Thiết kế mạch đo nhiệt độ sử dụng vi điều khiển

Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH CỬ NHÂN VẬT LÝ Đề tài: THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN Người hướng dẫn: TS Lê Hồng Sơn Người thực hiện: Phạm Thị Diễm Đà Nẵng, tháng 5/2013 SVTH: Phạm Thị Diễm -09CVL Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn LỜI CẢM ƠN Lời em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô khoa Vật lý, trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng nhiệt tình giảng dạy truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho em suốt bốn năm học đại học làm tảng tạo điều kiện cho em thực đề tài Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS Lê Hồng Sơn Nguyễn Thị Bảo Trâm tận tình hướng dẫn cung cấp tài liệu suốt trình thực đề tài khóa luận Mặc dù cố gắng nỗ lực hết mình, song khóa luận có thể cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận thơng cảm bảo tận tình quý Thầy Cô bạn Phạm Thị Diễm SVTH: Phạm Thị Diễm -09CVL Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH ẢNH - Hình 1.1.1: Sơ đồ vi điều khiển AT89C51 - Hình 1.1.2: Sơ đồ chân AT89C51 - Hình 1.2.1: Sơ đồ chân IC 74LS47 - Hình 1.2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị số LED đoạn - Hình 1.2.3: Giá trị hiển thị LED đoạn - Hình 1.3.1: Cảm biến nhiệt LM35 - Hình 1.4.1: Hình dạng thực tế ADC0804 - Hình 1.4.2: Sơ đồ chân ADC0804 - Hình 1.5.1: Led đoạn - Hình 1.5.2: Sơ đồ cấu tạo LED đoạn - Hình 1.6.1: IC ổn áp 7805 - Hình 2.1.1: Sơ đồ khối - Hình 2.3.1: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển - Hình 2.3.2: Khối cảm biến LM35 - Hình 2.3.3: Sơ đồ nguyên lý khối giải mã hiển thị - Hình 2.3.4: Sơ đồ nguyên lý khối chuyển đổi ADC0804 - Hình 2.3.5: Sơ đồ khối nguồn - Hình 2.4.1: Sơ đồ nguyên lý - Hình 2.5.1: Mạch layout - Hình 3.1.1: Lưu đồ thuật tốn chương trình - Hình 3.1.2: Lưu đồ thuật tốn chương trình Delay - Hình 3.1.3: Lưu đồ thuật tốn chương trình chủn đổi - Hình 3.1.4: Lưu đồ thuật tốn chương trình hiển thị - Bảng 1.1.1: Chức số chân đặc biệt Port - Bảng 1.2.1: Bảng giá trị LOGIC giải mã 7447 với đầu vào từ 0-15 đầu tương ứng hiển thị số 0-9 kí tự đặc biệt – dùng cho mạch số không dùng vi xử lý - Bảng 1.5.1: Bảng mã hiển thị LED đoạn dành cho LED đoạn có anode chung (các LED đơn sáng mức 0): SVTH: Phạm Thị Diễm -09CVL Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn - Bảng 1.5.2: Bảng mã hiển thị LED đoạn dành cho LED đoạn co cathode chung (các LED đơn sáng mức 1): SVTH: Phạm Thị Diễm -09CVL Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn PHẦN I: LỜI MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Ngày kỹ thuật vi điều khiển sử dụng rộng rãi dây chuyền sản xuất lớn thiết bị gia dụng quen thuộc Với khả lập trình điều khiển linh hoạt, chip vi điều khiển tạo nên bước phát triển nhảy vọt lĩnh vực điều khiển tự động Trong nghiên cứu khoa học, sản xuất đời sống sinh hoạt ngày, luôn cần xác định nhiệt độ môi trường hay vật Vì vậy, việc đo nhiệt độ trở thành việc làm cần thiết Nhận thức tầm quan trọng vấn đề này, em tiến hành nghiên cứu thực đề tài “Thiết kế mạch đo nhiệt độ sử dụng vi điều khiển” cho khóa luận Đề tài khơng giúp em có thể hiểu rõ cấu trúc bên trong, nguyên lý hoạt động cách lập trình cho vi xử lý Đây hội để em nắm vững kiến thức hơn, đồng thời ứng dụng nội dung lý thuyết học để tạo sản phẩm có ích cho sống xã hội Mục đích đề tài: Nhiệt độ đại lượng vật lý quan tâm nhiều nhiệt độ có vai trị định số tính chất vật chất Một đặc điểm tác động nhiệt độ làm thay đổi cách liên tục đại lượng chịu ảnh hưởng nó, chẳng hạn áp suất, thể tích chất khí Vì nghiên cứu khoa học, công nghiệp đời sống ngày, việc đo nhiệt độ điều cần thiết Đề tài khóa luận bước đầu nghiên cứu ứng dụng đơn giản vi điều khiển thực tế để từ thiết kế, phát triển ứng dụng lớn hữu ích sống ngày SVTH: Phạm Thị Diễm -09CVL Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn PHẦN II: CẤU TRÚC LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham thảo luận văn gồm có: CHƯƠNG I: Tìm hiểu AT89C51 linh kiện CHƯƠNG II: Thiết kế mạch đo nhiệt độ ứng dụng vi điều khiển CHƯƠNG III: Chương trình PHẦN III: ĐỚI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Các đối tượng phạm vi nghiên cứu: 1.1 Đối tượng: - Các tài liệu linh kiện IC liên quan - Các tài liệu liên quan đến thiết kế mạch lắp ráp mạch 1.2 Phạm vi: Phạm vi nghiên cứu đề tài lý thuyết linh kiện sử dụng mạch, nguyên lý hoạt động “Mạch đo nhiệt độ” xây dựng mơ hình mạch thực tế Nhiệm vụ nghiên cứu: Để đạt mục đích đề đề tài cần thực nhiệm vụ sau: - Nghiên cứu sở lý thuyết vi điều khiển linh kiện liên quan để phục vụ cho q trình thiết kế mạch - Xây dựng mơ hình “Mạch đo nhiệt độ” có tính thực tế cao với mục đích đề - Thiết kế mạch đo nhiệt độ dải từ 0oC đến 99oC hiển thị số - Viết chương trình (phần mềm) thiết lập phần cứng cho mạch đo nhiệt độ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu việc ứng dụng mạch đo nhiệt độ thực tế - Nghiên cứu linh kiện, dụng cụ lắp ráp mạch, sơ đồ nguyên lý nguyên lý hoạt động mạch - Nghiên cứu phương pháp đo nhiệt độ SVTH: Phạm Thị Diễm -09CVL Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn NỘI DUNG CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ AT89C51 VÀ CÁC LINH KIỆN 1.1 Vi điều khiển AT89C51: 1.1.1 Ưu nhược điểm việc chọn vi điều khiển làm xử lý trung tâm:  Ưu điểm: - Vi điều khiển có khả điều khiển linh hoạt theo mong muốn người sử dụng dựa vào phần mềm viết - Có thể thay đổi thêm chức cách thay đổi phần mềm - Hệ thống đơn giản, kích thước nhỏ - Giá thành phù hợp với khả tài  Nhược điểm: - Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào chất lượng chương trình nạp cho vi điều khiển 1.1.2 Sơ đồ vi điều khiển AT89C51: Hình 1.1.1: Sơ đồ vi điều khiển AT89C51 SVTH: Phạm Thị Diễm -09CVL Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn 1.1.3 Chức khối:  Khối xử lý trung tâm CPU: Phần vi xử lý khối xử lý trung tâm khối có chứa thành phần chính: - Thanh chứa ACC (ký hiệu A) - Thanh ghi chứa phụ (ký hiệu B) thường dùng cho phép nhân phép chia - Khối logic số học (ALU-Arithmetic Logical Unit) - Từ trạng thái chương trình (PSW-Program Status Word) - Bốn băng ghi (Blank) - Con trỏ ngăn xếp SP trỏ liệu để định địa cho nhớ liệu bên - Ngoài ra, khối xử lý trung tâm cịn chứa: - Thanh ghi đếm chương trình (PC- Program Counter) - Bộ giải mã lệnh - Bộ điều khiển thời gian logic - Sau reset, CPU bắt đầu làm việc địa 0000h, địa đầu ghi ghi chứa chương trình (PC) sau đó, ghi tăng lên đơn vị đến lệnh chương trình  Bộ tạo dao động: Khối xử lý trung tâm nhận trực tiếp xung nhịp từ tạo dao động lắp thêm vào, linh kiện phụ trợ có thể khung dao động làm tụ gốm thạch anh Ngồi ra, cịn có thể đưa tín hiệu giữ nhịp từ bên ngồi vào  Khối điều khiển ngắt: Chương trình chạy có thể cho dừng lại nhờ khối logic ngắt bên Các nguồn ngắt có thể biến cố bên ngoài, tràn đếm, định thời hay có thể giao diện nối tiếp Tất ngắt có thể thiết lập chế độ làm việc thông qua hai ghi IE (Iterrupt Enable) IP (Iterrupt Priority)  Khối điều khiển quản lý Bus: SVTH: Phạm Thị Diễm -09CVL Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn Các khối vi điều khiển liên lạc với thông qua hệ thống bus nội điều khiển khối điều khiển quản lý bus  Các đếm/ định thời: Vi điều khiển 8051 có chứa hai đếm tiền 16 bit có thể hoạt động định thời hay đếm kiện bên phát tốc độ Baud dùng cho giao diện nối tiếp Trạng thái tràn đếm có thể kiểm tra trực tiếp xóa ngắt  Các cổng vào/ ra: Vi điều khiển 8051 có cổng vào/ (P0, P1, P2, P3), cổng chứa bit, độc lập với Các cổng có thể sử dụng cho mục đích điều khiển đa dạng Ngồi chức chung, số cổng cịn đảm nhận thêm số chức đặc biệt khác  Giao diện nối tiếp: Giao diện nối tiếp có chứa truyền nhận không đồng làm việc độc lập với Bằng cách đấu nối đệm thích hợp ta có thể hình thành cổng nối tiếp RS-232 đơn giản Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt vùng rộng phụ thuộc vào định thời tần số dao động riêng thạch anh  Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ chương trình thường nhớ ROM (Read Only Memory), nhớ chương trình sử dụng để cất giữ chương trình điều khiển hoạt động vi điều khiển  Bộ nhớ số liệu: Bộ nhớ số liệu thường nhớ RAM (Ramdom Acces Memory), nhớ số liệu dùng để cất giữ thơng tin tạm thời q trình vi điều khiển làm việc 1.1.4 Sơ đồ chức các chân IC AT89C51: 1.1.4.1 Sơ đồ chân AT89C51: IC AT89C51 có tất 40 chân có chức đường xuất nhập Trong đó, có 24 chân có tác dụng kép (có nghĩa chân có hai chức năng), đường có thể hoạt động đường xuất nhập đường điều khiển thành phần SVTH: Phạm Thị Diễm -09CVL Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn bus liệu bus địa Mặt khác, khối lập trình để điều khiển khối mạch Hình 1.1.2: Sơ đồ chân AT89C51 1.1.4.2 Chức chân: - Port (P0.0 – P0.7 hay chân 32 – 39): chức xuất nhập (I/O) Port cịn bus đa hợp liệu địa (AD0 – AD7), chức sử dụng AT89C51 giao tiếp với thiết bị ngồi có kiến trúc bus - Port (P1.0 – P1.7 hay chân – 8): có chức xuất nhập theo bit byte, khơng dùng cho mục đích khác - Port (P2.0 – P2.7 hay chân 21 – 28): port có chức Đó chức xuất nhập chức địa Đối với chức địa chỉ: dùng làm bit địa cao cần nhớ ngồi có địa 16 bit Khi đó, port khơng dùng cho mục đích I/O SVTH: Phạm Thị Diễm -09CVL 10 Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIÊT ĐỘ DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN 2.1 Sơ đồ khối: Cảm biến LM35 ADC0804 AT89C51 NGUỒN THAM CHIẾU Giải mã BCD 74LS47 HIỂN THỊ LED Hình 2.1.1: Sơ đồ khối 2.2 Nguyên lý hoạt động chung mạch: Khối cảm biến nhiệt độ LM35 có nhiệm vụ chủn đổi tín hiệu tương tự thay đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện áp đầu Tín hiệu điện đưa vào khối chuyển đổi tương tự - số ADC0804 Khối chuyển đổi tương tự - số có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự đầu vào sang tín hiệu số bit đưa đến đầu từ chân 11 đến 18 ADC Sau đó, tín hiệu bit đưa vào port vi điều khiển Vi điều khiển AT89C51 đưa tín hiệu bit đến khối giải mã BCD dùng IC 74LS47 để giải mã cuối đưa tín hiệu đến khối hiển thị kết qua LED đoạn Khối hiển thị gồm LED đoạn tương ứng với hàng chục hàng đơn vị 2.3 Chức khối: 2.3.1 Khối xử lý trung tâm AT89C51: - P0.0 đến P0.3 P2.0 đến P2.3 nối với IC 74LS47 để giải mã LED đoạn hiển thị nhiệt độ - Port nối với ADC0804 để nhận tín hiệu từ ngõ khối chuyển đồi tương tự sang số ADC0804 - Các chân từ P3.2, P3.6, P3.7 nối với chân INTR,WR, RD ADC0804 dùng để điều khiển SVTH: Phạm Thị Diễm -09CVL 27 Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn Hình 2.3.1: Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển 2.3.2 Khối cảm biến nhiệt LM35: Hình 2.3.2: Khối cảm biến LM35 Cảm biến nhiệt độ LM35 hoạt động cách cho giá trị hiệu điện định chân Vout (chân giữa) ứng với mức nhiệt độ Bằng cách đưa vào chân cảm biến LM35 hiệu điện 5V, chân nối đất, đo hiệu điện chân lại pin, ta có nhiệt độ (0-100ºC) SVTH: Phạm Thị Diễm -09CVL 28 Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn 2.3.3 Khối giải mã hiển thị led đoạn: Hình 2.3.3: Sơ đồ nguyên lý khối giải mã hiển thị - chân LED đoạn nối vào chân IC giải mã, chân D0, D1, D2, D3 IC 74LS47 nối vào port P0.0, P0.1, P0.2, P0.3 Tương tự cho IC 74LS47 lại nối vào port P2.0, P2.1, P2.2, P2.3 - LED đoạn nối với nguồn 5V - Chọn VLED (đỏ) = 2V, Vy= 0,7V, VCE= 0,2V (vì ta sử dụng transitor chế độ bão hòa), VCC =4,75V - Điện trở hạn dòng vào vi điều khiển SVTH: Phạm Thị Diễm -09CVL 29 Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn (𝑉𝑐𝑐−𝑉𝑦) IB = 𝑅 Chọn R= 150Ω => IB=27mA - Điện trở hạn dịng cho LED: Chọn IC =10mA Ta có: Vcc=VCE + 2V+ 0.01A*R 4,75V=0,2V+2V+0,01A*R  R= 255Ω Chọn R= 150Ω( để LED sáng IC=17mA, dòng mà LED chịu lên tới 20mA) Nguyên lý hoạt động: - chương trình hiển thị nhiệt độ led đoạn 2.3.4 Khối ADC0804: Hình 2.3.4: Sơ đồ nguyên lý khối chuyển đổi ADC0804 Nguyên lý hoạt động: - Khi có xung từ P1.3 đến RD ADC bắt đầu chuyển đổi: - Lúc này, bit có trọng số lớn (most significant bit) đặt lên mức 1, tất bit lại mức 0, đồng thời, Vin so sánh với giá trị Vref/2 SVTH: Phạm Thị Diễm -09CVL 30 Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐH Sư Phạm-ĐH Đà Nẵng GVHD: T.S Lê Hồng Sơn + Nếu Vin>Vref/2 MSB mức + Nếu Vina // void delay(int ms) { int i; for(i=0;i