Tài liệu Đồ án thiết kế - thi công mạch điện điều khiển nhiệt độ doc

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ KHOA : ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ-THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Sinh viên thực hiện : Nguyễn Quang Hiếu. Lớp : 97ĐT04 MSSV 97ĐT890 2 LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật vi sử lý hiện nay rất phát triển , nó được ứng dụng vào rất nhiều lónh vực như sản xuất công nghiệp ,tự động hoá và còn nhiều lónh vực khác nữa . So với kỹ thuậtsố thì kỹ thuật vi sử lý nhỏ gọn hơn rất nhiều do nó được tích hợp lại và được lập trình để điều khiển . Với tính ưu việt của vi xử lý thì trong phạm vi đồ án nhỏ này em chỉ tiến hành việc dùng vi xử lý để đo và điều khiển nhiệt độ , đây chỉ là một ứng dụng nhỏ của vi xử lý trong các ứng dụng của nó . Những kiến thức học được cộng thêm hiểu biết từ các tài liệu tham khảo , tuy có thể hoàn thành cuốn đồ án này nhưng không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót mong thầy giáo khi xem cuốn đồ án này có thể thông cảm. Để hoàn thành cuốn đồ án này em đã nhận được sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn và sự giúp đỡ nhiệt tình của bạn bè . Cuối cùng em xin cảm ơn thầy hướng dẫn Phạm Hùng Kim Khánh ,thầy giáo môn vi xử lý và các thầy cô giáo đã dạy cho em những kiến thức cơ bản để em có thể hoàn thành cuốn đồ án này. Sinh viên thực hiện Nguyễn Quang Hiếu. 3 PHẦN A : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ VI ĐIỀU KHIỂN I.GIỚI THIỆU : Bộ vi điều khiển viết tắt là Micro-controller, là mạch tích hợp trên một chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống. Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó. Trong các thiếh bò điện và điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển, điều khiển hoạt động của TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thọai, lò vi-ba … Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong Robot, dây chuyền tự động. Các hệ thống càng “thông minh” thì vai trò của hệ vi điều khiển càng quan trọng. II.KHẢO SÁT BỘ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 VÀ 8031: IC vi điều khiển 8051/8031 thuộc họ MCS51 có các đặt điểm sau : - 4kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất chỉ có ở 8051) - 128 búyt RAM - 4port I/0 8bit - Hai bộ đònh thời 16bit - Giao tiếp nối tiếp - 64KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng - 64 KB không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng - một bộ xử lí luận lí (thao tác trên các bit đơn) - 210 bit được đòa chỉ hóa - bộ nhân / chia 4µs 4 1.CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA 8051 / 8031 : Hình 2.1 : Sơ Đồ Khối 8051 / 8031 TXD * RXD * T 1 * T 2 * P 0 P 1 P 2 P 3 INT\ * 1 INT\ * 0 TIMER2 TIMER1 PORT nối tiềp EA\ RST PSEN ALE Các ùthanh ghi khác 128 byte Ram Rom 4K-8051 OK-8031 Timer1 Timer2 Điều khiển ngắt Điều khiển bus CPU Port nối tiếp Các port I\O Tạo dao 5 Phần chính của vi điều khiển 8051 / 8031 là bộ xử lí trung tâm (CPU: central processing unit ) bao gồm : - Thanh ghi tích lũy A - Thanh ghi tích lũy phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia - Đơn vò logic học (ALU : Arithmetic Logical Unit ) - Từ trạng thái chương trình (PSW : Prorgam Status Word) - Bốn băng thanh ghi - Con trỏ ngăn xếp - Ngoài ra còn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều khiển thời gian và logic. Đơn vò xử lí trung tâm nhận trực tiếp xung từ bộ giao động, ngoài ra còn có khả năng đưa một tín hiệu giữ nhòp từ bên ngoài. Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối điều khiển ngắt ở bên trong. Các nguồn ngắt có thể là : các biến cố ở bên ngoài , sự tràn bộ đếm đònh thời hoặc cũng có thể là giao diện nối tiếp. Hai bộ đònh thời 16 bit hoạt động như một bộ đếm. Các cổng (port0, port1, port2, port3 ). Sử dụng vào mục đích điều khiển. cổng 3 có thêm các đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi với một bộ nhớ bên ngoài, hoặc để đầu nối giao diện nối tiếp, cũng như các đường ngắt dẫn bên ngoài. Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ nhận không đồng bộ, làm việc độc lập với nhau. Tốc độ truyền qu ổng nối tiếp có thể đặt trong vảy rộng và được ấn đònh bằng một bộ đònh thời. Trong vi điều khiển 8051 / 8031 có hai thành phần quan trọng khác đó là bộ nhớ và các thanh ghi : Bộ nhớ gồm có bộ nhớ Ram và bộ nhớ Rom (chỉ có ở 8031) dùng để lưu trữ dữ liệu và mã lệnh. Các thanh ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lí. Khi CPU làm việc nó làm thay đổi nội dung củ ác thanh ghi. 6 2.CHỨC NĂNG CÁC CHÂN VI ĐIỀU KHIỂN : Hình 2.2 : Sơ Đồ Chân 8051 18 19 12MHz 40 29 30 31 9 17 16 15 14 13 12 11 10 RD\ WR\ T1 T0 INT1 INT0 TXD RXD A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 28 27 26 25 24 23 22 21 8 7 6 5 4 3 2 1 32 33 34 35 36 37 38 39 Po.7 Po.6 Po.5 Po.4 Po.3 Po.2 Po.1 Po.0 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 PSEN\ ALE EA\ RET Vcc 20 Vss 30p 30p XTAL1 XTAL2 7 a.port0 : là port có 2 chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 trong các thiết kế cỡ nhỏ ( không dùng bộ nhớ mở rộng ) có hai chức năng như các đường I/O. Đối với các thiết kế cỡ lớn ( với bộ nhớ mở rộng ) nó được kết hợp kênh giữ a các bus) b.port1 : port1 là một port I/O trên các chân 1-8. Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2 … có thể dùng cho các thiết bò ngoài nếu cần. Port1 không có chức năng khác, vì vậy chúng ta chỉ được dùng trong giao tiếp với các thiết bò ngoài. c.port2 : port2 là một port công dụng kép trên các chân 21 – 28 được dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus đòa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng. d.Port3 : port3 là một port công 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 tín đặc biệt của 8051 / 8031 như ở bảng sau : Bit Tên Chức năng chuyển đổi P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp P3.1 TXD Dữ liệu phát cho port nối tiếp P3.2 INTO Ngắt 0 bên ngoài P3.3 INT1 Ngắt 1 bên ngoài P3.4 TO Ngõ vào của timer/counter 0 P3.5 T1 Ngõ vào của timer/counter 1 P3.6 WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài P3.7 RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài Bảng 2.1 : Chức năng của các chân trên port3 e.PSEN (Program Store Enable ) : 8051 / 8031 có 4 tín hiệu điều khiển 8 PSEN là tín hiệu ra trên chân 29. Nó là tín hiệu điều khiển để cho phép bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc các bytes mã lệnh. PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhò phân của chương trình được đọc từ EPROM qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 để giải mã lệnh. Khi thi hành chương trình trong ROM nội (8051) PSEN sẽ ở mức thụ động (mức cao). f.ALE (Address Latch Enable ) : tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương hợp với các thiết bò làm việc với các xử lí 8585, 8088, 8086, 8051 dùng ALE một cách tương tự cho làm việc giải các kênh các bus đòa chỉ và dữ liệu khi port 0 được dùng trong chế độ chuyển đổi của nó : vừa là bus dữ liệu vừa là búyt thấp của đòa chỉ, ALE là tín hiệu để chốt đòa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nữa đầu của chu kỳ bộ nhớ. Sau đó, các đường port 0 dùng để xuất hoặc nhập dữ liệu trong nữa sau chu kỳ của bộ nhớ. Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng là nguồn xung nhòp cho các hệ thống. Nếu xung trên 8051 là 12MHz thì ALE có tần số 2MHz. Chỉ ngoại trừ khi thi hành lệnh MOVX, một xung ALE sẽ bò mất. Chân này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong 8051. g.EA (External Access) : Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được mắc lên mức cao (+5V) hoặc mức thấp (GND). Nếu ở mức cao, 8051 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng đòa chỉ thấp (4K). Nếu ở mức thấp, chương trình chỉ được thi hành từ bộ nhớ mở rộng. Khi dùng 8031, EA luôn được nối mức thấp vì không có bộ nhớ chương trình trên chip. Nếu EA được nối mức thấp bộ nhớ bên trong chương trình 8051 sẽ bò cấm và chương trình thi hành từ EPROM mở rộng. Người ta còn dùng chân EA làm chân cấp điện áp 21V khi lập trình cho EPROM trong 8051. h.SRT (Reset) : Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 8051. Khi tín hiệu này được đưa lên múc cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy ), các thanh ghi trong 8051 được tải những giá trò thích hợp để khởi động hệ thống. i.Các ngõ vào bộ dao động trên chip : Như đã thấy trong các hình trên , 8051 có một bộ dao động trên chip. Nó thường được nối với thạch anh giữa hai chân 18 và 19. Các tụ giữa cũng cần thiết như đã vẽ. Tần số thạch anh thông thường là 12MHz. 9 j.Các chân nguồn : 8051 vận hành với nguồn đơn +5V. V cc được nối vào chân 40 và V ss (GND) được nối vào chân 20. 3_ Các thanh ghi đặc biệt : a. Các thanh ghi port xuất nhập: Các port của 8051/8031 bao gồm Port 0 ở đòa chỉ 80H, Port 1 ở đòa chỉ 90 H, Port 2 ở đòa chỉ A0H và Port 3 ở đòa chỉ B0H. Tất cả các Port đều được đòa chỉ hóa từng bit. Điều đó cung cấp một khả năng giao tiếp thuận lợi. b. Các thanh ghi timer: 8051/8031 chứa 2 bộ đònh thời đếm 16 bit được dùng trong việc đònh thời hoặc đếm sự kiện. Timer 0 ở đòa chỉ 8AH (TL0:byte thấp) và 8CH (TH0:byte cao).Timer 1 ở đòa chỉ 8BH (TL1:byte thấp) và 8DH (TH1: byte cao). việc vận hành timer được set bởi thanh ghi Timer Mode (TMOD) ở đòa chỉ 89H và thanh ghi điều khiển timer (TCON) ở đòa chỉ 88H. Chỉ có TCON được đòa chỉ hóa từng bit. c. Các thanh ghi port nối tiếp: 8051/8031 chức một port nối tiếp trên chip dành cho việc trao đổi thông tin với các thiết bò nối tiếp như máy tính, modem hoặc cho việc giao tiếp với các IC khác có giao tiếp nối tiếp (có bộ chuyển đổi A/D, các thanh ghi dòch ). Một thanh ghi gọi là bộ đệm dữ liệu nối tiếp (SBUF) ở đòa chỉ 99H ssẽ giữ cả hai giữ liệu truyền và nhận. Khi truyền dữ liệu thì ghi lên SBUf, khi nhận dữ liệu thì đọc SBUF. Các mode vận hành khác nhau được lập trình qua thanh ghi điều khiển port nối tiếp (SCON) (được đòa chỉ hóa từng bit) ở đòa chỉ 98H. d. Các thanh ghi ngắt: 8051/8031 có cấu trúc 5 nguồn ngắt, 2 mức ưu tiên. Các ngắt bò cấm sau khi reset hệ thống và sẽ được cho phép bằng việc ghi thanh ghi cho phép ngắt (IE) ở đòa chỉ 8AH. Cả hai thanh ghi được đòa chỉ hóa từng bit. e. Các thanh ghi điều khiển công suất: Thanh ghi điều khiển công suất (PCON) ở đòa chỉ 87H chứa nhiều bit điều khiển. 10 4/. Lệnh reset. 8051/8031 được reset bằng cách giữ chân RST ở mức cao ít nhất trong 2 chu kỳ máy và trả nó về múc thấp. RST có thể được kích khi cấp điện dùng một mạch R-C. Hình 2.9: Mạch reset hệ thống. Trạng thái của tất cả các thanh ghi của 8051/8031 sau khi reset hệ thống được tóm tắt trong bảng sau: Thanh ghi Nội dung Đếm chương trình Tích lũy B PSW SP DPTR Port 0-3 IP IE Các thanh ghi đònh thời SCON 0000H 00H 00H 00H 07H 0000H FFH XXX00000B 0XX00000B 00H 00H +5V +5V 100 8,2K 10UF [...]... như: + Cặp nhiệt điện + Nhiệt kế điện kế kim loại + Nhiệt điện trở kim loại 28 + Nhiệt điện trở bán dẫn + Cảm biến thạch anh Việc sử dụng các IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ là một phương pháp thông dụng được nhóm sử dụng trong tập luận văn nầy,nên ở đây chỉ giới thi u về IC cảm biến nhiệt Nguyên lý hoạt động chung của IC đo nhiệt độ IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển... 2.73V Thi t kế bộ cảm biến nhiệt : Tầm làm việc trong hệ thống mạch từ 0 1000C Để đo nhiệt độ chính xác phải có các đầu đo đặc biệt Đầu đo dưới dạng vi mạch LM335 là một đầu đo đươn giản và chính xác với giá thành lại rẻ LM335 có độ biến thi n điện áp theo nhiệt độ là 10mV/0K ,có một dãy độ chính xác khá cao và cảm biến nhiệt tốt ở nhiệt độ 250C có độ sai số nhỏ hơn 10C.với tầm đo từ nhiệt độ 0 1000C,... mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện dưới dạng dòng điện hay điện áp.Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện, tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.Đo tín hiệu điện ta biết được giá trò của nhiệt độ cần đo.Sự tác động của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lổ trống trong chất bán dẫn Bằng sự phá vỡ các phân tư û, bứt các electron... các kênh Dữ liệu nhập vào vi xử lý sẽ có tín hiệu chọn đúng kênh cần xử lý đê đưa vào bộ chuyển đổi ADC và đọc đúng giá trò đặc trưng của nó qua tính toán để có kết quả của đại lượng cần đo II Các Phươg Pháp Đo Nhiệt Độ Đo nhiệt độ là một phương thức đo lường không điện, đo nhiệt độ được chia thành nhiều dãi: + Đo nhiệt độ thấp + Đo nhiệt độ trung bình + Đo nhiệt độ cao Việc đo nhiệt độ được tiến hành... của 8051/8031 được chia thành 5 nhóm: - Số học - Luận lý - Chuyển dữ liệu - Chuyển điều khiển Các chi tiết thi t lập lệnh: Rn :Thanh ghi R0 đến R7 của bank thanh ghi được chọn Data : 8 bit đòa chỉ vùng dữ liệu bên trong Nó có thể là vùng RAM dữ liệu trong ( 0-1 27) hoặc các thanh ghi chức năng đặc biệt @Ri : 8 bit vùng RAM dữ liệu trong ( 0-1 25) được đánh giá đòa chỉ gián tiếp qua thanh ghi R0 hoặc R1 #data... trừ khả năng cần thi t điều chỉnh điểm 0 bên ngoài và khả năng điều chỉnh tỉ số làm tròn ADC 0809 dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý 1/ Sơ đồ chân ADC 0809: IN2 IN1 IN0 A B C ALE 2-1 2-2 2-3 28 2-4 2-8 REF 2-6 15 ADC0809 1 IN3 IN4 IN5 IN6 14 IN7 START EOC 2-5 OE CLK VCC REF GND 2-7 * Ý nghóa các chân: IN0 đến IN7 : 8 ngõ vào tương tự A, B, C : giải mã chọn một trong 8 ngõ vào -1 -8 Z đến Z : ngõ... động theo chương trình đã nạp trên ROM , qua sự điều khiển cuả MCU 8051 phần cảm biến nhiệt đặt ở nơi ta muốn đo ,nó sẽ đọ tín hiệu của nhiệt độ qua mức điện áp tín hiệu analog được chuyển thành tín hiệu số và giao tiếp với hệ thống qua data bus Trên cơ sở chương chình được nạp trên ROM và tín hiệu nhận được , MCU cho phép thi t bò ngoại vi hoạt động như : hiển thò giá trò nhiệt độ tương ứng điều khiển. .. tỉ lệ điện tử tự do và lổ trống tăng lên theo qui luật hàm mũ với nhiệt độ Đặc tính của một số IC đo nhiệt độ thông dụng +ẠD590 Ngõ ra là dòng điện Độ nhạy 1A/0K Độ chính xác +40C Nguồn cung cấp Vcc = 4 – 30V Phạm vi sử dụng –55oc đến 150oc + LX5700 Ngõ ra là điện áp Độ nhạy –10mv/0K Phạm vi sử dụng –550C – 1500C + LM135,LM335 Ngõ ra là điện áp Độ nhạy 10mv/0C Sai số cực đại 1,50C khi nhiệt độ lớn... • Các tính chất của cảm biến LM335 : Chia độ trực tếp theo 0K Độ chính xác ban đầu là 10C Trở kháng động < 1Ω Tầm nhiệt độ rộng Khoảng đo 2000C Tầm tuyệt đối lớn nhất : Dòng ngược 15mA Dòng thuận 10mA Điện áp hoạt động ngõ ra ở điều kiện Tc=250C,IR =1nAtương ứng 2.92 3.04V Sai số nhiệt ở 250C ở điều kiện Tmin . ĐẠI HỌC DÂN LẬP KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ KHOA : ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI : THI T KẾ -THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Sinh viên thực hiện :. Trong các thi h bò điện và điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển, điều khiển hoạt động của TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thọai, lò vi-ba … Trong