Thiết kế mạch đo điện áp một chiều trong dải ( 5VDC đến +5VDC) có hiển thị trên LED 7 vạch

MỤC LỤC Trang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN ÁP……………2 1.1. Khái niệm về đo điện áp…………………………………………… 2 1.2. Các phương pháp đo điện áp……………………………………… 2 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG……………………………………….3 2.1. Sơ đồ khối mạch phần cứng…………………………………………3 2.2. Chức năng các khối………………………………………………….3 2.2.1. Khối nguồn………………………………………………….3 2.2.2. Bộ chuyển đổi ADC……………………………………… 5 2.2.3. Khối hiển thị Led 7 vạch……………………………………9 2.2.4. Các đặc điểm của hệ vi xử lý AT89C51………………… 12 2.3. Nguyên lý đo và chuyển đổi tương tự sang số của ADC0804…… 16 2.4. Sơ đồ nguyên lý mạch…………………………………………… 18 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM……………………………………….19 3.1. Lưu đồ thuật toán………………………………………………… 19 3.2. Chương trình điều khiển……………………………………………19 KẾT LUẬN…………………………………………………………………….21 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………… 22 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN ÁP 1.1. Khái niệm đo điện áp Đo điện áp là ta dùng một thiết bị có khả năng chuyển từ tín hiệu tương tự sang một tín hiệu khác mà chúng ta có thể đọc, nhìn thấy được giá trị của chúng một cách cụ thể nhất. 1.2. Các phương pháp đo điện áp Có nhiều cách mà chúng ta có thể đo được điện áp 2 cách mà chúng ta thường sử dụng đó là: a. Dùng đồng hồ đo Trong thực tế, người ta hay sử dụng đồng hồ vạn năng để đo các giá trị của điện áp. Có 2 loại đồng hồ vạn năng là: đồng hồ chỉ thị kim và chỉ thị số. Trước khi tiến hành đo ta phải chú ý chỉnh thang đo một cách phù hợp để tránh xảy ra quá áp gây hỏng đồng hồ đo. Đối với điện áp xoay chiều ta không cần phân biệt chân âm và chân dương nhưng điện áp một chiều ta phải xác định được chân dương và chân âm. Khi đo ta phải mắc cơ cấu chỉ thị (đồng hồ vạn năng) song song với giá trị cần đo. b. Dùng Vi xử lý Với những tiến bộ của khoa học kĩ thuật, việc áp dụng Vi xử lý vào vấn đề đo điện áp được áp dụng ngày càng rộng rãi. Ưu điểm của phương pháp đo điện áp này: - Thang đo không đổi, có thể hiệu chỉnh điểm “không” và điểm cực đại của dải đo và có độ chính xác cao. - Sự không ổn định của các thông số các phần tử của mạch (theo thời gian hay nhiệt độ) không ảnh hưởng đến sự chính xác của dụng cụ đo. 2 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2.1. Sơ đồ khối mạch phần cứng Cấu trúc chung của hệ thống: - Khối nguồn: để cung cấp nguồn cho bộ chuyển đổi, vi xử lí, và khối hiển thị. - Bộ chuyển đổi ADC: chuyển đổi tín hiệu Analog từ khối công suất thành tín hiệu Digital. - Khối hiển thị: để hiển thị giá trị đo. - Vi xử lí: nhận tín hiệu từ bộ chuyển đổi ADC hiển thị dữ liệu trên Led 7 vạch. 2.2. Chức năng của các khối 2.2.1. Khối nguồn Chức năng cung cấp nguồn cho mạch điều khiển Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn 3 Điện áp Đo Vi xử lý Bộ chuyển đổi ADC Nguồn Khối hiển thị Các thành phần trong khối nguồn: a. Biến áp T1: - Biến đổi điện áp nguồn thành điện áp phù hợp đặt lên bộ chỉnh lưu. - Đảm bảo cho nguồn và bộ chỉnh lưu chỉ quan hệ với nhau về từ mà không quan hệ trực tiếp về điện nên bảo vệ an toàn cho người sử dụng. b. Cầu chỉnh lưu 1 pha D1: Bao gồm 4 Diode ghép lại có tác dụng chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều. Cấu tạo và hình dạng thực tế của cầu diode chỉnh lưu. c. Tụ điện C1, C2, C3: Có tác dụng lọc bỏ thành phần xoay chiều sau diode cầu và lọc nhiễu sau khi ổn áp để bộ nguồn được ổn định. Kí hiệu và hình dạng thực tế của tụ điện. d. IC ổn áp 7805: Là loại IC dùng để ổn định điện áp +5V đầu ra. 4 Input 1 : Chân điện áp vào. GND 2: Chân nối mass. Output 3: Chân điện áp ra 5V. Thông số của IC ổn áp 7805 Ta chọn IC KA7805 với các thông số tương đối phù hợp: - Điện áp ngõ vào chịu có thể chịu được: VV IN 4035 →= - Công suất tiêu thụ tương đối vừa phải : WP D 8.20 = - Tầm nhiệt độ chịu được khi kéo tải: CT 0 15030 →−= - Dòng ra đạt được: mAI 100 0 = 2.2.2. Bộ chuyển đổi ADC0804 Chíp ADC 0804 là bộ chuyển đổi tương tự sang số. Nó làm việc với +5V và có độ phân giải là 8 bít. Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ ADC. Thời gian chuyển đổi được định nghĩa như là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân. Trong ADC 0804 thời gian chuyển đổi thay đổi phụ 5 thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưng không thể nhanh hơn 110µs. Các chân của ADC 0804 được mô tả như sau: 1. Chân CS (chọn chíp) Là một đầu vào tích cực mức thấp được sử dụng để kích hoạt chíp ADC 0804. Để truy cập ADC 0804 thì chân này phải ở mức thấp. 2. Chân RD (đọc) Đây là một tín hiệu đầu vào được tích cực mức thấp. Các bộ ADC chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân tương đương với nó và giữ nó trong một thanh ghi trong. RD được sử dụng để nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra của ADC 0804. Khi CS = 0 nếu một xung cao xuống thấp được áp đến chân RD thì đầu ra số 8 bít được hiển diện ở các chân dữ liệu D0 - D7. Chân RD cũng được coi như cho phép đầu ra. 3. Chân ghi WR (thực ra tên chính xác là “bắt đầu chuyển đổi”) Đây là chân đầu vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC 0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi. Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao xuống thấp thì bộ ADC 0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự V in về số nhị phân 8 bít. Lượng thời gian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN và CLK R. Khi việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thì chân INTR được ép xuống thấp bởi ADC 0804. 4 ,19. Chân CLK IN và CLK R. Chân CLK IN là một chân đầu vào được nối tới một nguồn đồng hồ ngoài khi đồng hồ ngoài được sử dụng để tạo ra thời gian. Tuy nhiên 0804 cũng có một bộ tạo xung đồng hồ. Để sử dụng bộ tạo xung đồng hồ trong (cũng còn được gọi là bộ tạo đồng hồ riêng) của 0804 thì các chân CLK IN và CLK R được nối tới một tụ điện và một điện trở. Trong trường hợp này tần số đồng hồ được xác định bằng biểu thức: f = 6 Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C= 150pF và tần số nhận được là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là 110µs. 5. Chân ngắt INTR (ngắt hay gọi chính xác hơn là “kết thúc chuyển đổi’). Đây là chân đầu ra tích cực mức thấp. Bình thường nó ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó xuống thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu được chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi. Sau khi INTR xuống thấp, ta đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống - thấp tới chân RD lấy dữ liệu ra của 0804. 6, 7. Chân V in (+) và V in (-). Đây là các đầu vào tương tự vi sai mà V in = V in (+) - V in (-). Thông thường V in (-) được nối xuống đất và V in (+) được dùng như đầu vào tương tự được chuyển đổi về dạng số. 20. Chân V CC . Đây là chân nguồn nuôi +5v, nó cũng được dùng như điện áp tham chiếu khi đầu vào V ref/2 (chân 9) để hở. 9. Chân V ref/2 . Chân 9 là một điện áp đầu vào được dùng cho điện áp tham chiếu. Nếu chân này hở (không được nối) thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC 0804 nằm trong dải 0 đến +5v (giống như chân V CC ). Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến V in cần phải khác ngoài dải 0 đến 5v. Chân V ref/2 được dùng để thực thi các điện áp đầu vào khác ngoài dải 0 - 5v. Ví dụ, nếu dải đầu vào tương tự cần phải là 0 đến 4v thì V ref/2 được nối với +2v. 10. Chân D GND: Chân nối đất 11 – 18. Các chân dữ liệu D0 - D7. Các chân dữ liệu D0 - D7 (D0 là bít thấp nhất LSB và D7 là bít cao nhất MSB) là các chân đầu ra dữ liệu số. Đây là những chân được đệm ba trạng thái và dữ liệu được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD bị đưa xuống thấp. Để tính điện áp đầu ra ta có thể sử dụng công thức sau: buocthuockich V D in out = 7 Với D out là đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân). V in là điện áp đầu vào tương tự và độ phân dải là sự thay đổi nhỏ nhất được tính như là (2 × V ref /2) chia cho 256 đối với ADC 8 bít. Hình 2.1: Sơ đồ chân của ADC0804 Bảng 2.2: Điện áp V ref/2 liên hệ với dải V in . V ref / 2(V) V in (V) Step Size (mV) Hở * 0 đến 5 5/256 = 19.53 2.0 0 đến 4 4/255 = 15.62 1.5 0 đến 3 3/256 = 11.71 1.28 0 đến 2.56 2.56/256 = 10 1.0 0 đến 2 2/256 = 7.81 0.5 0 đến 1 1/256 = 3.90 Ghi chú: + V CC = 5V + Kích thước bước (độ phân dải) là sự thay đổi nhỏ nhất mà ADC có thể phân biệt được. 2.2.3. Khối hiển thị Led 7 vạch Cấu trúc và dạng mã hiển thị dữ liệu trên led 7 vạch Dạng Led 8 - Led Anode chung Đối với dạng led anot chung chân com phải có mức logic bằng 1 để led sáng tương ứng các chân từ a đến f, dp phải có mức logic bằng 0 Bảng mã đối với led anot chung (a la MSB,dp là LSB) 9 Bảng mã led đối với loại led mắc anot chung (a là LSB, dp là MSB) - Led Cathode chung Đối với Led mắc kiểu cathode chung chan COM phải có mức logic là 0,muốn led sáng thì các chân từ a đến f,dp phải có mức logic là 1. Bảng mã Led đối với led mắc Cathode chung (a là MSB, dp là LSB) 10 [...]... không có được, với phương pháp trình bày ở trên thì sai số của em là 0,1v Không những thế đề tài có thể phát triển thành thiết bị đo điện áp xoay chiều, đo dòng điện, đo điện trở,…Và dựa vào nguyên lý của mạch, ta có thể chuyển đổi thành mạch đo nhiệt độ , đo tần số, đo thời gian theo mình mong muốn Với đề tài: Thiết kế mạch đo điện áp một chiều trong dải (- 5VDC  +5VDC) có hiển thị trên LED 7 vạch ... AT89C51 để đo điện áp, dải đo của em mới chỉ thực hiện được từ 0 -5VDC Do em mới tiếp xúc với môn kỹ thuật vi xử lý, kiến thức còn nhiều hạn chế nên bài tập của em mới chỉ hoàn thành được việc đo điện áp trong dải điện áp âm hoặc dải điện áp dương, em chưa làm được việc đo điện áp trong cả dải âm và dải dương nhưng dựa vào đó có thể mở rộng để đo được điện áp trong dải rộng hơn Trong quá trình làm có thể... của Led 7 thanh khi đó dòng qua mỗi thanh sẽ bằng nhau và Led 7 thanh sẽ sáng đều Hình 2.2: Sơ đồ kết nối led 7 thanh điện trở 2.2.4 Các đặc điểm của hệ vi xử lý AT89C51 Vi điều khiển (VĐK) là một hệ vi xử lý được tổ chức trong một chíp Nó bao gồm: + Bộ vi xử lý + Có 40 chân + 4 kbyte ROM 1, có thể ghi xoá được 1000 lần + 4 kbyte EPROM + Dải tần số hoạt động từ 0MHz đến 24Mhz + Có 4 port xuất nhập (I/O)... VDC, Vin và ngõ ra DB: VDC (V) 0 -1 -2 -3 -4 -5 -10 Vin(-) (V) 2,56x(0/256) = 0 2,56x(-1/256) = -0,01 2,56x(-2/256) = -0,02 2,56x (- 3/256) = -0,03 2,56x (- 4/256) = -0,04 2,56x (- 5/256) = -0,05 2,56x (- 10/256) = -0,1 Vin (V) 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,1 DB (D) 0 1 2 3 4 5 10 17 -15 2,56x (- 15/256) = -0,15 -20 2,56x (- 20/256) = -0,2 -25 2,56x (- 25/256) = -0,25 Ta có: ADC0804 có độ phân giải là 28 = 256... vi điều khiển có thể lạp chương trình để điều khiển các thiết bị thông tin, viễn thông thiết bị đo lường ,thiết bị điều chỉnh cũng nhuu các ứng dụng trong công nghệ thong tin và kỹ thuật điều khiển tự động có thể xem bộ VĐK như một hệ VXL on-chíp đối với AT89C51, nó có đầy đủ chức năng của một hệ VXL 8 bit, được điều khiển bởi một hệ lệnh, có số lệnh đủ mạnh, cho phép lập trình bằng hợp ngữ (Assemply)...Bảng mã Led mắc kiểu cathade chung (a là LSB, dp là MSB) Để cho Led 7 vạch sáng ổn định, đều và đẹp thì ta chọn phương án mắc Anode chung: a là LSB dp là MSB Tính toán điện trở hạn chế dòng cho Led 7 vạch Do Led 7 thanh không phải lúc nào cũng sáng đủ cả 7 thanh nên dẫn tới hiện tượng Led sáng khôngđều Nếu chỉ mắc điện trở ở cực chung: Ở đây ta chọn điện trở 220 Ω do dòng qua Led 5mA < I < 25mA,... nối với biến trở RV1 để có thể điều chỉnh điện áp từ 0V đến 5V - Chân Vin(-) được nối với cầu phân áp tạo bởi R1 và R2, sao cho VDC = -25,6V – 0V tương ứng với Vin(-) = -2,56V – 0V Ta suy ra công thức: Vin(-) = với Vin(-) = -2,56V, VDC = -25,6V Suy ra: R1 = 9R2 Chọn R2 = 10KΩ thì R1 = 90KΩ Ta lại có: Vin = Vin(+) – Vin(-) Chân Vin(+) ta mắc nối đất Vin(+) = 0 Suy ra: Vin = -Vin(-) = 0V – 2,56V Bảng tỉ... Hình 2.4: Bộ tạo dao động 2.3 Nguyên lý đo và chuyển đổi tương tự sang số của ADC0804 Khi điện áp đầu vào que đo thông qua mạch phân áp sẽ đưa điện áp tới đầu vào Vin cua ADC0804 sao cho điện áp vào lớn nhất là 5V, khi đó ứng với mỗi giá trị đầu vào Vin thì ADC0804 sẽ chuyển đổi từ giá trị tương tự là điện áp sang số, ứng với mỗi giá trị số sẽ là một giá trị điện áp tương ứng D out = V in kich thuoc buoc... và ở mức 14mA thì Led sẽ sáng đẹp: + Nếu chỉ có 1 thanh sáng thì dòng qua thanh sẽ là I = 14mA 11 + Nếu cả 7 thanh đều sang thì dòng qua mỗi led I = 14mA /7 = 2mA Do đó Led 7 thanh sẽ sáng không đều Nếu ta giảm điện trở thì dòng qua led khi cả 7 thanh sáng cũng tăng theo nhưngkhi 1 thanh sáng thì nó sẽ quá sáng Do đó Led 7 thanh cũng sẽ có hiện tượng sáng không đều Cách khắc phục: Mắc điện trở 220ohm... đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân) V in là điện áp đầu vào tương tự và độ phân dải là sự thay đổi nhỏ nhất được tính như là (2 × Vref/2) chia cho 256 đối với ADC 8 bít Tương tự các giá trị điện áp khác được chuyển đổi tương tự Tính toán linh kiện - Điện áp đặt vào chân Vref/2 là 1,28v khi đó kích thước bước là 10 mV, nhưng do chân Vin(-) thực tế có sai số (sai số chủ yếu trên cầu phân áp R1 và R2) Do . mà ADC có thể phân biệt được. 2.2.3. Khối hiển thị Led 7 vạch Cấu trúc và dạng mã hiển thị dữ liệu trên led 7 vạch Dạng Led 8 - Led Anode chung Đối với dạng led anot chung chân com phải có mức. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN ÁP 1.1. Khái niệm đo điện áp Đo điện áp là ta dùng một thiết bị có khả năng chuyển từ tín hiệu tương tự sang một tín hiệu khác mà chúng ta có thể đọc, nhìn thấy. PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN ÁP …………2 1.1. Khái niệm về đo điện áp ………………………………………… 2 1.2. Các phương pháp đo điện áp …………………………………… 2 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG……………………………………….3 2.1. Sơ đồ khối mạch phần