Thiết Kế Mạch Đo Và Hiển Thị Nhiệt Độ Trên LCD

Ngày nay lĩnh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị,sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày của con người như máy giặt,đồng hồ điện tử, ti vi ....

Khoa Điện – Điện Tử

M c L c ục Lục ục Lục LỜI MỞ ĐẦU

LỜI CẢM ƠN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Giới thiệu chung về mạch 6

1.1.1: Chức năng của mạch: 6

1.1.2: Các thành phần chính của “ mạch đo và hiển thị nhiệt độ “ 6

1.1.3: Yêu cầu thiết kế: 6

1.2 Giới thiệu các linh kiện trong mạch 7

1.2.1 Giới thiệu về LCD 16TC2A 7

1.2.2 Gới thiệu về AT89C51 11

1.2.3.Giới thiệu về cảm biến nhiệt LM35 16

1.2.4.Giới thiệu về ADC 0804 19

2.1 Quá trình đo nhiệt độ 23

2.2.Sơ đồ khối của mạch 25

2 3 Lưu đồ thuật toán 26

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3.1 Sơ dồ nguyên lý 27

3.2 Sơ đò Board mạch 28

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN Tài Liệu Tham Khảo 30

LỜI MỞ ĐẦU

Việt Nam ta ngày một phát triển và giàu mạnh Một trong những thay đổiđáng kể là Việt Nam đã gia nhập WTO ,một bước ngoặt quan trọng thay đổi đấtnước,để chúng ta - con người Việt có cơ hội nắm bắt nhiều thành tựu vĩ đại của

thế giới, đặc biệt là về các lĩnh vực khoa học kĩ thuật nói chung và ngành Điện

Tử nói riêng

Thế hệ trẻ chúng ta không tự mình phấn đấu học hỏi không ngừng thì chúng ta sẽ

sớm lạc hậu và nhanh chóng thụt lùi Nhìn ra được điều đó Trường “Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên” đã sớm chủ trương hình thức đào tạo sâu rộng, từ

thấp đến cao Để tăng chất lượng học tập của sinh viên nhà trường nói chung và

khoa Điện - Điện Tử nói riêng đã tổ chức cho sinh viên làm các Đồ Án Môn Học

nhằm tạo nên tảng vững chắc cho sinh viên khi ra trường, đáp ứng nhu cầu tuyểndụng việc làm

Ngày nay lĩnh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị,sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày của con người như máy giặt,đồng hồ điện tử, ti vi nhằm giúp cho đời sống ngày càng hiện đại và tiện lợihơn

Đề tài ứng dụng vi điều khiển trong đời sống thực tế rất phong phú và đadạng nhằm đáp ứng cho cuộc sống tiện nghi của con người.Với mục đích tìmhiểu và đáp ứng những yêu cầu trên chúng em đã lựa chọn một đề tài có tính ứng

dụng trong thực tế, nhưng không quá xa lạ đối với mọi người, đó là: “ Thiết kế

mạch đo và hiển thị nhiệt độ “

Khoa Điện – Điện Tử

ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tên đề tài: “Thiết kế mạch đo và hiển thị nhiệt độ ”

Nhóm sinh viên thực hiện:

Khoá học: 2012 – 2016

Lớp : Đ_ĐTK10.1

Ngành đào tạo: Tự Động Hoá

- Số liệu cho trước:

- Các tài liệu chuyên môn

- Nội dung cần hoàn thành: Thiết kế, tính toán và chế tạo mạch điện đo nhiệt độ sau đó hiển thị LCD

Sản phẩm của đề tài phải đảm bảo kỹ thuật, mỹ thuật

Quyển thuyết minh

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.1 Giới thiệu chung về mạch

1.1.1: Chức năng của mạch:

“ Mạch đo và hiển thị nhiệt độ “ có các chức năng sau:

Đo nhiệt độ

Hiển thị nhiệt độ trên màn hình LCD

1.1.2: Các thành phần chính của “ mạch đo và hiển thị nhiệt độ “

1: LCD 16x2_R2

2: Cảm biến nhiệt LM35

3: Vi điều khiển AT89C51

4: Các nút nhấn,điện trở,tụ điện,tranzitor,thyzitor…

1.1.3: Yêu cầu thiết kế:

Mạch hoạt động đúng chức năng của đề tài

Mạch hoạt động có độ ổn định và chính xác cao

Thiết kế gọn nhẹ

Giá thành phù hợp

1.2 Giới thiệu các linh kiện trong mạch

Khoa Điện – Điện Tử

1.2.1 Giới thiệu về LCD 16TC2A

Trong những năm gần đây, màn hình tinh thể lỏng LCD (Liquid Crystal Display)ngày càng được sử dụng rộng rãi và đang dần thay thế các đèn LED (7 đoạn vànhiều đoạn) Đó là vì các nguyên nhân sau:

Màn hình LCD có giá thành hạ

Khả năng hiển thị số, ký tự và đồ hoạ tốt hơn nhiều so với đèn LED (đèn LED chỉhiển thị được số và một số ký tự)

Sử dụng thêm một bộ điều khiển tương phản của LCD và như vậy giải phóngCPU khỏi công việc này Còn đối với đèn LED luôn cần CPU ( hoặc bằng cáchnào đó) để duy trì việc hiển thị dữ liệu

- Dễ dàng lập trình các

ký tự và đồ hoạ

Chức năng và nhiệm vụ

của các chân

Hình 1.2.1: Sơ đồ chân của LCD 16TC2A

STT chân Kí hiệu Chức năng chân

chân này với GND của mạch điều khiển

2 Vdd Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta

nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển

3 Vee Lựa chọn độ tương phản của màn hình

4 RS Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối

chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC)

để chọn thanh ghi

+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh

IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)

+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD

5 R/w Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối

chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc

6 E Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu

được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E

+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ởchân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E

DB0-Khoa Điện – Điện Tử

xuống mức thấp

Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thôngtin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này + Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7

+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường

từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7

hiệu

Điềukiện

Bảng 1.2.2.Giá trị điện áp của LCD

- Để hiển thị chữ cái và con số, mã ASCII của các chữ cái từ A đến Z, a đến zvà các con số từ 0 - 9 được gửi đến các chân này khi bật RS = 1

Cũng có các mã lệnh được gửi đến LCD để xoá màn hình hoặc đưa con trỏ vềđầu dòng hoặc nhấp nháy con trỏ Bảng 12.2 liệt kê các mã lệnh này

Cũng có thể sử dụng RS = 0 để kiểm tra bít cờ bận xem LCD đã sẵn sàng nhậnthông tin chưa

- Khi R/W = 1 và RS = 0 thì cờ bận D7 thực hiện các chức năng như sau: Nếu D7

= 1 (cờ bận bằng 1) có nghĩa LCD đang bận các công việc bên trong và sẽ không

nhận bất kỳ thông tin mới nào, còn nếu D7 = 0 thì LCD sẵn sàng nhận thông tin

mới Trong mọi trường hợp cần kiểm tra cờ bận trước khi ghi bất kỳ dữ liệu nào

lên LCD

Khoa Điện – Điện Tử

- Gửi có trễ lệnh và dữ liệu đến LCD

Để gửi một lệnh bất kỳ đến LCD, cần đưa chân RS = 0, còn để gửi dữ liệu thì bật RS=1.Sau đó, gửi một sườn xung cao xuống thấp đến chân E để cho phép chốt dữliệu trong LCD

1.2.2 Gới thiệu về AT89C51

IC 89C51 là một họ IC vi điều khiển do hãng Intel của Mỹ sản xuất Chúng có các đặc điểm chung như sau:

- 8 KB EPROM bên trong

- 128 Byte RAM nội

- 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit

- Giao tiếp nối tiếp

- 64 KB vùng nhớ mã ngoài

- 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại

- Xử lí Boolean (hoạt động trên bit đơn)

- 210 vị trí nhớ có thể định vị bit

- 4 g.s cho hoạt động nhân hoặc chia

* Chức năng các chân của 89C51:

Hình 1.2.2: Sơ đồ chân của 89C51

- 8951 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập Trong đó có 24chân có tác dụng kép (có nghĩa 1 chân có 2 chức năng), mỗi đường có thể hoạtđộng như đường xuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần củacác bus dữ liệu và bus địa chỉ

* C ác Port:

- Port 0 là port có 2 chức năng ở các chân 32 - 39 của 8951 Trong các thiết kế cỡnhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường IO Đối với cácthiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng, nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữliệu

- Port 1:- Port 1 là port IO trên các chân 1-8 Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1,P1.2, có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần Port 1 không có

Khoa Điện – Điện Tử

chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị bênngoài

- Port 2 là 1 port có tác dụng kép trên các chân 21 - 28 được dùng như các đườngxuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mởrộng

- Port 3 Cổng P3 chiếm tổng cộng là 8 chân từ chân 10 đến chân 17 Nó có thể được

sử dụng như đầu vào hoặc đầu ra Cống P3 không cần các điện trở kéo cũng như P1 và P2 Mặc dù cổng P3 được cấu hình như một cống đầu ra khi Reset, nhưng đây không phải là cách nó được sử dụng phổ biến nhất.

Cống P3 được bổ sung các chức năng quan trọng, đặc biệt Bảng 2 cung cấp các chức năng khác của cống P3 Thông tin này áp dụng cho cả 8051 và 8031:

Đọc (RD)

10 11 12 13 14 15 16 17

Bảng 1.2.3: Các chức năng khác của cống P3 Các bit P3.0 và P3.1 cung cấp tín hiệu nhận và phát dữ liệu trong truyền thông dữ liệu nối tiếp.

Các bit P3.2 và P3.3 được dành cho các ngắt ngoài

Bit P3.4 và P3.5 được dùng cho các bộ định thời 0 và 1

Cuối cùng các bit P3.6 và P3.7 để ghi và đọc các bộ nhớ ngoài khi được nối tới các hệ thống 8031

Tổ chức bộ nhớ

Các vi điều khiển thuộc họ 8051 đều tổ chức thành 2 không gian chương trìnhvà dữ liệu Kiến trúc vi xử lý 8 bit của 8051 này cho phép truy nhập và tính toánnhanh hơn đối với không gian dữ liệu nhờ việc phân chia 2 không gian bộ nhớchương trình và dữ liệu như trên Tuy nhiên bộ nhớ ngoài được truy nhập bởi hệthống 16 bit địa chỉ vẫn có thể thực hiện nhờ thanh ghi con trỏ

Bộ nhớ chương trình (ROM, EPROM) là bộ nhớ chỉ đọc, có thể mở rộng tối

đa 64Kbyte Với họ vi điều khiển 89xx, bộ nhớ chương trình được tích hợp sẵntrong chip có kích thước nhỏ nhất là 4kByte Với các vi điều khiển không tíchhợp sẵn bộ nhớ chương trình trên chip, buộc phải thiết kế bộ nhớ chương trìnhbên ngoài Ví dụ sử dụng EPROM: 2764 (64Kbyte), khi đó chân PSEN phải ởmức tích cực (5V)

Hình 1.2.3: Cấu trúc vi điều khiển 89C51 Bộ nhớ dữ liệu (RAM) tồn tại độc lập so với bộ nhớ chương trình Họ vi điềukhiển 8051 có bộ nhớ dữ liệu tích hợp trên chip nhỏ nhất là 128byte và có thể mở

rộng với bộ nhớ dữ liệu ngoài lên tới 64kByte Với những vi điều khiển khôngtích hợp ROM trên chip thì vẫn có RAM trên chip là 128byte Khi sử dụng RAMngoài, CPU đọc và ghi dữ liệu nhờ tín hiệu trên các chân RD và WR Khi sửdụng cả bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu bên ngoài thì buộc phải kết hợp

Khoa Điện – Điện Tử

chân RD và PSEN bởi cổng logic AND để phân biệt tín hiệu truy xuất dữ liệutrên ROM hay RAM ngoài

* Các ngõ tín hiệu điều khiển :

* Ngõ tín hiệu PSEN (Program store enable):

PSEN là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trìnhmở rộng thường được nói đến chân 0E\ (output enable) của Eprom cho phép đọccác byte mã lệnh

PSEN ở mức thấp trong thời gian Microcontroller 8951 lấy lệnh Các mã lệnh củachương trình được đọc từ Eprom qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnhbên trong 8951 để giải mã lệnh Khi 8951 thi hành chương trình trong ROM nộiPSEN sẽ ở mức logic 1

* Ngõ tín hiệu điều khiển ALE (Address Latch Enable ) :

Khi 8951 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, port 0 có chức năng là bus địa chỉ và bus

dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu ra ALE ở chân thứ

30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khikết nối chúng với IC chốt

Tín hiệu ra ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóng vai trò làđịa chỉ thấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thểđược dùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống Chân ALE đượcdùng làm ngõ vào xung lập trình cho Eprom trong 8951

* Ngõ tín hiệu EA\(External Access):

- Tín hiệu vào EA\ ở chân 31 thường được mắc lên mức 1 hoặc mức 0 Nếu ởmức 1, 8951 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp 8Kbyte Nếu ở mức 0, 8951 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng ChânEA\ được lấy làm chân cấp nguồn 21V khi lập trình cho Eprom trong 8951

* Ngõ tín hiệu RST (Reset) :

-Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset của 8951 Khi ngõ vào tín hiệu này đưalên cao ít nhất là 2 chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trịthích hợp để khởi động hệ thống Khi cấp điện mạch tự động Reset.

* Các ngõ vào bộ dao động X1, X2:

- Bộ dao động được tích hợp bên trong 8951, khi sử dụng 8951 người thiếtkế chỉ cần

kết nối thêm thạch anh và các tụ như hình vẽ trong sơ đồ Tần số thạch anhthường sử dụng cho 8951 là 12Mhz

* Chân 40 (Vcc) được nối lên nguồn 5V.

1.2.3.Giới thiệu về cảm biến nhiệt LM35

LM35 là họ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao có điện áp đầu ra tỷ lệtuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Họ cảm biến này cũng không yêucầu căn chỉnh ngoài vì vốn nó đã được căn chỉnh

Hình 1.2.4: Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt độ LM 35 LM35 là cảm biến nhiệt độ analog ,nhiệt độ được xác định bằng cách đohiệu điện thế ngõ ra của LM 35

Đơn vị nhiệt độ : 0C

Có mức điện áp thay đổi trực tiếp theo 0C ( 10 mV/0C)

Có hiệu năng cao,công suất tiêu thụ là 60 uA

Khoa Điện – Điện Tử

Sản phẩm không cần phải căn chỉnh nhiệt đội khi sử dụng

Độ chính xác thực tế : 1/4 0C ở nhiệt độ phòng và ¾ 0C ở ngoài khoảng -55 0C tới

150 0C

Chân + Vs (1) là chân cung cấp điện áp cho LM 35 DZ hoạt động từ 4 – 20 VChân Vout ( 2) là chân điện áp đầu ra LM35 được đưa vào chân Analog của cácbộ ADC

Chân GND là chân nối mass: Chân này này tránh hỏng cảm biến cũng như làmgiảm sai số quá trình đo

Mã sản phẩm Dải nhiệt độ Độ chính xác Đầu ra

Bảng 1.2.4: Thông số kỹ thuật chính của cảm biến nhiệt họ LM35

* Phối hợp tín hiệu và nối ghép LM35 với 8051

Phối hợp tín hiệu là một thuật ngữ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thu nhận

dữ liệu Hầu hết các bộ cảm biến đều đưa ra tín hiệu dạng điện áp, dòng điện,

về điện áp để đưa đến đầu vào của bộ chuyển đổi ADC Sự chuyển đổi (biến đổi)này được gọi chung là phối hợp tín hiệu.

Bảng 1.2.4: Nhiệt độ và Vout của ADC804 Phối hợp tín hiệu có thể là chuyển dòng điện thành điệa áp hoặc khuyếch đạitín hiệu Ví dụ, bộ cảm biến nhiệt thay đổi trở kháng theo nhiệt độ Sự thay đổitrở kháng cần được chuyển thành điện áp để các bộ ADC có thể sử dụng được.Xét trường hợp nối LM35 tới ADC804 VI ADC804 có độ phân dải 8 bit với tối

đa có 256 mức (28), và LM35 (hoặc ML34) tạo ra điện áp ỈOmV

Nhiệt độ (OC) (mV)Vin Vout (D7 -DO)

Khoa Điện – Điện Tử

1.2.4.Giới thiệu về ADC 0804

Các bộ chuyển đổi ADC được sử dụng hết sức rộng rãi Máy tính số làm việctrên các giá trị nhị phân, tuy nhiên, trong thực tế, các đại lượng vật lý đều ở dạngtưomg tự (liên tục) Nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, tốc độ là một trong những dạilượng vật lý của thế giới thực mà ta thường gặp hàng ngày Một đại lượng vật lýđược chuyển về dòng điện hoặc điện áp qua một thiết bị được gọi là bộ biến dổi.Bộ biến đổi cũng có thể được xem là bộ cảm biến Mặc dù chỉ có các bộ cảm biếnnhiệt, tốc độ, áp suất, ánh sáng và nhiều đại lượng tự nhiên khác, nhưng chúngđều có một điểm chung là cho ra các tín hiệu dòng điện hoặc điện áp ở dạng liêntục Do vậy, cần một bộ chuyển đổi tưorng tự số để bộ vi điều khiển có thể đọc

được chúng Chip ADC được sử dụng rộng rãi hiện nay đó là ADC804.

Chip ADC804 là bộ chuyển đổi tưorng tự số thuộc họ ADC800 của hãngNational Semiconductor Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất Chip códiện áp nuôi +5V và độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyểndổi cũng là một tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC Thời gian chuyển đổiđược định nghĩa là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tưorng tựthành một số nhị phân Đối với ADC804 thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần

số đồng hồ được cấp tới chân CLK và CLK IN và không bé horn 1 lOps Cácchân của ADC804 có chức năng