ĐIỀU KHIỂN NHIỆT độ lò ấp TRỨNG, có CODE

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LỊ ẤP TRỨNG, CĨ
CODE

1


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ

ix

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

x

CHƯƠNG 1.

1

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1

Giới thiệu đề tài

1

1.2

Mục đích nghiên cứu

1

1.3

Đối tượng nghiên cứu

2

1.4

Phạm vi nghiên cứu

2

1.5

Kết quả

2

CHƯƠNG 2.
2.1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3

Tổng quan về Programmable Intelligent Computer (PIC)

3

2.1.1

Giới thiệu chung

3

2.1.2

Cấu trúc PIC

4

2.2

Điều khiển hồi tiếp vịng kín PID

7

2.2.1

Giới thiệu chung

7

2.2.2

Mục tiêu sử dụng PID

8

2.2.3

Phân loại bộ điều khiển

9

2.2.4

Nguyên lí hoạt động của bộ điều khiển PID

9

2.3

Cảm biến Ds18b20

10

2.3.1

Tổng quan về cảm biến

10

2.3.2

Cách sử dụng cảm biến Ds8b20

10

2.4

Màn hình LCD hiển thị

11

2.4.1

Giới thiệu

11

2.4.2

Sơ đồ chân của LCD 1602

13

CHƯƠNG 3.

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

2

15


3.1

Sơ đồ khối của hệ thống

15

3.1.1

Khối điều khiển

15

3.1.2

Khối cảm biến

17

3.1.3

Khối nguồn

18

3.1.4

Khối hiển thị

19

3.1.5

Khối đèn

20

3.1.6

Khối Quạt

21

3.1.7

Khối hiệu chỉnh

22

3.2

Thiết kế giao diện

23

3.3

Sơ đồ mạch in

24

3.3.1

Mạch phủ đồng

24

3.3.2

Mạch Layout

25

3.4

Xây dựng mơ hình

CHƯƠNG 4.

25

GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN

28

4.1

Hoạt động của hệ thống

28

4.2

Lưu đồ giải thuật

29

CHƯƠNG 5.

THỰC NGHIỆM

30

5.1

Tiến trình thực nghiệm

30

5.2

Kết quả thực nghiệm

30

CHƯƠNG 6.

KẾT LUẬN

33

6.1

Kết luận

33

6.2

Hướng phát triển

33

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 PIC16F877A

3

Hình 2.2 Cấu trúc vi điều khiển

4

Hình 2.3 Cấu trúc tổng quát PIC16F877A

5

Hình 2.4 Sơ đồ chân PIC16F877A

6

Hình 2.5 Bộ điều khiển PID

8

Hình 2.6 Cảm biến DS18B20

10

Hình 2.7 Sơ đồ đấu nối DS18B20

11

Hình 2.8 Màn hình LCD

12

Hình 2.9 Sơ đồ chân của LCD

13

Hình 3.1 Khối nguồn Adapter

18

Hình 3.2 Bóng đèn dây tóc

20

Hình 3.3 Quạt tản nhiệt

21

Hình 3.4 Bảng điều khiển

22

Hình 3.5 Giao diện Protues

23

Hình 3.6 Mạch đồng

24

Hình 3.7 Mạch Layout

25

Hình 3.9 Hình ảnh bên trong mơ hình

27

Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật

29

4


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PIC

Programmable Intelligent Computer.

PID

Proportional Integral Derivative.

LCD

Liquid Crystal Display.

I/O

Input/Output.

5


Trang 1

CHƯƠNG 1.
1.1

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Giới thiệu đề tài
◦

Từ xa xưa mơ hình chăn ni gia súc gia cầm có lẽ là một trong những công

việc chủ yếu bên cạnh việc trồng trọt của người nông dân Việt Nam chúng ta. Có
thể thấy nó đã là một bức tranh thể hiện hình ảnh người nhà nơng lao động chân tay
truyền thống của ơng bà ta thời bấy giờ. Chính vì thế việc duy trì nịi giống có lẽ là
một trong những yếu tố quan trọng giúp mọi nhà nơng có thể tiết kiệm được một
nguồn chi phí để dành ra mua giống mới. Việc sinh sản cũng như cho ra những thế
hệ sau từ trước đến nay đều chủ yếu nhờ vào việc ấp trứng thủ công của con mái ở
đa số loài gia cầm. Nhưng mỗi con mái đều chỉ có thể ấp được trong một số lượng
trứng nhất định mà nó đẻ ra.
◦

Dựa vào những yếu tố trên mà hiện nay máy ấp trứng đã được con người

phát minh và đưa vào ứng dụng thực tế nhằm tăng tỉ lệ trứng nở cao cũng như số
lượng bày đàn. Điều này giúp chúng ta có thể tiết kiệm thời gian cũng như chi phí
cho việc chăm sóc mái ấp.
1.2

Mục đích nghiên cứu
◦

Tìm hiểu và ứng dụng thiết bị vi điều khiển logic có khả năng điều khiển PIC

(Programmable Intelligent Computer).
◦

Tìm hiểu và áp dụng về bộ điều khiển hồi tiếp, vịng kín PID (Proportional

Integral Derivative).
Biết được cơ chế hoạt động của cảm biến nhiệt độ ds18b20.

Hiểu được nguyên lí hoạt động, cấu trúc buồng ấp hiện nay.
Thực hành lắp ráp mơ hình, cách đấu nối linh kiện được sử dụng trong đề tài,
các cảm biến, màn hình LCD hiển thị chính xác, ít sai số.


Trang 2

1.3

Đối tượng nghiên cứu
Vi điều khiển logic 8 bit PIC16f877a.
Bộ điều khiển hồi tiếp PID.
Cảm biến nhiệt độ ds18b20.
Màn hình LCD hiển thị.
Quạt hút.
Phần mềm viết chương trình điều khiển Protues và Ccs.

1.4

Phạm vi nghiên cứu
Lò ấp trứng được ứng dụng vào trong các khu chăn nuôi cô mô hình hoạt động

với quy mơ lớn hoặc ở hộ gia đình có quy mơ nhỏ. Hệ thống cho ra sản lượng con
nở với tỉ lệ khá cao từ 80% đến 95%.
1.5

Kết quả
Tạo ra mơ hình buồng ấp loại nhỏ.
Có cảm biến nhiệt độ và đèn tỏa nhiệt giúp tạo ra nhiệt độ thích hợp để trứng có

thể nở thành cơng.
Nhiệt độ trong buồng ấp được hiển thị qua màn hình LCD.

◦


Trang 3

CHƯƠNG 2.
2.1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về Programmable Intelligent Computer (PIC)

2.1.1 Giới thiệu chung
PIC “Programmable intelligent computer”, hay còn được gọi là “ máy tính thơng
minh khả trình ” xuất phát từ vi điều khiển đời đầu tiên có tên là PIC1650 cả hãng
General Instrument. Sau đó, MICROCHIP tiếp tục nghiên cứu và phát triển về PIC và
cho ra đời gần 100 PIC từ đó đến nay.

Hình 2.1 PIC16F877A
Các tiêu chí kỹ thuật nhằm phục vụ các yêu cầu điều khiển như:
● Dễ lập trình và thay đổi chương trình điều khiển.
● Bộ nhớ ram rất lớn.
● Đảm bảo được độ chính xác ở mức cao.
● Các cổng xuất nhập (I/O ports) với mức logic từ 0V – 5.5V, ứng với mức 0 và
mức 1.
● Có các module như Capture/Compare/PWM.

Trang 4

● Hỗ trợ các cổng giao tiếp của mạng truyền thơng (Usb,Can,Enthernet,Lin,…).
Ngày nay cịn có nhiều dịng vi điều khiển được các hãng phát minh và sản xuất
với hàng loạt các module ngoại vi tích hợp làm sẵn như: ADC, USART, PWM, SPI,…
2.1.2 Cấu trúc PIC
Vi điều khiển (PIC) về đặc tính, cấu trúc hay chức năng đều là một vi xử lí có rất
nhiều loại từ 4 bit cho đến 32 bit. Về cơ bản thì vi điều khiển cịn được xem như một
máy tính phiên bản thu nhỏ trên một chip. Ta có thể hiểu nơm na vi xử lí là CPU trên
một chíp cịn với vi điều khiển là một chíp có chứa CPU, bộ nhớ, RAM, I/O ports.
Ngồi ra cịn có các mạch đặc biệt như: bộ đếm/định thời, mạch biến đổi D/A, A/D,…
Nói tóm lại, ta có thể nhận thấy rằng về phần cấu trúc vi điều khiển là một hệ vi xử lí
thu nhỏ.

Hình 2.2 Cấu trúc vi điều khiển


Trang 5

❖ Cấu trúc tổng quát Pic16f877a:

Hình 2.3 Cấu trúc tổng quát PIC16F877A
● Flash ROM: 8K x 14 bits/word.
● RAM: 368 x 8 Bytes.
● EEPROM: 256 x 8 Bytes.
● 5 Ports (I/O): A,B,C,D,E với 33 chân.
● 2 bộ định thời 8 bit gồm Timer 0 và Timer 2.
● 1 bộ định thời 16 bit là Timer 1.
● 2 bộ Capture/Compare/PWM.

● 1 bộ biến đổi A/D 10 bit, 8 ngõ vào.
● 2 bộ so sánh tương tự.


Trang 6

● 1 bộ định thời giám sát.
● 1 cổng giao tiếp song song 8 bit.
● 1 ports nói tiếp.
● 15 nguồn ngắt.
● Tần số tối đa 20 MHz.
❖ Sơ đồ chân của Pic16f877a:

Hình 2.4 Sơ đồ chân PIC16F877A
Chân Vpp là chân cấp nguồn cho con vi điều khiển, nó chỉ Resest khi tích cực mức
thấp.


Trang 7

Chân OSC1 và OSC2 ứng với ngõ vào (input) và ngõ ra (output) của dao động
thạch anh, được nối với thạch anh 20 MHz.
Chân RA0, RA1 được nối với ngõ ra (output) tương tự của cảm biến và ngõ ra số .
Port B có tất cả 8 chân I/O, thanh ghi xuất nhập tương đương là TrisB. Bên cạnh
đó Port này cịn có liên quan đến chức năng ngắt ngoài, Timer 0. Chân RB0 và RB7
được nối hai nút nhấn để tăng hay giảm nhiệt độ được cài đặt trong chương trình.
Port C cũng tương tự Port B bao gồm 8 chân I/O, chứa các chức năng của bộ so
sánh, timer 1,…Chân RC3 có thể được kết nối tới chân của con Transistor nhằm kéo
dòng cho Buzzer.
Cuối cùng là Port D cũng có 8 chân I/O, là cổng để xuất ra dữ liệu chuẩn giao tiếp

song song Psp. Thông thường các chân ở Port D được kết nối với các chân của màn
hình hiển thị LCD 1602.
2.2

Điều khiển hồi tiếp vịng kín PID

2.2.1 Giới thiệu chung
PID cịn được gọi với tên đầy đủ là Proportional Integral Derivative là quá trình
kết hợp của ba bộ điều khiển bao gồm: tỉ lệ, tích phân và vi phân (đạo hàm). Bộ điều
khiển này có khả năng điều chỉnh cho ra sai số thấp nhất có thể, tăng tốc độ đáp ứng
hay giảm độ vọt lố, ngồi ra cịn hạn chế độ giao động của hệ thống. Tức là khi các tín
hiệu sai số xảy ra sẽ được làm giảm xuống tới mức tối thiểu nhất vì ảnh hưởng của các
tác động tỉ lệ và tích phân, sau đó được làm rõ thơng qua một vận tốc đạt được với tác
động vi phân của số liệu trước.


Trang 8

Hình 2.5 Bộ điều khiển PID
Trong đó:
P: cách thức điều chỉnh tỉ lệ, giúp cho ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ so với sai lệch
ngõ vào theo thời gian lấy mẫu.
I: tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Điều khiển tích phân là cách điều
chỉnh nhằm tạo ra tín hiệu điều chỉnh mà độ sai lệch trở về 0. Từ đó để ta biết tổng sai
số tức thời hay tích lũy ở trước đó. Lúc thời gian càng nhỏ thì thể hiện rằng tác động
của việc điều chỉnh tích phân càng lớn, ứng với độ lệch nhỏ.
D: chính là vi phân sai lệch, điều khiển vi phân (đạo hàm) nhằm cho ra tín hiệu
hiệu chỉnh mà tỉ lệ với tốc độ biến đổi độ sai lệch ở đầu vào. Thời gian càng nhiều thì
tầm hoạt động điều chỉnh vi phân (đạo hàm) càng mạnh, tương đương bộ điều chỉnh
đáp ứng với sự thay đổi ở đầu vào càng nhanh.

2.2.2 Mục tiêu sử dụng PID
PID được xem là bộ điều khiển lí tưởng của nhiều hệ thống áp dụng điều việc điều
khiển quy trình hiện đại. Chúng được dùng hầu hết trong các ứng dụng liên quan đến
điều khiển q trình tự động hóa trong ngành cơng nghiệp hiện nay. Như vậy có thể
thấy mục tiêu mà con người muốn áp dụng PID là:
● Giảm sai số xác lập xuống mức thấp nhất.


Trang 9

● Giảm thời gian xác lập, độ vọt lố.
● Hạn chế độ dao động xảy ra.
2.2.3 Phân loại bộ điều khiển
Bao gồm 4 loại chủ yếu:
● Bộ điều khiển tỉ lệ P (Proportional controller).
● Bộ điều khiển PI còn được gọi là bộ điều khiển tỉ lệ và tích phận (Proportional
and Integral controller).
● Bộ điều khiển PD còn gọi là bộ điều khiển vi phân/ đạo hàm (Proportional and
Derivative controller).
● Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tỉ lệ-tích phân-vi phân (Proportional
Integral and Derivative controller).
2.2.4 Nguyên lí hoạt động của bộ điều khiển PID
Một hệ thống điều khiển PID tự động hoàn chỉnh bao gồm:
● Bộ thiết bị điều khiển và cài đặt hệ thống (PLC,HMI).
● Bộ cơ cấu chấp hành (thiết bị gia nhiệt).
● Bộ thiết bị hồi tiếp (cảm biến nhiệt độ/ áp suất).


Trang 10

2.3

Cảm biến Ds18b20

2.3.1 Tổng quan về cảm biến

Hình 2.6 Cảm biến DS18B20
Cảm biến nhiệt độ Ds18b20 loại dây mềm là phiên bản chống nước và chống ẩm
của dòng Ds18b20. Là cảm biến loại số (digital) dùng để đo nhiệt độ, là dịng sản
phẩm mới của hãng MAXIM có độ phân giải cao lên đến 12 bit. IC cho phép sử
dụng giao tiếp 1 dậy ngắn gọn, dễ lập trình. Ngồi ra IC cịn có chức năng khác như
cảnh báo nhiệt khi vượt ngưỡng giới hạn cho phép và đặc biệt hơn chính là cho cấp
nguồn ở chân data.
Cảm biến này có thể hoạt động ở mức nhiệt 125 độ C, nhưng do cáp bọc PVC nên
chúng ta giữ nó ở mức nhiệt dưới 100 độ C. Vì đây là loại cảm biến kỹ thuật số nên
không bị tổn thất về tín hiệu đường dài.
2.3.2 Cách sử dụng cảm biến Ds8b20
Cảm biến hoạt động dựa tên cách thức tiếp xúc 1 dây. Yêu cầu chân dữ liệu phải có
kết nối với vi điều khiển (PIC) có điện trở kéo lên, hai chân cịn lại được dùng để cấp
nguồn như hình sau.


Trang 11

Hình 2.7 Sơ đồ đấu nối DS18B20
Điện trở kéo lên được dùng giữ cho đường dây ở mức cao khi BUS không được sử
dụng. Giá trị nhiệt được cảm biến đo sẽ được lưu trữ vào thanh ghi 2 byte trong cảm
biến. Dữ liệu này có thể được đọc bằng cách dùng phương thức 1 dây gửi theo 1 chuỗi
dữ liệu. Có 2 loại lệnh được gửi để đọc giá trị, một là ROM và còn lại là lẹnh hàm.
Giá trị địa chỉ mỗi bộ nhớ ROM đi cùng tình tự được suất ra trong datasheet.

2.4

Màn hình LCD hiển thị

2.4.1 Giới thiệu
Màn hình text LCD (Liquid Crystal Display) 1602 màu xanh lá được sử dụng
DRIVER HD44780, nó có khả năng hiển thị 2 dịng mà trong đó mỗi dịng bao gồm
16 ký tự. Màn hình nhỏ gọn rất phổ biến, thường được sử dụng trong các mơ hình tự
động. Ngoài ra, độ bền cao với nhiều code mẫu tiện cho việc sử dụng và thích hợp cho
nhiều người mới học hoặc làm đồ án.


Trang 12

Hình 2.8 Màn hình LCD


Trang 13

2.4.2 Sơ đồ chân của LCD 1602

Hình 2.9 Sơ đồ chân của LCD
Trong tất cả 16 chân LCD, được chia ra thành 3 dạng tín hiệu sau:
Chân cấp nguồn gồm có
● Chân số 1 là chân nối đất (0V).
● Chân số 2 nối với nguồn +5V (Vcc).
● Chân số 3 để chỉnh Contrast thường được nối với biến trở.


Trang 14

Chân điều khiển gồm có:
● Chân số 4 là chân Rs để điều khiển việc chọn lựa thanh ghi.
● Chân R/W được sử dụng để điều khiển việc đọc và ghi.
● Chân E là chân cho phép dưới dạng xung chốt.
Các chân dữ liệu từ D0 đến D7 gồm có:
● Chân số 7 tới chân số 14 có tất cả là 8 chân được sử dụng để trao đổi thông tin
dữ liệu giữa 2 thiết bị là điều khien và LCD.


Trang 15

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

3.1

Sơ đồ khối của hệ thống

Khối hiển thị (LCD)

Khối cảm biến

Khối quạt
Khối điều khiển
Khối đèn

Khối hiệu chỉnh

Khối nguồn

3.1.1 Khối điều khiển


Trang 16

Dùng con vi điều khiên Pic 16f877a kết hợp với phần mềm lập trình Pic C
Compiler để viết chương trình cho hệ thống theo mong muốn. Vi điều khiển này mang
bộ nhớ Flash nên dễ dàng sử dụng, nạp chương trình hoặc xóa đi được nhiều lần. Các
chân ở các Port mang nhiều chức năng khác nhau thích hợp cho việc lập trình với cảm
biến Ds18b20.
Khối này có chức năng như sau:
● Biến tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để xử lí.
● Cho ra tín hiệu sang hiển thị số trên màn hình LCD.
● So sánh với nhiệt độ trong khoảng từ 40-42 độ C để đưa ra tín hiệu khi điều
khiển.
Để có thể thực hiện được các chức năng phức tạp trên nếu thực hiện bằng cch1 sử
dụng các linh kiện rời rạc như: bộ chuyển đỗi ADC, bộ so sánh logic,… thì mạch trở
nên phức tạp, cồng kềnh mà độ chính xác khơng cao. Nhưng ngược lại nếu dùng con
Pic 16f877a thì mọi thứ trở nên đơn giản và chính xác hơn. Sơ đồ mạch cũng trở nên
đơn giản vì tất cả đã được tích hợp đầy đủ trên con vi diều khiển và chúng ta chỉ cần
lập trình cho các Module hoạt động.
Các thơng số kỹ thuật của Pic 16f877a
● Nguồn hoạt động: +5V
● Bộ nhớ SRAM: 368 byte
● Bộ nhớ EEPROM: 256 byte
● Bộ nhớ chương trình FLASH: 8 Kb
● 1,000,000 lần ghi/ xóa bộ nhớ EEPROM
● 1,000 lần ghi/ xóa bộ nhớ FLASH
● Thời gian lưu trữ dữ liệu bên trong EEPROM lớn hơn 40 năm.

Trang 17

3.1.2 Khối cảm biến
Cảm biến Ds18b20 có chức năng cảm biến nhiệt độ mơi trường được trả về tín
hiệu số thông qua giao thức 1 dây (1 wire), bao gồm 3 chân và đóng gói dưới dạng
TO-92 có 3 chân nhỏ gọn. Bên cạnh việc thu nhận nhiệt độ mơi trường, cảm biến cịn
cảnh báo nhiệt khi nhiệt độ vượt quá giới hạn cho phép. Cảm biến Ds18b20 có mã
nhận diện đến 64 bit, nên chúng ta có thể kiểm tra nhiệt độ cùng nhiều Ic Ds18b20 mà
chỉ cần dùng có 1 dây dẫn duy nhất để kết nối với các Ic này.

Thông số kỹ thuật


Trang 18

● Chuẩn truyền: tín hiệu số (digital)
● Loại: Integrated Circuit (Ics)
● Series: Ds18
● Độ phân giải: 10 mV/oC
● Sai số: 0.5 0C
● Dãy hoạt động: -55 đến 125 0C
● Số chân: 3
● Điện áp hoạt động: 4.2 – 30 V
● Kích cỡ: 4.30 x 4.30 mm
● Cơng suất: 60 uA
3.1.3 Khối nguồn
Khối nguồn Adapter có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều AC 100 – 240V
thành điện áp một chiều DC 12V để cung cấp điện áp cho TV, Camera, Module Wifi
hay các bo mạch điều khiển tự động.

Hình 3.1 Khối nguồn Adapter
Thơng số kỹ thuật
● Điện áp vào: 100 – 240 Vac


Trang 19

● Điện áp ra: 12 VDc
● Dòng tối đa đầu ra: 3A
● Tần số: 50/60 Hz
● Đầu ra jack Dc: 5.5 x 2.1 mm
● Đầu vào jack AC: 2 chân
3.1.4 Khối hiển thị
Khối hiển thị LCD 1602 có chức năng hiển thị giá trị nhiệt độ đo được dưới dạng
số từ cảm biến Ds18b20 và ngưỡng nhiệt độ giới hạn do chúng ta cài đặt.

Thơng số
•

Điện áp vào: -0.3 – 7 VDc


Trang 20

•

Điện áp hoạt động ổn định: 2.7 – 5.5 VDc ( thường là 5V)

•

Dịng cấp nguồn: 350 – 600 uA

•

Tầm nhiệt hoạt động: -30 – 70 0C

•

Chữ xanh lá, nền xanh lá.

•

Kích thước: 80 x 36 x 12.4 mm

3.1.5 Khối đèn
Đèn có nhiệm vụ cung cấp nhiệt độ cho buồng ấp nên ta thường chọn bóng đèn
trịn sợi tóc 220V/100W; 220V/200W hay 220/60W tùy vào kích thước của buồng ấp
mà ta sử dụng loại đèn cho phù hơp.

Hình 3.2 Bóng đèn dây tóc

Thơng số kỹ thuật:
● Điên áp vào: 165 – 240 V