Báo cáo đề tài “ hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ lò sấy công nghiệp”

BÀI TẬP LỚN
MÔN
ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN
Báo cáo đề tài : “ Hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ lò
sấy công nghiệp”
Nhóm thực hiện đề tài: Nhóm 1
Các thành viên trong nhóm:
- Trương Hà Anh
- Phạm Ngọc Anh
- Phùng Quang Bắc
- Nguyễn Duy Bình
- Cao Văn Bình
- Lê Quang Chung
- Trần Huy Cương
- Nguyễn Quốc Cường 186
- Nguyễn Quốc Cường 111
- Hoàng Văn Đảng
Giáo viên hướng dẫn: Hà Văn Phương
Mục Lục:
I.Đặt vấn đề
II.Giải quyết vấn đề
1.Phân tích công nghệ lò sấy công nghiệp
2.Xây dựng mô hình hệ thống, các thiết bị và chức năng.
1
3.Sơ đồ khối hệ thống.
4.Lựa chọn cảm biến cần cho hệ thống.
5.Chọn bộ điều khiển nhiệt độ.
5.1 Cảm biến nhiệt độ pt100.
5.2 Chip ATMEGA16L.
5.3 LCD 2 dòng 16 kí tự.
5.4 Những linh kiện khác.

6.Sơ đồ điều khiển,mạch lực của hệ thống.
7.Lưu đồ thuật toán.
III.Kết luận.
I. Đặt vấn đề
Ngày này, điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu
được trong hệ thống công nghiệp. Một trong các yếu tố được điều khiển
nhiều trong hệ thống công nghiệp đó là nhiệt độ. Nhiệt độ được đo, điều
khiển theo nhu cầu sử dụng ví dụ như trong các hệ thống nhiệt của nồi hơi,
các lò ấp, các lò sấy,… Các hệ thống đo và điều khiển nhiệt hiện nay xuất
hiện nhiều trên thị trường với nhiều phương pháp đo và điều khiển khác
nhau. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Để giải quyết các
vấn đề đó, với những kiến thức đã học về kĩ thuật điện, điện tử, đo lường và
cảm biến cùng sự tìm hiểu thêm về kĩ thuật vi điều khiển, chúng em đã tính
toán và đưa ra giải pháp điều khiển nhiệt độ ứng dụng vi xử lý với mạch
thiết kế đơn giản dễ dàng thiết kế và nâng cấp.
Mặc dù chúng em đã cố gắng để hoàn thành đề tài đúng thời hạn nên không
thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em mong quý thầy cô thông cảm.
Chúng em mong được đón nhận ý kiến đóng góp quý báu của thầy cô để đề
tài nghiên cứu hoàn thiện hơn và có ý nghĩa thiết thực trong cuộc sống.
Chúng em xin chân thành cảm ơn.
II. Giải quyết vấn đề.
• Các thông số về kích thước của lò:
+ Chiều rộng tác dụng của lò: 1m.
+ Chiều dài tác dụng của lò: 2m.
+ Chiều cao tác dụng của lò: 1m.
*Dải nhiệt độ sấy của lò trong quá trình sấy: dải nhiệt độ của lò trong quá
trình sấy: 50
0
C- 300
0

C với sai số +-3
0
C.
Công suất cung cấp cho lò trong quá trình sấy :
2
Để làm bay hơi hoàn toàn 1Kg cần cung cấp lượng nhiệt 539Kcal. Để
sấy khô 1Kg sản phẩm có độ ẩm 6% thì cần cung cấp nhiệt lượng
32,34Kcal. Trong 1h có 6.361,2Kg vật sấy đi vào lò sấy, để sấy khô chúng ta
cần cung cấp nhiệt lượng 205.721Kcal.
Thông thường hiệu suất của lò sấy chính là công suất của buồng phát
nhiệt.
Theo dự kiến nhiệt độ buồng phát nhiệt là 500
0
C, trong khi đó nhiệt
độ tác nhân sấy theo yêu cầu công nghệ là 300
0
C. Do đó để có được nhiệt độ
tác nhân sấy theo yêu cầu đặt ra thì phải cung cấp một lượng không khí có
nhiệt độ bằng nhiệt độ của môi trường (20
0
C ) phù hợp nào đó để hoà trộn
vói nhiệt độ buồng phát nhiệt. Theo số liệu người ta đã tính được thì cần
phải cung cấp một lượng không khí là 4000m
3
/ h.
1.Phân tích công nghệ lò sấy công nghiệp(Phương
pháp hiện đại dung cảm biến nhiệt độ kết hợp với vi xử lý ).
+Dùng dầu hoặc khí trộn với không khí cung cấp từ ngoài vào sau đó được
đốt cháy hoặc dùng dây meso để cung cấp nhiệt. Điều khiển và ổn định nhiệt
độ bằng vi xử lý.

+Nguyên lý làm việc: cảm biến đo nhiệt độ ở các vị trí khác nhau của buồng
sấy rồi truyền tín hiệu đến vi xử lý điều khiển nhiệt độ thông qua việc lập
trình cho hệ thống
+Ưu điểm: đo và điều khiển nhiệt độ chính xác,các lò sấy công nghiệp chủ
yếu sử dụng phương pháp này.
+Nhược điểm: cần kiến thức sâu và rộng về điên tử, đo lường cảm biến,
cũng như vi xử lý và lập trình
- Trong các lò sấy công nghiệp yêu cầu cần phải cung cấp lượng nhiệt đầy
đủ và liên tục thì năng suất và độ chính xác của lò mới cao. Nếu trong quá
trình sấy mà mất nhiệt thì sản phẩm dễ hỏng. Vì vậy về nguyên tắc mạch
dùng vi điều khiển là hay nhất vì có thể đáp ứng được các yêu cầu. Hiện nay
tất cả các lò sấy công nghiệp đều dùng theo cách này.Chính vì vậy chúng em
đã quyết định thiết kế hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ sử dụng cảm biến
kết hợp với vi xử lý.
2.Xây dựng mô hình hệ thống, các thiết bị chức
năng.
3
Để tạo ra một lò sấy phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau:
- Bảo đảm nhiệt độ thích hợp và tương đối ổn định theo từng giai đoạn yêu
cầu của sản phẩm .
- Bảo đảm độ ẩm thích hợp và tương đối ổn định theo từng giai đoạn yêu cầu
của sản phẩm .
- Bảo đảm lượng nhiệt được đưa vào liên tục và tuần hoàn vào lò sấy.
- Bảo đảm đảo sản phẩm thường xuyên được đưa vào(1-3 h 1lần).
*)Cấu tạo của lò sấy gồm các bộ phận chính như sau:
a) Hệ thống cách nhiệt:
-Muốn cho lò sấy ít bị dao động nhiệt thi việc làm vỏ lò là quan trọng.Lớp
cách nhiệt càng dày thì càng ổn định,ít tốn chất đốt và ít phải điều
chỉnh.Ngoài ra trong lớp cách nhiệt đó còn có cả than hoạt tinh để khử độc
và còn có cả lỗ thông hơi để dẫn không khí vào lò sấy.Trong lò còn có quạt

để lưu thông luồng khí nóng chuyển lưu tuần hoàn trong lò sấy.
b) Bộ tạo nhiệt và bộ điều nhiệt.
*)Bộ tạo nhiêt.
-Buồng nhiệt có chức năng phối trộn không khí với chất đốt để đảm bảo khi
đốt nhiên liệu cháy hết .
-Nếu không dùng cách trên, ta có thể dùng dây meso được đặt trong buồng
sấy để tạo nhiêt.
*)Bộ điều nhiệt.
-Quạt VP làm việc theo kiểu ngược dòng, hệ đường ống chính được chia làm
hai đường ống tách rời hoặc chỉ dùng để chuyển lưu không khí (đối với loại
dùng dây meso).
- Là hệ thống cảm biến nhiệt và các linh kiện được cài đặt 2 chiều theo ý
muốn trong 1 thời gian ấn định.
- Bộ vi điều khiển là hệ thống cảm biến kết hợp với bán dẫn để giám sát ,
nhận và xử lý các thông số kỹ thuật khi bộ cảm biến báo về.
c) Bộ tạo ẩm và bộ điều ẩm.
Vung nước qua cánh quạt trong máy, nước từ bình chứa đặt cao hay từ
mạng ống cung cấp chung của trại, qua van nước, ống dẫn vào bầu, để rồi
theo ống dẫn hàn dọc các cánh quạt gió mà vung ra xung quanh, xuyên qua
các lỗ nhỏ của vành lưới thép bao xung quanh, sẽ tạo thành lớp sương mù
gây ẩm trong máy.
- Bộ điều ẩm thường gồm một bộ cảm biến ẩm đặt trong máy để tác động
vào bộ phận ngắt van nước để đóng ngắt dòng chảy vào máy, khi độ ẩm thấp
hay cao quá mức qui định.
d) Hệ thống thông gió và bộ điều gió.
4
Bộ thông gió ở các lò sấy đều là quạt hướng trục, lắp ở giữa thành sau
bên trong máy. Cửa hút gió được bố trí gần trục quạt có nắp điều gió, điều
chỉnh độ mở bằng tay. Cửa thoát gió thường bố trí trên nóc máy hay ở thành
trước máy, có nắp điều gió.

e) Hệ thống đảo.
- Động cơ điện quay: dùng cho mọi kiểu giàn quay, thường gồm động cơ
điện, bộ giảm tốc, bộ truyền động và cụm tiếp điểm cuối.
f) Bộ điều khiển và báo hiệu.
Thường bao gồm: những bộ khởi động từ, những cụm tiếp điểm tổng,
những rơle điện từ, cầu chì, nút bấm, cụm đầu nối điện, chuông đèn báo
hiệu.
g) Bộ phận phụ trợ.
-Máy sấy công nghiệp còn có những bộ phận phụ trợ như: giàn chuyển sản
phẩm, bộ bánh xe chuyển giàn, bàn chuyển sản phẩm, thang.
3.Sơ đồ khối hệ thống.
5
6
I.Khâu chuẩn bị
nguyên liệu.
II.Hệ thống cân và
chọn lọc nguyên
liệu.
III.Hệ thống sơ
chế nguyên liệu.
IV. Hệ thống tự
động đưa nguyên
liệu vào lò.
V. Hệ thống tự
đưa nguyên liệu
vào buồng sấy.
VI. .Khâu hoàn
thành sản phẩm.
VII. Hệ thống
phân loại và đưa

sản phẩm ra
ngoài lò sấy.
VIII. Khâu đóng
gói và bảo quản
sản phẩm.
4.Lựa chọn cảm biến cần cho hệ thống.
-Trên thị trường hiện nay có khá nhiều các loại cảm biến đo nhiệt độ như
cảm biến dòng LM( LM35, LM335,…) hay cảm biến thông minh dòng
DS1820
- Dùng cảm biến nhiệt độ LM35 kết hợp với AT89S52 và IC biến đổi A/D
và hiển thị bằng LED 7 thanh đo được nhiệt độ từ -55
0
C đến +150
0
C, dùng
LM34C và 16F88 thuộc vi điều khiển PIC dùng ngôn ngữ lập trình BASIC
hiển thị nhiệt độ bằng LCD, chỉ đo được nhiệt độ từ -55
0
C đến +125
0
C. Nói
chung những loại cảm biến họ LM so với họ DS thì độ chính xác không cao
và tốc độ truyền tín hiệu chậm 2
0
C đến 150
0
C với tần số từ 20-1500Hz
nhưng giá thành chế tạo rẻ. còn ở loại cảm biến họ DS độ chính xác rất cao
do tín hiệu được truyền có độ phân giải lên đến 12Bit trong 750ms. Ở loại
cảm biến này có tích hợp ROM 64Bit, bộ nhớ Logic, mạch ổn định tín hiệu

đầu ra. Chính vì vậy mà nó khắc phục những nhược điểm của cảm biến họ
LM. So với những loại nhiệt kế dùng họ vi điều khiển 8051 và PIC thì nhiệt
kế dùng vi điều khiển ATMEGA16L thuộc họ vi điều khiển AVR có nhiều
ưu điểm hơn, so với vi điều khiển PIC lập trình bằng ngôn ngữ lập trình
BASIC thì dùng AVR lập trình bằng ngôn ngữ lập trình C do đó phần mềm
sẽ ngắn gọn hơn, còn so với 8051 thì tốc độ xử lý tín hiệu nhanh hơn không
cần lắp thêm bộ biến đổi A/D do ATMEGA16L đã tích hợp sẵn bộ biến đổi
A/D và việc lập trình sẽ đơn giản hơn. Cảm biến nhiệt độ LM335. Cảm biến
này có dải nhiệt độ -55
0
C tới +120
0
C, độ nhạy 0,02mV/1
0
C, sai số là trên
dưới 0,5
0
C, giá thành rẻ từ 9-12 nghìn, có thể thiết kế 1 hệ thống đo và điều
khiển nhiệt độ dễ dàng đơn giản khi kết hợp với LM741 để khuếch đại cho
mạch và dùng LED 7 để hiển thị, sai số của mạch tới 1
0
C.

Ở lò sấy công nghiệp, chúng ta cần dùng cảm biến có thể đo ở dải nhiệt độ
cao 50°C-300°C và sai số thấp 3°C. Và chúng em nhận thấy cảm biến nhiệt
độ pt100 có dải nhiệt độ đo từ -50°C - 400°C và có sai số trong khoảng cho
phép là cảm biến phù hợp với điều kiện yêu cầu.
7
4.1. TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ PT100.
-Mỗi thiết bị đều có những ưu thế riêng, tuy nhiên một số thiết bị lại chỉ

thích hợp trong một số ứng dụng cụ thể. Có thể cũng có những thiết bị sử
dụng phù hợp hay không phù hợp với ứng dụng của bạn, cảm biến nhiệt độ
được thiết kế mới kết hợp chặt chẽ các đặc điểm nhằm hỗ trợ về tính khả
dụng cũng như tính năng.
-Chúng ta hãy so sánh một số công nghệ khác nhau. Một thí dụ là nhiệt
ngẫu. Cảm biến này chứa hai kim loại không giống nhau được gắn với nhau
tại một chỗ nối. Điểm nối hai kim loại phát triển một mức điện áp nhỏ, chỉ
vào khoảng 50μV trên mỗi độ Celsius, mức điện áp này thay đổi theo nhiệt
độ. Nhà sản xuất cung cấp các bảng thông số để chuyển điện áp thành nhiệt
độ.
-Nhiệt ngẫu là thiết bị đơn giản, rẻ tiền. Hạn chế lớn nhất của nhiệt ngẫu là
độ chính xác, có thể khó mà đạt được sai số hệ thống thấp hơn 1°C. Nguyên
nhân chính của lỗi trong một nhiệt ngẫu là điệp áp tạp phát triển trong hệ
thống nơi kết nối dây của nhiệt ngẫu được gắn với thiết bị đo lường. Để giải
quyết điều này, chúng đòi hỏi phải bù điểm nối nguội, thường được thực
hiện bằng cách phơi bày một điểm nối trước một nhiệt độ tham chiếu, thông
thường là 0°C, cũng như nhiệt độ đo mong muốn. Kết nối dây nhiệt ngẫu
phải chạy trên toàn bộ khoảng cách giữa điểm đo và bộ xử lí. Nhiệt ngẫu
thường có độ lặp ít hơn và ít ổn định bằng các thiết bị cảm ứng.
-Nhiệt ngẫu là những bộ kháng bằng phi kim có thể đo sự thay đổi nhiệt độ
thông qua điện trở. Nhiệt ngẫu thường được làm bằng gốm và oxide kim loại
và do đó có thể đo nhiệt độ cao hơn nhiều so với nhiệt ngẫu và RTD. Nhiệt
ngẫu thường được sử dụng trong các ứng dụng chỉ đòi hỏi đo nhiệt độ nhỏ
do đầu vào của họ có thể tính gần đúng theo tuyến tính trên một phạm vi
hẹp. Đầu ra của họ về bản chất có dạng hằng số mũ.
-Có hai loại nhiệt ngẫu: nhiệt ngẫu hệ số nhiệt độ dương (PTC) khi điện trở
tăng thì nhiệt độ tăng, và nhiệt ngẫu hệ số nhiệt độ âm với điện trở giảm khi
nhiệt độ tăng. Với nhịêt ngẫu PTC, thường có một sự tăng rõ nét về điện trở
ở nhiệt độ thực, trong khi đó nhiệt ngẫu NTC được sử dụng như nhiệt ngẫu
kháng trong các ứng dụng nhiệt độ thấp.

8
-RTDs cũng sử dụng điện trở để đo nhiệt độ. Chúng đòi hỏi phải có nguồn
nhỏ để đo điện trở. Điện trở được đo bằng cảm biến tỉ lệ thuận với biến đổi
nhiệt độ được đo bằng phương tiện được cảm ứng. RTDs có kết nối dây
platinum được quấn xung quang một lõi hay được lấy mẫu theo một đoạn
film nhỏ.
-RTDs cung cấp độ chính xác cao và phạm vi hoạt động của -200 ° C đến
+850 ° C. Họ cũng có sản lượng điện có thể dễ dàng lây truyền, chuyển
mạch, hiển thị, ghi lại và xử lý bằng cách sử dụng phù hợp với thiết bị xử lý
dữ liệu. Bởi vì kháng RTD là tỷ lệ thuận với nhiệt độ, áp dụng hiện nay
được biết đến thông qua sức đề kháng tạo ra một điện áp đầu ra tăng theo
nhiệt độ. Kiến thức về mối quan hệ chính xác giữa đề kháng và nhiệt độ cho
phép tính toán của một nhiệt độ nhất định.
-Sự thay đổi trong điện trở với nhiệt độ một chất được gọi là "hệ số nhiệt độ
của kháng chiến" cho các tài liệu đó. Hệ số nhiệt độ đối với hầu hết các kim
loại là tích cực, và nhiều kim loại tinh khiết về cơ bản là hằng số trong phần
lớn phạm vi nhiệt độ hữu ích. Hơn nữa, một nhiệt kế kháng là thiết bị có sẵn
để đo nhiệt độ ổn định nhất, chính xác, và tuyến tính. Các điện trở suất của
kim loại được sử dụng trong một RTD (bao gồm bạch kim, đồng, niken) phụ
thuộc vào phạm vi của các phép đo nhiệt độ mong muốn.
-Kháng danh nghĩa của một RTD bạch kim là 100Ω ở 0 ° C. Mặc dù RTDs
bạch kim được đánh giá cao tiêu chuẩn hóa, phù hợp với nhiều tiêu chuẩn
không giống nhau trên toàn thế giới. Vì vậy, các vấn đề phát sinh khi của
RTD xây dựng một tiêu chuẩn được sử dụng một công cụ được thiết kế theo
tiêu chuẩn khác.
-IEC 751:1983 của Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế xác định sai số và nhiệt độ
đối với điện trở cho nhiệt ngẫu platinum. Thiết bị phổ biến nhất được sử
dụng trong công nghiệp, Pt-100s, có điện trở 100 ohms ở 0°C. Pt-1000s đo
1000 ohms ở 0 °C, và có một độ phân giải cao hơn nhưng có phạm vi hoạt
động nhỏ hơn của Pt-100. Mọi cảm biến Pt-100 được sản xuất với tiêu chuẩn

điện trở 100 ohm để tạo ra đọ tin cậy và chính xác cao. Tuy nhiên, có hai
tiêu chuẩn kỹ thuật tồn tại: tiêu chuẩn châu Âu a = 0.00385, và tiêu chuẩn
Hoa Kỳ a = 0.003916. Cả hai tiêu chuẩn này đều được sử dụng phổ biến và
điều quan trọng là xác định tiêu chuẩn nào được bộ xử lí chấp nhận.
9
-Nhà sản xuất thường kết hợp công nghệ Pt-100 cơ bản vào công nghệ cảm
ứng nhiệt độ tiên tiến để làm cho toàn bộ gói sản phẩm này có thể đo nhiệt
độ theo ý muốn của người sử dụng. Mặc dù chúng thường có giá cao hơn,
cảm biến này thường được thiết kế với các tính năng mới giúp chúng được
sử dụng dễ dàng, giống như việc lập trình và điều khiển nút ấn, với kết quả
đọc số có tính trực quan cao. Một số nhà sản xuất cũng thiết kế cảm biến Pt-
100 của mình với vỏ bọc nhỏ gọn cho phép sử dụng trong những vị trí chật
chội, khó tiếp cận.
+)VềPt100:
- Thực chất là một điện trở, điện trở của nó thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ
môi trường đo . Như tên gọi của nó - Pt 100 tức là khi nó đặt trong môi
trường có nhiệt độ là 0 độ C (nước đá) thì điện trở của nó là 100 ôm. Cứ
tăng khoảng 1 độ C thì điện trở tăng lên khoảng 0.39 ôm. Bảng đặc tính của
Pt 100
Bảng 3. Bảng Điện trở/Nhiệt độ cho pt100
°C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
-100 60.26
-90 64.3 63.89 63.49 63.08 62.68 62.28 61.87 61.46 61.06 60.66
-80 68.32 67.92 67.52 67.12 66.72 66.31 65.91 65.51 65.1 64.7
-70 72.33 71.93 71.53 71.13 70.73 70.33 69.93 69.53 69.13 68.73
-60 76.33 75.93 75.53 75.13 74.73 74.33 73.93 73.53 73.13 72.73
-50 80.31 79.91 79.51 79.12 78.72 78.32 77.92 77.52 77.12 76.73
°C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
-40 84.27 83.88 83.48 83.08 82.69 82.29 81.9 81.5 81.1 80.7
-30 88.22 87.83 87.43 87.04 86.64 86.25 85.85 85.46 85.06 84.67

-20 92.16 91.77 91.37 90.98 90.59 90.19 89.8 89.4 89.01 88.62
-10 96.09 95.69 95.3 94.91 94.52 94.12 93.73 93.34 92.95 92.55
0 100 99.61 99.22 98.83 98.44 98.04 97.65 97.26 96.87 96.48
°C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 100 100.39 100.78 101.17 101.56 101.95 102.34 102.73 103.12 103.51
10 103.9 104.29 104.68 105.07 105.46 105.85 106.24 106.63 107.02 107.4
20 107.79 108.18 108.57 108.96 109.34 109.73 110.12 110.51 110.9 111.28
30 111.67 112.06 112.45 112.83 113.22 113.61 113.99 114.38 114.77 115.15
40 115.54 115.92 116.31 116.7 117.08 117.47 117.85 118.24 118.62 119.01
°C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
50 119.4 119.78 120.16 120.55 120.93 121.32 121.7 122.09 122.47 122.86
10
60 123.24 123.62 124.01 124.39 124.77 125.16 125.54 125.92 126.31 126.69
70 127.07 127.45 127.84 128.22 128.6 128.98 129.36 129.75 130.13 130.51
80 130.89 131.27 131.66 132.04 132.42 132.8 133.18 133.56 133.94 134.32
90 134.7 135.08 135.46 135.84 136.22 136.6 136.98 137.36 137.74 138.12
°C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
100 138.5 138.88 139.26 139.64 140.02 140.4 140.77 141.15 141.53 141.91
110 142.29 142.66 143.04 143.42 143.8 144.18 144.55 144.93 145.31 145.68
120 146.06 146.44 146.82 147.19 147.57 147.94 148.32 148.7 149.07 149.44
130 149.82 150.2 150.70 150.95 151.33 151.7 152.08 152.45 152.83 153.2
140 153.70 153.95 154.32 154.7 155.07 155.45 155.82 156.2 156.57 156.94
°C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
150 157.32 157.69 170.06 170.44 170.81 159.18 159.56 159.93 160.3 160.67
160 161.04 161.42 161.79 162.16 162.53 162.9 163.28 163.65 164.02 164.39
170 164.76 165.13 165.5 165.88 166.24 166.62 166.99 167.32 167.73 168.1
180 168.47 168.84 169.21 169.70 169.95 170.32 170.68 171.05 171.42 171.79
190 172.16 172.53 172.9 173.27 173.64 174 174.37 174.74 175.11 175.48
°C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
200 175.84

4.2.Vi xử lý.
-Trong công nghệ điện tử, vi xử lý là một thành phần quan trọng không
thể thiếu, nó mang nhiều tính ưu việt: có thể thay thế một mạch điện phức
tạp bằng một vi mạch nhỏ gọn với chi phí thấp hơn, nhưng ứng dụng lại đa
dạng và linh hoạt hơn. Khả năng điều khiển thông minh hơn, tiết kiệm năng
lượng hơn, ứng dụng nhiều trong hệ thống. Trên cơ sở đó chúng em đã áp
dụng những kiến thức trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về đề tài để
chế tạo sản phẩm NHIỆT KẾ ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG dung vi
điều khiển AVR của ATMEL, có khả năng đo và tự động điều khiển nhiệt
độ. Áp dụng vi xử lý trong lĩnh vực này đã được nghiên cứu và phát triển
nhiều với những loại vi điều khiển kết hợp với cảm biến và ngôn ngữ lập
trình.
+)Tổng quan họ vi điều khiển AVR.
-Vi điều khiển AVR (Atmel Norway design) thuộc họ vi điều khiển
Atmel,nó là họ vi điều khiển mới trên thị trường cũng như đối với người sử
dụng. Đây là họ vi điều khiển được chế tạo theo kiến trúc RSIC (Reduced
Intruction Set Computer) có cấu trúc khá phức tạp. Ngoài các tính năng như
11
các họ vi điều khiển khác, nó còn tích hợp nhiều tính năng mới rất tiện lợi
cho người thiết kế cũng như lập trình cho vi điều khiển, chúng ta thường
dung những ngôn ngữ bậc cao HLL(Hight Level Language) để lập trình
ngay cả với loại chi xử lý 8 bit trong đó ngôn ngữ C là ngôn ngữ phổ biến
nhất. Tuy nhiên khi biên dịch thì kích thước đoạn mã sẽ tăng nhiều so với
dùng ngôn ngữ Asemby . Hãng Atmel nhận thấy rằng cần phải phát triển
một cấu trúc đặc biệt cho ngôn ngữ C để giảm thiểu sự chênh lệch kích
thước mã đã nói trên. Và kết quả là họ vi điều khiển AVR ra đời với việc
làm giảm kích thước đoạn mã khi biên dịch và them vào đó là thực hiện lệnh
đúng đơn chu kỳ máy với 32 thanh ghi tích lúy và đạt tốc độ nhanh hơn các
họ vi điều khiển khác từ 4 đến 12 lần.
PHÂN LOẠI AVR

+AT900S8535: Không có lệnh nhân hoặc chia trên thanh ghi.
+ATMEGA 8,16,32 (AVG loai 8 bit,16 bit,32 bit): Là loại AVR tốc độ cao
tích hợp sẵn ADC 10 bit.
+AVR tích hợp sẵn LCD driver :Atmega 169,329.
+AVR tích hợp sẵn SC ( Power stage controller):AT90PWM thường dung
trong các ứng dụng điều khiển động cơ hay chiếu sáng nên còn được gọi là
lighting AVR.
+Attiny 11, 12, 15:AVR loại nhỏ.
CÁC ĐẶC ĐIỂM CHÍNH.
1-Kiến trúc RSIC ( Có nghĩa là máy tính dung lệnh rút gọn, bộ vi sử lý kiểu
này thực hiện ít lệnh hơn những bộ vi xử lý khác) với hầu hết các lệnh có
chiều dài cố định, truy nhận bộ nhớ nạp –lưu trữ và 32 thanh ghi đa năng.
2-Có nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip, bao gồm: Cổng vào/ra số, bộ
biến đổi ADC,
bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM), …
3- Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp.
4- Hoạt động với chu kỳ xung nhịp cao, có thể lên đến 20 MHz tuỳ thuộc
từng loại chip cụ
thể.
5- Bộ nhớ chương trình vµ bộ nhớ dữ liệu được tích hợp ngay trên chip.
6- Khả năng lập trình được trong hệ thống, có thể lập trình được ngay khi
đang được cấp
nguồn trên bản mạch không cần phải nhấc chip ra khỏi bản mạch.
7- Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao – ngôn ngữ C.
Cốt lõi của AVR là sự kết hợp tập lệnh đầy đủ với các thanh ghi đa năng 32
bit. Tất cả các thanh ghi 32 bit này liên kết trực tiếp với khối xử lý số học và
logic (ALU) cho phép 2 thanh ghi độc lập được truy cập trong một lệnh đơn
trong 1 chu kỳ đồng hồ. Kết quả là tốc độ nhanh gấp 10 lần các bộ vi điều
12
khiển CISC(Complex Instruction Set Computer : máy tính với tập lệnh phức

tạp . Một loại kiến trúc của bộ xử lí được đặc trưng bởi tính chất là các lệnh
có độ dài khác nhau (không cố định) , thường là một số nhỏ các chế độ đa
địa chỉ và thanh ghi) . Với các tính năng đã nêu, chế độ nghỉ (Idle) CPU
trong khi cho phép bộ truyền tin nối tiếp đồng bộ USART, giao tiếp 2 dây,
chuyển đổi A/D, SRAM, bộ đếm, bộ định thời, cổng SPI và hệ thống các
ngắt vẫn hoạt động. Chế độ Power-down lưu giữ nội dung của các thanh ghi
nhưng làm đông lạnh bộ tạo dao động, thoát khỏi các chức năng của chip
cho đến khi có ngắt ngoài hoặc là reset phần cứng. Chế độ Power-save đồng
hồ đồng bộ tiếp tục chạy cho phép chương trình sử dụng giữ được đồng bộ
thời gian nhưng các thiết bị còn lại là ngủ. Chế độADC Noise Reduction
dừng CPU và tất cả các thiết bị còn lại ngoại trừ đồng hồ đồng bộ và
ADC, tối thiểu hoá switching noise trong khi ADC đang hoạt động. Trong
chế độ standby, bộ tạo dao động (thuỷ tinh thể/bộ cộng hưởng) chạy trong
khi các thiết bị còn lại ngủ. Các điều này cho phép bộ vi điều khiển khởi
động rất nhanh trong chế độ tiêu thụ công suất thấp. Thiết bị được sản xuất
sử dụng công nghệ bộ nhớ cố định mật độ cao của Atmel. Bộ nhớ On-chip
ISP Flash cho phép lập trình lại vào hệ thống qua giao diện SPI bởi bộ lập
trình bộ nhớ cố đinh truyền thống hoặc bởi chương trình On-chip Boot chạy
trên lõi AVR. Chương trình boot có thể sử dụng bất cứ giao điện nào để
download chương trình ứng dụng trong bộ nhớ Flash ứng dụng. Phần mềm
trong vùng Boot Flash sẽ tiếp tục chạy trong khi vùng Application Flash
được cập nhật, cung cấp thao tác Read-While-Write thực sự.
+)Các đặc tính của vi điều khiển ATMEGA16L
- Hiệu năng cao, tiêu thụ năng lượng ít
- Kiến trúc RISC - Reduce Instruction Set Computer (Có nghĩa là máy tính
dung tập lệnh rút gọn, bộ vi xử lý này thực hiện ít lệnh hơn bộ vi xử lý khác)
- 131 lệnh mạnh, hầu hết các lênh thực hiện trong một chu kỳ
- 32 Thanh ghi 8-bit đa năng
- Tốc độc thực hiện lên tới 16 triệu lệnh trong 1 giây với tần số 16MHz
- Có 2 bộ nhân, mỗi bộ thực hiện trong thời gian 2 chu kỳ

- Các bộ nhớ chương trình và dữ liệu cố định
- 16 Kb bộ nhớ flash có khả năng tự lập trình trong hệ thống
- Có thể thực hiện được 10.000 lần ghi/xoá
- Vùng mã Boot tuỳ chọn với những bit khoá độc lập
- Lập trình trên trong hệ thống bởi chương trình on-chip Boot
- Thao tác đọc trong khi nghi thực sự
- 512 bytes EEFROM
+)Có thể thực hiện 100.000 lần ghi /xoá
13
- 1Kb SRAM bên trong
- Lập trình Khoá an ninh phần mềm
+) Giao diện nối tiếp đồng bộ ( chuẩn IEEE std.1149.1). kh
- 2 bộ định thời/ bộ đếm 8 bit với các chế độ tỷ lệ định trước và chế độ so
sánh.
- 1 bộ định thời/ bộ đếm 16 bit với các chế độ tỷ lệ định trước riêng biệt,
chế độ so sánh và thực hiện trao đổi với các thiết bị tương thích thì khung
dữ liệu 8 bit giữa 2 thiết bị được truyền động bộ (cùng xung nhịp với đồng
hồ).
- Ít xảy ra lỗi.
- Lập trình bộ nhớ Flash, EEPROM , ngắt, khóa, Bít thông qua giao diện
JTAG.
+) Ghép nối ngoại vi:
- 2 bộ định thời/bộ đếm 8 bit với các chế độ tỉ lệ định trước và chế độ
so sánh.
- 1 bộ định thời/bộ đếm 16 bit với các chế độ tỉ lệ định trước riêng
biệt,chế độ so sánh và chế độ bắt giữ
- Bộ thời gian thực với bộ tạo dao động riêng biệt
- 4 kênh PWM
- 8 kênh, ADC 10 bit
- Giao điện nối tiếp 2 dây hướng tới byte - Bộ truyền tin nối tiếp USART

khả trình
- Giao diện SPI chủ / tớ
- Watchdog Timer khả trình với bộ tạo dao động bên trong riêng biệt
- Máy so mẫu tương tự bên trong
+ )Các đặc điểm đặc biệt khác.
- Power-on Reset và dò Brown-out khả trình.
- Bộ tạo dao động được định cỡ bên trong.
- Các nguồn ngắt bên trong và bên ngoài.
- 6 chế độ ngủ: Nhàn rỗi, giảm ồn ADC, tiết kiệm năng lượng, giảm
năng lượng tiêu thụ, chờ đóng băng trạng thái.
- I/O và các loại.
- 32 đường I/O khả trình.
- Điện áp hoạt động: 2.7 – 5.5V
- Nhiệt độ hoạt động: -40
o
C-85
o
C
+) Các tốc độ.
- 0-8 MHz khi điện áp 2.7 – 5.5V, 0 - 16MHz khi điện áp 4.5 – 5V .
- Tiêu thụ năng lượng tại 1 MHz, 3V, 25
o
C đối với ATmega16L.
- Hoạt động tích cực: 1.1mA .
14
- Chế độ nghỉ ở 0.35mA.
- Chế độ năng lượng thấp: <1 μA khi điện áp 2.7V .
+) Bằng việc kết hợp 1 bộ 8-bit RISC CPU với In-System Self-
Programmable Flash trong chỉ nguyên vẹn 1 chip Atmel Atmega16L là một
bộ vi điều khiển mạnh có thể cung cấp giải pháp có tính linh động cao, giá

thành rẻ cho nhiều ứng dụng điều khiển nhúng(Theo định nghĩa của IEEE -
Institute of Electrical and Electronics Engineers – Viện kỹ thuật và điện tử
của Mỹ, thì hệ thống nhúng là một hệ tính toán nằm trong sản phẩm, tạo
thành một phần của hệ thống lớn hơn và thực hiện một số chức năng của hệ
thống ) Atmega16L AVR được hỗ trợ bởi bộ chương trình đầy đủ và các
tool(tiện ích) để phát triển hệ thống, báo gồm: Bộ biên dịch
C,macro assemblers, program debugger/simulators(chương trình mô phỏng),
in-circuit emulators(mạch mô phỏng) và evaluation kits(kit phát triển).
5.Chọn bộ điều khiển nhiệt độ
5.1 .Cảm biến nhiệt độ pt100
15
5.2. Chip ATMEGA16L.
+ Điện áp hoạt động: 2,7-5,5VDC
+ Sơ đồ chân:
- VCC: là cấp nguồn +
- GND: nối đất
- AVCC: là chân cấp điện cho cổng A(Port A) và bộ biến đổi A/D,
PC3, PC0, ADC7, ADC6. Nó được nối nội bộ đến VCC ngay cả trong
trường hợp ADC không được sử dụng. Nếu ADC không được sử
16
dụng, nó phải được nối với VCC thông qua bộ lọc thông thấp. Cả PC6
và PC4 cũng xử dụng được điện áp AVCC
- AREF: là chân tín hiệu tham chiếu Analog (tương tự) nối vào bộ biến
đổi A/D.
- PORT A: đầu ra của bộ biến đổi A/D
- XTAL 1 và XTAL 2: chân vào ra của thạch anh tạo dao động
5.3. LCD 2 dòng 16 kí tự:
+ Điện áp hoạt động từ 2,7-5VDC
+ Tần số hiển thị: 2MHz ở mức điện áp 5V
4.4 Những linh kiện khác:

- 2 Tụ 2200uf 16V để lọc nguồn
- 1 IC ổn áp 5V: tạo điện áp 5V cấp cho mạch
- 1 tụ 47uf 16V: làm mạch reset
- 2 Tụ gốm 33pf: ổn định làm việc cho thạch anh
17
- 1 Tụ gốm 104pf: bảo vệ mạch tránh những thành phần tần số cao
- 1 Điện trở 4,7K và 1 điện trở 10K: nối chân 2 và chân 3 của DS18B20
và nối với mạch reset
- Biến áp 20V-0,5A
- Thạch anh 8MHz
- Cầu diod
6. Sơ đồ điều khiển
- Vẽ sơ đồ nguyên lý
18
+)Sơ đồ nguyên lý trên cấp nguồn cho mạch là nguồn AC từ 7
đến 24 V.
+3 chân cấp nguồn cho Chíp ATMEGA16L là những chân 10,11,31
không vẽ trên sơ đồ (chân 10 được nối chân 30, chân 11 được nối với chân
31).
+Điện trở PULLUP có giá trị 4,7K.
+Tụ C3 có thể thay bằng tụ hóa 10uf.
+Có thể dung thạch anh 4MHz thay cho loại 8MHz.
- Tác dụng của các linh kiện:
+ pt100 cảm biến nhiệt độ từ buồng sấy để lấy tín hiệu nhiệt độ đưa
vào vi xử lý.
+LCD giải mã và hiển thị nhiệt độ.
+ ATMEGA16L điều khiển tắt mở thiết bị theo nhiệt độ đã mặc định, điều
khiển hiển thị LCD.
+ Mạch ổn áp, tạo điện áp 5VDC cấp cho vi mạch.
+ Led đỏ gỉa lập máy làm tăng nhiệt độ.

19
+ Let xanh giả lập máy làm giảm nhiệt độ.
- Cảm biến nhiệt độ truyền tín hiệu nhiệt độ đọc được qua chân DQ(2)
vào chân 34 của ATMEGA16L (ADC6) chân này là 1 trong 8 đầu vào
của hệ thống biến đổi A/D của ATMEGA16L, nhưng không cần biến
đổi mà đưa thẳng vào khối xử lí trung tâm (vì tín hiệu truyền của cảm
biến nhiệt độ ở chân DQ là tín hiệu số), tín hiệu khi đưa vào đây sẽ
được CPU xử lí với điều kiên đã được lập trình sẵn. Sau đó tín hiệu
sau khi được xử lí tiếp tục đưa ra chân 26 (TDO-Test Data Out-kiểm
tra dữ liệu ra), 27 (TDI-kiểm tra dữ liệu vào), 28 (TOSC1-Test
ocsolltor-kiểm tra đầu vào của bộ tạo dao động 2) vào D4, D5, D6, D7
của LCD để giải mã
Mạch in:
Mạch thiết kế đồ họa trên không gian 3D (LCD chỉ mang tính chất
minh họa do phần mềm chưa có màn hình LCD).
+ Mặt trước:
20
21
22
+Mặt sau:
7.Lưu đồ thuật toán.
Sau đây là lưu đồ thuật toán của từng phần:
+ Lưu đồ điều khiển trung tâm (Chương trình chính ) đưa ra tổng thể trình tự
làm việc của hệ thống, ban đầu xoá các biến điều khiển như Rơle, báo động,
các giá trị đặt, các cờ trạng thái của hệ thống. Sau đó kiểm tra phím Start,
khi phím Start kích hoạt hệ thống bắt đầu làm việc cho phép đặt giá trị vào,
chuyển đổi từ dạng BCD sang dạng nhị phân, sau đó đọc dữ liệu từ ADC về
Vi xử lí, chuyển đổi giá trị này từ dạng nhị phân (BIN) sang dạng BCD để
có thể đưa ra LED hiển thị 7 thanh, số liệu này được so sánh với giá trị yêu
23

cầu để đưa ra tín hiệu điều khiển phù hợp cho hệ thống, sau đó kiểm tra
trạng thái làm việc của hệ thống, nếu cờ END_ FLAG= 0 thì quay lại từ đầu
ngược lại thì tiếp tục đọc dữ liệu từ ADC về Vi xử lí.
+ Chương trình con sử dụng ngắt Timer0 phục vụ cho việc thay đổi giá trị
yêu cầu có thể được diễn giả như sau: khi hai giá trị Scount1 và Scount2
giảm đến không thì ngắt xảy ra thực hiện nhiệm vụ thay đổi giá trị yêu cầu.
+ Chương trình con thay đổi giá trị yêu cầu có nguyên tắc làm việc như sau:
So sánh giá trị yêu cầu ở từng thời điểm và giá trị đã được đặt trước, nếu
khác nhau thì có nhu cầu thay đổi là tăng hoặc giảm.
+ Chương trình con đọc giá trị từ ADC về Vi xử lí có nhiệm vụ thu thập giá
trị nhiệt độ từ kênh 0 để đưa về Vi xử lí việc này chỉ cho phép khi BIT_
EOC bằng 1 vì theo nguyên tắc làm việc của ADC này thì một xung dương
ở chân START được kích hoạt sự biến đổi. Qua đó mẫu bít vào địa chỉ A, B,
và C cũng đồng thời được chốt và xác định kênh biến đổi. Trong quá trình
biến đổi chân ra EOC ở mức Low, sau cỡ 100 µs mức này sẽ chuyển sang
mức High và báo hiệu sự kết thúc quá trình biến đổi. Sau đó kết quả của quá
trình biến đổi sẽ xếp hàng ở đường dẫn dữ liệu D0 D7. Khi OE= 1 các
đường dẫn có thể được đọc tiếp.
+ Chương trình con điều khiển Rơle (đưa tín hiệu ra ): So sánh giá trị đo
được với giá trị đặt,nếu giá trị đo được lớn hơn giá trị đặt thì ngắt
Rơle,ngược lại thì đóng Rơle.
+ Chương trình con kiểm tra trạng thái làm việc của hệ thống: So sánh giá trị
đo được và giá trị đặt, nếu sai lệch lớn hơn giá trị cho phép thì đưa ra tín
hiệu báo động.
24
Begin
Khai báo biến
xoá các bit đk
k.tra phím start
start= 0

cho phép int0
timer0 ngắt
change setpoint
bcd- BIN
đọc số liệu từ adc về
vi xử lí
change data- nhiệt
độ
change bin- bcd
hiển thị
so sánh nhiệt độ với
giá trị yêu cầu
đ a tín hiệu ra điều
khiển
kiểm tra trạng thái
làm việc
end_ flag= 0
y
n
*)Lu iu khin trung tõm
25