cảm biến nhiệt độ

đồ án lập trình

Đồ án thiết kế dùng vi mạch lập trình Bảng thông qua đồ án môn học Họ và tên: Lê Thành Chung Lớp: 48K- ĐTVT Khoa: ĐTVT Tên đồ án: Thiết kế chế tạo mạch cảm biến đo nhiệt độ TT Ngày thông Nội dung Nhận xét của giảng viên Chữ ký 1 2 3 4 5 Nhận xét chung: . . . . . Mạch cảm biến đo nhiệt độ 1 Đồ án thiết kế dùng vi mạch lập trình MỤC LỤC Chương 1 Tổng quan đề tài 1.1. Lý do chọn đề tài 1.2. Mục tiêu của đề tài 1.3. Vấn đề cần giải quyết 1.4. Khả năng mở rộng Chương 2 Cơ sở lý thuyết 2.1. Tổng quan về họ vi điều khiển 8051 2.2. Bộ chuyển đổi tương tự – số ADC0804 2.3. Cảm biến nhiệt độ LM35 Chương 3 Phân tích và thiết kế 3.1. Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 32. Phân tích thiết kế từng khối 3.2.1. Khối cảm biến 3.2.2. Khối hiển thị 3.2.3. Khối ADC 3.2.4. Khối điều khiển 3.2.5. Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến nhiệt độ 3.3. Lập trình phần mềm 3.3.1. Lưu đồ thuật toán chương trình 3.3.2. Chương trình phần mềm Chương 4 Thi công mạch 4.1. Sơ đồ mạch in 4.2. Sơ đồ mạch lắp ráp linh kiện Mạch cảm biến đo nhiệt độ 2 Đồ án thiết kế dùng vi mạch lập trình LỜI NÓI ĐẦU \ Ngày nay khoa học kỹ thuật phát triển với nhiều công nghệ hiện đại. Một phần trong sự phát triển đó là sự ra đời của các dòng vi điều khiển. Chúng được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực và thay thế dần các hệ thống cũ trước đây Vi mạch lập trình được ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật cũng như đời sống xã hội. Các ứng dụng của vi mạch lập trình như đồng hồ số, mạch đếm sản phẩm, mạch đo nhiệt độ… Mục đích chính của đồ án môn học này là thiết mạch đo nhiệt độ môi trường. Với kiến thức còn hạn chế cũng như kinh nghiệm thực tế chưa có nhiều, nhưng với sự nỗ lực của bản thân, đặc biệt được sự giúp đỡ tận tình của PGS.TS Nguyễn Hoa Lư và KS. Hồ Sỹ Phương đã giúp chúng em hoàn thành tốt đồ án môn học này. Đồ án hoàn thành không những giúp chúng em có được thêm nhiều kiến thức hơn về môn học mà còn giúp chúng em được tiếp xúc với một phương pháp làm việc mới chủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là phương pháp làm việc theo nhóm. Quá trình thực hiện đồ án là một thời gian thực sự bổ ích cho bản thân chúng em về nhiều mặt. Vì kinh nghiệm còn yếu nên không tránh được sai sót, rất mong được sự bổ sung, đánh giá của quý thầy cô và góp ý của các bạn. Sinh viên thực hiện: Lê thành chung Mạch cảm biến đo nhiệt độ 3 Đồ án thiết kế dùng vi mạch lập trình Chương 1 Tổng quan đề tài 1.1. Lí do chọn đề tài Với tên đồ án là “ đồ án thiết kế dùng vi mạch lập trình” nên chúng em muốn thực hiện thiết kế chế tạo một mạch cảm biến đo nhiệt độ môi trường. Từ mạch này dần mở rộng phát triển lắp ghép vào các hệ thống điều khiển nhiệt độ và các lò nhiệt. Hiện nay các dòng vi điều khiển được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực đời sống xã hội. Xung quanh nó có rất nhiều đề tài được quan tâm. Với đồ án môn học là thiết kế ứng dụng vi mạch lập trình bằng cách sử dụng các dòng vi điều khiển. Được sự gợi ý của giáo viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hoa Lư và KS. Hồ Sỹ Phương, đồng thời xuất phát từ sự gần gũi với thực tế nên chúng em đã chọn thiết kế chế tạo mạch đo nhiệt độ môi trường ứng dụng kĩ thuật lập trình cho VĐK. Và đây là một cơ hội tốt để ứng dụng những kiến thức được học vào thực tế. 1.1.1. Mục tiêu của đề tài - Mạch cảm biến đo nhiệt độ phải hoạt động tốt, ổn định trong mọi điều kiện môi trường. - Đảm bảo tính kinh tế. - Có khả năng mở rộng và ứng dụng phát triển trong các hệ thống và thiết bị. 1.1.2. Vấn đề cần giải quyết + Chế tạo 1 board mạch gồm các khối cảm biến, khối chuyển đổi tương tự - số (ADC), khối xử lí trung tâm dùng VĐK và khối hiển thị. + Tiến hành viết chương trình phần mềm phối hợp hoạt động của các khối dưới sự điều khiển của khối mạch chính chứa IC VĐK. 1.2. Giải quyết vấn đề Mạch cảm biến đo nhiệt độ 4 Đồ án thiết kế dùng vi mạch lập trình Hiện nay có rất nhiều dòng vi điều khiển được sử dụng phổ biến trong thiết kế các ứng dụng vi mạch lập trình. Các phương án được đưa ra để giải quyết vấn đề như sau: a. Sử dụng dòng VĐK 8051 b. Sử dụng dòng VĐK PIC c. Sử dụng dòng VĐK AVR d. Sử dụng dòng VĐK ARM Với các phương án được đưa ra chúng em chọn sử dụng dòng VĐK 8051 để giải quyết bài toán. Lý do chúng em chọn dòng VĐK 8051 để giải quyết bài toán vì nó có những ưu điểm hơn so với các dòng VĐK khác: - Nó được ứng dụng rất rộng rãi; - Giá thành linh kiện để hoàn thành mạch rẻ; - Cấu trúc và nguyên lý hoạt động dễ hiểu; - Khả năng mở rộng cao; Với việc sử dụng dòng VĐK 8051 này thì có nhiều ngôn ngữ được sử dụng để lập trình như: ngôn ngữ C, Asembly, Passcan . Và trong đồ án này chúng em sử dụng ngôn ngữ lập trình Asembly bởi vì ngôn ngữ lập trình đơn giản, dễ hiểu và từ ngôn ngữ lập trình này chúng em hiểu thêm về cấu trúc cũng như hoạt động của dòng VĐK 8051. Ngoài ra ngôn ngữ lập trình là các từ gợi nhớ nên rất thuận lợi trong quá trình hiểu và lập trình chương trình. 1.3. Khả năng mở rộng Với mạch đo nhiệt độ môi trường chúng ta có thể ứng dụng cho nhiều lĩnh vực cũng như các thiết bị. Từ mạch cảm biến này chúng ta có thể mở rộng lắp ghép vào các mạch điều khiển nhiệt độ như: điều khiển nhiệt độ phòng, điều khiển lò nhiệt… để chúng ta chủ động trong việc cung cấp nhiệt độ. Và rất nhiều trong các thiết bị khác chúng ta có thể lắp đặt mạch để thông báo nhiệt độ. Mạch cảm biến đo nhiệt độ 5 Đồ án thiết kế dùng vi mạch lập trình Chương 2 Cơ sở lý thuyết 2.1. Tổng quan về vi điều khiển AT89C51 a. Giới thiệu chung về cấu trúc phần cứng Đặc điểm và chức năng hoạt động của các IC họ MSC-51 hoàn toàn tương tự như nhau. Ở đây giới thiệu IC 8951 là một họ IC vi điều khiển do hãng Intel của Mỹ sản xuất. Chúng có các đặc điểm chung như sau:  Các đặc điểm của 8951 được tóm tắt như sau: • 4 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 lý Boolean (hoạt động trên bit đơn). • 210 vị trí nhớ có thể định vị bit. • 4µs cho hoạt động nhân hoặc chia. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu cấu trúc chung của IC AT89C51, đây là một sản phẩm của hãng INTEL. Mạch cảm biến đo nhiệt độ 6 Đồ án thiết kế dùng vi mạch lập trình Hình2.1: Sơ đồ chân của IC AT89C51 Hình 2.2 :Sơ đồ khối AT89C51  Chức năng các chân của AT89C51 AT89C51 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập. Trong đó có 24 chân có tác dụng kép (có nghĩa là 1 chân có 2 chức năng), mỗi đường có thể hoạt động như đường xuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của các bus dữ liệu và bus địa chỉ.  Các cổng xuất nhập: Mạch cảm biến đo nhiệt độ 7 Đồ án thiết kế dùng vi mạch lập trình - Port 0: Port 0 là port có 2 chức năng ở các chân 32 - 39 của 8951. Trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường I/O. Đối với các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng, nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu. - Port 1: Port 1 là port I/O trên các chân 1-8. Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1, p1.2, . p1.7 có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần. Port 1 không có chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị bên ngoài. - Port 2: Port 2 là 1 port có tác 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 bị dùng bộ nhớ mở rộng. - Port 3: Port 3 là port có tác 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 8951 như ở bảng sau: Bit Tên Chức năng chuyển đổi P3.0 RXT Ngõ vào dữ liệu nối tiếp. P3.1 TXD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp. P3.2 INT0\ Ngõ vào ngắt cứng thứ 0 P3.3 INT1\ Ngõ vào ngắt cứng thứ 1 P3.4 T0 Ngõ vào củaTIMER/COUNTER thứ 0 P3.5 T1 Ngõ vào củaTIMER/COUNTER thứ 1 P3.6 WR\ Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài P3.7 RD\ Tín hiệu đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài Hình 2.3 : Chức năng của các chân của Port 3  Các ngõ tín hiệu điều khiển: - Ngõ tín hiệu PSEN (Program Store Enable): Mạch cảm biến đo nhiệt độ 8 Đồ án thiết kế dùng vi mạch lập trình PSEN là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở rộng thường được nối đến chân OE\ (Output Enable) của EPROM cho phép đọc các byte mã lệnh. PSEN ở mức thấp trong thời gian Microcontroller 8951 lấy lệnh. Các mã lệnh của chương trình được đọc từ EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh bên trong 8951 để giải mã lệnh. Khi 8951 thi hành chương trình trong EPROM nội PSEN 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 khi kết nối chúng với IC chốt. Tín hiệu ra ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóng vai trò là địa 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 thể được dùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống. Chân ALE được dùng 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 ở mức 1, 8951 thi hành chương trình từ EPROM nội trong khoảng địa chỉ thấp 4 Kbyte. Nếu ở mức 0, 8951 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng. Chân EA được lấy làm chân cấp nguồn 12V 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 đưa lên cao ít nhất là 2 chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống. Khi cấp điện mạch tự động Reset. Mạch cảm biến đo nhiệt độ 9 Đồ án thiết kế dùng vi mạch lập trình Hình 2.4: Mạch Reset hệ thống Trạng thái của tất cả các thanh ghi của 8051 sau khi reset hệ thống được tóm tắt trong bảng sau: Thanh ghi Nội dung Thanh ghi Nội dung Đếm chương trình 0000H IP XXX00000B Tích lũy 00H IE 0XX00000B B 00H Các thanh ghi định thời 00H PSW 00H SCON 00H SP 07H SBUF 00H DPTR 0000H PCON(HMOS) 0XXXXXXXB Port 0-3 FFH PCON(CMOS) 0XXX0000B Hình 2.5: Trạng thái các thanh ghi sau khi Reset Quan trọng nhất trong các thanh ghi trên là thanh ghi đếm chương trình, nó được đặt lại 0000H. Khi RST trở lại mức thấp, việc thi hành chương trình luôn bắt đầu ở địa chỉ đầu tiên trong bộ nhớ trong chương trình: địa chỉ 0000H. Nội dung của RAM trên chip không bị thay đổi bởi lệnh reset. - Các ngõ vào bộ dao động X1,X2: Bộ dao động được được tích hợp bên trong 8951, khi sử dụng 8951 người thiết kế chỉ cần kết nối thêm thạch anh và các tụ. Tần số thạch anh thường sử dụng cho 8951 là 12Mhz. Chân 40 (Vcc) được nối lên nguồn 5V. Mạch cảm biến đo nhiệt độ 10 . dùng một trong các thanh ghi này. Do có 4 bank thanh ghi nên tại một thời điểm chỉ có một bank thanh ghi được truy xuất bởi các thanh ghi RO - R7 để chuyển. truy xuất các bank thanh ghi ta phải thay đổi các bit chọn bank trong thanh ghi trạng thái.  Các thanh ghi có chức năng đặc biệt: Các thanh ghi nội của