MẠCH báo CHÁY PHÁT HIỆN KHÓI đo NHIỆT độ DÙNG PIC (có code và layout)

ĐỒ ÁN 2

MẠCH BÁO CHÁY PHÁT HIỆN KHÓI,
ĐO NHIỆT ĐỘ DÙNG PIC


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................V
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................VI
CHƯƠNG 1. TÌM HIỂU LINH KIỆN...............................................................................7
1.1

PIC 16F877A.............................................................................................................7

1.1.1

Giới thiệu 7

1.1.2

Một vài thông số của PIC16F877A

1.1.3

Sơ đồ và chức năng chân của PIC16F877A 9

1.1.4

Đặc điểm của PIC 10

1.1.5

Sơ đồ khối VĐK PIC16F877A 12

1.2

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ LM35......................................................................................13

1.2.1

Giới thiệu 13

1.2.2

Đặc điểm 13

1.3

7

CẢM BIẾN KHÍ GAS, KHÓI MQ5................................................................................14

1.3.1

Giới thiệu 14

1.3.2

Thông số kỹ thuật 14

1.4

LCD 16X2................................................................................................................15

1.5

THẠCH ANH..............................................................................................................15

1.6

TỤ HÓA.....................................................................................................................16

1.7

ĐIỆN TRỞ..................................................................................................................16

1.8

IC 7805.....................................................................................................................17

1.9

TRANSISTOR C1815..................................................................................................17

1.10 NÚT NHẤN................................................................................................................18
1.11 LED ĐƠN...................................................................................................................18
1.12 BUZZER.....................................................................................................................18
CHƯƠNG 2. THIÊT KẾ MẠCH......................................................................................19
2.1

SƠ ĐỒ KHỐI..............................................................................................................19

2.2

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG..........................................................................................19

CHƯƠNG 3. THỰC THI PHẦN CỨNG.........................................................................20


3.1

LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT.................................................................................................20

3.2

THI CÔNG PHẦN CỨNG..............................................................................................21

3.2.1

Sơ đồ mạch mô phỏng 21

3.2.2

Mạch thực tế 22

3.3

KẾT QUẢ...................................................................................................................23

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN, ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.......................25
4.1

KẾT LUẬN.................................................................................................................25

4.2

ỨNG DỤNG................................................................................................................25

4.3

HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................................................25

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................26
PHỤ LỤC

....................................................................................................................26


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Hình ảnh PIC 16F877A................................................................................9
Hình 1-2: Sơ đồ chân PIC16F877A............................................................................10
Hình 1-3: Sơ đồ khối PIC16F877A.............................................................................13
Hình 1-4: Cảm biến nhiệt LM35.................................................................................14
Hình 1-5: Cảm biến khí gas, khói MQ-5.....................................................................16
Hình 1-6: Hình ảnh LCD 16x2....................................................................................16
Hình 1-7: Tụ thạch anh................................................................................................17
Hình 1-8: Tụ hóa.........................................................................................................17
Hình 1-9: Điện trở.......................................................................................................18
Hình 1-10: IC 7805.....................................................................................................18
Hình 1-11: Transistor C1815.......................................................................................19
Hình 1-12: Nút nhấn...................................................................................................19

Hình 1-13: Led đơn.....................................................................................................20
Hình 1-14: Buzzer.......................................................................................................20
Hình 2-1: Sơ đồ khối của mạch...................................................................................21
Hình 3-1: Lưu đồ giải thuật của mạch.........................................................................22
Hình 3-2: Mạch mô phỏng..........................................................................................23
Hình 3-3: Layout mạch in...........................................................................................24
Hình 3-4: Mạch thục tế...............................................................................................24
Hình 3-5: Mạch in thực tế...........................................................................................25
Hình 3-6: Mạch khi cấp nguồn....................................................................................25
Hình 3-7: Nhấn nút UP tăng nhiệt độ cài đặt...............................................................26
Hình 3-8: Nhấn nút DOWN giảm nhiệt độ cài đặt......................................................26
Hình 3-9: Mạch báo động............................................................................................27


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
VCC

Voltage Collector to Collect

GND

Ground

I2C

Inter-Intergrated Circuit

I/O

In/Out

IDE

Intergrated Development Environment

SSP

Synchronous Serial Port

PWM

Pulse Width Modulation

SCK

Serial Clock

SPI

Serial Peripheral Bus

SS

Slave Select

TTL

Transistor-transistor logic

UART

Universal Asynchronous Receiver – Transmitter


ĐỒ ÁN 2
Trang 6/29

CHƯƠNG 1.

TÌM HIỂU LINH KIỆN

1.1 PIC 16F877A
1.1.1

Giới thiệu

PIC16F877A là một trong những vi điều khiển phổ biến trong ngành công
nghiệp điện tử và vi mạch. Vi điều khiển này rất thuận tiện khi sử dụng, việc mã
hóa hoặc lập trình cho vi điều khiển này cũng khá đơn giản, dễ dàng. Một trong
những lợi ích chính là nó có thể ghi-xóa được nhiều dữ liệu vì nó sử dụng công
nghệ bộ nhớ FLASH. Nó có tổng số 40 chân và có 33 pins I/O(In/Out - Ngõ
vào/Ngõ ra). PIC16F877A được sử dụng trong nhiều dự án vi điều khiển PIC.
PIC16F877A cũng có nhiều ứng dụng trong các mạch điện tử kỹ thuật số.
PIC16F877A ứng dụng trong phần lớn các thiết bị điện tử. Nó được sử dụng
trong các cảm biến từ xa, thiết bị an ninh và an toàn, tự động hóa thiết bị nhà ở và
công nghiệp. Nó cũng được đặc trưng bởi một EEPROM có thể lưu trữ một số
thông tin vĩnh viễn như mã máy phát và tần số nhận và một số dữ liệu liên quan
khác. Vi điều khiển này có mức khá thấp và xử lý cũng dễ dàng.

1.1.2

Một vài thông số của PIC16F877A

PIC16F877A có 256 byte bộ nhớ dữ liệu EEPROM (Electrically-ErasableProgrammable-Read-Only-Memory), lập trình tự, ICD, 2 bộ so sánh, 8 kênh
analog-to-digital 10-bit, các chức năng capture / so sánh / PWM, cổng nối tiếp đồng
bộ có thể được cấu hình như một giao tiếp nối tiếp ngoại vi 3-wire (SPI) hoặc bus 2
mạch Inter-Integrated Circuit (I2C) và một bộ thu nhận đồng bộ không đồng bộ
(USART).

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 7/29

Hình -1: Hình ảnh PIC 16F877A

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 8/29

1.1.3 Sơ đồ và chức năng chân của PIC16F877A

Hình -2: Sơ đồ chân PIC16F877A

PIN 2,3: RA0 / AN0, RA1 / AN1: PORTA Xuất/nhập số, kênh vào tương tự 0, 1.
PIN 4: RA2 / AN2 / Vref- / CVref: PORTA Xuất/nhập số, kênh vào tương tự 2.
Hoặc điện áp tham chiếu âm tương tự.

PIN 5: RA3 / AN3 / Vref +: PORTA Xuất/nhập số, kênh vào tương tự 3. Hoặc có
thể hoạt động như điện áp tham chiếu dương tương tự.
PIN 6: RA0 / T0CKI: PORTA Xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoài cho
Timer 0/ ngõ ra bộ so sánh 1.
PIN 7: RA5 / SS / AN4 / COUT2: xuất nhập số/ kênh vào tương tự 4/ PORTA ngõ
vào chọn lựa SPI phụ/ ngõ ra bộ so sánh 2.
PIN 8, 9, 10: RE0 / RD / AN5, RE1 / WR / AN6, RE2 / CS / A7: PORTE xuất nhập
số/ đọc, ghi, chọn port song song/ ngõ vào tương tự 5.
PIN 11 và 32, 12 và 31: VDD, VSS: chân nguồn của PIC.

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 9/29

PIN 13, 14: OSC1 / CLKIN, OSC2 / CLKOUT: Đây là đầu vào/ra dao động thạch
anh hoặc pin đầu vào/ra xung clock ngoài.
PIN 15, 16: RC0 / T1OCO / T1CKI, RC1 / T1OSI / CCP2: PORTC cổng đầu vào,
ra số 1, 2 / Đầu vào, ra dao động của Timer1 / Ngõ vào xung clock ngoài Timer 1,
ngõ vào Capture 2, ngõ ra so sánh 2, ngõ ra PWM2.
PIN 17: RC2 / CCP: PORTC xuất nhập số / ngõ vào Capture 1 ,ngõ ra so sánh 1,
ngõ ra PWM1..
PIN 18: RC3 / SCK / SCL: PORTC xuất nhập số/ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng
bộ, ngõ ra chế độ SPI./ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra của chế độ I2C.
PIN 23: RC4 / SDI / SDA: PORTC xuất nhập số/ dữ liệu vào SPI/ xuất nhập dữ liệu
I2C.
PIN 24: RC5 / SDO: PORTC xuất nhập số/ dữ liệu vào SPI.
PIN 25: RC6 / TX / CK: PORTC xuất nhập số/ truyền bất đồng bộ USART/ xung
đồng bộ USART.

PIN 26: RC7 / RX / DT: PORTC xuất nhập số/ nhận bất đồng bộ USART.
PIN 19,20,21,22,27,28,29,30: PORTD xuất nhập số. Khi bus bộ vi xử lý được giao
tiếp, nó có thể hoạt động như một cổng song song slave.
PIN 33-40: PORT B: PORTB. Trong đó RB0 có thể được sử dụng như pin ngắt bên
ngoài và RB6 và RB7 có thể được sử dụng như trong mạch gỡ lỗi mạch.
1.1.4 Đặc điểm của PIC
Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14
bits. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động tối
đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình 8Kx14

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 10/29

bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng
256x8 byte. Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O. Có 8 kênh chuyển đổi A/D.
 Các đặc tính ngoại vi:
- Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit.
- Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm
dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ
sleep.
- Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler.
- Hai bộ Capture/so sánh/PWM.
- Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C.
- Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ.
- Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển
RD, WR

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 11/29

1.1.5 Sơ đồ khối VĐK PIC16F877A

Hình -3: Sơ đồ khối PIC16F877A

Gồm các khối:

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 12/29

1.2 Cảm biến nhiệt độ LM35
1.2.1 Giới thiệu
Cảm biến nhiệt độ LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao
(analog). Điện áp đầu ra của nó tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ Celsius (Celsius). LM35
do đó có lợi thế hơn các cảm biến nhiệt độ tuyến tính được định cỡ bằng Kelvin, vì
người dùng không bắt buộc phải trừ một lượng lớn điện áp cố định từ đầu ra của nó
để thu được giá trị nhiệt độ thuận lợi. Nhiệt độ được xác định bằng cách đo điện áp
ngõ ra của cảm biến LM35. Với kích thước nhỏ, chi phí thấp và độ tin cậy, LM35
được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật.

Hình -4: Cảm biến nhiệt LM35

1.2.2 Đặc điểm
• Hiệu chỉnh theo nhiệt độ Celsius(oC)
• Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC
• Đảm bảo độ chính xác khoảng 0.5°C ở 25°C
• Được đánh giá cao ở nhiệt độ -55 °C đến 150 °C
• Nguồn cấp từ 4 V đến 30 V

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 13/29

• Dòng tiêu thụ ít hơn 60μA
• Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ở khoảng -55°C tới 150°C
1.3 Cảm biến khí gas, khói MQ-5
1.3.1 Giới thiệu
Cảm biến khí MQ-5 được sử dụng để làm sạch không khí với độ dẫn điện thấp
của dioxide thiếc (SnO2). Khi môi trường có sự biến đổi về khí dễ cháy với nồng độ
khí các chất dễ cháy trong không khí gia tăng. Sử dụng một mạch đơn giản để
chuyển đổi sự thay đổi độ dẫn của nồng độ khí tương ứng với tín hiệu đầu ra. Cảm
biến khí MQ-5 có độ nhạy cao với butan, propan, metan… và propan có thể được
xác định tốt hơn.

Hình -5: Cảm biến khí gas, khói MQ-5

1.3.2 Thông số kỹ thuật
Aout: Điện áp ra tương tự từ 2.5 - 5V, độ nhạy của MQ-5 phụ thuộc vào nồng độ
khí xung quanh.
Dout: Điện áp ra số, giá trị 0 hay 1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ

khí mà MQ-5 đo được. Chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản,
không cần đến vi điều khiển. Ta chỉ cần điều chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ
ta muốn cảnh báo. Khi nồng độ MQ-5 đo được thấp hơn mức cho phép thì Dout =
1. Đèn LED tắt. Khi nồng độ khí đo được lớn hơn nồng khí cho phép, Dout = 0, đèn
LED sáng.

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 14/29

GND: Chân nối đất.
Vcc: Chân nối nguồn.
1.4 LCD 16x2

Hình -6: Hình ảnh LCD 16x2

Màn hình LCD 16x2 là module cơ bản và thường được sử dụng trong các thiết
bị và mạch khác nhau. LCD 16x2 có thể hiển thị 16 ký tự trên mỗi dòng và có 2
dòng. Trong màn hình LCD mỗi ký tự được hiển thị trong ma trận pixel 5x7. Màn
hình ma trận chữ và số 16 x 2 thông minh có khả năng hiển thị 224 ký tự và các ký
hiệu khác nhau.
1.5 Thạch anh

Hình -7: Tụ thạch anh

Thạch anh là bộ dao động khá ổn định để tạo ra tần số dao động cho vi điều
khiển, và tần số dao động được ghi trên lưng thạch anh. Trong điện tử đa phần cần
tạo tần số ổn định và tần số của thạch anh tạo ra ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là

các mạch dao động RC. Trong Vi điều khiển cần phải có thạch anh (trừ các loại có
dao động nội) vì VĐK có CPU, timer,…

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 15/29

1.6 Tụ hóa

Hình -8: Tụ hóa

Tụ hoá hay Tụ điện điện phân (electrolytic capacitor) là loại tụ điện có phân cực.
Anode (+) làm bằng kim loại đặc biệt được xử lý bề mặt để tạo lớp oxyt cách điện.
Sau đó chất điện phân rắn hoặc không rắn (non-solid) được phủ lên mặt lớp oxyt để
tạo ra cathode (-). Nó được dùng nhiều trong các bộ lọc cung cấp nguồn, nơi mà
điện tích lưu trữ cần cho việc điều tiết điện áp ra và sự dao động của dòng điện,
trong chỉnh lưu ngõ ra.
1.7 Điện trở

Hình -9: Điện trở

Điện trở là linh kiện giúp điều chỉnh dòng điện theo nhu cầu của mạch. Các loại
điện trở khác nhau có thể được sử dụng trong cả mạch điện và điện tử để kiểm soát
dòng điện hoặc tạo ra một điện áp bằng nhiều cách khác nhau.

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ

ĐỒ ÁN 2
Trang 16/29

1.8 IC 7805

Hình -10: IC 7805

Là IC ổn định điện áp đầu ra, thường dùng trong các mạch nguồn điều chỉnh giá
trị điện áp cung cấp cho các linh kiện trong mạch.
 Điện áp đầu vào khoảng 7V - 35V
 Dòng khoảng 1A
 Điện áp đầu ra khoảng Vmax = 5.2V, Vmin = 4.8V
1.9 Transistor C1815

Hình -11: Transistor C1815

Transistor C1815 (NPN) là loại linh kiện bán dẫn chủ động, có nhiều ứng dụng như
khuếch đại, công tắc đóng mở khóa điện tử, điều chỉnh điện áp… Trong mạch nó
được dùng như 1 khóa điện tử.

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 17/29

1.10

Nút nhấn

Hình -12: Nút nhấn

Là linh kiện thụ động. Trong mạch, nó được dùng để điều khiển các chức năng cài
đặt trong VĐK.
1.11

Led đơn

Hình -13: Led đơn

Thường được dùng trang trí hoặc kiểm tra khả năng hoạt động của mạch.
1.12

Buzzer

Hình -14: Buzzer

Được dùng trong mạch để tạo tín hiệu âm thanh báo động.

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 18/29

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH
2.1 Sơ đồ khối

Ngõ vào
Bộ xử lí

LM35
MQ-5

Ngõ ra

VĐK

Ngõ vào điều chỉnh

PIC16F877A

LCD 16x2
Chuông báo cháy

Nút nhấn

Hình THIẾT KẾ MẠCH-15: Sơ đồ khối của mạch

2.2 Nguyên lý hoạt động
Đầu tiên ta cấp nguồn cho mạch. Khi có nguồn VĐK PIC bắt đầu nhận tín hiệu
từ cảm biến đo nhiệt độ LM35 và cảm biến khói MQ-5 hiển thị ra màn hình LCD.
Đối với cảm biến nhiệt LM35, sử dụng 2 nút nhấn UP, DOWN để cài đặt nhiệt
độ ngưỡng theo ý muốn. Nếu nhiệt độ LM35 đo được từ môi trường xung quang
lớn hơn hoặc bằng nhiệt độ ngưỡng cài đặt thì PIC sẽ kích điện áp tại chân…ở mức
cao từ đó kích transistor, dấn nguồn cung cấp cho khối đèn nháy sang và còi báo
kêu.
Đối với cảm biến khí gas, khói MQ-5, cảm biến sẽ đo nồng độ các chất khí từ
môi trường xung quanh. Nếu nồng độ các chất khí dễ cháy hoặc khí CO tăng cao,
giá trị điện áp đầu ra tăng theo và khi vượt mức cho phép PIC sẽ đọc được tín hiệu

điện áp ở chân Aout của cảm biến. Sau đó PIC sẽ kích dẫn nguồn đến transistor
cung cấp cho khối đèn và còi báo.
Khi có các tín hiệu cảnh báo VĐK PIC cũng đồng thời truyền tín hiệu đến màn
hình LCD để hiển thị các dòng cảnh báo đã được thiết lập.

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 19/29

CHƯƠNG 3. THỰC THI PHẦN CỨNG
3.1 Lưu đồ giải thuật

Hình THỰC THI PHẦN CỨNG-16: Lưu đồ giải thuật của mạch

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 20/29

3.2 Thi công phần cứng
3.2.1 Sơ đồ mạch mô phỏng

Hình THỰC THI PHẦN CỨNG-17: Mạch mô phỏng

Sau khi nối dây ở ISIS xong ta chuyển qua RRES để tạo mạch in.
Ở đây chúng ta xắp xếp các linh kiện một cách hợp lý và ta đươc mạch như sau:

Hình THỰC THI PHẦN CỨNG-18: Layout mạch in

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 21/29

3.2.2 Mạch thực tế

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 22/29

Hình THỰC THI PHẦN CỨNG-19: Mạch thục tế

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 23/29

Hình 3-5: Mạch thực tế

Hình Hình 3-5: Mạch thực tế-20: Mạch in thực tế

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ

ĐỒ ÁN 2
Trang 24/29

3.3 Kết quả

Hình Hình Hình -21: Mạch khi cấp nguồn-21: Mạch khi cấp nguồn-21: Mạch khi cấp nguồn

Hình Hình Hình -22: Nhấn nút UP tăng nhiệt độ cài đặt-22: Nhấn nút UP tăng nhiệt độ cài
đặt-22: Nhấn nút UP tăng nhiệt độ cài đặt

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ


ĐỒ ÁN 2
Trang 25/29

Hình Hình Hình Hình -22: Nhấn nút UP tăng nhiệt độ cài đặt-22: Nhấn nút UP tăng
nhiệt độ cài đặt-22: Nhấn nút UP tăng nhiệt độ cài đặt-23: Nhấn nút DOWN giảm nhiệt
độ cài đặt

Hình Hình Hình Hình -22: Nhấn nút UP tăng nhiệt độ cài đặt-22: Nhấn nút UP tăng nhiệt độ
cài đặt-22: Nhấn nút UP tăng nhiệt độ cài đặt-24: Mạch báo động

Mạch báo cháy cảm biến khói , đo nhiệt độ