hệ thống đo và ổn định nhiệt độ phòng lập trình nhúng

ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
KHOA ĐIỆN TỬ
-----------------

BÀI TIỂU LUẬN

ĐỀ TÀI:

HỆ THỐNG ĐO VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ TRONG PHÒNG

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN:

TH.S TĂNG CẨM NHUNG

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

DƯƠNG VĂN LÀNH
NGUYỄN VĂN MINH (TN)


THÁI NGUYÊN – 06/2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KTCN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN TỬ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TIỂU LUẬN CUỐI KỲ

MÔN HỌC: HỆ THỐNG NHÚNG
BỘ MÔN: TIN HỌC CÔNG NGHIỆP
Sinh viên: Dương Văn Lành Mã số sinh viên: K175520114095 Lớp: K53CĐT.02
Nguyễn Văn Minh Mã số sinh viên: K175520114100 Lớp: K53CĐT.02
Chuyên ngành: Cơ điện tử
Giáo viên hướng dẫn: Th.S Tăng Cẩm Nhung
1. Tên tiểu luận: HỆ THỐNG ĐO VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ TRONG PHÒNG
2. Nội dung:
Chương I: Tổng quan về đề tài
Chương II: Khảo sát sơ đồ khối
Chương III: Thiết kế và lập trình
Chương IV: Đánh giá, kết luận và hướng phát triển trong tương lai.
3. Các hình ảnh, chương trình:
- Hình ảnh trên các phần mềm PicC, Proteous, Visio
- Hình ảnh minh họa trong các chương.

Giáo viên hướng dẫn
(ký và ghi rõ họ tên)

Sinh viên thực hiện
(ký và ghi rõ họ tên)

2


3


Mục lục

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Tổng quan về hệ thống
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, xã hội ngày càng văn
minh, hiện đại. Nhu cầu về điều khiển tự động các thiết bị trong phòng như quạt làm
mát và đèn sưởi trở nên cần thiết để có thể thay đổi nhiệt độ trong phịng.
Nhận ra từ nhu cầu thực tế trên, nhóm chúng em đã có ý tưởng thiết kế hệ thống
đo và ổn định nhiệt độ phòng. Hệ thống hoạt động dựa trên ngun tắc điều khiển có
tín hiệu phản hồi (nhiệt độ phòng đo được từ cảm biến), nếu nhiệt độ chưa ở mức thích
hợp thì hệ thống sẽ bật phụ tải Quạt để làm mát hoặc Đèn sưởi để tăng nhiệt độ.

4


Hình 1.1 Hệ thống đo và ổn định nhiệt độ phịng
Hệ thống chia là 03 phần chính:
-

Bộ phận thu nhận nhiệt độ từ bên ngồi mơi trường
Bộ phận chuyển đổi và xử lý
Cơ cấu chấp hành

1.2. Mô tả hoạt động của hệ thống
Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35, tín hiệu trả về dưới dạng Analog
được xử lý bằng vi điều khiển PIC 16F877A. Bằng thuật toán của chương trình, chúng
em xác định được nhiệt độ trong phịng. Nhiệt độ trong phòng sẽ được trả ra LCD để
dễ dàng theo dõi, đồng thời giá trị này được so sánh với 2 ngưỡng nhiệt độ đặt trước
(có thể thay đổi) để đưa ra phương án tiếp theo.
Nếu nhiệt độ trong phòng quá thấp (dưới ngưỡng T1) vi điều khiển sẽ xuất lệnh
chạy đèn sưởi để tăng nhiệt độ trong phịng đến mức thích hợp. Ngược lại, nếu nhiệt

độ phịng cao (trên ngưỡng T2) thì lúc này vi điều khiển sẽ xuất lệnh quạt làm mát
hoạt động để có thể hạ nhiệt độ trong phịng về mức nhiệt thích hợp.
Q trình này sẽ được lặp đi lặp lại trong suốt q trình hoạt động, người sử
dụng có thể thiết lập 2 ngưỡng nhiệt độ bằng nút bấm bên ngồi, khơng cần lập trình
lại, điều này có khiến hệ thống trở nên linh hoạt và phù hợp với nhiều nơi.

1.3. Yêu cầu đối với hệ thống
Để ứng dụng hiệu quả trong thực tế, hệ thống cần đảm bảo những yêu cầu:
-

Xác định chính xác nhiệt độ
Hoạt động bền bỉ, ổn định, hạn chế nhiễu và ảnh hưởng của môi trường xung
quanh
5


-

Thời gian quét lấy mẫu phải hợp lý để có thể liên tục xác định nhiệt độ và đưa
ra phương án điều chỉnh phù hợp
Có thể linh hoạt thay đổi để phù hợp với từng điều kiện thực tế
Thuật toán phải tối ưu, hạn chế lỗi trong quá trình hoạt động.

Hệ thống sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35 bởi vì:
-

Đo nhiệt độ chính xác hơn nhiệt điện trở (Thermistor)
Có điện áp đầu ra cao hơn các cặp nhiệt điện và có thể khơng cần khuếch đại
điện áp đầu ra
Giá thành rẻ, tính ứng dụng cao.

Với những yêu cầu đặt ra như trên, nhóm chúng em lựa chọn vi điều khiển PIC
16F877A bởi vì:
-

Vi điều khiển PIC 16F8777A có chân đọc Analog rất phù hợp để thu nhận tín
hiệu từ cảm biến nhiệt độ LM35
Tốc độ xử lý cao
Hoạt động ổn định
Phổ biến, dễ lập trình
Tính khả dụng và giá thành rẻ.

CHƯƠNG II: KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI
2.1. Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống

6


Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Từ nguyên lý hoạt động đã nêu trên, chúng ta dễ dàng xác định được sơ đồ khối
cho hệ thống, từ sơ đồ khối này chúng ta có thể phân chia nhiệm vụ, chọn linh kiện
cho từng khối chức năng.

2.2. Phân tích chức năng của từng khối
• Khối nguồn: có chức năng cấp nguồn cho tồn bộ mạch.
• Khối cảm biến: có chức năng thu nhận nhiệt độ của mơi trường bên ngồi, gửi về pic
dưới dạng Analog.
• Khối xử lý tín hiệu: tín hiệu dạng Analog trả về từ cảm biến được xử lý, chuyển đổi
sang dạng tín hiệu số.

• Khối giải mã: có chức năng giải mã nhiệt độ đo được từ khối xử lý tín hiệu sang mã
hiển thị lên LCD.
• Khối hiển thị: hiển thị kết quả và 2 ngưỡng đã cài đặt.
• Khối so sánh: so sánh dữ liệu từ khối xử lý với các giá trị đã cài sẵn (ở đây là ngưỡng
T1, T2).
• Khối cơ cấu chấp hành: khi nhận tín hiệu từ khối so sánh (thỏa mãn điều kiện) sẽ cho
hoạt động cơ cấu chấp hành( Quạt hoặc Đèn).
7


• Khối cài đặt : có chức năng cài đặt, hiệu chỉnh 2 ngưỡng nhiệt độ T1 và T2
Khi hoạt động thực tế, các khối chức năng phối hợp với nhau theo một quy luật
nhất định, bất kỳ khối nào xảy ra lỗi đều khiến hệ thống hoạt động sai

2.3. Chọn linh kiện cho từng khối chức năng
- Khối nguồn: Sử dụng nguồn DC 5V
- Khối cảm biến: Sử dụng 01 cảm biến nhiệt độ LM35
- Khối xử lý, khối giải mã, so sánh: Sử dụng 01 vi điều khiển PIC 16F877A
- Khối hiển thị: Dùng màn hình 01 LCD 16x2
- Khối cơ cấu chấp hành: Dùng 02 rơle, quạt và đèn sưởi
- Khối cài đặt: Dùng 4 nút nhấn.

8


CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH
3.1. Thiết kế chương trình mơ phỏng trên phần mềm Proteus
Do điều kiện thực tế khơng cho phép nhóm em làm mạch thật, cho nên nhóm
em đã sử dụng phần mềm Proteus để vẽ mạch và mô phỏng hệ thống. Đây là công cụ
hữu ích cho các bạn sinh viên có thể tiếp cận, làm quen với các vi xử lý, vi điều

khiển,.. trước khi làm sản phẩm thật.

Hình 3.1 Giao diện phần mềm vẽ mạch Proteus 8.12

Q trình thực hiện vẽ mạch mơ phỏng trên phần mềm Proteus trải qua 04
bước:
Bước 1: Lấy linh kiện
Bước 2: Đấu nối các linh kiện, thành phần với nhau
Bước 3: Hiệu chỉnh, bố trí lại mạch
Bước 4: Nạp chương trình vào cho VĐK và chạy mơ phỏng

9


3.1.1. Chọn linh kiện cần dùng trong hệ thống

Hình 3.2 Giao diện Pick devices trong Proteus

Hình 3.3 Danh sách các linh kiện đã chọn
Danh sách linh kiện sử dụng trong hệ thống:
-

Nút nhấn (Button)
Tụ điện (Cap-Pol/Cap)
Thạch anh (Crystal)
Đèn (Lamp)
Cảm biến nhiệt độ (LM35)
Biến trở (Minres/Res)
Vi điều khiển (PIC 16F877A)
Động cơ (Motor)

10


-

Biến trở (Pot-Hg)
Rơ le (Relay)

3.1.2 Đấu nối và hiệu chỉnh các linh kiện cho hệ thống

Hình 3.4 Hệ thống sau khi đấu nối và bố trí lại mạch

Khi đấu nối trong phần mềm Proteus, chúng ta có thể đặt tên cho đầu dây để
mạch được gọn gàng hơn. Bố trí các phần tử trong phần mềm sao cho hợp lý, đẹp
mắt nhất có thể.

11


3.2. Lập trình cho hệ thống bằng phần mềm CCS

Hình 3.5 Giao diện phần mềm CCS
Dùng phần mềm CCS để lập trình và biên dịch chương trình cho vi điều khiển
Pic 16F877A.
Các bước để viết hồn chỉnh một chương trình cho vi điều khiển Pic
Bước 1: Tạo 1 Project sử dụng Pic Wizard
Bước 2: Viết chương trình
Bước 3: Kiểm tra lỗi, biên dịch (Compile) để tạo file .hex

Hình 3.6 Tạo Project Wizard

12


Hình 3.7 Chọn vi điều khiển, tốc độ nguồn dao dộng

Hình 3.8 Giao diện CCS sau khi tạo project và khai báo vi điều khiển

13


Hình 3.9 Lập trình phần khai báo và khởi tạo các chân

14


15


Hình 3.10 Lập trình chương trình chính

Hình 3.11 Lập trình vòng lặp While
16


Hình 3.12 Lập trình cho 4 nút nhấn để cài đặt 2 ngưỡng nhiệt độ

Hình 3.13 Lập trình phần so sánh nhiệt độ với ngưỡng đã đặt trước

17

3.3. Nạp chương trình vào Pic để chạy mơ phỏng

Hình 3.14 Nạp chương trình vào cho VĐK Pic
Chọn file .hex đã tạo từ trước, Vi điều khiển Pic 16F877A chỉ nhận file .hex

Hình 3.15 Hệ thống khi hồn thiện và chạy mô phỏng

18


Chương IV: ĐÁNH GIÁ, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
TRONG TƯƠNG LAI
4.1. Đánh giá và kết luận
Sau thời gian nỗ lực không ngừng trong học tập cũng như sự nhiệt tình chỉ bảo
của cơ Tăng Cẩm Nhung cũng như các thầy, cơ trong bộ mơn, nhóm chúng em đã
hồn thành được đề tài: “THIẾT KẾ HỆ ĐO VÀ ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ TRONG
PHỊNG” trong q trình thực hiện đề tài chúng em đã đúc kết được nhiều kinh
nghiệm quý báu cho bản thân để phục vụ cho chúng em trong q trình học tập sau
này.
Đề tài của chúng em có những ưu nhược điểm sau.:
- Ưu điểm
+ Có thể áp dụng mạch này vào thực tế một cách dễ dàng và thay đổi được các
ngưỡng nhiệt độ sao cho phù hợp với từng nhu cầu và điều kiện cụ thể.
+ Hệ thống hoạt động ổn định, ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tổ bên ngoài
+ Việc thiết kế mạch đơn giản và tốn ít chi phí.
- Nhược điểm
+ Thuật tốn chưa tối ưu
+ Cảm biến nhiệt độ LM35 có độ chuẩn xác hơn kém 0,4 °C ở nhiệt độ phịng
bình thường và hơn kém 0,8 °C trong khoảng 0 °C đến + 100 °C.

Với những kết quả đạt được như trên, hệ thống rất hữu ích khi ứng dụng trong
nghiên cứu lẫn sử dụng thực tế.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, việc tích hợp
sẵn các hệ thống đo và ổn định nhiệt độ vào các căn nhà ngày càng tăng. Để đáp ứng
nhu cầu đó, nhóm bọn em sẽ tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện hệ thống hơn nữa.
Đầu tiên, nhóm em sẽ tìm cách tối ưu hóa thuật tốn để chương trình hoạt động
ổn định hơn nữa, không gặp phải những lỗi vặt.
Thứ hai, chúng em sẽ tìm hiểu những dịng cảm biến nhiệt độ khác để thay thế
cho cảm biến LM35 trong tương lai, cảm biến mới có chất lượng cao hơn mà giá thành
không đổi.
19


Thứ ba, hệ thống sẽ được tích hợp các modun điều khiển từ xa (Wifi hoặc
bluetooth,..) để có thể chủ động điều khiển hệ thống từ xa, tích hợp các modun này sẽ
đem lại cảm giác rất tốt khi sử dụng.
Cuối cùng, hệ thống cịn có thể tích hợp thêm rất nhiều các loại cảm biến khác
nhau như cảm biến độ ẩm. Vào thời gian đầu năm, thời tiết thường ẩm ướt, khi này cần
hệ thống sấy khô nhà tự động.
Tài liệu tham khảo:
o Giáo trình Hệ thống nhúng – TNUT
o Hệ thống nhúng – Wikipedia
o Giáo trình lập trình C – Codegym.vn
o Datasheet Pic 16F877A/ LM35

20