Đang tải... (xem toàn văn)
ĐO và điều KHIỂN tối ưu NHIỆT độ PHÒNG dùng PIC (có code và sơ đồ mạch) ĐO và điều KHIỂN tối ưu NHIỆT độ PHÒNG dùng PIC (có code và sơ đồ mạch) ĐO và điều KHIỂN tối ưu NHIỆT độ PHÒNG dùng PIC (có code và sơ đồ mạch) ĐO và điều KHIỂN tối ưu NHIỆT độ PHÒNG dùng PIC (có code và sơ đồ mạch) ĐO và điều KHIỂN tối ưu NHIỆT độ PHÒNG dùng PIC (có code và sơ đồ mạch)
ĐỒ ÁN ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHỊNG MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PWM Pulse With Modulation ADC Analog to Digital Conventer LCD Liquid Crystal Display IC Intergrated Circuit ĐỒ ÁN Trang 5/33 CHƯƠNG MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU VÀ LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích ý nghĩa đề tài Con người ngày bận rộn với công việc sống nên việc đưa ứng dụng mang tính tự động hóa cao giúp người tiết kiệm nhiều thời gian, đồng thời giảm phần áp lực Chính nhiều ứng dụng hệ thông minh đời hệ thống giao thông thông minh, nhà thông minh, hệ thống phun, tưới nước tự động Đề tài thiết kế hệ thống đo điều khiển nhiệt độ phòng mảng nhỏ hệ thống nhà thông minh, giúp cho người biết nhiệt độ tận hưởng sống tốt hơn, dành thời gian để làm công việc khác 1.2 Nội dung đề tài 1.1.1 Chức Mạch gồm có chức chính: • Chức khối hiển thị LCD Hiển thị nhiệt độ môi trường lên LCD để biết xác nhiệt độ mơi trường thời điểm • Chức khối động (quạt) Khi nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt trước quạt tự động chạy để làm mát không gian 1.1.2 Yêu cầu Cảm biến LM35 đo nhiệt độ môi trường thông qua thay đổi điện áp, tín hiệu đưa vào hệ thống vi xử lí, thơng qua lập trình sẽ: - Hiển thị nhiệt độ thực môi trường lên LCD - Điều khiển động quay theo mức nhiệt độ phương pháp điều xung PWM ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 6/33 1.3 Phương pháp thực - Tìm hiểu kiến thức cách đo nhiệt độ LM35, phương pháp điều xung PWM, giao tiếp vi điều khiển PIC với LCD, với động DC - Sử dụng PIC 16F877A, cảm biến nhiệt độ LM35, Động chiều DC 5V, hình LCD 16x2 - Viết code để thực giao tiếp CCS nạp cho PIC - Mạch tiến hành thi cơng có mơ hình thực tế cụ thể ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 7/33 CHƯƠNG MẠCH VÀ CÁC LINH KIỆN CƠ BẢN 1.4 Sơ đồ mạch thiết kế mô Hình 2- 1:Sơ đồ mạch mơ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 8/33 1.5 Các linh kiện 1.1.3 Vi điều khiển PIC 16F877A Hình 2- 2: Cấu tạo sơ đồ chân PIC 16F877A Đây vi điều khiển thuộc họ PIC16xxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit Mỗi lệnh thực thi chu kì xung clock Tốc độ hoạt động tối đa cho phép 20MHz với chu kì lệnh 200ns Bộ nhớ flash chương trình 8192 words nhớ liệu 368 bytes SRAM + 256 bytes EEPROM Số PORT I/O với 33 pin I/O 1.1.1.1 Các đặc tính ngoại vi - Timer0: nhớ bit với chia tần số bit - Timer1: đếm 16 bit với chia tần số thực chức dựa vào xung clock ngoại vi vi điều khiển hoạt động chế độ sleep - Timer2: đếm bit với chia tần số, postcaler - Hai Capture/ so sánh/ điều chế độ rộng xung - Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronuos Serial Port), ISP I2C - Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với bit địa ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 9/33 - Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với chân điều khiển RD, WS, CS bên ngồi 1.1.1.2 Các đặc tính analog - 14 kênh chuyển đổi analog - so sánh Bên cạnh vài đặc tính khác vi điều khiển như: - Bộ nhớ flash có khả ghi xóa 100 000 lần - Bộ nhớ EEPROM có khả xóa 1000 000 000 lần - Dữ liệu nhớ EEPROM lưu trữ 40 năm - Khả tự nạp chương trình vói điều khiển phần mềm - Nạp chương trình mạch ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua chân - Watchdog timer với dao động - Chức bảo mật mã chương trình - Chế độ sleep - Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác • 1.1.1.3 Các cổng vào PIC 16F877A PORT A: có bit (tương ứng với chân RA0 –RA5) chân cổng A có tích hợp số chức ngoại vi, thiết bị ngoại vi enable cổng khơng hoạt động cổng vào Bình thường port A cổng vào chiều Thanh ghi xác định chiều tương ứng chân Port A ghi TrisA Các bit ghi Tris A xác định chân Port A đầu vào ngược lại đầu • PORT B: Rộng bit (tương ứng với RB0 - RB7) cổng vào chiều Thanh ghi qui định chiều Port B ghi TrisB Thiết lập ghi trisB làm cho cổng B cổng vào ngược lại cổng • PORT C : rộng bit (tương ứng với chân RC0 – RC7), bình thường cổng vào chiều Thanh ghi qui định chiều cổng ghi ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 10/33 trisC Các chân RC3, RC4 dùng để kết nối, truyền nhận thơng tin thiết bị ngoại vi • PORT D rộng bit (RD0- RD7), cổng vào • PORT E Rộng bit (RE0 – RE2), cấu tạo đầu đầu vào Port E đầu vào điều khiển I/O bit PSPSTATUS (TRISE.4) xác lập 1.1.1.4 Chức chân - Chân 11,32: Các chân nối nguồn VDD (VCC) - Chân 12,31: Các chân nối đất VSS (GND) - Chân số 1: VPP + MCLR: Hoạt động reset mức thấp + VPP: ngõ vào áp lập trình - Chân số 2: RA0/AN0 + RA0: Xuất/nhập số + AN0: Ngõ vào tương tự - Chân số 3: RA1/AN1 + RA1: Xuất/nhập số + AN1: Ngõ vào tương tự - Chân số 4: RA2/AN2/VREF-/CVREF + RA2: Xuất/nhập số + AN2: Ngõ vào tương tự + VREF-: Ngõ vào điện áp chuẩn thấp A/D ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 22/33 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG 1.6 Tìm hiểu kiến thức 1.1.8 Tổng quan đo nhiệt độ 1.1.1.18 Khái niệm nhiệt độ Nhiệt độ đại lượng đặc trưng cho cường độ chuyển động nguyên tử, phân tử hệ vật chất Tùy theo trạng thái vật chất (rắn, lỏng, khí) mà chuyển động có khác Ở trạng thái lỏng, phân tử dao động quanh vị trí cân vị trí cân ln dịch chuyển làm cho chất lỏng khơng có hình dạng định Khi trạng thái rắn, phần tử, nguyên tử dao động xung quanh vị trí cân Các dạng vận động phân tử, nguyên tử gọi chung chuyển động nhiệt Khi tương tác với bên ngồi có trao đổi lượng khơng sinh cơng, q trình trao đổi lượng nói gọi truyền nhiệt 1.1.1.19 Đo nhiệt độ cảm biến LM35 Nhiệt độ đại lượng vật lí vơ hướng để đo đạc tính tốn giá trị ta phải dùng cảm biến Mạch đo nhiệt độ dùng loại cảm biến LM35 Các cảm biến LM35 cảm biến nhiệt, mạch tích hợp xác cao mà điện áp đầu tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang Celcius Bộ cảm biến LM35 khơng u cầu cân chỉnh ngồi vốn chúng cân chỉnh Chúng đưa điện áp 10mV cho thay đổi độ C Như cần cảm biến LM35 ta tính giá trị nhiệt độ thời điểm xác định dựa vào điện áp đầu LM35 Như nói trên, ứng với thay đổi 1oC giá trị đầu tăng thêm 10mV Do qua chuyển đổi tín hiệu tương tự (điện áp) sang tín hiệu số (bit) để hiển thị kết đo đạc tính tốn, xử lí kết Mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC) ta dùng IC ADC0804, Vi Điều Khiển, PIC…Ở dùng PIC 16F877A, vừa chuyển đổi ADC, hiển thị LCD, vừa điều khiển động DC ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 23/33 • 1.1.9 Điều khiển tốc độ động 1.1.1.20 Phương pháp điều xung PWM Khái niệm - Phương pháp điều xung PWM (Pulse With Modulation): phương pháp điều chỉnh điện áp tải hay nói cách khác phương pháp điều chế dựa thay đổi độ rộng chuỗi dãy xung vuông dẫn đến thay đổi điện áp Hình 3- 1: Dạng đồ thị điều chế xung PWM • Ứng dụng PWM điều khiển - PWM ứng dụng nhiều điều khiển Điển hình mà thường hay gặp điều khiển động xung áp, điều áp… Sử dụng PWM để điều khiển tốc độ nhanh hay chậm động hay cao dùng để điều khiển ổn định tốc độ động - Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải PWM tham gia vào điều chế mạch nguồn như: boot, buck, nghịch lưu pha pha… • Ngun lí hoạt động PWM ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 24/33 Hình 3- 2: Mạch nguyên lí điều khiển tải PWM Hình 3- 3: Sơ đồ xung van điều khiển đầu Trong khoản thời gian từ t-t van G mở toàn điện áp nguồn U d đưa tải, khoản t0-T van G khóa cắt nguồn cung cấp cho tải Vì vậy, với t từ 0T ta cung cấp tồn bộ, phần hay khóa hồn tồn điện áp cung cấp cho tải - Cơng thức tính điện áp trung bình điện áp tải: + t1: Thời gian xung sườn dương + T: Thời gian sườn dương âm (chu kì) ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 25/33 + Umax: Nguồn cấp cho tải Ud=Umax(t1/T) hay Ud=Umax*D D=t1/T: hệ số điều chỉnh tính % tức PWM Như vậy, nhìn hình đồ thị dạng điều chế xung ta có điện áp trung bình tải là: + Ud=12*20%=2.4V (với D=20%) + Ud=12*40%=24.8V (với D=40%) + Ud=12*90%=10.8V (với D=90%) • Phương pháp tạo PWM: Để tạo PWM có hai cách thơng dụng phần cứng phần mềm + Trong phần cứng: Có thể tạo phương pháp so sánh từ trực tiếp từ IC dao động tạo xung vuông như: IC555, LM556… + Trong phần mềm: Được tạo chip lập trình Tạo phần mềm độ xác cao tạo phần cứng, nên người ta hay sử dụng phần mềm để tạo PWM 1.1.10 Mơ hình điều khiển động Để điều khiển động quay hay ngừng quay giống cơng tắc điện, bật quay, tắt ngừng Quan trọng bật tắt phải thực cách tự động Cũng giống nhiệt độ phòng mức 26 oC quạt tự động bật, nhiệt độ thấp 22 oC quạt tự động tắt Để làm điều phải cần thiết bị đo nhiệt độ nhiệt độ lớn nhỏ mức điện áp ngưỡng cài đặt động (quạt) điều khiển theo chế độ định sẵn 1.1.11 Tổng quan khối hiển thị nhiệt độ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 26/33 Khi nhiệt độ đưa qua cảm biến chuyển đổi qua tín hiệu số, cần thiết bị để hiển thị giá trị đo Thiết bị LED LCD… LCD dùng LCD hàng, hàng 16 kí tự Để sử dụng LCD, ta đọc file “LCD.C” thư viện CCS, CCS hướng dẫn 1.7 Các sơ đồ khối hệ thống 1.1.12 Sơ đồ tổng thể hệ thống Hình 3- 4: Sơ đồ tổng thể hệ thống Khối nguồn: Tạo điện áp chiều ổn định 5V từ nguồn xoay chiều 220V để cung cấp cho khối linh kiện hệ thống Cảm biến: Dùng để đo nhiệt độ chuyển đổi tín hiệu Analog sang Digital để vi điều khiển xử lí điều khiển khối động cơ, khối hiển thị Khối vi xử lí: Tạo tín hiệu điều khiển khối điều khiển động khối hiển thị để hiển thị kí tự chương trình định trước Khối hiển thị: Nhận tín hiệu từ khối xử lí để hiển thị kí tự theo chương trình lập trình Khối động cơ: Nhận tín hiệu từ khối vi xử lí để điều khiển tốc động theo ý muốn ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 27/33 1.1.13 Các module hệ thống 1.1.1.21 Module nguồn - Sử dụng biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp 12V AC, dùng chỉnh lưu từ 12V AC sang 12V DC - Dùng IC ổn áp 7805 để tạo nguồn ổn định 5V DC cung cấp cho linh kiện mạch Hình 3- 5: Sơ đồ module khối nguồn 1.1.1.22 Khối vi xử lí Khối vi xử lí dùng vi điều khiển PIC 16F877A Vi điều khiển xuất tín hiệu để điều khiển tốc độ động điều khiển hiển thị theo chương trình lập trình sẵn Dùng tạo dao động thạch anh 12MHz cung cấp nguồn dao động cho vi điều khiển ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 28/33 Hình 3- 6: Khối điều khiển trung tâm 1.1.1.23 Module động ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHỊNG ĐỒ ÁN Trang 29/33 Hình 3- 7: Sơ đồ khối động 1.1.1.24 Module khối hiển thị LCD - Điện trở chia áp RV nối với chân để chỉnh độ tương phản cho LCD Hình 3- 8: Module khối hiển thị 1.1.14 Thi công mạch thực nghiệm 1.1.1.25 Sơ dồ mạch in ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 30/33 Hình 3- 9: Mạch in khối hiển thị LCD Hình 3- 10: Mạch in khối vi xử lí ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 31/33 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 1.8 Kết thực nghiệm Hình 4- 1: Hình ảnh thực nghiệm Hình 4- 2: Hình ảnh thực nghiệm • Kết chạy thử ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 32/33 Quạt chạy theo thay đổi nhiệt độ môi trường Nhiệt độ hiển thị lên LCD có lúc không ổn định cảm biến nhạy dẫn tới thay đổi liên tục nhiệt độ 1.9 Nhận xét Mạch thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng tiện lợi Mạch hiển thị lên LCD nên giúp cho người sử dụng dễ theo dõi sử dụng dù điều kiện thiếu ánh sáng Tuy nhược điểm độ nhạy cảm biến dẫn tới thay đổi liên tục nhiệt độ đo được, sai số linh kiện tính tốn thiết kế mạch không đáng kể ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 33/33 CHƯƠNG KẾT LUẬN 1.10 Kết luận Mạch đáp đáp ứng yêu cầu đề tài đề Do thời gian có hạn nên hạn chế chưa khắc phục triệt để 1.11 Hướng phát triển Có thể áp dụng vào thực tiễn thơng qua mơ hình để góp phần đem lại tiện nghi cho người Để đáp ứng nhiều u cầu ta tích hợp thêm chức chuông báo nhiệt độ lớn nhỏ nhiệt độ cần khống chế để tiện cho người sử dụng ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 34/33 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Võ Quang Vinh-Dương Quốc Hưng (2010), Giáo trình hệ Vi Điều Khiển, Nhà xuất Khoa Học Kĩ Thuật, giáo dục đào tạo Thái Nguyên [2] Ngô Diên Tập (2006), Vi Điều Khiển với lập trình C, Nhà xuất Khoa Học Kĩ Thuật Tiếng Anh: [3] Bjarne Stroustrup, The C++ PROGRAMMING LANGUAGE, 4th edition Các nguồn khác: [4] http://www.Codientu.org [5] http://www.123doc.org [6] http://www.hoiquandientu.com [7] http://www.alldatasheet.com ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 35/33 PHỤ LỤC CODE ĐỂ ĐIỀU KHIỂN BẰNG NGÔN NGỮ C #include #device *=16 adc=10 #fuses hs, noput, nowdt #use delay(clock=12M) #define LCD_RS_PIN pin_d1 #define LCD_RW_PIN pin_d2 #define LCD_ENABLE_PIN pin_d3 #define LCD_DATA4 pin_d4 #define LCD_DATA5 pin_d5 #define LCD_DATA6 pin_d6 #define LCD_DATA7 pin_d7 #include float nhdo; void main() { setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);//su dung ADC voi tan so=tan so dao dong ben chip setup_adc_ports(AN0);//cau hinh PIN:ADC set_adc_channel(0);//Truoc doc ADC can chi ro kenh can doc SETUP_TIMER_2(T2_DIV_BY_4,255,1); SETUP_CCP1(CCP_PWM); delay_ms(100); lcd_init(); lcd_gotoxy(1,1); lcd_putc("Do nhiet do"); while(true) { ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NHIỆT ĐỘ PHÒNG ĐỒ ÁN Trang 36/33 nhdo=read_adc(); nhdo=nhdo/2.048; lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"Nh do: %4.1f",nhdo); lcd_putc(223);lcd_putc("C "); if(nhdo