Download Project 1 for my study and more Exams Electronics in PDF only on Docsity!
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BÁO CÁO ĐỒ ÁN I
Đề tài:
Thiết kế mạch đo và điều khiển nhiệt độ
GVHD: Thầy Nguyễn Quốc Cường
Hà Nội, 12/
Sinh viên thực hiện Mã số sinh viên Lớp
Nguyễn Văn Mạnh 20166432 CN CNKTĐK&TĐH 2-
Nguyễn Đức Phi 20166563 K
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BÁO CÁO ĐỒ ÁN I
Đề tài:
Thiết kế mạch đo và điều khiển nhiệt độ
ĐIỂM NHẬN XÉT
Hà Nội, 12/
MỤC LỤC
- DANH MỤC HÌNH ẢNH
- CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH BÀI TOÁN
- KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH BÀI
- 1.1. Bài toán đặt ra
- 1.2. Hướng giải quyết
- LỰA CHỌN GIẢI PHÁP
- 2.1. Giải pháp công nghệ
- 2.2. Giải pháp thiết kế....................................................................................................
- 2.3. Giới hạn cho mạch điều khiển
- CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
- SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT
- SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN
- LỰA CHỌN LINH KIỆN
- 3.1. Vi điều khiển AT89C51
- 3.2. Cảm biến nhiệt LM35
- 3.3. ADC0804
- 3.4. Màn hình LCD 16x2
- CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG
- THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ
- 1.1. Khối nguồn
- 1.2. Khối cảm biến........................................................................................................
- 1.3. Khối điều khiển và nút ấn
- 1.4. Khối chấp hành
- THIẾT KẾ PHẦN MỀM
- MÔ PHỎNG VÀ KIỂM TRA PHẦN MỀM
- THIẾT KẾ MẠCH IN
- LẮP RÁP MẠCH.........................................................................................................
- MẠCH THỰC TẾ VÀ THỬ NGHIỆM
- DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
- H ÌNH 1: SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG DANH MỤC HÌNH ẢNH
- H ÌNH 2: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN MẠCH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ...........................................
- H ÌNH 3: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA VI ĐIỀU KHIỂN
- H ÌNH 4: SƠ ĐỒ CHÂN CỦA
- H ÌNH 5: SƠ ĐỒ MẠCH RESET NGOÀI VI ĐIỀU KHIỂN
- H ÌNH 6: MẠCH TẠO DAO ĐỘNG CHO VI ĐIỀU KHIỂN
- H ÌNH 7: CẢM BIẾN LM35
- H ÌNH 8: SƠ ĐỒ NỐI CHÂN CHO CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
- H ÌNH 9: ADC 0804...................................................................................................................
- H ÌNH 10: SƠ ĐỒ CHÂN ADC0804.............................................................................................
- H ÌNH 11: MÀN HÌNH LCD 16 X
- H ÌNH 12: SƠ ĐỒ CHÂN MÀN HÌNH LCD 16 X 2...........................................................................
- H ÌNH 13: MẠCH NGUYÊN LÝ ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
- H ÌNH 14: KHỐI NGUỒN
- H ÌNH 15: KHỐI CẢM BIẾN ĐƯA NHIỆT ĐỘ VÀ DẠNG 8 BIT
- H ÌNH 16: KHỐI ĐIỀU KHIỂN
- H ÌNH 17: KHỐI CHẤP HÀNH
- H ÌNH 18: MẠCH MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM PROTEUS
- H ÌNH 19: MẠCH IN VẼ BẰNG PHẦN MỀM A LTIUM
- H ÌNH 20: HÌNH ẢNH 3D CỦA MẠCH VÀ LINH KIỆN
- H ÌNH 21: MẠCH IN LÀM THỦ CÔNG VÀ LẮP RÁP LINH KIỆN
- H ÌNH 22: HOÀN THIỆN MẠCH ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
- H ÌNH 23: HÌNH ẢNH THỰC TẾ CỦA SẢN PHẨM
Nhược điểm: không thu hút được sự chú ý bằng led 7 thanh,giá thành cao… 1.2.4. Cơ cấu chấp hành Ta khống chế nhiệt độ bằng quạt tản nhiệt và dây nhiệt điện trở
2. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP
2.1. Giải pháp công nghệ Qua phân tích ở trên, nhóm chúng em đưa ra giải ra giải pháp sử dụng vi điều khiển 8051, cảm biến LM35, quạt tản nhiệt và dây trở nhiệt để giải quyết bài toán đo và điều khiển nhiệt độ.
2.2. Giải pháp thiết kế Việc lựa chọn giải pháp thường được xem xét trên nhiều phương diện nhưng quan trọng là giải pháp có khả thi không? Có phù hợp với với thực tế và thỏa mãn yêu cầu về kinh tế? Mạch đo và điều khiển nhiệt độ với bộ não điều khiển là AT89C51 và các linh kiện khác: LCD hiển thị, IC ổn áp7805, Cảm biến nhiệt độ LM35, ADC0804.
- AT89C51 có các ưu điểm: tính năng và tốc độ đáp ứng được yêu cầu kĩ thuật trong ứng dụng không đòi hỏi cao; giá thành thấp hơn họ vi điều khiển khác; có hỗ trợ lập trình điều khiển bằng cả hợp ngữ và C...
- Cảm biến nhiệt LM
- ADC0804 chuyển đổi tương tự sang số.
- Màn hình LCD 16x2 để có thể hiển thị được đủ thông tin về nhiệt độ đo được và khoảng nhiệt độ khống chế. Vì vậy giải pháp thiết kế mạch đo và điều khiển nhiệt độ dùng các linh kiện trên giải quyết được bài toán đặt ra đồng thời đảm bảo được yêu cầu về kinh tế.
2.3. Giới hạn cho mạch điều khiển
- Sử dụng nguồn điện 5V.
- Kích thước phù hợp với người sử dụng.
- Hệ thống nhỏ gọn, chắc chắn, tính thẩm mỹ cao.
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
1. SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT
Hình 1: Sơ đồ khối chức năng
2. SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN
Hình 2: Lưu đồ thuật toán mạch đo và điều khiển nhiệt độ
Hình 4: Sơ đồ chân của 8051 Chân 9 : là chân vào Reset của 8051 Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao trong ít nhất là hai chu kì máy, các thanh ghi trong bộ điều khiển được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống. Hay nói cách khác là vi điều khiển sẽ bị Reset nếu chân này được kích hoạt ở mức cao.
Hình 5: Sơ đồ mạch reset ngoài vi điều khiển 8051 Chân 10 đến 17 : được gọi là Cổng 3 (Port 3) Tám chân này ngoài chức năng là xuất và nhập như các chân ở cổng 1 (chân 1 đến 8) thì mỗi chân này còn có chức năng riêng.
Chân 18 và 19 (XTAL1 & XTAL2) Hai chân này được sử dụng để nối với bộ dao động ngoài
Hình 6: Mạch tạo dao động cho vi điều khiển Thông thường một bộ dao động thạch anh sẽ được nối tới các chân đầu vào XTAL1 (chân
- và XTAL2 (chân 18) cùng với hai tụ gốm giá trị khoảng 30pF. Một phía của tụ điện được nối xuống đất như hình trên. Các hệ thống xây dựng trên 8051 thường có tần số thạch anh từ 10 đến 40 MHz, thông thường ta dùng thạch anh 12 Mhz
Chân 21 đến chân 28 : được gọi là cổng 2 (Port 2). 8 chân của cổng 2 có 2 công dụng, ngoài chức năng là cổng xuất và nhập như cổng 1 thì cổng 2 này còn là byte cao của bus địa chỉ khi sử dụng bộ nhớ ngoài.
Chân 29 (PSEN): Chân PSEN là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài, nó được nối với chân OE của ROM ngoài để cho phép đọc các byte mã lệnh trên ROM ngoài. PSEN ở mức thấp trong thời gian đọc mã lệnh. Khi thực hiện chương trình trong ROM nội thì PSEN được duy trì ở mức cao
Chân 30 (ALE): Chân ALE cho phép tách các đường dữ liệu, các đường địa chỉ tại Port 0 và Port 2.
Hình 8: Sơ đồ nối chân cho cảm biến nhiệt độ
- Dải nhiệt độ đo được -55 đến 150oC.
- Hệ số tỷ lệ giữa tín hiêu ra với nhiệt độ là 10mV/oC.
- Nguồn cấp: 4 - 20V.
- Hệ số tỷ lệ giữa tín hiêu ra với nhiệt độ là 10mV/oC.
- VOUT= 1500 mV tại 150°C.
- VOUT= 250 mV tại 25°C.
3.3. ADC Bộ chuyển đổi ADC 0804 là bộ chuyển đổi tương tự sang số. ADC 0804 thường được dùng trong các ứng dụng đo lường. Điện áp làm việc là +5VDC với độ phân giải là 8bits.
Hình 9: ADC 0804
Hình 10: Sơ đồ chân ADC Chức năng các chân : Chân CS : Là một đầu vào tích cực mức thấp được sử dụng để kích hoạt chíp ADC
- Để truy cập ADC 0804 thì chân này phải ở mức thấp. Chân RD (đọc): Đây là một tín hiệu đầu vào được tích cực mức thấp. Các bộ ADC chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân tương đương với nó và giữ nó trong một thanh ghi trong. được sử dụng để nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra của ADC 0804. Khi CS = 0 nếu một xung cao - xuống - thấp được áp đến chân thì đầu ra số 8 bít được hiển diện ở các chân dữ liệu D0 - D7. Chân cũng được coi như cho phép đầu ra. Chân WR : Đây là chân đầu vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC 0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi. Nếu CS = 0 khi tạo ra xung 0 lên 1 thì bộ ADC 0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phân 8 bít. Lượng thời gian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN và CLK R. Khi việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thì chân INTR được ép xuống thấp bởi ADC 0804. Chân CLK IN và CLK R : Chân CLK IN là một chân đầu vào được nối tới một nguồn đồng hồ ngoài khi đồng hồ ngoài được sử dụng để tạo ra thời gian. Tuy nhiên 804 cũng có một bộ tạo xung đồng hồ. Để sử dụng bộ tạo xung đồng hồ trong (cũng còn được gọi là bộ tạo đồng hồ riêng) của 804 thì các chân CLK IN và CLK R được nối tới một tụ điện và một điện trở như chỉ ra trên hình. Trong trường hợp này tần số đồng hồ được xác định bằng biểu thức: f = 1/(1.1xRC) Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kW và C= 150pF và tần số nhận được là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là 110ms.
Hình 12: Sơ đồ chân màn hình LCD 16x Sơ đồ chân của LCD 16x2: V (^) SS : Chân nối đất cho LCD. V (^) DD : Chân cấp nguồn cho LCD. Khi thiết kế mạch ta nối chân này với nguồn Vcc=5V của vi điều khiển. V (^) EE : Điều chỉnh độ tương phản của LCD. RS : Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
- Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)
- Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD. R/W : Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc. E : Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E. DB0-DB7 : Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :
- Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7.
- Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7. LED+ : Nguồn dương cho đèn nền. LED- : GND cho đèn nền.
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG
1. THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ
Hình 13: Mạch nguyên lý đo và điều khiển nhiệt độ 1.1. Khối nguồn
Hình 14: Khối nguồn Nguồn cấp vào 12V. Mạch sử dụng IC ổn áp 7805 để ổn định điện áp ngõ ra 5V. Với dòng điện tối đa 1A. Diode D1 dùng để phân cực nguồn vào nhằm bảo vể mạch không bị ảnh hưởng khi cấp nguồn ngược. Tụ C1 lọc nguồn vào, Tụ C3 nhằm lọc nhiểu nguồn ra, Tụ. LED D2 báo nguồn, R1 là điện trở hạn dòng cho LED.
1.3. Khối điều khiển và nút ấn Khối điều khiển bao gồm 4 nút ấn dùng để điều chỉnh giá trị T (^) max, T (^) min và vi điều khiển
Hình 16: Khối điều khiển Đầu tiên khi ta cấp nguồn cho toàn bộ thiết bị. Màn hình LCD hiển thị “T (^) min = 30” và “T (^) max = 40” ( Là giá trị mặc định ). Ta có thể điều chỉnh mỗi nhiệt độ đặt bằng 2 nút bấm” tăng” và “ giảm” ( mỗi lần ấn tăng hoặc giảm 1 đơn vị).
Vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu thu được từ ADC 0804 và tính toán giá trị nhiệt độ trung bình các lần đo ( chu kì 30s) rồi đưa ra hiển thị ngoài màn hình LCD, đồng thời, vi xử lí cũng sẽ so sánh nhiệt độ đo được với Tmin và Tmax đã được đặt trước đó rồi sẽ đưa tín hiệu ra ngoài mạch lực để điều khiển điện trở và quạt( quạt và điện trỏ bình thường sẽ tắt).
Nếu T (^) đo < T (^) min thì bật điện trở; T (^) đo >T (^) max thì bật quạt; nếu T (^) min <= T (^) đo <= T (^) max thì không làm gì.
1.4. Khối chấp hành
Hình 17: Khối chấp hành Tín hiều điều khiển được gửi từ Vi điều khiển 8051.
- Nếu Tđo < T (^) min thì VĐK gửi tín hiệu đến khối nhiệt đốt nóng. Khi đó Transistor Q2 dẫn, cuộn hút Rơ-le hoạt động, nhiệt điện trở hoạt động.
- Nếu Tđo >T (^) max thì VĐK gửi tín hiệu đến khối quạt làm mát. Khi đó Transistor Q1 dẫn, cuộn hút Rơ-le hoạt động, quạt được bật.
