Đồ án: Thiết Kế Hệ Thống Vi Điều Khiển PIC16F877A Đo Nhiệt Độ

Đồ án nghiên cứu thiết kế hệ thống vi điều khiển pic 16f877a đo nhiệt độ dùng cảm biến bán dẫn, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Đặng Văn Thoan
• Người hướng dẫn: ThS. Đỗ Anh Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Quản Lý Và Công Nghệ Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tử Tự Động Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Vi Điều Khiển PIC 16F877A Đo Nhiệt Độ Dùng Cảm Biến Bán Dẫn
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• 1. Chương 1: Cảm biến nhiệt độ
• 1.2. Cảm biến nhiệt điện trá
• a. Cảm biến nhiệt điện trá kim loại
• b. Cảm biến nhiệt điện trá bán dẫn
• 2. Chương 2: Vi điều khiển PIC 16F877A
• 2.1. Giới thiệu Vi điều khiển PIC
• a. Sơ đồ khối vi điều khiển pic16f877a
• 2.2. Đặc điểm biến đổi ADC
• 2.3. Phần mềm thực hiện chương trình nạp cho PIC.1 Chương trình dịch CCS
• a. Giới thiệu về CCS
• b. Tạo một PROJECT sử dāng PIC Wizard
• c. Tab General
• d. Tab SPI and LCD
• e. Tab Timer
• f. Tab Analog
• g. Tab Interrupts và Tab Driver
• 3. Chương 3: Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ dùng cảm biến LM335
• 3.1. Thiết kế phần cāng khối xử lý tín hiệu
• 3. Thiết kế phần cāng giao tiếp LM335 và Vi điều khiển PIC16F877A
• 3. Khối hiển thị
• 3.5. Sơ đồ nguyên lý và mạch in hệ thống đo
• 2.6. Lưu đồ thuật toán
• Kết luận
• Phā lāc 1
• Phā lāc 2
• Phā lāc 3
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng Quan Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Đo Nhiệt Độ PIC16F877A

Đồ án này tập trung vào thiết kế hệ thống đo nhiệt độ sử dụng vi điều khiển PIC16F877A và cảm biến nhiệt độ bán dẫn. Nhiệt độ là một đại lượng vật lý quan trọng, ảnh hưởng đến nhiều quá trình và tính chất của vật chất. Do đó, việc đo nhiệt độ chính xác và hiệu quả là rất cần thiết trong nhiều ứng dụng công nghiệp và dân dụng. Hệ thống này sử dụng cảm biến nhiệt độ bán dẫn, vốn có ưu điểm về kích thước nhỏ gọn, độ nhạy cao và giá thành hợp lý. Vi điều khiển PIC16F877A được chọn vì tính phổ biến, dễ lập trình và khả năng giao tiếp tốt với các thiết bị ngoại vi, bao gồm cả cảm biến và các thiết bị hiển thị.

Đồ án này bao gồm các bước chính: lựa chọn cảm biến nhiệt độ, thiết kế mạch điện, lập trình vi điều khiển và kiểm tra, đánh giá hiệu năng của hệ thống. Mục tiêu chính là xây dựng một hệ thống đo nhiệt độ ổn định, chính xác và dễ sử dụng.

Việc lựa chọn cảm biến nhiệt độ bán dẫn có nguyên lý hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở hoặc điện áp theo nhiệt độ. Vi điều khiển PIC16F877A đóng vai trò trung tâm trong việc thu thập dữ liệu từ cảm biến, xử lý và hiển thị kết quả đo nhiệt độ lên màn hình. Đồ án này cũng tập trung vào việc tối ưu hóa code PIC16F877A để đảm bảo hiệu năng và độ tin cậy cao nhất cho hệ thống. Theo báo cáo gốc, "Nhiệt độ là đại lượng vật lý được quan tâm nhiều nhất vì nó đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất."

1.1. Giới Thiệu Chung về Vi Điều Khiển PIC16F877A

PIC16F877A là một vi điều khiển PIC 8-bit phổ biến, thuộc họ PIC16Fxxx của Microchip. Nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng nhúng nhờ vào tính linh hoạt, dễ sử dụng và chi phí thấp. PIC16F877A có 33 chân I/O, bộ nhớ flash 8KB, RAM 368 byte và EEPROM 256 byte. Nó cũng tích hợp nhiều module ngoại vi quan trọng như ADC, PWM, UART, SPI và I2C. Điều này cho phép PIC16F877A dễ dàng giao tiếp với các cảm biến, thiết bị truyền thông và các thành phần khác trong hệ thống. Theo tài liệu gốc, PIC16F877A có “Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lưÿng 256x8 byte."

1.2. Cảm Biến Nhiệt Độ Bán Dẫn Nguyên Lý và Ứng Dụng

Cảm biến nhiệt độ bán dẫn là loại cảm biến sử dụng tính chất thay đổi điện trở hoặc điện áp của vật liệu bán dẫn theo nhiệt độ để đo nhiệt độ. Có nhiều loại cảm biến nhiệt độ bán dẫn khác nhau, bao gồm điện trở nhiệt (thermistor), RTD (Resistance Temperature Detector) và cảm biến IC (Integrated Circuit). Ưu điểm của cảm biến nhiệt độ bán dẫn là kích thước nhỏ, độ nhạy cao, đáp ứng nhanh và giá thành hợp lý. Chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như đo nhiệt độ phòng, đo nhiệt độ nước, đo nhiệt độ động cơ và kiểm soát nhiệt độ trong các thiết bị điện tử. Cảm biến LM35 là một lựa chọn phổ biến. Theo tài liệu gốc, "Các vật liệu bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ. Do đó người ta dùng vật liệu bán dẫn để chế tạo cảm biến đo nhiệt độ."

II. Thách Thức và Yêu Cầu Thiết Kế Mạch Đo Nhiệt Độ PIC16F877A

Thiết kế một hệ thống đo nhiệt độ sử dụng vi điều khiển PIC16F877A và cảm biến nhiệt độ bán dẫn đặt ra một số thách thức. Một trong những thách thức chính là đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống. Nhiễu điện từ, sai số của cảm biến nhiệt độ và sai số lượng tử hóa của bộ ADC có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo nhiệt độ. Do đó, cần có các biện pháp lọc nhiễu, hiệu chuẩn cảm biến nhiệt độ và lựa chọn độ phân giải ADC phù hợp.

Một thách thức khác là thiết kế mạch giao tiếp giữa cảm biến nhiệt độ và vi điều khiển PIC16F877A. Cảm biến nhiệt độ thường cho ra tín hiệu analog, trong khi vi điều khiển PIC16F877A làm việc với tín hiệu digital. Do đó, cần có một bộ chuyển đổi analog-to-digital (ADC) để chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến nhiệt độ sang tín hiệu digital mà vi điều khiển PIC16F877A có thể xử lý. Theo yêu cầu thiết kế, mạch phải đảm bảo hoạt động ổn định trong một dải nhiệt độ rộng và tiêu thụ điện năng thấp.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Độ Chính Xác Đo Nhiệt Độ

Độ chính xác của hệ thống đo nhiệt độ có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm: Sai số của cảm biến nhiệt độ: Mỗi cảm biến nhiệt độ đều có một sai số nhất định, được ghi trong datasheet của nhà sản xuất. Nhiễu điện từ: Nhiễu điện từ có thể xâm nhập vào mạch điện và gây ra sai số trong kết quả đo nhiệt độ. Sai số lượng tử hóa của bộ ADC: Bộ ADC chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu digital với một độ phân giải nhất định. Sai số này tỉ lệ nghịch với độ phân giải của ADC. Nhiệt độ môi trường: Nhiệt độ môi trường có thể ảnh hưởng đến các linh kiện điện tử trong mạch và gây ra sai số trong kết quả đo nhiệt độ.

2.2. Lựa Chọn Linh Kiện và Thiết Kế Mạch Điện Tối Ưu

Việc lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch điện tối ưu là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống đo nhiệt độ. Cần lựa chọn cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, độ ổn định tốt và dải đo nhiệt độ phù hợp với ứng dụng. Mạch điện cần được thiết kế để giảm thiểu nhiễu điện từ và đảm bảo tín hiệu analog từ cảm biến nhiệt độ được chuyển đổi sang tín hiệu digital một cách chính xác. Các biện pháp lọc nhiễu, bảo vệ mạch và ổn định nguồn điện cần được áp dụng. Theo tài liệu, cần "Chọn kim loại có điện trá suất (ρ) lớn l R = ò. khi R tăng thì l tăng, q giảm q Điện trá R càng lớn thì độ nhạy càng cao và dải đo càng hẹp."

2.3. Yêu Cầu Về Nguồn Cung Cấp và Tiêu Thụ Điện Năng

Hệ thống đo nhiệt độ cần được cung cấp nguồn điện ổn định để đảm bảo hoạt động chính xác và tin cậy. Nguồn điện cần có điện áp và dòng điện phù hợp với các linh kiện trong mạch. Tiêu thụ điện năng của hệ thống cần được giảm thiểu để kéo dài thời gian hoạt động của pin trong các ứng dụng di động. Các biện pháp tiết kiệm điện năng như tắt các module ngoại vi không sử dụng, giảm tần số xung clock và sử dụng chế độ ngủ có thể được áp dụng.

III. Giải Pháp Thiết Kế Sơ Đồ Mạch và Code Đo Nhiệt Độ PIC16F877A

Giải pháp thiết kế hệ thống đo nhiệt độ sử dụng vi điều khiển PIC16F877A và cảm biến nhiệt độ bán dẫn bao gồm hai phần chính: phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm cảm biến nhiệt độ, mạch giao tiếp cảm biến nhiệt độ và vi điều khiển PIC16F877A, mạch hiển thị LCD và mạch nguồn. Phần mềm bao gồm chương trình lập trình PIC16F877A để thu thập dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ, xử lý dữ liệu và hiển thị kết quả đo nhiệt độ lên màn hình LCD.

Mạch giao tiếp cảm biến nhiệt độ và vi điều khiển PIC16F877A sử dụng bộ ADC tích hợp trong vi điều khiển PIC16F877A để chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến nhiệt độ sang tín hiệu digital. Chương trình lập trình PIC16F877A sử dụng các hàm thư viện để điều khiển bộ ADC, đọc kết quả chuyển đổi và thực hiện các phép tính để chuyển đổi kết quả digital sang giá trị nhiệt độ thực tế. Giá trị nhiệt độ này sau đó được hiển thị lên màn hình LCD. Cần đảm bảo code PIC16F877A được tối ưu để giảm thiểu thời gian xử lý và tiêu thụ điện năng.

3.1. Thiết Kế Mạch Giao Tiếp Cảm Biến LM35 với PIC16F877A

Để giao tiếp cảm biến nhiệt độ LM35 với vi điều khiển PIC16F877A, cần kết nối chân output của LM35 với một trong các chân analog input của vi điều khiển PIC16F877A. Theo tài liệu, PIC16F877A có 8 kênh ADC 10-bit, có thể sử dụng bất kỳ kênh nào để kết nối với LM35. Sau khi kết nối, cần cấu hình ADC của vi điều khiển PIC16F877A để đọc tín hiệu analog từ LM35 và chuyển đổi nó sang tín hiệu digital. Chương trình lập trình PIC16F877A sẽ sử dụng các hàm thư viện để điều khiển ADC, đọc kết quả chuyển đổi và thực hiện các phép tính để chuyển đổi kết quả digital sang giá trị nhiệt độ thực tế. "Trong thiết kế này em chọn chân A0 để làm lối vào cho cảm biến đo nhiệt độ."

3.2. Lập Trình PIC16F877A Đo Nhiệt Độ Chi Tiết Code và Giải Thích

Chương trình lập trình PIC16F877A để đo nhiệt độ bao gồm các bước chính sau: Khởi tạo các module ngoại vi: Khởi tạo ADC, LCD và các module khác cần thiết. Đọc tín hiệu analog từ cảm biến nhiệt độ LM35: Sử dụng các hàm thư viện để điều khiển ADC, đọc kết quả chuyển đổi và lưu vào biến. Chuyển đổi kết quả digital sang giá trị nhiệt độ thực tế: Sử dụng các phép tính để chuyển đổi kết quả digital sang giá trị nhiệt độ thực tế. Hiển thị giá trị nhiệt độ lên màn hình LCD: Sử dụng các hàm thư viện để điều khiển LCD, hiển thị giá trị nhiệt độ lên màn hình. Lặp lại các bước trên: Lặp lại các bước trên để liên tục đo nhiệt độ và hiển thị kết quả.

3.3. Hiển Thị Kết Quả Đo Nhiệt Độ Lên LCD Thiết Kế và Code

Để hiển thị kết quả đo nhiệt độ lên màn hình LCD, cần kết nối LCD với vi điều khiển PIC16F877A theo một giao thức giao tiếp nhất định. Có hai giao thức giao tiếp phổ biến: 4-bit và 8-bit. Giao thức 4-bit sử dụng ít chân I/O hơn, nhưng tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn. Giao thức 8-bit sử dụng nhiều chân I/O hơn, nhưng tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn. Sau khi kết nối, cần khởi tạo LCD và sử dụng các hàm thư viện để điều khiển LCD, hiển thị giá trị nhiệt độ lên màn hình. Các hàm thư viện này cho phép hiển thị các ký tự, số và chuỗi lên màn hình LCD. Theo tài liệu, "Với đầu vào 4 bit đưÿc lấy từ 4 chân D4→D7 cÿa LCD nối từ RD4→RD7 cÿa vi điều khiển PIC."

IV. Ứng Dụng Thực Tế Hệ Thống Đo Nhiệt Độ Giám Sát Môi Trường

Hệ thống đo nhiệt độ sử dụng vi điều khiển PIC16F877A và cảm biến nhiệt độ bán dẫn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một trong những ứng dụng phổ biến là hệ thống giám sát môi trường. Hệ thống này có thể được sử dụng để đo nhiệt độ phòng, đo nhiệt độ nước, đo nhiệt độ không khí và giám sát các thông số môi trường khác.

Ngoài ra, hệ thống này cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp để kiểm soát nhiệt độ trong các quá trình sản xuất. Ví dụ, nó có thể được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ trong lò nung, máy sấy và các thiết bị khác. Hệ thống cũng có thể được sử dụng trong các thiết bị y tế để đo nhiệt độ cơ thể và giám sát các thông số sinh lý khác.

4.1. Giám Sát Nhiệt Độ Phòng Ứng Dụng IoT và Báo Động

Trong ứng dụng giám sát nhiệt độ phòng, hệ thống đo nhiệt độ có thể được kết nối với Internet of Things (IoT) để truyền dữ liệu nhiệt độ đến một máy chủ trung tâm. Người dùng có thể truy cập dữ liệu nhiệt độ từ xa thông qua một ứng dụng web hoặc ứng dụng di động. Hệ thống cũng có thể được cấu hình để gửi thông báo báo động khi nhiệt độ vượt quá một ngưỡng nhất định. Theo tài liệu, "kết quả em đã thực hiện đưÿc những nội dung chính như sau: - Nghiên cāu tổng quan về Vi điều khiển và cảm biến nhiệt độ bán dẫn; - Tìm hiểu phần mềm CCS; - Tìm hiểu màn hình LCD 1602."

4.2. Điều Khiển Nhiệt Độ Trong Công Nghiệp Ứng Dụng PLC

Trong các ứng dụng công nghiệp, hệ thống đo nhiệt độ có thể được tích hợp vào một hệ thống điều khiển logic lập trình (PLC) để điều khiển nhiệt độ trong các quá trình sản xuất. Ví dụ, hệ thống có thể được sử dụng để điều khiển nhiệt độ trong lò nung, máy sấy và các thiết bị khác. Hệ thống PLC sẽ sử dụng dữ liệu nhiệt độ từ hệ thống đo nhiệt độ để điều khiển các thiết bị gia nhiệt hoặc làm mát, đảm bảo nhiệt độ được duy trì trong một phạm vi nhất định.

V. Đánh Giá Kết Quả và Hướng Phát Triển Đồ Án Đo Nhiệt Độ

Đánh giá kết quả của đồ án thiết kế hệ thống đo nhiệt độ sử dụng vi điều khiển PIC16F877A và cảm biến nhiệt độ bán dẫn cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và chính xác trong một dải nhiệt độ nhất định. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được khắc phục. Ví dụ, độ chính xác của hệ thống có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ và sai số của cảm biến nhiệt độ. Ngoài ra, hệ thống chưa được tích hợp với các tính năng nâng cao như truyền dữ liệu không dây và điều khiển từ xa.

Hướng phát triển của đồ án có thể bao gồm việc cải thiện độ chính xác của hệ thống, tích hợp các tính năng nâng cao và phát triển các ứng dụng mới. Ví dụ, có thể sử dụng các kỹ thuật lọc nhiễu tiên tiến, hiệu chuẩn cảm biến nhiệt độ và sử dụng cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao hơn. Cũng có thể tích hợp các module truyền dữ liệu không dây như Bluetooth hoặc Wi-Fi để truyền dữ liệu nhiệt độ đến một máy chủ trung tâm. Cuối cùng, có thể phát triển các ứng dụng mới cho hệ thống, chẳng hạn như hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động hoặc hệ thống cảnh báo nhiệt độ cao.

5.1. Các Giải Pháp Nâng Cao Độ Chính Xác và Độ Ổn Định

Để nâng cao độ chính xác và độ ổn định của hệ thống đo nhiệt độ, có thể áp dụng các giải pháp sau: Sử dụng các kỹ thuật lọc nhiễu tiên tiến: Sử dụng các bộ lọc analog hoặc digital để loại bỏ nhiễu điện từ. Hiệu chuẩn cảm biến nhiệt độ: Hiệu chuẩn cảm biến nhiệt độ để giảm sai số. Sử dụng cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao hơn: Sử dụng cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao hơn, chẳng hạn như RTD hoặc cảm biến IC. Sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu: Sử dụng mạch khuếch đại tín hiệu để tăng cường tín hiệu analog từ cảm biến nhiệt độ.

5.2. Tích Hợp Truyền Dữ Liệu Không Dây và Điều Khiển Từ Xa

Để tích hợp truyền dữ liệu không dây và điều khiển từ xa, có thể sử dụng các module truyền dữ liệu không dây như Bluetooth hoặc Wi-Fi. Dữ liệu nhiệt độ có thể được truyền đến một máy chủ trung tâm thông qua giao thức truyền thông không dây. Người dùng có thể truy cập dữ liệu nhiệt độ từ xa thông qua một ứng dụng web hoặc ứng dụng di động. Hệ thống cũng có thể được điều khiển từ xa thông qua ứng dụng web hoặc ứng dụng di động.

VI. Kết Luận và Tương Lai Phát Triển Hệ Thống Đo Nhiệt Độ Thông Minh

Đồ án thiết kế hệ thống đo nhiệt độ sử dụng vi điều khiển PIC16F877A và cảm biến nhiệt độ bán dẫn đã đạt được các mục tiêu đề ra. Hệ thống hoạt động ổn định và chính xác trong một dải nhiệt độ nhất định. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được khắc phục và nhiều hướng phát triển tiềm năng.

Trong tương lai, hệ thống đo nhiệt độ có thể được phát triển thành một hệ thống đo nhiệt độ thông minh, có khả năng tự động điều chỉnh, học hỏi và đưa ra các quyết định dựa trên dữ liệu nhiệt độ. Hệ thống này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như nông nghiệp thông minh, nhà thông minh và công nghiệp 4.0. cần chú trọng phát triển code PIC16F877A để có thể hoạt động tốt trong các ứng dụng mới.

6.1. Tiềm Năng Phát Triển Ứng Dụng Trong Nông Nghiệp Thông Minh

Trong nông nghiệp thông minh, hệ thống đo nhiệt độ có thể được sử dụng để giám sát nhiệt độ trong nhà kính, trang trại và các khu vực trồng trọt khác. Dữ liệu nhiệt độ có thể được sử dụng để điều khiển hệ thống tưới tiêu, hệ thống thông gió và các hệ thống khác, giúp tối ưu hóa điều kiện sinh trưởng của cây trồng và tăng năng suất. Hệ thống cũng có thể được sử dụng để cảnh báo về các điều kiện thời tiết bất lợi, giúp người nông dân bảo vệ cây trồng khỏi thiệt hại.

6.2. Hướng Đến Hệ Thống Đo Nhiệt Độ Tiết Kiệm Năng Lượng và Bền Vững

Trong tương lai, hệ thống đo nhiệt độ cần được thiết kế để tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường. Các biện pháp tiết kiệm năng lượng như sử dụng các linh kiện tiêu thụ điện năng thấp, sử dụng chế độ ngủ và sử dụng năng lượng tái tạo có thể được áp dụng. Hệ thống cũng cần được thiết kế để có tuổi thọ cao và dễ dàng bảo trì, sửa chữa. Theo tài liệu gốc, cần " giảm công suất tiêu thā: khoảng 60uA"

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Cảm biến nhiệt độ 1 1.2 Cảm biến nhiệt điện trá 1 a. Cảm biến nhiệt điện trá kim loại 1 b. Cảm biến nhiệt điện trá bán dẫn 2 Chương 2.

Vi điều khiển PIC 16F877A 4 2.1 Giới thiệu Vi điều khiển PIC a. Sơ đồ khối vi điều khiển pic16f877a 6 2.2 Đặc điểm biến đổi ADC 7 2.3 Phần mềm thực hiện chương trình nạp cho PIC.1 Chương trình dịch CCS a) Giới thiệu về CCS. 10 b) Tạo một PROJECT sử dāng PIC Wizard c) Tab General 11 d) Tab SPI and LCD 13 e) Tab Timer 14 f) Tab Analog 15 g) Tab Interrupts và Tab Driver 18 Chương 3. Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ dùng cảm biến 20 LM335 3.1 Thiết kế phần cāng khối xử lý tín hiệu 21 3.

Thiết kế phần cāng giao tiếp LM335 và Vi điều khiển 22 PIC16F877A 3. Khối hiển thị 23 3.5 Sơ đồ nguyên lý và mạch in hệ thống đo 26 2.6 Lưu đồ thuật toán 27 Kết luận 28 Lßi cảm ơn 29 Phā lāc 1 30 Phā lāc 2 36 Phā lāc 3 39 Tài liệu tham khảo 41 8 Ch°¡ng 1.1 Khái niám Nhiệt độ là đại lưÿng vật lý đưÿc quan tâm nhiều nhất vì nó đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất cÿa vật chất. Để đo nhiệt độ trong hệ thống tự động có nhiều biện pháp khác nhau. Trên cơ sá đó ngưßi ta sử dāng các bộ cảm biến nhiệt độ với nguyên lý làm việc khác nhau.

VD: nhiệt điện trá, nhiệt ngẫu, quang… Thang nhiệt độ: Đưÿc xác định từ các định luật nhiệt động. Thang nhiệt độ nhiệt động tuyệt đối: Thang Kenvin (0K) là nhiệt độ cân bằng cÿa điểm cân bằng 3 trạng thái nước, nước đá và hơi.2 CÁm biÁn nhiát đián trç Cảm biến nhiệt điện trá là cảm biến có điện trá biến đổi theo nhiệt độ Kim loại điện trá biến đổi theo nhiệt độ, thể hiện qua α (hệ số nhiệt điện trá) Phân loại: 3 loại + Cảm biến nhiệt điện trá kim loại + Cảm biến nhiệt điện trá bán dẫn + Nhiệt điện trá a. CÁm biÁn nhiát đián trç kim lo¿i: 9 - Dây kim loại : gồm một sÿi dây kim loại đưÿc dán trên bìa cách điện. Vật liệu thưßng dùng là Pt, Ni, W, Cu.

Khoảng nhiệt độ đo đưÿc: Pt (2000C ÷ 12000C) Ni (-1900C ÷ 2500C) Cu (-500C ÷ 1800C) Khi nhiệt độ θ tăng thì dẫn đến R tăng theo. Qua R đo đưÿc ta xác định đưÿc nhiệt độ qua công thāc: Rñ = R0 (1 + ñ ) (1-3) Để cảm biến có độ nhạy cao ta phải chọn kim loại có điện trá suất (ρ) lớn l R = ò. khi R tăng thì l tăng, q giảm q Điện trá R càng lớn thì độ nhạy càng cao và dải đo càng hẹp.1 Tính chất cÿa một số kim loại - Màng mỏng: dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt vật rắn. Khi đo ngưßi ta dán màng mỏng lên bề mặt vật cần đo (mỏng cỡ μm) b.

CÁm biÁn nhiát đián trç bán d¿n Cảm biến nhiệt điện trá silic (bán dẫn) Các vật liệu bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ. Do đó ngưßi ta dùng vật liệu bán dẫn để chế tạo cảm biến đo nhiệt độ. 10 Silic tinh khiết có hệ số nhiệt điện trá α < 0, nhưng khi đưÿc tác động á một dải nhiệt độ nào đó thì α > 0 θ < 2000C thì α > 0 θ > 2000C thì α < 0  RT = R0 1 + A(T − T0 ) + B(T − T0 ) 2  (1-4) Trong đó : R0, T0 là điện trá, nhiệt độ á điểm chuẩn (00K) A = 0,007874 (K-1) B = 1,874.10-5 (K-2) Đo nhiát đá bằng cÁm biÁn LM35 Các vật liệu bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ. Do đó ngưßi ta dùng vật liệu bán dẫn để chế tạo cảm biến đo nhiệt độ.

Trong báo cáo này tác giả sử dāng cảm biến LM35 để thiết kế và mô phỏng. Những thông số quan trọng cÿa LM35 như sau: - Điện áp hoạt động: 4~20VDC - Công suất tiêu thā: khoảng 60uA - Khoảng đo: -55°C đến 150°C - Đián áp tuyÁn tính theo nhiát đá: 10mV/°C - Sai số: 0.25°C - Kiểu chân: TO92 - Kích thước: 4.3mm Tín hiệu ra cÿa LM35 là điện áp thay đổi liên tāc theo nhiệt độ. Vì vậy, khi thiết kế đo nhiệt độ cần sử dāng bộ biến đổi tương tự - số (ADC) cÿa vi điều khiển để biến đổi tín hiệu liên tāc nhận đưÿc thành tín hiệu số (Vi điều khiển chỉ xử lý với tín hiệu số). Do đó, trong thiết kế cần sử dāng các chân cÿa cổng A hoặc cổng E làm lối vào cÿa bộ biến đổi ADC.

Vi điÃu khiÅn PIC 16F877A 2.1 Giãi thiáu Vi điÃu khiÅn PIC a. Tổng quan Khối xử lý tín hiệu làm nhiệm vā nhận dòng dữ liệu gửi từ cảm biến nhiệt độ qua bộ biến đổi số tương tự và điều khiển hiển thị nhệt độ đưÿc lên màn hình LCD. Do đó cần lựa chọn loại Vi điều khiển có hỗ trÿ biến đổi từu tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. Có nhiều vi điều khiển có hỗ trÿ giao tiếp này, tuy nhiên em chọn vi điều khiển PIC16F877A, vi điều khiển này có giá thành rẻ, sẵn có trên thị trưßng.

Vi điều khiển PIC16F877A và sơ đồ chân a) Một vài thông số về vi điều khiển PIC16F877A. Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bít.Mỗi lệnh đều đưÿc 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 lưÿng 256x8 byte.

Số PORT I/O là 5 với 33pin I/O. 12 ➢ Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chāc 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 chāc năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động á chế độ sleep. + Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler.

➢ Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rông xung. ➢ 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 á bên ngoài.

➢ Các đặc tính Analog: + 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit. + Hai bộ so sánh. ➢ Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác cÿa vi điều khiển như: + Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa đưÿc 100. + Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa đưÿc 1.

+ Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm. + Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển cÿa phần mềm. + Nạp đưÿc chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân. + Watchdog Timer với bộ dao động trong.

+ Chāc năng bảo mật mã chương trình. + Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau. 13 b) S¡ đá khßi vi điÃu khiÅn PIC16F877A.2 Đặc điÅm biÁn đổi ADC. Vi điều khiển PIC 16F877A có bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ADC 10 bit đa hÿp 8 kênh và PIC 16F887 có 14 kênh.

Mạch ADC dùng cho các āng dāng giao tiếp với tín hiệu tương tự có thể nhận từ các cảm biến như cảm biến nhiệt độ LM35, cảm biến áp suất, cảm biến độ ẩm, cảm biến khoảng cách, … Phần này sẽ khảo sát chi tiết khối ADC cÿa PIC, các thanh ghi cÿa khối ADC, trình tự thực hiện chuyển đổi, tập lệnh lập trình C cho ADC và āng dāng ADC để đo nhiệt độ. Sơ đồ khối ADC cÿa PIC 16F877A. Chāc năng các thành phần: AN0 đến AN7 (analog) là 4 ngõ vào cÿa 8 kênh tương tự đưÿc đưa đến mạch đa hÿp. CHS<3:0> là các ngõ vào chọn kênh cÿa bộ đa hÿp tương tự.

15 Tín hiệu kênh tương tự đã chọn sẽ đưÿc đưa đến bộ chuyển đổi ADC. Điện áp tham chiếu dương Vref+ có thể lập trình nối với nguồn cung cấp dương AVDD hoặc điện áp tham chiếu bên ngoài nối với ngõ vào Vref+ cÿa chân AN3, bit lựa chọn là VCFG0. Điện áp tham chiếu âm Vref- có thể lập trình nối với nguồn cung cấp AV SS hoặc điện áp tham chiếu bên ngoài nối với ngõ vào Vre- cÿa chân AN2, bit lựa chọn là VCFG1. Hai ngõ vào Vref+ và Vref- có chāc năng thiết lập độ phân giải cho ADC.

Bit ADON có chāc năng cho phép ADC hoạt động hoặc tắt bộ A DC khi không hoạt động để giảm công suất tiêu tán, ADON bằng 1 thì cho phép, bằng 0 tắt. Kết quả chuyển đổi là số nhị phân 10 bit sẽ lưu vào cặp thanh ghi 16 bit có tên là ADRESH và ADRESL, 10 bit kết quả lưu vào thanh ghi 16 bit nên có dạng lưu là canh lề trái và canh lề phải tùy thuộc vào bit lựa chọn có tên ADFM. ADC có 8 kênh nhưng mỗi thßi điểm chỉ chuyển đổi 1 kênh và chuyển đổi kênh nào thì phā thuộc vào 4 bit chọn kênh CHS4:CHS0. Hai ngõ vào điện áp tham chiếu dương và âm có thể lập trình nối với nguồn VDD và VSS hoặc nhận điện áp tham chiếu từ bên ngoài qua 2 chân RA3 và RA2.

Khối ADC độc lập với CPU nên có thể hoạt động khi CPU đang á chế độ ngÿ do xung cung cấp cho ADC lấy từ dao động RC bên trong cÿa khối ADC. Khối ADC có 4 thanh ghi: Thanh ghi lưu kết quả byte cao: ADRESH (A/D Result High Register) Thanh ghi lưu kết quả byte thấp: ADRESL (A/D Result Low Register) Thanh ghi điều khiển ADC thā 0: ADCON0 (A/D Control Register 0) Thanh ghi điều khiển ADC thā 1: ADCON1 (A/D Control Register 1) Để thực hiện chuyển đổi ADC thì phải thực hiện các bước sau: 16 Bước 1: Cấu hình cho port:Cấu hình cho các port á chế độ ngõ vào tương tự.Không đưÿc định cấu hình cho các port á chế độ xuất dữ liệu. Bước 2: Cấu hình cho module ADC: Chọn xung clock cho chuyển đổi ADC.Định cấu hình cho điện áp chuẩn.Chọn kênh ngõ vào tương tự cần chuyển đổi.Chọn định dạng cho 2 thanh ghi lưu kết quả.Má nguồn cho ADC. Bước 3: Thiết lập cấu hình ngắt ADC nếu sử dāng: Xóa cß báo ngắt ADIF cÿa ADC.Cho bit ADIE bằng 1 để cho phép ADC ngắt.Cho bit PEIE bằng 1 để cho phép ngắt ngoại vi.Cho bit GIE bằng 1 để cho phép ngắt toàn cāc.

Bước 4: Chß hết thßi gian ổn định theo yêu cầu. Bước 5: Bắt đầu chuyển đổi bằng cách cho bit GO/DONE lên 1.