thiết kế mạch đo và điều khiển nhiệt độ

Tiểu luận tốt nghiệp
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn



















1
Tiểu luận tốt nghiệp
Nhận xét của cán bộ phản biện
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
2
Tiểu luận tốt nghiệp
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài nghiên cứu này giúp cho sinh viên có thể nắm vững hơn những kiến thức
đã học về dòng vi xử lý MSP430, từ đó có thể góp phần tạo nên hiệu quả hơn trong
sinh hoạt và đời sống con người với nhu cầu ngày càng cao .
Trong quá trình thực hiện đề tài, có thể còn nhiều thiếu sót do kiến thức và thời
gian hạn chế nhưng những nội dung trình bày trong quyển báo cáo này là những hiểu
biết và thành quả của em đạt được trong quá trình học tập cùng với sự hướng dẫn của
thầy Trương Quốc Bảo.
Em xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo tiểu luận
tốt nghiệp này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước nào. Nếu
không đúng sự thật, em xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường.
Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2013
Sinh viên

Lê Nhật Trường
3

Tiểu luận tốt nghiệp
LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện, đề tài của em cơ bản đã hoàn
thành.
Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình đã hỗ trợ về tài chính và tinh thần, tạo mọi
điều kiện thuận lợi để em hoàn thành được đề tài tiểu luận này.
Em xin cảm ơn quý thầy, cô trong bộ môn Điện – Điện tử đã dạy cho em những
kiến thức bổ ích, đặc biệt là thầy Trương Quốc Bảo đã nhiệt tình giải thích, hướng dẫn,
góp ý làm cho tiểu luận của em thêm hoàn chỉnh.
Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng cũng không thể tránh khỏi sai sót. Em rất mong nhận
được sự thông cảm và nhiều góp ý từ thầy, cô và các bạn để đề tài tiểu luận tốt nghiệp
được hoàn chỉnh và phát triển hơn.
4
Tiểu luận tốt nghiệp
MỤC LỤC
Danh mục bảng
Danh mục hình

ABSTRACT
5
Tiểu luận tốt nghiệp
Today the electric and electronic devices are used in almost of our daily activities. The
main purpose of this assignment is design a measure and temperature control circuit
using MSP430. This circuit can be applied to measure current weather temperature
and warm us the dangerous temperature that is related to preassure and temperature of
a factory. The device is performed by temperature sensing circuit and LCD display.
The control program run on MSP430 to alert when the temperature is not suitable for
requirement of users. The temperature device is good performant, stable. The
arccuracy of circuit is about ± 2
o

C.
Keywords: MSP430, LCD, Temperature warning, Temperature control
Title: Design a measurement and temperature control circuit
TÓM TẮT
Ngày nay các thiết bị điện, điện tử được sử dụng hầu hết trong các sinh hoạt hằng
ngày của chúng ta. Mục tiêu của đề tài này là thiết kế thiết mạch đo và điều khiển nhiệt
độ. Thiết bị đo và điều khiển nhiệt độ dùng để nhận biết nhiệt độ thời tiết hiện tại, nó
có thể cảnh báo cho chúng ta biết nhiệt độ nguy hiểm của một nhà máy đang hoạt
động có liên quan đến áp suất và nhiệt độ. Việc thiết kế được thực hiện bằng 1 mạch
cảm biến và cho hiển thị nhiệt độ ra LCD. Chương trình trên MSP430 để cảnh báo khi
nhiệt độ không thích hợp tùy chỉnh của bạn, và hiển thị cảnh báo ra 1 đèn LED. Mạch
thiết kế hoạt động tốt, ổn định với độ chính xác khoảng ± 2
o
C .
Từ khóa: MSP430, LCD, Cảnh báo nhiệt độ, Điều khiển nhiệt độ
Tiêu đề: Thiết kế mạch đo và điều khiển nhiệt độ
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
6
Tiểu luận tốt nghiệp
Nội dung chính:
• Đặt vấn đề.
• Lịch sử thực hiện
• Phạm vi
• Phương pháp nghiên cứu
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ.
Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến
trên thế giới, nhu cầu cuộc sống ngày càng thay đổi, hiện đại hơn.
Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt các thiết bị với những đặc
điểm nổi bật như: độ chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…góp phần làm cho hoạt

động của con người ngày càng đạt hiệu quả hơn.
Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm. Điện tử đã đáp ứng được
những yêu cầu, đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến những
nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hang ngày. Một trong những ứng
dụng quan trọng của ngành công nghệ điện tử là kỹ thuật đo và điều khiển nhiệt độ.
1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ.
Kỹ thuật đo và điều khiển nhiệt độ là một ứng dụng quan trọng của ngành công
nghiệp điện tử.
Sử dụng cảm biến nhiệt được ứng dụng nhiều trong công nghiệp và các lĩnh vực
khác trong đời sống với những thiết bị điều khiển nhiệt rất tinh vi.
7
Tiểu luận tốt nghiệp
Xuất phát từ đó, em đã thiết kế mạch đo và điều khiển nhiệt độ, một trong những
ứng dụng nhỏ của lĩnh vực điện tử.
1.3 PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI.
Đề tài gồm 2 phần: Đo và điều khiển nhiệt độ. Để thực hiện đề tài cần giải quyết
các vấn đề sau:
+ Giao tiếp giữa MSP430 với cảm biến nhiệt độ DS18B20.
+ Hiển thị nhiệt độ lên màn hình LCD 16x2.
1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
1.4.1 Lý thuyết
Phần lý thuyết để thực hiện đề tài được nghiên cứu từ các giáo trình chuyên
ngành trong quá trình học tập, kết hợp sự trao đổi với giảng viên hướng dẫn.
1.4.2 Phần cứng
Phần cứng hệ thống gồm các linh kiện chủ yếu: Vi điều khiển MSP430G2452,
màn hình LCD 16x2, cảm biến nhiệt độ DS18B20.
1.4.3 Phần mềm
Sử dụng phần mềm IAR để viết chương trình cho vi điều khiển MSP430.
1.4.4 Thực tế
Ngoài kiến thức học ở trường, sinh viên cần tìm thêm về những ứng dụng thực

tế của đề tài đang nghiên cứu, từ đó có thể phát triển đề tài để phù hợp với nhu
cầu trong đời sống của con người.
8
Tiểu luận tốt nghiệp
1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.5.1 Ý nghĩa khoa học
Đề tài giúp sinh viên củng cố những kiến thức đã học, và hiểu biết thêm về
những ứng dụng thiết thực trong đời sống. Ngoài ra, chúng ta có thể xây dựng
và phát triển đề tài kết hợp cùng các hệ thống điều khiển khác nhằm đáp ứng và
nâng cao hiệu quả trong cuộc sống.
1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn
Với mô hình đã xây dựng, chỉ cần một số linh kiện điện tử thông dụng sinh viên
đã hoàn thành bài thực tập điện tử. Có thể phát triển thêm các mạch điện tử
khác nhau với mức độ phức tạp hơn nhằm giúp sinh viên tự nghiên cứu thưc tập
và nâng cao chất lượng học tập.
9
Tiểu luận tốt nghiệp
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nội dung chính:
• Tổng quan về MSP430G2452
• Giới thiệu cảm biến nhiệt DS18B20
• Giới thiệu màn hình LCD
• Giới thiệu phần mềm IAR
2.1 TỔNG QUAN VỀ MSP430G2452
2.1.1 Giới thiệu về MSP430
“ MSP430 là một sự kết hợp chặt chẽ của một CPU RISC 16 bit, những khối
ngoại vi và hệ thống xung linh hoạt. MSP430 đã đưa ra những giải pháp tốt cho những
nhu cầu ứng dụng với nhiều phiên bản khác nhau. MSP430 có một số phiên bản khác
nhau như: MSP430x1xx, MSP430x2xx, MSP430x3xx, MSP430x4xx, MSP430x5xx.
Những đặc điểm tổng quát của họ vi điều khiển MSP430:

• Kiến trúc nguồn điện cực thấp để mở rộng tuổi thọ của pin.
- 1μA duy trì RAM
- 0.8 μA chế độ xung thời gian thực
- 250 μA / MIPS tích cực
• Xử lý tín hiệu tương tự với hiệu suất cao.
- 12 bit hoặc 10 bit ADC – 200ksps.
- 12 bit kép DAC.
• 16 bit RISC CPU cho phép được nhiều ứng dụng, thể hiện một phần ở kích
thước code lập trình.
- Thanh ghi lớn nên loại trừ được trường hợp tắt nghẽn tập tin khi dang
làm việc.
- Thiết kế nhỏ gọn làm giảm lượng tiêu thụ điện và giảm giá thành.
- Tối ưu hóa cho những chương trình ngôn ngữ bậc cao như C, C++
- Có 7 chế độ định địa chỉ.
- Khả năng ngắt theo vector lớn.
• Trong lập trình cho bộ nhớ Flash cho phép thay đổi code một cách linh hoạt,
phạm vi rộng, bộ nhớ Flash còn có thể lưu lại nhật kí dữ liệu.”[3]
2.1.2 Sơ đồ và chức năng của các chân MSP430G2452
10
Tiểu luận tốt nghiệp
[6]
Hình 2.1 Sơ đồ chân của MSP430G2452
Chức năng các chân của MSP430G2452
11
Tiểu luận tốt nghiệp

[6]
Bảng 2.1 Chức năng các chân của MSP430G2452
12
Tiểu luận tốt nghiệp

[6]
Bảng 2.2 Chức năng các chân của MSP430G2452( tiếp theo )
2.1.3 Sơ đồ các khối chức năng trong MSP430G2452
13
Tiểu luận tốt nghiệp
[6]
Hình 2.2 Sơ đồ các khối chức năng trong MSP430G2452
2.2 GIỚI THIỆU CẢM BIẾN NHIỆT DS18B20
2.2.1 Giới thiệu cảm biến nhiệt DS18B20
[7]
Hình 2.3 Hình ảnh thực tế của DS18B20
Chân số 1 của DS18B20 được mắc với mass.
14
Tiểu luận tốt nghiệp
Chân số 2 của DS18B20 là chân dữ liệu kết nối với khối xử lý tín hiệu.
Chân số 3 của DS18B20 mắc với nguồn từ 3V đến 5.5V.
Một số đặc tính cơ bản của cảm biến nhiệt DS18B20:
• Sử dụng giao diện một dây nên chỉ cần một dây ra để truyền thông.
• Dải đo nhiệt độ từ -55
o
C đến 125
o
C.
• Thích hợp cho các ứng dụng đo lường đa điểm vì nhiều đầu đo có thể đi chung
trên cùng một bus.
• Đóng gói theo dạng 3 chân, vỏ TO-92.
• Điện áp nguồn nuôi có thể thay đổi trong khoảng rộng, từ 0.3V đến 5.5V một
chiều.
• Độ phân giải 9-12 bit do người dùng lựa chọn.

• Độ chính xác 0.5
o
C trong khoảng nhiệt từ -10
o
C đến 85
o
C.
• Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ nhỏ.
• Thời gian lấy mẫu và chuyển sang số nhanh, nhỏ hơn 200 ms. [7]
2.2.2 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của DS18B20
Sơ đồ khối:
[7]
Hình
2.4 Sơ đồ khối của DS18B20
Nguyên lý hoạt động:
• Bên trong DS18B20 có bộ chuyển đổi giá trị nhiệt độ sang số và được lưu trong
các thanh ghi ở bộ nhớ scratchpad, độ phân giải nhiệt độ đo có thể được cấu
15
Tiểu luận tốt nghiệp
hình ở chế độ 9 bits, 10 bits, 11 bits, 12 bits. Ở chế độ mặc định thì DS18B20
hoạt động ở chế độ phân giải 12 bits.
• Để bắt đầu đọc nhiệt độ và chuyển đổi từ giá trị tương tự sang giá trị số thì vi
điều khiển gửi lệnh Conver T [44h], sau khi chuyển đổi xong thì giá trị nhiệt độ
sẽ được lưu trong hai thanh ghi nhiệt độ ở bộ nhớ scratchpad và IC trở về trạng
thái nghỉ.
• Giá trị nhiệt độ lưu trong bộ nhớ gồm 2 bytes – 16bits, số âm sẽ được lưu dưới
dạng số bù 2.
•
2.3 GIỚI THIỆU MÀN HÌNH LCD
[7]

Hình 2.5 Hình ảnh thực tế của LCD 16x2
Chức năng các chân của LCD:
Chân Ký hiệu Mô tả
1 VSS Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với
16
Tiểu luận tốt nghiệp
GND của mạch điều khiển.
2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này
với VCC=5V của mạch điều khiển.
3 VEE
Điều chỉnh độ tương phản của LCD.
4 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.
5 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.
6 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.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp
nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-
to-low transition) của tín hiệu chân E.
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi

phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được
LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.
7 - 14 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.
15 - Nguồn dương cho đèn nền.
16 - GND cho đèn nền.
[7]
17
Tiểu luận tốt nghiệp
Bảng 2.3 Chức năng các chân của LCD
2.4 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM IAR
“ IAR Embedded Workbench là chương trình biên dịch được cung cấp IAR
SYSTEMS. Có 3 phiên bản: Kickstart Version – Free, Baseline Version ~ $795 và Full
Version ~ $2695.
• Kickstart Version – Free: Giới hạn 4Kb trong code C. Không giới hạn code
asm. Hỗ trợ từ wed của TI.
• Baseline Version ~ $795: Giới hạn 12Kb trong code C. Không giới hạn code
asm. Hỗ trợ bởi IAR.
• Full Version ~ $2695: Không giới hạn tất cả code. Hỗ trợ từ IAR.”[3]
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH
Nội dung chính:
• Sơ đồ khối
• Nguyên lý hoạt động của các khối
• Mạch nguyên lý và nguyên tắc hoạt động

• Lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển
3.1 SƠ ĐỒ KHỐI
18
Tiểu luận tốt nghiệp
Khối cảm biến
Khối điều khiển
Khối hiển thị
Hình 2.6 Sơ đồ khối
Chi tiêt từng khối:
- Khối cảm biến: gồm 1 cảm biến nhiệt độ DS18B20 và 1 điện trở 10k.
- Khối điều khiển: gồm 1 MSP430G2452 và 1 điện trở 330 Ohm.
- Khối hiển thị: gồm 1 LCD, 1 led đơn, 1 biến trở 10k,1điện trở 330 Ohm.
3.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC KHỐI
3.2.1 Khối cảm biến
Khối cảm biến: Có nhiệm vụ tiếp nhận và đưa dữ liệu vào khối xử lý tín hiệu
( P2.1). Khối này gồm 1 IC chức năng DS18B20. DS18B20 là nhiệt kế số có độ
phân giải từ 9 bit – 12 bit giao tiếp với khối điều khiển qua 1 chân duy nhất.
DS18B20 hoạt động với điện áp từ 3V-5,5V DC có thể cấp nguồn qua chân DQ
(chân trao đổi dữ liệu). Nhiệt độ có thể đo được từ -55
o
C đến 125
o
C.
19
Tiểu luận tốt nghiệp
Chân số 1 của DS18B20 được mắc với mass.
Chân số 2 của DS18B20 là chân dữ liệu kết nối với khối xử lý tín hiệu.
Chân số 3 của DS18B20 mắc với nguồn từ 3V đến 5.5V.
Hình 2.7 Khối cảm biến nhiệt độ
3.2.2 Khối điều khiển

Khối điều khiển: Đảm nhận chức năng nhận tín hiệu từ khối cảm biến, xử lý biến đổi
AD sau đó hiển thị thông qua khối hiển thị. Khối điều khiển gồm vi điều khiển
MSP430G2452. Vi điều khiển thuộc họ
MSP430 của Texas Instuments. Có
mức điện áp nguồn từ 1.8V đến 3.3V.
Vi điều khiển có 16 ngõ I/0, 2 chân
nguồn 1 chân test và 1 chân reset.
20
D
G N D+ 5 v
P2.1
27.0
DQ
2
VCC
3
GND
1
U2
DS18B20
R3
10k
LED
DQ
D7
D6
D5
D4
E
RS

P2.5/CA5
3
RST/NMI
7
TEST
1
P2.4/TA2/CA1
12
P2.3/TA1/CA0
11
P2.2/CAOUT/TA0/CA4
10
P2.1/INCLK/CA3
9
P2.0/ACLK/CA2
8
P1.2/TA1
15
P1.1/TA0
14
P1.0/TACLK
13
P1.3/TA2
16
P1.4/SMCLK/TCK
17
P1.7/TA2/TDO/TDI
20
P1.6/TA1/TDI/TCLK
19

P1.5/TA0/TMS
18
XIN/P2.6/CA6
6
XOUT/P2.7/CA7
5
U1
MSP430G2452
Tiểu luận tốt nghiệp
Hình 2.8 Khối điều khiển
3.2.3 Khối hiển thị
Khối hiển thị: Có chức năng hiển thị nhiệt độ đo được bởi khối cảm biến. Khối
có 1 LCD nhận dữ liệu từ khối điều khiển.
21
Tiểu luận tốt nghiệp
Hình 2.9 Khối hiển thị LCD
3.3 MẠCH NGUYÊN LÝ VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG
P2.5/CA5
3
RST/NMI
7
TEST
1
P2.4/TA2/CA1
12
P2.3/TA1/CA0
11
P2.2/CAOUT/TA0/CA4
10
P2.1/INCLK/CA3

9
P2.0/ACLK/CA2
8
P1.2/TA1
15
P1.1/TA0
14
P1.0/TACLK
13
P1.3/TA2
16
P1.4/SMCLK/TCK
17
P1.7/TA2/TDO/TDI
20
P1.6/TA1/TDI/TCLK
19
P1.5/TA0/TMS
18
XIN/P2.6/CA6
6
XOUT/P2.7/CA7
5
U1
MSP430G2452
D7
14
D6
13
D5

12
D4
11
D3
10
D2
9
D1
8
D0
7
E
6
RW
5
RS
4
VSS
1
VDD
2
VEE
3
LCD1
LM016L
R5
10k
20.0
DQ
2

VCC
3
GND
1
U3
DS18B20
D1
LED-YELLOW
Hình 2.10 Sơ đồ mạch nguyên lý
22
Tiểu luận tốt nghiệp
Nguyên tắc hoạt động:
• Khối cảm biến nhiệt nhận nhiệt độ từ môi trường bên ngoài, bên trong DS18B20
sẽ có bộ chuyển đổi giá trị nhiệt độ sang giá trị số và được lưu trong các thanh
ghi ở bộ nhớ Scratchpad.
• Khối điều khiển khi hoạt động, xác định địa chỉ thiết bị cần giao tiếp thông qua
các lệnh ROM, vi điều khiển sẽ gửi các lệnh điều khiển hoạt động của
DS18B20. Những lệnh này cho phép vi điều khiển ghi và đọc dữ liệu từ bộ nhớ
Scratchpad của DS18B20.
• Sau khi đọc nhiệt độ từ DS18B20, vi điều khiển sẽ gửi các lệnh đến để điều
khiển LCD hiển thị nhiệt độ đọc được từ DS18B20, đồng thời vi điều khiển
cũng so sánh nhiệt độ mà DS18B20 đo được với nhiệt độ ngưỡng ( do chúng ta
đặt ) để điều khiển đèn Led hoạt động như mong muốn.
23
Tiểu luận tốt nghiệp
3.4 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
3.4.1 Lưu đồ giải thuật
Sai Đúng
24
Bắt đầu

40
o
C ≤ Nhiệt độ ≤ 70
o
C
Đọc nhiệt độ từ
DS18B20
Hiển thị nhiệt độ ra
LCD
Led tắtLed sáng
Kết thúc
Tiểu luận tốt nghiệp
3.4.2 Chương trình điều khiển
#include "string.h"
#include "msp430g2452.h"
#include <intrinsics.h>
union reg {
struct bit {
unsigned char b0:1;
unsigned char b1:1;
unsigned char b2:1;
unsigned char b3:1;
unsigned char b4:1;
unsigned char b5:1;
unsigned char b6:1;
unsigned char b7:1;
}_BIT;
unsigned char _BYTE;
};
union reg* _P2_DIRECT = (union reg*)0x2A ;

union reg* _P2_OUT = (union reg*)0x29 ;
union reg* _P2_IN = (union reg*)0x28 ;
union reg* _P1_DIRECT = (union reg*)0x22 ;
union reg* _P1_IN = (union reg*)0x20 ;
25