ tổng thể hệ thống Sau phân tích yêu cầu đề tài, vi điều khiển phải thực công việc: nhận xử lý liệu LM35, gửi liệu lên LCD xuất tín hiệu điều khiển điều chỉnh nhiệt độ Do thuật toán điều khiển chương trình Hình 3.5 Sơ đồ mạch nguyên lý 51 Khi vừa bật nguồn cho thiết bị, chip vi điều khiển module trạng thái mặc định nên ta phải khởi tạo lại chế độ hoạt động cho vi điều khiển Trước hết khởi động Port cho vi điều chế độ In/Out Sau khởi tạo LCD Các trình khởi tạo thực đến thành công, không thành công, CPU báo lỗi phải Reset lại thiết bị 3.3 Chương trình hệ thống #include "main.h" IO uint16_t ADC1ConvertedValue = 0; float temp; uint8_t str[10]; void delay() { int time; for(time=0;time=37.5) GPIOB->ODR = 0x1; if ( tempODR = 0x0; delay(1000); } } 3.4 Kết hệ thống Sau trình nghiên cứu đồ án em có sản phẩm phần cứng sau: Hình 3.6 Hệ thống đo nhiệt độ sử dụng cảm biến LM35 55 3.5 Đánh giá kết Sau thiết kế xong sơ đồ phần cứng xây dựng xong chương trình phần mềm thực việc thử nghiệm hệ thống theo bước thực trên… Từ kết thu thông qua số lần thử nghiệm đánh giá hoạt động hệ thống sau: a) Ưu điểm hệ thống - Hệ thống hoạt động ổn định đáp ứng theo yêu cầu thiết kế - Hệ thống phần cứng cấu trúc nhỏ gọn, đẹp mắt - Hệ thống đo nhiệt độ tự động điều chỉnh nhiệt độ - Tốc độ đáp ứng hệ thống nhanh b) Nhược điểm hệ thống - Kết đo nhiệt độ có tương sai số lần đo chất lượng cảm biến chưa tốt chịu nhiều tác động môi trường xung quanh - Hệ thống chưa tích hợp nhiều chức - Mạch hệ thống làm phương pháp thủ công nên chất lượng mạch chưa cao 56 KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian nghiên cứu xây dựng hệ thống đo nhiệt độ đến hoàn thành Kết hệ thông hoạt động theo yêu cầu đề tài Hệ thống đo nhiệt độ Cuốn đồ án xây dựng cách chi tiết đầy đủ nội dung lý thuyết phần thiết kế giải toàn nội dung đề cương đăng ký đồ án Tuy nhiên hệ thống hạn chế đó, phát triển chức đo nhiệt độ Trong thời gian tới tác giả tiếp tục nghiên cứu để tích hợp thêm nhiều chức để hệ thống ngày hoàn thiện 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] STM32F051R8T6 data sheet [2] http://banlinhkien.vn/mcu/forums/stm32.15/ [3] http://www.st.com/web/en/search/partNumberKeyword [4] http://www.dientuvietnam.net/forums/core-32-bit-176/ [5] http://codientu.org/forums/tutorial-voi-kit-stm32f0-discovery.370/ 58 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Giáo viên hướng dẫn 59 ... tầm quan trọng việc ấp nở giống từ trứng gia cầm đặc biệt việc ổn định nhiệt độ lò ấp trứng Vì em lựa chọn đề tài Thiết kế điều khiển hệ thống ổn định nhiệt độ cho lò ấp trứng loại nhỏ” Trong trình... CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 49 3.1 Thiết kế hệ thống 49 3.1.1 Sơ đồ mạch nguyên lí khối 49 3.1.2 Sơ đồ tổng thể hệ thống 51 3.3 Chương trình hệ thống. .. dùng cho ứng dụng vi điều khiển chi phí thấp STM32 đươc thiết kế dựa dòng Cortex-M3, dòng Cortex-M3 thiết kế đặc biệt để nâng cao hiệu suất hệ thống, kết hợp với tiêu thụ lượng thấp Cortex-M3 thiết