طراحی و شبیه سازی دماسنج کنترلی قسمت اول

چکیده :

قرن اول میلادی، در حوزه های علوم دینی ایتالیا نوشته هائی را با نام قهرمان الکساندریا که نویسنده ای مجهول داشت مطالعه می کردند. در این نوشته ها، وسایل عجیبی تشریح شده بودند که یکی از آنها به نام چشمه ای که خورشید در آن می چکد، نام برده شده بود. دانشمندان آن زمان که در پی شناخت و ساخت چنین وسیله ای بودند، توانستند شرح و طرحی در حد پیشنهاد در مورد آن بدهند. اساس آن نظریه هابر طبق قانون (انبساط در اثر گرما) پی ریزی شده بود.
در قرن دوم میلادی یک فیزیکدان یونانی به نام (گالن) ثابت کرد که می توان حس هائی مثل سرما و گرما را به کمک وسیله ای شامل یک ستون چهار درجه ای که در بالا و پائین یک نقطه خنثی (نه مثبت، نه منفی) نمره گذاری شده اند، اندازه گیری کرد. این نظریه تا پایان قرن شانزدهم پایه ای برای تعلیمات پزشکی بود.
در پایان قرن شانزدهم، دانشمندان طرح ساخت دماسنج های هوائی را گسترش داند، وسیله ای که بعدها در شکل پیشرفته خود، به صورت دماسنج فعلی درآمد. این دستگاه به طور کیفی، (نه از نظر کمی و مقدار معین درجه حرارت) اثر حرارت را در انبساط هوا نشان می داد. دماسنج ساده آن زمان شامل یک شیشه آزمایشگاهی به شکل تنگ بود که گردن باریک و بلندی داشت. وقتی تنگ حرارت می دید، هوای داخل آن منبسط می شد و از دهانه لوله باریک و بلند خارج می گردید. سپس تنگ به طور وارونه به داخل آب قرار داده می شد. هوای جمع شده داخل تنگ، به هنگام خروج، آب اطراف تنگ را بالا می برد. تغییرات بعدی میزان ارتفاع آب، نشانگر حرارت هوای متراکم داخل تنگ بود.
در سال ۱۶۱۱، (بارتولومیوتیلو) در رم، طرح های تهیه یک دماسنج مدرج را ارائه کرد، اما او در کار خود موفق نشد، زیرا دستگاه او دارای ایرادهای اساسی از نظراصول فیزیکی بود. در سال ۱۶۱۲، یک دکتر ایتالیائی به نام (سانتوریو سانتور) دماسنج هوائی مدرج را ساخت. به این ترتیب میزان حرارت از نظر کمی نیز قابل اندازه گیری شد.
در سال ۱۶۵۰، دماسنج های هوائی کاملاً شناخته شده بودند. در سال ۱۶۶۰، (اتووان گریک) یک دماسنج بسیار حساس ساختو آن را بر دیوار خانه خود نصب کرد. در این سال ها میزان اعتماد و اطمینان به چنین دستگاه هائی مورد شک همگان بود. در سال ۱۶۴۴، (توریچلی) دانشمند معروف، تغییرات و نوسانات فشار هوا را کشف کرد و در پایان همان دهه، همه دیگر می انستند که درجه دماسنج در مقابل تغییراتی که در اثر فشار و حرارت به وجود می آید، تغییر می کند. اما مشکل اساسی همچنان برقرار بود؛ این مشکل قرار دادن یک ماده در شیشه دماسنج خالی از هوا بود. قبلاً در سال ۱۶۵۴، تهیه مایع در دماسنج تخلیه شده از هوا به وسیله دوک بزرگ توسکانی فردیناند دوم اختراع شده بود. تغییرات جوی در چنین دماسنجی اثر نداشت، چون چنین تغییراتی در تمام جوانب دستگاه موجود بود.
دماسنج مایعی (مایع در خلاء) تا مد ها مورد استفاده همگان قرار داشت و به وسیله آکادمی علوم فلورانس مورد استفاده قرار گرفت. این آکادمی، دماسنج های پنجاه تا صد درجه ای ساخت که شباهت زیادی به دماسنج های امروزی داشت، اما اساس درجه های این دماسنج های پنجاه تا صد درجه ای ساخت که شباهت زیادی به دماسنج های امروزی داشت، اما اساس درجه های این دماسنج در نوع های مختلف فرق می کرد. مثلاً دماسنج ۴۲۰ درجه ای با سیستم ده ـ دهی درجه بندی شده بود و برای سنجش حرارت مایعات به کار می رفت و بر اثر انبساط الکل کار می کرد. این وسیله کاربرد کافی و درستی نداشت. در مقابل، دماسنج پنجاه درجه ای فلورانسی بیشتر قابل اعتماد بود، چون اساس درجه بندی آن معقولتر بود.
در سال ۱۶۶۰، (رابرت هوک) ـ رئیس آزمایشگاه سلطنتی لندن ـ کوشش کرد تا دماسنج مدرج جدیدی بر پایه اصول فیزیکی بسازد. او درجه مشخصی را به عنوان مبنا تعیین کرد؛ این درجه، درجه ای بود که هوا رد آن شروع به یخ زدن می کند.
بعدها کوشش های زیادی از سوی دانشمندان مختلف برای ساختن دماسنج های جدید و قابل اعتماد صورت گرفت. عده ای میزان حرارت خون و عده ای دیگر درجه ذوب کره و… را مبنای مدرج سازی دماسنج قرار دادند، اما بر اثر پیشرفت علم همگی توافق کردند که بهترین مبنای مدرج سازی دماسنج، درجه ذوب و انجماد (آب) است.
بالاخره در سال ۱۷۱۷، مخترعی در آمستردام (هلند) به نام (دی.جی.فارنهایت)، دماسنج جیوه ای را ساخت که به نام خود او معروف شد. بر طبق این درجه بندی (درجه بندی فارنهایت) نقطه انجماد آب در ۳۲ درجه و نقطه جوش آن در ۲۱۲ درجه است و بر طبق درجه بندی سانتیگراد، نقطه انجماد آب در صفر درجه و نقطه جوش آب در ۱۰۰ درجه است.

اما امروزه از آنها به ندرت استفاده میشود و از انواع دیجیتالی استفاده می گردد.

به عنوان مثال برای کنترل دمای یک اتاق یا دمای یک دستگاه می توان از این دماسنج بهره برد.

به طور خلاصه هر جا که نیاز به اتوماسیون صنعتی احساس شود این پروژه کاربرد زیادی دارد

.

فهرست مطالب

فصل اول

• مقدمه

فصل دوم

• سخت افزار پروژه
• قطعات بکار رفته در پروژه
• میکرو کنترلرATMEGA16
• سنسور تشخیص دما LM35
• LCD کاراکتری

فصل سوم

• نرم افزار پروژه
• نرم افزارهای بکار برده شده در پروژه
• نرم افزار Keil
• نرم افزار Protues
• فلوچارت پروژه

فصل چهارم

• نتیجه گیری و جمع بندی

فصل اول

مقدمه :

به طور خلاصه هر جا که نیاز به اتوماسیون صنعتی احساس شود این پروژه کاربرد زیادی دارد.

استفاده روز افزون از این دستگاه باعث شده تا انقلاب عظیمی در زمینه صرفه جویی در مصرف انرژی صورت پذیرد.

من در این مقاله سعی دارم که مطالبی نسبتا سودمند در مورد پروژه ی خود ارائه دهم. این مقاله در قالب چهار فصل می باشد.

در فصل دوم نحوه ی ارتباط سخت افزار های این پروژه را خواهیم دید. میبینیم که چه قطعاتی در این پروژه به کار رفته است.

در فصل سوم نیز به تشریح نرم افزاری پروژه می پردازیم و در فصل بعدی ترکیب نرم افزاری و سخت افزاری پروژه را داریم.

فصل دوم

سخت افزار

در این فصل ابتدا قطعات به کار رفته در این پروژه را نام می بریم و سپس به طور اختصار توضیحاتی راجع به هر یک و نحوه ی عملکرد آنها در پروژه ارئه می دهیم.

قطعات سخت افزار های به کار رفته در این پروژه عبارتست از :

1. میکرو کنترلر AVR
2. LCD کاراکتری
3. سنسور دما LM35

تشریح قطعات و نحوه عملکرد آنها در پروژه:

1-2 ) میکرو کنترلرAVR :

یکی از انواع میکروکنترلرهای جدید که در بازار الکترونیک ارائه شده است، میکروکنترلر های شرکت ATMEL با نام میکروکنترلرهای خانوادهAVR  می باشد. این میکروکنترلر های هشت بیتی به دلیل قابلیت برنامه نویسی  توسط کامپایلر زبان های سطح بالا (HLL ) بسیار مورد توجه قرار می گیرند. این میکروکنترلر ها از معماریRISC برخوردارند و شرکت ATMEL سعی نموده است با استفاده از معماری پیشرفته و دستورات بهینه، حجم کد تولید شده را کم و سرعت اجرای برنامه را بالا ببرد. یکی از مشخصات این نوع میکروکنترلر ها دارا بودن 32 رجیستر همه منظوره می باشد. همچنین در این میکروکنترلر ها از حافظه های کم مصرف و غیر فرار FLASH و EEPROMاستفاده می شود.

کامپایلر هایی به زبان BASIC  و C که زبانهای پرکاربرد در دنیا هستند برای این نوع میکرو ها طراحی شده است و علاوه برآن از زبان اسمبلی نیز همچنان می توان برای برنامه نویسی استفاده کرد.

به عنوان مثال کامپایلر BASCOM با زبان BASIC برای برنامه نویسی این نوع از میکروکنترلر ها می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

 میکروکنترلر های AVR به سه دسته اصلی تقسیم می شوند:

• • • سری AT90S یا  AVR
    • سری TINYAVR
    • سری MEGAAVR 

یکی از انواع میکروکنترلرهای جدید که در بازار الکترونیک ارائه شده است، میکروکنترلر های شرکت ATMEL با نام میکروکنترلرهای خانوادهAVR  می باشد. این میکروکنترلر های هشت بیتی به دلیل قابلیت برنامه نویسی  توسط کامپایلر زبان های سطح بالا (HLL ) بسیار مورد توجه قرار می گیرند. این میکروکنترلر ها از معماریRISC برخوردارند و شرکت ATMEL سعی نموده است با استفاده از معماری پیشرفته و دستورات بهینه، حجم کد تولید شده را کم و سرعت اجرای برنامه را بالا ببرد. یکی از مشخصات این نوع میکروکنترلر ها دارا بودن 32 رجیستر همه منظوره می باشد. همچنین در این میکروکنترلر ها از حافظه های کم مصرف و غیر فرار FLASH و EEPROMاستفاده می شود.

کامپایلر هایی به زبان BASIC  و C که زبانهای پرکاربرد در دنیا هستند برای این نوع میکرو ها طراحی شده است و علاوه برآن از زبان اسمبلی نیز همچنان می توان برای برنامه نویسی استفاده کرد.

به عنوان مثال کامپایلر BASCOM با زبان BASIC برای برنامه نویسی این نوع از میکروکنترلر ها می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

 میکروکنترلر های AVR به سه دسته اصلی تقسیم می شوند:

·        سری AT90S یا  AVR

·        سری TINYAVR

·        سری MEGAAVR

 میکروکنترلر های نوع MEGAAVR  دارای قابلیت های بیشتری نسبت به دو سری دیگر هستند. در اینجا به بررسی مشخصات و پایه های یکی از میکروکنترلرهای پرکاربرد سریMEGA به نام ATMega16 می پردازیم:

ATMega16

 

 مهمترین مشخضات این میکروکنترلر 40 پایه عبارت است از:

·        کارایی بالا و توان مصرفی کم

·        32 رجیستر (ثبات) 8 بیتی

·        سرعت با سقف 16 میلیون دستور در ثانیه در فرکانس 16 Mhz

·        32 کیلو بایت حافظه FLASH داخلی قابل برنامه ریزی با قابلیت ده هزار بار نوشتن و پاک کردن

·        2 کیلو بایت حافظه داخلی SRAM

·        1024 بایت حافظه EEPROM داخلی قابل برنامه ریزی با قابلیت صد هزار بار نوشتن و خواندن

·        قابلیت ارتباط JTAG

·        دو تایمر/شمارنده  هشت بیتی

·        یک تایمر/شمارنده  شانزده بیتی

·        چهار کانال PWM

·        هشت کانال مبدل A/D  ده بیتی

·        یک مقایسه کننده آنالوگ داخلی

·        WATCHDOG قابل برنامه ریزی با اسیلاتور داخلی

·        ارتباط سریال برای برنامه ریزی: ISP

·        USART سریال قابل برنامه ریزی

·        دارای شش حالت SLEEP

·        منابع وقفه داخلی و خارجی

·        اسیلاتور داخلی RC

·        کار با ولتاژ 4.5  تا 5.5 

·        فرکانس کاری 0 تا 16 مگاهرتز

·        32 خط داده ورودی و خروجی قابل برنامه ریزی

·        …

خانواده میکروکنترلرهای AVR شامل طیف گسترده ای از آی سی ها است که از 8 پایه شروع و به 64 پایه ختم می شود. اما در بین این طیف گسترده تعدادی استفاده عمومی تری دارند.

ATMEGA16 در سه نوع بسته بندی PDIP با 40 پایه و TQFP با 44پایه و MLF با 44 پایه ساخته میشود که در بازار ایران بیشتر نوع PDIP موجود میباشد .

ATMRGA16 دارای چهار پورت 8بیتی ( 1 بایتی ) دارد که علاوه بر اینکه بعنوان یک پورت معمولی میتوانند باشند کارهای دیگری نیز انجام میدهند . بطور مثالPORTA میتواند بعنوان ورودیADC (تبدیل ولتاژ آنالوگ به کد دیجیتال ) استفاده شود که این خاصیت های مختلف پورت در برنامه ای که نوشته میشود تعیین خواهد شد.
ولتاژ مصرفی این آی سی از 4.5V تا 5.5V میتواند باشد.
فرکانس کار هم تا 16MHz میتواند انتخاب شود که تا 8MHz نیازی به کریستال خارجی نیست و در داخل خود آی سی میتواند تامین شود . فرکانس کار از جمله مواردی است که باید در برنامه تعیین شود . لازم به ذکر است که این فرکانس بدون هیچ تقسیمی بهCPU داده میشود . بنابراین این خانواده از میکروکنترلرها سرعت بیشتری نسبت خانواده های دیگر دارند.
پایه ی شماره 9 نیز ریست سخت افزاری میباشد و برای عملکرد عادی آی سی نباید به جایی وصل شود و برای ریست کردن نیز باید به زمین وصل میشود.
پایه های 12 , 13 نیز برای استفاده از کریستال خارجی تعبیه شده است

(شکل 1) (شکل 2)

در شکل 1 شمائی از پایه های یک میکرو کنترلرAVRو در شکل 2 شمای واقعی از یک میکرو کنترلر ATMEGA16چهل پایه میبینیم.