Thiết kế đo và khống chế nhiệt độ tự động bằng máy tính

Việc ứng dụng máy tính vào kĩ thuật đo lường và điều khiển đã đem lại cho con ngư¬ời những kết quả hết sức ¬ưu việt .

LỜI NÓI ĐẦU

Việc ứng dụng máy tính vào kĩ thuật đo lường và điều khiển đãđem lại cho con người những kết quả hết sức ưu việt Trong nhiều lĩnhvực sản suất công nghiệp hiện nay , nhất là trong các ngành công nghiệpluyện kim , chế biến thực phẩm vấn đề đo và khống chế nhiệt độ đặcbiệt được chú trọng đến vì nó là một yếu tố chất lượng hết sức quantrọng Các thiết bị hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máytính có độ chính xác cao , thời gian thu thập số liệu ngắn , như ng điềuđáng quan tâm hơn là mức độ tự động hoá trong việc thu thập vi xử lýkết quả đo

Nắm được tầm quan trọng của việc khống chế nhiệt độ trên dovậy em đã xin nhận đề tài tiến hành nghiên cứu đo và khống chế nhiệt

tự động bằng máy tính có sử dụng vi điều khiển 8051 với mục đíchnhằm góp phần giải quyết được những yêu cầu trên và lấy đó làm đề tàitốt nghiệp cho chính mình

Chính vì vậy sau khi nhận được đề tài “ Thiết kế đo và khống

chế nhiệt độ tự động bằng máy tính ” em đã vận dụng tất cả các kiến

thức và năng lực đã tính luỹ trong suốt gần năm năm học ở nhà trường

và nghiên cứu thêm về phần xử lý 8051 để hoàn thành được bản đồ ánnày với mong muốn sau khi ra trường sẽ có một kiến thức sâu hơn vàgóp phần vào sự phát triển của nước nhà

Những kết quả và kiến thức em tích luỹ được hẳn chưa nhiềunên trong quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp còn có nhiều sai sót vàrất thiếu kinh nghiệm do đó rất mong được sự góp ý và bổ sung củacác thầy các cô và các bạn đọc đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Quốc Trung đã tận

tình giúp đỡ em để hoàn thành tốt đề tài này Mặc dù đã có nhiều cốgắng song chắc không tránh khỏi những thiếu sót , do đó rất mong đư ợc

sự góp ý bổ xung và phê bình của quý thầy cô và các bạn Một lầnnữa em xin chân thành cám ơn tới những người đã giúp em hoàn thành

đề tài tốt nghiệp này

Hà nội ngày tháng năm

Sinh viên thực hiện

Bộ vi xử lý là một hệ thống thao tác trên các bit 0 và 1, nhưng bản thân

hệ thống không giải quyết được vấn đề gì cả, mà bài toán chỉ được giải khi bộ

vi xử lý thực hiện tất cả các chương trình ứng dụng mà ngươi lập trình đưa vào

2) Sự phát triển của bộ điều khiển 8051

Sự phát triển của kĩ thuật vi xử lý gán liền với sự phát triển của bộ viđiều khiển Intel hãng sản xuất bộ vi sử lý đầu tiên và là hãng có bộ vi điềukhiển lớn nhất và phong phú nhất

Trong các họ vi điều khiển 8 bít hàng đầu thì 8051 có số lượng lớn nhất

và có nhiều hãng cung cấp nhất Nhà cung cấp lầ nhà sản xuất bên cạnh nhàsáng chế bộ vi điều khiển đối với 8051 thì nhà sáng chế là Intel Nhưng hiên nay

có rất nhiều hãng cung sản xuất Các hãng này gồm Intel , Atmel , Philips/Signetics , AMD , Simens , Matra , Pallas

Năm 1981 hãng Intel cho ra mắt bộ vi điều khiển được gọi là 8051 Bộ

vi điều khiển này là một vi mạch tổng quát của họ MCS – 51 , bộ vi điều khiểnnày có các thống số và các đặc trưng như sau

- 4KB ROM

- 128 byte RAM

- 4 port xuất nhập ( 4 cổng vào/ra) 8bít

- 2bộ định thời 16 bít

- Mạch giao tiếp nối tiếp

- Không gian nhớ chương trình ( mã) ngoài 64K

- Bộ xử lý bít

- 210 vị trí nhớ được định địa chỉ , mỗi vị trí 1 bít

- Nhân / chia trong 4s

8051 đã trở nên rất phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khácsản xuất và bán bất kì biến dạng nào của 8051 nhưng với điều kiện họ phải mãchương trình tương thích với 8051 mặc dù do các hãng sản xuất khác nhau nên tốc

độ và dung lượng nhớ của ROM trên chíp là khác nhau nhưng tất cả các lệnh đó đềutương thích với 8051 ban đầu

Các thông số của 8051

Đặc tính Số lượngROM 4K byteRAM 128 byte

Bộ định thời 2Chân vào / ra 32Cổng nối tiếp 1Nguồn ngắt 6

3) Sơ đồ chức năng 8051

Bộ vi điều khiển 8051 là thành viên đầu tiên của họ 8051 nó bao gồmcác thành phần sau : Bộ vi sử lý , bộ nhớ và các thiết bị vào ra ngoài ra còn cácmạch phụ trợ khác tuỳ theo từng loại của bộ vi điều khiển 8051

sơ đồ khối bộ vi điều khiển 8051

* CPU

Còn được gọi là bộ xử lý trung tâm nó đIều khiển mọi hoạt động của

hệ và hoạt động theo chương trình đIều khiển có sẵn

ETC

Timer0

Timer1

Vào Bộ đếm

ROM ( Read only memory ) : Là bộ nhớ cố định có đặc điểm thông tinchỉ có thể đọc thông tin ra và thông tin không bị mất khi mất điện Bộ nhớ ROMđược dùng để chứa chương trình chính hoặc chứa chương trình điều hành haychương trình hướng dẫn.

RAM ( ) là bộ nhớ động có đặc điểm là thông tin có thể ghihoặc đọc ra một ra một cách tuỳ ý và thông tin đó sẽ bị mất đi khi mất điện.RAM được sử dụng để nạp phần còn lại của hệ điều hành từ đĩa khởi động hoặcnạp vào các chương trình ứng dụng từ bộ nhớ ngoài, lưu trữ số liệu và trạng thái

hệ thống trong quá trình làm việc

+ Bộ nhớ ngoài gồm băng từ, đĩa từ được sử dụng nhiều vì giá thành rất

rẻ và được dùng để lưu trữ thông tin và dữ liệu

+ Bus dữ liệu: Là hệ thống đường truyền song song được dùng để trao đổi

dữ liệu giữa CPU với các thành phần bên ngoài và giữa các thành phần vớinhau

+ Bus điều khiển: Gồm các đường dây dùng để truyền tín hiệu điều khiểncần thiếu giúp cho CPU điều khiển việc trao đổi dữ liệu, xử lý sự cố và đồng bộtoàn hệ thống.

II/ Sơ đồ, chức năng các chân của 8051

1) Sơ đồ chân của 8051

123

45

678

9

10 11 12 13

141516 17

18 19

20

212223 24

262728

29 30 31

32 33 34 35 36 37 38 39 40

25

AD0AD1AD2 AD3 AD4 AD5AD6AD7

AD8 AD9 AD10 AD11AD12AD13 AD14AD15

P10 P11 P12 P13 P14 P15P16P17

P00 P01 P02 P04P05P06 P07 P03

P20 P21 P22 P23 P24P25P26 P27

P30P31P32 P33 P34 P35 P36 P37

8051 PSEN

ALE EA RST RD

WR T1 T0 INT0 INT1 TXD RXD

Vcc

Vss

XTAL 1 XTAL 2

12MHZ 30pF

30pF

2) Chức năng các chân của 8051

- Chíp 8051 có 40 chân trong đó có 32 chân có công dụng xuất/ nhập tuynhiên 24 trong 32 chân này có 2 mục đích sử dụng Mỗi một chân này có thểhoạt động xuất/nhập như một đường địa chỉ/dữ liệu của bus địa chỉ/dữ liệu đahợp, 32 chân này hình thành 4 port 8 bít 8 chân cho một bort và có thể sử dụngnhư một đơn vị giao tiếp song song như máy in, bộ biến đổi DA

- Các chân còn lại dành cho nguồn Vcc , đất GND, các chân dao độngXTAL1

3) Nhóm chân cổng vào ra

Bốn cổng vào ra Port0, Port1, Port2, Port3, đèu có 8 chân và tạo thànhcổng 8 bít Khi Reset thì tất cảc các cổng làm nhiệm vụ đầu ra còn để làmnhiệm vụ đầu vào thì cần phải lập trình

Cổng Port 1 cũng có các chân ( Các chân từ 1 đến 8) các chân này chỉ

có một tác dụng là dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi (làm đường xuấtnhập hoặc làm các ngõ vào cho các mạch dịch thời thứ 3) Để chuyển cổng port

1 thành đầu vào cần lập trình bằng cách ghi 1 đến tất cả các bít của cổng

c) Cổng port 2

Cổng Port 2 có 8 chân( từ chân 24 đến chân 28) có thể được sử dụnglàm đầu vào hoặc đầu ra Cổng này có hai chức năng là chuyển địac hỉ và dữliệu, byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16 bít cho các thiết kế có bộ nhớ chươngtrình ngoài

d) Cổng Port 3

Cổng Port có 8 chân từ chân 10 đến chân 17 Cổng này có thể được sửdụng làm đầu vào hoặc đầu ra Khi không làm nhiệm vụ xuất nhập thì nó sẽ cócác chức năng riêng liên quan đến các đặc trung cụ thể của 8051 , tuy nhiêncổng Port3 còn có một chấc năng quan trọng khác là cung cấp một số tín hiệuđặc biệt chẳng hạn như ngắt

Bảng chức năng của cổng Port3

Bít Tên Địa chỉ bít Chức năng

P3.0 RXD B0H Chân nhận dữ liệu của Port nối tiếp

P3.1 TXD B1H Chân phát dữ liệu của Port nối tiếp

P3.2 INT0 B2H Ngõ vào ngắt ngoài 0

P3.3 INT1 B3H Ngõ vào ngắt ngoài 1

P3.4 T0 B4H Ngõ vào của bộ định thời / đếm 0

P3.5 T1 B5H Ngõ vào của bộ định thời / đếm 1

P3.6 WR B6H Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

P3.7 RD B7H Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

4) Nhóm chân nguồn dao động và điều khiển

a) Nhóm chân nguồn

+ Chân Vcc: Chân 40 cung cấp điện áp nguồn +5V cho chíp

+ Chân GND: Chân số 20 là cung cấp nguồn âm (là chân mát)

b) Nhóm chân dao động

Nhóm chân XTAL1 và XTAL2 là các chân 18 và 19 của chíp 8051hiện tại đã có môt bộ dao động đồng hồ ở bên ngoài dùng để kích hoạt và haichân này cần được nối với bộ dao động thạch anh ở ngoài va khi đó được mắcvới các tụ ổn định tần số dao động cho thạch anh

Tần số danh định của thạch anh là 12 MHz cho tất cả họ vi điều khiển

8051 Bộ dao động tạo xung đồng hồ không nhất thiết là bộ dao động dùngthạch anh mà cũng có thể dùng bộ dao động TTL khi đó dao động được nối tớichân XTAL1 còn chân XTAL2 để hở

c) Nhóm chân điều khiển

+ Chân RESET ( chân số 9 ) là chân khởi động lại trạng thái ban đầucủa hệ thống Khi có xung cao đặt tới chân này thì bộ vi điều khiển 8051 sẽ kết

thúc mọi hoại động hiện tại và tiến hành khởi động lại Quá trình này xảy rahoàn toàn tương tự như khi bật nguồn và khi đó mọi giá trị trên thanh ghi đều bịxoá hết

+ Chân EA ( Chân số 31 )

Là chân truy xuất ngoài có thể được nối với +5V khi có mức logic1 vànối đất khi có mức logic 0

Nếu có mức logic 1 thì nó sẽ thực thi chương trình trong ROM

Nếu có mức logic 0 và chân PSEN cũng ở mức 0 thì chương trình cầnthực thi chứa ở bộ nhớ ngoài vì trong chíp không có bộ nhớ chương trình

+ Chân PSEN (chân 29 )

Là chân ra có chức năng cho phép cất chương trình 1 và cho phép bộnhớ chương trình cung cấp cho ta 4 tín hiệu điều khiển bus và là tín hiệu xuấttrên chân này và đây cũng là tín hiệu cho phép truy xuất bộ nhớ chương trìnhngoài và được nối với OE

Tín hiệu PSEN ở mức logic 0 khi thực hiện thời gian tìm nạp lệnh Tín hiệu PSEN ở mức logic 1 khi thực hiện 1 chương trình chứa ởROM + Chân chốt địa chỉ ALE ( Chân 30 )

Là chân có mức tích cực cao và là chân xuất tín hiệu cho phép xuất địachỉ ALE Khi pỏt được chọn làm bus địa chỉ / dữ liệu thi chân ALE xuất tínhiệu để chốt địa chỉ và sau khi chốt các chân của port sẽ xuất / nhập dữ liệu hợp

lệ trong suốt 1/2 thứ 2 của chu kì bộ nhớ

Chân ALE còn được sử dụng để phân kênh địa chỉ và dữ liệu bằngcách nối tới chân G của chíp 74LS373

Tín hiệu ALE có tần số bằng 1/6 tần số của mạch dao động , chân ALEcòn dùng làm chân nhận xung ngõ vào lập trình cho EDROM

5) Cấu trúc của port xuất nhập

sơ đồ mạch bên trong của các port xuất / nhập

Write

to latch

Port latch D

8051 internal bus

Port Pin

Pin internal

Pull-up

Read latch Q

+V 5V

1k

NJFET

Việc ghi đến 1 chân của port sẽ nạp dung lượng vào bộ chốt củaport , ngõ ra Q của bộ chốt điều khiển 1 trạm trường và transitor này nối vớichân của port Khả năng fan out của các port 1 , 2 và 3 là 4 tải vi mạch TTLloại Schottky công suất thấp còn của 0 là 8 tải loại Shottky công suất thấp Trong đó

8051 internal bus : Đường truyền bên trong của 8051

Read latch : Đọc bộ chốt

Internal pull up : Kéo lên bên trong

Read pin : Đọc chân port

port pin : Chân port

Write to latch : Ghi vào bộ chốt

6) Truy suất bộ nhớ chương trình ngoài

Bộ nhớ chương trình ngoài là bộ nhớ chỉ đọc và được cho phép bởi tínhiệu PSEN Khi có 1 EPROM ngoaì được sử lý thì cả 2 port 0 và 1 đều khôngcòn là các port xuất nhập

Sơ đồ 8051 truy xuất với bộ nhớ ngoài

Khi bộ nhớ ngoài được sử dụng thì port không làm nhiệm vụ của portxuất / nhập , port này trở thành bus địa chỉ ( A0  A7 ) và bus dữ liệu ( P0  P7 )

đa hợp Ngõ ra ALE chốt byte thấp của địa chỉ ở thời điểm bắt đầu mỗi một chu

kỳ bộ nhớ ngoài Còn port 2 thường được dùng làm byte cao của bus địa chỉ

Sự xắp xếp đa hợp có hoạt động là 1/2 chu kỳ đầu của chu kỳ bộ nhớ ,byte thấp của địa chỉ được cung cấp bởi port 0 và được chốt nhờ tín hiệu ALE Mạch chốt 74HC374 giữ cho byte của địa chỉ ổn định trong cả chu kỳ bộ nhớ Trong 1/2 chu ky sau của chu kỳ bộ nhớ port 0 được sử dụng làm bus dữ liệu vàkhi đó dữ liệu được đọc hay ghi

7) Truy suất bộ nhớ dữ liệu ngoài

Sơ dồ cấu trúc sự truy suất của 8051 vói bộ nhớ dữ liệu ngoài

Port0 8051 EA ALE Port2 PSEN

D

0  D 7 RAM (1kbyte) A

0  A 7

A 18 A 15

OE

D Q G

dữ liệu được xuất ra ở port 0

Ở đây port 2 giảm bớt được chức năng làm nhiệm vụ cung cấp bytecao của địa chỉ trong các hệ thống tối thiểu thành phần , hệ thống không dùng

bộ nhớ chương trình ngoài và chỉ có 1 dunglượng nhỏ bộ nhớ dữ liệu ngoài

III/ Chế độ hoạt động của các port nối tiếp

Chức năng của Port nối tiếp là thực hiện việc chuyển đổi dữ liệu songsong thành nối tiếp khi phát và chuyển đổi dữ liệu nối tiếp thành song song khithu

Các mạch phần cứng bên ngoài truy xuất Port nối tiếp thông qua cácchân TxD (Phát dữ liệu) và RxD ( thu dữ liệu) các chân này đa hợp với hai chân

Port0 8051 AE ALE P 2.0 P 2.1 RD WR PSEN

D

0  D 7 RAM (1kbyte) A

0  A 7

A 8 A 9 OE W CS

D Q G

NC

của bort 3 là P3.1 và P3.0 (RxD) Đặc trưng của nó là hoạt động song công (pullduplex) nghĩa là nó có khả năng thu và phát đồng thời ngoài ra nó còn có đặctrương nữa là việc đệm dữ liệu khi thu của bort này cho phép 1 ký tự được nhân

và lưu giữ trong bộ đệm thu trong khi ký tự tiếp theo được nhân vào Nếu CPUđọc ký tự thứ nhất trước khi ký tự thứ 2 được nhận đầy đủ thì dữ liệu sẽ không

Nhiệt

độ Phần tử

chấp hành

K đại chuyển đổi

Máytính

b) Nguyên tắc hoạt động

Khi nhiệt độ cần khống chế thay đổi thì bộ cảm biến ( Sensor ) sẽ nhậnđược biến đổi thành tín hiệu điện đưa tới bộ khuyếch đại để đưa ua bộ chuyểnđổi tương tự sang số và được đưa vào bộ vi điêù khiển 8051 đã có chương trìnhsẵn để điều khiển và được kết nối với máy tính cùng với chương trình điềukhiển của máy tính thì vi điều khiển sẽ điều khiển các cơ cấu chấp hành bênngoài làm cho các phần tử thay đổi theo đúng yêu cầu được đặt ra

III / Mục tiêu và nhiệm vụ

a) Mục tiêu

Do nhu cầu sử lý thông tin của xã hội ngày càng cao việc xây dựng một

hệ thống thu nhập và sử lý chuyên dụng phục vụ cho thông tin và điều khiển làmột trong các vấn đề đang được đề cập đến , nhằm nâng cao hiệu quả sử dụnggiảm đáng kể những chi tiết không cần thiết và giảm tối đa nhân lực

Như vậy hệ thống của ta phải có các đặc tính sau

qua cổng RS232 ( com 1 hoặc com 2 ) thực hiện các chức năng đo và khống chếnhiệt độ như yều cầu của đề tài đặt ra và viết chương trình điều khiển cho cardbằng các ngôn ngữ sau

- ASSENI BLER

- C ( C thường )

- Visual bazisc

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG

I/ Sơ lược về các khối của hệ thống cần thiết kế

 Bộ cảm biến nhiệt ( Sensor )

Bộ cảm biến là nơi tiếp nhận và sử lý thông tin trước khi đưa về trungtâm tiếp tục sử lý và phản hồi cho việc đo đặc và tự động điều khiển

Việc cảm nhận của các mạch cảm biến nhiệt rất quan trọng do đó các

bộ sensor phải chịu đựng được các điều kiện khắc nghiệt và phải có độ chínhxác cao

 Mạch khuyếch đại tín hiệu : Các tín hiệu ra khỏi mạch cảm biến là rấtnhỏ do đó mạch khuyếch đại có tác dụng khuyếch đại tín hiệu trước khi đưa vào

bộ biến đổi ADC

 Mạch biến đổi ADC : Tín hiệu đưa vào máy tính là các tín hiệu códạng các bít 0 hoặc 1 do đó ta pải dùng mạch chuyển đổi tín hiệu từ tương tựsang số

 Mạch 8051 : Là bộ vi sử lý làm việc theo chương trình đã được lập sẵn

và được điều khiển bởi máy tính

 Mạch điều khiển các phần tử chấp hành : Là mạch nhận các dữ liệu từ

8051 và máy tính sau đó điều khiển các cơ cấu chấp hành theo lệnh đã có sẵn

và cổng 25 chân người ta gọi nó là cổng com

Cổng ghép nối tiếp cũng giống như cổng ghép nối song song nhưng 8bít ở đây sẽ được truyền lần lượt liên tiếp nhau và nó cũng gọi là cổng com

Các tiêu chuẩn của RS -232

D25 D9 Tín hiệu Hướng truyền Mô tả

2 ) Một số bộ biến đổi ADC thông dụng

2.1 ) sơ lược về bộ biến đổi ADC

Analog signal Digital signal

Tín hiệu tương tự là các đại lượng vật lý tự nhiên thay đổi liên tục và

có thể nó như là một điện áp hay dòng điện mà giá trị biên độ của nó thay đổiliên tục theo thời gian

Tín hiệu số là một điện áp hay dòng điện chứa thông tin hay vị trí cácxung hay sự thay đổi biên độ đột ngột so với tín hiệu xung đồng hồ

Tín hiệu số có ưu điểm là : Tính chống nhiễu cao tốc độ xử lý cao ,khả năng xử lý linh hoạt

2.2 ) Vi mạch TLC549

Vi mạch TLC549 là bộ biến đổi A/D 8 bít nó rất hấp dẫn với nhữngứng dụng đơn giản Vi mạch nay có 8 chân ra , tiêu thụ dòng không đáng kểnên thích hợp với dòng RS232 nối tiếp Vi mạch TLC549 có chứa bộ giữ nhịpcủa hệ thống, khối lấy mẫu và giữ, bộ biến đổi A/D 8bít > Vi mạch này có 2chân ra dùng để trao đổi thong tin với các khối chức năng có tên là I/O _CLK vàdata out, các tín hiệu ở chân này là tương thích của TTL và làm dễ dàng việctrao đổi thông tin với các thành viên khác tương ứng

ADC