thiết kế mạch sử dụng vi điều khiển điều chỉnh nhiệt độ trong lò ấp trứng

Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

Mở đầu
1.

Lý do chọn đề tài:
Ngày nay, các bộ vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng rãi
trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội, đặc biệt là trong kỹ thuật tự
động hoá và điều khiển từ xa. Giờ đây, với nhu cầu chuyên dụng hoá, tối ưu
(thời gian, không gian, giá thành),tính bảo mật, tính chủ động trong công
việc… ngày càng đòi hỏi khắt khe. Việc đưa ra công nghệ mới trong lĩnh
vực chế tạo mạch điện tử để đáp ứng những yêu cầu trên là hoàn toàn cấp
thiết mang tính thực tế cao.
Ngày nay, nền kinh tế ở vùng nông thôn đô thị đang được đẩy mạnh
phát triển. Việc chọn đề tài thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ trong lò ấp
trứng với mục đích góp phần vào nghiên cứu phát triển ngành nghề đang
được sử dụng khá phổ biến.
Đề tài gần gũi với đời sống và có đóng góp lớn cho việc phát triển
kinh tế xã hội đặc biệt là nền kinh tế nông thôn.

2.

Giới thiệu đề tài:
Đề tài thiết kế mạch sử dụng vi điều khiển điều chỉnh nhiệt độ trong
lò ấp trứng là một trong những ứng dụng phổ biến của đời sống được đưa
ra qua quá trình tìm hiểu thực tế.
Mạch bao gồm khối cảm biến nhiệt biến đổi thành tín hiệu điện, sau đó báo
về cho khối xử lý tự động thu nhận tín hiệu điện, xử lý tín hiệu này rồi so
sánh, từ đó điều chỉnh nhiệt độ trong lò ấp trứng được giữ ở một mức nhiệt

độ nhất định cần thiết.
Đề tài góp phần trong việc giảm công sức lao động và mang lại hiệu
quả kinh tế cao.

KS2-ĐT1

Page 1


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

Chương I: Cơ sở lý thuyết.
1.1 Chọn phương án:
a. Chọn bộ vi xử lý:
Với đề tài: “Sử dụng vi điều khiển thiết kế mạch điều chỉnh nhiệt độ
trong lò ấp trứng”, ta có thể sử dụng vi điều khiển Atmega8535 hoặc
PIC16F877A.
Trong đề tài này sử dụng PIC16F877A vì nó đáp ứng được các yêu
cầu đề ra, có sẵn bộ chuyển đổi ADC, hiện nay các máy công nghiệp đều
dùng và giá thành rẻ.
b. Chọn cảm biến:
Phương án 1: Dùng Themistor.
Themistor là sensor nhiệt điện trở.
Ưu điểm:
- Giá thành rẻ.
- Tốc độ hồi đáp nhanh với tốc độ thay đổi của nhiệt độ.
KS2-ĐT1

Page 2


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

- Độ nhạy khá cao ( khoảng 1%).
- Có thể tạo ra nhiều kích cỡ, phù hợp với các mục đích đo khác nhau.
- Được chế tạo có giá trị điện trở mở rộng, có thể chọn để thiết kế cho
phù hợp là rất dễ dàng.
Nhược điểm:
- Đặc tuyến R-T của Themistor không tuyến tính.
Phương án 2: Dùng nhiệt kế thủy ngân có điều chỉnh được nhiệt độ.
Ưu điểm:
- Độ chính xác tương đối cao ( khoảng 1%)
- Giá thành rẻ
Nhược điểm:
- Cồng kềnh dễ vỡ
- Dùng sau một thời gian thường bị kẹt do thủy ngân bị oxy hóa.
- Khi nhiệt độ lò ấp dao động xung quanh nhiệt độ đặt thì tiếp điểm
thủy ngân làm rơle đóng ngắt mở liên tục, gây cháy rơle ( Nếu không
đóng mở liên tục thì thiệt độ > 0,5 OC, trong khi yêu cầu không được
quá 0,2OC.
Phương án 3: Dùng cảm biến nhiệt bằng thủy ngân.
Ưu điểm:
- Điều chỉnh được từ (0 – 100)OC.
- Độ chính xác tương đối cao.
Nhược điểm:
- Chỉ chịu được dòng điện rất thấp, khi sử dụng bộ gia nhiệt phải thông

qua rơle hoặc mạch Triac.
Phương án 4: Dùng cảm biến LM35.
Ưu điểm:
- Kích thước nhỏ gọn
- Được chế tạo từ chất bán dẫn với độ nhạy cao, sai số nhỏ (0,1–0,5)%.
- Độ chính xác cao.
- Ưu điểm của cảm biến nhiệt LM35 vượt trội hơn so với những
phương pháp khác là được chế tạo từ chất bán dẫn.
• Qua việc phân tích các phương án thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ
trên, đề tài này chọn bộ vi điều khiển là PIC16F877A cảm biến nhiệt
KS2-ĐT1

Page 3


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy
là LM35. Tài liệu về PIC16F877A và LM35 sẽ được giới thiệu trong

các phần sau.
• Quy trình thực hiện theo phương án lựa chọn như sau:

Hình 1.1
1.2 Nguyên lý hoạt động:
1.2.1 Sơ đồ khối tổng quát.

Hình 1.2
1.2.2 Nguyên lý hoạt động.
Mạch có nhiệm vụ giữ cho lò ấp trứng ổn định trong một khoảng nhiệt

độ nhất định ( khoảng 400C đến 420C ).
Mạch ấp trứng phải đảm bảo cho nhiệt độ trên mà tự động điều chỉnh
nhiệt độ, hiển thị kết quả.
Nguyên lý của các khối như sau:
• Khối 1: là khối đầu vào
KS2-ĐT1

Page 4


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy
Có nhiệm vụ cảm biến nhiệt và biến đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu

điện.
• Khối 2: là khối điều khiển
Khối điều khiển này là bộ vi xử lý tự động có nhiệm vụ thu nhận tín
hiệu điện từ cảm biến nhiệt đưa đến, xử lý tín hiệu này rồi so sánh. Từ
đó điều chỉnh lò sưởi và đưa ra khối hiển thị nhiệt độ ấp trứng.
• Khối 3: là khối đầu ra
Có nhiệm vụ hiển thị nhiệt độ, hiển thị nhiệt độ dưới dạng số.
• Khối 4: là khối lò sưởi
Có nhiệm vụ cung cấp nhiệt độ cho lò ấp trứng.
1.3 Mạch điều khiển:
1.3.1 Sơ đồ khối chi tiết.

Hình 1.3
1.3.2 Hoạt động của các khối.
a. Khối đầu vào:

Khối đầu vào có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện dựa trên quan hệ giữa
nhiệt độ và điện trở của vật dẫn điện. Khi nhiệt độ tăng thì R tăng, vì vậy

KS2-ĐT1

Page 5


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

khi nhiệt độ thay đổi thì R cũng thay đổi. Nên cảm biến nhiệt ta chọn là “
biến trở nhiệt ”.

Hình 1.4
Ura thay đổi khi R1 thay đổi, tức là khi nhiệt độ thay đổi

Sơ đồ biểu diễn sự phụ thuộc của Ura với nhiệt độ (toC)

Hình 1.5
• Biến trở nhiệt được chọn là LM35. Tín hiệu từ cảm biến ra là tín hiệu
tương tự.
 Giới thiệu về LM35

KS2-ĐT1

Page 6

Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

LM35 là cảm biến dùng để đo nhiệt độ tính theo 0C. có hai loại thường
gặp là loại đóng gói theo kiểu IC và kiểu plastic.

Tính năng của LM35:
- Được hiệu chỉnh trực tiếp bằng 0C.
- Hệ số chia tuyến tính +10.0 mV/0C.
- Sai số khoảng 0.50C tại 250C.
- Phạm vi giới hạn nhiệt độ từ -550C đến +1500C.
- Phù hợp với các ứng dụng điều khiển từ xa.
- Giá thành thấp (15000 VNĐ).
- Hoạt động từ 4V đến 30V.

KS2-ĐT1

Page 7


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy
- Khả năng tự tản nhiệt thấp, khoảng 0.08 0C trong điều kiện không

khí là tĩnh.
- Mức độ phi tuyến tiêu biểu là ±1⁄4 oC.
- Trở kháng ngõ ra thấp khoảng 0.1Ω với tải 1mA.
Ứng dụng tiêu biểu:

- LM35 đo nhiệt độ ngõ vào và xuất tín hiệu điện áp ngõ ra tuyến
tính với nhiệt độ ngõ vào là 0C. Vì vậy nó có hơn các cảm biến
tuyến tính hiệu chỉnh theo nhiệt độ Kelvin 0K.
- LM35 không cần thiết phải hiệu chỉnh hay tinh chỉnh bên ngoài vì
nó được cung cấp phạm vi chính xác tiêu biểu là ±1⁄4 oC tại nhiệt
độ phòng và ±3⁄4 oC ở nhiệt độ từ -550C đến +1500C. Trở kháng
ngõ ra thấp, tuyến tính và hiệu chỉnh chính xác làm cho việc đọc
ngõ ra và kiểm soát mạch điện trở nên dễ dàng.
- LM35 có thể sử dụng nguồn đơn hoặc nguồn đôi và rút dòng
khoảng 60 µA.

KS2-ĐT1

Page 8


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

Nguồn đơn dùng để đo trong phạm
vi từ +20C đến +1500C

Nguồn đôi để đo trong phạm vi từ
-550C đến +1500C

Bảng A.1: Thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt họ LM35
Mã sản phẩm
KS2-ĐT1

Dải nhiệt độ

Độ chính xác

Đầu ra
Page 9


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

LM35A

-550C đến +1500C

+1.00C

10mV/0C

LM35

-550C đến +1500C

+1.50C

10mV/0C

LM35CA

-400C đến +1100C

+1.00C

10mV/0C

LM35C

-400C đến +1100C

+1.50C

10mV/0C

LM35D

00C đến +1000C

+20C

10mV/0C

LM35 là 1 IC cảm biến nhiệt, mạch tích hợp chính xác cao có điện áp
đầu ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celcius. Họ cảm biến này
cũng không yêu cầu cân chỉnh bên ngoài vì bản thân nó đã được cân chỉnh.
Họ này cho ra điện áp 10mV ứng với thay đổi nhiệt độ là 1 0C.Bảng A.3
giới thiệu một số thông số kỹ thuật chính của họ LM35.

Hình A.2: Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt LM35.
Vì IC cảm biến nhiệt cho ra tương ứng là +10mV/1 0C mà ADC có độ

phân giải là 8 bit tương ứng 256 bước vì vậy ta sẽ chọn V REF cho ADC
tương ứng là 2,56 V.
b. Khối đầu ra:
Hiển thị nhiệt độ ra LCD. Hiển thị nhiệt độ dưới dạng số, đó là nhiệt
độ do khối lò sưởi cấp. Dải nhiệt độ cần thiết của lò ấp là 400C đến 420C.
c. Khối lò sưởi:
KS2-ĐT1

Page 10


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy
Lò sưởi có nhiệm vụ cung cấp nhiệt độ cho lò ấp nên ta chọn bếp điện

hoặc bóng đèn tròn 100W/ 220V hoặc 200W/220V.

Hình 1.6
d. Khối điều khiển:
-

Khối này có nhiệm vụ:
Biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiêu số để xử lý.
Đưa ra tín hiệu đên hiển thị số.
So sánh với toC (40oC – 42oC) để đưa ra tín hiệu điều khiển.
Để thực hiện các chức năng phức tạp trên nếu thực hiên bằng các linh
kiện rời (bộ chuyển đổi ADC, bộ so sánh cổng logic …). Khi đó mạch
rất phức tạp, cồng kềnh, độ chính xác không cao. Nhưng nếu dùng vi
điều khiển thì nó sẽ thực hiện tất cả các nhiệm vụ trên một cách chính

xác và đơn giản. Sơ đồ thực hiện mạch cũng đơn giản vì tất cả đều
được tích hợp trong vi điều khiển và tất cả chỉ cần lập trình cho các

modul hoạt động. Ta chọn vi điều khiển thực hiện là PIC16F877A.
 Giới thiệu về PIC16F877A:
PIC (prepheral interface contronller) điều khiển các thiết bị giao tiếp
với ngoại vi.
• Đặc điểm về PIC16F877A:
Bộ nhớ: SRAM = 368 (byte)
EEPROM = 256 (byte)
Bộ nhớ chương trình Flash = 8Kb
100.000 lần ghi/ xóa bộ nhớ chương trình Flash
KS2-ĐT1

Page 11


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

1.000.000 lần ghi/ xóa bộ nhớ dữ liệu EEPROM
Thời gian lưu trữ của EEPROM > 40 năm.
Nguồn cung cấp +5V.
• Tích hợp các modul:
+ Timer 0: bộ định thời/ bộ đếm 8 bit.
+ Timer 1: bộ định thời/ bộ đếm 16 bit.
+ Timer 2: bộ định thời/ bộ đếm 8 bit sử dụng trong modul PWM
(pulse wide modulation).
+ Modul PWM (điều rộng xung) và compore (so sánh).

+ Giao tiếp SSP (synchrous serial port- cổng đồng bộ nối tiếp) với
SPI (serial port interface-cổng giao tiếp nối tiếp) và IIC (integrate
tnegrate tnegrate circuirt-mạch tích hợp).
+ USART (universal sychronous asychronours resiever transmitthu/ phát/ đồng bộ/ không đồng bộ kết hợp.
+ Bộ chuyển đổi ADC (analog digital convert):
o Độ phân giải 10 bit
o Có 8 kênh ADC
o Có 2 bộ so sánh tương tự.
• Có 32 cổng vào ra (I/O):
Chia làm 5 cổng (port): RA; RB; RC; RD; RE.
RA = RAO RA5
RB = RBO RA7
RC = RCO RC7
RD = RDO RD7
RE = REO RE7

KS2-ĐT1

Page 12


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

MCLR: chân reset
VDD: Nguồn +5v
VSS: đất (GND)
OSC1
OSC2

Chân cấp xung clock cho vi xử lý
Giới thiệu về modul ADC trong PIC 16F877A và các thanh ghi
liên quan.
• Sơ đồ khối A/D:

KS2-ĐT1

Page 13


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

+ Thanh ghi: ADCONO (địa chỉ 1FH)
R/W
ADCS1

R/W
ADCS0

R/W
CHS2

R/W
CHS1

R/W
CHS0

R/W
G0/DONE

R/W
-

R/W
ADONE

Bit 7
• Bít 7 và bit 6: ADCS1 ; ADCS0: bit chọn tốc độ chuyển đổi
ADCON1

ADCON0

(ADCS2)

ADCS1

0
0

ADCS0
00
01

KS2-ĐT1

Xung chuyển đổi

F0SC/ 2
F0SC/ 8
Page 14


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy
0
0

10
11

F0SC/ 32
FRC (xung được cấp từ dao động RC bên
trong vi điều khiển)

• Bit 5 3: CHS2: CHS0 bit chọn kênh tương tự
000 – kênh 0 (AN0)
001 – kênh 1 (AN1)
010 – kênh 2 (AN2)
011 – kênh 3 (AN3)
100 – kênh 4 (AN4)
101 – kênh 5 (AN5)
110 – kênh 6 (AN6)
111 – kênh 7 (AN7)
• Bít 2: G0/: bit trạng thái biến đổi A/D
1: Đang thực hiện chuyển đổi, bit này được tự động xóa bằng 0 khi
chuyển đổi xong

0: Chuyển đổi xong
Bit 1: không bỏ
Bit 0: bit bật nguồn chuyển đổi A/D
1: A/D được cấp nguồn
0: A/D không được cấp nguồn
+ Thanh ghi: ADCON 1
R/W
R/W
R/W
R/W
ADFM ADCS2
PCFG3 PCFG2
Bit 7
Bit 6
Bit 5
Bit 4
Bit 3
Bit 2
Bít 7: ADFM: bit chọn khung kết quả A/D

R/W
PCFG1
Bit 1

R/W
PCFG0
Bit 0

1: Dịch phải
0: Dịch trái

Kết quả chuyển đổi được đưa vào 2 thanh ghi:

ADRESH Và

ADRESL
KS2-ĐT1

Page 15


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

Bit 7

Bit 1

Bit 0

Bit 7

Bit 6

Bit 0

10 bit kết quả
dịch trái
10 bit kết quả
dịch phải

bit 6: ADCS2: bit chọn xung chuyển đổi.
ADCS 2 kết hợp với ADCS1 và ADCS0 trong thanh ghi ADCON0
Bit 4-5 bỏ.
PCFG AN7
3 0
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
KS2-ĐT1

A
A
D
D
D
D
D
A

D
D
D
D
D
D
D

AN6

AN5

AN4

AN3

AN2

AN1

A
A
D
D
D
D
D
A
D
D

D
D
D
D
D

A
A
D
D
D
D
D
A
A
A
A
D
D
D
D

A
A
A
A
D
D
D
A

A
A
A
A
D
D
D

A

A
A
A
A
D
D
D
VREFA
A
VREFVREFVREFD
VREF-

A
A
A
A
A
A
D
A

A
A
A
A
A
D
D

VREF+
A
VREF+
A
VREF+
D
VREF+
A
VREF+
VREF+
VREF+
VREF+
D
VREF+

AN0 VREF+ VREFA
A
A
A
A
A
D

A
A
A
A
A
A
A
A

VDD
AN3
VDD
AN3
VDD
VDD
AN3
VDD
AN3
AN3
AN3
AN3
VDD
AN3
Page 16

VSS
VSS
VSS
VSS
VSS

VSS
AN2
VSS
VSS
AN2
AN2
AN2
VSS
AN2


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

PCFG AN7
3 0
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101

1110
1111

A
A
D
D
D
D
D
A
D
D
D
D
D
D
D

AN6

AN5

AN4

AN3

AN2

AN1

A
A
D
D
D
D
D
A
D
D
D
D
D
D
D

A
A
D
D
D
D
D
A
A
A
A
D
D

D
D

A
A
A
A
D
D
D
A
A
A
A
A
D
D
D

A

A
A
A
A
D
D
D
VREFA
A

VREFVREFVREFD
VREF-

A
A
A
A
A
A
D
A
A
A
A
A
A
D
D

VREF+
A
VREF+
A
VREF+
D
VREF+
A
VREF+
VREF+
VREF+

VREF+
D
VREF+

AN0 VREF+ VREFA
A
A
A
A
A
D
A
A
A
A
A
A
A
A

VDD
AN3
VDD
AN3
VDD
VDD
AN3
VDD
AN3
AN3

AN3
AN3
VDD
AN3

A (analog): Đầu vào tín hiệu tương tự
D (digital) : Vào/ ra số
VREF : Điện áp chuẩn đưa vào để lấy mẫu
Thanh ghi dịch (74HC595):

KS2-ĐT1

Page 17

VSS
VSS
VSS
VSS
VSS
VSS
AN2
VSS
VSS
AN2
AN2
AN2
VSS
AN2

Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy
Clr (Clear): Chân xóa tín hiệu
Clr = 1: Không xóa
Clr = 0: Xóa (QA QH = 0).
Clk (Clock): Xung đồng bộ để ghi dịch mức tích cực cao
Latch: Chân chốt tín hiệu mức tích cực cao
AN (Enable): Cho phép tín hiệu ra
VCC: Cấp nguồn +5V
GND: Nối đất

+ Giới thiệu về tập lệnh của PIC 16F877A
- PIC 16F877A có thể lập trình bằng 2 ngôn ngữ là Assemble và C.
- Nhằm thuận tiện cho lập trình người ta dùng ngôn ngữ bậc cao (C)
để thuận lập trình cho vi điều khiển.

Chương II: Sơ đồ toàn mạch
2.1

Sơ đồ nguyên lý.

KS2-ĐT1

Page 18


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

Hình 2.1
2.2

Sơ đồ mạch in.
a. Sơ đồ mạch in phủ đồng.

KS2-ĐT1

Page 19


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

Hình 2.2

b. Sơ đồ mạch in không phủ đồng.

KS2-ĐT1

Page 20


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

Hình 2.3

KS2-ĐT1

Page 21


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

Chương III: Lập trình cho vi điều khiển.

KS2-ĐT1

Page 22


Project 2

GVHD: PGS-TS.Hồ Anh Túy

Kết luận.
1. Kết quả thu được:
• Mạch chạy có độ chính xác khá cao.
• Giới hạn nhiệt độ từ 400C đến 420C.
• Khi LCD hiển thị nhiệt độ < 42 0C thì bóng đèn sáng cung cấp nhiệt
cho lò ấp trứng.
• Khi LCD hiển thị nhiệt độ > 42 0C thì role ngắt, các bóng đèn ngừng
cung cấp nhiệt cho lò ấp trứng.
• Khi nhiệt độ hạ xuống dưới 40 0C thì role lại bật, các bóng đèn sáng để

tiếp tục cung cấp nhiệt cho lò ấp trứng.
• Tuy nhiên, mạch còn mắc phải nhược điểm là nhiệt độ hiển thị trên
led còn nhấp nháy không ổn định, nguồn đầu vào không ổn định.
2. Hướng phát triển của đề tài:
• Việc phát triển kinh tế, đặc biệt là kinh tế vùng nông thôn đang được
đẩy mạnh. Các lò ấp trứng cũng được thiết kế để dành cho các loại
trứng khác nhau với các dải nhiệt độ thích hợp. Vì vậy việc lập trình
cho vi điều khiển có thể tạo ra lựa chọn dải nhiệt độ cho từng trường
hợp tương ứng.
• Ngoài ra, có thể lập trình cho vi điều khiển nhằm gắn thêm các modul
vào các role để thực hiện các chức năng như: mở quạt thông gió, bật
máy bơm nước…
• Một hướng phát triển nữa là thiết kế lập trình cho vi điều khiển thực
hiện các chức năng bằng điều khiển từ xa.

KS2-ĐT1

Page 23