Sử dụng vi điều khiển 8051 để xây dựng mạch đo và điều khiển nhiệt độ của thiết bịi

LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Đại Học Công Nghệ Thông Tin Và Truyền Thông– Đại Học Thái Nguyên cho em môi trường học tập tốt, tạo nhiều điều kiện thuận lợi để em phát huy khả Em xin chân thành cảm ơn đến quý Thầy/Cô, đặc biệt quý Thầy/Cô môn Kĩ Thuật Máy Tính thuộc Đại Học Công Nghệ Thông Tin tận tình dạy truyền đạt kiến thức quý báu để em hoàn thành đề tài đồ án tốt nghiệp này, đồng thời hành trang đáng quý để em tiếp bước đường nghiệp sau Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc cô Dương Thúy Hường người tận tình hướng dẫn động viên em suốt thời gian em thực đề tài tốt nghiệp Để hoàn thành đề tài tốt nghiệp có đóng góp không nhỏ bạn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất bạn Ngoài em xin gửi lời cảm ơn đến tất người thân xung quanh giúp đỡ vật chất tinh thần để hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp Em xin Chân thành cảm ơn! Thái nguyên, ngày 10 tháng 06 năm 2012 Sinh viên Vũ Đình Khải LỜI CAM ĐOAN Qua trình tìm hiểu tham khảo số ý kiến, em thấy đồ án em hoàn toàn không trùng lặp với đồ án có khoa Em xin cam đoan đề tài “Sử dụng vi điều khiển 8051 để xây dựng mạch đo điều khiển nhiệt độ thiết bị ” không chép nội dung từ đồ án khác, hay sản phẩm tương tự em làm Sản phẩm đồ án thân em nghiên cứu xây dựng Nếu có sai em xin chịu hình thức kỉ luật Trường Đại học công nghệ thông tin truyền thông- Đại học thái nguyên MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .6 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Hệ vi xử lý đa .10 11 Hình 2.2: Chíp vi điều khiển 11 Hình 2.3: Sơ đồ khối vi xử lý 8051 12 18 Hình 2.4: Nguồn xung clock 18 Hình 2.5: Cấu trúc nhớ 8051 21 Hình 2.6: Bộ nhớ chương trình 8051 .22 Hình 2.7: Bộ nhớ liệu RAM 8501 23 Hình 2.8: Hình ảnh sơ đồ chân 8051 24 Hình 2.9: Mạch tạo dao động dùng cổng lô-gic 27 Hình 2.10: Bảng lựa chọn ghi 28 Hình 2.11: Bảng chọn chế độ định thời 29 Hình 3.1: Sơ đồ chân LM35 35 Hình 3.2: Hình ảnh thật LM35 36 Hình 3.3: Trở kháng cảm biến nhiệt theo nhiệt độ 37 Hình 3.4: Hướng dẫn chọn loạt cảm biến nhiệt họ LM35 37 Hình 3.5: Sơ đồ khối cảm biến nhiệt độ 38 Hình 3.6: Sơ đồ chân ADC0804 .39 Hình 3.7: Sơ đồ kết nối ADC 0804 chế độ chạy tự .41 Bảng 3.8: Điện áp Vref/2 liên hệ với dải Vin 41 Hình 3.9: Phân chia thời gian đọc ghi ADC0804 43 Hình 3.10: Sơ đồ mạch biến đổi ADC 46 Hình 3.11: Sơ đồ thời gian hoạt động ADC0804 46 Hình 3.12: Sơ đồ hoạt động chân ngắt 47 Hình 3.13: Công tác điện tử C1815 .48 Hình 3.14: IRF 540 48 Hình 3.15: Led Anot chung 49 Hình: Giao diện chương trình Proteus 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO .68 LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển nghành vi điện tử, kỹ thuật số hệ thống điều khiển dần tự động hóa Với kỹ thuật tiên tiến vi xử lý, vi mạch số, vi điều khiển… tích hợp vào bên chip nên ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, hệ thống điều khiển khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm chạp xác thay hệ thống điều khiển tự động với lệnh chương trình thiết lập trước Trong xã hội nhìn chung tai nạn cháy, nổ thường xảy nhà máy, xí nghiệp, trung tâm tai nạn gây thiệt hại lớn người cải Vì để đảm tính mạng cho người cải vật chất khu vực dễ xảy cháy cần phải có thiết bị đo nhiệt độ môi trường, thiết bị có chức đo nhiệt độ môi trường, đồng thời có khả báo động điều khiển hệ thống chữa cháy nhiệt độ môi trường đạt đến ngưỡng nhiệt độ ấn định trước Với tích lũy tích lũy môn học vi điều khiển, Em nhận thấy rằng: Ứng dụng vi điều khiển 8051 vào việc đo khống chế nhiệt độ tự động phương pháp tối ưu nhất, nhằm hạn chế tới mức thấp thiệt hại người nhà máy, xí nghiệp, chung cư, chợ,… Đồng thời chấp thuận môn Kĩ Thuật Máy Tính cô giáo hướng dẫn cho phép, em tiến hành thực dụng vi điều khiển 8051 để xây dựng mạch đo điều khiển nhiệt độ thiết bị CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Cùng với phát triển khoa học công nghệ, thiết bị điện tử đã, tiếp tục ứng dụng ngày rộng rãi mang lại hiệu hầu hết lĩnh vực khoa học kỹ thuật đời sống xã hội Việc gia công, xử lý tín hiệu điện tử đại dựa sở nguyên lý số Vì thiết bị làm việc dựa sở nguyên lý số có ưu điểm hẳn so với thiết bị làm việc dưạ sở nguyên lý tương tự, đặc biệt kỹ thuật tính toán Sự phát triển mạnh mẽ công nghệ điện tử cho đời nhiều vi mạch số cỡ lớn với giá thành rẻ khả lập trình cao mang lại thay đổi lớn ngành điện tử Mạch số mức độ khác thâm nhập lĩnh vực điện tử thông dụng chuyên nghiệp cách nhanh chóng Các trường kỹ thuật nơi mạch số thâm nhập mạnh mẽ học sinh, sinh viên ưa chuộng lợi ích tính khả thi Vì hiểu biết sâu sắc kỹ thuật số thiếu sinh viên ngành điện tử Nhu cầu hiểu biết kỹ thuật số không riêng người theo chuyên ngành điện tử mà cán kỹ thuật khác có sử dụng thiết bị điện tử 1.2 Khảo sát vấn đề: Trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp đời sống nay, vấn đề an toàn cháy nổ đặt lên hàng đầu, thiết bị hoạt động liên tục nhiều có thiết bị hoạt động nhiều ngày liền mà không tắt nên bị nóng, độ bền giảm Khi nhiệt độ tăng cao gây cháy nổ ảnh hưởng đến sản xuất, gây thiệt hại lớn kinh tế Nhận thức tầm quan trọng vấn đề nên em tiến hành nghiên cứu “Sự dụng vi điều khiển 8051 để xây dựng mạch đo điều khiển nhiệt độ thiết bị ”, với mong muốn giải yêu cầu lấy làm đồ án tốt nghiệp cho 1.3 Các vấn đề cần giải toán : Bài toán thiết kế mạch hiển thị nhiệt độ điều khiển quạt tản nhiệt cho thiết bị điện tử đặt yêu cầu sau: - Cảm biến nhiệt độ thiết bị cần tản nhiệt, nhiệt độ tăng cao quạt tăng tốc độ quay để tản nhiệt cho thiết bị, nhiệt độ giảm quạt giảm tốc độ quay - Hiển thị nhiệt độ báo xác - Xây dựng mạch chạy 1.4 Giải pháp: Giải pháp đưa để đáp ứng yêu cầu toán: - Sử dụng vi điều khiển 89C51 - Sử dụng cảm biến nhiệt LM35 - Sử dụng chip ADC0804 chuyển đổi từ liệu tương tự sang liệu số - Xây dựng chương trình mô hoạt động mạch - Xây dựng mạch chạy thị nhiệt độ, tản nhiệt cho thiết bị 1.5 Mục đích đề tài Sự cần thiết, quan trọng tính khả thi lợi ích mạch số lý để em chọn thực đồ án “Sự dụng vi điều khiển 8051 để xây dựng mạch đo điều khiển nhiệt độ thiết bị” nhằm ứng dụng kiến thức học vào thực tế Sử dụng IC cảm biến nhiệt (LM35) kết hợp với vi xử lý ADC0804 đưa liệu nhị phân vào vi điều khiển 89C51 , 89C51 có nhiệm vụ điều khiển việc chuyển đổi ADC0804 hiển thị liệu lên LED (nhiệt độ thiết bị điện tử), nhiệt độ tăng cao, 89C51 thực chương trình tăng tốc độ quay cho quạt 89C51 nhận ngắt thực chương trình ngắt thiết bị Mục đích yêu cầu đề tài sau: ♦ Mạch hiển thị nhiệt độ cách xác ♦ Khi nhiệt độ tăng cao quạt tản nhiệt quay nhanh để tản nhiệt cho thiết bị ♦ Thực tắt thiết bị nhiệt độ không nằm mức cho phép 1.6 Nguyên lý đo nhiệt độ IC đo nhiệt mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện dạng dòng điện hay điện áp Dựa vào đặc tính nhạy cảm bán dẫn với nhiệt độ, tạo điện áp dòng điện tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối Vỡ để đo giá trị nhiệt độ thỡ ta cần đo tín hiệu điện áp ta biết giá trị nhiệt độ cần đo Sự tác động nhiệt độ tạo điện tích tự lỗ trống chất bán dẫn Bằng đốt núng chất bỏn dẫn IC đo nhiệt tạo phá vỡ phân tử, bứt electron thành dạng tự di chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo xuất lỗ trống Làm cho tỷ lệ điện tử tự lỗ trống tăng lên theo qui luật hàm mũ với nhiệt độ Đầu tiên LM35 cảm biến nhiệt độ, nhận tín hiệu nhiệt độ để chuyển tín hiệu nhiệt độ thành đại lượng điện áp hay dòng điện Cứ tăng giảm oC điện áp tới đầu LM35 tăng giảm 10mV Dòng điện đưa vào chân VCC IN+ ( chân số 6) ADC 0804 để ADC chuyển tín hiệu từ dạng tín hiệu tương tự sang dạng tín hiệu số Để chuyển đổi nhiệt độ hoạt động cách xác cần đưa điện áp điện mẫu Vref/2 vào chân số ADC Sau chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang tín hiệu dạng số ta đưa vào IC AT89C51 để IC bắt đầu xử lý, đo đạc, phân tích, tính toán, lưu trữ đưa hiển thị Led 1.7 Bố cục đồ án Chương 1: Tổng quan đề tài: Đặt vấn đề đồ án, khảo sát vấn đề đó,sau đưa cách giải giải pháp cho đồ án Chương : Họ vi điều khiển 8051: Sơ lược vi xử lý vi điều khiển, ưu nhược điểm vi điều khiển, cấu trúc họ vi diều khiển 8051, tổ chức nhớ, đưa đặc điểm bật họ vi diều khiển này, cách sử dụng chân 8051… Chương 3: Cảm biến nhiệt độ LM35 – Bộ biến đổi tương tự sang số ADC 0804: Nghiên cứu cấu tạo, cách thức hoạt động linh kiện, ưu nhược điểm linh kiện Phân chia thời gian trình chuyển đổi liệu Cách ghép nối LM35 với ADC0804 Các linh kiện phụ trợ trình thiết kế mạch, đưa hình ảnh linh kiện Chương 4: Khảo sát, thiết kế toán Nhiệm vụ thiết kế bào toán, tính toán chức khối, đưa sơ đồ khối sơ đồ thuật toán chương trình, chạy trình mô máy, để giúp cho việc làm mạch thật diễn thuật lợi CHƯƠNG II: HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 2.1 Sơ lược vi xử lý vi điều khiển 2.1.1 Bộ vi điều khiển vi xử lý đa Nói đến vi xử lý ta nói đến vi xử lý đa họ Intel x86 ( 8086, 80286, 80386, 80486 Pentium ) họ Motorola 680x0 ( 68000, 68020, 68030, 68040….) Các vi xử lý RAM, ROM cổng vào chip Khi sử dụng vi xử lý đa người dùng phải bổ sung thêm RAM, ROM cổng vào - bên Bus liệu CPU Bộ vi xử lý đa RAM ROM I/O Port Timer Cổng COM nối tiếp Bus địa Hình 2.1: Hệ vi xử lý đa Đối với vi điều khiển khác, vi điều khiển có chip vi xử lý đa năng, nhớ RAM, ROM, cổng vào - định thời Hay nói cách khác vi xử lý, RAM, ROM, cổng vào định thời tích hợp chíp vi điều khiển Khi dùng vi điều khiển ta bổ sung thêm nhớ ngoài, cổng vào định thời hệ thống hoạt động Bộ vi điều khiển với dung lượng RAM, ROM chíp cổng vào – trở nên thích hợp nhiều ứng dụng yêu cầu giá thành hạ không gian sử dụng hạn chế Các vi điều khiển ngày ứng dụng rộng rãi thiết bị gia đình, thiết bị văn phòng, thiết bị tự động 10 Hình: Giao diện chương trình Proteus 4.5.2 Các thành phần chương trình * Thanh trình đơn Bao gồm Menu quen thuộc File, View, Edit,… Ta thực hầu hết lệnh ISIS (Trừ lệnh công cụ) * Thanh tác vụ Chứa số lệnh trình đơn dạng Shortcut New, Save,Open… nút sau “Làm tươi” hình chỉnh sửa Bật/Tắt lưới cho vẽ Chọn gốc tọa độ Các công cụ phóng to thu nhỏ toàn mạch Undo/ Redo Cắt ,sao chép, dán Các lênh tác động lên đối tượng chọn trước Các công cụ chỉnh sửa, tạo thư viện linh kiện 54 Bật/ Tắt chế độ mô thời gian thực Bật tắt chế độ dây sơ đồ nguyên lý Tìm kiếm linh kiện Chỉnh sửa thuộc tính chung Các công cụ quản lý trang làm việc Xuất danh sách linh kiện Kiểm tra lỗi mạch điện (ERC) Liên thông ARES để vẽ mạch in * Thanh công cụ Component – Thêm linh kiện vào vẽ Junction Dot – Thêm điểm nối nơi giao đường dây Wire Lable – Gán tên cho đường dây Text Script – Thêm Text vào vẽ Bus – Vẽ đường Bus Sub Circuit – Mạch phụ Instant Edit Mode – Chỉnh sửa nhanh thuộc tính linh kiện Inter – Sheet Terminal – Nối đầu cực Divice Pin – Vẽ chân linh kiện Simulation Graph – Vẽ đồ thị mô Tapr Recorder – Băng ghi Gennerator – Các máy phát tín hiệu Voltage Probe – Đầu dò điện áp Current Probe – Đầu đò dòng điện Virtual Instruments – Các thiết bị ảo 55 Các công cụ vẽ 2D * Các nút mô * Vùng hiển thị Hiện thị khái quát vùng làm việc hành, khung màu xanh dương biểu cho vẽ, khung xanh biểu cho phần vẽ thị vùng làm việc Khi ta chọn linh kiện, kí hiệu nguyên lý hiển thị lên vùng * Vùng làm việc Đây nơi thực toàn thao tác đẻ hoàn thành vẽ 4.5.3 Sơ đồ nguyên lý 56 4.5.4 Hình ảnh mô mạch chạy 57 4.6 Phần mềm lập trình Code lập trình Với họ điều khiển 8051 dùng phần mềm lập trình KeilC có hỗ trợ với họ 8051 thích hợp cho việc lập trình Ta làm trình ngôn ngữ C Assemberly Trong mạch đo nhiệt độ cho em sử dụng ngôn ngữ C Code chương trình 4.6.1 Ngôn ngữ lập trình C * Giới thiệu ngôn ngữ lập trình C Ngôn ngữ lập trình C ngôn ngữ mệnh lệnh phát triển từ đầu thập niên 1970 Ken Thompson Dennis Ritchie để dùng hệ điều hành UNIX Từ dó, ngôn ngữ lan rộng nhiều hệ điều hành khác trở thành ngôn ngữ phổ dụng C ngôn ngữ lập trình tương đối nhỏ gọn vận hành gần với phần cứng giống với ngôn ngữ Assembler hầu hết ngôn ngữ bậc cao Hơn thế, C đánh “có khả di động”, cho thấy khác quan trọng với ngôn ngữ bậc thấp Assembler, việc mã C dịch thi hành hầu hết máy tính, hẳn ngôn ngữ Assembler chạy số máy tính đặc biệt Vì lý C xem ngôn ngữ bậc trung Các chức C: • Một ngôn ngữ cốt lõi đơn giản, với chức quan trọng chẳng hạn hàm hay việc xử lý tập tin cung cấp thư viện thủ tục • Tập trung mẫu hình lập trình thủ tục, với phương tiện lập trình theo kiểu cấu trúc • Một hệ thống kiểu đơn giản nhằm loại bỏ nhiều phép toán ý nghĩa thực dụng • Dùng ngôn ngữ tiền xử lý, tức câu lệnh tiền xử lý C, cho nhiệm vụ định nghĩa macro hàm chứa nhiều tập tin mã nguồn (bằng cách dùng câu lệnh tiền xử lý dạng #include chẳng hạn) • Mức thấp ngôn ngữ cho phép dùng tới nhớ máy tính qua việc sử dụng kiểu liệu pointer 58 • Số lượng từ khóa nhỏ gọn • Các tham số đưa vào hàm giá trị, không địa • Hàm trỏ cho phép hình thành tảng ban đầu cho tính đóng tính đa hình • Hỗ trợ ghi hay kiểu liệu kết hợp người dùng từ khóa định nghĩa struct cho phép liệu liên hệ tập hợp lại điều chỉnh toàn * Từ khóa Asm Const Else For Interrupt Return Sizeof Void Break Continue Enum Goto Long Short Switch Volatile Case Default Extern Huge Near Static Typedef While Cdeel Do Far If Pascal Struct Union Char Double Float Int Register Các từ khóa phải viết chữ thường 59 Signed Unsigned * Kiểu liệu T Kiểu liệu Kích thước Miền giá trị (Type) unsigned char (Length) byte (Range) đến 255 char byte -128 đến 127 enum byte -32,768 đến 32,767 unsigned int byte đến 65,535 short int byte -32,768 đến 32767 int byte -32768 đến 32767 unsigned long byte đến 4,294,967,295 long byte -2,147,483,648 đến 2,147,483,247 float byte 3.4*10-38 đến 3.4 *1038 double byte 1.7*10-308 đến 1.7 *10308 long double 10 byte 3.4*10-4932 đến 1.1 *104932 T 1 4.6.2 Chương trình đo điều khiển nhiệt độ thiết bị #include //#include #define Data P0 sbit L1=P2^4; sbit L2=P2^5; sbit L3=P2^6; sbit L4=P2^7; sbit rd=P3^0; sbit wr=P3^1; sbit intr=P3^2; sbit set=P3^5; sbit up=P3^6; sbit down=P3^7; sbit relay=P3^3; 60 sbit led=P3^4; sbit quat=P2^0; unsigned char maled[]={0x7e,0x42,0x5d,0x57 ,0x63,0x37,0x3f,0x52,0x7f,0x77,0xf1,0xbc,0xc3,0xa9}; unsigned char nd=20,min=10,max=90; unsigned int dem=0; //================================================ void delay_ms(unsigned int ms) { unsigned char i; while(ms ) for(i=0;i=nd+5) { quat=0; dem=0; } TH1=0xfc; TL1=0x18; TR1=1; } //================================================ unsigned char conv() 61 { unsigned char t; wr=0; wr=1; while(intr); rd=0; t=P1; rd=1; return t; } //================================================ void display_t(unsigned char x,unsigned char y) { Data=~maled[x]; L1=1; delay_ms(1); L1=0; Data=~maled[y]; L2=1; delay_ms(1); L2=0; } //================================================= void display_c(unsigned char x,unsigned char y) { Data=~maled[x]; L3=1; delay_ms(1); L3=0; Data=~maled[y]; L4=1; 62 delay_ms(1); L4=0; } //================================================ void quetphim() { delay_ms(300); while(set==0); while(set==1) { display_t(13,max/10); display_c(max%10,10); if(up==0) { delay_ms(300); max++; if(max>90) max=0; } if(down==0) { delay_ms(300); max ; if(max==255) max=90; } } delay_ms(300); while(set==0); while(set==1) { display_t(12,min/10); display_c(min%10,10); 63 if(up==0) { delay_ms(300); min++; if(min>90) min=0; } if(down==0) { delay_ms(300); ; if(min==255) min=90; } } delay_ms(300); while(set==0); } //================================================= void main() { unsigned char n,i,min; unsigned char a[10]; relay=0; led=0; quat=0; TMOD=0x10; TH1=0xfc; TL1=0x18; IE=0x88; quat=1; delay_ms(3000); TR1=1; 64 i=0; while(1) { a[i]=conv(); i++; if(i==10) { i=0; nd=a[0]; for(n=0;na[n]) nd=a[n]; } for(n=0;nmax) relay=1; else relay=0; if(nd