thiết kế một bộ đo nhiệt độ sử dụng 8051 và LM35

Vì các vi điều khiển, vi xử lý, … chỉ làm việc với tín hiệu số trong khi các tín hiệu ngoài thực như điện áp, dòng điện, … đều ở dạng tương tự, nên để có thể dùng vi điều khiển để xử lý

MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành Kỹ thuật Điện tử, đời sống xã hội ngày càng phát triển hơn dựa trên những ứng dụng của khoa học vào đời sống Vì vậy mà những công nghệ điện tử mang tính tự động ngày càng được ứng dụng rộng rãi Trong

đó có sự đóng góp không nhỏ của kỹ thuật vi điều khiển Các bộ vi điều khiển đang đựơc ứng dụng rộng rãi và thâm nhập ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội Hầu hết là các thiết bị được điều khiển tự động từ các thiết bị văn phòng cho đến các thiết bị trong gia đình đều dùng các bộ vi điều khiển nhằm đem lại sự tiện nghi cho con người trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa

Với tính ưu việt của vi xử lí thì trong bài này, chúng em chỉ dùng để tiến hành đo nhiệt độ, đây chỉ là 1 ứng dụng nhỏ của vi xử lí trong các ứng dụng của nó

Mục đích chính của đề tài là thiết kế được một bộ đo nhiệt độ sử dụng 8051 và LM35, có thể cho

ra được

kết quả hiển thị trực quan với độ chính xác cao

Mặc dù cố gắng nhưng do còn thiếu kinh nghiệm nên trong bài viết khó tránh khỏi sai sót, chúng em rất mong được sự hướng dẫn chỉ bảo thêm của thầy!

Sinh viên thực hiện :

Đỗ Thanh Huy

Cù Quang Anh

PHẦN I: LÝ THUYẾT CHUNG

I MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU

-Sự cần thiết , quan trọng và tính khả thi vào lợi ích của mạch số , nhằm dùng kiến thức số học

và kỹ thuật số vào thực tiễn

-Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của thiết bị cảm biến (cảm biến nhiệt LM35), ADC0808,

AT89s52

- Yêu cầu của bài : Đo sử dụng vi điều khiển họ 8051 đo nhiệt độ hiển thị LED 7 thanh dùng

cảm biến LM35

II Ý NGHĨA

- Thấy được tính khoa học và ứng dụng thực tế của đề tài

- 8051 là họ vi điều khiển có nhiều tính năng, khả năng xử lí nhanh

- Ứng dụng của ADC trong việc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Tín hiệu tương tự

là tín hiệu lấy dc từ bộ cảm biến

-Mạch hiển thị LED 7 đoạn nên dễ dàng cho người sử dụng theo dõi nhiệt độ hiển thị

III GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

- Đề tài “hiển thị nhiệt độ” rất đa dạng và phong phú , nhiều loại dựa trên độ phức tạp và công dụng Do trình độ có hạn nên đề tài còn nhiều thiếu sót, mong thầy bỏ qua

PHẦN II : LÝ THUYẾT VÀ CÁC LINH KIỆN

- Hiển thị bằng LED 7 đoạn

II Các linh kiện sử dụng trong đo lường

1 Giới thiệu về dòng ADC 080x và ADC 0808

ADC (Analog-to-Digital Converter) là một thiết bị chuyển đổi một tín hiệu từ dạng liên tục (thường là điện áp) sang dạng số Nó là thành phần quan trọng và không thể thiếu trong hầu hết các hệ thống số, nhất là trong ngành đo lường Vì các vi điều khiển, vi xử lý, … chỉ làm việc với tín hiệu số trong khi các tín hiệu ngoài thực ( như điện áp, dòng điện, …) đều ở dạng tương tự, nên để có thể dùng vi điều khiển để xử lý các tín hiệu này ta cần phải chuyển đổi nó sang dạng digital ADC rất phổ biến và được ứng dụng nhiều, ở đây ta có thể kể đến dòng ADC080x của National Semiconductor

Hình : ADC0808

Dòng ADC080x của National Semiconductor thuộc dòng CMOS 8-bit có nhiệm vụ chuyển đổi xấp xỉ điện áp từ tương tự sang số, sử dụng bậc thang phân áp điện, với những tính năng cơ bản sau:

- Độ phân giải 8 bit

- Dễ dàng kết nối với mọi vi điều khiển

- Có thể hoạt động với điện áp từ 2.5-5.0V

- Bộ tạo xung trên chip

- Điện áp analog vào từ 0-5V với nguồn cung cấp 5V

- Không cần “điều chỉnh không”

- Độ rộng tiêu chuẩn 0.3 inch với 20 pin

- Điện áp tham chiếu có thể tùy chỉnh

Với :

IN0 tới IN7 : 8 ngõ đầu vào tương tự

DDR A,B,C : là 3 chân giải mã chọn 1 trong 8 ngõ vào

Z1 tới Z8 : ngõ ra song song 8 bit

ALE : Cho phép chốt yêu cầu

START : xung bắt đầu chuyển đổi

CLK : xung dao dộng cho quá trình biến đổi A-D

OE : Cho phép dữ liệu đầu ra

Ref+/- : Chân tham chiếu điện áp

Bảng chọn kênh :

Cấu trúc bên trong của ADC0808 và giản đồ xung hoạt động

Dòng ADC này của NS hoạt động và tương thích tốt với hầu hết các vi điều khiển nên được ứng dụng rộng rãi

2 Giới thiệu chung về họ vi điều khiển 8051 và IC 89s52

2.1 Giới thiệu

Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang tương

tự và tương tự sang số, Ở máy tính thì các mô đun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài

Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng Nó xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị

đa phương tiện, dây chuyền tự động, v.v Điển hình nhất trong số đó có thể kể đến đó là dòng

vi điều khiển MCS-51 của Intel hay còn gọi là Intel 8051

Intel 8051 - là vi điều khiển đơn tinh thể kiến trúc Harvard, được Intel phát triển vào năm 1980,

để dùng trong các hệ thống nhúng Những phiên bản đầu tiên được phổ biến những năm 1980

và đầu những năm 1990, các dẫn xuất tương thích nhị phân nâng cao của nó vẫn còn phổ biến cho đến ngày nay

Kiến trúc cơ bản bên trong 8051 bao gồm các đặt tính sau:

- 8-bit ALU, thanh ghi 8-bit, 8-bit data bus và 2x16-bit địa chỉ bus/program

- 32 thanh ghi (4 bit-định địa chỉ 8-bit)

- 4 băng thanh ghi chuyển đổi nhanh, mỗi băng 8 thanh ghi

- 2 bus địa chỉ 16-bit

- 128 bytes RAM trên chip (IRAM)

- 4 KiB ROM trên chip

- Bốn cổng vào ra 8-bit

- 2 bộ đếm/định thời 16-bit

2.2 Sơ đồ cấu trúc chung của họ 8051

-Trong bài chúng ta sử dụng vi điều khiển AT89S52, 1 vi điều khiển thuộc họ 8051

AT89S52 cung cấp những đặc tính chuẩn như: 8 KByte bộ nhớ chỉ đọc cóthể xóa và lập trình nhanh (EPROM), 128 Byte RAM, 32 đường I/O, 3TIMER/COUNTER 16 Bit, 5 vectơ ngắt có cấu trúc 2 mức ngắt, một Port nối tiếpbán song công, 1 mạch dao động tạo xung Clock và bộ dao động ON-CHIP

Hình ảnh và sơ đồ của vi điều khiển

2.3 Sơ đồ chân của họ 8051 :

Chức năng :

- Chân 40 nối dương nguồn 5V

- Chân 20 nối đất (Mass,GND)

- Chân 29 (PSEN): là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó cho phép chọn bộ nhớ ngoài và được nối chung với chân OE (output) của EPROM ngoài để cho phép đọc các byte của chương trình ( ở đây là đọc các lệnh- khác với đọc dữ liệu)

- Chân 30 (ALE) là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó cho phép kênh Bus địa chỉ và Bus

dữ liệu của Port 0

- Chân 31 (EA) được đưa xuống thấp cho phép chọn bộ nhớ mã ngoài đối với 8051

- P0 từ chân 39-> 32 tương ứng là các chân P0_0 -> P0_7

- P1 từ chân 1->8 tương ứng với các chân P1_0 -> P1_7

- P2 từ chân 21->28 tương ứng là các chân P2_0->P2_7

- P3 từ chân 10->17 tương ứng là các chân P3_0->P3_7

- Riêng cổng 3 có 2 chức năng ở mỗi chân như trên hình vẽ :

- P3.0 – RxD : chân nhận dữ liệu nối tiếp khi giao tiếp với RS232 (COM)

- P3.1 – TxD : phân truyền dữ liệu nối tiếp khi giao tiếp RS232

- P3.2 – INT0 : interupt 0, ngắt ngoài 0

- P3.3 – INT1 : interupt 1 ngắt ngoài 1

- P3.4 – T0 : Timer 0 đầu vào timer 0

- P3.5 – T1 : Timer 1 đầu vào timer 1

- P3.6 – WR : Điều khiển ghi dữ liệu

- P3.7 – RD : Điều khiển đọc dữ liệu

- Chân 18,19 nối với thạch anh tạo thành mạch dao động cho vi điều khiển, vi xử lý

- Tần số thạch anh thường dùng trong các ứng dụng là 12Mhz và 11.092MHz (Giao tiếp với cổng COM), tần số tối đa là 24Mhz

2.4 Cổng vào ra song song (I/O Port)

8051 có 4 cổng vào ra song song có tên lần lượt là P0, P1, P2, P3 tất cả các cổng này đều là cổng ra vào 2 chiều 8 bit Các bít của mỗi cổng là một chân trên chíp như vậy mỗi cổng sẽ có 8 chân trên chíp Hướng dữ liệu dùng cổng đó làm cổng ra hay cổng vào là độc lập giữa các cổng

và giữa các chân trong cùng 1 cổng

Các chân P0 không có điện trở treo cao (pullup resistor) bên trong, mạch lái tạo mức cao chi

có khi sử dụng cổng này với tính năng là bus dồn kênh địa chỉ/ dữ liệu Như vậy với chức năng

ra thông thường, P0 là cổng ra open drain, với chức năng vào, P0 là cổng cao trở Nếu muốn sử dụng cổng P0 làm cổng vào /ra thông dụng thì ta phải thêm trở tử 4K7 đến 10K Các cổng P1, P2, P3 đều có điện trở pullup bên trong, do đó có thể dùng với chức năng cổng vào/ra thông thường mà không cần thêm điện trở bên ngoài

• Cổng truyền thông nối tiếp ( Serial Port) :

Cổng nối tiếp trong 8051 chủ yếu được dùng trong các ứng dụng có yêu cầu truyền thông với máy tính, hoặc với 1 vi điều khiển khác Liên quan đến cổng nối tiếp chủ yếu có 2 thanh ghi : SCON và SBUF Ngoài ra, một thanh ghi khác là thanh ghi PCON (không đánh địa chỉ bít) có bít

7 tên là SMOD quy định tốc độ truyền của cổng nối tiếp có gấp đôi lên (SMOD=1) hay không (SMOD=0)

Cổng có đặc điểm :

- Truyền song công : có nghĩa là tại một thời điểm có thể vừa truyền vừa nhận dữ liệu

- Phương thức truyền không đồng bộ: là dữ liệu được truyền đi theo từng kí tự

- Bộ đệm truyền nhận dữ liệu đều có tên là SBUF

- SCON là thanh ghi bit được dùng để lập trình việc đóng khung dữ liệu, xác định chế độ làm việc của cổng truyền thông nối tiếp

3 LED 7 thanh

3.1 Giới thiệu chung

LED 7 thanh được dùng nhiều trong các mạch hiện thị thông báo, hiện thị số, kí tự đơn giản LED 7 được cấu tạo từ các LED đơn sắp xếp theo các thanh nét để có thể biểu diễn các chữ số hoặc các kí tự đơn giản như từ số 0 đến 9 và A đến F chả hạn LED 7 thanh dùng để hiện

số thì rất đẹp và dễ nhìn Tùy vào kích thước của số và kí tự mà mỗi thanh được cấu tạo bởi một hay nhiều LED đơn Các LED đơn đó được ghép và được đặt tên bằng các chữ cái a g và có một dấu chấm dot ( dấu chấm này có thể sáng và tắt tùy theo yêu cầu) được cấu tạo bởi 1 LED đơn Qua đó người ta chỉ cần 8 bit tương ứng với 8 LED đơn để điều khiển được và hiện thị số từ

0 đến 9 và các kí tự từ A đến F

Ở trên là hình dạng LED7 ngoài thực tế và trong mạch nguyên lý và cấu tạo

Cấu tạo của LED chúng ta nhìn trên rất đơn giản chúng chỉ gồm các LED đơn được xếp lại với nhau thành hình như trên hình vẽ Các LED đơn này chỉ chung nhau Anot hoặc Katot và riêng nhau các chân con lại Anot hặc Katot Nhiệm vụ của chúng ta là cho sáng các LED đơn

đó để cho nó thành số hay kí tự đơn giản

Hiện nay LED 7 được sản xuất theo 2 kiểu là Anot chung và Katot chung và được điều khiển làm việc tương tự như bơm dòng hay nuốt dòng của các LED đơn có trong LED7 (Thường hay thiết kế theo kiểu bơm dòng cho LED) Thông thường trong các mạch thiết kế thực tế người thiết kế thường hay sử dụng loại Anot chung Phương pháp ghép nối là cấp dòng, đảo trạng thái thông qua đệm và quét LED

3.2 Ghép nối led 7 thanh

Để ghép nối với LED7 có thể có nhiều cách, nhưng phải đảm bảo sao có thể điều khiển tắt mở riêng từng LED đơn trong đó để tạo ra các số và các ký tự mong muốn.Các ICs điều khiển đều khó khả năng sinh dòng kém tức là dòng đầu ra của các chân ICs nhỏ hơn khả năng nuốt dòng Do vậy, nếu ghép nối trực tiếp các net với các chân cổng IC thì loại Anode chung là thích hợp hơn cả Cần phải chú ý dòng dồn về ICs quá mức chịu được thì cũng không được vì làm nóng và dei ICs điều khiển

* 2 cách ghép nối thường dùng:

+ Cách 1 : Dùng trực tiếp các chân điều khiển (vi xử lý)

Đối với cách này thì nhìn thì rất tốn chân của vi xử lý Và dòng của LED sẽ dồn tất cả về vi

xử lý Nếu một hệ thống lớn thì cách này không ổn vì ảnh hưởng đến vi xử lý và nhiều dòng dồn về vi xử lý sẽ làm vi xử lý nóng và dẫn tới chết ( chúng ta tưởng tượng xem nếu mà hệ thống nhiều phần điều khiển từ các chân vi xử lý mà tất cả các tải điều khiển dồn trực tiếp dòng về vi xử lý thì lúc đó dòng trong 1 thời điểm khá lớn vượt quá ngưỡng cho phép của vi xử lý

Dòng mà vi xử lý chịu đựng được cũng khá nhỏ đâu dưới 100mA ) Các này chỉ dùng được hệ thống điều khiển ít, mạch dùng vi xử lý khá đơn giản như hiện thị LED, đếm số từ 0 đến 9 chẳng hạn

+ Cách 2 : Dùng IC giải mã BCD sang LED 7 thanh

Sử dụng IC giải mã 7447 để giả mã từ mã BCD sang mã LED7 Đối với cách này thì trông rất ổn Vừa tiếp kiệm được chân vi xử lý và tránh được dòng dồn về vi xử lý (dòng ở đây được dồn về 7447) Đây là cách mà người thiết kế thường dùng trong các hệ thống cần đến hiện thị

Thông thường các thiết kế, LED 7 thanh được dùng để hiện thị các giá trị các giá trị số từ

0 đến 9 và đôi khi cần phải hiện thị các kí tự đơn giản như A đến F trong hệ thống để báo trạng thái của hệ thống Các giá trị hiện thị bao gồm nhiều chữ số tức là chúng ta phải dùng đến nhiều LED7 ghép lại thì mới hiện thị được nhiều số Ví dụ như muốn hiện thị số 123 chả hạn thì chúng ta phải dùng đến 3 LED 7 thanh ghép lại

Như vậy để ghép nhiều LED 7 thanh thay vì chung ta phải dùng 8 chân riêng rẽ cho mỗi LED Ví dụ để hiện thị được 3 chữ số lên LED 7 (123 chả hạn) khi đó ta sẽ mất 3x8 = 24 chân

dữ liệu điều khiển để hiện thị được 3 chữ số Như vậy sẽ rất tốn chân vi xử lý, do vậy người ta dùng chung các đường dữ liệu cho các LED 7 thanh và thiết kế thêm các tín hiệu điều khiển cấp nguồn riêng rẽ cho từng LED 7 một hay là cấp nguồn cho các chân Anot chung hay Katot chung Nhìn trên sơ đồ trên ta thấy được kiểu ghép nối giữa các LED Các đường dữ liệu vào của 3 LED được chung với nhau và các chân điều khiển nguồn cho các LED được riêng rẽ và được điều khiển bằng transitor ( khuếch đại dòng) Như vậy đối với mạch trên chúng ta tiếp kiệm được nhiều chân vi xử lý Đối với mạch trên và cách ghép nối như trên thì mất tối đa chỉ có 11 chân vi

xử lý

8 chân dữ liệu của LED 7 được chung nhau và chung được ghép nối qua 2 cách : Thứ nhất dùng vào trực tiếp các chân vi xử lý và thứ 2 là qua các IC đệm hay IC giải mã Nhưng trong thiết kế không mấy khi người ta cho trực tiếp các chân dữ liệu đó vào trực tiếp vi xử lý mà người ta phải cho qua các IC đệm hay giải mã đối với hệ thống lớn Chỉ những mạch đơn giản người ta mới cho vào trực tiếp vi xử lý.Thông thường người ta dùng thêm các IC đệm hay giải

mã như ULN2803, 74LS47

Đối với phương pháp ghép LED như thế này thì làm sao điều khiển được hiện thị số 123 chả hạn Nếu chúng ta mới nhìn thì sẽ thấy các LED 7 sẽ hiện thị giống nhau vì chúng chung nhau đường dữ liệu Nhưng không phải là vậy Nếu chung ta cho từng thời điểm từng LED sáng

1 thì chúng ta sẽ thấy khác đó Số 123 sẽ được hiện thị lên 3 LED đó Đó là thuật toán quét LED dựa vào hiện tượng lưu ảnh trong mắt khi chúng ta quét với tần số lớn

Như vậy đối với phương pháp này chúng ta tiếp kiệm được một số lượng lớn chân vi xử

lý và đồng thời tiếp kiệm được năng lượng tiêu thụ do phương pháp quét LED trong thời gian ngắn Khi đó tối đa trong 1 thời điểm có 1 LED sáng toàn bộ thôi Cần phải tính toán giá trị dòng vào cho LED sao cho LED sáng đẹp bằng cách thêm bớt điện trở

4 Cảm biến nhiệt LM35

4.1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt độ LM35

LM35 là cảm biến nhiệt độ bán dẫn thông dụng của hãng National Semiconductor

Đặc tính của LM35 :

• Chuẩn hóa theo thang đo nhiệt đọ Cesius

• Đầu ra tuyến tính 10mV/1độC

• Dải nhiệt độ đo được từ -55 tới 150 độ tùy theo kiểu đóng vỏ

• Dòng tiêu thụ rất nhỏ cỡ 60uA, nên nhiệt tự tỏa rất nhỏ hầu như không ảnh hưởng đến kết quả đo

Sai số nhỏ , chỉ khoảng 0.5độ C

PHẦN III: NỘI DUNG THIẾT KẾ

1 Sơ đồ nguyên lý