ĐỒ án LOGIC mờ DÙNG PIC

Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên chúng em xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy cô trường Đại Học
Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, những người đã tạo điều kiện cho chúng em có
cơ hội nghiên cứu và tìm hiểu sâu rộng về lĩnh vực điện tử, đặc biệt là thầy Trần Văn
Hùng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em trong thời gian thực hiện đề tài. Đồng
thời chúng em cũng gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã giúp đỡ chúng em trong thời
gian qua. Có được sự giúp đỡ nhiệt tình đó cộng với sự cố gắng của bản thân nên chúng
em đã hoàn thành được đề tài đúng thời hạn. Với sự hiểu biết còn hạn chế và thời gian
thực hiện đề tài không nhiều nên đề tài không tránh khỏi những sai sót. Rất cảm ơn sự
hướng dẫn và góp ý của quý thầy cô và bạn bè cho đề tài được hoàn chỉnh hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện
Phạm Mai Hằng
Trần Thị Kim Ngân

Trang 1


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN


.......................................................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................

Tp Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2009
Giáo viên hướng dẫn
Ký tên

ThS. Trần Văn Hùng

Trang 2


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN


.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................

Tp HCM, ngày… tháng… năm 2009
Giáo viên phản biện

Trang 3


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

MỤC LỤC
PHẦN 1 : LÝ THUYẾT
I. Giới thiệu về vi điều khiển PIC 16F877A
1.1. Giới thiệu chung
1.2. Giới thiệu về PIC 16F8XX và PIC 16F877A

1.3. Sơ đồ chân và chức năng PIC 16F877A loại 40 chân PDIP
II. Cặp nhiệt điện
2.1. Buổi ban đầu của thiết bị đo nhiệt độ
2.2. Các loại cảm biến hiện tại
2.3. Thermocouple

PHẦN 2 : THIẾT KẾ
I. Cấu trúc phần cứng tổng quát
II. Cấu trúc chi tiết
2.1. Khối nguồn
2.2. Khối hiển thị
2.3. Khối xử lý trung tâm
2.4. Khối cảm biến và gia công
2.5. Khối mạch công suất
2.6. Cách cân chỉnh mạch
2.7. Thiết kế hệ mờ

2.8. Chương trình

Trang 4


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

Trang 5


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

I. GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A
1.1. Giới thiệu chung
1.1.1 Tổng quan về họ Vi điều khiển PIC
PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip
Technology. Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics
Division thuộc General_Instrument. PIC bắt nguồn từ chữ viết tắt của “Programmable
Intelligent Computer” (Máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãng
General Instruments đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC1650. Lúc này, PIC
1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16 bit CP1600, vì vậy,
người ta cũng gọi PIC với tên “Peripheral Interface Controller” (Bộ điều khiển giao tiếp
ngoại vi). CP1600 là một CPU tốt, nhưng lại kém về các hoạt động xuất nhập, và vì vậy
PIC 8-bit được phát triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho
CP1600. PIC sử dụng microcode đơn giản đặt trong ROM, và mặc dù, cụm từ RISC chưa
được sử dụng thời bấy giờ, nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC,

chạy một lệnh một chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động). Năm 1985 General
Instruments bán bộ phận vi điện tử của họ, và chủ sở hữu mới hủy bỏ hầu hết các dự án –
lúc đó quá lỗi thời. Tuy nhiên, PIC được bổ sung EPROM để tạo thành 1 bộ điều khiển
vào ra khả trình. Ngày nay rất nhiều dòng PIC được xuất xưởng với hàng loạt các module
ngoại vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC…), với bộ nhớ chương trình từ 512
Word đến 32K Word.
1.1.2. Một số đặc tính của Vi điều khiển PIC
Hiện nay có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần cứng, nhưng
chúng ta có thể điểm qua một vài nét như sau :
• 8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến truc Harvard có sửa đổi
• Flash và ROM có thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte
• Các cổng Xuất/ Nhập (I/ O ports) (mức logic thường từ 0V đến 5.5V, ứng với
logic 0 và logic 1)
• 8/16 bit Timer
• Các chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ/ khung đồng bộ USART
• Bộ chuyển đổi ADC Analog-to-digital converters, 10/12 bit
• Bộ so sánh điện áp (Voltage Comparator)
• Các module Capture/ Compare/ PWM
• LCD
• MSSP Peripheral dựng cho các giao tiếp I2 C, SPI, I2 S
• Bộ nhớ nội EPROM – có thể ghi/ xoá lớn tới 1 triệu lần
• Module Điều khiển động cơ, đọc encoder
• Hỗ trợ giao tiếp USB
• Hỗ trợ giao tiếp CAN
• Hỗ trợ giao tiếp LIN
• Hỗ trợ giao tiếp IrDA
Trang 6


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

• Một số dòng có tích hợp bộ RF (PIC16f639, và rfPIC)
• KEELOQ mờ hoá và giải mờ
• DSP những tính năng xử lý tín hiệu số (dsPIC)
Đặc điểm thực thi tốc độ cao của RISC CPU của họ vi diều khiển PIC16F87XA :
• Chỉ gồm 35 lệnh đơn.
• Tất cả các lệnh là 1chu kỳ ngoại trừ chương trình con là 2 chu kỳ.
• Tốc độ hoạt động :
*DC- 20MHz ngõ vào xung clock.
*DC- 200ns chu kỳ lệnh.
• Độ rộng của bộ nhớ chương trình Flash là 8K x 14word, của bộ nhớ dữ liệu
(RAM) là 368 x 8bytes, của bộ nhớ dữ liệu là EPROM (RAM) là 256 x 8bytes.
1.1.3. Những đặc tính ngoại vi
- Timer0 : 8- bit định thời/ đếm với 8- bit prescaler
- Timer1 : 16- bit định thời/ đếm với prescaler, có thể được tăng lên trong suốt chế
độ Sleep qua thạch anh/ xung clock bên ngoài.
- Timer2 : 8- bit định thời/đếm với 8- bit, prescaler và postscaler
- Hai module Capture, Compare, PWM
* Capture có độ rộng 16 bit, độ phân giải 12.5ns
* Compare có độ rộng 16 bit, độ phân giải 200ns
* Độ phân giải lớn nhất của PWM là 10bit.
- Có 13 ngõ I/O có thể điều khiển trực tiếp
- Dòng vào và dòng ra lớn :
* 25mA dòng vào cho mỗi chân
* 20mA dòng ra cho mỗi chân
1.1.4. Đặc điểm về tương tự
- 10 bit, với 8 kênh của bộ chuyển đổi tương tự sang số (A/D).
- Brown – out Reset (BOR).

- Module so sánh về tương tự.
* Hai bộ so sánh tương tự.
* Module điện áp chuẩn VREF có thể lập trình trên PIC.
- Có thể lập trình ngõ ra vào đến từ những ngõ vào của PIC và trên điện áp bên
trong.
- Những ngõ ra của bộ so sánh có thể sử dụng cho bên ngoài.
1.1.5. Các đặc điểm đặc biệt :
- Có thể ghi/ xoá 100.000 lần với kiểu bộ nhớ chương trình Enhanced Flash.
- 1.000.000 ghi/ xoá với kiểu bộ nhớ EPROM.
- EPROM có thể lưu trữ dữ liệu hơn 40 năm.
Trang 7


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

- Có thể tự lập trình lại dưới sự điều khiển của phần mềm.
- Mạch lập trình nối tiếp qua 2 chân.
- Nguồn đơn 5V cấp cho mạch lập trình nối tiếp.
- Watchdog Timer (WDT) với bộ dao động RC tích hợp sẵn trên Chip cho hoạt
động đáng tin cậy.
- Có thể lập trình mờ bảo vệ.
- Tiết kiệm năng lượng với chế độ Sleep.
- Có thể lựa chọn bộ dao động.
- Mạch dở sai (ICD : In- Circuit Debug) qua 2 chân
1.1.6. Công nghệ CMOS
Năng lượng thấp, tốc độ cao Flash/ công nghệ EPROM
Việc thiết kế hoàn toàn tĩnh
Khoảng điện áp hoạt động từ 2V đến 5.5V

Tiêu tốn năng lượng thấp.

1.2. Giới thiệu về PIC16F8XX và PIC16F877A
PIC16F8X là nhóm PIC trong họ PIC16XX của họ Vi điều khiển 8-bit, tiêu hao
năng lượng thấp, đáp ứng nhanh, chế tạo theo công nghệ CMOS, chống tĩnh điện tuyệt
đối. Nhóm bao gồm các thiết bị sau:
•
PIC16F83
•
PIC16CR83
•
PIC16F84
•
PIC16CR84
- Tất cả các PIC16/17 đều có cấu trúc RISC. PIC16CXX các đặc tính nổi bậc, 8
mức ngăn xếp Stack, nhiều nguồn ngắt tích hợp bên trong lẫn ngoài. Có cấu trúc
Havard với các bus dữ liệu và bus thực thi chương trình riêng biệt nhau cho phép
độ dài 1 lệnh là 14-bit và bus dữ liệu 8-bit cách biệt nhau. Tất cả các lệnh đều mất
1 chu kỳ lệnh ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh chương trình mất 2 chu kỳ lệnh. Chỉ có
35 lệnh và 1 lượng lớn các thanh ghi cho phép đáp ứng cao trong ứng dụng.
- Họ PIC16F8X có nhiều tính năng đặc biệt làm giảm thiểu các thiết bị ngoại vi, vì
vậy kinh tế cao, có hệ thống nổi bật đáng tin cậy và sự tiêu thụ năng lượng thấp. Ở
đây có 4 sự lựa chọn bộ dao dộng và chỉ có 1 chân kết nối bộ dao động RC nên có
giải pháp tiết kiệm cao. Chế độ SLEEP tiết kiệm nguồn và có thể được đánh thức
bởi các nguồn reset. Và còn nhiều phần khác đó được giới thiệu bên trên sẽ được
nói rõ ở các phần kế tiếp.
- PIC16F877A có 40/44 chân với sự phân chia cấu trúc như sau :
+ Có 5 port xuất/nhập
+ Có 8 kênh chuyển đổi A/D 10-bit
+ Có bộ nhớ gấp đôi so với PIC16F873A và PIC16F874A2.2.1. Tổ chức thanh ghi

Bảng 1.1: Tóm tắt đặc điểm của PIC16F877A
Tần số hoạt động

DC-20MHz
Trang 8


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

Reset và Delay
Bộ nhớ chương trình Flash
(14-bit word)
Bộ nhớ dữ liệu (byte)
Bộ nhớ dữ liệu EEPROM (byte)
Các ngắt
Các Port xuất/nhập
Timer
Module Capture/Compare/PWM
Giao tiếp nối tiếp
Giao tiếp song song
Module A/D 10-bit
Bộ so sánh tương tự
Tập lệnh

POR, BOR (PWRT, OST)
8K

Số chân

40 chân PDIP
44 chân PLCC
44 chân TQFP
44 chân QFN

368
256
15
Port A, B, C, D, E
3
2
MSSP, USART
PSP
8 kênh ngõ vào
2
35 lệnh

1.3. Sơ đồ chân và chức năng PIC 16F877A loại 40 chân PDIP

Hình 1.1: Sơ đồ chân Pic 16F877A loại 40 chân PDIP
 Chức năng các chân :
* Chân OSC1/CLKI (13) : ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock bên
ngoài.
- OSC1 : ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock bên ngoài. Ngõ vào
Schmit trigger khi được cấu tạo ở chế độ RC ; một cách khác của CMOS.
- CLKI : ngõ vào nguồn xung bên ngoài. Luôn được kết hợp với chức năng
OSC1.
Trang 9

Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

* Chân OSC2/CLKO (13) : ngõ vào dao động thạch anh hoặc xung clock
- OSC2 : Ngõ ra dao động thạch anh. Kết nối đến thạch anh hoặc bộ cộng
hưởng.
- CLKO : ở chế độ RC, ngõ ra của OSC2, bằng tần số của OSC1 và chỉ ra tốc
độ của chu kỳ lệnh.
* Chân

/VPP (1) :

- MCLR : Hoạt động Reset ở mức thấp
- VPP : ngõ vào áp lập trình
* Chân RA0/AN0 (2) :
- RA0 : xuất/nhập số
- AN0 : ngõ vào tương tự 0
* Chân RA1/NA1 (3) :
- RA1 : xuất/nhập số
- AN1 : ngõ vào tương tự 1
* Chân RA2/NA2/VREF-/CVREF (4) :
- RA2 : xuất/nhập số
- AN2 : ngõ vào tương tự 2
- VREF -: ngõ vào điện áp chuẩn (thấp) của bộ A/D
- CVREF: điện áp tham chiếu VREF ngõ ra bộ so sỏnh
* Chân RA3/NA3/VREF+ (5) :
- RA3 : xuất/nhập số
- AN3 : ngõ vào tương tự 3

- VREF+ : ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộ A/D
* Chân RA4/TOCKI/C1OUT (6) :
- RA4 : xuất/nhập số - mở khi được cấu tạo như ngõ ra
- TOCKI : ngõ vào xung clock bên ngoài cho Timer 0
- C1 OUT : Ngõ ra bộ so sánh 1
* Chân RA5/AN4/

/C2OUT (7) :

- RA5 : xuất/nhập số
- AN4 : ngõ vào tương tự 4
- SS : ngõ vào chọn lựa SPI phụ
- C2 OUT : ngõ ra bộ so sánh 2
* RB0/INT (33) :
- RB0 : xuất/nhập số
- INT : ngắt ngoài
Trang 10


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

* RB1 (34) : xuất/nhập số
* RB2 (35) : xuất/nhập số
* RB3/PGC :
- RB3 : xuất/nhập số
- Chân cho phép lập trình điện áp thấp ICPS
* RB4 (37), RB5 (38) : xuất/nhập số
* RB6/PGC (39) :

- RB6 : xuất/nhập số
- PGC : mạch dũ sai và xung clock lập trỡnh ICSP
* RB7/PGD (40) :
- RB7 : xuất/nhập số
- PGD : mạch dữ sai và dữ liệu lập trình ICSP
* Chân RC0/T1 OCO/T1CKI (15) :
- RC0 : xuất/nhập số
- T1 OCO : ngõ vào bộ dao động Timer 1
- T1 CKI : ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1
* Chân RC1/T1 OSI/CCP2 (16) :
- RC1 : xuất/nhập số
- T1 OSI : ngõ vào bộ dao động Timer 1
- CCP2 : ngõ vào Capture 2, ngõ ra compare 2, ngõ ra PWM2
* Chân RC2/CCP1 (17) :
- RC2 : xuất/nhập số
- CCP1 : ngõ vào Capture 1, ngõ ra compare 1, ngõ ra PWM1
* Chân RC3/SCK/SCL (18):
- RC3 : xuất/nhập số
- SCK : ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ ra của chế độ SPI
- SCL : ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ ngõ ra của chế độ I2C
* Chân RC4/SDI/SDA (23) :
- RC4 : xuất/nhập số
- SDI : dữ liệu vào SPI
- SDA : xuất/nhập dữ liệu vào I2C
* Chân RC5/SDO (24) :
- RC5 : xuất/nhập số
- SDO : dữ liệu ra SPI
* Chân RC6/TX/CK (25) :
Trang 11

Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

- RC6 : xuất/nhập số
- TX : truyền bất đồng bộ USART
- CK : xung đồng bộ USART
* Chân RC7/RX/DT (26) :
- RC7 : xuất/nhập số
- RX : nhận bất đồng USART
- DT : dữ liệu đồng bộ USART
* Chân RD0/PSP0 (19) :
- RD0 : xuất/nhập số
- PSP0 : dữ liệu port nhánh song song
* Chân RD1/PSP1 (20) :
- RD1 : xuất/nhập số
- PSP1 : dữ liệu port nhánh song song
* Các chân RD2/PSP2 (21), RD3/PSP3 (22), RD4/PSP (27), RD5/PSP5 (28),
RD6/PSP6 (29), RD7/PSP7 (30) tương tự chân 19,20.
* Chân RE0/

/AN6 (8) :

- RE0 : xuất nhập số
- RD : điều khiển việc đọc ở port nhánh song song
- AN5 : ngõ vào tương tự 5
* Chân RE1/

/AN6 (9) :

- RE1 : xuất/nhập số
- WR : điều khiển việc ghi ở port nhánh song song
- AN6 : ngõ vào tương tự 6
* Chân RE2/

/AN7 (10) :

- RE2 : xuất/nhập số
- CS : Chip lựa chọn sự điều khiển ở port nhánh song song
- AN7 : ngõ vào tương tự 7
* Chân VDD(11,32), và VSS(12,31) : là các chân nguồn của PIC.

Trang 12


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

II. CẶP NHIỆT ĐIỆN
Điều đầu tiên trong điều khiển nhiệt độ là chúng ta phải có được một thiết bị (cảm
biến) cho phép đo được nhiệt độ hiện tại. Có rất nhiều loại khác nhau, phần trình bày ở
đây sẽ đề cập một số loại, đặc biệt chú trọng đến Thermocouple.

2.1. Buổi ban đầu của thiết bị đo nhiệt độ :
Galileo được cho là người đầu tiên phát minh ra thiết bị đo nhiệt độ, vào khoảng
năm 1592. Ông ta làm thí nghiệm như sau : trên một bồn hở chứa đầy cồn, ông cho treo
một ống thủy tinh dài có cổ hẹp, đầu trên của nó có bầu hình cầu chứa đầy không khí.
Khi gia tăng nhiệt, không khí trong bầu nở ra và sôi sùng sục trong cồn. Còn khi lạnh thì

không khí co lại và cồn dâng lên trong lòng ống thủy tinh. Do đó, sự thay đổi của nhiệt
trong bầu có thể biết được bằng cách quan sát vị trí của cồn trong lòng ống thủy tinh. Tuy
nhiên, người ta chỉ biết sự thay đổi của nhiệt độ chứ không biết nó là bao nhiêu vì chưa
có một tầm đo cho nhiệt độ.
Đầu những năm 1700, Gabriel Fahrenheit, nhà chế tạo thiết bị đo người Hà Lan, đã
tạo ra một thiết bị đo chính xác và cho phép lặp lại nhiều lần. Đầu dưới của thiết bị được
gán là 0 độ, đánh dấu vị trí nhiệt của nước đá trộn với muối (hay ammonium chloride) vì
đây là nhiệt độ thấp nhất thời đó. Đầu trên của thiết bị được gán là 96 độ, đánh dấu nhiệt
độ của máu người. Tại sao là 96 độ mà không phải là 100 độ?. Câu trả lời là bởi vì người
ta chia tỷ lệ theo 12 phần như các tỷ lệ khác thời đó.
Khoảng năm 1742, Anders Celsius đề xuất ý kiến lấy điểm tan của nước đá gán 0
độ và điểm sôi của nước gán 100 độ, chia làm 100 phần.
Đầu những năm 1800, William Thomson (Lord Kelvin) phát triển một tầm đo phổ
quát dựa trên hệ số giãn nở của khí lý tưởng. Kelvin thiết lập khái niệm về độ 0 tuyệt đối
và tầm đo này được chọn là tiêu chuẩn cho đo nhiệt hiện đại.
Sau đây là phương trình chuyển đổi của 4 loại tầm đo :
°C = 5/9(°F – 32)

°F = 9/5°C + 32

°K = °C + 273,15

°R = °F + 459,67

Tầm đo Rankine (°R) đơn giản là tương đương của Fahrenheit theo tầm Kelvin, đặt
tên theo W. J. M Rankine (người tiên phong trong lĩnh vực nhiệt động).

2.2. Các loại cảm biến hiện tại :
Tùy theo lĩnh vực đo và điều kiện thực tế mà có thể chọn một trong bốn loại cảm
biến : thermocouple, RTD, thermistor, và IC bán dẫn. Mỗi loại có ưu điểm và khuyết

điểm riêng của nó.
2.2.1. Thermocouple
Ưu điểm
• Là thành phần tích cực, tự cung cấp công suất.
• Đơn giản.
• Rẻ tiền.
• Tầm thay đổi rộng.
Trang 13


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

• Tầm đo nhiệt rộng.
Khuyết điểm
• Phi tuyến.
• Điện áp cung cấp thấp.
• Đòi hỏi điện áp tham chiếu.
• Kém ổn định nhất.
• Kém nhạy nhất.
2.2.2. RTD (resistance temperature detector)
Ưu điểm
• Ổn định nhất.
• Chính xác nhất.
• Tuyến tính hơn thermocouple.
Khuyết điểm
• Mắc tiền.
• Cần phải cung cấp nguồn dòng.
• Lượng thay đổi ∆R nhỏ.

• Điện trở tuyệt đối thấp.
• Tự gia tăng nhiệt.
2.2.3. Thermistor
Ưu điểm
• Ngõ ra có giá trị lớn.
• Nhanh.
• Đo hai dây.
Khuyết điểm
• Phi tuyến.
• Giới hạn tầm đo nhiệt.
• Dễ vỡ.
• Cần phải cung cấp nguồn dòng.
• Tự gia tăng nhiệt.
2.2.4. IC cảm biến
Ưu điểm
• Tuyến tính nhất.
• Ngõ ra có giá trị cao nhất.
• Rẻ tiền.
Khuyết điểm
• Nhiệt độ đo dưới 200°C.
Trang 14


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

• Cần cung cấp nguồn cho cảm biến.

2.3. THERMOCOUPLE

2.3.1. Hiệu ứng Seebeck
Năm 1821, Thomas Seebeck đã khám phá ra rằng nếu nối hai dây kim loại khác
nhau ở hai đầu và gia nhiệt một đầu nối thì sẽ có dòng điện chạy trong mạch đó.
Nếu mạch bị hở một đầu thì thì hiệu điện thế mạch hở (hiệu điện thế Seebeck) là
Kim loại A

Kim loại A

Kim loại B

một hàm của nhiệt độ mối nối và thành phần cấu thành nên hai kim loại.

+
eAB

Kim loại A

-

Kim loại B

Khi nhiệt độ thay đổi một lượng nhỏ thì hiệu điện thế Seebeck cũng thay đổi tuyến
tính theo :
∆eAB = α∆T với α là hệ số Seebeck
2.3.2. Cách đo hiệu điện thế

Cu

J3

Cu

+
v

Không thể đo trực tiếp hiệu
điện thế Seebeck bởi vì khi nối volt
kế với thermocouple thì vô tình
chúng ta lại tạo thêm một mạch
mới. Ví dụ như ta nối thermocouple
loại T (đồng-constantan).

-

J1

-

Constantan

Cu

Volt keá

+
v1

J2

Khi đó ta có mạch tương
đương như sau :
Cu

+ v3 J3

Cu

Cu

+
v1

Cu
J1
Cu

+v 2 Constantan

+
v1

J1

+v 2 Constantan
J2

J2

Cái mà chúng ta muốn đo là hiệu điện thế v 1 nhưng khi nối volt kế vào

thermocouple thì chúng ta lại tạo ra hai mối nối kim loại nữa : J 2 và J3. Do J3 là mối nối
của đồng với đồng nên không phát sinh ra hiệu điện thế, còn J 2 là mối nối giữa đồng với
constantan nên tạo ra hiệu điện thế v 2. Vì vậy kết quả đo được là hiệu của v 1 và v2. Điều
Trang 15


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

này nói lên rằng chúng ta không thể biết nhiệt độ tại J 1 nếu chúng ta không biết nhiệt độ
tại J2, tức là để biết được nhiệt độ tại đầu đo thì chúng ta cũng cần phải biết nhiệt độ môi
trường nữa.
Một trong những cách để xác định nhiệt độ tại J 2 là ta tạo ra một mối nối vật lý rồi
nhúng nó vào nước đá, tức là ép nhiệt độ của nó về 0°C và thiết lập tại J2 như là một mối
nối tham chiếu.

+
v

Cu

Cu

- Cu

Cu

+
v1

J1

+v 2 Constantan

+
v1

+v 2 Constantan

-

T
J1

J2
T = 0°C

J2

Volt kế

Cu

+
v

Lúc này cả hai mối nối tại volt kế đều là đồng – đồng nên không xuất hiện hiệu điện
thế Seebeck. Số đọc v trên volt kế là hiệu của v1 và v2 :
v = (v1 – v2) ≈ α (tJ1 – tJ2)

nếu ta dùng ký hiệu TJ1 để chỉ nhiệt độ theo độ Celsius thì :
TJ1 (°C) + 273,15 = tJ1
do đó v trở thành :
v = v1 – v2 = α [(TJ1 + 273,15) – (TJ2 + 273,15)]
= α (TJ1 – TJ2) = α (TJ1 – 0)
⇒

v = αTJ1

Bằng cách thêm hiệu điện thế của mối nối tại 0°C, giá trị hiệu điện thế đọc được lúc
này là so với mốc 0°C.
Phương pháp này rất chính xác nên điểm 0°C được xem như điểm tham chiếu chuẩn
trong rất nhiều bảng tra giá trị điện áp ra của thermocouple.
Ví dụ xét trên là một trường hợp đặc biệt, khi mà một dây kim loại của
thermocouple trùng với kim loại làm nên volt kế (đồng). Nhưng nếu ta dùng loại
thermocouple khác không có đồng (như loại J : sắt – constantan) thì sao? Đơn giản là
chúng ta thêm một dây kim loại bằng sắt nữa thì khi đó cả hai đầu volt kế đều là đồng –
sắt nên hiệu điện thế sinh ra triệt tiêu lẫn nhau.

+
v

Cu

- Cu

Volt kế

J3

Fe

Fe
J4

+
v1

+v 2 Constantan
J2

Trang 16

J1


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

Nếu hai đầu nối của volt kế không cùng nhiệt độ thì hai hiệu điện thế sinh ra không
triệt tiêu lẫn nhau, và do đó xuất hiện sai lệch. Trong các phép đo lường cần chính xác,
người ta gắn chúng trên một khối đẳng nhiệt. Khối này cách điện nhưng dẫn nhiệt rất tốt
nên xem như J3 và J4 có cùng nhiệt độ (bằng bao nhiêu thì không quan trọng bởi vì hai
hiệu điện thế sinh ra luôn đối nhau nên luôn triệt tiêu nhau không phụ thuộc giá trị của
nhiệt độ).
2.3.3. Bù nhiệt của môi trường
Như trên đã phân tích, khi dùng thermocouple thì giá trị hiệu điện thế thu được bị
ảnh hưởng bởi hai loại nhiệt độ : nhiệt độ cần đo và nhiệt độ tham chiếu. Cách gán 0 °C
cho nhiệt độ tham chiếu thường chỉ làm trong thí nghiệm để rút ra các giá trị của

thermocouple và đưa vào bảng tra. Thực tế sử dụng thì nhiệt độ tham chiếu thường là
nhiệt độ của môi trường tại nơi mạch hoạt động nên không thể biết nhiệt độ này là bao
nhiêu và do đó vấn đề bù trừ nhiệt độ được đặt ra để sao cho ta thu được hiệu điện thế chỉ
phụ thuộc vào nhiệt độ cần đo mà thôi.
Bù trừ nhiệt độ không có nghĩa là ta ước lượng trước nhiệt độ môi trường rồi khi
đọc giá trị hiệu điện thế thì trừ đi giá trị mà ta đã ước lượng. Cách làm này hoàn toàn
không thu được kết quả gì bởi hai lý do :
• Nhiệt độ môi trường không phải là đại lượng cố định mà thay đổi theo thời gian
theo một qui luật không biết trước.
• Nhiệt độ môi trường tại những nơi khác nhau có giá trị khác nhau.
Bù nhiệt môi trường là một vấn đề thực tế và phải xét đến một cách nghiêm túc. Có
nhiều cách khác nhau, về phần cứng lẫn phần mềm, nhưng nhìn chung đều phải có một
thành phần cho phép xác định nhiệt độ môi trường rồi từ đó tạo ra một giá trị để bù lại
giá trị tạo ra bởi thermocouple.
2.3.4. Các loại thermocouple
Về nguyên tắc thì người ta hoàn toàn có thể tạo ra một thermocouple cho giá trị ra
bất kỳ bởi vì có rất nhiều tổ hợp của hai trong số các kim loại và hợp kim hiện có.
Tuy nhiên để có một thermocouple dùng được cho đo lường thì người ta phải xét
đến các vấn đề như : độ tuyến tính, tầm đo, độ nhạy, … và do đó chỉ có một số loại dùng
trong thực tế như sau :
Loại J : kết hợp giữa sắt với constantan, trong đó sắt là cực dương và constantan là
cực âm. Hệ số Seebeck là 51µV/°C ở 20°C.
Loại T : kết hợp giữa đồng với constantan, trong đó đồng là cực dương và
constantan là cực âm. Hệ số Seebeck là 40µV/°C ở 20°C.
Loại K : kết hợp giữa chromel với alumel, trong đó chromel là cực dương và
alumel là cực âm. Hệ số Seebeck là 40µV/°C ở 20°C.
Loại E : kết hợp giữa chromel với constantan, trong đó chromel là cực dương và
constantan là cực âm. Hệ số Seebeck là 62µV/°C ở 20°C.
Loại S, R, B : dùng hợp kim giữa platinum và rhodium, có 3 loại : S) cực dương
dùng dây 90% platinum và 10% rhodium, cực âm là dây thuần

platinum. R) cực dương dùng dây 87% platinum và 13% rhodium,
cực âm dùng dây thuần platinum. B) cực dương dùng dây 70%
Trang 17


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

platinum và 30% rhodium, cực âm dùng dây 94% platinum và 6%
rhodium. Hệ số Seebeck là 7µV/°C ở 20°C.
2.3.5. Một số nhiệt độ chuẩn
Sau khi đã thiết kế mạch xong thì người ta cần một số nhiệt độ chuẩn dùng cho cân
chỉnh. Bảng sau đây đưa ra một số loại nhiệt độ chuẩn :
Loại
Điểm sôi của oxygen
Điểm thăng hoa của CO2
Điểm đông đá
Điểm tan của nước
Điểm sôi của nước
Điểm tan của axit benzoic
Điểm sôi của naphthalene
Điểm đông đặc của thiếc
Điểm sôi của benzophenone
Điểm đông đặc của cadmium
Điểm đông đặc của chì
Điểm đông đặc của kẽm
Điểm sôi của sulfur
Điểm đông đặc của antimony
Điểm đông đặc của nhôm

Điểm đông đặc của bạc
Điểm đông đặc của vàng
Điểm đông đặc của đồng
Điểm đông đặc của palladium
Điểm đông đặc của platinum

Nhiệt độ
-183,0 °C
- 78,5 °C
0 °C
0,01°C
100,0 °C
122,4 °C
218 °C
231,9 °C
305,9 °C
321,1 °C
327,5 °C
419,6 °C
444,7 °C
630,7 °C
660,4 °C
961,9 °C
1064,4 °C
1084,5 °C
1554 °C
1772 °C

Trang 18

-297,3°F
-109,2°F
32 °F
32 °F
212 °F
252,3°F
424,4°F
449,4°F
582,6°F
610 °F
621,5°F
787,2°F
832,4°F
1167,3°F
1220,7°F
1763,5°F
1948 °F
1984,1°F
2829 °F
3222 °F


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

Trang 19


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

I. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG TỔNG QUÁT :
Board mạch điều khiển được thiết kế nhằm mục đích điều khiển một lò nướng dân
dụng có công suất dưới 3000W, có thể chia ra làm 5 khối như sau :
• Khối xử lý trung tâm : dùng vi điều khiển PIC 16F877A.
• Khối hiển thị : Dùng LCD cho phép hiển thị trạng thái của hệ thống cho người
dùng.
• Khối cảm biến và gia công : dùng cảm biến nhiệt độ là thermocouple loại N
(Cronisil – Nisil), mạch gia công gồm có mạch khuếch đại, mạch bù nhiệt độ môi trường,
và mạch chỉnh 0V khi nhiệt độ là 00C.
• Khối công suất : có khả năng điều khiển đối tượng dùng điện áp 220V, 16A (đây
là giá trị lớn nhất) dùng BTA16-600B.
• Khối nguồn : nguồn chính cung cấp điện áp ±5V cho toàn mạch.
Sơ đồ khối mô tả mạch :
Hiển thị
trạng thái

Mạch công
suất

Xử lý trung
tâm

Cảm biến và
gia công

Nguồn
backup

Trang 20


Đồ án chun ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

II. CẤU TRÚC CHI TIẾT
2.1. KHỐI NGUỒN
Các khối trong mạch cần nguồn ±5V nên cần thiết kế nguồn cung cấp hai mức điện
áp này. Trong thiết kế này dùng IC ổn áp LM7805 và LM7905 :
6V

T2

220VAC

0V

D11
1

6V

1
TRANSFORMER

1N4007

U17
2

1

1

2

+ C17
2200u

1N4007

OUT

3

+5V
D15
LED

+ C19
220u

2

D12

7805

IN
GND

1

R33
330

1
1N4007

C18
2200u

U16

7905

IN

OUT

3

-5V

C20
220u

D16
LED

1

D14

2

GND

2

1

+

1N4007

+

D13
2

R34
330

2.2. KHỐI HIỂN THỊ :
U 1

Vdd

3

Q 1

A1013

LC D
Vo

2
1

1

VC C

3

R 2

2

Set 50k

2

Vss

1

1
1
1
1
1
9
8
7
6
5
4

4
3
2
1
0

3

D
D
D
D
D
D
D
D

E
R
R

B7
B6
B5
B4
B3
B2
B1
B0
N
/W
S

A
K

2 .7
2 .6
2 .5
2 .4
2 .3
2 .2
2 .1
2 .0
N
/W
S

15
16

P
P
P
P
P
P
P
P
E
R
R

LED _LC D

R 1
4K7

VC C

Trang 21


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

2.3. KHỐI VI XỬ LÝ TRUNG TÂM :

2.4. KHỐI CẢM BIẾN VÀ GIA CÔNG
+5V
R22
R11
3M

+5V

R23

27K

VR10K

1

-5V

+

U7
OP07

R15

100

6

2

-

3

7
1
-5V
+5V
+5V
+5V

7
1

R13
2.2K
V2
3

2

2

R14
VR10K
+ C15
10u

+

U8
OP07

6

R17

27K

R24

4
8

1 2

-5V
1

3

U12
LM335

3

7

1

+5V

Thermocouple
-

V3
+ C16
10u

3
2

+

U9
OP07

R16
6

4
8

+

U10
OP07
6

Vout

J2
1
2
ANALOG OUT

4
8

2

3

+ C14
10u

3

4
8

7
1
V1

+

2

-

R12
VR10K

-5V

Trang 22

100

VR10K


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

Cảm biến nhiệt dùng thermocouple loại N (Nicrosil – Nisil) có độ nhạy là
29,5µV/0C, rất tuyến tính.
Mạch gia công cần thực hiện 3 chức năng sau : bù nhiệt cho đầu tự do, khuếch đại,
và tạo điện áp ra là 0V khi đo ở 00C. Xét mạch trên :
• U7, U8, U9 (dùng OP07 cho offset thấp) đóng vai trò một bộ đệm điện áp lý
tưởng : có trở kháng vào rất lớn và trở kháng ra rất nhỏ, không để các đầu vào ảnh hưởng
lẫn nhau.
• Điện áp ra trên thermocouple :

V3 = S(Td – Ta) = S.Td – S.Ta
Với :

Td là nhiệt độ cần đo.

Ta là nhiệt độ môi trường.
S là độ nhạy của thermocouple (29,5µV/°C).

Như vậy là giá trị điện áp ra trên cặp nhiệt điện ngoài nhiệm vụ mang thông tin của
nhiệt độ cần đo còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường.
Để loại trừ ảnh hưởng trên, ta cần phải có một khối tạo ra điện áp theo nhiệt độ môi
trường nhưng có dấu ngược lại ⇒ dùng IC cảm biến LM335A.
• IC LM335A là loại cảm biến nhiệt độ bán dẫn, có độ nhạy là 10mV/°K. Áp tạo ra do
LM335A cảm biến được là :
V2 = K.Ta [°K] = K(273 + Ta) [°C] = K.273 + K.Ta = C + KTa

(C = K.273)

với K = 10mV/°K; C = 2,73V
⇒ có thể triệt tiêu ảnh hưởng của Ta, nhưng lại tạo ra một mức điện áp là 2,73V ở 0°C nên
cần phải có một khối để trừ 2,73V nhằm tạo điện áp đầu ra là 0V ở 0°C.
• Biến trở R12 chính là thành phần bù trừ điện áp 2,73V như đã nói ở trên.
• U10 (dùng OP07) đóng vai trò bộ cộng có khuếch đại, điện áp ra cuối cùng là :
V2
V 3  R 22 + R 23
 R 22 + R 23 

Vout = 1 +
+
V1
[ ( R17 + R 24) // R16]
−

R15
R15


 R17 + R 24 R16 
K .Ta
S .Td S .Ta 
C

 R 22 + R 23 
⇒ Vout = 1 +
+
+
−
−
[ ( R17 + R 24) // R16]
R15


 R17 + R 24 R17 + R 24 R16 R16 

−

R 22 + R 23
V1
R15

Không bị ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường :
K .Ta
S .Ta

R17 + R 24 K
10mV
−
=0⇒
= =
= 338,893
R17 + R 24 R16
R16
S 29,5µV

chọn R16 = 100Ω ⇒ R17 + R24 = 338,893KΩ ⇒ chọn R17 = 27KΩ và R24 là
biến trở 10KΩ. Khi đó cần điều chỉnh R24 để triệt tiêu Ta.

Trang 23


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

Triệt tiêu điện áp tĩnh (2,73V) :
R 22 + R 23 
C


 R 22 + R 23
V1 = 0
1 +
[ ( R17 + R 24 ) // R16]
−

R15
R15


 R17 + R 24 

với (R17 + R24)//R16 = (338,893KΩ)//(100Ω) = 99,97Ω
2,73
R 22 + R 23
 R 22 + R 23 
⇒ 1 +
=
xV 1
 x99,97 x
R15
338893
R15


R 22 + R 23 
2,73 (1) 2,73
hay :
V 1 −
=
R15
3389,947  3389,947


khi đó, điện áp ra là :
S .Td

 R 22 + R 23 
Vout = 1 +
[ ( R17 + R 24) // R16]
R15
R16



điện áp này được đưa trực tiếp vào ADC 12-bit (ICL7109) nên cần phải có một sự
tương thích về độ phân giải :
ADC 12-bit có 4096 mức.
Điện áp vào tối đa = 4,096V
⇒ 1LSB = 4,048V/4096 = 1mV
Điều khiển đến 409,6°C :
⇒ 1LSB = 409,6/4096 = 0,1°C
tức mỗi khi tăng 0,1°C thì điện áp ra tăng 1mV :
0,1.S
 R 22 + R 23 
= 1mV
1 +
[ ( R17 + R 24 ) // R16]
R15
R16


( R17 + R 24) // R16 338,893
do :
=
R16
339,893

R 22 + R 23
R 22 + R 23
⇒ 1+
= 339,893 ⇒
= 338,893
R15
R15

chọn R15 = 100Ω ⇒ chọn R22 = 27KΩ; R23 là biến trở 10KΩ.
Chỉnh R23 cho độ phân giải.
Thay vào (1) :
2,73 
2,73

338,893 xV 1 −
⇒ V 1 = 8mV
=
3389,947  3389,947


V1 được tạo ra từ cầu chia điện áp R11 = 3MΩ và R12 là biến trở 10KΩ.
⇒ cần chỉnh R5 để V1 đạt 8mV
• Các tụ C14, C15, C16 chọn giá trị 10µF để chống nhiễu.

Trang 24


Đồ án chuyên ngành

GVHD : ThS. Trần Văn Hùng

Lưu ý :
1. Các biến trở nên dùng loại biến trở tinh chỉnh (hay biến trở đo lường) có cấu tạo
gồm nhiều vòng dây điện trở xoắn bên trong (chỉnh nhiều vòng mới hết giá trị), tránh
dùng biến trở thông thường rất khó chỉnh và không ổn định (khi va chạm nhẹ bị thay đổi
giá trị).
2. Các OPAMP dùng loại OP07 hoặc tương đương, có mức offset thấp để phù hợp với các
đại lượng đo có giá trị nhỏ, các chân 1 và 8 dùng để chỉnh offset không dùng trong thiết kế này.

2.5. KHỐI MẠCH CÔNG SUẤT
R20

+5V

1

220VAC

470
6

MOC3020

1

1
2
R19

BTA16

Q2
2SC828

4

PWR
2.2K

LO NUONG
R18
330

Dùng OPTO TRIAC (MOC3020) để đảm bảo hai yêu cầu : cách ly về điện và đáng
tin cậy trong đóng ngắt. Tuy nhiên, do dòng do opto triac rất nhỏ, không đủ lái lò nướng
nên phải kích một triac khác (BTA16).
Opto triac được lái qua transistor 2SC828 gắn vào chân (……………………) nên
để bật hay tắt lò nướng, chỉ cần set hay clear bit tương ứng :
PWR
...
SETB
...
CLR
...

EQU

0B5H

;P3.5

PWR

;TURN ON THE OVEN

PWR

;TURN OFF THE OVEN

2.6. CÁCH CÂN CHỈNH MẠCH :

Trang 25