Đề tài thiết kế mạch đo điện áp dùng 8051 hiển thị trên led 7 thanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÁO CÁO ĐỒ ÁN І Đề tài: THIẾT KẾ MẠCH ĐO ĐIỆN ÁP DÙNG 8051 HIỂN THỊ TRÊN LED THANH Nhóm thực hiện: Nhóm 03 BÙI QUANG THIỆN - 20112279 HOÀNG TUẤN ANH - 20111110 Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN THỊ HUẾ Hà Nội, 6-2014 thienquang07@gmai.com MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vi điều khiển 8051: 1.2 Giới thiệu dòng ADC 080x: CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 2.1 Yêu cầu thiết kế: 2.2 Sơ đồ khối thiết kế: 2.3 Khối lựa chọn linh kiện: 2.3.1 Khối chuyển đổi tín hiệu: 2.3.2 Khối xử lý tín hiệu: 2.3.3 Khối hiển thị: 2.3.4 Khối nguồn: CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI THỰC HIỆN 10 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch: 10 3.2 Lập trình cho vi điều khiển: 10 3.3 Giả lập Proteus: 13 3.4 Thiết kế mạch in Altium Designer: 13 3.5 Thiết kế in mạch thật: 14 CHƯƠNG 4: KIỂM TRA VÀ HIỆU CHỈNH 16 4.1 Chạy thử mạch: 16 4.2 Test mạch: 16 4.3 Hiệu chỉnh sai số: 17 CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ, MỞ RỘNG 20 5.1 Đánh giá sản phẩm: 20 5.1.1 Ưu điểm: 20 5.1.2 Nhược điểm: 20 5.2 Mở rộng đề tài: 20 THAM KHẢO 21 thienquang07@gmai.com MỞ ĐẦU Ngày với tiến khoa học kỹ thuật, đặc biệt ngành Kỹ thuật Điện tử, đời sống xã hội ngày phát triển dựa ứng dụng khoa học vào đời sống Vì mà cơng nghệ điện tử mang tính tự động ngày ứng dụng rộng rãi Trong có đóng góp khơng nhỏ kỹ thuật vi điều khiển Các vi điều khiển đựơc ứng dụng rộng rãi thâm nhập ngày nhiều lĩnh vực kỹ thuật đời sống xã hội Hầu hết thiết bị điều khiển tự động từ thiết bị văn phòng thiết bị gia đình dùng vi điều khiển nhằm đem lại tiện ghi cho người thời đại cơng nghiệp hóa đại hóa Điện áp đại lượng quan trọng kĩ thuật Điện - điện tử, muốn điều khiển thiết bị hay linh kiện điện tử ta phải quan tâm đến điện áp để điều khiển Thị trường sản xuất loại đồng hồ cơ, đo điện áp khơng thực xác, việc chế tạo loại thiết bị đo có độ xác cao cần thiết Do nhóm chúng em chọn đề tài :”Thiết kế mạch đo dải điện áp từ 0-24V sử dụng vi xử lí 8051 ADC hiển thị LED thanh” Mục đích đề tài thiết kế đo điện áp sử dụng 8051, cho kết hiển thị trực quan với độ xác cao Mặc dù cố gắng thiếu kinh nghiệm nên viết khó tránh khỏi sai sót, chúng em mong hướng dẫn bảo thêm cô! Em xin cảm ơn giúp đỡ cô Nguyễn Thị Huế giúp chúng em hồn thành đồ án này! Nhóm sinh viên “Nhóm 03” thienquang07@gmai.com CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung vi điều khiển 8051: Vi điều khiển máy tính tích hợp chíp, thường sử dụng để điều khiển thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, hệ thống bao gồm vi xử lý có hiệu suất đủ dùng giá thành thấp (khác với vi xử lý đa dùng máy tính) kết hợp với khối ngoại vi nhớ, mô đun vào/ra, mô đun biến đổi số sang tương tự tương tự sang số, Ở máy tính mơ đun thường xây dựng chíp mạch ngồi Vi điều khiển thường dùng để xây dựng hệ thống nhúng Nó xuất nhiều 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 số kể đến dòng vi điều khiển MCS-51 Intel hay gọi Intel 8051 Hình 1: Vi điều khiển Intel P8051AH Intel 8051 - vi điều khiển đơn tinh thể kiến trúc Harvard, Intel phát triển vào năm 1980, để dùng hệ thống nhúng Những phiên phổ biến năm 1980 đầu năm 1990, dẫn xuất tương thích nhị phân nâng cao phổ biến ngày Kiến trúc bên 8051 bao gồm đặt tính sau: 8-bit ALU, ghi 8-bit, 8-bit data bus 2x16-bit địa bus/program 32 ghi (4 bit-định địa 8-bit) băng ghi chuyển đổi nhanh, băng ghi bus địa 16-bit 128 bytes RAM chip (IRAM) KiB ROM chip Bốn cổng vào 8-bit đếm/định thời 16-bit thienquang07@gmai.com Dù mắt lâu với khả ứng dụng phong phú giá thành ngày rẻ mà họ vi điều khiển 8051 sử dụng phổ biến tận ngày 1.2 Giới thiệu dòng ADC 080x: ADC (Analog-to-Digital Converter) thiết bị chuyển đổi tín hiệu từ dạng liên tục (thường điện áp) sang dạng số Nó thành phần quan trọng thiếu hầu hết hệ thống số, ngành đo lường Vì vi điều khiển, vi xử lý, … làm việc với tín hiệu số tín hiệu ngồi thực ( điện áp, dòng điện, …) dạng tương tự, nên để dùng vi điều khiển để xử lý tín hiệu ta cần phải chuyển đổi sang dạng digital ADC phổ biến ứng dụng nhiều, ta kể đến dòng ADC080x National Semiconductor Hình 2: ADC0804 N.S Dòng ADC080x 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 tính sau: - Độ phân giải bit Dễ dàng kết nối với vi điều khiển Có thể hoạt động với điện áp từ 2.5-5.0V Bộ tạo xung 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 tùy chỉnh Dòng ADC NS hoạt động tương thích tốt với hầu hết vi điều khiển nên ứng dụng rộng rãi thienquang07@gmai.com CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 2.1 Yêu cầu thiết kế: Yêu cầu: Thiết kế mạch đo điện áp từ 0-24V sử dụng vi điều khiển 8051 hiển thị LED với digits Với yêu cầu này, ta dùng ADC để biến đổi điện áp từ dạng analog sang dạng số, sau dùng vi điều khiển 8051 xử lí tín hiệu số để hiển thị LED 2.2 Sơ đồ khối thiết kế: Về gồm khối: Xử lý tín hiệu Chuyển đổi tín hiệu Hiển thị Nguồn 2.3 Khối lựa chọn linh kiện: 2.3.1 Khối chuyển đổi tín hiệu: Ở ta chọn ADC 0804 để chuyển đổi điện áp đầu vào sang dạng số: Hình 3: ADC 0804 thienquang07@gmai.com Tuy nhiên đầu vào ADC từ 0-5V (điện áp tham chiếu 5V) nên ta cần mạch phân áp để giảm thang điện áp từ 0-25.5V thành 0-5V: Hình 4: Mạch phân áp Sơ lược ADC0804: ADC0804 có 20 pin đánh số từ 1-20, với số pin điển hình sau: - - - - Chân chọn chip CS: Là đầu vào tích cực mức thấp sử dụng để kích hoạt chíp ADC 0804 Để truy cập ADC 0804 chân phải mức thấp Chân đọc RD: Đây tín hiệu đầu vào tích cực mức thấp Các ADC chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân tương đương với giữ liệu chuyển đổi ghi Để nhận liệu chuyển đổi đầu ADC0804, CS = 0, xung cao-xuống-thấp áp đến chân RD liệu đưa từ ghi cổng ra, đầu số bít hiển diện chân liệu D0 -D7 Chân coi cho phép đầu Chân ghi WR (thực tên xác “Bắt đầu chuyển đổi”): Đây chân đầu vào tích cực mức thấp dùng để báo cho ADC 0804 bắt đầu trình chuyển đổi Nếu CS = 0, tạo xung cao-xuống-thấp ADC 0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin số nhị phân bít Lượng thời gian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN CLK R Khi việc chuyển đổi liệu hồn tất chân INTR ép xuống thấp Chân CLK IN CLK R: Chân CLK IN chân đầu vào nối tới nguồn đồng hồ đồng hồ sử dụng để tạo thời gian Tuy nhiên 0804 có tạo xung Để sử dụng tạo xung đồng hồ 0804 chân CLK IN CLK R nối tới tụ điện điện trở Chân ngắt INTR (ngắt hay gọi xác “kết thúc chuyển đổi’): Đây chân đầu tích cực mức thấp Bình thường trạng thái cao việc chuyển đổi hoàn tất xuống thấp để báo cho CPU (ngồi) biết liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy Sau xuống thấp, ta đặt CS = gửi xung cao-xuống- thấp tới chân RD để lấy liệu 0804 thienquang07@gmai.com - - - Chân Vin(+) Vin(-): Đây đầu vào tương tự vi sai mà Vin = Vin(+) - Vin(-) Thông thường Vin(-) nối xuống đất Vin(+) dùng đầu vào tương tự chuyển đổi dạng số Chân Vcc: Đây chân nguồn nuôi +5v, dùng điện áp tham chiếu đầu vào Vref/2 (chân 9) để hở Chân Vref/2: Chân điện áp đầu vào dùng cho điện áp tham chiếu Nếu chân hở điện áp tham chiếu mặc định Vcc 5V, đầu vào tương tự cho ADC 0804 nằm dải đến +5v Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin cần phải khác dải đến 5v Chân Vref/2 dùng để thực thi điện áp đầu vào khác dải - 5v Ví dụ, dải đầu vào tương tự cần phải đến 4v V ref/2 nối với +2v, dải từ - 2.56v Vref/2 nối với +1.28v Các chân liệu: Các chân liệu D0 - D7 (D7 bít cao MSB D0 bít thấp LSB) chân đầu liệu số Đây chân đệm ba trạng thái liệu chuyển đổi truy cập chân CS = chân bị đưa xuống thấp Để tính điện áp đầu ta sử dụng cơng thức sau: Với Dout đầu liệu số (dạng thập phân), Vin điện áp đầu vào tương tự, ta có: = × 256 Như điện áp vào sau phân áp giảm thang, ta đưa vào ADC thu tín hiệu dạng số từ chân D0-D7, tín hiệu từ chân đưa đến vi điều khiển để xử lý 2.3.2 Khối xử lý tín hiệu: Tín hiệu tương tự sau chuyển tương đương sang dạng số, ta dùng 0851 xử lý để hiển thị điện áp cần đo digits LED Vi điều khiển ta chọn chip AT89C51 Atmel, với cách đóng dạng PDIP: Hình 5: Vi điều khiển AT89C51 thienquang07@gmai.com Sơ lược AT89C51: Vi điều khiển có 40 chân đánh số từ đến 40, cụ thể là: - - Chân 40 nguồn cung cấp 5V, chân 20 đất Xtal1 (chân số 18), Xtal2 (chân số 19): nối tinh thể thạch anh cho máy phát xung nhịp chu trình RST (chân số 9): nối chuyển mạch để xóa trạng thái ban đầu hay khởi động lại Các chân: T0 (14), T1 (15) định thời 1; chân RXD (10) TXD (11) để nhận/phát liệu; chân INT0 (12), INT1 (13) ngắt 1; chân WR (16) chân ghi, RD (17) chân đọc; PSEN (29) chân cho phép cất chương trình; ALE (30) chân chốt địa chỉ; EA (31) để truy cập nhớ ngồi Ta có cổng vào P0, P1, P2, P3, cổng chân Với cổng vào, ta chọn cổng P1 làm cổng nhận liệu từ ADC, cổng lại dùng để hiển thị LED 2.3.3 Khối hiển thị: Để hiển thị giá trị điện áp đo ta dùng LED hiển thị digits, với chữ số sau dấu phẩy Như giá trị hiển thị từ 00.0V đến 24.0V Hình 6: LED LED có loại: Anot chung Catot chung, ta nối trực tiếp LED với port vi điều khiển nên ta chọn loại Anot chung Sơ đồ chân LED Anot chung: Hình 7: Sơ đồ chân LED Anot chung thienquang07@gmai.com Nếu đánh số chân từ đến 10 từ trái qua phải, từ xuống ta có chân chân nguồn chung Vcc, chân lại tương ứng nối với LED từ ‘a’ đến ‘g’ dấu chấm (dp) Để LED sáng, điện áp Vcc mass phải lớn 1.3V, nhiên không cao 3V Như nối với vi điều khiển, ta cần phải có trở hạn dòng để tránh khơng làm LED bị cháy Với điện áp vào 2V, dòng định mức tiêu chuẩn qua LED 20mA điện áp cung cấp 5V, ta cần nối thêm trở phụ có điện trở là: ụ = 5−2 20 × 10 = 150 Ω Tuy nhiên để tránh dòng lớn qua chân vi điều khiển, ta chọn trở phụ lớn hơn, ta dùng trở 330 Ohm 2.3.4 Khối nguồn: Nguồn mạch cần 5V với dòng tối đa ~500mA Để có đầu vào ổn định ta dùng IC ổn áp Ở ta thấy dùng IC LM7805 phù hợp yêu cầu Mạch nguồn dùng IC LM7805: Hình 8: Sơ đồ mạch nguồn Với dòng - 1.5A, LM7805 hồn toàn đáp ứng tốt nhu cầu mạch Ta lắp thêm tụ lọc để đảm bảo nguồn sản phằng thienquang07@gmai.com CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI THỰC HIỆN 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch: Hình 9: Sơ đồ nguyên lý mạch 3.2 Lập trình cho vi điều khiển: Lưu đồ thuật tốn: 10 thienquang07@gmai.com Giải thích lưu đồ: - Tín hiệu số từ ADC đưa vào P1 chuyển vào ghi A Gán ghi B = 10, thực phép chia A cho B, thương số lưu vào ghi A số dư lưu vào ghi B Chuyển liệu ghi B vào ghi R1 Gán ghi B = 10, tiếp tục chia A cho B ta thương số lưu ghi A, số dư lưu ghi B Lúc giá trị ghi A chữ số hàng trăm, xuất giá trị cổng P2 Gán A B, chữ số hàng chục lưu A, xuất giá trị cổng P3 Gán A R1, chữ số hàng đơn vị lưu A, xuất giá trị cổng P0 Code lập trình Assembly cho vi điều khiển: “org 0000h x: setb p2.7 call delay clr p2.7 call delay setb p2.7 mov a,p1 mov b,#10 div ab mov r1,b mov b,#10 div ab mov dptr,#maled movc a,@a+dptr mov p2,a mov a,b mov dptr,#maled movc a,@a+dptr mov p3,a mov a,r1 11 thienquang07@gmai.com mov dptr,#maled movc a,@a+dptr mov p0,a jmp x maled: db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8h,80h,90h delay: mov r0,#10 w3:mov r1,#100 w2:mov r2,#100 w1:djnz r2,$ djnz r1,w2 djnz r0,w3 ret end” Với điện áp vào dạng số từ 00000000->11111111 (nhị phân) tương đương 0->255 (thập phân) P3, ứng với dải điện áp đầu vào 0-25.5V, ta đưa giá trị hiển thị LED cách hiển thị chữ số thập phân LED Ở yêu cầu đặt đo từ 0-24V ta lại chọn dải 0-25.5V bởi: - - Giá trị nhỏ hiển thị 0.1V, giá trị điện áp có chữ số sau dấu phẩy trở lên làm tròn chữ số sau dấu phẩy, với 255 giá trị (khơng tính giá trị 0), thang hiển thị tối ưu 0.1x255=25.5V, với thang nhỏ (ví dụ 0-12.7) ta có nấc giá trị nhỏ (0.05V), khơng thể hiển thị nên điều khơng ý nghĩa, với thang nhỏ 25.5V mà lấy chữ số sau dấu phẩy nên qui đo thang 0-25.5V Việc chọn thang 0-25.5 đơn giản để vi điều khiển xử lý hiển thị tương ứng 1-1 với tín hiệu số vi điều khiển nhận 0-255 (thập phân), ta việc tách chữ số giá trị vào để hiển thị mà làm thêm thao tác khác Còn chọn thang 0-24V, vi điều khiển phải biến giá trị 0-255 đầu vào thành 0-24 để hiển thị, việc yêu cầu thêm nhiều thao tác nhân chia mà vi điều khiển cần xử lý, điều làm vi điều khiển phải hoạt động nhiều chậm chạp Tóm lại việc chọn thang 0-25.5V không làm ảnh hưởng đến kết nhận giúp hệ thống tối ưu 12 thienquang07@gmai.com 3.3 Giả lập Proteus: Hình 10: Giả lập Proteus Với đoạn code xây dựng, mạch giả lập chạy Như ta sử dụng đoạn code 3.4 Thiết kế mạch in Altium Designer: Mạch in: Hình 11: Mạch in thiết kế Altium Designer 13 thienquang07@gmai.com Mạch preview dạng 3D: Hình 12: Mạch in Preview 3D Altium Designer 3.5 Thiết kế in mạch thật: Sản phẩm sau in mạch hàn linh kiện: Hình 14: Mạch thật thu 14 thienquang07@gmai.com Mặt sau: Hình 15: Mặt hàn dây 15 thienquang07@gmai.com CHƯƠNG 4: KIỂM TRA VÀ HIỆU CHỈNH 4.1 Chạy thử mạch: Chạy thử mạch: Hình 16: Chạy thử mạch Với nguồn vào nguồn sạc pin điện thoại, ta tiến hành đo thử điện áp viên pin AA Kết cho xác! Như mạch hoạt động tốt lỗi 4.2 Test mạch: Tiến hành đo vài kết so sánh với vôn kế chuẩn ta thu bảng: Đo mạch 1.5V 4.5V 10.8V 19.8V Đo Vôn kế chuẩn 1.4V 4.2V 10.2V 19.0V Bảng 1: So sánh kết đo với vôn kết chuẩn Sau đo đạc kiểm tra sai số, ta thấy mạch có sai số khoảng +4% 16 thienquang07@gmai.com 4.3 Hiệu chỉnh sai số: Với sai số +4%, ta cần điều chỉnh giá trị hiển thị giảm xuống 4% so với ban đầu Việc hiệu chỉnh thực phần cứng, phần mềm: - - Điều chỉnh phần cứng: Ta chỉnh lại giá trị trở mạch phân áp Do điện trở thường với sai số 5% nên việc kết bị sai số khơng tránh khỏi Ta thay đổi, mắc thêm, … điện trở để chỉnh lại điện áp vào ADC cho thích hợp Điều chỉnh phầm mềm: Thay tác động tới linh kiện mạch, ta chỉnh lại code, điều chỉnh dải điện áp cho phù hợp Với sai số +4%, ta chỉnh lại giá trị thu từ ADC giảm xuống cho 1/1,04 giá trị ban đầu Với phương án đề xuất, ta lựa chọn phương án điều chỉnh phần mềm Code vi điều khiển sau hiệu chỉnh: “org 0000h x: setb p2.7 call delay clr p2.7 call delay setb p2.7 mov a,p1 mov b,#100 mul ab mov r4,a mov r3,b mov r5,#104 test: mov b,#08h mov a,r5 clr c divide: mov a,r4 rlc a mov r4,a mov a,r3 rlc a mov r3,a jc subtract 17 thienquang07@gmai.com mov a,r5 subb a,r3 jnc next clr c subtract: mov a,r3 subb a,r5 mov r3,a setb c next: djnz b,divide mov a,r4 rlc a mov b,#10 div ab mov r1,b mov b,#10 div ab mov dptr,#maled movc a,@a+dptr mov p2,a mov a,b mov dptr,#maled movc a,@a+dptr mov p3,a mov a,r1 mov dptr,#maled movc a,@a+dptr mov p0,a jmp x maled: db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8h,80h,90h delay: mov r0,#10 w3: mov r1,#100 18 thienquang07@gmai.com w2: mov r2,#100 w1: djnz r2,$ djnz r1,w2 djnz r0,w3 ret end” Sau nạp lại code sửa test mạch, ta thu bảng sau: Đo mạch sau hiệu chỉnh 1.4V 4.3V 10.0V 19.1V Đo Vôn kế chuẩn 1.4V 4.2V 10.0V 19.2V Bảng 2: So sánh kết đo với vôn kế chuẩn sau hiệu chỉnh Như sai số mạch giảm đáng kể chấp nhận Đến ta coi hoàn thành thiết kế mạch đo 0-24V sử dụng vi điều khiển 8051 hiển thị LED 19 thienquang07@gmai.com CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ, MỞ RỘNG 5.1 Đánh giá sản phẩm: Như ta hoàn thành thiết bị đo điện áp 0-24V hiển thị LED Đánh giá nhanh kết thu được: 5.1.1 Ưu điểm: - Sản phẩm hoạt động tốt, ổn định Trở kháng đầu vào >1M Ohm, đủ lớn để làm Vơn kế Hiển thị số trực quan, dễ nhìn Việc sử dụng vi điều khiển khả trình giúp ta dễ dàng hiệu chỉnh, mở rộng chức sản phẩm 5.1.2 Nhược điểm: - 5.2 Còn xuất sai số, nhiên hiệu chỉnh Thang đo hạn chế Mở rộng đề tài:  Đề tài phát triển thành thiết bị đo điện áp xoay chiều, đo dòng điện, điện trở,…  Dựa ngun lí mạch chuyển đổi thành mạch đo nhiệt độ, mạch đo lưu lượng nước, sức gió, 20 thienquang07@gmai.com THAM KHẢO Một số nguồn tham khảo:      21 Sách “Cấu trúc lập trình họ vi điều khiển 8051” – Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốc Thắng, NXB Khoa học kỹ thuật http://en.wikipedia.org/wiki/8051 http://en.wikipedia.org/wiki/Analog-to-digital_converter http://en.wikipedia.org/wiki/Led Và số nguồn tài liệu khác Internet  ... cổng lại dùng để hiển thị LED 2.3.3 Khối hiển thị: Để hiển thị giá trị điện áp đo ta dùng LED hiển thị digits, với chữ số sau dấu phẩy Như giá trị hiển thị từ 00.0V đến 24.0V Hình 6: LED LED có... chọn đề tài : Thiết kế mạch đo dải điện áp từ 0-24V sử dụng vi xử lí 8051 ADC hiển thị LED thanh Mục đích đề tài thiết kế đo điện áp sử dụng 8051, cho kết hiển thị trực quan với độ xác cao Mặc... hết vi điều khiển nên ứng dụng rộng rãi thienquang 07@ gmai.com CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 2.1 Yêu cầu thiết kế: Yêu cầu: Thiết kế mạch đo điện áp từ 0-24V sử dụng vi điều khiển 8051 hiển thị LED với digits