Vi xử lý và đo lường

Vi xử lý và đo lường

Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh viên: nguyễn mạnh hà 1 B CễNG NGHIP TRNG I HC CễNG NGHIP H NI KHOA IN T NG HO ---------***--------- BI TP LN Mụn Vi x lý v o lng Giỏo Viờn Hng Dn : Nhúm Sinh Viờn thc hin : Nguyn Mnh H Lp : LT C H 3K2 H Ni, 2009 Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh viên: nguyễn mạnh hà 2 Đồ án môn: Vi Xử Lý và Đo Lường. Yêu cầu của đề bài 1. Phần cứng: + Bộ Vi điều khiển 8051. + Bộ nhớ chương trình Rom 8k byte từ địa chỉ 0000H + Bộ nhớ dữ liệu Ram 4k byte về địa chỉ tùy chọn. + Cổng vào ra tương tự gồm n kênh nhận tín hiệu nhiệt độ từ 0~5V, tương ứng trong trường hợp m từ các cổng vào ra và các mạch điều khiển. + Thiết bị đo nhiệt độ tùy chọn. 2. Phần mềm: + Tín hiệu cho phép chạy và dừng chương trình ( tín hiệu dừng khẩn). + Đọc tín hiệu từ n kênh đo, lưu trữ trong vùng Ram. + Sau mỗi lần đọc đánh giá, giá trị trung bình của nhiệt độ và gửi kết quả ra cổng hiển thị Led. + So sánh nhiệt độ trung bình với từng kênh, nếu cao hơn hoặc thấp hơn gửi kết quả báo ra từng kênh. (giá trị cho phép này đặt tại ô nhớ của Ram). + Chương trình dừng lại báo động bằng còi nếu xảy ra các điều kiện sau: - Giá trị trung bình hoặc giá trị min hoặc max tương ứng cho trước. Các giá trị min hoặc max này đặt trong hai ô nhớ của Ram. Có i kênh đo vượt quá hoặc nhỏ hơn giá trị giới hạn cho phép so với giá trị trung bình. - n = số dư ( phép chia STT:3) +5. - m= số dư ( phép chia STT:4) - 0 từ 0~200C - 1 từ 0~300C - 2 từ 0~400C - 3 từ 0~500C - i= phần nguyên của phép chia n:2 Yêu cầu viết 30~40 trang. ************************************************************************** Phần bài làm 1) Xử lý số liệu: Sinh viên: nguyễn mạnh hà có STT=22. Số kênh đo là n = số dư(14/3)+5= 6 kênh. Giải đo nhiệt độ là m = số dư(14/4) = 2. Suy ra giải đo là 0~400 C Số kênh vượt quá hoặc nhỏ hơn giá trị giá trị cho phép so với giá trị trung bình. i = 6/2 = 3 kênh. 2) Tính toán và chọn thiết bị. + EEPROM 28C64 8k byte Bộ nhớ EEPROM 8K 28C64 Đây là bộ nhớ không bay hơi có thể đọc và ghi đ ợc bằng ch ơng trình nh bộ RAM mà không cần sử dụng những mạch nạp chuyên dụng, nh ng có khả năng bảo vệ dữ liệu khi mất nguồn. - A0 A12 : là 12 bit dùng để xác định địa chỉ của các vùng nhớ trong EEPROM. Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh viên: nguyễn mạnh hà 3 - /OE : Output Enable, cho phép đọc dữ liệu từ EEPROM ra Data Bus. - /WR : Write Enable, cho phép ghi dữ liệu vào EEPROM. - /CE : Dùng để chọn chip. - D0 D7 : l_ các chân nối vào Data Bus của hệ thống. Sơ đồ chân của 28C64. U25 28C64 10 9 8 7 6 5 4 3 25 24 21 23 2 11 12 13 15 16 17 18 19 20 22 27 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 CE OE WE + RAM 6264 8k byte. Vi mạch 6264 đ ợc dùng làm bộ nhớ dữ liệu ngoài cho các vi điều khiển. - A0 A12 : là 13 bit dùng để xác định địa chỉ của các vùng nhớ trong RAM. - /OE : Output Enable, cho phép đọc dữ liệu từ RAM ra Data Bus. - /WE : Write Enable, cho phép ghi dữ liệu vào RAM. - CS1, CS2 : Dùng để chọn chip. - D0 D7 : là các chân nối vào Data Bus của hệ thống. Sơ đồ chân của 6264: U26 6264 10 9 8 7 6 5 4 3 25 24 21 23 2 11 12 13 15 16 17 18 19 22 27 20 26 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 OE WE CS1 CS2 + Chip 8051 intel. II, CC BC TIN HNH GII QUYT BI TON: 1, S khi bi toỏn: Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh viên: nguyễn mạnh hà 4 Ghi chỳ: -Sensor1: Sensor nhit S dung Cảm biến nhiệt độ ta chọn loại PT100, vì giải đo nhiệt độ lớn nên ta không thể dùng cảm biến nhiệt độ loại LM35, LM34, LM335, u ra ca cm bin l tớn hiu analog c a vo b chuyn i ADC0809 chuyn tớn hiu v digital ri a vo IC 8051 s lớ kt qu o -Chun hoỏ : B chun hoỏ o lng Tu vo tng tớn hiu v yờu cu bi toỏn m ta la chn mch chun hoỏ sao cho phự hp -ADC: B chuyn i t tng t sang s -IC 8051: CPU ca mch -LED: B LED 7 thanh 2, La chn thit b: -Tỡm hiu v la chn thit b sao cho phự hp vi cụng ngh bi toỏn. -V s cu to v thuyt minh nguyờn lớ hot ng ca thit b. -Nờu ra u-nhc im ca tng thit b khi s dng vo bi toỏn. -xỏc nh tớn hiu u vo-ra ca thit b. 3, Gii quyt bi toỏn: -Xỏc nh chõn kt ni v tin hnh ghộp ni thit b da trờn s khi ca bi toỏn. -Tin hnh lp trỡnh cho IC 8051 o nhit . hin th LED -V s d nguyờn lý thit b o nhit . Sensor LM335 Chun hoỏ ADC 0808 IC 8051 LED §å ¸n m«n: Vi xư lý vµ §o l­êng Sinh viªn: ngun m¹nh hµ 5 III, KẾT LUẬN: -Ý nghĩa khi làm bài tâp lớn mơn vi điều khiển. -Nêu ra ý kiến đóng góp để cải tiến cơng nghệ của bài tốn. PhÇn i. ĐO NHIỆT ĐỘ I. Hệ Thống Đo Lường 1. Giới thiệu Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì tuỳ thuộc vào đặc tính của đại lượng cần đo,điều kiện đo,cũng như độ chính xác theo yêu cầu của một phép đo mà ta có thể thực hiện đo bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sỡ của các hệ thống đo lường khác nhau. Sơ đồ khối của một hệ thống đo lường tổng quát _ Khối chuyển đổi: làm nhiệm vụ nhận trực tiếp các đại lượng vật lý đặc trưng cho đối tượng cần đo biến đổi các đại lượng thành các đại lượng vật lý thống nhất(dòng điện hay điện áp) để thuận lợi cho việc tính toán. _ Mạch đo: có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu nhận được từ bộ chuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả đo của bộ chỉ thò. _ Khối chỉ thò:làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để thể hiện kết quả đo. 2. Hệ thống đo lường số Hệ thống đo lường số được nhóm áp dụng để thực hiện luận văn nầy vì có các ưu điểm:các tín hiệu tương tự qua biến đổi thành các tín hiệu số có các xung rỏ ràng ở trạng thái 0,1 sẽ giới hạn được nhiều mức tín hiệu gây sai số .Mặt khác ,hệ thống này tương thích với dữ liệu của máy tính,qua giao tiếp với máy tính ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật. Chuyển đổi Mạch đo Chỉ thò §å ¸n m«n: Vi xư lý vµ §o l­êng Sinh viªn: ngun m¹nh hµ 6 a. Sơ đồ khối Hình 5.1 Sơ đồ khối của hệ thống đo lường số b. Nguyên lý hoạt động Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý,dựa vào các đặc tính của đối tượng cần đo mà ta chọn một loại cảm biến phù hợp để biến đổi thông số đại lượng vật lý cần đo thành đại lượng điện ,đưa vào mạch chế biến tín hiệu(gồm:bộ cảm biến,hệ thống khuếch đại,xử lý tín hiệu). Bộ chuyển đổi tín hiệu sang số ADC(Analog Digital Converter) làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và kết nối với vi xử lý. Bộ vi xử lý có nhiệm vụ thực hiện những phép tính và xuất ra những lệnh trên cơ sở trình tự những lệnh chấp hành đã thực hiện trước đó. Bộ dồn kênh tương tự (multiplexers) và bộ chuyển ADC được dùng chung tất cả các kênh . Dữ liệu nhập vào vi xử lý sẽ có tín hiệu chọn đúng kênh cần xử lý đê đưa Cảm biến Chế biến tín hiệu Cảm biến Chế biến tín hiệu . . . . ADC Vi điều Khiển Hiển thị Sử dụng Chương trình đại lượng đại lượng Hình:Sơ đồ khối của hệ thống đo lường số §å ¸n m«n: Vi xư lý vµ §o l­êng Sinh viªn: ngun m¹nh hµ 7 vào bộ chuyển đổi ADC và đọc đúng giá trò đặc trưng của nó qua tính toán để có kết quả của đại lượng cần đo. II. Các Phươg Pháp Đo Nhiệt Độ Đo nhiệt độ là một phương thức đo lường không điện,đo nhiệt độ được chia thành nhiều dãi: + Đo nhiệt độ thấp + Đo nhiệt độ trung bình + Đo nhiệt độ cao. Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hổ trợ chuyên biệt như: + Cặp nhiệt điện + Nhiệt kế điện kế kim loại + Nhiệt điện trở kim loại + Nhiệt điện trở bán dẫn + Cảm biến thạch anh. I. Khèi ®o nhiƯt ®é. I.1. §Ỉc ®iĨm cđa PT100: ë nhiƯt ®é 0C th× PT100 cã ®iƯn trë lµ 100Ω. §iƯn trë cđa PT100 tû lƯ thn víi nhiƯt ®é vµ ®­ỵc tÝnh theo c«ng thøc sau: R(t) = R nom (1+a.t+b.t 2 ). Trong ®ã: R(t) lµ ®iƯn trë cđa PT100 ë nhiƯt ®é t C. R nom lµ ®iƯn trë cđa PT100 ë nhiƯt ®é 0 C. a, b lµ c¸c tham sè: a = 3.90830*10 -3 . b = -5.77500*10 -7 . §å thÞ thĨ hiƯn ®iƯn trë cđa PT100 øng víi nhiƯt ®é tõ -100 ºC~500 ºC. Tõ c«ng thøc trªn ta cã thĨ tÝnh ®­ỵc ë nhiƯt ®é 400C th× PT100 cã ®iƯn trë Rt=247.092Ω I.2. §å thÞ thĨ hiƯn ®iƯn trë cđa PT100 øng víi nhiƯt ®é tõ 0 ºC~400 ºC. Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh viên: nguyễn mạnh hà 8 PHN II. GII THIU V ADC 0808 + Thiết bị chuyển đổi tương tự sang số, ta chọn loại ADC0808: - Điện áp đầu vào (0->5V) VDC - Có 8 kênh đầu vào IN0-> IN7 - Độ phân giải bit (có 8 bit đầu ra). - Điện áp chuẩn U ref =5VDC - Tần số xung nhịp, f clk =500KHz, cao nhất là 640KHz. - Sai số lượng tử là 1LSB. - IN0->IN7: là 8 kênh đầu vào. - DB0->DB7: là 8 bit đầu ra. - -Vref, +ref: là cấp điện áp chuẩn. - Clock: là chân cấp xung nhịp cho ADC. - ALE: là chân chốt địa chỉ kênh được chọn để biến đổi. - Start: là chân ra lệnh cho ADC bắt đầu biến đổi. - EOC (End Off Conversion): chân báo kết thúc quá trình chuyển đổi. - Enable: là chân cho phép mở đệm đầu ra để đọc kết quả biến đổi. U5 ADC0808 7 10 11 1213 16 22 23 24 25 26 27 28 1 2 3 4 5 9 6 17 14 15 8 18 19 20 21 EOC CLK VCC +VREFGND -VREF ALE ADDC ADDB ADDA IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 OE START DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 - Chọn kênh biến đổi ADC: ADDC ADDB ADDA Kênh 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 )()( )( ).(256 refref refIN VV VV N Trong đó Vin là điện áp ngõ vào. Nếu chọn Vref(-) = 0 thì: N = 256. )(ref in V V Vref(+) = 5VDC. 1 LSB = 12 5 8 = 0,0196 V/byte. Biểu đồ thời gian của ADC 0808. Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh viên: nguyễn mạnh hà 9 *) Để 8051 có thể đọc được giá trị nhiệt độ từ PT100 thì ta phải làm một mạch điện chuẩn hoá tín hiệu đầu vào thành tín hiệu điện áp rồi biến đổi sang tín hiệu số. Nhiệt độ đo Điện trở PT100 (Rt) Đầu ra chuẩn hoá Đầu ra của ADC0808 0C 100 0 VDC 00H = 0 400 C 247.092 4.902 VDC FAH = 250 X C Rt U VDC kenh Ta lấy số tròn 250, tương ứng ta phải chỉnh các biến trở của bộ chuẩn hoá sao cho thoả mãn bảng thông số trên. Bộ chuẩn hoá ta dùng khuếch đại thuật toán loại LM324, mắc thành mạch khuếch đại vi sai. + Trong mạch còn có các vi mạch: chốt địa chỉ 74HC373, giải mã địa chỉ 74HC139, led bẩy thanh sử dụng loại Catốt chung. *) Mch to xung clock cho ADC 0808: Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh viên: nguyễn mạnh hà 10 3. Các sơ đồ mạch điện. 3.1 Sơ đồ mạch điện chuẩn hoá tín hiệu điện áp dùng khuếch đại vi sai: - + U3A LM324 3 2 1 4 11 -12V R7 50K R8 10K R11 10K +12V R40 10k R9 10K R6 50K R5 2K R10 10K -12V R1 1K -12V R37 10k R3 900 - + U2A LM324 3 2 1 11 4 +12V +12V -12V R2 1K +12V IN0_ADC - + U11A LM324 3 2 1 4 11 - + U1A LM324 3 2 1 411 SENSOR-1 PT 100 1 2 +12V R39 20k R38 10k + Đây là một mạch chuẩn hoá cho Sebsor-1 đầu ra nối với chân IN0_ADC của ADC0808 Với các sensor 2->7 tương tự. + Sử dụng mạch khuêch đại vi sai với khuếch đại thuật toán LM324. + Điều chỉnh các biến trở để khi nhiệt độ tăng từ 0~400C thì đầu ra tăng từ 0~4,902V đưa đến ADC 0808. + Hệ số khuếch đại tầng 1 là: K1=(1+R 8 /R 7 ) = (1+R 9 /R 7 )=1,2 ; chọn R 7 và R 8 sao cho R 7 =R 8 ta chọn R 8 =R 9 =10k. +Tầng 2 là mạch trừ. Hệ số khuếch đại tầng 2 là: K2=R 40 /R 10 =1; chọn R 40 ; R 11 ; R 10 ; R 37 với điều kiện R 40 *R 11 =R 10 *R 37 ; và ta chọn R 40 =R 11 =R 10 =R 37 =10k. + Tầng 3 là mạch khuếch đại đảo. Hệ số khuếch đại tầng cuối là: K3=-(R 6 +R 39 )/R 38 . + Khi nhiệt độ tăng từ 0~400 C thì điện trở của PT100 tăng từ 100~247.092, điện áp ra của cầu đo tăng từ 0~411mV, để tương ứng đầu ra là 0~4,902V, thì ta phải điều chỉnh hai biến trở R 5 và R 6 sao cho K1*K2*K3=5/0.411=12,165. **************************************************************************** 3.2 Sơ đồ mạch nguồn ổn áp C12 1000uf J5 220VAC 1 2 R20 330 + - ~ ~ D9 DIODE BRIDGE_1324 +12V C18 470uf J4 5VDC 1 2 +5V D10 LED U17 LM7912C/TO220 2 3 1 IN OUT GND C16 104 U18 LM7805/TO 1 3 2 VIN GND VOUT C15 104 U16 LM7812/TO 1 3 2 VIN GND VOUT +5V C11 1000uf C14 470uf T1 TRAN SFOR MER CT 220VAC 15V 0V 4 15V -12V C17 104 + - ~ ~ D8 DIODE BRIDGE_1324 C13 470uf + Nguồn đối xứng +12V, -12V dùng để cấp nguồn cho khuếch đại thuật toán LM324. [...]...Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh vi n: nguyễn mạnh hà + Nguồn ổn áp 5VDC dùng để cấp nguồn cho Vi điều khiển và các vi mạch số ADC0809 và 74HC74 + LM7812 là vi ổn áp +12V Vi mạch này có thể chịu được dòng điện qua nó là 1A + LM7912 là vi ổn áp -12V Vi mạch này có thể chịu được dòng điện qua nó là 1A + LM7805 là vi ổn áp +5V Vi mạch này có thể chịu được dòng điện qua... (P3.2) và chân 13 (P3.3) dùng cho ngắt INT0 và INT1 Khi kích hoạt những chân này thì 8051 bị ngắt tại bất kỳ công vi c nào mà nó đang thực hiện và nó nhảy đến bảng véc tơ ngắt để thực hiện trình phục vụ ngắt 23 Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh vi n: nguyễn mạnh hà 5.2 Các ngắt ngoài INT0 và INT1 Chỉ có hai ngắt phần cứng ngoà i trong 8051 là INT0 và INT1 Chúng đ ợc bố trí trên chân P3.2 và P3.3 và. .. đếm và nhận các xung đồng hồ từ nguồn bên ngoài của 8051 Do vậy, khi bít C/T = 1 thì bộ đếm lên, khi các xung đ ợc đ a đến chân 14 và 15 Các chân này có tên là T0 (đầu vào của bộ định thời Timer0) và T1 (đầu vào của bộ Timer1) L u ý rằng hai chân nà y thuộc về cổng P3 Trong tr ờng hợp của bộ Timer0 khi C/T = 1 thì chân P3.4 cấp xung đồng hồ và bộ đếm tăng lên đối với 20 Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường. .. nà y và nó có thể đ ợc xoá đi ra khỏi ch ơng trình 3.4 Tệp liệt kê Sau khi ch ơng trình đ ợc đốt và o trong ROM của th à nh vi n họ 8051 nh 8751 hoặc AT 8951 hoặc DS 5000 thì mã lệnh và toán hạng đ ợc đ a và o các vị trí nhớ ROM bắt đầu từ địa chỉ 0000 nh bảng liệt kê d ới đây Địa chỉ ROM Ngôn ngữ máy Hợp ngữ 0000 7D25 MOV R5, #25H 0002 7F34 MOV R7, #34H 12 Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh vi n:... trị 4FH vào TL0, byte thấp của bộ định thời 0 Các thanh ghi n à y cũng có thể đ ợc đọc nh các thanh ghi khác Ví dụ MOV R5, TH0 là l u byte cao TH0 của Timer 0 và o R5 Các thanh ghi của bộ Timer 0 4.6 Các thanh ghi của bộ Timer 1 16 Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh vi n: nguyễn mạnh hà Bộ định thời gian Timer 1 cũng dà i 16 bít và thanh ghi 16 bít của nó đ ợc chia ra thà nh hai byte là TL1 và TH1... nhiều vi c khác Bộ Timer0 đ ợc bật lên bằng phần mềm qua lệnh SETB TR0 và nằm ngoà i sự kiểm soát của ng ời dùng sản phẩm đó Tuy nhiên, khi nối một công tắc chuyển mạch tới chân P2.3 ta có thể dừng và khởi động bộ định thời gian bằng cách đó để tắt báo động 22 Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh vi n: nguyễn mạnh hà Chương 3 Cấu trúc ngắt ngoài 8051 5.1 Lập trình các ngắt phần cứng bên ngoài Bộ vi điều... Timer0 18 Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh vi n: nguyễn mạnh hà hoặc CLR TR1 đối với Timer1 ở đây cũng cần phảI nhắc lại là đối với bộ định thời đều có cờ TF riêng của mình: TF6 đối với Timer0 và TF1 đối với Timer1 4 Sau khi bộ định thời đạt đ ợc giới hạn của nó và quay quan giá trị FFFFH, muốn lặp lại quá trình thì các thanh ghi TH và TL phải đ ợc nạp lại với giá trị ban đầu và TF phải đ ợc duy... ta nhận đ ợc giá trị 8000H Do vậy, không gian nhớ là dải từ 0000 đến 7FFFH 13 Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh vi n: nguyễn mạnh hà Dải địa chỉ của ROM trên chíp một số thành vi n họ 8051 3.6 Các kiểu dữ liệu và các chỉ lệnh a) Phân bố không gian bộ nhớ RAM trong 8051 Có 128 byte RAM trong 8051 (một số thành vi n đang chú ý là 8052 có 256 byte RAM) 128 byte RAM bên trong 8051 đ ợc gán địa chỉ từ... Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh vi n: nguyễn mạnh hà số của bộ định thời luôn bằng 1/12 tần số của thạch anh gắn với 8051 Ví dụ: Hãy tìm tần số đồng bộ và chu kỳ của bộ định thời cho các hệ dựa trên 8051 với các tần số thạch anh sau: a) 12MHz b) 16MHz Mặc dù các hệ thống dựa trên 8051 khác với tần số thạch anh từ 10 đến 40MHz, song ta chỉ tập chung và o tần số thạch anh 11,0592MHz Lý do đằng sau... biết bộ vi điều khiển thuộc họ 8051 hay 8031 Còn hai chân khác là PSEN và ALE đ ợc sử dụng chủ yếu trong các hệ thống dựa trên 8031 1 Chân VCC: Chân số 40 là VCC cấp điện áp nguồn cho chíp Nguồn điện áp là +5V 2 Chân GND: Chân GND: Chân số 20 là GND 3 Chân XTAL1 và XTAL2: 8051 có một bộ giao động trên chíp nh ng nó yêu cầu có một xung đồng hồ ngoà i để 15 Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh vi n: nguyễn . Đồ án môn: Vi xử lý và Đo lường Sinh vi n: nguyễn mạnh hà 2 Đồ án môn: Vi Xử Lý và Đo Lường. Yêu cầu. đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và kết nối với vi xử lý. Bộ vi xử lý có nhiệm vụ thực hiện những phép tính và xuất ra những lệnh trên cơ sở trình