TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
KHOA ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN :KỸ THUẬT MÁY TÍNH
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
HỆ THỐNG NHÚNG
GVHD: ThS.NGUYỄN TUẤN LINH
SVTH : NGUYỄN HỒNG QUANG
MSSV : 11110750261
SVTH : NGUYỄN HẢI QUÂN
MSSV : 11110750258
SVTH : NGUYỄN THỊ THOA
MSSV : 111107502
LỚP : K43KDT
Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển cho bình
nóng lạnh gia đình
1
Thái Nguyên, 15 tháng 04 năm 2011
LỜI NÓI ĐẦU
Hệ thống nhúng là một môn học mới ở nước ta, nhưng nó ngày càng
khẳng định được vai trò trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày
nay và sự phát triển của đất nước trong tương lai. Đây là nghành có sự hội tụ
và đúc kết của ba chuyên nghành là kĩ thuật điều khiển, tin học và điện tử mà
sản phẩm cuối cùng của nó là một hệ thống tự động hóa góp phần giải phóng
sức lao động của con người.
Kỹ thuật vi điều khiển là một môn học của nhiều nghành . Nó được
ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp, tự động hóa và còn
nhiều lĩnh vực khác nửa. So với kỉ thuật số thì kỉ thuật vi điều khiển nhỏ gọn
hơn nhiều do nó được tích hợp một cách tinh vi và có khả năng lập trình được
nên việc thay đổi giải thuật điều khiển sẽ dễ dàng hơn.
Với tính ưu việt của vi điều khiển, đề tài mà nhóm em thực hiện ở đây
2.3 SƠ ĐỒ ĐẶC TẢ
2.4 SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG.
2.5 LỰA CHỌN LINH KIỆN.
2.5.1. Vi điều khiển PIC18F452
1.Giới thiệu về vi điều khiển PIC
2. Tính năng
3. Sơ đồ và ý nghĩa các chân
2.5.2 Cảm biến nhiệt độ LM35
2.5.2.1.Các bộ cảm biến nhiệt họ LM35.
2.5.3 Transistor
2.5.4 Biến trở.
2.5.5 Led 7 thanh.
2.5.6 . Ic 7447
2.5.7 Rơ le
2.5.8 Mayxo.
2.5.9 Cuộn hút
2.5.10 Động cơ giảm tốc
2.5.11.Cảm biến phao.
2.6 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA MẠCH
2.7 CÁC MODULE TRONG HỆ THỐNG
2.7.1 KHỐI ĐIỀU KHIỂN
3
2.7.2 KHỐI PHẢN HỒI.
2.7.3 KHỐI HIỂN THỊ.
2.7.4 KHỐI XỬ LÝ
2.7.5.KHỐI CHẤP HÀNH.
2.7.5.1 KHỐI BƠM NƯỚC
2.7.5.2 KHỐI ĐUN NƯỚC.
2.7.5.3 KHỐI CHIA NƯỚC.
CHƯƠNG 3 :XÂY DỰNG HỆ THỐNG
thiết kế hệ thống điều khiển , nhưng vì thời gian quá hạn hẹp, trình độ kỹ thuật cũng
như vấn đề tài chính còn nhiều hạn chế nên em chỉ thiết kế và thi công mạch điều khiển
ổn định nhiệt độ đầu ra theo nhiệt độ đầu vào cho bình nóng lạnh .
CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG
1.1.ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1.1 Tìm hiểu về bình nóng lạnh
Bình nóng lạnh, từ lâu đã trở thành thiết bị quen thuộc trong mỗi hộ gia đình đáp
ứng nhu cầu nước nóng cho người sử dụng vào sinh hoạt. Với các tính năng như hiệu
quả,dễ dàng lắp đặt,chi phí không cao…,bình nóng lạnh thực sự đã trở nên phổ biến ở
Việt Nam cũng như trên toàn thế giới.
Về nguyên lý:Việc đun nóng nước là một quá trình nhiệt động mà cần một nguồn
năng lượng đun nóng nước,Nguồn năng lượng này có thể là khí tự nhiên,khí xăng đã
hóa lỏng,dầu hay điện .Ngày nay,năng lượng mặt trời cũng được dùng cho quá trình
đun nóng nước này. Dựa vào phương pháp điện trở mà người ta có thể đun nóng nước:
Dựa nguyên lý: Q = I
2
. R.t
Trong đó: Q- nhiệt lượng toả ra khi có dòng điện I chạy qua dây đốt có
điện trở R trong thời gian t , về đơn vị :
I(A), R(Ω),t (s) thì Q ( J) trong đó có mối quan hệ:
1J = 1 Ws = 0,24cal
Bản thân phương pháp đun nóng bằng điện trở này được phân thành:
a. Phương pháp điện trở gián tiếp: trong đó khi có dòng điện qua điện trở sẽ toả ra
nhiệt năng, nhiệt năng đó dùng để nung nóng vật.
b. Phương pháp điện trở trực tiếp: trong đó dòng điện trực tiếp đi qua vật nung, nhờ
có điện trở của vật mà vật được nung nóng.
5
Về cấu tạo : Dựa vào nguyên lý hay nguồn năng lượng đun nóng nước mà người
tacó nhiều tên gọi đối với bình nóng lạnh thành nhiều loại khác nhau như bình nước
nóng gián tiếp, bình nước nóng trực bình nóng lạnh năng lượng mặt trời,bình nóng lạnh
nước trong bình tăng. Van an toàn dùng để xả hơi và nước trong bình trường hợp
7
rơle nhiệt độ bị hỏng, thanh đun nước gây áp lực quá lớn trong bình, tránh cho
bình khỏi bị
1.1.2 Đặt vấn đề
Như trên đã trình bày,về cơ bản chúng ta hiểu được nguyên lý làm việc và cấu tạo
của bình nóng lạnh. Việc thiết kế một hệ thống nhúng cho nó là vấn đề hết sức cần thiết.
Trên khuôn khổ đồ án, chúng em lựa chọn thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho bình
nóng lạnh.
1.2.GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1.2.1 Chức năng của hệ thống
• Tạo ra lượng nước có nhiệt độ theo yêu cầu của người sử dụng
• Tự động bơm nước vào bình chứa (bình chứa nước nóng và nước lạnh)
Yêu cầu :
• Nhận biết được yêu cầu về nhiệt độ của người sử dụng
• Làm việc ở hai chế độ : tự động (nhiệt độ bình nóng do nhà thiết kế đặt) ,
bằng tay (nhiệt độ bình nóng do người dùng đặt)
• Hệ thống làm việc ổn định
• Làm việc tin cậy
• An toàn cho người sử dụng
• Phù hợp với yêu cầu ngoại cảnh tại nơi lắp đặt hệ thống
• Tối ưu về mặt giá thành
1.2.2. Yêu cầu phi chức năng của hệ thống
• Khả năng bảo trì tốt
• Tính khả chuyển cao
• Mang tính thiết thực
• Chi phí phát triển thấp
1.2 CÁC GIẢI PHÁP VÀ CÁCH XÁC ĐỊNH BÀI TOÁN
Ngày nay khi khoa học kỹ thuật phát triển vô vùng mạnh mẽ,hàng loạt linh kiện
điện tử ra đời với nhiều tính năng được ứng dụng.Cuộc cách mạng công nghệ hiện nay
nhanh hơn gấp bội, đạt tới tốc độ chóng mặt.Nhiều linh kiện điện tử được tạo ra không
những đa dạng về chủng loại,mẫu mã với nhiều tính năng ưu việt hơn mà còn rẻ
như:điện trở,transistor,pic,cảm biến… Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như
sản xuất,sinh hoạt,giải trí
Trên đây là một số loại linh kiện thường dùng đang có mặt trên thị trường.Ngoài ra
còn có thêm sự xuất hiện của nhiều phần mềm có tính ứng dụng cao trong mô phỏng
mạch cũng như trong lập trình rất tiện lợi như:proteus,ccs,protel,mutilsim….Cùng với
đó nhiều môn học ứng dụng cho việc thiết kế mạch cũng được đưa vào giảng dạy trong
trường học trợ giúp sinh viên rất nhiều trong việc thiết kế mạch như:kỹ thuật điện tử
số,lý thuyết điều khiển tự dộng,hệ thống nhúng…Do đó với một hệ thống thì lưôn có
nhiều cách khác nhau để thực hiện.Với hệ thống điều khiển bình nóng lạnh gia đình
nhóm lựa chọn giải pháp,đối với phần cứng:
-Pic 18f452.
-Sensor đo nhiệt độ LM35.
-Led 7 thanh.
-Bộ giải mã led 7 thanh 7447.
-Điện trở.
9
-Biến trở.
-Transistor.
-Động cơ DC(giảm tốc).
-Cảm biến phao.
-Công tắc.
Đối với phần mềm lập trình:
-Hệ thống được đặc tả theo phương pháp kinh điển sử dụng thuật toán logic để giải
quyết vấn đề.Lập trình bằng ngôn ngữ ccs.
Khi sử dụng phương pháp trên thiết kế sẽ nhỏ gọn hơn,tính mềm dẻo cao,độ chính
xác cao,ổn định,tin cậy,phù hợp với chương trình học của sinh viên.
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1 SƠ ĐỒ TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG
Mayso
ADC
Rơle
Rơle
Sensor
Động cơ
ADC
Bộ biến đổi
ADC
Nút điều
chỉnh
Led 7 thanh
12
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 là 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, PIC1650 được dùng để giao tiếp với các
thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16bit CP1600, vì vậy, người ta cũng gọi PIC với cái 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
bây 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 đã quá lỗi thời. Tuy nhiên PIC được bổ sung
EEPROM 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,
o 3-dây SPI™ (Hỗ trợ cả 4 chế độ SPI)
o I2C™ cả chế độ Master và Slave
+ Khối USART có thể định địa chỉ:
o Hỗ trợ RS-485 và RS-232
+ Khối cổng song song (Parallel Slave Port - PSP)
Tính năng tương tự:
+ Khối chuyển đổi tương tự sang số độ phân giải 10-bit:
o Chu kỳ lấy mẫu nhanh
o Chuyển đổi cả trong khi ngủ
o Tuyến tính ≤ 1 LSB
+ Phát hiện điện áp thấp lập trình được
o Hỗ trợ ngắt khi phát hiện điện áp thấp
+ Phát hiện reset do sụt nguồn lập trình được (BOR)
14
3. Sơ đồ và ý nghĩa các chân
Hình 1: Sơ đồ chân PIC 18F452
Tên chân
Chân
số
Loại
IO
Loại
Bộ
đệm
Giải thích
MCLR 1 I ST Chân reset PIC, PIC sẽ reset khi chân này mức
thấp
VPP 1 I ST Chân lập trình (nạp PIC), ngõ vào điện áp cao
OSC1 13 I ST Dao động thạch anh đầu vào hoặc nguồn đầu vào
đồng hồ bên ngoài. Bộ đệm ST khi cấu hình trong
T1CKI 15 I ST Dao động từ ngoài vào Timer1/Timer3
T1OSI 16 I CMOS Đầu vào bộ dao động Timer1
SCK 18 IO ST Xung clock nối tiếp đồng bộ vào/ra cho SPI
SCL 18 IO ST Xung clock nối tiếp đồng bộ vào/ra cho I2C
SDI 23 I ST Chân dữ liệu vào trong SPI
SDA 23 IO ST Chân dữ liệu vào/ra trong I2C
SDO 24 O ST Chân dữ liệu ra trong SPI
TX 25 O - Chân truyền dữ liệu không đồng bộ USART
CK 25 IO ST Chân xung nhịp truyền thông đồng bộ USART
RX 26 I ST Chân nhận dữ liệu nối tiếp trong truyền thông
không đồng bộ USART
DT 26 IO ST Chân dữ liệu truyền thông đồng bộ USART
RDi 19 30 IO ST Vào ra số cổng RD (i=0 7)
PSPi 19 30 IO TTL Dữ liệu cổng song song (Slave) (i=0 7)
REi 8 10 IO ST Vào ra số cổng RE (i=0 2)
16
RD 8 TTL Điều khiển đọc cho cổng song song Slaver
WR 9 TTL Điều khiển ghi cho cổng song song Slaver
CS 10 TTL Điều khiển chọn chip trong giao tiếp song song
Slaver
Trong đó:
TTL = TTL tương thích với đầu vào ST = Schmitt Trigger đầu vào với mức CMOS
O = ra, I=vào P = Power
OD = Open Drain (không có diode P nối tới vdd) CMOS = CMOS compatible input
or output.
2.5.2 Cảm biến nhiệt độ LM35.
Nhiệt độ là một thông số hết sức quan trọng và có ảnh hưởng rất lớn tới môi
trường, sự sống và các hoạt động sản xuất hàng ngằng. Ngày nay với sự biến đổi ngày
càng xấu đi và khó lường của thời tiết thì việc đo nhiệt độ môi trường trở nên rất quan
Bảng 3.6.3: Hướng dẫn chọn loạt các cảm biến nhiệt họ LM35.
Mã sản phẩm Dải nhiệt độ Độ chính xác Đầu ra
LM35A -55 C to + 150 C + 1.0 C 10 mV/F
LM35 -55 C to + 150 C + 1.5 C 10 mV/F
LM35CA -40 C to + 110 C + 1.0 C 10 mV/F
LM35C -40 C to + 110 C + 1.5 C 10 mV/F
M35D 0 C to + 100 C + 2.0 C 10 mV/F
18
Cảm biến nhiệt LM35DZ:
Trong bài này chúng ta sử dụng con LM35DZ
* Đặc điểm:
+ Dải nhiệt độ biến đổi: 0 đến 100 độ
+Nhiệt độ ra thẳng thang đo Celcius nghĩa là ở 25 độ C điện áp ra là 0.25V
+ Tương ứng 10mV/độ C
+ Đảm bảo độ chính xác 0.5 độ C tại nhiệt độ 25 độ C.
+ Làm việc với nguồn nuôi 4V đến 30V
+ Trở kháng ra thấp 0.1 ohm với tải 1mA
+ Khả năng tự làm nóng thấp, 0.08 độ C trong không khí.
*Cách mắc: đơn giản là nối chân +Vs với nguồn và chân GND với đất chân OUTPUT
nối với chân Vin+ của ADC0804
* Ghép nối LM35 với ADC0804
Sơ đồ thời gian hoạt động:
Vi điều khiển
18f452
Hiển thị led 7
đoạn
Điều khiển hệ
thống cảnh báo
ADC
in
> U
d
khi đó U
d
sẽ được cộng thêm một giá trị là
U∆
.
UUU
dd
∆+=
, trong đó :
mV
V
U
ref
10
256
)2/(2
==∆
đồng thời giá trị bộ đếm tăng thêm 1. Quá trình so sánh cứ như vậy đến khi nào U
d
=V
in
thì dừng. Khi đó giá trị của bộ đếm chính là giá trị thập phân. Giá trị thập phân này sẽ
được đưa qua một bộ giải mã, giải mã ra nhị phân rồi đưa ra các chân AD
0
– AD
7
.
C.
Phương pháp mà ta dùng ở đây là phương pháp vi phân bậc thang.Độ chính xác
của ADC0804 bị giới hạn bởi tần số lấy mẫu (thường là 600->640KHz) và số bít của dữ
liệu đầu ra (8 bít) tương ứng với tối đa là 256 mức điện áp có thể chuyển đổi và so
sánh,ngoài ra điện áp đưa vào chân V
ref/2
cũng quyết định điện áp vi phân bậc thang
trong phép chuyển đổi của ADC.Nếu điện áp đưa vào chân này là 1.28 V thì điện áp so
sánh max là 2x1.28= 2.56 V kết hợp với dải nhiệt độ chuyển đổi của LM35DZ là từ 0-
>100
o
C ( vẫn nhở hơn 255) nên mỗi bước điện áp ứng với 2.56/256=10mV.Điện áp
V
ref/2
càng lớn thì bước điện áp bậc thang càng lớn do đó độ chính xác của phép đo càng
nhỏ hay nói cách khác ta mắc phải một sai số lớn hơnĐể tăng độ chính xác của phép đo
lên ta có thể dùng một cảm biến khác có độ chính xác cao hơn, có thể giảm điện áp đưa
vào chân V
ref/2
để giảm bước điện áp vi phân bậc
thang của ADC, Tuy nhiên, khi bước điện áp của ADC và cảm biến không đồng nhất
thì sẽ gây khó khăn cho quá trình xử lý dữ liệu đưa ra khâu hiển thị hoặc có thể gây ra
sai số.Tùy thuộc vào phép hiện thị mà người ta có thể đặt giá trị điện áp cho chân V
ref
/2
sao cho hợp lý.
Ta có thể mắc theo sơ đồ sau để tăng độ chính xác của phép đo :
22
2.5.3 Transistor
Định nghĩa
24
* Xét nguyên lý hoạt động của Transistor NPN
Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C
và (-) nguồn vào cực E. Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào
hai cực B và E , trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E.Khi công tắc mở , ta
thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy
qua mối C E ( lúc này dòng IC = 0 )
Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ
(+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành
dòng IB.Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm
bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB .Như vậy rõ ràng dòng IC
hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức .
IC = β.IB
Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE
IB là dòng chạy qua mối BE
β là hệ số khuyếch đại của Transistor
Giải thích: Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua
mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại
cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N ( cực
E ) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều,
một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn
25
Copyright: Tài liệu đại học ©