Đồ án: Thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ hiển thị trên LCD 16X2

Chia sẻ: Nguyen Chi Kiem | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:57

Thêm vào BST

Báo xấu

454
lượt xem 91
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án: Thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ hiển thị trên LCD 16X2

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 1
Tháng 10, năm 2015 2
NHÂN XET CUA GIAO VIÊN H ̣ ́ ̉ ́ ƯỚNG DÂN ̃ ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. ................................................................................................................................. Ngày tháng 10 năm 2015 Giáo viên hướng dẫn 3
MỤC LỤC: Table of Contents 4
MỞ ĐẦU  Lý do chọn đề tài Ngày nay khoa học công 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, công nghiệp. Kỹ thuật điều khiển trong tiến trình hoàn thiện lý thuyết cũng đã tạo cho mình nhiều phát triển có ý nghĩa. Bây giờ khi nhắc tới điều khiển con người dường như hình dung tới độ chính xác, tốc độ xử lý và thuật toán thông 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,.... Ngoài họ 8051 được hướng dẫn một cách căn bản ở môi trường đại học, chúng em đã chọn vi điều khiển PIC để mở rộng vốn kiến thức và phát triển các ứng dụng trên công cụ này vì các nguyên 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 không đắt. Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các công 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 không 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. 5
Vì vậy, sau một thời gian học tập và tìm hiểu tài liệu với sự giảng dạy của các thầy cô 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. 6
 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 hoàn thiện chương trình.  Ý nghĩa nghiên cứu Như đã nói ở trên thì nếu thực hiện thành công đề tài này sẽ mang lại ý nghĩa to lớn về cả thực tiễn và lý luận. Ý nghĩa lý luận: Toàn 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 công 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 yêu thích chuyên ngành mình đã chọn. Do kiến thức và trình độ năng lực hạn hẹp nên việc thực hiện đề tài này không thể tránh được thiếu sót, kính mong nhận được sự thông cảm và góp ý của thầy giáo, cô giáo và các bạn để đồ án này hoàn chỉnh hơn. Chúng em xin trân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện: Phạm Văn Thực Thân Thị Thương 7
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 nguyên 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 luôn dịch chuyển làm cho chất lỏng không có hình dạng nhất định. Còn ở trạng thái rắn, các phần tử, nguyên tử chỉ dao động xung quanh vị trí cân bằng. Các dạng vận động này của các phân tử, nguyên tử được gọi chung là chuyển động nhiệt. Khi tương tác với bên ngoài có trao đổi năng lượng nhưng không sinh công, thì quá trình trao đổi năng lượng nói trên gọi là sự truyền nhiệt. Quá trình truyền nhiệt trên tuân theo 2 nguyên lý: Bảo toàn 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 ngoài 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. 8
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 nguyên 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 môi trường đo. Thiết bị đo như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt, bán dẫn. Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo là phương pháp không tiếp xúc ( dông cụ dặt ngoài môi 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: Nguyên 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 môi trường thí nghiệm. Yêu 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… 9
Trong công 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: Nguyên 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 công 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
cảm biến nhiệt thường là điện áp của líp chuyển tiếp pn trong một loại tranzitor loại bipola. 1.3 Đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc Nguyên lý hoạt động: Dưạ trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối, tức là vật hấp thụ năng lượng theo mọi hướng với khả năng lón nhất. Bức xạ nhiệt của mọi vật đặc trưng bởi mật độ phổ El nghĩa là số năng lượng bức xạ trong một đơn vị độ dài của sóng. Quan hệ giữa mật độ bức xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ và độ dài sóng được biểu diễn bởi công thức: E0l = C1.l 5(ec2/l T1)1 Trong đó: C1: Hằng số và C1= 37,03.107 (Jm2/s) C2: Hằng số vá C2= 1,432.102 (m.độ) l : Độ dài sóng T: Nhiết độ tuyệt đối CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11
2.1Tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ LM35. LM35 là một cảm biến nhiệt độ analog, thuộc họ IC cảm biến nhiệt độ sản xuất theo công nghệ bán dẫn dựa trên các chất bán dẫn dễ bị tác động bởi sự thay đổi của nhiệt độ, đầu ra của cảm biến là điện áp (V) tỉ lệ với nhiệt độ mà nó được đặt trong môi trường cần đo. Họ LM35 có rất nhiều loại và nhiều kiểu đóng vỏ khác nhau: Hình 1.1: Cảm biến nhiệt độ LM35. Đặc điểm nổi bật: Nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thế ngõ ra của LM35. Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V. Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/0C. Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy. Ở nhiệt độ 25(0C) nó có sai số không quá 1%. Với dải đo từ 50 đến 150(0C), tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào. Thông số kỹ thuật: 12
Tiêu tán công suất thấp. Dòng làm việc từ 400µA đến 5mA. Dòng ngược 15mA. Dòng thuận 10mA. Độ chính xác cao: khi làm việc ở nhiệt độ 250C là 0,50C. Trở kháng đầu ra thấp 0,1 cho 1mA tải. Đặc tính điện: Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ 55 0C đến 1500C với các mức điện áp ra khác nhau. Vậy ứng với tầm hoạt động từ 0( 0C) đến 100(0C)ta có sự biến thiên điện áp ngõ ra là: Ở 550C thì điện áp ngõ ra Vout = 550mV Ở 00C thì điện áp ngõ ra Vout = 0V Ở 250C thì điện áp ngõ ra Vout = 250mV Ở 1500C thì điện áp ngõ ra Vout = 1500mV 2.2Vi điều khiển PIC 16F877A. 2.2.1PIC là gì? PIC là viết tắt của “Programmable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là “máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ. Hãng Micrchip tiếp tục phát triển sản phẩm này và cho đến nay hãng đã tạo ra gần 100 loại sản phẩm khác nhau. 2.2.2Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC. Các kí hiệu của vi điều khiển PIC: PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM) F: PIC có bộ nhớ flash 13
LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp LV: tương tự như LF, đây là kí hiệu cũ Bên cạnh đó một số vi điệu khiển có kí hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có thêm chữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, còn PIC16F877A là flash). Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC. Ở Việt Nam phổ biến nhất là các họ vi điều khiển PIC do hãng Microchip sản xuất. Cách lựa chọn một vi điều khiển PIC phù hợp: Trước hết cần chú ý đến số chân của vi điều khiển cần thiết cho ứng dụng. Có nhiều vi điều khiển PIC với số lượng chân khác nhau, thậm chí có vi điều khiển chỉ có 8 chân, ngoài ra còn có các vi điều khiển 28, 40, 44, … chân. Cần chọn vi điều khiển PIC có bộ nhớ flash để có thể nạp xóa chương trình được nhiều lần hơn. Tiếp theo cần chú ý đến các khối chức năng được tích hợp sẵn trong vi điều khiển,các chuẩn giao tiếp bên trong. Sau cùng cần chú ý đến bộ nhớ chương trình mà vi điều khiển cho phép. Ngoài ra mọi thông tin về cách lựa chọn vi điều khiển PIC có thể được tìm thấy trong cuốn sách “Select PIC guide” do nhà sản xuất Microchip cung cấp. Do thời gian làm đồ án có hạn nên chúng em chỉ tập trung tìm hiểu các tính năng của PIC 16F877A có liên quan đến đề tài. 2.2.3Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC. PIC 16F877A là dòng PIC khá phổ biến, khá đầy đủ tính năng phục vụ cho hầu hết tất cả các ứng dụng thực tế. Đây là dòng PIC khá dễ cho người mới làm quen với PIC có thể học tập và tạo nền tảng về họ vi điều khiển PIC của mình. PIC 16F877A thuộc họ vi điều khiển 16Fxxx có các đặc tính ngoại vi sau: Ngôn ngữ lập trình đơn giản với 35 lệnh có độ dài 14 bit. Tất cả các câu lệnh thực hiện trong một chu kì lệnh ngoại trừ một số câu lệnh rẽ nhánh thực hiện trong hai chu kì lệnh. Chu kì lệnh bằng 4 lần chu kì dao động của thạch anh. 14
Bộ nhớ chương trình Flash 8Kx14 words, với khả năng ghi xóa khoảng 100 ngàn lần. Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte. Số PORT I/O là 5 với 33pin I/O. Khả năng ngắt (lên tới 14 nguồn cả ngắt trong và ngắt ngoài). Ngăn nhớ Stack được chia làm 8 mức. Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp. Dải điện thế hoạt động rộng: 2.0V đến 5.5V. Nguồn sử dụng 25mA. Công suất tiêu thụ thấp:
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. 16
Hình 1.2: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của PIC 16F877A. 17
Hình 1.3: Sơ đồ khối bộ vi điều khiển PIC 16F877A. 18
PIC 16F877A có tất cả 40 chân,được chia thành 5 PORT, 2 chân cấp nguồn, 2 chân GND, 2 chân thạch anh và 1 chân dùng để RESET vi điều khiển. Chức năng các chân: + Chân OSC1/CLK1(13): ngõ vào kết nối với dao động thạch anh hoặc ngõ vào nhận xung clock từ bên ngoài. + Chân OSC2/CLK2(14): ngõ ra dao động thạch anh hoặc ngõ ra cấp xung clock. + Chân (1) có 2 chức năng. : ngõ vào reset tích cực ở mức thấp. Vpp: ngõ vào nhận điện áp lập trình khi lập trình cho PIC. + Chân RA0/AN0(2), RA1/AN1(3), RA2/AN2(3): có 2 chức năng RA0,1,2: xuất/ nhập số. AN 0,1,2: ngõ vào tương tự của kênh thứ 0,1,2. + Chân RA2/AN2/VREF/CVREF+(4): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự của kênh thứ 2/ ngõ vào điện áp chuẩn thấp của bộ AD/ ngõ vào điện áp chẩn cao của bộ AD. + Chân RA3/AN3/VREF+(5): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 3/ ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộ AD. + Chân RA4/TOCK1/C1OUT(6): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoài cho Timer 0/ ngõ ra bộ so sánh 1. + Chân RA5/AN4/ / C2OUT(7): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 4/ ngõ vào chọn lựa SPI phụ/ ngõ ra bộ so sánh 2. + Chân RB0/INT (33): xuất nhập số/ ngõ vào tín hiệu ngắt ngoài. + Chân RB1(34), RB2(35): xuất nhập số. + Chân RB3/PGM(36): xuất nhập số/ cho phép lập trình điện áp thấp ICSP. + Chân RB4(37), RB5(38): xuất nhập số. 19
+ Chân RB6/PGC(39): xuất nhấp số/ mạch gỡ rối và xung clock lập trình ICSP. + Chân RB7/PGD(40): xuất nhập số/ mạch gỡ rối và dữ liệu lập trình ICSP. + Chân RC0/T1OCO/T1CKI(15): xuất nhập số/ ngõ vào bộ giao động Timer1/ ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1. + Chân RC1/T1OSI/CCP2(16): xuất nhập số/ ngõ vào bộ dao động Timer 1/ ngõ vào Capture2, ngõ ra compare2, ngõ ra PWM2. + Chân RC2/CCP1(17): xuất nhập số/ ngõ vào Capture1 ,ngõ ra compare1, ngõ ra PWM1. + Chân RC3/SCK/SCL(18): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra chế độ SPI./ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra của chế độ I2C. + Chân RC4/SDI/SDA(23): xuất nhập số/ dữ liệu vào SPI/ xuất nhập dữ liệu I2C. + Chân RC5/SDO(24): xuất nhập số/ dữ liệu ra SPI. + Chân RC6/TX/CK(25): xuất nhập số/ truyền bất đồng bộ USART/ xung đồng bộ USART. + Chân RC7/RX/DT(26): xuất nhập số/ nhận bất đồng bộ USART. + Chân RD07/PSP07(1930): xuất nhập số/ dữ liệu port song song. 2.2.4Tổ chức bộ nhớ. Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A bao gồm bộ nhớ dữ liệu (Data memory) và bộ nhớ chương trình (Program memory). Bộ nhớ dữ liệu: Bộ nhớ dữ liệu của PIC là bộ nhớ EFPROM 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 SFR (Special Funcition Register) nằm ở các vùng địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đích chung GPR(General Purpose Register) nằm ở vùng địa chỉ trong bank.các 20