tính toán thiết kế hệ thu thập số liệu 8 kênh sử dụng họ vi điều khiển và truyền số liệu lên máy tính

ti: Thit k mch thu thp s liu 8 kờnh s dng h vi iu khin MCS 51 Bộ giáo dục và đào tạo Tr ờng đại học bách khoa hà nội - *** - Cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Đồ án tốt nghiệp NHIỆM VÔ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ và tên ………………………………………………………………………………………………………. Khoá ………………………… Khoa……………………………………………………………………… Ngành học……………………………………………………………………………………………………… 1. Đầu đề thiết kế: ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… 2. Các số liệu ban đầu : ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… 3. Nội dung thuyết minh và tính toán: ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… 4. Các bản vẽ đồ thị ( ghi rõ các loại bản vẽ về kÝch thước các bản vẽ): ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………… 5. Cán bộ hướng dẫn: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 2 ỏn tt nghip Phn H tờn cỏn b. 6. Ngy giao nhim v thit k 7. Ngy hon thnh nhim v Trng i Hc Bỏch Khoa H Ni trang 3 Ngày tháng năm Chủ nhiệm bộ môn (Ký, Ghi rõ họ tên) Cán bộ h ớng dẫn (Ký, Ghi rõ họ tên) Học sinh đã hoàn thành (và nộp toàn bộ bản thiết kế cho Khoa) Ngày tháng năm (Ký, Ghi rõ họ tên) Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật đặc biệt là trong ngành điện tử trong việc chế tạo các vi mạch điện tử, mạch vi xử lý đã tạo một bước ngoặt quan trọng đối với sự phát triển của khoa học. Việc phát triển công nghiệp hoá, hiện đại hoá là nhiệm vụ quan trọng hàng đầu đối với bất kỳ một quốc gia nào trong việc xây dựng và phát triển đất nước. Việc ứng dụng các thiết bị đo và hệ thống đo lường có sử dụng vi điện tử, vi xử lý và máy tính ngày càng có hiệu quả. Có thể tạo ra các hệ thống thông minh từ các bộ µP, µC. Điều này cho phép các kỹ sư đo lường và tin học công nghiệp có trong tay một công cụ mạnh để thu thập và xử lý thông tin, điều khiển tự động các quá trình sản xuất. Một hệ vi xử lý tối đa không có giới hạn về số lượng thành phần, chức năng thực hiện và quy mô ứng dụng. Vấn đề đặt ra đối với một thiết kế là tổ chức phần cứng phải tối thiểu thành phần nhằm tăng tốc độ, giảm giá thành và tăng độ tin cậy. Phải xây dựng được phần mềm điều khiển thật tối ưu nhằm tăng khả năng linh hoạt và mềm dẻo trong xử lý, gia công và biến đổi tín hiệu mà hệ phải thực hiện. Trong thời gian thực tập vừa qua em được giao đề tài "Tính toán thiết kế hệ thu thập số liệu 8 kênh sử dụng họ vi điều khiển và truyền số liệu lên máy tính" Được sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo hướng dẫn, các cán bộ nơi thực tập và tạo điều kiện thuận lợi của bộ môn cùng với sự nỗ lực của bản thân em đã làm được một số phần của bản đồ án. Em rất mong được sự chỉ dẫn thêm của các thầy để em có thể hoàn thiện bản đồ án này. Nội dung đồ án gồm những phần sau: Phần I: NHIỆM VỤ THƯ Phần II: CƠ SỞ KIẾN THỨC Chương I : các phương pháp đo một số đại lượng không điện Chương II : Họ vi điều khiển MCS – 51 Chương III : Giới thiệu về một số linh kiện cần dùng. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 4 Đồ án tốt nghiệp PHẦN III : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ. Phần i Nhiệm vụ thư Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc áp dụng những thành tựu khoa học vào trong đời sống và sản xuất ngày càng nhiều. Hiện nay trong các nhà máy xí nghiệp việc tự động hoá các quá trình sản xuất, tự động hoá các thiết bị điều khiển là một vấn đề hết sức quan trọng. Trong các thiết bị tự động muốn điều khiển một quá trình nào đó một cách tối ưu thì nhất thiết phải có các thiết bị đo, chính nhờ các thiết bị đo người ta có thể kiểm soát được các thông số của hệ thống mà từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển nhằm làm cho hệ thống hoạt động ổn định. Trước đây khi ngành vật liệu chưa tìm ra các vật liệu mới, thì các dụng cụ đo thường được làm bằng cơ có độ chính xác không cao, dải đo hẹp, không làm việc được trong các môi trường đòi hỏi độ bền cơ học cao. Khi ngành vật liệu tìm ra được các vật liệu mới, công nghệ chế tạo phát triển đã có thể tạo ra các thiết bị đo thông minh, có độ chính cao, làm việc được trong các môi trường khắc nghiệt như : đo nhiệt độ lò nung, đo nồng độ các chất hoá học, đo áp suất cao …. Nhờ các thiết bị đo thông minh này người ta có thể kiểm soát các thông số của hệ thống một cách chặt chẽ. Khi khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển việc đo không chỉ là biết giá trị của đại lượng cần đo mà những giá trị này còn là những thông tin cần được lưu trữ và được xử lý. Để cho quá trình thu thập các thông tin đo một cách tự động hiện nay người ta gắn vào các thiết bị đo các bộ vi điều khiển nhằm điều khiển các quá trình đo, xử lý và truyền dữ liệu lên máy tính hoặc đưa sang các hệ thống khác. Theo như yêu cầu của bài toán đặt ra là xây dưng một hệ thống đo, thu thập nhiệt độ trên tua bin của máy phát điện. Với 8 kênh đo nhiệt độ ở những vị Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 5 Đồ án tốt nghiệp trí khác nhau và những dải nhiệt độ khác nhau thì việc sử dụng một bộ vi điều khiển nào để điều khiển trong hệ là một điều cần thiết vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ xử lý của hệ thống. Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như : MCS - 51, 68HC11, PIC, AVR… vì vậy việc lựa chọn một bộ vi điều khiển cho hệ thống cần phải có giá thành rẻ nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu của bài toán tối ưu. Ở đây ta sử dụng bộ vi điều khiển 8051 là đủ để điều khiển hệ thống hoạt động tốt. Trong hệ thống đo ngoài bộ vi điều khiển 8051 ta còn sử dụng các vi mạch điện tử và các thiết bị khác như : Mạch chuyển đổi tương tự - sè 12 bit ICL7109 có độ chính xác cao, mạch giải mã địa chỉ 74LS138, mạch dồn kênh HEF4051, các cổng logic (AND) các phần tử cơ bản (điện trở, điện dung, tinh thể thạch anh), các IC thuật toán, các thiết bị cảm biến, cổng truyền tin theo chuẩn RS232… Từ các thiết bị trên ta có thể xây dựng một hệ đo và thu thập số liệu với phần tử trung tâm là bộ vi điều khiển 8051 để điều khiển hoạt động của cả mạch. Trong hệ thống này mọi hoạt động của hệ đều do bé vi điều khiển quản lý từ việc ra lệnh cho thiết bị đo lấy số liệu đến việc truyền và xử lý các số liệu này Số liệu đo được từ sensor được đưa qua bộ chuẩn hoá để chuẩn hóa tín hiệu. Tín hiệu tương tự này được đưa qua bé chuyển đổi tương tự - sè (ADC) để chuyển đổi thành tín hiệu số và đưa vào vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ đọc số liệu này, nhân chia số liệu và đưa ra hiển thị trên LED đồng thời gửi số liệu đó lên máy tính để lưu trữ. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 6 Đồ án tốt nghiệp Phần II Cơ sở kiến thức Chương I các phương pháp đo nhiệt độ I. Khái quát. Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong những đại lượng được quan tâm nhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất. Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu sự thay đổi của nó. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết. Đối với việc đo nhiệt độ lại có rất nhiều phương pháp đo khác nhau. Trong đó có một số phương pháp đo chính sau: - Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt độ do dao động nhiệt (Hiệu ứng Doppler) - Phương pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc chất khí (Với áp suất không đổi) hoặc dựa trên tốc độ âm. - Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, hiệu ứng Seebeck hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 7 Đồ án tốt nghiệp Người ta thường chia làm 3 dải nhiệt độ đo: nhiệt độ thấp, trung bình và cao. Dải nhiệt độ thấp từ -273 0 C ÷ 1000 0 C . Nó thường được đo bằng các dụng cụ nh nhiệt điện trở, bán dẫn, phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân. Dải nhiệt độ trung bình từ 1000 0 C ÷ 3000 0 C. Nó thường được đo bằng các dụng chụ được chế tạo từ các vật liệu có độ chịu nhiệt cao, hoả quang kế, bức xạ và phương pháp cường độ sáng. Dải nhiệt độ cao từ 3000 0 C ÷ 100.000 0 C. Đây là dải nhiệt độ đòi hỏi các thiết bị đo phải có độ chịu nhiệt tốt nhưng có độ chính xác chỉ cần tương đối. Thông thường ta dùng hoả quang kế màu sắc và phổ quang kế. Để đo nhiệt độ người ta chia làm 2 loại phương pháp đo: Phương pháp đo tiếp xúc và phương pháp đo không tiếp xúc. Phương pháp đo tiếp xúc thường dùng với dải nhiệt độ thấp và trung bình còn phương pháp đo không tiếp xúc dùng với dải nhiệt độ cao. Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ một số các 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 phương pháp đo nhiệt độ: a. Cặp nhiệt điện: Cấu tạo: cặp nhiệt điện được cấu tạo từ 2 hai thanh kim loại khác nhau nối chung một đầu lại với nhau. Suất điện động E trên 2 đầu ra phụ thuộc vào bản chất vật liệu của dây dẫn a, b và phụ thuộc vào nhịêt độ t1, t2. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 8 t 1 t 2 b a H×nh1.1: cÆp nhiÖt ®iÖn Đồ án tốt nghiệp - Nguyên lý làm việc: Cặp nhiệt điện làm việc dựa trên hiện tượng nhiệt điện. Nếu hai dây dẫn khác nhau nối nlại với nhau tại hai điểm và một trong hai điểm đó được đốt nóng thì trong mạch đó xuất hiện một dòng điện gây bởi sức điện động gọi là sức điện động nhiệt điện. Khi t 1 =t 2 thì Va=Vb dẫn đến Uab = 0, E T = 0 Khi t 1 ≠ t 2 thì Va ≠ Vb lúc đó E T = f(t 1 ) – f(t 2 ). Nếu t 2 = const thì E T = f(t 1 ) + C - Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo cặp nhiệt điện: + độ dẫn điện tốt và phải có trị số sức điện động lớn. + Suất điện động nhiệt điện phải lớn. + Độ bền hóa học và cơ học với nhiệt độ phải cao. + Điện dẫn lớn và hệ sô nhiệt độ của điện trở bé. + Tính chất nhiệt điện không thay đổi + Quan hệ giữa sức điện động E T và nhiệt độ T phải là hàm đơn trị + Cấu tạo và thành phần kim loại phải ổn định, đồng nhất. Việc sử dụng cặp nhiệt độ có nhiều lợi thế: Kích thước cặp nhiệt độ nhỏ nên có thể đo được nhiệt độ của từng điểm của đối tượng nghiên cứu. Cặp nhiệt độ cung cấp suất điện động nên khi đo không cần có dòng điện chạy qua và do vậy không có hiệu ứng đốt nóng. Tuy nhiên nó cũng có một số điểm bất lợi: Phải biết trước nhiệt độ so sánh T ref và do vậy sai số của T ref gây nên sai số. Suất điện động của cặp nhiệt điện trong dải nhiệt độ rộng là hàm không tuyến tính của T c . Bảng sau đây giới thiệu một sô loại cặp nhiệt điện thông dụng: Tên cặp nhiệt điện Giới hạn nhiệt độ trên O C Sức điện động nhiệt điện với 100 O C : mV Đo lâu dài Đo ngắn hạn Platin-platin Rôdi (90%Pt, 10% Rh) 1300 1750 0,64 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 9 Đồ án tốt nghiệp Crômmel (90%Ni +10% Cr)- Alumel (95%Ni + 5% Al) Crômmel-Côpen (56% Cu + 44%Ni) Đồng - Côpen Đồng - Constantan Vonfram (5%reni)- Vonfram (5%reni) 900 600 350 350 1800 1300 800 500 500 200 4,10 6,95 4,75 4,15 1,33 Bảng1.1 : Mét số cặp nhiệt điện. - Độ nhạy nhiệt của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ T C được xác định theo biểu thức sau: dTc dE )Tc(s B/A = Trong đó S là hàm của nhiệt độ và có đơn vị là µV/ O C. - Nguyên nhân chủ yếu gây sai số đối với cặp nhiệt điện. Sai sè do nhiệt độ đầu tự do thay đổi. Khi khắc độ thì đầu tự do được đặt ở nhiệt độ 0 0 C nhưng trong thực tế đầu tự do đặt trong môi trường có nhiệt độ khác 0. Sai sè do sù thay đổi điện trở của đường dây. Sai sè do đặt cặp nhiệt điện không đúng vị trí cần đo, không đúng hướng và diện tích tiếp xúc của cặp nhiệt vơi đối tượng đo quá nhỏ. b.Nhiệt điện trở: Nhiệt điện trở là chuyển đổi có điện trở thay đổi theo nhiệt độ tác động vào nó. Tùy theo tác dụng nhiệt của dòng điện cung cấp chạy quanhiệt điện trở mà người ta phân ra: nhiệt điện trở đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng. Trong nhiệt điện trở không đốt nóng dòng điện chạy qua rất nhỏ không làm tăng (hoặc tăng rất Ýt) nhiệt độ của điện trở và nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ mội trường cần đo. Nhiệt điện trở đốt nóng thì dòng điện chạy qua rất lớn làm nhiệt độ của nó tăng lên cao hơn nhiệt độ cần đo nên có sự tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh. Yêu cầu đối với vật liệu là có hệ số nhiệt độ lớn, có độ bền hóa học khi có tác dụng của môi trường, khó chảy. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 10 [...]... ghi iu khin cng ni tip, thanh ghi iu khin ngt SFRS cú a ch t 80 H n FFH Trng i Hc Bỏch Khoa H Ni trang 25 ỏn tt nghip Bng cỏc thanh ghi c bit ca 80 51: Register Mnemonic P0 SP DPTR DPL DPH PCON TCON Address 80 H 81 H 82 H 83 H 82 H 83 H 87 H 88 H TMOD 89 H TL0 TL1 TH0 TH1 P1 SCON SBUF P2 IE P3 IP PSW Acc or a B 8AH 8BH 8CH 8DH 90H 98H 99H A0H A8H B0H B8H D0H E0H F0H Port 0 Latch Stack Pointer Data Pointer Data... khin MCS-51 l h vi iu khin 8 bit c s dng ph bin nht ca hóng Intel trờn th trng th gii.Sau õy l bng tng kt v kin trỳc phn cng ca mt s b vi iu khin h MCS-51 Tờn Cụng ROM ROM RAM RAM gi ngh trong ngoi trong ngoi 80 31 NMOS Khụng 64 1 28 64 80 51 NMOS cú 4 KByte 64 Byte 1 28 KByte 64 87 51 NMOS Kbyte 4 KByte 64 Byte 1 28 KByte 64 80 32 NMOS Kbyte Khụng KByte 64 Byte 256 KByte 64 80 52 NMOS cú 8 KByte 64 Byte 256... ROM ngoi i vi nhng loi cú ROM trong 8KByte nh 80 51 thỡ chng trỡnh thc hin t a ch 0000H n 1FFFH ca ROM trong sau ú tip tc t a ch 2000H n FFFFH ca ROM ngoi i vi nhng loi cú ROM trong 16KByte nh 80 51 thỡ chng trỡnh thc hin t a ch 0000H n 3FFFH ca ROM trong sau ú tip tc t a ch 4000H n FFFFH ca ROM ngoi Khi chõn ni vi Vss Khi chõn ni vi Vss thỡ lỳc ny CPU s lm vic ton b i vi ROM ngoi Do vy i vi nhng loi... Counte r 2 2 2 3 3 trang 14 ỏn tt nghip 80 C3 1 80 C5 1 CMOS CMOS Khụng 64 1 28 64 cú 4 KByte 64 Byte 1 28 KByte 64 Kbyte KByte Byte KByte 2 2 Phn ln cỏc vi iu khin trong h MCS-51 c úng v theo kiu 2 hng (PDIP) vi tng cng 40 chõn, mt s khỏc c úng v theo kiu hỡnh vuụng vi 44 chõn Chip 80 51 cú cỏc c trng sau: 4 KB EPROM bờn trong 1 28 Byte RAM ni 4 Port xut /nhp I/O 8 bit Giao tip ni tip 64 KB vựng nh mó... ni dung ln hn 0FFFH (1FFFH i vi loi 80 52) 2.4.2 B nh d liu B nh d liu RAM nu cú a ch l 8 bit thỡ cho phộp CPU 8 bit thao tỏc nhanh hn Nu a ch l 16 bit thỡ cú th truy cp c thụng qua thanh ghi DPTR (Data Pointer ) Vi 80 51 cú 1 28 byte RAM trong v cú th ghộp vi 64KByte RAM ngoi Trong sut quỏ trỡnh CPU truy cp ti b nh d liu s phỏt tớn hiu c /RD v tớn hiu ghi /WR Na thp ca 1 28 Bytes RAM trong Trng i Hc Bỏch... A 00H Thanh cha B 00H Thanh ghi thỏi PSW 00H SP 07H DPRT 0000H Port 0 ữ 3 FFH IP xxx00000B (80 31 /80 51) xx000000B (80 32 /80 52) IE 0xx00000B (80 31 /80 51) 0x000000B (80 32 /80 52) Cỏc thanh ghi nh thi 00H SCON 00H SBUF PCON (HMOS) PCON (CMOS) 00H 0xxx xxxxH 0xxx 0000 B Bảng : Giá trị của các thanh ghi sau khi reset hệ thống II.2.6 Cỏc thanh ghi chc nng c bit (SFRS) SFRS bao gm cỏc thanh ghi cú cỏc chc nng... ca CPU t a ch 0003H n 0023H Vic s dng ROM trong ( i vi nhng loi cú ROM trong) v ROM ngoi (i vi nhng h thng ũi hi phi m rng b nh) bng cỏch s dng chõn iu khin Port 0 80 51 EA D0-D7 74HC373 O ALE D Port 0 EPROM G Port 2 A8-A15 PSEN OE Sơ đồ Trng ivi xửBỏch Khoa H Ni ghép nối Hc lý với ROM ngoài trang 22 ỏn tt nghip Khi chõn ni vi Vcc i vi nhng loi cú ROM trong 4KByte nh 80 51 thỡ chng trỡnh thc hin t... (logic 0) Nu chõn ny ni lờn 5 V, 80 51 /80 52 thc thi chng trỡnh trong ROM ni Nu chõn ny ni vi GND (v PSEN cng mc logic 0) thỡ chng trỡnh cn thc thi cha b nh ngoi Nu chõn logic 0 i vi 80 51 /80 52, ROM ni bờn trong chip b vụ hiu húa v chng trỡnh thc thi cha ROM ngoi i vi nhng loi khụng cú ROM trong thỡ chõn phi mc logic 0 Chõn Reset Chõn vo RST (chõn 9) l ngừ vo reset ca 80 51 dựng thit lp li trng thỏi... Khoa H Ni trang 18 ỏn tt nghip II.3 Mụ t cỏc chõn H vi iu khin 80 51 theo kiu PDIP cú tng cng 40 chõn trong ú cú 4 cng vo ra song song: Cng 0 (P0), cng 1 (P1), cng 2 (P2), cng 3 (P3), cỏc chõn cp ngun v cỏc chõn iu khin cỏc thit b ngoi vi khỏc Port 0: Port 0 (cỏc chõn 32 ữ 39 ca 89 51) l cng cú 2 cụng dụng Trong cỏc thit k nh khụng dựng b nh ngoi thỡ nú cú chc nng nh cỏc ng vo/ra i vi cỏc thit k ln... ngoi, cng ny tr thnh bus a ch v bus d liu a hp Port 1: Port 1(cỏc chõn 1 ữ 8 ca 89 51) ch cú tỏc dng xut/nhp Cỏc chõn c ký hiu P1.0, P1.1, p1.2, p1.7 cú th dựng cho giao tip vi cỏc thit b ngoi nu cn Port 1 khụng cú chc nng khỏc, vỡ vy chỳng ch c dựng cho giao tip vi cỏc thit b ngoi vi Port 2: Port 2 (cỏc chõn 21 ữ 28 ca 89 51) l cng cú 2 cụng dng, chỳng c dựng nh cỏc ng xut/nhp hoc l byte a ch cao . toán thiết kế hệ thu thập số liệu 8 kênh sử dụng họ vi điều khiển và truyền số liệu lên máy tính& quot; Được sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo hướng dẫn, các cán bộ nơi thực tập và tạo điều. Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 13 Đồ án tốt nghiệp Chương II Họ vi điều khiển MCS-51 II.1 Giới thiệu họ họ vi điều khiển MCS-51 Họ vi điều khiển MCS-51 là họ vi điều khiển 8 bit được sử dụng. thành tín hiệu số và đưa vào vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ đọc số liệu này, nhân chia số liệu và đưa ra hiển thị trên LED đồng thời gửi số liệu đó lên máy tính để lưu trữ. Trường Đại Học Bách Khoa