BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA Luận văn Đề tài Thiết kế mạch báo cháy, hiển thị nhiệt độ I SVTH NGUYỄN TIẾN HÙNG MỤC LỤC Danh mục hình vẽ III Danh mục bảng biểu V LỜI MỞ ĐẦU 1 Chương 1 2 C[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA Luận văn Đề tài: Thiết kế mạch báo cháy, hiển thị nhiệt độ I MỤC LỤC Danh mục hình vẽ III Danh mục bảng biểu V LỜI MỞ ĐẦU Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tìm hiểu họ vi điều khiển 8051 1.1.1 Giới thiệu chung vi điều khiển 8051 1.1.2 Lich sử 8051 1.1.3 Sơ đồ khối chung họ 8051 1.1.4 Các thành viên khác 8051 1.2 Khảo sát vi điều khiển 89S52 1.2.1 Các khối chức 89S52 1.2.2 Sơ đồ chân 89S52 - PORT xuất nhập liệu 11 1.3 Các tài nguyên vi điều khiển 89S52 15 1.3.1 Hoạt động định thời 15 1.3.2 Các chế độ hoạt động Timer 17 1.3.3 Cổng nối tiếp 17 1.3.4 Các chế độ hoạt động cổng nối tiếp 19 1.3.5 Ngắt xử lý ngắt 22 1.4 Giới thiệu IC ADC0804 25 1.5 Tổng quan cảm biến nhiệt độ 29 1.5.1 Phân loại cảm biến nhiệt 31 SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG II 1.5.2 Khảo sát cảm biến nhiệt độ IC LM35 39 1.6 Tìm hiểu Led 40 1.7 Tìm hiểu IC LM393 42 Chương 44 THIẾT KẾ MẠCH 44 2.1 Thiết kế sơ đồ khối 44 2.2 Nguyên lý hoạt động khối 44 2.2.1 Nguyên lý hoạt động 44 2.2.2 Khối cảm biến (dùng IC LM35) 44 2.2.3 Khối lặp điện áp, khuếch đại dòng điện (dùng IC LM393) 45 2.2.4 Khối chuyển đổi từ tương tự sang số (dùng IC ADC0804) 46 2.2.5 Khối xử lý, điều khiển (dùng IC 89S52) 48 2.2.6 Khối hiển thị (dùng led thanh) 49 2.2.7 Khối báo động (dùng loa) 49 2.3 Lưu đồ thuật toán 50 2.4 Sơ đồ nguyên lý 51 2.5 Sơ đồ mạch in 52 2.6 Phần lập trình 53 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 57 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 58 Ứng dụng khác mạch 58 Hình ảnh mạch thực tế 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG III Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Bố trí bên họ 8051 Hình 1.2 Sơ đồ khối vi điều khiển 89S52 10 Hình 1.3 Sơ đồ chân AT89S52 11 Hình 1.4 Cấu trúc bên Port0 11 Hình 1.5 Cấu trúc bên Port1 12 Hình 1.6 Cấu trúc bên Port2 12 Hình 1.7 Cấu trúc bên Port3 13 Hình 1.8 Thanh ghi TMOD 15 Hình 1.9 Thanh ghi TCON 16 Hình 1.10 Sơ đồ khối cổng nối tiếp 8051 18 Hình 1.11 Thanh ghi SCON 18 Hình 1.12 Giản đồ thời gian phát liệu chế độ 20 Hình 1.13 Giản đồ thời gian thu liệu chế độ 21 Hình 1.14 Thanh ghi IE 23 Hình 1.15 Thanh ghi IP 24 Hình 1.16 Sơ đồ chân ADC0804 26 Hình 1.17 Cách mắc chân ADC0804 27 Hình 1.18 Thermistor 31 Hình 1.19 Một số loại cặp nhiệt điện thực tế 33 Hình 1.20 Nhiệt điện trở 34 Hình 1.21 Cảm biến nhiệt bán dẫn 36 Hình 1.22 Cảm biến nhiệt LM335 36 Hình 1.23 IC cảm biến nhiệt DS18B20 37 Hình 1.24 Một số loại cảm biến hồng ngoại 38 Hình 1.25 Các loại IC LM35 39 Hình 1.26 Sơ đồ cấu trúc LED loại Cathode chung Anode chung 40 Hình 1.27 Cách nối chân led anode chung 41 Hình 1.28 Sơ đồ nối chân led cathode chung 42 SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG IV Hình 1.29 Sơ đồ cấu tạo chân IC LM358 42 Hình 2.1 Sơ đồ phần cảm biến ic LM35 45 Hình 2.2 Sơ đồ phần lặp điện áp, IC LM393 45 Hình 2.3 Sơ đồ phần chuyển đổi ADC ic ADC0804 46 Hình 2.4 Biểu đồ trình chuyển đổi ADC0804 47 Hình 2.5 Biểu đồ trình đọc liệu từ ADC0804 47 Hình 2.6 Sơ đồ phần xử lý, điều khiển ic89S52 48 Hình 2.7 Khối hiển thị 49 Hình 2.8 Khối báo động loa 50 Hình 2.9 Lưu đồ thuật tốn mạch 50 Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý 51 Hình 2.11 Sơ đồ mạch in 52 SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG V Danh mục bảng biểu Bảng 1.1 Các đặc tính 8051 Bảng 1.2 Các đặc tính 8051, 8052, 8031 Bảng 1.3 Các phiên 8051 hãng Atmel cung cấp (Flash Rom) Bảng 1.4 Các phiển 8051 từ hãng Dalas Semiconductor Bảng 1.5 Một số thành viên họ 8051 Bảng 1.6 Các vector ngắt 25 Bảng 1.7 Quan hệ điện áp V ref/2 với Vin 28 Bảng 1.8 Một số nhiệt độ quan trọng thang đo khác 30 Bảng 1.9 Bảng tham chiếu nhiệt độ điên áp 40 Bảng 1.10 Bảng mã led anode chung 41 SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG VI SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG LỜI MỞ ĐẦU Trong sống tồn khu vực dễ cháy, nên việc lắp đặt hệ thống báo cháy có tầm quan trọng lớn lao Nó giúp phát nhanh chóng, chữa cháy kịp thời kỳ đầu vụ cháy đem lại bình yên cho người, bảo vệ tài sản cho nhân dân, nhà máy xưởng sản xuất Ngày nay, việc phòng cháy chữa cháy trở thành mối quan tâm hàng đầu nước ta nhiều nước giới Nó trở thành nghĩa vụ người dân Trên phương tiện thông tin đại chúng tuyên truyền giáo dục cho người dân ý thức phòng cháy chữa cháy, nhằm mục đích hạn chế vụ cháy đáng tiếc xảy Xuất phát từ điều em chọn đề tài: “Thiết kế mạch báo cháy, hiển thị nhiệt độ” Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô Nguyễn Thị Thu Hà thầy cô khoa hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện cho em q trình làm hồn thiện đồ án tốt nghiệp Mặc dù cố gắng tìm hiểu thiết kế cho đề tài hoàn thành tốt vốn kiến thức khả hiểu biết hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót định Vì vậy, em mong nhận đóng góp ý kiến cô giáo bạn đề tài thực tập em hoàn thiện Em xin chân thành cám ơn ! Hà Nội: Ngày Tháng .Năm 2012 SVTH: Nguyễn Tiến Hùng SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tìm hiểu họ vi điều khiển 8051 1.1.1 Giới thiệu chung vi điều khiển 8051 Bộ vi điều khiển (MCU – viết tắt cụm từ “Micro Control Unit”) coi máy tính thu nhỏ chíp, hoạt động với vài linh kiện phụ trợ bên Vi điều khiển mạch tích hợp lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động hệ thống Theo tập lệnh người lập trình, vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo lường thời gian tiến hành đọc mở cấu Trong thiết bị điện điện tử dân dụng, thiết bị tự động hóa…, vi điều khiển, điều khiển hoạt động thiết bị này… Trong hệ thống sản xuất tự động, vi điều khiển sử dụng điều khiển robot, dây chuyền tự động… Các hệ thống thơng minh vai trò vi điều khiển quan trọng 1.1.2 Lich sử 8051 Năm 1981, hãng Intel giới thiệu vi điều khiển 8051 Bộ vi điều khiển chứa 60.000 transistor bao gồm 128 byte Ram, kbyte Rom, định thời, cổng nối tiếp bốn cổng vào/ra song song (độ rộng bit) tất đặt chip 8051 xử lý bit, có nghĩa CPU làm việc bit liệu thời điểm Dữ liệu lớn 8bit chia thành liệu bit để xử lý, 8051 trở lên phổ biến sau Intel cho phép nhà sản xuất khác sản xuất bán biến thể 8051 Điều dẫn đến đời nhiều phiên 8051 với tốc độ khác dung lượng Rom chíp khác nhau, lệnh tương thích với 8051 ban đầu SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG Như vậy, ta viết chương trình cho phiên 8051 chạy với phiên khác không phụ thuộc vào hãng sản xuất Vi điều khiển 8051 loại vi điều khiển 8bit, cơng suất tiêu thụ thấp tính tương đối mạnh trở thành vi điều khiển hàng đầu năm gần Đặc tính Số lượng Rom kbyte Ram 128 byte Bộ định thời Chân vào/ra 32 Cổng nối tiếp Nguồn ngắt Bảng 1.1 Các đặc tính 8051 Ngồi 8051 cịn có thơng số đặc tính sau: Khơng gian nhớ chương trình (mã) ngồi 64kbyte Khơng gian nhớ dự liệu ngồi 64kbyte Bộ nhớ xử lý bit (thao tác bit riêng rẽ) 210 vị trí nhớ định địa chỉ,mỗi vị trí bit Nhân/chia 4µs 1.1.3 Sơ đồ khối chung họ 8051 Interrupt Control: điều khiển ngắt Other Register: ghi khác 128 byte Ram Bộ định thời: 0, 1, CPU: đơn vị điều khiển trung tâm Oscillator: mạch dao động Bus control: điều khiển Bus Input/output: chân vào SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 46 2.2.4 Khối chuyển đổi từ tương tự sang số (dùng IC ADC0804) Hình 2.3 Sơ đồ phần chuyển đổi ADC ic ADC0804 Có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự, từ cảm biến nhiệt thành dạng bit để đưa vào vi điều khiển xử lý (8 bit) Để truy cập ADC chân CS phải mức thấp, ta nối chân CS xuống mass Điện áp cấp vào chân Vref: - Ta có nhiệt độ đo khoảng từ 0-150℃ nên ta có điện áp LM35 từ 01.5V (vì LM35 có điện áp 10mV/1℃) - Ta có ngõ ADC bit dạng số nhị phân→ có = 256 giá trị - Mức giá trị cao 255 ứng với Vref = 1.5V , mức giá trị thấp ứng với 0V - Mỗi mức giá trị ứng với Vref/256 = 1.5/256 = 5.86*10 - Vậy ta chọn mức giá trị ứng với 5mV để dễ tính tốn nhiệt độ lập trình V = 5.86mV → độ ứng với mức giá trị (5mV giá trị, độ ứng với 10mV) → Mức điện áp ứng với giá trị cao ADC Vref/256 = 5mV → Vref = SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 47 256*5*10 - = 1.28V Mà điện áp cấp đến ADC để so sánh Vref/2 nên điện áp cấp đến chân ADC0804 1.28/2 = 0.64 → khoảng nhiệt độ ta đo - 128℃ Quá trình chuyển đổi chip ADC0804 Hình 2.4 Biểu đồ trình chuyển đổi ADC0804 Chip ADC0804 bắt đầu thực trình chuyển đổi có thay đổi mức logic từ thấp lên cao (xung cạnh lên) chân WR, chân CS mức thấp chân RD mức cao Sau thực xong trình chuyển đổi chân INTR ADC0804 kéo xuống mức thấp (mức thấp 0, mức cao 1) Q trình đọc liệu từ chíp ADC0804 Hình 2.5 Biểu đồ trình đọc liệu từ ADC0804 SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 48 Quá trình đọc liệu thực có thay đổi mức logic từ cao xuống thấp (xung cạnh xuống) chân RD, chân CS mức thấp chân WR mức cao 2.2.5 Khối xử lý, điều khiển (dùng IC 89S52) Hình 2.6 Sơ đồ phần xử lý, điều khiển ic89S52 Có nhiệm vụ phân tích liệu, thơng qua sử dụng thuật tốn, câu lệnh, lập trình so sánh với giá trị định trước, điều khiển hiển thị phát khối báo cháy phân tích nhiệt độ mức nhiệt độ cho phép Để thực giao tiếp vi điều khiển với ADC0804 cần tín hiệu sau: - Tín hiệu chọn vi mạch biến đổi tương tự/số CS_ADC, tích cực mức thấp, đưa từ mạch giải mã địa tới Khi CS_ADC = ADC0804 chọn, chuẩn bị cho việc đọc số liệu từ ADC - Tín hiệu lệnh cho ADC bắt đầu biến đổi WR_ADC, tích cực thấp, điều khiển trực tiếp vi điều khiển, WR_ADC chuyển từ xuống ADC bắt đầu q trình biến đổi - Tín hiệu báo kết thúc biến đổi ADC_OK, tích cực thấp, nối với chân INTR (interrupt) ADC0804, ADC0804 hoàn thành việc biến đổi SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 49 cho mẫu báo hiệu cho bên ngồi mức logic chân Tín hiệu gửi tới vi điều khiển để báo cho vi điều khiển biết ADC biến đổi xong, để khơng phải hỏi vịng tín hiệu đưa tới đầu vào ngắt ngoài, ADC biến đổi xong gây ngắt vi điều khiển, vi điều khiển chuyển sang chương trình phục vụ ngắt để đọc số liệu từ ADC - Tín hiệu đọc số liệu RD_ADC, tích cực thấp, sau nhận biết ADC biến đổi xong mức logic ADC_OK, vi điều khiển thực việc lấy số liệu cách chuyển tín hiệu RD_ADC xuống mức thấp, tín hiệu nối với chân /RD ADC0804, lúc cổng đệm trạng thái đầu ADC mở, kết biến đổi đưa lên Bus liệu cho vi điều khiển 2.2.6 Khối hiển thị (dùng led thanh) Hình 2.7 Khối hiển thị Có nhiệm vụ hiển thị nhiệt độ đo được, từ 00-99 ℃ 2.2.7 Khối báo động (dùng loa) Khi nhiệt độ mức mặc định (cài đặt) có tín hiệu từ vi điều khiển đưa tới loa, loa kêu báo động SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 50 Hình 2.8 Khối báo động loa 2.3 Lưu đồ thuật tốn Hình 2.9 Lưu đồ thuật toán mạch SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 51 2.4 Sơ đồ nguyên lý Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 52 2.5 Sơ đồ mạch in Hình 2.11 Sơ đồ mạch in SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 53 2.6 Phần lập trình #include #define ADC_DATA P0 #define CS P3_0 #define RD P3_1 #define WR P3_2 #define INTR P3_3 #define Data P2 #define Led1Sang P1=0x01; #define Led2Sang P1=0x02; #define Led3Sang P1=0x04; #define Led4Sang P1=0x10; #define OffLed P2=0xFF; #define Bell_on P3_4=0; #define Bell_off P3_4=1; #define LedCPU P1_4 void adc_read_data(); void convert_number(); void display_current(); unsigned char Display_Number[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}; unsigned int Millisec; unsigned int uladc_data; unsigned int uiadc_vol; unsigned long uicurrent; unsigned char uccount; unsigned int uiADC_temp; unsigned char SoHangChuc,SoHangDonVi; SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 54 void delay_ms(unsigned int ms) { unsigned int i,j; for(i=0;i>4; uccount=0; uiADC_temp=0; } if(uicurrent>=42) { Bell_on; } else Bell_off; } display_current(); } } void adc_read_data() { WR=0; SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 56 uladc_data=ADC_DATA; WR=1; } void Convert_Number() { SoHangChuc=uicurrent/10; SoHangDonVi=uicurrent-(10*SoHangChuc); } void display_current() { Led1Sang; Data=Display_Number[SoHangChuc]; delay_ms(1); Led2Sang; Data=Display_Number[SoHangDonVi]; delay_ms(1); Led3Sang; Data=~0x63; delay_ms(1); Led4Sang; Data=~0x39; delay_ms(1); OffLed; } SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 57 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ Sau trình thi công mạch báo cháy, hiển thị nhiệt độ Đề tài có kết định: Ưu điểm: - Mạch đo nhiệt độ khoảng -99℃ - Khả đáp ứng nhanh với thay đổi nhiệt độ mơi trường - Có loa báo cháy nhiệt độ từ 42℃ trở lên - Mạch thiết kế nhỏ gọn, thuận tiện sử dụng - Mạch thiết kế đơn giản, gọn nhẹ khả xử lý linh hoạt, dễ sử dụng Nhược điểm: - Tính ổn định không cao mang xa hay sử dụng di chuyển Độ bền học thấp so với sản phẩm loại - Cịn có sai số nhiệt độ đo sai số linh kiện sai số tính tốn thiết kế mạch chấp nhận - Do dùng cảm biến nhiệt nên báo cháy nhiệt độ tăng cao, phạm vi ứng dụng không cao - Do thực nhiều lần lấy mẫu, nên số hiển thị không ổn định Mặc dù cố gắng tìm hiểu thiết kế cho đề tài hoàn thành tốt vốn kiến thức khả hiểu biết cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót định Vì vậy, em mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo bạn đề án tốt nghiệp em hồn thiện Cảm ơn thầy, bạn nhiều! SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 58 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Do thời gian thực đề tài có giới hạn, em khơng thể đưa hệ thống báo cháy hoàn chỉnh, nhiều ý tưởng hướng phát triển đề tài chưa thể thực Em nêu khả mà em dự định phát triển đề tài, mong nhận góp ý thầy bạn để đề tài thêm hoàn chỉnh Hiện nay, chung cư, nhà cao tầng, nhà máy việc lắp đặt thiết bị báo cháy cần thiết, ta cần lắp thêm cảm biến hình ảnh, khí ga để đè phòng cháy, tránh gây tổn thất tài sản, thiết bị sinh hoạt cần lắp cảm biến giám sát tình trạng hoạt động thiết bị Đề phòng tối đa rủi xảy Nâng cao ý thức phòng cháy chữa cháy tới người dân Ứng dụng khác mạch Ngoài ứng dụng báo cháy, mạch dùng để điều khiển động (hoặc tải bất kì) theo nhiệt độ, ví dụ máy nước nóng, máy điều hịa nhiệt độ, tắt/mở động nhiệt độ nóng lạnh v.v Dùng làm đo nhiệt độ đồng hồ vạn niên, cho địa điểm cố định Báo nhiệt độ làm việc thiết bị quạt, laptop, SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 59 Hình ảnh mạch thực tế SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vi điều khiển cấu trúc – lập trình ứng dụng - Kiều Xuân Thực (chủ biên) [2] Giáo trình kỹ thuật mạch điện tử [3] Họ vi điều khiển 8051 – Tống Văn On - Trang wep tham khảo : + tailieu.vn + dientuvietnam.net + violet.vn + ebook.edu.vn + alldatasheet.com SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG