thiết kế và thi công mạch đo nhiệt độ đa điểm dùng PIC16f887 và IC ds18b20. Mạch có thể sử dụng bao nhiêu cảm biến nhiệt độ DS18b20 tùy thích ( không giới hạn). Các cảm biến DS18b20 được nối chung vào một chân của VĐK PIC16f887 nên có thể mở rộng phạm vi đo tùy thích. Mạch hiển thị bằng LCD16x2 nên dễ quan sát, điều chỉnh.
GIỚI THIỆU YÊU CẦU – GIỚI HẠN
Giới thiệu
Trong cuộc sống hiện nay, nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng lớn đến sản xuất và an toàn của con người Nhiệt độ môi trường cao có thể gây ra cháy nổ và hỏng hóc thiết bị, trong khi đó, sự thoải mái trong cuộc sống hàng ngày cũng bị đe dọa Do đó, việc sử dụng các thiết bị đo và kiểm soát nhiệt độ trở nên cần thiết Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hiện nay đã có nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ chính xác cao như LM35 và DS18B20, có kích thước nhỏ gọn và dễ sử dụng, giúp đảm bảo an toàn và tiện nghi cho cuộc sống.
Giới hạn
Với quy mô đồ án môn học 2, nên đề tài sẽ còn một số giới hạn :
- Đồ án chỉ sử dụng 2 cảm biến DS18b20
- Dùng các bóng đèn AC 220v để thay thế cho các thiết bị công suất như động cơ, máy điều hòa, máy bơm nước,…
- Hiển thị trên màn hình LCD 16x2
THIẾT KẾ
Giới thiệu
Mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến một dây DS18B20 cho phép đo nhiệt độ ở nhiều vị trí khác nhau mà không bị giới hạn về số lượng cảm biến.
Dự án sử dụng hai cảm biến DS18B20 đặt ở hai vị trí khác nhau, với tín hiệu được truyền về chip vi xử lý PIC16F887 Nhiệt độ đo được sẽ được chuyển đổi và hiển thị trên màn hình LCD 16x2 Dựa vào nhiệt độ tham chiếu của từng cảm biến, hệ thống sẽ điều khiển một bóng đèn AC 220V.
2.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI:
Theo yêu cầu của đề tài thì sơ đồ khối được thiết kế như sau:
Khối nguồn: có chức năng cấp nguồn cho toàn bộ mạch để hoạt động
Khối cảm biến DS18B20 : có chức năng thu tín hiệu nhiệt độ từ môi trường
Khối vi xử lý PIC16F887 : có chức năng nhận tín hiệu nhiệt độ từ khối cảm biến
DS18B20, xử lý tín hiệu nhiệt độ đó, hiển thị nhiệt độ ra LCD16x2, cài đặt nhiệt độ tham chiếu để điều khiển đóng/cắt khối Relay-Optotriac
Khối hiển thị LCD16x2 : hiển thị nhiệt độ cảm biến đo được, hiển thị nhiệt độ tham chiếu cài đặt, hiển thị trạng thái ON/OFF của đèn AC220V
Khối Relay-optotriac : có chức năng là thiết bị trung gian để điều khiển đèn AC220V
Khối đèn AC 220v : kết nối đèn AC 220V với lưới điện 220V và được điều khiển đóng/cắt bởi khối Relay-optotriac
Sơ đồ khối
2.2.1.THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ: a KHỐI CẢM BIẾN DS18B20: Đặc điểm và thông số:
- Sử dụng giao diện 1-Wire nên chỉ cần có một chân ra để truyền thông
- Giải đo nhiệt: -55’C đến +125’C (sai số 0.5’C khi nhiệt độ từ -10’C đến 85’C)
- Độ phân giải khi đo nhiệt độ từ 9 đến 12 bit
- Nguồn cấp từ 3.0V đến 5.5V và có thể cấp qua đường dữ liệu
Vi mạch DS18B20 được trang bị mã nhận diện 64 bit lưu trữ trong bộ nhớ ROM, với giá trị nhị phân được khắc bằng tia laze Điều này cho phép nhiều vi mạch DS18B20 kết nối vào một bus 1-Wire mà không gặp phải sự nhầm lẫn.
- Thời gian chuyển đổi tối đa là 750ms cho mã hóa 12 bit
Hình 2.1 : Sơ đồ chân DS18B20
Tổng quan: Đầu đo nhiệt độ DS18B20 đưa ra số liệu để biểu thị nhiệt độ đo được dưới dạng mã nhị phân từ 9 đến 12 bit
Sơ đồ khối của DS18B20:
Hình 2.2: Sơ đồ khối DS18B20
- Mã 64 bit trong ROM: Mỗi cảm biến nhiệt DS18B20 có một dãy mã 64 bit duy nhất được lưu trữ trong bộ nhớ ROM được khắc bằng kĩ thuật laze
Hình 2.3: Mã 64bit ROM duy nhất của mỗi DS18B20
8 bit đầu là mã định danh họ một dây, mã của DS18B20 là 28h
48 bit tiếp theo là mã xuất xưởng duy nhất, nghĩa là mỗi cảm biến DS18B20 chỉ có một mã
8 bit cuối có ý nghĩa nhất là byte mã kiểm tra CRC (cyclic redundancy check), byte này được tính toán từ 56 bit đầu tiên của dãy mã trên ROM
Bộ nhớ SCRATCHPAD: Bộ nhớ DS18B20 bao gồm 9 thanh ghi 8 bit
Hình 2.4: bộ nhớ SCRATCHPAD của DS18B20
Byte 0 và 1 chứa LSB, MSB của thanh ghi nhiệt độ Byte này chỉ đọc
Hình 2.5: Thanh ghi nhiệt độ
Byte 2, 3: Cập nhật thanh ghi TH và TL, lưu giá trị nhiệt độ ngưỡng
Hình 2.6: Thanh ghi nhiệt độ ngưỡng
Byte 4: Chứa dữ liệu của thanh ghi cấu hình hoạt động của DS18B20
Hình 2.7: Thanh ghi cấu hình hoạt động
Byte 5, 6 và 7 không sử dụng
Byte 8: thanh ghi chỉ đọc và chứa mã kiểm tra CRC từ byte 0 đến byte 7
Dữ liệu trong byte 2, 3, 4 được ghi bằng lệnh Write Scratchpad [4Eh] và truyền đến DS18B20 với bit LSB của byte 2 Sau khi ghi, dữ liệu có thể được đọc lại qua lệnh Read Scratchpad [BEh], trong đó bit LSB của byte 0 sẽ được gửi đi trước khi các byte khác được đọc Tuy nhiên, chỉ có byte 2, 3 và 4 là có thể ghi được.
Để chuyển dữ liệu từ bộ nhớ vào EEPROM, cần gửi lệnh Copy Scratchpad [48h] đến DS18B20 Ngoài ra, dữ liệu từ EEPROM cũng có thể được chuyển vào thanh ghi TH và TL thông qua lệnh Recall E 2 [B8h].
Việc trao đổi dữ liệu giữa VĐK và DS18B20 thông qua 3 bước:
- Bước 1: Khởi tạo xung reset và nhận tin hiệu hiện từ DS18B20
Quá trình khởi tạo của cảm biến DS18B20 bắt đầu với một xung reset từ vi điều khiển (VĐK), tiếp theo là xung presence từ DS18B20 gửi đến VĐK để xác nhận sự hiện diện của nó Sau đó, quá trình trao đổi dữ liệu giữa VĐK và DS18B20 có thể được thực hiện.
- Bước 2: Lệnh điều khiển ROM
Các lệnh này hoạt động với mã 64 bit trong ROM và được phát ra sau khi quá trình khởi tạo hoàn tất Chúng cho phép vi điều khiển (VĐK) nhận biết số lượng và loại thiết bị có trên bus.
Có 5 lệnh ROM: READ ROM (33h), MATCH ROM (55h), SKIP ROM (CCh), SEARCH
Lệnh READ ROM (33h) cho phép đọc 8 byte mã khắc laser trên ROM, bao gồm 8 bit mã định danh linh kiện (10h), 48 bit số xuất xưởng và 8 bit kiểm tra CRC Lệnh này chỉ áp dụng khi có một cảm biến DS1820 trên bus; nếu không, sẽ xảy ra xung đột do tất cả các thiết bị cùng phản hồi.
Lệnh MATCH ROM (55h) được sử dụng để chọn một cảm biến DS1820 cụ thể trong số nhiều cảm biến cùng kết nối trên bus, thông qua việc gửi 64 bit ROM Chỉ những cảm biến DS1820 có 64 bit ROM khớp với chuỗi 64 bit đã gửi mới phản hồi các lệnh tiếp theo về bộ nhớ, trong khi các cảm biến khác sẽ không đáp ứng.
ROM 64 bit không khớp sẽ vẫn chờ một tín hiệu reset Lệnh này áp dụng cho cả trường hợp có một cảm biến một dây và khi có nhiều cảm biến một dây.
Lệnh SKIP ROM (CCh) cho phép thiết bị điều khiển truy cập trực tiếp vào các lệnh bộ nhớ của cảm biến DS1820 mà không cần gửi chuỗi mã 64 bit ROM, từ đó tiết kiệm thời gian chờ đợi Tuy nhiên, lệnh này chỉ phát huy hiệu quả khi trên bus chỉ có một cảm biến.
Lệnh SEARCH ROM (F0h) cho phép bộ điều khiển bus xác định số lượng thành viên đang kết nối vào bus và truy xuất các giá trị cụ thể trong 64 bit ROM của chúng thông qua một chu trình dò tìm.
Lệnh ALARM SEARCH (ECh) hoạt động tương tự như lệnh Search ROM, tuy nhiên cảm biến DS1820 chỉ phản hồi lệnh này khi có điều kiện cảnh báo trong phép đo nhiệt độ cuối cùng Điều kiện cảnh báo được xác định khi giá trị nhiệt độ đo được lớn hơn giá trị TH (nhiệt độ cao nhất) và nhỏ hơn giá trị TL (nhiệt độ thấp nhất) đã được thiết lập trong thanh ghi bộ nhớ của cảm biến.
Khi sử dụng IC DS18B20 chỉ để đo và hiển thị nhiệt độ, có thể bỏ qua các lệnh như MATCH ROM, SEARCH ROM và ALARM SEARCH.
- Bước 3: Lệnh chức năng DS18B20
Sau khi VĐK xác định địa chỉ thiết bị cần giao tiếp qua các lệnh ROM, VĐK sẽ gửi lệnh điều khiển cho DS18B20 Những lệnh này cho phép VĐK thực hiện ghi và điều chỉnh hoạt động của cảm biến nhiệt độ DS18B20 một cách hiệu quả.
SVTH: Châu Huỳnh Tài 11 đọc dữ liệu từ bộ nhớ Scratchpad của DS18B20, bắt đầu quá trình chuyển đổi nhiệt độ và xác định chế độ cấp nguồn
Có 6 lệnh chức năng DS18B20: WRITE SCRATCHPAD (4Eh), READ SCRATCHPAD (BEh), COPYSCRATCHPAD (48h), CONVERT T (44h), READ POWER SUPPLY (B4h), RECALL E 2 (B8h)
Lệnh WRITE SCRATCHPAD (4Eh) cho phép ghi 3 byte dữ liệu vào bộ nhớ nháp của DS1820 Byte đầu tiên được ghi vào thanh ghi TH (byte 2 của bộ nhớ nháp), byte thứ hai vào thanh ghi TL (byte 3), và byte thứ ba vào thanh ghi cấu hình (byte 4) Dữ liệu được truyền theo thứ tự bit thấp nhất trước Cả ba byte này cần phải được ghi xong trước khi thiết bị chủ phát ra xung reset hoặc khi có dữ liệu khác xuất hiện.
READ SCRATCHPAD (BEh): Lệnh này cho phép VĐK đọc nội dung bộ nhớ nháp
Quá trình đọc dữ liệu bắt đầu từ bit LSB của byte 0 và kéo dài đến byte thứ 9 (byte 8 – CRC) Thiết bị chủ có khả năng phát ra một xung reset để dừng quá trình đọc bất kỳ lúc nào, nếu chỉ cần đọc một phần dữ liệu từ bộ nhớ nháp.
COPYSCRATCHPAD (48h): Lệnh này copy nội dung của 3 thanh ghi TH và TL, cấu hình
Configuration (byte 2, byte 3 và byte 4) vào bộ nhớ EEPROM Nếu cảm biến được sử dụng trong chế dộ cấp nguồn l bắt đầu việc đo
THI CÔNG MẠCH
Vẽ sơ đồ nguyên lý
Phần cứng được thiết kế bằng phần mềm Proteus Professional 7.10, một công cụ chuyên dụng cho việc thiết kế và mô phỏng mạch điện Ngoài ra, Proteus Professional 7.10 còn tích hợp phần mềm ARES, giúp đơn giản hóa quá trình vẽ mạch in PCB.
After installing Proteus Professional 7.10, an ISIS icon will appear on the Windows desktop Double-click the Proteus Professional 7.10 icon to launch the program, and the Proteus Professional 7.10 interface will be displayed.
Hình 3.1: Giao diện Proteus 7.10 ISIS
- Sau đó, ta bấm vào kí hiệu để lấy linh kiện cần sử dụng
- Kế đến, ta chọn linh kiện đã lấy bên khung DEVICES và đặt ra bản vẽ
- Bấm vào chân linh kiện để nối dây
Ưu điểm của phần mềm: thao tác đơn giản, có thể mô phỏng chương trình
3.1.2 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG:
STT TÊN LINH KIỆN SỐ LƯỢNG GHI CHÚ
6 ĐIỆN TRỞ 180 OHM 1 Dùng linh kiện công suất
12 TRIAC 1 Dùng triac công nghiệp
Bảng 3.1: Danh sách linh kiện sử dụng.
Vẽ PCB
- Sau khi vẽ sơ đồ nguyên lý xong, ta bấm chuột vào kí hiệu để chuyển sang trang vẽ mạch in:
- Lấy các linh kiện bên khung COMPONENTS và đặt ra bản vẽ
- Kế đến, ta bấm vào icon để hiệu chỉnh thông số cho đường dây
- Sau khi hiệu chỉnh thông số đường dây xong ta bấm vào icon để chương trình tự động đi dây theo sơ đồ nguyên lý đã thiết kế
- Cuối cùng ta hiệu chỉnh lại đường dây cho hoàn chỉnh
- Chú ý, hiệu chỉnh cẩn thận để các đường dây không bị dính vô nhau
Hình 3.3: Mạch in mặt sau
Yêu cầu trên mạch PCB:
Để đảm bảo chất lượng cung cấp nguồn cho tất cả các linh kiện, đường nguồn cần có kích thước lớn nhằm chịu được dòng điện tối đa của mạch Trong trường hợp này, chúng ta chọn đường nguồn T40 theo tiêu chuẩn của Proteus.
- Đường tín hiệu: do mạch đơn giản nên chọn đường tín hiệu bằng đường nguồn để dễ thi công Ở đây chọn dây kích thước T40 (theo Proteus)
- Các yếu tố như: ngày, tháng, năm, họ tên, MSSV phải in ngược lại để khi làm mạch thực mới có thể đọc được
- Khoảng cách bố trí linh kiện tùy theo điều kiện mạch, sao cho giữa các đường tín hiệu, đường nguồn có khoảng cách an toàn, không bị dính nhau
Sơ đồ bố trí linh kiện:
Hình 3.4: Sơ đồ bố trí linh kiện
3.3 GIA CÔNG, LẮP RÁP VÀ KIỂM TRA LỖI
- Mặt trước sau khi thi công :
KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ KẾT LUẬN
Kết luận
Mạch hoạt động tốt, ổn định, tuy nhiên vẫn chưa đáp ứng đủ yêu cầu đề ra Mạch còn thiếu phần công suất sử dụng MOC3020.
Hướng phát triển
Đề tài này nhằm giám sát nhiệt độ và điều khiển thiết bị ngoại vi sử dụng điện lưới 220V Trong tương lai, mạch có thể được phát triển thêm để nâng cao hiệu quả và tính năng.
- Thêm vào nhiều Cảm biến DS18b20 hơn để có thể giám sát được nhiều điểm hơn
- Thay đổi các đèn 220V bằng các động cơ như máy bơm nước, quạt,… để sử dụng tùy theo mục đích.
