ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
---

---

BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ

--ĐỒ ÁN MƠN HỌC
---

ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
BỘ CƠNG THƯƠNG

ĐỀ TÀI: Xây dựng hệ thống đo nhiệt độ lò nung sử dụng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI

cảm biến nhiệt
điện
KHOA
CƠtrở
KHÍ kim loại.
---

---

Giảng viên hướng dẫn : ThS. Lê Văn Nghĩa

ĐỒ
ÁN MÔN
BỘ CÔNG THƯƠNG
Sinh viên thực
hiện
:1. Nguyễn Anh Tuấn - 2018603974
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
2. Nguyễn
Văn
KHOA
CƠ KHÍ

Tài – 2018605136

ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ
ĐO VÀ
XỬ LÍ TÍN
3. THỐNG
Hà Văn Thành
– 2018603806
---

---

HIỆU
PHÁT
LớpSỬ DỤNG CẢM BIẾN
: ĐH CƠ

ĐIỆNHIỆN
TỬ 2 –LỬA,
K13 CẢM
BIẾN NHIỆT ĐỂ CẢNH BÁO VÀ CHỮA CHÁY
BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
Hà Nội: 2020

ĐỒ ÁN MÔN
---1--ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp: cơ điện tử 2
Khóa: k13
2. Tên nhóm: nhóm
Họ và tên thành viên: Nguyễn Anh Tuấn – 2018603974
Nguyễn Văn Tài – 2018605136
Hà Văn Thành – 2018603806
II. Nội dung học tập
1. Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống đo tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng
cảm biến tiệm cận.
2. Hoạt động của sinh viên
- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L1.1)
- Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2)
- Nội dung 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống (L2.1)
- Nội dung 4: Viết báo cáo
3. Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch và mô hình sản phẩm (Nếu

có)
III. Nhiệm vụ học tập
1. Hồn thành đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày …/…/…. đến
ngày …/…/….).
2. Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng
đánh giá.
IV. Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
1. Tài liệu học tập: Giáo trình mơn học Cảm biến và hệ thống đo, vi điều
khiển.
2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
(nếu có): Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng.
KHOA/TRUNG TÂM

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

ThS. Lê Văn Nghĩa
2


MƠ TẢ KỸ THUẬT
1. Mơ tả nhiệm vụ cơng nghệ
-Hệ thống có khả năng:
- Giả lập tín hiệu điều khiển nhiệt độ lò nung cách bật /tắt bộ gia nhiệt, hiển
thái tín hiệu điều khiển on/off bằng đèn LED.

thị trạng

- Đo nhiệt độ trong lò bằng cảm biến nhiệt điện trở kim loại
- Hiển thị nhiệt độ liên tục theo thời gian thực trên màn hình LCD.
- Có chức năng lựa chọn giới hạn nhiệt độ trên và dưới để đưa ra cảnh báo

khi giá trị nhiệt độ vượt ngoài khoảng cho phép
2. Cấu trúc thiết bị
Thiết bị

Loại sử dụng

Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt điện trở kim loại

Mạch chuyển đổi xử lí tín hiệu

ADC ngồi hoặc trong chíp

Bộ điều khiển

Vi điều khiển

Hiện thị nhiệt độ tức thời

LCD

Phím chức năng nhập dữ liệu

Nút bấm số/ Màn hình chạm

Tín hiệu cảnh báo

Đèn

3. Đặc tính kỹ thuật
Thơng số

Giá trị

Giới hạn nhiệt độ đo

20-10000C

Sai số đo

5%

Bộ chuyển đổi ADC

>=10 bit

3


4. Nội dung báo cáo
- Bản vẽ
Tên bản vẽ

TT

Khổ giấy

Số lượng

1

Bản vẽ sơ đồ hệ thống

A3

1

2

Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống

A3

1

- Báo cáo
Chương 1 Tổng quan về hệ thống
1.1. Giới thiệu chung
1.2. Các yêu cầu cơ bản
1.3. Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
1.4 Ý nghĩa thực tiễn
Chương 2 Xây dựng mơ hình hệ thống
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
2.5. Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống (Nếu có)
Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống
3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí

3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống
Kết Luận.

4


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng mạnh mẽ trong tất cả
các lĩnh vực của đời sống và xản xuất. Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào
các hoạt động sản xuất đòi hỏi con người phải khơng ngừng học hỏi và nâng
cao trình độ hiểu biết để kịp thời cập nhật những tiến bộ mới nhất của thế giới.
Chính vì vậy, phát triển ngành cơ điện tử có ý nghĩa hết sức quan trọng vì các
sản phẩm của ngành phục vụ trong tất cả các ngành khác trong nền kinh tế như:
phục vụ trong lĩnh vực tự động hóa, kỹ thuật robot, chế tạo, điều khiển và cảm
ứng, …
Trong lĩnh vực Cơng nghiệp nói chung, đặc biệt là trong các dây truyền
sản xuất, chúng ta thường bắt gặp 04 đại lượng (hay gọi là biến đo lường) chính
được giám sát, theo dõi một cách chặt chẽ bao gồm: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng
và mức. Đây là những biến có vai trị hết sức quan trọng và không thể thiếu
trong mỗi dây truyền công nghệ.
Trong đề tài đồ án môn “Xây dựng hệ thống đo nhiệt độ lò nung sử dụng
cảm biến nhiệt điện trở kim loại” này, nhóm sinh viên chúng em xin trình bày
một cách cụ thể về quá trình nghiên cứu tìm hiểu và tính tốn, thiết kế mơ
hình. Thơng qua đó có thể áp dụng nó vào các bài nghiên cứu khoa học hay
vào đồ án tốt nghiệp chuyên ngành khi ra trường.
Để bài báo cáo được hoàn thiện hơn, nhóm chúng em hi vọng nhận được
những góp ý từ phía các thầy cơ. Qua đây, chúng em cũng xin được gửi lời
cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Cơ khí nói chung và thầy cơ trong bộ

mơn Cơ điện tử nói riêng đã nhiệt tình hướng dẫn đồ án môn cho chúng em.

Hà Nội, ngày … tháng … năm
2020

5


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU ................................................................................................. 5
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................... 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................. 9
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ................................................ 10
1.1. Giới thiệu chung.................................................................................... 10
1.2. Các yêu cầu cơ bản ............................................................................... 10
1.2.1. Mô tả nhiệm vụ công nghệ ............................................................. 10
1.2.2. Cấu trúc thiết bị............................................................................... 11
1.2.3. Đặc tính kỹ thuật ............................................................................. 11
1.3. Phương pháp nghiên cứu, phạm vi giới hạn nghiên cứu ...................... 11
1.3.1. Phương pháp nghiên cứu: ............................................................... 11
1.3.2. Phạm vi ........................................................................................... 12
1.3.3. Giới hạn nghiên cứu........................................................................ 12
1.3.4. Ý nghĩa thực tiễn............................................................................. 12
Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG...................................... 13
2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống................................................................. 13
2.1.1. Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................ 13
2.1.2. Chức năng các khối......................................................................... 13
2.2. Phân tích và lựa chọn cảm biến ............................................................ 14
2.2.1. Phân tích.......................................................................................... 14
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ pt100: ....................... 16

2.3. Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển ..................................................... 17
2.3.1. Phân tích.......................................................................................... 17
2.3.2. Các chân kết nối của Arduino Uno R3 ........................................... 19
2.4. Thiết kế mạch đo và xử lí tín hiệu ........................................................ 20
2.4.1. Thiết kế mạch đo............................................................................. 20
2.4.2. Thông số kỹ thuật LCD 16x2: ........................................................ 20
6


2.4.3

Module I2C Arduino: ................................................................... 21

2.4.4

Keypad 4x4 .................................................................................. 23

2.5. Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống ..................................................... 24
Chương 3. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG.......................... 25
3.1. Chế tạo các bộ phận điện, điện tử ......................................................... 25
3.1.1. Arduino Uno R3.............................................................................. 25
3.1.2. Màn hình LCD tích hợp I2C. .......................................................... 25
3.2. Xây dựng chương trình điều khiển ....................................................... 26
3.3. Thử nghiệm và đánh giá hệ thống......................................................... 27
KẾT LUẬN .................................................................................................... 28
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 29
3.4. Code cho chương trình điều khiển ........................................................ 29
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 32

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2. 1 Sơ đồ khối của hệ thống .................................................................. 13
Hình 2. 2 Can nhiệt PT100 ............................................................................. 15
Hình 2. 3 Cấu tạo PT100 ................................................................................ 15
Hình 2. 4 Nguyên lý hoạt động của can nhiệt loại K ...................................... 17
Hình 2. 5 Mạch Arduino Uno R3 .................................................................... 17
Hình 2. 6 Các chân kết nối của Arduino Uno R3 ........................................... 19
Hình 2. 7 Arduino và dây nguồn ..................................................................... 20
Hình 2. 8 Màn hình LCD I2C.......................................................................... 20
Hình 2. 9 Sơ đồ đấu nối giao tiếp IC2 với LCD 16x2..................................... 22
Hình 2. 10 keypad kết nối với arduino ............................................................ 23
7


Hình 2. 11 Mơ phỏng hệ thống........................................................................ 24

8


DANH MỤC BẢNG BIỂU
bảng 1. 1 bảng cấu trúc thiết bị ....................................................................... 11
bảng 1. 2 Đặc tính kĩ thuật .............................................................................. 11
bảng 2. 1 Thông số điện trở của cảm biến nhiệt pt100 ................................... 16
bảng 2. 2 Đặc điểm kĩ thuật Arduino Uno R3 ................................................ 18
bảng 2. 3 Giao tiếp I2C và LCD Arduino ....................................................... 22

9


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1. Giới thiệu chung

Trong lĩnh vực Cơng nghiệp nói chung, đặc biệt là trong các dây truyền
sản xuất, chúng ta thường bắt gặp 04 đại lượng (hay gọi là biến đo lường) chính
được giám sát, theo dõi một cách chặt chẽ bao gồm: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng
và mức. Đây là những biến có vai trị hết sức quan trọng và khơng thể thiếu
trong mỗi dây truyền công nghệ.
Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận,…các đại lượng vật lý
không điện thành các tín hiệu điện. Ví dụ nhiệt độ là 1 tín hiệu khơng điện, qua
cảm biến nó sẽ trở thành 1 dạng tín hiệu khác (điện áp, điện trở…). Sau đó các
bộ phận xử lí trung tâm sẽ thu nhận dạng tín hiệu điện trở hay điện áp đó để xử
lí.
Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có 2 yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến
độ chính xác đó là “Nhiệt độ mơi trường cần đo” và “Nhiệt độ cảm nhận của
cảm biến”. Điều đó nghĩa là việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo của
cảm biến nhiệt tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác. Điều này phụ
thuộc lớn vào chất liệu cấu tạo nên phần tử cảm biến (cảm biến nhiệt đắt hay
rẻ cũng do nguyên nhân này quyết định). Đồng thời ta cũng rút ra 1 nguyên
tắc khi sử dụng cảm biến nhiệt đó là: Phải ln đảm bảo sự trao đổi nhiệt giữa
chúng.
Xét về cấu tạo chung thì Cảm biến nhiệt có nhiều dạng. Tuy nhiên, chiếc
cảm biến được ưa chuộng nhất trong các ứng dụng thương mại và công nghiệp
thường được đặt trong khung làm bằng thép không gỉ, được nối với một bộ
phận định vị, có các đầu nối cảm biến với các thiết bị đo lường.
1.2. Các yêu cầu cơ bản
1.2.1. Mô tả nhiệm vụ công nghệ
-Hệ thống có khả năng:
- Giả lập tín hiệu điều khiển nhiệt độ lò nung cách bật /tắt bộ gia nhiệt,
hiển thị trạng thái tín hiệu điều khiển on/off bằng đèn LED.
- Đo nhiệt độ trong lò bằng cảm biến nhiệt điện trở kim loại
- Hiển thị nhiệt độ liên tục theo thời gian thực trên LED 7 đoạn.
- Có chức năng lựa chọn giới hạn nhiệt độ trên và dưới để đưa ra cảnh

báo khi giá trị nhiệt độ vượt ngoài khoảng cho phép.
10


1.2.2. Cấu trúc thiết bị
bảng 1. 1 bảng cấu trúc thiết bị

Loại sử dụng
Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt điện trở kim loại

Mạch chuyển đổi xử lí tín hiệu

ADC ngồi hoặc trong chíp

Bộ điều khiển

Vi điều khiển

Hiện thị nhiệt độ tức thời

LCD

Phím chức năng nhập dữ liệu

Nút bấm số/ Màn hình chạm

Tín hiệu cảnh báo

Đèn

1.2.3. Đặc tính kỹ thuật
bảng 1. 2 Đặc tính kĩ thuật

Thơng số

Giá trị

Giới hạn nhiệt độ đo

20-10000C

Sai số đo

5%

Bộ chuyển đổi ADC

>=10 bit

1.3. Phương pháp nghiên cứu, phạm vi giới hạn nghiên cứu
1.3.1. Phương pháp nghiên cứu:
- Dựa vào kiến thức đã được học, tìm hiểu qua internet, sách vở và tham
khảo ý kiến bạn bè, thầy cơ.
- Tìm hiểu những hệ thống báo cháy và chữa cháy phổ biến để học hỏi
cách thiết kế chi tiết, cấu tạo tối ưu nhất có thể.
11

- Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính tốn, phân tích, xử lí số liệu
để xây dựng mơ hình phù hợp với đề tài.
- Sử dụng các phần mền lập trình để hỗ trợ như: MPLAB IDE, Proteus,
Arduino.exe...
1.3.2. Phạm vi
- Đề tài nghiên cứu thiết bị đo nhiệt độ bằng cảm biến pt100, sử dụng
arduino uni và in ra led 7 đoạn dựa trên những thiết bị và linh kiện phù hợp với
kết cấu và yêu cầu của hệ thống.
1.3.3. Giới hạn nghiên cứu
- Mơ phỏng các mơ hình, lưu đồ thuật tốn và tính tốn điều khiển trên
các mơ hình với sự thay đổi linh hoạt các cơ cấu của hệ thống.
- Cơ sở tính tốn, liên kết và điều khiển linh hoạt, sáng tạo, khoa học các
mô hình mơ phỏng để đưa ra một hệ thống hồn chỉnh, tạo tiền đề cho việc chế
tạo mơ hình của hệ thống.
- Kích thước sản phẩm: Nhỏ gọn, phù hợp, nhanh nhạy và đáp ứng đủ các
yêu cầu kĩ thuật đưa ra.
- Cấu tạo: Tiện lợi, dễ dàng di chuyển.
1.3.4. Ý nghĩa thực tiễn
- Biết được quy trình hình thành và hồn thiện 1 đồ án mơn học dựa trên
những kiến thức đã học.
- Hiểu thêm về các loại cảm biến ứng dụng của nó từ đó xây dựng mơ hình
điều khiển, đo lường hệ thống theo yêu cầu.

12


CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG
2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
2.1.1. Sơ đồ khối hệ thống

Khối hiển thị

Khối cảm
biến

Khối xử lý
trung tâm

Khối nguồn

Led báo hiệu

Khối cài đặt
bằng phím số

Hình 2. 1 Sơ đồ khối của hệ thống

2.1.2. Chức năng các khối
• Khối nguồn: Cung cấp nguồn 1 chiều 5V ổn định cho hệ thống
• Khối xử lí trung tâm: Đọc giá trị từ cảm biến nhiệt độ, xuất giá gị
hiển thị ra LCD 16x2 và tác động đến khối led báo hiệu, đồng thời
cũng nhận tác động từ nút nhấn để xử lý hệ thống tác động đến các
khối hiển thị, khối báo hiệu.
13


• Khối cảm biến nhiệt độ: Được tác động từ vi xử lý và xuất tín hiệu
ngược lại khối xử lý trung tâm để cho ra giá trị đo lường.
• Khối Led báo hiệu: Dùng để báo hiệu trạng thái (khi khoảng cách
đo được nhỏ hơn giá trị giới hạn).

• Khối cài đặt bằng phím số: Dùng để tác động lên tồn hệ thống có
thể dừng hoạt động hoặc khởi động lại theo ý muốn. Ngồi ra phím
số cịn dùng để khởi tạo giá trị giới hạn.
• Khối hiển thị: Dùng để hiển thị kết quả đo lường từ cảm biến nhiệt
độ và qua q trình xử lí của vi điều khiển, ngồi ra cịn hiển thị.
2.2. Phân tích và lựa chọn cảm biến
2.2.1. Phân tích
Ta có dải đo từ: T0C = tmin - tmax = 0 – (100+10*n) 0C (2.1)
Chọn T0C = tmin - tmax = 0 – 150 0C
Từ yêu cầu trên ta sử dụng nhiệt điện trở kim loại và dải đo từ 0- 1500
C ta đi tính và lựa chọn cảm biến.

0

Nhiệt điện trở kim loại có rất nhiều loại nhưng có hai loại thường dùng
là nhiệt điện trở nickel và nhiệt điện trở platin. Ta đi sử dụng nhiệt điện trở
platin với dải đo rộng và độ tuyến tính cao. Cụ thể trong bài này ta đi sử dụng
nhiệt điện trở PT100 đo trong lò nung, nhiệt điện trở có độ tuyến tính cững
tương đối và điện trở R0 tại 0 0C là 100 Ω sau đây là chi tiết về cảm biến nhiệt
PT100 cấu tạo can nhiệt PT100.
Cảm biến nhiệt độ Pt100 là một loại cảm biến khi có sự thay đổi nhiệt
độ thì điện trở xuất bên trong của chính nó cũng thay đổi. Nó hoạt động giống
như thuỷ ngân khi nhiệt độ tăng thì giản ra và khi nhiệt độ giảm thì co lại vậy.
Đối với đầu dị nhiệt độ Pt100 thì tại 0 độ C sẽ có giá trị là 100 ohm, khi nhiệt
độ tăng thì giá trị điện trở cũng tăng theo. Chính là vì thế mà nó cịn được gọi
là cảm biến nhiệt độ Pt100.
Điều này giải thích tại sao Pt1000 ln có độ chính xác cao hơn rất nhiều so
với PT500, Pt100, Pt50. Tuy nhiên, độ chính xác của cảm biến nhiệt độ lại
được phân loại theo Class B, Class A, Class AA ( A + ).
Cảm biến nhiệt độ PT100 có cấu tạo là một nhiệt điện trở RTD (RTDResistance Temperature Detector )

Nguyên lý hoạt động nhiệt điện trở dựa trên sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến thay
đổi điện trở.
•
Rt = R0 (1 + at) (2.2)
•
Rt: Điện trở ở nhiệt độ t
•
R0 : Điện trở ở 0 độ c
14


Hình 2. 2 Can nhiệt PT100

12345-

Đầu cảm biến (Platinum/Nickel).
Dây tín hiệu của cảm biến nhiệt điện trở.
Chất cách điện bằng gốm.
Chất làm đầy.
Vỏ bọc

Hình 2. 3 Cấu tạo PT100

Điện trở này là một dây kim loại có bọc các đoạn sứ bao quanh toàn bộ
dây kim loại. Phần bao bọc này lại được đặt trong một ống bảo vệ(thermowell)
thường có dạng hình trịn, chỉ đưa 2 đầu dây kim loại ra để kết nối với thiết bị
chuyển đổi. Phần ống bảo vệ sẽ được đặt ở nơi cần đo nhiệt độ, thông thường
can nhiệt này chỉ đo được nhiệt độ tối đa là 600 0C. Hai đầu dây kim loại để
chừa ra ở phần ống bảo vệ được kết nối tới một thiết bị gọi là bộ chuyển đổi tín
hiệu nhiệt thành tín hiệu điện phục vụ cho việc truyền tới phịng điều khiển giám

sát. Thiết bị chuyển đổi có cấu tạo chẳng qua là một cầu điện trở có một nhánh
chính là PTl00(có điện trở là 100 Ω ở 0 độ C)

15


bảng 2. 1 Thông số điện trở của cảm biến nhiệt pt100

2.2.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ pt100:
Cảm biến nhiệt độ Pt100 hoạt động đơn giản dựa trên nguyên tắc điện
trở của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng lên – hiện tượng đó gọi là nhiệt điện
trở suất. Khi nhiệt độ của phần bạch kim trong cảm biến tăng lên thì nó sẽ tuyến
tính với tín hiệu ohm output. Và nếu ta đo được điện trở của cảm biến, ta sẽ suy
ra được nhiệt độ.

16


Hình 2. 4 Nguyên lý hoạt động của can nhiệt loại K

2.3. Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
2.3.1. Phân tích
Mục tiêu của nhóm tác giả đặt ra là một sản phẩm nhỏ gọn có khả năng
tính tốn chính xác và ra kết quả ngay lập tức với sai số thấp nhất vì thế phải
cần một board mạch xử lý đáp ứng đầy đủ các yếu tố của sản phẩm đã đề ra.
Board mạch Arduino UNO R3 là một board mạch vi điều khiển nguồn mở
dựa trên vi điều khiển Atmega328 được ứng dụng để học và làm các ứng
dụng nhúng đơn giản. Board mạch có 1 đầu USB Plug kết nối với máy tính để
gửi lệnh hoặc nhận tín hiệu từ Arduino. Để lập trình 1 cách dễ dàng, nhóm
phát triển đã cung cấp cho người dùng một mơi trường lập trình Arduino được

gọi là Arduino IDE( Intergrated Development Environment).

Hình 2. 5 Mạch Arduino Uno R3

17


bảng 2. 2 Đặc điểm kĩ thuật Arduino Uno R3

Power:
LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân D13. Khi
chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức thấp
(LOW).
VIN: Chân này dùng để cấp nguồn ngoài (điện áp cấp từ 7-12VDC).
5V: Điện áp ra 5V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 500mA).
3V3: Điện áp ra 3.3V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 50mA).
GND: Là chân mang điện cực âm trên board.
IOREF: Điệp áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO và có thể đọc
điện áp trên chân IOREF. Chân IOREF không dùng để làm chân cấp nguồn.
Bộ nhớ:
Vi điều khiển ATmega328:
32 KB bộ nhớ Plash: trong đó bootloader chiếm 0.5KB.
2 KB cho SRAM: (Static Random Access Menory): giá trị các biến khai báo
sẽ được lưu ở đây. Khai báo càng nhiều biến thì càng tốn nhiều bộ nhớ RAM.
Khi mất nguồn dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
1 KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only
Memory): Là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây và không bị mất dữ liệu khi
mất nguồn.
Các chân đầu vào và đầu ra:
18

Trên Board Arduino Uno có 14 chân Digital được sử dụng để làm chân đầu vào
và đầu ra và chúng sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite(), digitalRead().
Giá trị điện áp trên mỗi chân là 5V, dòng trên mỗi chân là 20mA và bên trong
có điện trở kéo lên là 20-50 ohm. Dịng tối đa trên mỗi chân I/O khơng vượt
q 40mA để tránh trường hợp gây hỏng board mạch.
LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân D13. Khi
chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức thấp
(LOW).
TWI/I2C: A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị
khác.
Arduino Uno R3 có 6 chân Analog từ A0 đến A5, đầu vào cung cấp độ phân
giải là 10 bit.

2.3.2. Các chân kết nối của Arduino Uno R3

Hình 2. 6 Các chân kết nối của Arduino Uno R3

19


2.4. Thiết kế mạch đo và xử lí tín hiệu
2.4.1. Thiết kế mạch đo
• Khối nguồn: Do yêu cầu hệ thống sử dụng nguồn DC 5V nên ta có nhiều
phương án như: nguồn từ PIN, ắc quy, từ mạch nguồn thiết kế,… Ở đây
để tiết kiệm thời gian và thuận tiện nhất nhóm chọn nguồn từ cổng USB

Hình 2. 7 Arduino và dây nguồn

• Khối hiển thị: LCD I2C

Hình 2. 8 Màn hình LCD I2C

2.4.2. Thơng số kỹ thuật LCD 16x2:
LCD 16x2 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thơng số.
LCD 16x2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 - D7) và 3 chân điều khiển
(RS, RW, EN). 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16x2.
20


Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ
dữ liệu. Chúng cịn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi.
LCD 16x2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta làm.
2.4.3 Module I2C Arduino:

Hình 2.4 Module I2C LCD 16x2

LCD có q nhiều nhiều chân gây khó khăn trong q trình đấu nối và
chiếm dụng nhiều chân trên vi điều khiển. Module I2C LCD ra đời và giải
quyết vấn để này. Thay vì phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD
16x2 (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì module IC2 bạn chỉ cần tốn 2 chân (SCL,
SDA) để kết nối. Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780
(LCD 16x2, LCD 20x4, ...) và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện
nay.
Ưu điểm:
Tiết kiệm chân cho vi điều khiển.
Dễ dàng kết nối với LCD.
Thông số kĩ thuật:
Điện áp hoạt động: 2.5 - 6V DC.

Hỗ trợ màn hình: LCD1602, 1604, 2004 (driver HD44780).
Giao tiếp: I2C.
Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2).
Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt.
Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD.

21


bảng 2. 3 Giao tiếp I2C và LCD Arduino

Module I2C LCD

Arduino UNO

16x2
GND

GND

VCC

5V

SDA

A4/SDA

SCL

A5/SCL

Sơ đồ đấu nối:

Hình 2. 9 Sơ đồ đấu nối giao tiếp IC2 với LCD 16x2

22


2.4.4 Keypad 4x4

Hình 2. 10 keypad kết nối với arduino

Keypad 4x4 có tổng cộng 8 chân R1, R2, R3, R4 và C1, C2, C3, C4.
Các chân kết nối:
- R1- Digital pin2
- R2- Digital pin3
- R3- Digital pin8
- R4- Digital pin9
- C1- Digital pin10
- C2- Digital pin11
- C3- Digital pin12
- C4- Digital pin13

23


.

2.5. Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống

Hình 2. 11 Mô phỏng hệ thống


CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG
3.1. Chế tạo các bộ phận điện, điện tử
3.1.1. Arduino Uno R3.

hình 3. 1 Board mạch arduino Uno R3

-

Nguồn nuôi mạch: 5V

-

Số chân Digital:14

-

Số chân Analog:6

-

Dòng ra trên chân digital: tối đa 40mA

-

Dịng ra trên chân 5V: 500mA

-

Nút resert tích hợp trên board

3.1.2. Màn hình LCD tích hợp I2C.

hình 3. 2 LCD tích hợp I2C
25