Đề tài: Thiết kế mạch thu thập số liệu kênh sử dụng họ vi điều khiển MCS 51 Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học bách khoa hµ néi Céng hoµ x· héi chđ nghÜa viƯt nam héi chđ nghÜa viƯt nam - *** - NhiƯm vụ Độc lập - Tự - Hạnh phúc §å án tốt nghiệp Thiết kế tốt nghiệp Họ tên Khoá Khoa Ngành học Đầu đề thiÕt kÕ: ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… C¸c số liệu ban đầu : Nội dung thuyết minh tính toán: Các vẽ đồ thị ( ghi rõ loại vẽ kích thớc vẽ): Cán hớng dẫn: Phần Họ tên cán ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… Ngµy giao nhiƯm vơ thiÕt kÕ ……………………………………………………………………… Ngµy hoµn thµnh nhiƯm vơ Ngày tháng năm Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội Chủ nhiệm môn (Ký, Ghi rõ họ tên) Cán hớng dẫn (Ký, Ghi rõ họ tên) Đồ ¸n tèt nghiƯp Häc sinh ®· héi chđ nghÜa viƯt nam hoàn thành (và nộp toàn thiết kế cho Khoa) Ngày tháng năm (Ký, Ghi rõ họ tên) Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Với tiến không ngừng khoa học kỹ thuật đặc biệt ngành điện tử việc chế tạo vi mạch điện tử, mạch vi xử lý đà tạo b ớc ngoặt quan trọng phát triển khoa học Việc phát triển công nghiệp hoá, đại hoá nhiệm vụ quan trọng hàng đầu quốc gia việc xây dựng phát triển đất nớc Việc ứng dụng thiết bị ®o vµ hƯ thèng ®o lêng cã sư dơng vi điện tử, vi xử lý máy tính ngày có hiệu Có thể tạo hệ thống thông minh từ P, C Điều cho phép kỹ s đo lờng tin học công nghiệp có tay công cụ mạnh để thu thập xử lý thông tin, điều khiển tự động trình sản xuất Một hệ vi xử lý tối đa giới hạn số lợng thành phần, chức thực quy mô ứng dụng Vấn đề đặt thiết kế tổ chức phần cứng phải tối thiểu thành phần nhằm tăng tốc độ, giảm giá thành tăng độ tin cậy Phải xây dựng đợc phần mềm điều khiển thật tối u nhằm tăng khả linh hoạt mềm dẻo xử lý, gia công biến đổi tín hiệu mà hệ phải thực Trong thời gian thực tập vừa qua em đợc giao đề tài "Tính toán thiÕt kÕ hƯ thu thËp sè liƯu kªnh sư dụng họ vi điều khiển truyền số liệu lên máy tính" Đợc hớng dẫn tận tình thầy giáo hớng dẫn, cán nơi thực tập tạo điều kiện thuận lợi môn với nỗ lực thân em đà làm đợc số phần đồ án Em mong đợc dẫn thêm thầy để em hoàn thiện đồ án Nội dung đồ án gồm phần sau: Phần I: Nhiệm vụ th Phần II: sở kiến thức Chơng I : phơng pháp đo số đại lợng không ®iƯn Ch¬ng II : Hä vi ®iỊu khiĨn MCS – 51 Ch¬ng III : Giíi thiƯu vỊ mét sè linh kiện cần dùng Phần III : tính toán thiết kế Phần i Nhiệm vụ th Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật, việc áp dụng thành tựu khoa học vào đời sống sản xuất ngày nhiều Hiện Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp nhà máy xí nghiệp việc tự động hoá trình sản xuất, tự động hoá thiết bị điều khiển vấn đề quan trọng Trong thiết bị tự động muốn điều khiển trình cách tối u thiết phải có thiết bị đo, nhờ thiết bị đo ngời ta kiểm soát đợc thông số hệ thống mà từ đa tín hiệu điều khiển nhằm làm cho hệ thống hoạt động ổn định Trớc ngành vật liệu cha tìm vật liệu mới, dụng cụ đo thờng đợc làm có độ xác không cao, dải đo hẹp, không làm việc đợc môi trờng đòi hỏi độ bền học cao Khi ngành vật liệu tìm đợc vật liệu mới, công nghệ chế tạo phát triển đà tạo thiết bị đo thông minh, có độ cao, làm việc đợc môi trờng khắc nghiệt nh : đo nhiệt độ lò nung, đo nồng ®é c¸c chÊt ho¸ häc, ®o ¸p suÊt cao … Nhờ thiết bị đo thông minh ngời ta kiểm soát thông số hệ thống cách chặt chẽ Khi khoa học kỹ thuật ngày phát triển việc đo không biết giá trị đại lợng cần đo mà giá trị thông tin cần đợc lu trữ đợc xử lý Để cho trình thu thập thông tin đo cách tự động ngời ta gắn vào thiết bị đo vi điều khiển nhằm điều khiển trình đo, xử lý truyền liệu lên máy tính đa sang hệ thống khác Theo nh yêu cầu toán đặt xây dng hệ thống đo, thu thập nhiệt độ tua bin máy phát điện Với kênh đo nhiệt độ vị trí khác dải nhiệt độ khác việc sử dụng vi điều khiển để điều khiển hệ điều cần thiết ảnh hởng trực tiếp đến tốc độ xử lý hệ thống Hiện nay, thị trêng cã rÊt nhiỊu hä vi ®iỊu khiĨn nh : MCS - 51, 68HC11, PIC, AVR… v× vËy viƯc lùa chọn vi điều khiển cho hệ thống cần phải có giá thành rẻ nhng đáp ứng đợc yêu cầu toán tối u ta sử dụng vi điều khiển 8051 đủ để ®iỊu khiĨn hƯ thèng ho¹t ®éng tèt Trong hƯ thèng đo vi điều khiển 8051 ta sử dụng vi mạch điện tử thiết bị khác nh : Mạch chuyển đổi tơng tự - số 12 bit ICL7109 có độ xác cao, mạch giải mà địa 74LS138, mạch dồn kênh HEF4051, cổng logic (AND) phần tử (điện trở, điện dung, tinh thể thạch anh), IC thuật toán, thiết bị cảm biến, cổng truyền tin theo chuẩn RS232 Từ thiết bị ta xây dựng hệ đo thu thập số liệu với phần tử trung tâm vi điều khiển 8051 để điều khiển hoạt động mạch Trong hệ thống hoạt động hệ vi ®iỊu khiĨn qu¶n lý tõ viƯc lƯnh cho thiÕt bị đo lấy số liệu đến việc truyền xử lý số liệu Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp Số liệu đo đợc từ sensor đợc đa qua chuẩn hoá để chuẩn hóa tín hiệu Tín hiệu tơng tự đợc đa qua chuyển đổi tơng tự - số (ADC) để chuyển đổi thành tín hiệu số đa vào vi ®iỊu khiĨn Vi ®iỊu khiĨn sÏ ®äc sè liƯu nµy, nhân chia số liệu đa hiển thị LED đồng thời gửi số liệu lên máy tính để lu trữ Phần II Cơ sở kiến thức Chơng I phơng pháp đo nhiệt độ I Khái quát Trong tất đại lợng vật lý, nhiệt độ đại lợng đợc quan tâm nhiều Đó nhiệt độ có vai trò ®Þnh nhiỊu tÝnh chÊt cđa vËt chÊt Mét đặc điểm tác động nhiệt độ làm thay đổi cách liên tục đại lợng chịu thay đổi Bởi nghiên Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp cứu khoa học, công nghiệp đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ điều cần thiết Đối với việc đo nhiệt độ lại có nhiều phơng pháp đo khác Trong có số phơng pháp đo sau: - Phơng pháp quang dựa phân bố phổ xạ nhiệt độ dao động nhiệt (Hiệu ứng Doppler) - Phơng pháp dựa giÃn nở vật rắn, chất lỏng chất khí (Với áp suất không đổi) dựa tốc độ âm - Phơng pháp điện dựa phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ, hiệu ứng Seebeck dựa thay đổi tần số dao động thạch anh Ngời ta thờng chia làm dải nhiệt độ đo: nhiệt độ thấp, trung bình cao Dải nhiệt độ thấp từ -2730C 1000 0C Nó thờng đợc đo dụng cụ nh nhiệt điện trở, bán dẫn, phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân Dải nhiệt độ trung bình từ 1000 0C 3000 0C Nó thờng đợc đo dụng chụ đợc chế tạo từ vật liệu có độ chịu nhiệt cao, hoả quang kế, xạ phơng pháp cờng độ sáng Dải nhiệt độ cao từ 3000 0C 100.000 0C Đây dải nhiệt độ đòi hỏi thiết bị đo phải có độ chịu nhiệt tốt nhng có độ xác cần tơng đối Thông thờng ta dùng hoả quang kế màu sắc phổ quang kế Để đo nhiệt độ ngời ta chia làm loại phơng pháp đo: Phơng pháp đo tiếp xúc phơng pháp đo không tiếp xúc Phơng pháp đo tiếp xúc thờng dùng với dải nhiệt độ thấp trung bình phơng pháp đo không tiếp xúc dùng với dải nhiệt độ cao Việc đo nhiệt độ đợc tiến hành nhờ số dụng cụ đo nh: + cặp nhiệt điện + Nhiệt điện trở kim loại + Nhiệt điện trở bán dẫn + Cảm biến thạch anh + Các IC cảm biến nhiệt II Các phơng pháp đo nhiệt độ: a Cặp nhiệt điện: Cấu tạo: cặp nhiệt điện đợc cấu tạo từ hai kim loại khác nối chung đầu lại với Suất điện động E đầu phụ thuộc vào chất vật liệu dây dẫn a, b phụ thuộc vào nhịêt độ t1, t2 t2 a b Trờng Đại Học Bách Khoa t1 Hà Nội Hình1.1: cặp nhiệt điện Đồ án tốt nghiệp - Nguyên lý làm việc: Cặp nhiệt điện làm việc dựa tợng nhiệt điện Nếu hai dây dẫn khác nối nlại với hai điểm hai điểm đợc đốt nóng mạch xuất dòng điện gây sức điện động gọi sức điện động nhiệt ®iƯn Khi t1=t2 th× Va=Vb dÉn ®Õn Uab = 0, ET = Khi t1 t2 th× Va Vb lóc ®ã ET = f(t1) – f(t2) NÕu t2 = const ET = f(t1) + C - Yêu cầu vật liệu chế tạo cặp nhiệt điện: + độ dẫn điện tốt phải có trị số søc ®iƯn ®éng lín + St ®iƯn ®éng nhiƯt ®iƯn phải lớn + Độ bền hóa học học với nhiệt độ phải cao + Điện dẫn lớn hệ sô nhiệt độ điện trở bé + Tính chất nhiệt điện không thay đổi + Quan hệ sức điện động ET nhiệt độ T phải hàm đơn trị + Cấu tạo thành phần kim loại phải ổn định, đồng Việc sử dụng cặp nhiệt độ có nhiều lợi thế: Kích thớc cặp nhiệt độ nhỏ nên đo đợc nhiệt độ điểm đối tợng nghiên cứu Cặp nhiệt độ cung cấp suất điện động nên đo không cần có dòng điện chạy qua hiệu ứng đốt nóng Tuy nhiên có số điểm bất lợi: Phải biết trớc nhiệt độ so sánh Tref sai số Tref gây nên sai số Suất điện động cặp nhiệt điện dải nhiệt độ rộng hàm không tuyến tính T c Bảng sau giới thiệu sô loại cặp nhiệt điện thông dụng: Tên cặp nhiệt điện Platin-platin R«di (90%Pt, 10% Rh) Cr«mmel (90%Ni +10% Cr)Alumel (95%Ni + 5% Al) Crômmel-Côpen (56% Cu + 44%Ni) Đồng - Côpen Đồng - Constantan Vonfram (5%reni)Vonfram Giới hạn nhiệt độ Sức điện động OC nhiệt điện với Đo Đo O lâu dài ngắn hạn 100 C : mV 1300 1750 0,64 900 1300 4,10 600 350 350 1800 Trêng Đại Học Bách Khoa Hà Nội 800 500 500 200 6,95 4,75 4,15 1,33 Đồ án tốt nghiệp (5%reni) Bảng1.1 : Một số cặp nhiệt điện - Độ nhạy nhiệt cặp nhiệt điện nhiệt độ T C đợc xác định theo biểu dE A /B s (Tc)= dTc thức sau: Trong S hàm nhiệt độ có đơn vị V/OC - Nguyên nhân chủ yếu gây sai số cặp nhiệt điện Sai số nhiệt độ đầu tự thay đổi Khi khắc độ đầu tự đợc đặt nhiệt độ 00C nhng thực tế đầu tự đặt môi trờng có nhiệt độ khác Sai số thay đổi điện trở đờng dây Sai số đặt cặp nhiệt điện không vị trí cần đo, không hớng diện tích tiếp xúc cặp nhiệt vơi đối tợng đo nhỏ b.Nhiệt ®iƯn trë: NhiƯt ®iƯn trë lµ chun ®ỉi cã ®iƯn trở thay đổi theo nhiệt độ tác động vào Tùy theo tác dụng nhiệt dòng điện cung cấp chạy quanhiệt điện trở mà ngời ta phân ra: nhiệt điện trở đốt nóng nhiệt điện trở không đốt nóng Trong nhiệt điện trở không đốt nóng dòng điện chạy qua nhỏ không làm tăng (hoặc tăng ít) nhiệt độ điện trở nhiệt độ nhiệt độ mội trờng cần đo Nhiệt điện trở đốt nóng dòng điện chạy qua lớn làm nhiệt độ tăng lên cao nhiệt độ cần đo nên có tỏa nhiệt môi trờng xung quanh Yêu cầu vật liệu cã hƯ sè nhiƯt ®é lín, cã ®é bỊn hãa học có tác dụng môi trờng, khó chảy b.1 Nhiệt điện trở dây Chuyển đổi nhiệt điện trở dây thông thờng đợc chế tạo từ đồng, platin Niken đờng kính dây từ 0,02 0,06 mm với chiều dài từ 20 mm - Nhiệt điện trở đồng Dải nhiệt độ làm việc : -50 180 0C Phơng trình đặc trng: RT=R0(1 + t) : HƯ sè nhiƯt ®é cđa ®iƯn trë =4,3.10-3 1/0C khoảng 0100 0C t : Nhiệt độ R0: Điện trở chuyển đổi 0C Nếu giá trị R0 ta dùng công thức: RT2 = RT1( - t2)/( + t1) RT2, RT1 lµ ®iƯn trë øng víi nhiƯt ®é T2 vµ T1 = 1/ số phụ thuộc vào loại vật liệu = 234 đồng Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội Đồ án tốt nghiệp - Nhiệt điện trở Platin Platin chịu đợc đến nhiệt độ 1200 0C mà không bị ô xi hóa nóng chảy Phơng trình đặc trng: RT=R0(1 + At + Bt2) ë nhiƯt ®é 0C 660 0C RT=R0(1 + At + Bt2 +C(t – 100)3) ë nhiƯt ®é -180 0C 0C R0: §iƯn trë ë 0C A, B, C số Đặc tính có dạng phi tuyến Với nhiệt độ lớn 660 0C nhỏ -1800C quan hệ RT = f(t) đợc cho dới dạng bảng - nhiệt điện trë Niken Niken cã thĨ sư dơng ®Ĩ ®o ®Õn nhiệt độ: 3000C nhiệt độ cao quan hệ RT = f(t) không đơn trị Khi t = 0C 1000C th× hƯ sè =5.10-3 1/0C u điểm có điện trở suất cao, hệ số nhiệt lớn cho phép chế tạo đợc chuyển đổi có kích thớc nhỏ b.2 nhiệt điện trở bán dẫn Nhiệt điện trở bán dẫn đợc chế tạo từ số ôxit kim loại khác nh CuO, MnO Quan hệ nhiệt độ điện trở đ ợc biểu diễn dới dạng biểu thức: RT = A.e/T Trong đó: A: Hằng số phụ thuộc vào tÝnh chÊt vËt lý cđa chÊt b¸n dÉn, kÝch thíc hình dáng nhiệt điện trở : Hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý chất bán dẫn T: Nhiệt độ tuyệt đối e: Cơ số logarit tự nhiên Hệ số nhiệt độ chất bán dẫn mang dấu âm có giá trị 0,02 0,08 1/OC ®iƯn trë st lín ®ã kÝch thíc nhỏ = - /T2 Cấu tạo nhiệt điện trở bán dẫn dạng thanh, dạng đĩa dạng hình cầu Sai số nhiệt kế nhiệt điện trở chủ yéu thay đổi điện trở đờng dây nhiệt độ môi trờng thay đổi điện trở đờng dây đạt tới ®ã ®iƯn trë cđa nhiƯt ®iƯn trë thêng vào khoảng 40 100 điện trở ®êng d©y thay ®ỉi sÏ g©y mét sai sè đáng kể Ngoài dòng điện chạy qua nhiệt điện trở gây nóng làm cho điện trở tăng gây sai số Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội