Mục đích
Đề tài này nhằm áp dụng kiến thức đã học để phát triển một sản phẩm đo nhiệt độ, tích hợp nhiều chức năng và mang lại nhiều ưu điểm.
Đo được nhiệt độ với độ chính xác cao.
Dễ dàng theo dõi trên màn hình LCD.
Sử dụng đơn giản, tiết kiệm thời gian.
Nhỏ gọn, sản phẩm có tuổi thọ cao.
Phương pháp
Trong khi thực hiện đề tài này, em đã sử dụng các phương pháp:
Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin trên internet.
Phương pháp quan sát: quan sát một số phương pháp, sản phẩm đo nhiệt độ sử dụng những cảm biến tương tự khác
Phương pháp thực nghiệm: xem xét một số công nghệ đã được áp dụng để rút kinh nghiệm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về vi điều khiển AVR
Họ vi điều khiển AVR, được phát triển bởi Atmel vào năm 1996, sử dụng cấu trúc AVR RISC (Reduced Instruction Set Computer) và là một trong những dòng vi điều khiển đầu tiên áp dụng bộ nhớ Flash để lưu trữ chương trình Trong những năm gần đây, Atmel đã khẳng định vị thế tiên phong toàn cầu trong lĩnh vực kỹ thuật bộ nhớ Flash, cho phép lưu trữ không biến đổi, xóa bằng điện và lập trình lại Họ AVR thường được ứng dụng trong nhiều sản phẩm như camera số và bo mạch chủ PC.
Vi điều khiển Atmega AVR nổi bật với công suất cao và tiêu thụ năng lượng thấp, sử dụng kiến trúc RISC tiên tiến với 130 lệnh và chu kỳ thực hiện đơn xung lớn nhất Nó sở hữu 32 thanh ghi đa mục đích 8 bit, đạt 16 MIPS tại tần số 16 MHz, cùng với bộ nhân 2 chu kỳ On-chip Thiết bị được trang bị Power-on Reset và Brown-out Detection có thể lập trình, bộ dao động RC bên trong cho phép lập trình các mức, và 5 chế độ ngủ bao gồm Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down và Standby Atmega AVR còn có khả năng Reset khi bật nguồn, chức năng dò lỗi Brown-out lập trình được, cùng với nguồn ngắt trong và ngắt ngoài.
Cốt lõi của AVR là sự kết hợp giữa các câu lệnh phong phú và 32 thanh ghi đa mục đích, tất cả đều kết nối trực tiếp với bộ xử lý logic số học (ALU) Điều này cho phép truy cập hai thanh ghi độc lập trong một câu lệnh duy nhất thực hiện trong một chu kỳ xung Nhờ vào cấu trúc này, AVR trở nên gọn nhẹ và hiệu quả hơn, đồng thời đạt được thời gian xử lý nhanh gấp 10 lần so với các vi điều khiển CISC thông thường.
Chíp được trang bị 8K byte Flash có khả năng lập trình với tính năng đọc trong khi ghi (Read-While-Write), cùng với 512 byte EEPROM và 1K byte SRAM Nó có 23 chân vào ra đa mục đích và 32 thanh ghi đa mục đích, hỗ trợ 3 Timer/Counter linh hoạt với nhiều chế độ so sánh Ngoài ra, chíp còn có các ngắt trong và ngắt ngoài, một bộ USART nối tiếp có thể lập trình, và giao tiếp nối tiếp 2 dây định hướng byte Đặc biệt, chíp cung cấp 6 kênh ADC (8 kênh đối với các loại TQFP và MLF).
Bài viết đề cập đến một hệ thống với 4 hoặc 6 kênh độ chính xác 10-bit và 2 kênh độ chính xác 8-bit Hệ thống này còn được trang bị một Watchdog Timer có thể lập trình với bộ dao động bên trong, cổng nối tiếp SPI và 5 chế độ tiết kiệm năng lượng linh hoạt.
Idle mode dừng CPU trong khi vẫn cho phép SRAM, Timer/Counters, cổng SPI, và hệ thống ngắt tiếp tục chức năng của chúng.
Chế độ tiết kiệm năng lượng Power-down giúp giảm thiểu việc sử dụng thanh ghi, nhưng lại giới hạn hoạt động của bộ dao động Điều này có nghĩa là các chức năng khác của chip sẽ không hoạt động cho đến khi có tín hiệu ngắt tiếp theo hoặc khi thực hiện Reset phần cứng.
Trong chế độ tiết kiệm năng lượng, bộ đếm thời gian không đồng bộ vẫn tiếp tục hoạt động, cho phép duy trì thời gian nền, trong khi các phần khác của thiết bị đang ở trạng thái ngủ.
Chế độ Giảm Nhiễu ADC ngừng hoạt động của CPU và tất cả các module I/O ngoại trừ timer không đồng bộ và ADC, nhằm giảm thiểu nhiễu mạch trong suốt quá trình chuyển đổi ADC.
Trong chế độ chờ, bộ dao động thạch anh cho phép hoạt động trong khi các phần khác của thiết bị ở trạng thái ngủ Điều này giúp khởi động nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
Thiết bị sử dụng công nghệ bộ nhớ non-volatile cao của Atmel, cho phép lập trình bộ nhớ chương trình Flash qua giao thức SPI bằng chương trình lập trình riêng hoặc chương trình boot on-chip trong AVR core Chương trình boot hỗ trợ bất kỳ ghép nối nào để tải ứng dụng vào bộ nhớ Flash Đặc biệt, phần mềm trong Boot Flash vẫn hoạt động trong khi các phần khác của Flash đang được cập nhật, cho phép thực hiện chức năng đọc trong khi ghi (Read-While-Write).
Phân loại vi điều khiển AVR
Có rất nhiều dòng khác nhau:
Tiny AVR (như AT tiny 13, AT tiny 22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi.
MegaAVR — the ATmega series: kích thước vài Kbyte đến vài trăm Kb cùng với các bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp trên chip.
XMEGA — the ATxmega series: là dòng MCU mạnh mẽ nhất hiện nay.
Dòng vi điều khiển AVR32 hiện chưa có mặt trên thị trường, nhưng đây là dòng vi điều khiển 32 bit mạnh mẽ với nhiều tính năng nổi bật như tích hợp USB, công nghệ xử lý âm thanh AC97, bộ đồng hồ thời gian thực RTC và giao thức Ethernet.
Nhiệt độ
Nhiệt độ là một đại lượng vật lý đặc trưng cho sự nóng và lạnh của một vật (hệ vật) trong hệ quy chiếu mà ta chọn.
1.3.2 Các thang đo nhiệt độ
Hình 1 1 Thang đo nhiệt độ
Độ Fahrenheit, được phát minh vào đầu thế kỷ 18, có điểm băng là 32 độ và điểm hơi nước là 212 độ Hệ thống này được thiết lập bởi Fahrenheit không dựa vào các điểm cố định mà chọn một hỗn hợp băng và muối làm điểm mốc dưới cùng, gán giá trị 0 độ, trong khi nhiệt độ cơ thể người được xác định là 96 độ.
Thang đo Fahrenheit thỉnh thoảng vẫn được sử dụng trên bản tin thời tiết ở Mĩ, còn trong khoa học thì nó đã thuộc về lịch sử.
Vào năm 1742, nhà thiên văn học Thụy Điển Anders Celsius đã đề xuất thang đo nhiệt độ với điểm đóng băng ở 0°C và điểm sôi ở 100°C, thường được gọi là thang Celsius Thang này rất phổ biến vì nó chia đều 100 độ giữa hai điểm cố định Tuy nhiên, một nhược điểm của thang Celsius là nhiệt độ dưới điểm đóng băng được biểu thị bằng số âm.
Vào năm 1848, nhà vật lý William Thomson, sau này được phong tước Kelvin, đã đề xuất thang đo nhiệt độ bắt đầu từ độ không tuyệt đối, tức là nhiệt độ thấp nhất có thể có theo lý thuyết Thang đo này được gọi là nhiệt giai Kelvin, với các đơn vị được ký hiệu là K (không phải oK) Đặc biệt, một độ chia kelvin tương đương với một độ chia Celsius, tức là 1 K = 1 oC.
1.3.3 Phương pháp đo nhiệt độ
Đo trực tiếp nhiệt độ dựa trên nguyên lý truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh Bằng cách tiếp xúc nhiệt kế với vật cần đo, chỉ số trên nhiệt kế sẽ phản ánh nhiệt độ của vật đó.
Đo gián tiếp: phương pháp đo bằng quang phổ, căn cứ vào màu sắc vật phát ra sẽ cho biết nhiệt độ của vật
Các thành phần trong mạch
AVR Atmega16 là dòng vi điều khiển 8 bits do hãng Atmel sản xuất, nổi bật với cấu trúc tập lệnh RISC (Reduced Instruction Set Computer) đơn giản hóa Hệ thống này cho thấy ưu thế vượt trội trong các bộ xử lý, và Atmel cũng là nhà sản xuất nổi tiếng với dòng vi điều khiển 89C51.
Vi điều khiển Atmega16 là một vi điều khiển hiệu suất cao và tiêu thụ năng lượng thấp, dựa trên kiến trúc 8-bit AVR RISC của Atmel Nó được trang bị 16KB bộ nhớ flash có thể lập trình, 1KB SRAM và 512B EEPROM, cùng với một bộ chuyển đổi A/D 10-bit 8-kênh Thiết bị này hỗ trợ thông lượng lên đến 16 MIPS ở tần số 16 MHz và hoạt động trong dải điện áp từ 4,5 đến 5,5 volt, đồng thời có giao diện JTAG cho việc gỡ lỗi trên chip.
Vi điều khiển Atmega16 thực hiện các hướng dẫn trong một chu kỳ đồng hồ duy nhất, cho phép đạt được thông lượng gần 1 MIPS mỗi MHz, đồng thời cân bằng hiệu quả điện năng tiêu thụ.
AVR Atmega16 nổi bật hơn các chip vi điều khiển 8 bit khác nhờ nhiều đặc tính ưu việt, đặc biệt là tính ứng dụng dễ dàng và các chức năng phong phú Khi sử dụng AVR, người dùng gần như không cần phải thêm linh kiện phụ nào, ngay cả nguồn tạo xung clock cho chip cũng không cần thiết, thường là các khối thạch anh.
Thiết bị lập trình cho vi điều khiển AVR rất đơn giản, với một số loại mạch nạp chỉ cần vài điện trở để hoạt động Ngoài ra, nhiều vi điều khiển AVR còn hỗ trợ lập trình on-chip thông qua bootloader, giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng mạch nạp.
Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR được thiết kế tương thích C Nguồn tài nguyên về source code, tài liệu, application note…rất lớn trên internet
Hình 1 3 Atmega16 trong thực tế
Tần số thường hoạt động (MHz): 16 MHz
Hình 1 4 Sơ đồ chân atmega 16
1.4.2 Cảm biến nhiệt độ LM35
Cảm biến nhiệt độ LM35, được sản xuất bởi National Semiconductor, có dải đo từ 0 đến 100 độ C Đây là cảm biến tiêu thụ điện năng thấp, hoạt động với điện áp 5V LM35 bao gồm 3 chân kết nối: 2 chân nguồn và 1 chân tín hiệu ra dạng Analog.
Chân dữ liệu của cảm biến LM35 là chân ngõ ra điện áp tuyến tính, với chân số 2 cho ra điện áp 1mV tương ứng với 0.1°C (10mV = 1°C) Để chuyển đổi điện áp từ chân OUT sang độ Celsius, chỉ cần chia giá trị điện áp thu được cho 10.
Chân 1 cấp điện áp 5V, chân 3 cấp GND, chân 2 là chân OUTPUT dữ liệu dạng điện áp.
Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V
Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải
Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài khoảng -55°C tới 150°C
Hình 1 5 Sơ đồ chân LM35
Hình 1 6 LM35 trong thực tế
Thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống vi điều khiển (VĐK) nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật LCD 1602 có khả năng hiển thị đa dạng các ký tự như chữ, số và ký tự đồ họa Nó cũng dễ dàng tích hợp vào các mạch ứng dụng thông qua nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn ít tài nguyên hệ thống và có giá thành phải chăng.
1.4.3.2 Thông số kĩ thuật của sản phẩm LCD 1602:
Điện áp ra mức cao : > 2.4
Điện áp ra mức thấp :
