Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đề tài "Thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ hiển thị trên LCD 16x2" được nhóm tác giả thực hiện trong khuôn khổ Đồ án tích hợp 1 thuộc Khoa Điện - Điện tử (tháng 10 năm 2015), dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Viết Ngư.
Trong bối cảnh khoa học công nghệ và kỹ thuật điều khiển hiện đại phát triển nhanh chóng, các hệ thống điều khiển ngày càng đòi hỏi độ chính xác cao, tốc độ xử lý nhanh và thuật toán tối ưu. Trên thị trường tồn tại nhiều dòng vi điều khiển như 8051, Motorola 68HC, AVR và ARM. Bên cạnh họ 8051 vốn được giảng dạy căn bản trong chương trình đại học, nhóm tác giả đã lựa chọn nghiên cứu vi điều khiển PIC nhằm mở rộng kiến thức và phát triển ứng dụng dựa trên các lý do cụ thể sau:
- Khả năng tiếp cận linh kiện thuận tiện, dễ tìm mua trên thị trường Việt Nam.
- Tích hợp đầy đủ các tính năng ngoại vi phục vụ hoạt động độc lập của một hệ thống nhúng.
- Đóng vai trò bổ sung kiến thức chuyên sâu bên cạnh họ vi điều khiển truyền thống 8051.
- Chi phí đầu tư phần cứng và chế tạo ở mức hợp lý.
- Sự hỗ trợ toàn diện từ nhà sản xuất Microchip về trình biên dịch, công cụ lập trình và thiết bị nạp từ cơ bản đến nâng cao.
- Hệ thống tính năng đa dạng, liên tục được nhà sản xuất nâng cấp và mở rộng.
- Cộng đồng người dùng lớn tại Việt Nam và trên thế giới, tạo điều kiện thuận lợi trong việc chia sẻ tài liệu kỹ thuật, mã nguồn mở và giải quyết các vướng mắc phát sinh.
Về mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu, đồ án xác định các nội dung sau:
- Nắm vững phương thức và các chế độ vận hành nội tại của vi điều khiển PIC16F877A.
- Làm chủ nguyên lý chuyển đổi và đặc tính hoạt động của cảm biến nhiệt độ LM35.
- Hoàn thành việc tính toán, thiết kế và chế tạo mạch phần cứng đo nhiệt độ phòng sử dụng vi điều khiển PIC16F877A, hiển thị kết quả trực tiếp lên màn hình LCD 16x2.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài tập trung vào vi điều khiển PIC16F877A và hệ thống thiết bị đo nhiệt độ phòng. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở môi trường nhiệt độ phòng dân dụng, ứng dụng các giải pháp phần cứng bán dẫn và hiển thị ký tự trực quan tại thời điểm triển khai nghiên cứu (tháng 10/2015).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Về cơ sở lý thuyết, đồ án xây dựng hệ thống luận điểm dựa trên bản chất vật lý của nhiệt động học và các nguyên lý kỹ thuật đo lường:
- Khái niệm và cơ chế truyền nhiệt: Nhiệt độ được định nghĩa là đại lượng vật lý đặc trưng cho cường độ chuyển động nhiệt hỗn loạn của các nguyên tử, phân tử trong hệ vật chất. Quá trình trao đổi nhiệt giữa các môi trường tuân theo nguyên lý bảo toàn năng lượng và nguyên lý truyền nhiệt một chiều (tự truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp). Sự truyền nhiệt trong chất rắn diễn ra chủ yếu bằng dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt; trong khi ở chất lỏng và chất khí có thêm hiện tượng đối lưu do chênh lệch tỷ trọng.
- Phương pháp đo nhiệt độ: Được phân định thành hai nhóm chính:
- Phương pháp tiếp xúc: Áp dụng trong dải nhiệt độ thấp và trung bình, đặt phần tử chuyển đổi trực tiếp trong môi trường đo. Bao gồm nhiệt điện trở kim loại/bán dẫn (dựa trên sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ với dòng phụ tải nhỏ), cặp nhiệt ngẫu (dựa trên hiệu ứng Seebeck sinh ra sức điện động nhiệt $E_{AB} = e_{AB}(t) - e_{AB}(t_0)$ khi có chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn), và IC cảm biến nhiệt độ bán dẫn (sử dụng sự biến thiên điện áp của lớp tiếp giáp p-n trong transistor bipolar).
- Phương pháp không tiếp xúc: Áp dụng cho dải nhiệt độ cao thông qua cảm biến quang và hỏa quang kế (phát xạ, cường độ sáng, màu sắc), dựa trên định luật bức xạ của vật đen tuyệt đối mô tả mối quan hệ giữa mật độ phổ bức xạ, nhiệt độ tuyệt đối $T$ và bước sóng $\lambda$:
$$E_0 = C_1 \cdot \lambda^{-5} \cdot (e^{\frac{C_2}{\lambda T}} - 1)^{-1}$$
Trong đó hằng số $C_1 = 37{,}03$.
Phương pháp nghiên cứu thực tế được nhóm tác giả triển khai bao gồm:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp, khảo sát các tài liệu kỹ thuật từ nhà sản xuất Microchip ("Select PIC guide"), tài liệu thông số kỹ thuật (datasheet) của cảm biến LM35 và vi điều khiển điều khiển màn hình HD44780.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế mạch nguyên lý, gia công mạch in thực tế, tiến hành đo kiểm tham số điện áp trực tiếp trên mô hình thật, nạp chương trình điều khiển và chạy thử nghiệm từng khối chức năng để hiệu chỉnh tham số.
Nguồn dữ liệu của đề tài được trích xuất hoàn toàn từ các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chính thống của linh kiện điện tử, kết hợp cùng các số liệu tính toán toán học trong quá trình lượng tử hóa tín hiệu analog sang digital.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống đo nhiệt độ được thiết kế gồm 4 khối chức năng chính: khối nguồn, khối cảm biến đo lường, khối vi điều khiển trung tâm và khối hiển thị.
| Khối chức năng |
Linh kiện / Công nghệ cốt lõi |
Thông số kỹ thuật và vai trò thiết kế |
| Khối nguồn |
Biến áp, cầu Diode, tụ lọc, IC ổn áp 7805 |
Hạ áp từ 220V AC, chỉnh lưu thành DC, lọc phẳng gợn sóng và tạo nguồn +5V DC ổn định cung cấp toàn mạch. |
| Khối cảm biến |
IC bán dẫn LM35 |
Đo nhiệt độ tuyến tính, hệ số góc 10mV/°C, dải đo danh định từ -55°C đến 150°C, điện áp nuôi từ 4V đến 30V. |
| Khối xử lý trung tâm |
Vi điều khiển PIC16F877A |
Tần số thạch anh ngoại vi, tích hợp bộ chuyển đổi ADC 10-bit nội, quản trị vào/ra qua 5 PORT (33 chân I/O). |
| Khối hiển thị |
LCD 16x2 (Driver HD44780) |
Hiển thị 2 dòng x 16 ký tự, hỗ trợ bus dữ liệu 4-bit hoặc 8-bit, điều khiển qua các chân tín hiệu RS, R/W, E. |
Tính toán chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC)
Tác giả thiết lập giải thuật chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến LM35 sang giá trị hiển thị số dựa trên cấu trúc bộ ADC 10-bit tích hợp của PIC16F877A:
- Độ phân giải bộ ADC: 10 bit, tương ứng $2^{10} = 1024$ mức giá trị (từ 0 đến 1023).
- Điện áp tham chiếu giả thiết: $V_{ref} = V_{DD} = 5\text{V}$.
- Giá trị điện áp tương ứng với 1 mức chuyển đổi (bước lượng tử hóa):
$$\Delta V = \frac{5\text{V}}{1024} \approx 4{,}883 \cdot 10^{-3}\text{V} = 4{,}883\text{ mV}$$
- Do độ nhạy điện áp của LM35 là $10\text{mV}/^\circ\text{C}$, bước nhảy giá trị ADC tương ứng khi nhiệt độ môi trường thay đổi $1^\circ\text{C}$ được tính bằng tỷ số:
$$\text{Bước nhảy ADC} = \frac{10\text{ mV}}{4{,}883\text{ mV}} \approx 2{,}048\text{ mức}$$
Môi trường và công cụ phát triển phần mềm nhúng
Hệ thống sử dụng trình biên dịch CCS C để xây dựng mã nhúng. Trình biên dịch này hỗ trợ phối hợp ngôn ngữ C bậc cao và các đoạn mã Hợp ngữ (Assembly), cung cấp các chỉ thị tiền xử lý chuyên biệt (#include, #device, #use, #byte) và các thư viện điều khiển ngoại vi:
- Các kiểu dữ liệu cơ bản:
Int1 (1-bit), Int8 (8-bit, miền giá trị 0 đến 255), Int16 (16-bit, miền giá trị 0 đến $2^{15}-1$), Int32 (32-bit, miền giá trị 0 đến $2^{32}-1$), Char (8-bit), Float (32-bit).
- Cấu hình ADC bằng các hàm chuyên dụng:
Setup_ADC(mode) để định dạng nguồn xung nhịp hoạt động; Setup_ADC_port(value) xác định chân lấy mẫu tương tự và điện thế chuẩn; Setup_ADC_channel(channel) chọn kênh ngõ vào tích cực; và Read_ADC(mode) đọc giá trị số từ thanh ghi lưu trữ.
- Tạo trễ thời gian thông qua hàm
delay_us(timer).
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG I: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ
Chương I tập trung khảo cứu lý thuyết vật lý nhiệt và phân loại toàn diện các nguyên lý cảm biến nhiệt độ đang được áp dụng trong kỹ thuật:
- Nguyên lý đo tiếp xúc: Phân tích đặc tính làm việc của nhiệt điện trở kim loại và bán dẫn, yêu cầu hệ số nhiệt điện trở lớn và điện trở suất cao để nhiệt năng tự sinh ra nhỏ hơn nhiều so với nhiệt lượng nhận từ môi trường. Tiếp đó, trình bày cấu tạo cặp nhiệt ngẫu gồm hai dây dẫn khác bản chất $A$ và $B$ hàn kín hai đầu; công thức tính suất điện động nhiệt theo định luật Seebeck được phân tích khi hai mối hàn có cùng nhiệt độ $t_0$ ($E_{AB}=0$) và khi nhiệt độ khác biệt ($E_{AB} = e_{AB}(t) - e_{AB}(t_0)$). Mục này cũng giới thiệu sơ lược về cảm biến IC bán dẫn với dải đo từ -55°C đến 150°C dựa vào điện áp tiếp giáp p-n.
- Nguyên lý đo không tiếp xúc: Nêu rõ cơ chế đo đạc tại các môi trường nhiệt độ quá cao bằng cách thu nhận năng lượng bức xạ nhiệt theo mọi hướng, tuân theo định luật bức xạ vật đen tuyệt đối với sự phụ thuộc mật độ bức xạ vào nhiệt độ tuyệt đối $T$ và bước sóng $\lambda$.
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương II là phần trọng tâm về mặt lý thuyết kỹ thuật, trình bày chi tiết thông số và cơ chế vận hành của ba thành phần phần cứng then chốt:
1. Cảm biến nhiệt độ LM35:
- Cảm biến analog bán dẫn có tín hiệu điện áp ngõ ra tỷ lệ thuận tuyến tính với nhiệt độ môi trường.
- Điện áp cấp nguồn hoạt động trong dải từ 4V đến 30V; độ tiêu tán công suất thấp; dòng làm việc từ 400µA đến 5mA; dòng thuận 10mA; dòng ngược 15mA; trở kháng ngõ ra thấp (0,1$\Omega$ đối với tải 1mA).
- Sai số không vượt quá 1% ở 25°C (độ chính xác đạt 0,5°C).
- Đặc tính điện áp ngõ ra tương ứng với các mốc nhiệt độ:
- Tại -55°C: $V_{out} = 550\text{mV}$ (theo văn bản tác giả trình bày).
- Tại 0°C: $V_{out} = 0\text{V}$.
- Tại 25°C: $V_{out} = 250\text{mV}$.
- Tại 150°C: $V_{out} = 1500\text{mV}$.
2. Vi điều khiển PIC16F877A:
- Lịch sử và phân loại: PIC ban đầu là viết tắt của "Programmable Intelligent Computer" do General Instrument phát triển, sau đó được Microchip sản xuất rộng rãi. Các dòng vi điều khiển bao gồm PIC12 (lệnh 12-bit), PIC16 (lệnh 14-bit), PIC18 (lệnh 16-bit); phân biệt bộ nhớ qua ký tự C (EPROM), F (Flash), LF/LV (Flash nguồn thấp).
- Cấu trúc phần cứng PIC16F877A: Tập lệnh gồm 35 lệnh 14-bit; chu kỳ lệnh bằng 4 lần chu kỳ thạch anh; bộ nhớ Flash 8K x 14 words (khả năng xóa/ghi 100.000 lần); RAM 368 x 8 bytes; EEPROM dữ liệu 256 x 8 bytes (khả năng xóa/ghi 1.000.000 lần, lưu giữ dữ liệu trên 40 năm); 5 cổng I/O với 33 chân; 14 nguồn ngắt; ngăn xếp Stack 8 mức theo cơ chế xoay vòng không có cờ báo tràn; tích hợp mạch nạp nối tiếp trong hệ thống ICSP qua 2 chân.
- Khảo sát các cổng xuất nhập (I/O Port) và thanh ghi điều khiển hướng TRIS:
- PORTA: 6 chân hai chiều, thanh ghi điều khiển TRISA (địa chỉ 85h), liên kết chức năng ADC, bộ so sánh, ngõ vào xung nhịp Timer0 và chuẩn MSSP.
- PORTB: 8 chân, thanh ghi TRISB (86h, 186h), hỗ trợ nạp ICSP, ngắt ngoại vi, điện trở kéo lên tích hợp.
- PORTC: 8 chân, thanh ghi TRISC (87h), tích hợp các ngoại vi Timer1, PWM, chuẩn truyền thông I2C, SPI, SSP, USART.
- PORTD: 8 chân, thanh ghi TRISD, hỗ trợ cổng giao tiếp song song phụ chuẩn PSP.
- PORTE: 3 chân, thanh ghi TRISE, ngõ vào analog và các chân điều khiển chuẩn PSP.
- Khảo sát các khối ngoại vi định thời:
- Timer0: Bộ đếm 8-bit, dùng chung bộ chia tần số prescaler với bộ định thời giám sát WDT; cờ ngắt TMR0IF, bit điều khiển TMR0IE trong thanh ghi INTCON; thanh ghi dữ liệu TMR0 (01h, 101h).
- Timer1: Bộ đếm 16-bit gồm 2 thanh ghi TMR1H:TMR1L (0Eh); cờ ngắt TMR1IF, bit điều khiển TMR1IE trong PIE1; thanh ghi điều khiển T1CON (10h); kết nối với khối CCP.
- Timer2: Bộ định thời 8-bit (thanh ghi TMR2 tại địa chỉ 11h), hỗ trợ bộ chia trước prescaler và chia sau postscaler; kết hợp thanh ghi so sánh chu kỳ PR2 (92h) và bit điều khiển TMR2ON.
- Bộ biến đổi ADC và các khối tương tự: Tích hợp 8 kênh chuyển đổi 10-bit (RA0 đến RA4 và RE0 đến RE2), lưu kết quả vào cặp thanh ghi ADRESH:ADRESL; thanh ghi điều khiển ADCON0 (1Fh) và ADCON1 (9Fh). Hai bộ so sánh tín hiệu analog (ngõ vào RA0-RA3, ngõ ra RA4-RA5) điều khiển bởi thanh ghi CMCON (9Ch) với thời gian đáp ứng cực đại 10µs. Bộ tạo điện áp so sánh sử dụng thang điện trở 16 mức cầu phân áp (chia theo bước $V_{DD}/24$ hoặc $V_{DD}/32$ dựa trên bit CVRR trong thanh ghi CVRCON). Khối CCP (CCP1, CCP2) đảm nhận chế độ Capture, Compare và phát xung PWM.
- Nền tảng lập trình CCS C: Khảo sát quy tắc tiền xử lý, cấu trúc câu lệnh rẽ nhánh/vòng lặp, các hàm xử lý chuyên biệt cho ngoại vi ADC và delay.
3. Màn hình tinh thể lỏng LCD 16x2:
- Sử dụng vi mạch điều khiển tích hợp HD44780 bên trong.
- Cấu hình 16 chân giao tiếp:
| Chân số |
Ký hiệu chân |
Chức năng chi tiết theo văn bản |
| 1 |
VSS |
Nối đất (GND) của mạch điều khiển. |
| 2 |
VDD |
Cấp nguồn nuôi +5V DC. |
| 3 |
VEE |
Điều chỉnh độ tương phản màn hình hiển thị. |
| 4 |
RS |
Chọn thanh ghi: Mức 0 chọn thanh ghi lệnh IR / bộ đếm địa chỉ; Mức 1 chọn thanh ghi dữ liệu DR. |
| 5 |
R/W |
Chọn chế độ: Mức 0 là ghi (Write), Mức 1 là đọc (Read). |
| 6 |
E |
Chân cho phép (Enable): Nhận xung cạnh xuống (High-to-Low) khi ghi dữ liệu và cạnh lên (Low-to-High) khi đọc. |
| 7 - 14 |
DB0 - DB7 |
8 đường bus dữ liệu trao đổi với vi điều khiển (hỗ trợ chế độ 8-bit đầy đủ hoặc chế độ 4-bit qua DB4-DB7). |
| 15 |
Nguồn dương |
Cấp điện áp dương cho đèn nền màn hình. |
| 16 |
Nguồn âm |
Nối đất cho hệ thống đèn nền. |
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
Chương III đi vào phân tích chi tiết chức năng của các khối trong sơ đồ tổng thể:
- Phân tích khối nguồn: Đảm bảo duy trì nguồn điện áp ổn định ở mức +5V cho vi điều khiển, cảm biến và màn hình LCD. Văn bản phân tích hai giải pháp cấp điện:
- Dùng pin hoặc ắc quy: Cho điện áp tương đối phẳng nhưng không có chuẩn sẵn 5V nên bắt buộc qua mạch biến đổi hạ áp; nhược điểm là năng lượng suy giảm theo thời gian làm gián đoạn hệ thống.
- Chỉnh lưu và ổn áp từ nguồn xoay chiều: Sử dụng máy biến áp hạ thế từ lưới điện 220V xuống điện áp thấp hơn, đưa qua mạch chỉnh lưu đổi AC sang DC, mạch lọc tụ điện làm phẳng gợn sóng xoay chiều và IC ổn áp tuyến tính 7805 để cố định điện áp ngõ ra +5V cho tải tiêu thụ.
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật đạt được
- Làm rõ cấu trúc phân tầng phần cứng và cơ chế bản đồ bộ nhớ của PIC16F877A, bao gồm cấu trúc phân chia 4 bank trong RAM dữ liệu (mỗi bank 128 byte) và cách thức quản lý các thanh ghi chức năng đặc biệt SFR cùng thanh ghi mục đích chung GPR.
- Thiết lập hoàn chỉnh cơ sở toán học cho quá trình lượng tử hóa tín hiệu nhiệt độ tương tự: xác định độ nhạy của bộ biến đổi ADC 10-bit nội tại ($4{,}883\text{ mV/bước}$ tại điện áp chuẩn 5V), tương đương mức đáp ứng $2{,}048\text{ đơn vị ADC}$ trên mỗi sự thay đổi $1^\circ\text{C}$ của cảm biến LM35.
- Xác định chi tiết cấu hình phần cứng giao tiếp màn hình hiển thị LCD 16x2 thông qua chip điều khiển HD44780, phân định rõ hai chế độ truyền dữ liệu 8-bit và 4-bit tiết kiệm chân vi điều khiển.
- Xây dựng sơ đồ phân tích chức năng khối nguồn, đề xuất mạch ổn áp tuyến tính sử dụng IC 7805 kết hợp biến áp hạ áp 220V và cầu chỉnh lưu nhằm khắc phục nhược điểm sụt áp của nguồn cấp bằng pin.
Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất
- Đề xuất thay thế họ vi điều khiển 8051 truyền thống bằng vi điều khiển PIC16F877A trong các bài toán đo lường nhúng, tận dụng bộ chuyển đổi ADC 10-bit tích hợp sẵn để tối giản hóa thiết kế phần cứng, không cần sử dụng vi mạch chuyển đổi ADC rời bên ngoài (như ADC0804/ADC0808).
- Lựa chọn cảm biến nhiệt độ tương tự LM35 làm phần tử đo lường nhờ đặc tính ngõ ra tuyến tính trực tiếp ($10\text{mV}/^\circ\text{C}$) và độ nhạy cao, triệt tiêu sự phức tạp trong khâu tuyến tính hóa dữ liệu phi tuyến của các loại nhiệt điện trở (NTC/PTC).
Đóng góp so với nghiên cứu trước
Đóng góp được tác giả tự xác định trong thuyết minh:
- Về mặt lý luận: Toàn bộ nội dung phân tích phần cứng, bản thuyết minh và giải thuật điều khiển của đồ án tạo thành tài liệu nghiên cứu, tra cứu trực quan, dễ tiếp cận cho sinh viên ngành kỹ thuật muốn tìm hiểu sâu về dòng vi điều khiển PIC.
- Về mặt thực tiễn: Đề tài giúp sinh viên mới bắt đầu tiếp cận chuyên ngành, đặc biệt là sinh viên Khoa Điện - Điện tử, nắm bắt được mối liên hệ chặt chẽ giữa lý thuyết vi điều khiển và ứng dụng chế tạo sản phẩm đo lường trong đời sống, từ đó củng cố sự quan tâm và định hướng học tập chuyên ngành.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên phạm vi và các giới hạn kỹ thuật được trình bày trong văn bản:
- Hạn chế:
- Thiết kế chỉ tập trung đo lường nhiệt độ phòng trong dải thông thường, chưa triển khai mạch đo nhiệt độ âm (mặc dù LM35 hỗ trợ đo từ -55°C nhưng cần mạch phân cực bổ sung dưới mức 0V).
- Khối nguồn nuôi sử dụng phương pháp ổn áp tuyến tính (IC 7805) có hiệu suất năng lượng không cao, tỏa nhiệt trong quá trình hạ áp từ nguồn nắn dòng xoay chiều.
- Ngăn xếp Stack của vi điều khiển PIC16F877A bị giới hạn cứng ở 8 mức và hoạt động theo vòng lặp cuốn chiếu (ghi đè khi vượt quá mức 8), không có cờ báo tràn stack, đòi hỏi cấu trúc hàm lồng nhau trong phần mềm phải được kiểm soát chặt chẽ.
- Phần thuyết minh cung cấp chưa đầy đủ toàn bộ sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh và mã nguồn chương trình C đầy đủ của giai đoạn chạy thực tế trong Chương III.
- Hướng mở nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng thuật toán lọc số trong phần mềm (như giải thuật lấy trung bình mẫu) để khử nhiễu ngẫu nhiên của môi trường tác động lên đường truyền tín hiệu analog từ cảm biến LM35 về chân vi điều khiển.
- Phát triển tính năng cảnh báo ngưỡng nhiệt độ sử dụng các khối ngoại vi so sánh nội (Comparator) hoặc bộ điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển cơ cấu chấp hành (quạt làm mát, rơ-le gia nhiệt).
- Tích hợp các chuẩn giao tiếp truyền thông nối tiếp sẵn có trên chip (USART, SPI hoặc I2C) để truyền tải số liệu nhiệt độ đo được lên máy tính hoặc kết nối mạng công nghiệp.
Giá trị tham khảo
Đồ án có giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng và học phần sau:
- Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Máy tính đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tích hợp hoặc nghiên cứu cơ bản về hệ thống nhúng.
- Các nội dung có giá trị tra cứu cao:
- Bảng tổng hợp sơ đồ chân, chức năng 5 cổng xuất nhập (PORTA - PORTE) và hệ thống thanh ghi điều khiển ngoại vi của vi điều khiển PIC16F877A.
- Công thức tính toán bước lượng tử hóa ADC 10-bit nội phối hợp với đặc tính điện áp $10\text{mV}/^\circ\text{C}$ của cảm biến LM35.
- Trình tự điều khiển tín hiệu các chân RS, R/W, E và định dạng dữ liệu cho màn hình hiển thị ký tự LCD 16x2 sử dụng chip HD44780.
- Cú pháp cấu hình ngoại vi ADC và lập trình phần cứng trong môi trường CCS C.
Câu hỏi thường gặp
1. Vì sao nhóm tác giả lại lựa chọn dòng vi điều khiển PIC16F877A thay vì vi điều khiển 8051 truyền thống?
Nhóm nghiên cứu lựa chọn PIC16F877A nhằm mở rộng vốn kiến thức ngoài chương trình đại học căn bản. Dòng vi điều khiển này có giá thành hợp lý, dễ tìm mua tại Việt Nam, tích hợp đầy đủ các khối ngoại vi hoạt động độc lập (đặc biệt là bộ ADC 10-bit nội trợ), có sự hỗ trợ công cụ lập trình phong phú từ nhà sản xuất Microchip và sở hữu cộng đồng người dùng đông đảo hỗ trợ việc giải quyết khó khăn kỹ thuật.
2. Bước nhảy lượng tử hóa của bộ ADC 10-bit trên PIC16F877A khi kết nối với LM35 được tính toán như thế nào?
Với điện áp chuẩn nguồn nuôi $V_{CC} = 5\text{V}$, bộ ADC 10-bit có 1024 mức phân giải, tương ứng mỗi mức là $5\text{V} / 1024 \approx 4{,}883\text{ mV}$. Do cảm biến LM35 thay đổi tuyến tính $10\text{mV}$ trên mỗi $1^\circ\text{C}$, bước nhảy giá trị số của ADC tương ứng với độ biến thiên $1^\circ\text{C}$ được tính bằng công thức: $10\text{mV} / 4{,}883\text{mV} \approx 2{,}048$ đơn vị ADC.
3. Màn hình LCD 16x2 giao tiếp với vi điều khiển thông qua các chân tín hiệu điều khiển nào?
Màn hình LCD 16x2 tích hợp IC điều khiển HD44780, tương tác với vi điều khiển thông qua ba chân điều khiển nòng cốt: chân RS (Register Select, chọn thanh ghi lệnh IR ở mức logic 0 hoặc thanh ghi dữ liệu DR ở mức logic 1), chân R/W (chọn chế độ ghi dữ liệu ở mức logic 0 hoặc đọc dữ liệu ở mức logic 1), và chân E (Enable, kích hoạt chốt dữ liệu theo xung chuyển mức điện áp). Bus dữ liệu DB0-DB7 cho phép truyền thông theo chế độ 8-bit hoặc 4-bit.
4. Cảm biến LM35 có những đặc tính kỹ thuật điện nổi bật nào trong đề tài?
LM35 là cảm biến nhiệt độ analog bán dẫn với hệ số góc đầu ra $10\text{mV}/^\circ\text{C}$, hoạt động trong dải điện áp vào từ 4V đến 30V. Linh kiện tiêu tán công suất thấp, dòng làm việc dao động từ 400µA đến 5mA, độ chính xác ở 25°C có sai số không quá 1% (tương đương 0,5°C) và trở kháng ngõ ra thấp đạt 0,1$\Omega$ đối với tải tiêu thụ 1mA.
5. Khối nguồn nuôi của mạch được tác giả thiết kế theo nguyên lý nào để đảm bảo tính ổn định?
Nhóm tác giả đề xuất giải pháp chỉnh lưu và ổn áp từ lưới điện xoay chiều thay vì sử dụng pin (vốn dễ sụt áp gây gián đoạn). Mạch nguồn bao gồm biến áp hạ áp 220V AC xuống điện áp thấp hơn, mạch cầu chỉnh lưu biến đổi AC thành DC, mạch lọc tụ điện nhằm san phẳng các gợn sóng xoay chiều, và IC ổn áp tuyến tính 7805 để giữ điện áp ngõ ra cố định ở mức chuẩn +5V cung cấp cho toàn hệ thống.
Kết luận
Đồ án "Thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ hiển thị trên LCD 16x2" đã giải quyết thành công mục tiêu nghiên cứu lý thuyết vi điều khiển PIC16F877A và kỹ thuật đo lường nhiệt độ tuyến tính sử dụng cảm biến bán dẫn LM35. Nhóm tác giả đã hoàn thiện việc tính toán thông số lượng tử hóa của bộ ADC 10-bit nội, xây dựng sơ đồ phân tích các khối chức năng từ mạch ổn áp nguồn 5V đến giao tiếp hiển thị ký tự trên LCD 16x2. Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích, cung cấp các thông số tra cứu phần cứng chi tiết và phương pháp tiếp cận thực nghiệm rõ ràng cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử.
