Tài liệu Hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng

Bài tập lớn môn đo lường và cảm biến Báo cáo đề tài : “ Hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng” Nhóm thực hiện đề tài: Nhóm 1 Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thu Hà Mục Lục: I.Đặt vấn đề II.Giải quyết vấn đề 1.Phân tích công nghệ lò ấp trứng 2.Xây dựng mô hình hệ thống 3.Sơ đồ khối hệ thống 4.Lựa chọn cảm biến cần cho hệ thống 5.Chọn bộ điều khiển nhiệt độ 5.1 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 5.2 Chip ATMEGA16L 5.3 LCD 2 dòng 16 kí tự 5.4 Những linh kiện khác 6.Sơ đồ điều khiển III.Kết luận I. Đặt vấn đề Ngày này, điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu được trong hệ thống công nghiệp. Một trong các yếu tố được điều khiển nhiều trong hệ thống công nghiệp đó là nhiệt độ. Nhiệt độ được đo, điều khiển theo nhu cầu sử dụng ví dụ như trong các hệ thống nhiệt của nồi hơi, các lò ấp, các lò sấy,… Các hệ thống đo và điều khiển nhiệt hiện nay xuất hiện nhiều trên thị trường với nhiều phương pháp đo và điều khiển khác nhau. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng. Để giải quyết các vấn đề đó, với những kiến thức đã học về kĩ thuật điện, điện tử, đo lường và cảm biến cùng sự tìm hiểu thêm về kĩ thuật vi điều khiển, chúng em đã tính toán và đưa ra giải pháp điều khiển nhiệt độ ứng dụng vi xử lý với mạch thiết kế đơn giản dễ dàng thiết kế và nâng cấp. Mặc dù chúng em đã cố gắng để hoàn thành đề tài đúng thời hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em mong quý thầy cô thông cảm. Chúng em mong được đón nhận ý kiến đóng góp quý báu của thầy cô để đề tài nghiên cứu hoàn thiện hơn và có ý nghĩa thiết thực trong cuộc sống. Chúng em xin chân thành cảm ơn. II. Giải quyết vấn đề 1.Phân tích công nghệ lò ấp trứng Có rất nhiều phương pháp để cung cấp và điều khiển nhiệt độ cho lò ấp trứng như: 1 2.2.1 phương pháp thủ công. Dùng đèn dầu. - Trứng sau khi được chọn lựa, có thể đem phơi nắng 1 giờ để trứng nhanh chóng có được nhiệt độ cần thiết. Khi phơi phủ bên trên trứng lớp vải màn và luôn đảo trứng để nhiệt độ của trứng đều tất cả các vị trí. Cho trứng vào túi lưới 30 quả/túi, không thắt sát miệng túi để khi đặt các túi trứng trong pho nóng con, trứng dàn thành lớp, đặt nhẹ nhàng trứng đến khi đầy pho nóng con. - Đặt các pho nóng con vào trong pho nóng mẹ, cách thành pho mẹ 20cm, các pho nóng con cũng cách nhau 10-15cm. Khoảng giữa các pho nóng con được đổ đầy trấu để giữ nhiệt. Phủ mền chăn bông lên miệng pho nóng mẹ (để vài lỗ thông hơi trong pho). - Đồng loạt đốt đèn dầu (khoảng 20 ngọn đèn dầu cho một pho nóng mẹ). Khi đèn cháy ổn định không còn khói muội thì đem đặt dưới các pho nóng con, mỗi pho nóng con đặt 5 ngọn đèn dầu sao cho nhiệt toả đều từ dưới đáy lên miệng pho. Giữ nhiệt độ trong pho 37,5-38 độ C. Đảo trứng 4 giờ/lần, trứng phía dưới đưa lên trên, trong đưa ra ngoài, sao cho trứng trong pho có nhiệt độ đều nhau. Sau 2 ngày đầu (mùa đông 4 ngày), nhiệt độ trong pho ổn định thì vặn nhỏ đèn. Đặt một số đĩa bông thấm nước bên cạnh các đèn dầu để giữ độ ẩm cho pho ấp luôn đạt 65-70% là thích hợp. - Trứng ấp được 12 ngày thì đưa ra pho lạnh, đặt nghiêng trứng 45o, đầu to lên trên. Trên cùng phủ kín bằng mền chăn. Nhiệt độ trong pho lạnh luôn duy trì 36,5-37 độ C. Đảo trứng 6 lần mỗi ngày để trứng được thông thoáng và được làm mát. Chú ý giữ đủ ẩm cho trứng, vào những ngày cuối sắp nở, có thể phun nước ấm 37 độ C cho trứng để gà nở nhanh, không bị sát vỏ. Sau khi ấp 21 ngày thì gà nở. Ấp trứng theo phương pháp dùng đèn dầu, tỷ lệ gà nở đạt 75-80%. Dùng nhiệt kế thủy nhân -sử dung nước nóng đun bằng đèn dầu: nước nóng lưu thông theo ống dẫn trong máy bằng cách đối lưu để cấp nhiệt cho trứng, giống như cái công tắc cửa tủ lạnh, nếu nhấn lên nó thì cắt điện, thả ra thì có điện, nên khi nhiệt độ lên cao, thủy ngân giãn ra đẩy pít tông thủy tinh chạy lên chèn vào công tắc, 2 ngắt điện, nguội thì ngược lại, tuy nhiên do sai số nhiệt độ lớn và có xảy ra sự cố là: Khi nhiệt độ lò ấp dao động xung quanh nhiệt độ đặt thì tiếp điểm thuỷ ngân làm rơ le đóng mở liên tục gây cháy má ví role, nếu không đóng mở liên tục thì nhiệt độ dao động quá lớn (trên 0,5độ C). Tỉ lệ trứng nở khoảng 80%. + Ưu điểm: công nghệ thủ công nên dễ chế tạo và sử dụng. + Nhược điểm:sai số về nhiệt lớn nên tỉ lệ trứng nở còn thấp. 2.2.2 phương pháp hiện đại dung cảm biến nhiệt độ kết hợp với vi xử lý : +Dùng dây meso hoặc bóng đèn cung cấp nhiệt. Điều khiển và ổn định nhiệt độ bằng vi xử lý. +Nguyên lý làm việc: cảm biến đo nhiệt độ ở các ngăn ấp rồi truyền tín hiệu đến vi xử lý điều khiển nhiệt độ thông qua việc lập trình cho hệ thống +Ưu điểm: đo và điều khiển nhiệt độ chính xác,các máy ấp công nghiệp chủ yếu sử dụng phương pháp này. +Nhược điểm: cần kiến thức sâu và rộng về điên tử, đo lường cảm biến, cũng như vi xử lý và lập trình Tóm lại: - Trong các lò ấp trứng gia cầm, yêu cầu cần phải cung cấp lượng nhiệt đầy đủ và liên tục v cao thì năng và độ chính xác cao uất của lò mới cao. Nếu trong quá trình ấp trứng mà mất nhiệt thì trứng dễ hỏng. yêu cầu của ấp trứng gia cầm là sai lệch nhiệt độ ấp (tuỳ từng thời kỳ) không quá 0,1 - 0,2 độ C (Tất nhiên còn nhiều yêu cầu khác nữa như độ ẩm, độ thông thoáng, độ vô trùng....). Mục tiêu là nâng cao tỷ lệ nở và tỷ lệ chính phẩm Do vậy cần phải có hệ thống kiểm soát, quản lý xem lò có được cung cấp nhiệt đầy đủ hay không, và có thể biết dễ dàng ngăn trứng nào không được cung cấp nhiệt để sửa chữa. Vì vậy về nguyên tắc mạch dùng vi điều khiển là hay nhất có thể đáp ứng được các yêu cầu. Hiện nay tất cả các máy ấp công nghiệp đều dùng theo cách này.Chính vì vậy chúng em đã quyết định thiết kế hệ thongs đo và điều khiển nhiệt độ sử dụng cảm biến kết hợp với vi xử lý. 2.Xây dựng mô hình hệ thống, các thiết bị chức năng. Để tạo ra một máy ấp trứng phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau: - Bảo đảm nhiệt độ thích hợp (37-38oC) và tương đối ổn định theo từng giai đoạn của mỗi đợt ấp; - Bảo đảm độ ẩm thích hợp (50-80%) và tương đối ổn định theo từng giai đoạn của mỗi đợt ấp; - Bảo đảm thông gió thoáng khí nơi tủ ấp; - Bảo đảm đảo trứng thường xuyên (1-3 h 1lần). Cấu tạo của lò ấp trứng gồm các bộ phận chính như sau: 2.2.1 Hệ thống cách nhiệt:. 3 muốn cho lò ấp it bị dao động nhiệt thi việc làm vỏ lò là quan trọng.lớp cách nhiệt cang dày thi càng ổn định.,it tốn điện,it đóng ngắt liên tuc.ngoài ra trong lớp cach nhiệt đó còn co cả than hoạt tinh để khử độc và con có cả lỗ thông hơi để cung cấp oxy.Trong lò còn có quạt để lưu thông không khí. cho lò ấp có nhiệt độ đồng đều mọi nơi. vỏ máy được làm bằng hợp kim nhôm nhựa , không thấm nước , chịu nhiệt độ , chống cong vênh , biến dạng . Giữa được lót lớp xốp cách nhiệt dày 5 cm ,trong cùng là lớp tôn kẽm dùn để tạo nhiệt đều , tránh nóng cục bộ, tránh bụi bẩn bề mặt , giảm thiểu vi khuẩn gây bệnh - Khung máy được làm bằng sắt hộp hoắc sắt V. - Cửa máy có kính 2 lớp để theo dõi hoạt động và thông số kỹ thuật khi kiểm tra mà không cần mở máy . 2.2.2. Bộ tạo nhiệt và bộ điều nhiệt - Là hệ thống cảm biến nhiệt và các linh kiện được cài đặt 2 chiều thêo ý muốn trong 1 thời gian ấn định. - Bộ vi điều khiển là hệ thống cảm biến kết hợp với bán dẫn để giám sát , nhận và xử lý các thông số kỹ thuật khi bộ cảm biến báo về. 2.2.3. Bộ tạo ẩm và bộ điều ẩm Vung nước qua cánh quạt trong máy, nước từ bình chứa đặt cao hay từ mạng ống cung cấp chung của trại, qua van nước, ống dẫn vào bầu, để rồi theo ống dẫn hàn dọc các cánh quạt gió mà vung ra xung quanh, xuyên qua các lỗ nhỏ của vành lưới thép bao xung quanh, sẽ tạo thành lớp sương mù gây ẩm trong máy. - Bộ điều ẩm thường gồm một bộ cảm biến ẩm đặt trong máy để tác động vào bộ phận ngắt van nước để đóng ngắt dòng chảy vào máy, khi độ ẩm thấp hay cao quá mức qui định. 2.2.4. hệ thống thông gió và bộ điều gió Bộ thô thông gió ở các máy ấp trứng đều là quạt hướng trục, lắp ở giữa thành sau bên trong máy. Cửa hút gió được bố trí gần trục quạt có nắp điều gió, điều chỉnh độ mở bằng tay. Cửa thoát gió thường bố trí trên nóc máy hay ở thành trước máy, có nắp điều gió 5. hệ thống đảo trứng - Động cơ điện quay: dùng cho mọi kiểu giàn trứng, thường gồm động cơ điện, bộ giảm tốc, bộ truyền động và cụm tiếp điểm cuối. 6. Bộ điều khiển và báo hiệu Thường bao gồm: những bộ khởi động từ, những cụm tiếp điểm tổng, những rơle điện từ, cầu chì, nút bấm, cụm đầu nối điện, chuông đèn báo hiệu. 4 7. Bộ phận phụ trợ -Máy ấp trứng còn có những bộ phận phụ trợ như: giàn chuyển trứng, bộ bánh xe chuyển giàn trứng, bàn chuyển trứng, thang, dụng cụ soi trứng. 3.Sơ đồ khối hệ thống 4.Lựa chọn cảm biến cần cho hệ thống Trên thị trường hiện nay có khá nhiều các loại cảm biến đo nhiệt độ như cảm biến dòng LM( LM35, LM335,…) hay cảm biến thông minh dòng DS1820 Dùng cảm biến nhiệt độ LM35 kết hợp với AT89S52 và IC biến đổi A/D và hiển thị bằng LED 7 thanh đo được nhiệt độ từ -550C đến +1500C, dùng LM34C và 16F88 thuộc vi điều khiển PIC dùng ngôn ngữ lập trình BASIC hiển thị nhiệt độ bằng LCD, chỉ đo được nhiệt độ từ -550C đến +1250C. Nói chung những loại cảm biến họ LM so với họ DS thì độ chính xác không cao và tốc độ truyền tín hiệu chậm 20C đến 1500C với tần số từ 20-1500Hz nhưng giá thành chế tạo rẻ. còn ở loại cảm biến họ DS độ chính xác rất cao do tín hiệu được truyền có độ phân giải lên đến 12Bit trong 750ms. Ở loại cảm biến này có tích hợp ROM 64Bit, bộ nhớ Logic, mạch ổn định tín hiệu đầu ra. Chính vì vậy mà nó khắc phục những nhược điểm của cảm biến họ LM. So với những loại nhiệt kế dùng họ vi điều khiển 8051 và PIC thì nhiệt kế dùng vi điều khiển ATMEGA16L thuộc họ vi điều khiển AVR có nhiều ưu điểm hơn, so với vi điều khiển PIC lập trình bằng ngôn ngữ lập trình BASIC thì dùng AVR lập trình bằng ngôn ngữ lập trình C do đó phần mềm sẽ ngắn gọn hơn, còn so với 8051 thì tốc độ xử lý tín hiệu nhanh hơn không cần lắp thêm bộ biến đổi A/D do ATMEGA16L đã tích hợp sẵn bộ biến đổi A/D và việc lập trình sẽ đơn giản hơn. Khi bắt đầu thực hiện đề tài, chúng em đã chọn cảm biến nhiệt độ LM335. Cảm biến này có dải nhiệt độ -550C tới +1200C, độ nhạy 0,02mV/10C, sai số là trên dưới 0,50C, giá thành rẻ từ 9-12 nghìn, có thể 5 thiết kế 1 hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ dễ dàng đơn giản khi kết hợp với LM741 để khuếch đại cho mạch và dùng LED 7 để hiển thị. Tuy nhiên sai số của mạch tới 10C. Chúng ta cũng có thể kết hợp LM335 với vi xử lý ATMEGA8535 thuộc dòng vi xử lý AVR có điện áp từ 4,5V-5,5V tần số hoạt động từ 0-16MHz và hiển thị bằng màn hình LCD. Tuy nhiên trong quá trình tìm hiểu và thiết kế chúng em nhận thấy việc sử dụng cảm biến LM335 đơn giản nhưng có nhược điểm là sai số về nhiệt độ lớn (0,5-10C) mà yêu cầu của một lò ấp trứng thì sai số đó càng thấp càng tốt. Vì thế, chúng em đã chuyển sang dùng cảm biến DS18B20 với nhiều ưu điểm, đáp ứng được yêu cầu của hệ thống. Sản phẩm này có thể phát triển được một số ứng dụng vào đời sống có thế lắp đặt nhiều cảm biến DS18B20 vào Bus-1wire với độ dài lên tới 300m và đều kiểm soát được giá trị nhiệt độ của từng cảm biến. Một ứng dụng đơn giản là tự động điều khiển nhiệt độ lò ấp trứng có thể kết hợp nhiều cảm biến trên mạch làm mạch đơn giản hơn rất nhiều. 4.Cảm biến nhiệt độ DS18B20. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 còn được gọi là cảm biến một dây Do những tiến bộ của công nghệ, các cảm biến không chỉ được nâng cao về mặt chất lượng mà nhiều loại cảm biến mới đã lần lượt ra đời; cảm biến một dây là một thí dụ. Trước hết xin nói về tên gọi: cảm biến một dây không có nghĩa là cảm biến này chỉ có một dây ra mà thuật ngữ một dây (1 wire) được dùng chỉ để nhấn mạnh một đặc điểm của loại cảm biến này là đường dẫn tín hiệu lối ra và đường dẫn điện áp nguồn nuôi có thể dùng chung trên một dây dẫn và không chỉ chung cho một cảm biến mà nhiều cảm biến có thể sử dụng chung một đường dẫn. Do sử dụng chung đường dẫn số liệu đo lường với đường cấp điện áp nguồn nên các cảm biến một dây đặc biệt thích hợp với các ứng dụng đo lường đa điểm, khi mà số lượng các đường dẫn số liệu đo lường và đường cấp điện áp nguồn trở thành một con số rất lớn. Chẳng hạn, với một kho bảo quản có 40 phòng, trong mỗi phòng cần đo nhiệt độ tại 3 điểm (3 cảm biến nhiệt độ) và độ ẩm tại một điểm (1 cảm biến độ ẩm); nếu tính trung bình mỗi điểm đo cần 4 đường dẫn thì tại điểm tập trung số dây dẫn lên đến 640 dây, nghĩa là cần đến một bó cáp cực kỳ lớn ! Trong những trường hợp này, các cảm biến một dây sẽ làm thay đổi hoàn toàn giải pháp kỹ thuật. 6 DS18B20 là một sản phẩm của công ty Dallas(Mỹ), đây cũng là công ty đóng góp nhiều vào việc cho ra đời Bus-1wire và các cảm biến 1 dây. Hình dạng bên ngoài của cảm biến một dây DS18B20 được mô tả dưới hình vẽ, trong đó dang vỏ TO-92 với 3 chân là dạng thường gặp và được dùng trong nhiều ứng dụng, còn dạng vỏ SOIC với 8 chân được dùng để đo nhiệt độ bề mặt, kể cả da người. Hình dạng của DS18B20: Các đặc điểm kĩ thuật của cảm biến DS18B20 có thể kể ra một cách tóm tắt như sau: 7 - Sử dụng giao diện một dây lên chỉ cần có 1 chân ra để truyền thông. - Độ phân giải khi đo nhiệt độ là 9-12Bit. - Dải đo nhiệt độ -550C đến +1250C, từng bậc 0,50C có thể đạt độ chính xác đến 0,10C bằng việc hiệu chỉnh qua phần mềm. Rất thích hợp với các ứng dụng đo lường 3 điểm vì nhiều đầu có thể được nối trên 1 Bus, Bus này được gọi là Bus 1 dây (1-wirebus) giống hình dưới đây Hình vẽ trên là phương pháp đấu nối của DS18S20, tuy nhiên cũng có thể áp dụng cho DS18B20. Không cần thêm linh kiện thêm bên ngoài, điện áp nguồn nuôi có thể thay đổi trong khoảng rộng, từ 3,0V-5,5V một chiều và có thể được cấp thông qua đường cấp dữ liệu. Dòng điện tiêu thụ tại chế độ nghỉ cực nhỏ. Thời gian lấy mẫu và biến đổi thành số tương đối nhanh, không quá 200 ms. Mỗi cảm biến có một mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ ROM trên chip (on chip), giá trị nhị phân được khắc bằng tia laze. Đầu đo nhiệt độ số DS18B20 đưa ra số liệu để biểu thị nhiệt độ đo được dưới dạng mã nhị phân 9 bit. Các thông tin được gửi đến và nhận về từ DS18B20 trên giao diện 1-wire, do đó chỉ cần hai đường dẫn gồm một đường cho tín hiệu và một đường làm dây đất là đủ để kết nối vi điều khiển đến điểm đo. Nguồn nuôi cho các thao tác ghi/đọc/chuyển đổi có thể được trích từ đường tín hiệu, không cần có thêm đường dây riêng để cấp điện áp nguồn. Mỗi vi mạch đo nhiệt độ DS18B20 có một mã số định danh duy nhất, được khắc bằng laser trong quá trình chế tạo vi mạch nên nhiều vi mạch DS1820 có thể cùng kết nối vào một bus 1-wire mà không có sự nhầm lẫn. Đặc điểm này làm cho việc lắp đặt nhiều cảm biến nhiệt độ tại nhiều vị trí khác nhau trở nên dễ dàng và với chi phí thấp. Theo chuẩn 1-wire độ dài 8 tối đa chophép của bus là 300 m. Số lượng các cảm biến nối vào bus không hạn chế. Để nâng cao độ phân giải lên trên 12 bit ta phải tính toán thêm bằng phần mềm dựa trên các số liệu lưu trữ trên các thanh ghi nhiệt độ, COUNTREMAIN và COUNT PER C trong nhóm các thanh ghi nháp (scratchpad). 4. vi xử lý. Trong công nghệ điện tử, vi xử lý là một thành phần quan trọng không thể thiếu, nó mang nhiều tính ưu việt: có thể thay thế một mạch điện phức tạp bằng một vi mạch nhỏ gọn với chi phí thấp hơn, nhưng ứng dụng lại đa dạng và linh hoạt hơn. Khả năng điều khiển thông minh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn, ứng dụng nhiều trong hệ thống. Trên cơ sở đó chúng em đã áp dụng những kiến thức trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về đề tài để chế tạo sản phẩm NHIỆT KẾ ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG dung vi điều khiển AVR của ATMEL, có khả năng đo và tự động điều khiển nhiệt độ. Áp dụng vi xử lý trong lĩnh vực này đã được nghiên cứu và phát triển nhiều với những loại vi điều khiển kết hợp với cảm biến và ngôn ngữ lập trình. Tổng quan họ vi điều khiển AVR. Vi điều khiển AVR (Atmel Norway design) thuộc họ vi điều khiển Atmel,nó là họ vi điều khiển mới trên thị trường cũng như đối với người sử dụng. Đây là họ vi điều khiển được chế tạo theo kiến trúc RSIC (Reduced Intruction Set Computer) có cấu trúc khá phức tạp. Ngoài các tính năng như các họ vi điều khiển khác, nó còn tích hợp nhiều tính năng mới rất tiện lợi cho người thiết kế cũng như lập trình cho vi điều khiển, chúng ta thường dung những ngôn ngữ bậc cao HLL(Hight Level Language) để lập trình ngay cả với loại chi xử lý 8 bit trong đó ngôn ngữ C là ngôn ngữ phổ biến nhất. Tuy nhiên khi biên dịch thì kích thước đoạn mã sẽ tăng nhiều so với dùng ngôn ngữ Asemby . Hãng Atmel nhận thấy rằng cần phải phát triển một cấu trúc đặc biệt cho ngôn ngữ C để giảm thiểu sự chênh lệch kích thước mã đã nói trên. Và kết quả là họ vi điều khiển AVR ra đời với việc làm giảm kích thước đoạn mã khi biên dịch và them vào đó là thực hiện lệnh đúng đơn chu kỳ máy với 32 thanh ghi tích lúy và đạt tốc độ nhanh hơn các họ vi điều khiển khác từ 4 đến 12 lần. PHÂN LOẠI AVR +AT900S8535: Không có lệnh nhân hoặc chia trên thanh ghi. +ATMEGA 8,16,32 (AVG loai 8 bit,16 bit,32 bit): Là loại AVR tốc độ cao tích hợp sẵn ADC 10 bit. +AVR tích hợp sẵn LCD driver :Atmega 169,329. 9 +AVR tích hợp sẵn SC ( Power stage controller):AT90PWM thường dung trong các ứng dụng điều khiển động cơ hay chiếu sáng nên còn được gọi là lighting AVR. +Attiny 11, 12, 15:AVR loại nhỏ. CÁC ĐẶC ĐIỂM CHÍNH. 1-Kiến trúc RSIC ( Có nghĩa là máy tính dung lệnh rút gọn, bộ vi sử lý kiểu này thực hiện ít lệnh hơn những bộ vi xử lý khác) với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhận bộ nhớ nạp –lưu trữ và 32 thanh ghi đa năng. 2-Có nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip, bao gồm: Cổng vào/ra số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM), … 3- Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp. 4- Hoạt động với chu kỳ xung nhịp cao, có thể lên đến 20 MHz tuỳ thuộc từng loại chip cụ thể. 5- Bộ nhớ chương trình vµ bộ nhớ dữ liệu được tích hợp ngay trên chip. 6- Khả năng lập trình được trong hệ thống, có thể lập trình được ngay khi đang được cấp nguồn trên bản mạch không cần phải nhấc chip ra khỏi bản mạch. 7- Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao – ngôn ngữ C. Cốt lõi của AVR là sự kết hợp tập lệnh đầy đủ với các thanh ghi đa năng 32 bit. Tất cả các thanh ghi 32 bit này liên kết trực tiếp với khối xử lý số học và logic (ALU) cho phép 2 thanh ghi độc lập được truy cập trong một lệnh đơn trong 1 chu kỳ đồng hồ. Kết quả là tốc độ nhanh gấp 10 lần các bộ vi điều khiển CISC(Complex Instruction Set Computer : máy tính với tập lệnh phức tạp . Một loại kiến trúc của bộ xử lí được đặc trưng bởi tính chất là các lệnh có độ dài khác nhau (không cố định) , thường là một số nhỏ các chế độ đa địa chỉ và thanh ghi) . Với các tính năng đã nêu, chế độ nghỉ (Idle) CPU trong khi cho phép bộ truyền tin nối tiếp đồng bộ USART, giao tiếp 2 dây, chuyển đổi A/D, SRAM, bộ đếm, bộ định thời, cổng SPI và hệ thống các ngắt vẫn hoạt động. Chế độ Power-down lưu giữ nội dung của các thanh ghi nhưng làm đông lạnh bộ tạo dao động, thoát khỏi các chức năng của chip cho đến khi có ngắt ngoài hoặc là reset phần cứng. Chế độ Power-save đồng hồ đồng bộ tiếp tục chạy cho phép chương trình sử dụng giữ được đồng bộ thời gian nhưng các thiết bị còn lại là ngủ. Chế độADC Noise Reduction dừng CPU và tất cả các thiết bị còn lại ngoại trừ đồng hồ đồng bộ và ADC, tối thiểu hoá switching noise trong khi ADC đang hoạt động. Trong chế độ standby, bộ tạo dao động (thuỷ tinh thể/bộ cộng hưởng) chạy trong khi các thiết bị còn lại ngủ. Các điều này cho phép bộ vi điều khiển khởi 10 động rất nhanh trong chế độ tiêu thụ công suất thấp. Thiết bị được sản xuất sử dụng công nghệ bộ nhớ cố định mật độ cao của Atmel. Bộ nhớ On-chip ISP Flash cho phép lập trình lại vào hệ thống qua giao diện SPI bởi bộ lập trình bộ nhớ cố đinh truyền thống hoặc bởi chương trình On-chip Boot chạy trên lõi AVR. Chương trình boot có thể sử dụng bất cứ giao điện nào để download chương trình ứng dụng trong bộ nhớ Flash ứng dụng. Phần mềm trong vùng Boot Flash sẽ tiếp tục chạy trong khi vùng Application Flash được cập nhật, cung cấp thao tác Read-While-Write thực sự. Các đặc tính của vi điều khiển ATMEGA16L - Hiệu năng cao, tiêu thụ năng lượng ít - Kiến trúc RISC - Reduce Instruction Set Computer (Có nghĩa là máy tính dung tập lệnh rút gọn, bộ vi xử lý này thực hiện ít lệnh hơn bộ vi xử lý khác) - 131 lệnh mạnh, hầu hết các lênh thực hiện trong một chu kỳ - 32 Thanh ghi 8-bit đa năng - Tốc độc thực hiện lên tới 16 triệu lệnh trong 1 giây với tần số 16MHz - Có 2 bộ nhân, mỗi bộ thực hiện trong thời gian 2 chu kỳ - Các bộ nhớ chương trình và dữ liệu cố định - 16 Kb bộ nhớ flash có khả năng tự lập trình trong hệ thống - Có thể thực hiện được 10.000 lần ghi/xoá - Vùng mã Boot tuỳ chọn với những bit khoá độc lập - Lập trình trên trong hệ thống bởi chương trình on-chip Boot - Thao tác đọc trong khi nghi thực sự - 512 bytes EEFROM Có thể thực hiện 100.000 lần ghi /xoá - 1Kb SRAM bên trong - Lập trình Khoá an ninh phần mềm + Giao diện nối tiếp đồng bộ ( chuẩn IEEE std.1149.1). kh - 2 bộ định thời/ bộ đếm 8 bit với các chế độ tỷ lệ định trước và chế độ so sánh. - 1 bộ định thời/ bộ đếm 16 bit với các chế độ tỷ lệ định trước riêng biệt, chế độ so sánh và thực hiện trao đổi với các thiết bị tương thích thì khung dữ liệu 8 bit giữa 2 thiết bị được truyền động bộ (cùng xung nhịp với đồng hồ). - Ít xảy ra lỗi. - Lập trình bộ nhớ Flash, EEPROM , ngắt, khóa, Bít thông qua giao diện JTAG. + Ghép nối ngoại vi: - 2 bộ định thời/bộ đếm 8 bit với các chế độ tỉ lệ định trước và chế độ so sánh. 11 - 1 bộ định thời/bộ đếm 16 bit với các chế độ tỉ lệ định trước riêng biệt,chế độ so sánh và chế độ bắt giữ - Bộ thời gian thực với bộ tạo dao động riêng biệt - 4 kênh PWM - 8 kênh, ADC 10 bit - Giao điện nối tiếp 2 dây hướng tới byte - Bộ truyền tin nối tiếp USART khả trình - Giao diện SPI chủ / tớ - Watchdog Timer khả trình với bộ tạo dao động bên trong riêng biệt - Máy so mẫu tương tự bên trong + Các đặc điểm đặc biệt khác. - Power-on Reset và dò Brown-out khả trình. - Bộ tạo dao động được định cỡ bên trong. - Các nguồn ngắt bên trong và bên ngoài. - 6 chế độ ngủ: Nhàn rỗi, giảm ồn ADC, tiết kiệm năng lượng, giảm năng lượng tiêu thụ, chờ đóng băng trạng thái. - I/O và các loại. - 32 đường I/O khả trình. - Điện áp hoạt động. 2.7 – 5.5V - Nhiệt độ hoạt động: -40oC-85oC + Các tốc độ. - 0-8 MHz khi điện áp 2.7 – 5.5V, 0 - 16MHz khi điện áp 4.5 – 5V - Tiêu thụ năng lượng tại 1 MHz, 3V, 25oC đối với ATmega16L. - Hoạt động tích cực: 1.1mA - Chế độ nghỉ ở 0.35mA - Chế độ năng lượng thấp: <1 μA khi điện áp 2.7V + Bằng việc kết hợp 1 bộ 8-bit RISC CPU với In-System SelfProgrammable Flash trong chỉ nguyên vẹn 1 chip Atmel Atmega16L là một bộ vi điều khiển mạnh có thể cung cấp giải pháp có tính linh động cao, giá thành rẻ cho nhiều ứng dụng điều khiển nhúng(Theo định nghĩa của IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers – Viện kỹ thuật và điện tử của Mỹ, thì hệ thống nhúng là một hệ tính toán nằm trong sản phẩm, tạo thành một phần của hệ thống lớn hơn và thực hiện một số chức năng của hệ thống ) Atmega16L AVR được hỗ trợ bởi bộ chương trình đầy đủ và các tool(tiện ích) để phát triển hệ thống, báo gồm: Bộ biên dịch C,macro assemblers, program debugger/simulators(chương trình mô phỏng), in-circuit emulators(mạch mô phỏng) và evaluation kits(kit phát triển). 5.Chọn bộ điều khiển nhiệt độ 5.1 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 12 + Điện áp hoạt động từ 3.0-5VDC - Chân 1: GND - Chân 2: DQ (truyền tín hiệu) - Chân 3: Nguồn Vcc + Khi lắp vào mạch phải nối chân 2 và chân 3 với 1 điện trở 4K7 5.2 Chip ATMEGA16L + Điện áp hoạt động: 2,7-5,5VDC + Sơ đồ chân: - VCC: là cấp nguồn + - GND: nối đất 13 - AVCC: là chân cấp điện cho cổng A(Port A) và bộ biến đổi A/D, PC3, PC0, ADC7, ADC6. Nó được nối nội bộ đến VCC ngay cả trong trường hợp ADC không được sử dụng. Nếu ADC không được sử dụng, nó phải được nối với VCC thông qua bộ lọc thông thấp. Cả PC6 và PC4 cũng xử dụng được điện áp AVCC - AREF: là chân tín hiệu tham chiếu Analog (tương tự) nối vào bộ biến đổi A/D. - PORT A: đầu ra của bộ biến đổi A/D - XTAL 1 và XTAL 2: chân vào ra của thạch anh tạo dao động 5.3 LCD 2 dòng 16 kí tự: + Điện áp hoạt động từ 2,7-5VDC + Tần số hiển thị: 2MHz ở mức điện áp 5V 5.4 Những linh kiện khác: - 2 Tụ 2200uf 16V để lọc nguồn - 1 IC ổn áp 5V: tạo điện áp 5V cấp cho mạch - 1 tụ 47uf 16V: làm mạch reset 14 - 2 Tụ gốm 33pf: ổn định làm việc cho thạch anh - 1 Tụ gốm 104pf: bảo vệ mạch tránh những thành phần tần số cao - 1 Điện trở 4,7K và 1 điện trở 10K: nối chân 2 và chân 3 của DS18B20 và nối với mạch reset - Biến áp 20V-0,5A - Thạch anh 8MHz - Cầu diod Giá của linh kiện chính trong mạch: - Cảm biến DS18B20 là 22-25k - Chip ATMEGA16L là 45k 6. Sơ đồ điều khiển 15 - Vẽ sơ đồ nguyên lý Sơ đồ nguyên lý trên cấp nguồn cho mạch là nguồn AC từ 7 đến 24 V +3 chân cấp nguồn cho Chíp ATMEGA16L là những chân 10,11,31 không vẽ trên sơ đồ (chân 10 được nối chân 30, chân 11 đưowjc nối với chân 31). +Điện trở PULLUP có giá trị 4,7K. +Tụ C3 có thể thay bằng tụ hóa 10uf. +Có thể dung thạch anh 4MHz thay cho loại 8MHz. - Tác dụng của các linh kiện: + DS18B20 cảm biến nhiệt độ từ các ngăn trứng để lấy tín hiệu nhiệt độ đưa vào vi xử lý. +LCD giải mã và hiển thị nhiệt độ. + ATMEGA16L điều khiển tắt mở thiết bị theo nhiệt độ đã mặc định, điều khiển hiển thị LCD. + Mạch ổn áp, tạo điện áp 5VDC cấp cho vi mạch. + Led đỏ gỉa lập máy làm tăng nhiệt độ. + Let xanh giả lập máy làm giảm nhiệt độ. 16 - Cảm biến nhiệt độ truyền tín hiệu nhiệt độ đọc được qua chân DQ(2) vào chân 34 của ATMEGA16L (ADC6) chân này là 1 trong 8 đầu vào của hệ thống biến đổi A/D của ATMEGA16L, nhưng không cần biến đổi mà đưa thẳng vào khối xử lí trung tâm (vì tín hiệu truyền của cảm biến nhiệt độ ở chân DQ là tín hiệu số), tín hiệu khi đưa vào đây sẽ được CPU xử lí với điều kiên đã được lập trình sẵn. Sau đó tín hiệu sau khi được xử lí tiếp tục đưa ra chân 26 (TDO-Test Data Out-kiểm tra dữ liệu ra), 27 (TDI-kiểm tra dữ liệu vào), 28 (TOSC1-Test ocsolltor-kiểm tra đầu vào của bộ tạo dao động 2) vào D4, D5, D6, D7 của LCD để giải mã Mạch in: - Mạch thiết kế đồ họa trên không gian 3D (LCD chỉ mang tính chất minh họa do phần mềm chưa có màn hình LCD). + Mặt trước: 17 18 19 +Mặt sau: 6.khối mạch công suất. Giao tiếp với tải (dây meso) dùng kết nối quang như hình vẽ 20