Thiết kế hệ bộ VXL đo nhiệt độ sử dụng VĐK89C51 và cảm biến LM335

Nhiệt độ là một trong những đại lượng vật lý được quan tâm nhiều nhất. Bởi vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất.

1 Lưu đồ thuật toán

1.1 Lưu đò thuật toán đọc ADC

1.2 Lưu đồ thuạt toán phục vụ ngắt phím1.3 Lưu đồ kiểm tra

1.4 Lưu đồ truyền tin

2 Phần mềm chương trình

IV Đánh giá sai số

V Kết luận,tài liệu tham khảo

I Giới thiệu

1 Đặt vấn đề

Nhiệt độ là một trong những đại lượng vật lý được quan tâm nhiều nhất Bởi

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 ảnh hưởng của nó,ví dụ như áp suất ,thể tích của một chất khí Bởi

vậy, trong các nghiên cứu khoa học , trong công nghiệp và đời sống hàng ngày

việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết Tuy nhiên, để đo được trị số chính xác của

nhiệt độ lại là vấn đề không đơn giản

Cùng với sự ra đời và phát triển mạnh mẽ của các hệ vi xử lý,việc đo nhiệt độ

áp dụng vi xử lý,vi điều khiển đã mở ra nhiêu hướng,đưa đến nhiều phương pháp

khác nhau,linh hoạt và chính xác hơn Có nhiều cách để đo nhiệt độ , trong đó có

thể liệt kê một số phương pháp sau đây:

- Phương phỏp quang dựa trên sự phân bố bức xạ nhiệt do dao động nhiệt

(do hiệu ứng Doppler)

-Phương pháp cơ dựa trên sự dãn nở của vật rắn , của chất lỏng hoặc khí

(với áp suất không đổi ) , hoặc dựa trên tốc độ âm

-Phương pháp dựa trên sự phụ thuộc của đIện trở vào nhiệt độ , hiệu ứng

Sêbeck , hoặc dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh

2 Các phương pháp đo nhiệt độ

Trước tiờn núi về cỏc cảm biến nhiệt độ,đó là các cảm biến được sử dụng vào các quátrình nhiệt như: đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt.v.v .Đại lượng vào của cảm biến nhiệt độ lànhiệt độ và đại lượng ra là tín hiệu điện (dòng,áp).Một số cảm biến thường sử dụng:

+Nhiệt điện trở : Nguyên lý làm việc là có điện trở thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độcủa nó.Tuỳ theo tác dụng nhiệt của dòng điện cung cấp chạy qua chuyển đổi người taphân ra: Nhiệt điện trở đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng

 Nhiệt điện trở đốt nóng ,dòng điện chạy qua rất lớn làm nhiệt độ của nótăng lên cao hơn nhiệt độ môi trường(100C -800C), nên có sự toảnhiệt ra môi trường xung quanh, như nhiệt dẫn, đối lưu, bức xạ

 Nhiệt điện trở không đốt nóng, dòng điện chạy qua rất nhỏ không làmtăng nhiệt độ của điện trở và nhệt độ của nó bằng nhiệt độ môi trường.Nhiệt điện trở loại này dùng để đo nhiệt độ và các đại lượng cơ học như

đo di chuyển

Nhiệt điện trở phân làm hai loại: Nhiệt điện trở dây(nhiệt điện trở đồng,nhiệt điện trở

Platin, nhiệt điện trở Niken) và nhiệt điện trở bán dẫn.

đặt trực tiếp ở ngay môi trường cần đo Đối với nhiệt độ cao,đo bằng phương pháp khôngtiếp xúc, nghĩa là dụng cụ đo đặt ngoài môi trường đo.

Một trong số những cách đó là đo nhiệt độ không tiép xúc sử dụng cảm biếnLM335

3 Nhiệm vụ thiết kế

Thiết kế hệ bộ VXL đo nhiệt độ sử dụng VĐK89C51 và cảm biến LM335 giải quyết những vấn đề sau:

- Thiết kế mạch đo nhiệt độ trong dải từ 0oC-100oC và hiển thị

- Cảnh báo khi nhiệt độ lớn hơn 80oC và khi nhỏ hơn 20oC

- Kết nối truyền thông tin đo được vào máy tính

- Viết chương trình phần mềm giải quyết những vấn đề trên

Mạch khuếch đại

ADC

bàn phím

Khối hiển thịLED

PC

- Dòng ngợc 15mA

- Dòng thuận 10mA

- Sự biến thiên của điện thế theo nhiệt độ có hàm

VOUT = 0.01xTOK = 2.73 + 0.01xTOC + Cấu trúc của bộ cảm biến LM335 là loại cảm biến có 3 chân tín hiệu ra

tơng tự

2.2Khối điều chỉnh điện ỏp hay mạch khuộch đại

Đầu đo dới dạng vi mạch LM 335 là một đầu đo nhiệt độ đơn giản và chínhxác ,có điện áp lối ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ của đầu đo Đầu đo này không cần đến linhkiện ở ngoài nên không cần chuẩn lại ở những nhiệt độ khác nhau Trong vùng nhiệt độphòng , độ chính xác đạt cỡ 0,250C Dòng điện tiêu thụ cỡ 60uA nên có thể bỏ qua sự tăngnhiệt độ đầu đo dòng điện nuôi tạo ra

VoutVR+5V

LM335

Ta có :

Vin(+) = 2.73 - 3.73 VVin(-) = 2.73V

Do vậy :

Vout = 0 - 1V

Ta đã đạt đợc yêu cầu về điện áp Và cũng để hạn chế dòng điện ta phải đa

điện áp này vào ADC qua một bộ đệm nh trên hình vẽ

 Ta cần hiển thị kết quả ra LED ,muốn vậy cần có sự đồng nhất :Nhiệt độ đo( 0C ) Mã nhị phân ở đầu ra của ADC

+ Điện áp ở lối ra của LM335 là 10mV / 0C

+ Do vậy vấn đề này đợc giải quyết bằng cách đặt điện áp ở các chân Vref củaADC thích hợp

Nh ta đã biết ADC 0809 có 8 bít ở đầu ra nên có:

2.3Khối chuyển đổi ADC - sử dụng ADC0809

Có nhiều phơng pháp để chuyển đổi một đại lợng tơng tự sang giá trị số nh:

- ADC dạng sóng bậc thang :lớp ADC đơn giản này sử dụng bộ đếm nhị phân

làm thanh ghi và cho phép xung nhịp đẩy bộ đếm tăng mỗi lần một bớc,cho đến khi VAX

# VA ADC loại này gọi là ADC sóng bậc thang vì dạng sóng tại VAX có từng bậc đilên ADC dạng sóng bậc thang bao gồm một bộ đếm ,một DAC ,một bộ so sánh t ơng

tự ,và một cổng AND điều khiển Đầu ra bộ so sánh dùng làm tín hiệu điều khiển kếtthúc chuyển đổi EOC-tớch cực mức thấp

*Ưu điểm: +Tơng đối đơn giản

+Phù hợp với các ứng dụng tốc độ chậm

*Nhợc điểm:Nếu tăng số bit để tăng độ phân giải thi khi đó chỉ cầnthêm 1 bit ,thời gian chuyển đổi đã tăng gấp đôi.Nh vậy tăng độ phân giải thì thời gianchuyển đổi kéo dài.Vì thế ADC loại này không phù hợp với những ứng dụng đòi hỏi phảiliên tục chuyển đổi một tín hiệu tơng tự thay đổi nhanh thành tín hiệu số

- ADC liên tiếp-xấp xỉ(ADC0804,ADC0809 )

Đõy là phương phỏp được sử dụng rộng rói , nhưng mạch điện cú phức tạp nhưngthời gian chuyển đổi ngắn hơn Phương phỏp này cú thời gian chuyển đổi khụng phụthuộc vào điện ỏp ngừ vào

Clock Start EOC

VA

V’

A

+_

Logic điều khiển MSB LSB

Sơ đồ khối chuyển đổi ADC dùng phương pháp xấp xỉ liên tiếp

Hoạt động

Khi tác động cạnh xuống của xung Start thì ADC bắt đầu chuyển đổi

-Mạch logic điều khiển đặt bit có nghĩa lớn nhất của thanh ghi diều khiển lên mứccao và tất cả các bit còn lại ở mức thấp Số nhị phân ra ở thanh ghi điều khiển đượcqua mạch DAC để tạo ra điện áp tham chiếu V’a

Nếu V’a > Va thì ngõ ra bọ so sánh xuống mức thấp làm cho mạch logic diềukhiển xóa bit MSB xuống mức thấp

Nếu V’a <Va thì ngõ ra bọ so sánh ở mức cao làm cho mạch logic điềukhiển giữ bit MSB ở mức cao

Tiếp theo mạch logic điều khiển đưa bit có nghĩa kế bit MSB lên mức cao và tạo

ở ngõ ra khối DAC một điện áp tham chiếu V’a rồi đem so sánh tương tự như bitMSB như trên Quá trình này cứ tiếp tục cho đến bit cuối cùng trong thanh ghi điềukhiển Lúc đó thì V’a gần bằng Va ngõ ra của mạch logic điều khiển báo kết thúcchuyển đổi

Như vậy mạch đổi ra n bit chỉ mất n chu kì xung clock nên có thể đạt tốc độ rấtcao Tuy nhiên mạch ADC xấp xỉ liên tiếp lại không thể đáp ứng với tín hiệu tương

tự vào biến đổi cực nhanh

- ADC chuyển đổi nhanh(MC10319,AD9010, )

+Bộ chuyển đổi nhanh (fast converter)là loại ADC có tốc độ cao nhất nhưng

sơ đồ mạch phức tạp hơn các loại khác.Chẳng hạn,ADC nhanh N bit cần 2N-1 bộ sosánh,2N điện trở và logic mã hoá cần thiết

+ Bộ chuyển đổi nhanh không cần tín hiệu xung nhip vì tiến trình chuyển đổixảy ra liên tục

+ Thời gian chuyển đổi là thời gian cần thiết để xuất hiện một đầu ra số đáplại một thay đổi ở đầu vào tương tự,chỉ phụ thuộc vào khoảng trễ do truyền của bộ sosánh và bộ mã hoá.Do đó ADC nhanh có thời gian chuyển đổi vô cùng ngắn ngủi:

VD:MC10319(Motorola)-8 bit: tc<20ns

ADC0809 có 8 kênh đầu vào tương tự Như vậy ADC0809 cho phép giám sátđồng thời 8 bộ cảm biến,8 kênh đầu vào tương tự được dồn kênh và được chọn nhờ nhờ 3chân địa chỉ A,B,C

ADC0809 hoạt động theo phương pháp liên tiếp-xấp xỉ

Các đặc tính:

-Dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý

-Bộ dồn kênh 8 đầu vào với logic địa chỉ

-Dải điện áp đầu vào 5V và nguồn cấp 5 V

Một vài thông số kỹ thuật chính:

-Độ phân giải: 8 bit

-Sai số : +/- 1LSB

-Nguồn cung cấp: 5V

-Công suất: 15mW

-Tốc độ chuyển đổi: <100us

Sơ đồ khối cấu trúc bên trong ADC0809:

Các chân của ADC0809

Sơ đồ chân của ADC0809

-Vcc: Chân cấp nguồn.

Điện áp nguồn:5V

-GND: Chân nối đất.

Hai chân đưa điện áp tham chiếu

Thường Vref (-) nối đất.Trong bài Vref(+) được nối với nguồn 5V và một biếntrở 10k để lấy ra Vref(+)=2.55V

-IN0->IN7(Input):-8 kênh đầu vào tương tự.

- ADDA,ADDB,ADDC là 3 chân chọn kờnh đầu vào.

A,B,C la 3 bit chọn 1 trong 8 kênh đầu vào của 1 Multiplexer tương tự đượctích hợp trong bộ ADC0809

-ALE(Address Latch Enable):

Chân để chốt địa chỉ (kênh vào)

- Start: Chân gửi tín hiệu bắt đầu chuyển đổi.

- EOC(End off Convertion):Chân nay để gửi tín hiệu kết thúc chuyển đổi.

- OE(Output Enable): Chân gửi tín hiệu cho phép lấy số liệu số ở đầu ra.

- 01->08: là 8 chân tương ứng 8 bit đầu ra của số liệu 8 bit đã được chuyển đổi.

- CLK: Chân tín hiệu Clock , để gửi tín hiệu xung đồng hồ để ADC làm việc

CHỨC NĂNG & HOẠT ĐỘNG CỦA ADC0809

* Sơ đồ khối chức năng của ADC0809:

*ADC0809 thể hiện trên sơ đồ trên có thể dược chia theo chức năng thành 2mạch con cơ bản.Hai mạch con này là một bộ dồn kênh và một bộ chuyển đổi A/D.

-Bộ dồn kênh sử dụng 8 khoá tương tự công nghệ CMOS chuẩn để cung cấpmột trong 8 đầu vào tương tự.Các khoá được điều khiển chọn,tuỳ thuộc vào số liệu đượcchốt ở thanh ghi địa chỉ bộ dồn kênh (multiplexer address register) 3 bit

- Khối chức năng thứ hai là bộ chuyển đổi A/D liên tiếp-xấp xỉ,chuyển tín hiệutương tự đầu ra của bộ dồn kênh thành một từ số 8 bit Đầu ra bộ dồn kênh sẽ đi đến mộttrong hai đầu vào của bộ so sánh Đầu vào kia nhân được từ 1 thang điện trở 256R đượcmắc vào một cây khoá dùng transistor MOSFET (MOSFET transistor switch tree).Logicđiều khiển bộ chuyển đổi sẽ điều khiển switch tree, đưa điện áp tương ứng chảyra(funneling a particular tap voltage) đến bộ so sánh Đặt cơ sở cho kết quả của sự sosánh này,bộ logic điều khiển và thanh ghi liên tiếp xấp xỉ(SAR)sẽ quyết định điện ápđược chọn để lấy ra sẽ cao hơn hay thấp hơn giá trị hiện tại trên thang điện trở.Tiếntrình(algorithm)này được thực hiện 8 lần trong 1 chuyển đổi,mỗi chuyển đổi cần 8 chu kỳđồng hồ.Như vậy tổng cộng thời gian chuyển đổi là 64 chu kỳ đồng hồ

-Khi một chu kỳ chuyển đổi hoàn thành,số liệu kết quả được đưa vào bộ chốtđầu ra 3 trạng thái.Số liệu trong bộ chốt đầu ra có thể sau đó có thể được đọc bởi một hệthống tiếp nhận số liệu(host system) bất cứ lúc nào trước khi kết thúc chu kỳ chuyển đổitiếp theo Khả năng 3 trạng thỏi của bộ chốt cho phép giao tiếp dễ dàng với các hệ thốngbus định hướng(bus oriented systems)

-Thực hiện hoạt động của các bộ chuyển đổi này bằng một bộ vi xử lý hoặc một

số logic điều khiển thì rất đơn giản.Thiết bị điều khiển đầu tiên sẽ chọn kênh vào Để làmđiều này ,một địa chỉ kênh 3 bit được áp vào các chân A,B,C;và chân ALE (AddressLatch Enable) được đưa xung tích cực để khoá địa chỉ vào thanh ghi địa chỉ bộ dồn kênh

-Đầu ra EOC được lật ở sườn lên của xung start.Nó cũng được điều khiển bởichu trình gồm 8 chu kỳ đồng hồ,nên nó sẽ xuống thấp trong khoảng thời gian 8 chu kỳđồng hồ khi xảy ra sườn lên của xung start

Sơ đồ thời gian của ADC0809:

Kết nối các chân của ADC0809 với VĐK8051

- Vỡ chỉ dựng 1 đầu đo nên 3 chân ADDA,B,C ta đặt ở mức 0

- 01-08 là 8 bit đầu ra được nối với cổng P0 của 8051

- EOC nối với ngắt ngoài INT0

- ALE,START,EO được điều khiển bởi các tín hiệu READ/WRITE

- Đầu đo nhiệt độ nối vào IN0

2.4 Bộ vi xử lý 8051

Tổng quan cấu trúc 8051:

MCS-51 là họ vi điều khiển của INTEL Các nhà sản xuất IC khác như Siemens,Advanced Micro Divices, Fujitsu và Philips được cấp phép làm các nhà cung cấp thứ haicho các chíp của họ MCS-51.Vi mach tổng quát cưa họ MCS-51 là chíp 8051, linh kiệnđầu tiên của họ này được đưa ra thị trường Chíp 8051 có các đặc trưng được tóm tắt nhưsau :

_4KB ROM

_128 byte RAM

_ 4 port xuất nhập (I/O port ) 8- bit

_ 2 bộ định thời 16 bit

_ Mạch giao tiếp nối tiếp

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

_ Không gian nhớ dữ liệu ngoài 64K

_ Bộ xử lý bít(thao tác trên các bit riêng rẽ)

_ 210 vị trí được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit

Sơ đồ khối của chíp 8051.

1) Tổ chức chân của MCS51:

Sơ đồ chân của 8051 dạng DIP.

Tổ chức chân của 8051 dạng PQFP/TQFP và PLCC

a) port 0 : chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 trong các thiết kế cỡ nhỏ (không dùng

bộ nhớ mở rộng ) có hai chức năng như các đường IO Đối với các thiết kế cỡ lớn ( với

bộ nhớ mở rộng ) nó được kết hợp kênh giữa các bus )

b) port1 : là một port I/O trên các chân 1-8 Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1,

P1.2 có thể dùng cho các thiết bị ngoài nếu cần Port1 không có chức năng khác, vì vậychúng ta có thể dùng chúng trong giao tiếp với các thiết bị ngoài một cách tự do

c) Port 2 : là một port công dụng kép trên các chân 21 - 28 được dùng như các

đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mởrộng

d) Port 3 : là một port công dụng kép trên các chân 10 - 17 Các chân của port này

có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của

8051 / 8031 như ở bảng sau :

Bit Tên Chức năng chuyển đổi P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp P3.1 TXD Dữ liệu phát cho port nối tiếp P3.2 INTO Ngắt 0 bên ngoài

P3.3 INT1 Ngắt 1 bên ngoài P3.4 TO Ngõ vào của timer/counter 0 P3.5 T1 Ngõ vào của timer/counter 1 P3.6 WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài P3.7 RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

Chức năng của các chân trên port3

e) PSEN (Program Store Enable ) : 8051 có 4 tín hiệu điều khiển

PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh Các mã nhị phân của chương trìnhđược đọc từ EPROM qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 để giải mã lệnh.Khi thi hành chương trình trong ROM nội (8051) PSEN sẽ ở mức thụ động (mức cao).

f) ALE (Address Latch Enable ) :Tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương hợp với các

thiết bị làm việc với các xử lí 8585, 8088, 8086, 8051 dùng ALE một cách tương tự cholàm việc giải các kênh các bus địa chỉ và dữ liệu khi port 0 được dùng trong chế độchuyển đổi của nó : vừa là bus dữ liệu vừa là byte thấp của địa chỉ, ALE là tín hiệu đểchốt địa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nữa đầu của chu kỳ bộ nhớ Sau đó, cácđường port 0 dùng để xuất hoặc nhập dữ liệu trong nữa sau chu kỳ của bộ nhớ

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thểđược dùng là nguồn xung nhịp cho các hệ thống Nếu xung trên 8051 là 12MHz thì ALE cótần số 2MHz Chỉ ngoại trừ khi thi hành lệnh MOVX, một xung ALE sẽ bị mất Chân nàycũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong 8051

g) EA (External Access) :Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được mắc lên mức

cao (+5V) hoặc mức thấp (GND) Nếu ở mức cao, 8051 thi hành chương trình từ ROMnội trong khoảng địa chỉ thấp (4K) Nếu ở mức thấp, chương trình chỉ được thi hành từ

bộ nhớ mở rộng Khi dùng 8031, EA luôn được nối mức thấp vì không có bộ nhớ chươngtrình trên chip Nếu EA được nối mức thấp bộ nhớ bên trong chương trình 8051 sẽ bị cấm

và chương trình thi hành từ EPROM mở rộng Người ta còn dùng chân EA làm chân cấpđiện áp 21V khi lập trình cho EPROM trong 8051

h) RST (Reset) :Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 8051 Khi tín hiệu này

được đưa lên múc cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy ), các thanh ghi trong 8051 được tảinhững giá trị thích hợp để khởi động hệ thống

i) Xtal1 & Xtal2 :Như đã thấy trong các hình trên, 8051 có một bộ dao động trên

chip Nó thường được nối với thạch anh

giữa hai chân 18 và 19 Các tụ giữa

cũng cần thiết như đã vẽ Tần số thạch

anh thông thường là 12MHz

j) Power: 8051 vận hành với

nguồn đơn +5V Vcc được nối vào

chân 40 và Vss (GND) được nối vào

chân 20

Tóm tắt các vùng bộ nhớ của 8051

Như ta đã thấy trên hình, RAM bên 8051 được phân chia giữa các bank thanh ghi (00H-1FH), RAM địa chỉ hóa từng bit (20H-2FH) , RAM đa dụng (30H 7FH) và các thanh ghi chức năng đặc biệt (80H-FFH)

Bộ nhớ ROM có 30 byte đầu tiên được dành cho bảng vector ngắt :

RAM trên chip bao gồm vùng RAM đa chức năng, vùng RAM với từng bit được định địa chỉ, các dóy thanh ghi (bank) và các thanh ghi chức năng đặc biệt

a Vùng RAM đa mục đích: Có 80 byte, địa chỉ từ 30H đến 7FH

Bất cứ vị trí nào trong vùng RAM ta đều có thể truy xuất tự do bằng cách sử dụng định địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp

b Vùng RAM định địa chỉ:

Chip 8951 chứa 210 vi trí định địa chỉ in đó có 128 byte chứa trong các byte ởđịa chỉ 20H đến 2FH (16 byte x 8 = 128 bits), phần còn lại chứa trong các thanh ghi chức năng đặc biệt

Công dụng: + Truy xuất các bit riêng rẽ thông qua các phần mền

+ Các port có thể địng địa chỉ từng bit, làm đơn giản việc giao tiếp băng phần mền với các thiết bị xuất nhập đơn bit

c Các dãy thanh ghi:

Có địa chỉ từ 00H đến 1FH, 32 vị trí thấp nhất của bộ nhớ nội chứa các dãy thanh ghi Các lệnh của 8951 hỗ trợ 8 thanh ghi tử R0 đến R7 (mặc định thuộc bank 0sau khi reset hệ thống)

d Các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR)

Không phải tất cả 128 địa chỉ từ 80H đến FFH đều được định nghĩa mà chỉ có

21 địa chỉ được định nghĩa

Các thanh ghi chức năng đặc biệt bao gồm:

+ PSW: có địa chỉ là D0H