Thiết kế mạch đo nhiệt độ, đo khoảng cách, hiển thị lên LCD và giao tiếp với máy tính quá cổng COM

Bỏo cỏo Project II-Nhúm 4 in t 5 K50
1

Lời mở đầu :
Ngày nay, với sự phát triển nh- vũ bão của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong
lĩnh vực điện tử, các thiết bị điện tử ngày càng hiện đại. Các hệ thống điện tử đã
tham gia vào công nghiệp làm tăng năng suất lao động, tăng hiệu quả kinh tế đồng
thời cũng có một phần h-ớng đến nhu cầu gần gũi của con ng-ời, mang tính hỗ trợ
cho cuộc sống nh- máy bán hàng tự động, nhà thông minh .Từ đó mang đến cho
con ng-ời sự tiện nghi hơn trong cuộc sống. Trong bối cảnh nh- vậy thì lĩnh vực
thiết kế mạch vi xử lý đóng vai trò quan trọng. Các mạch vi xử lý tham gia vào hầu
hết các thiết bị điện tử, đóng vai trò đầu não để xử lý dữ liệu và đ-a ra các tín hiệu
điều khiển chính xác.
Trên cơ sở đó, chúng em lm đề ti
thiết kế mạch đo nhiệt độ, đo khoảng
cách, hiển thị lên LCD và giao tiếp với máy tính qua cổng COM
. Những mạch này
có ứng dụng trong thực tiễn như đo nhiệt độ trong môi trường, hệ thống cm biến
lùi, điều khiển nhiệt độ cho xe hơi.
Chúng em chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Khuyến và thầy giáo
Nguyễn Xuân Quyền đã có những góp ý, sửa đổi hữu ích để chúng em có thể hoàn
thiện Project này.

Bỏo cỏo Project II-Nhúm 4 in t 5 K50
2

Phần I.Sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý của mạch:
Sơ đồ khối của toàn mạch nh- sau :

Hình 1. Sơ đồ khối toàn mạch.
Chi tiết các khối :
1. Khối đo nhiệt độ :
Khối này có tác dụng đo nhiệt độ môi tr-ờng và trả về tín hiệu
gi trị nhiệt độ cho khối xử lý trung tâm. Khối dùng cm biến số 1
dây DS18B20, đây l loi cm biến có nhiều ưu điểm như: độ chính
xác cao,dải đo t-ơng đối lớn phù hợp với nhiều ứng dụng dân dụng, là
cảm biến số không dùng ADC, mỗi con đều đ-ợc nhà sản xuất đánh
số serial riêng nên có thể dùng để đo nhiều vị trí , dặc biệt có thể
chung dây nguồn v dây tín hiệu nên gọi l cm biến 1 dây.
Một số đặc tính chính :
Hoạt động với điện áp từ 3V đến 5.5V.
Cảm biến 1 dây với 64bit mã trong Rom.
Bỏo cỏo Project II-Nhúm 4 in t 5 K50
3

Dải đo t-ơng đối lớn : từ -55 đến +125 C.
Đầu ra là chuỗi bit, ko cần dùng ADC.
2. Khối đo khoảng cách :

Hình 2. IC GP2D12
Đo khoảng cách đ-ợc ứng dụng nhiều trong thực tế nh- hệ
thống đỗ xe tự động, cảm biến lùi trong xe hơi, đo tốc độ chuyển

động Có một số công nghệ đo khoảng cách nh- : đo khoảng cách
dùng hồng ngoại, dùng siêu âm, dùng laserTong các ph-ơng pháp
thì đo bằng laser có khoảng cách xa nhất , sau đó là siêu âm và quang
hồng ngoại. Thực tế thì khi cần khoảng cách trong khoảng vài mét thì
ng-ời ta hay dùng siêu âm. Trong các bộ cảm biến lùi trong ô tô thì
th-ờng dùng siêu âm và hồng ngoại.
Trong phạm vi Project thì nhóm dùng càm biến hồng ngoại IR
GP2D12 của SHARP với các thông số cơ bản sau:
Điện áp hoạt động 4.5V đến 5.5V.
Nhiệt độ hoạt động -10
o
C đến 60
o
C
Đầu ra là tín hiệu điện áp thay đổi theo khoảng cách.
Có thể dùng ADC của vi điều khiển để ra tín hiệu số.
3. Khối giao tiếp máy tính:
Giao tiếp với máy tính qua cổng Com. Khối dùng IC Max232.
Bộ biến đổi điện áp MAX 232 để t-ơng thích điện áp TTL của
vi điều khiển vì chuẩn RS232 không t-ơng thích với mức logic
TTL, do vậy nó yêu cầu một bộ điều khiển đ-ờng truyền chẳng
Bỏo cỏo Project II-Nhúm 4 in t 5 K50
4

hạn nh- chip MAX232 để chuyển đổi các mức điện áp RS232
về các mức TTL và ng-ợc lại..
4. Khối hiển thị :

Hình 3. LCD 16*02

Khối có chức năng hiển thị qua màn hình LCD 16 cột và 2 dòng
. LCD dùng chip HD44780 phổ biến trên thị tr-ờng . Hiển thị các ký
tự trong bộ mã Ascii. LCD nhận tín hiệu từ vi điều khiển. Đó là các tín
hiệu điều khiển để hiển thị các ký tự mong muốn.Sau đó là xử lý và
hiển thị theo ý muốn ng-ời lập trình.
5. Khối xử lý :

Hình 4. Sơ đồ chân Atmega16.
Bỏo cỏo Project II-Nhúm 4 in t 5 K50
5

Đây là khối quan trọng nhất. Khối dùng vi điều khiển AVR
Atmega16 xử lý các dữ liệu vào từ các khối cảm biến sau đó xuất tín
hiệu ra cho khối hiển thị, giao tiếp máy tính. Chip này phù hợp với các
ứng dụng trong mạch. Các đặc tính chính :
Có 40 chân (với dạng PDIP).
Điện áp hoạt động : 2.7V đến 5.5V.
Có 4 port vào ra.
Có bộ ADC 10 bit.
6. Khối báo hiệu:
Dùng LED và loa cảnh báo giá trị tới hạn.
Sau đây là sơ đồ khối toàn mạch :



Báo cáo Project II-Nhóm 4 Điện tử 5 –K50
6

Bỏo cỏo Project II-Nhúm 4 in t 5 K50
7

Phần II.Các linh kiện trong mạch:
Trong mạch có sử dụng các linh kiện sau:
Chip AVR Atmega16.
IC DS18B20.
IC GP2D12.
MAX 232.
LCD 1602
LM7805.
Led, trở, loa tụ.
Chức năng của các linh kiện chính :
1.AVR Atmega16:
Những đặc tính cơ bản:
Có 40 chân với dạng PIDP.
4 Cổng vào/ra.
Có 16Kb bộ nhớ flash.
512 Bytes EEPROM.
8 bộ định thời 2 bits
4 kênh PWM.
Điện áp hoạt động từ 2,7V đến 5,5V.

Hình 6. Sơ đồ chân
Mô tả chức năng các chân At16:
Bỏo cỏo Project II-Nhúm 4 in t 5 K50
8


VCC: cấp nguồn số.

GND: đất
Cổng A (PORT A): (PA7 .. PA0)
Có chức năng đầu vào cho chuyển đổi ADC
Cổng A hoạt động nh- một cổng vào ra 8 bit thông th-ờng khi ADC
không đ-ợc sử dụng
Cổng B (PORT B):
Ngoài những chức năng thông th-ờng đầu vào/đầu ra nh- cổng A, thì
cổng B còn có những chức năng phụ khác nữa.
Cổng C(PORT C):
Nếu giao tiếp JTAG đ-ợc kích hoạt, điện trở kéo trên các chân
PC5 (TDI), PC3 (TMS), PC2 (TCK) sẽ đ-ợc kích hoạt ngay cả khi có khởi
động lại (reset).Ngoài ra cổng C còn cơ chức năng giống nh- cổng vào/ra
thông th-ờng.
Cổng D (PORT D):
Ngoài những chức năng đầu vào ra thông th-ờng nh- các cổng trên,
cổng D này còn có
Chân Reset: đầu vào của reset, mức điện áp thấp ở chân này trong một
khoảng thời gian lớn hơn thời gian của 1 xung thì sẽ xảy ra reset, ngay cả
khi nguồn tần số không họat động.
XTAL1: đầu vào đảo của bộ khuếch đại dao động và đầu vào cho mạch
dao động bên trong của Atmega16.
XTAL2: đầu ra của đầu vào đảo bộ khuếch đại dao động.
Bỏo cỏo Project II-Nhúm 4 in t 5 K50
9

AVCC: nguồn cấp cho cổng A và bộ chuyển đổi ADC, chân này nên đ-ợc
nối với nguồn cấp VCC bên ngoài, ngay cả khi bộ chuyển đổi ADC không
đ-ợc sử dụng. Nếu bộ chuyển đổi ADC không đ-ợc sử dụng, chân AVCC
nên đ-ợc nối với nguồn VCC qua qua bộ lọc.
AREF: AREF là chân chuẩn analog cho bộ chuyển đổi ADC.

2.IC DS18B20 :

Hình 7.Sơ đồ chân DS18B20.
Loại cảm biến này còn gọi là cảm biến 1 dây vì đ-ờng dẫn tín
hiệu lối ra và đ-ờng dẫn điện áp nguồn nuôi có thể dùng chung trên một
dây dẫn và không chỉ chung cho một cảm biến mà nhiều cảm biến có thể
sử dụng chung một đ-ờng dẫn. Điều này rất có ích khi giảm chi phí dây
dẫn cũng nh- sự phức tạp cho hệ thống nhiều đầu đo trong công nghiệp.
Bỏo cỏo Project II-Nhúm 4 in t 5 K50
10

Mỗi vi mạch đo nhiệt độ DS18B20 có một mã số định danh duy
nhất, đ-ợc khắc bằng laser trong quá trình chế tạo vi mạch nên nhiều vi
mạch DS18B20 có thể cùng kết nối vào một bus 1-wire mà không có sự
nhầm lẫn. Đặc điểm này làm cho việc lắp đặt nhiều cảm biến nhiệt độ tại
nhiều vị trí khác nhau trở nên dễ dàng và với chi phí thấp. Theo chuẩn 1-
wire độ dài tối đa cho phép của bus là 300 m. Số l-ợng các cảm biến nối
vào bus không hạn chế.
Một số đặc tính cơ bản :
Sử dụng giao diện một dây nên chỉ cần có một chân ra để truyền
thông.
Dải đo nhiệt độ -55
o
C đến 125
o
C, từng bậc 0,5
o
C, có thể đạt độ
chính xác đến 0,0625
o

C bằng việc hiệu chỉnh qua phần mềm.
Rất thích hợp với các ứng dụng đo l-ờng đa điểm vì nhiều đầu đo
có thể đ-ợc nối trên một bus, bus này đ-ợc gọi là bus một dây (1-wire
bus) và sẽ đ-ợc trình bày chi tiết trong số tạp chí tới đây.
Chỉ cần thêm 1 trở bên ngoài.
Điện áp nguồn nuôi có thể thay đổi trong khoảng rộng, từ 3,0 V
đến 5,5 V một chiều và có thể đ-ợc cấp thông qua đ-ờng dẫn dữ liệu.
Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ cực nhỏ.
Thời gian lấy mẫu và biến đổi thành số t-ơng đối nhanh, không quá
200 ms.
Mỗi cảm biến có một mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ
nhớ ROM trên chip (on chip), giá trị nhị phân đ-ợc khắc bằng tia laze.
Các cách kết nối DS8B20 với vi điều khiển :

Bỏo cỏo Project II-Nhúm 4 in t 5 K50
11


Hình 8. Kết nối 1 dây.

Hình 9. Kết nối dùng nguồn ngoài.
Bộ nhớ ROM 64BIT:
Mỗi cảm biến nhiệt độ DS1820 có một dãy mã 64 bit duy nhất đ-ợc
l-u trữ trong bộ nhớ ROM từ khi sản xuất bằng kỹ thuật laze. ý nghĩa
của 64 bit mã đ-ợc giải thích trên hình :

Hình10: Nội dung dãy mã 64-bit trên bộ nhớ ROM
Nh- vậy dãy mã đ-ợc chia ra thành 3 nhóm, trong đó:
Tám bit đầu tiên là mã định danh họ một dây.
48 bit tiếp theo là mã số xuất x-ởng duy nhất, nghĩa là mỗi cảm biến

DS18B20 chỉ có một số mã.
Bỏo cỏo Project II-Nhúm 4 in t 5 K50
12



Tám bit có ý nghĩa nhất là byte mã kiểm tra CRC (cyclic redundancy
check), byte này đ-ợc tính toán từ 56 bit đầu tiên của dãy mã trên ROM
(xem hình ).
3.LCD 16*02 :
Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích th-ớc khác nhau, trên
hình 1 là hai loại LCD
thông dụng.




Hình 11 : LCD

Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển (HD44780)
bên trong lớp vỏ và chỉ
đ-a
các chân giao tiếp cần thiết. Các chân này đ-ợc
đánh số thứ tự và đặt tên nh- hình
:



Hình 12. Sơ đồ chân LCD