Đề tài Thiết kế đo và khống chế nhiệt độ tự động bằng máy tính

lời nói đầu Việc ứng dụng máy tính vào kĩ thuật đo lường và điều khiển đã đem lại cho con người những kết quả hết sức ưu việt . Trong nhiều lĩnh vực sản suất công nghiệp hiện nay , nhất là trong các ngành công nghiệp luyện kim , chế biến thực phẩm . . . vấn đề đo và khống chế nhiệt độ đặc biệt được chú trọng đến vì nó là một yếu tố chất lượng hết sức quan trọng . Các thiết bị hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối với máy tính có độ chính xác cao , thời gian thu thập số liệu ngắn , nhưng điều đáng quan tâm hơn là mức độ tự động hoá trong việc thu thập vi xử lý kết quả đo . Nắm được tầm quan trọng của việc khống chế nhiệt độ trên do vậy em đã xin nhận đề tài tiến hành nghiên cứu đo và khống chế nhiệt tự động bằng máy tính có sử dụng vi điều khiển 8051 với mục đích nhằm góp phần giải quyết được những yêu cầu trên và lấy đó làm đề tài tốt nghiệp cho chính mình . Chính vì vậy sau khi nhận được đề tài “ Thiết kế đo và khống chế nhiệt độ tự động bằng máy tính ” em đã vận dụng tất cả các kiến thức và năng lực đã tính luỹ trong suốt gần năm năm học ở nhà trường và nghiên cứu thêm về phần xử lý 8051 để hoàn thành được bản đồ án này với mong muốn sau khi ra trường sẽ có một kiến thức sâu hơn và góp phần vào sự phát triển của nước nhà . Những kết quả và kiến thức em tích luỹ được hẳn chưa nhiều nên trong quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp còn có nhiều sai sót và rất thiếu kinh nghiệm do đó rất mong được sự góp ý và bổ sung của các thầy các cô và các bạn đọc đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Quốc Trung đã tận tình giúp đỡ em để hoàn thành tốt đề tài này . Mặc dù đã có nhiều cố gắng song chắc không tránh khỏi những thiếu sót , do đó rất mong được sự góp ý bổ xung và phê bình của quý thầy cô và các bạn . Một lần nữa em xin chân thành cám ơn tới những người đã giúp em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này . Hà nội ngày.....tháng..... năm..... Sinh viên thực hiện Phần một tìm hiểu về 8051 Chương I Bộ vi điều khiển 8051 I/ Tổng quan về bộ vi điều khiển 8051 1)Định nghĩa : Bộ vi điều khiển 8051 hay còn gọi là bộ vi xử lý được cấu tạo là một vi mạch số mật độ cực lớn làm việc theo chương trình tức theo nguyên tắc nhận lệnh từ bên ngoài và thực hiện lệnh đó. Bộ vi xử lý là một hệ thống thao tác trên các bit 0 và 1, nhưng bản thân hệ thống không giải quyết được vấn đề gì cả, mà bài toán chỉ được giải khi bộ vi xử lý thực hiện tất cả các chương trình ứng dụng mà ngươi lập trình đưa vào. 2) Sự phát triển của bộ điều khiển 8051 Sự phát triển của kĩ thuật vi xử lý gán liền với sự phát triển của bộ vi điều khiển. Intel hãng sản xuất bộ vi sử lý đầu tiên và là hãng có bộ vi điều khiển lớn nhất và phong phú nhất. Trong các họ vi điều khiển 8 bít hàng đầu thì 8051 có số lượng lớn nhất và có nhiều hãng cung cấp nhất. Nhà cung cấp lầ nhà sản xuất bên cạnh nhà sáng chế bộ vi điều khiển đối với 8051 thì nhà sáng chế là Intel. Nhưng hiên nay có rất nhiều hãng cung sản xuất. Các hãng này gồm Intel , Atmel , Philips/ Signetics , AMD , Simens , Matra , Pallas... Năm 1981 hãng Intel cho ra mắt bộ vi điều khiển được gọi là 8051. Bộ vi điều khiển này là một vi mạch tổng quát của họ MCS – 51 , bộ vi điều khiển này có các thống số và các đặc trưng như sau. 4KB ROM . 128 byte RAM. 4 port xuất nhập ( 4 cổng vào/ra) 8bít . 2bộ định thời 16 bít . Mạch giao tiếp nối tiếp . Không gian nhớ chương trình ( mã) ngoài 64K . - Bộ xử lý bít . - 210 vị trí nhớ được định địa chỉ , mỗi vị trí 1 bít . - Nhân / chia trong 4ms . 8051 đã trở nên rất phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán bất kì biến dạng nào của 8051 nhưng với điều kiện họ phải mã chương trình tương thích với 8051 mặc dù do các hãng sản xuất khác nhau nên tốc độ và dung lượng nhớ của ROM trên chíp là khác nhau nhưng tất cả các lệnh đó đều tương thích với 8051 ban đầu. Các thông số của 8051 Đặc tính Số lượng ROM 4K byte RAM 128 byte Bộ định thời 2 Chân vào / ra 32 Cổng nối tiếp 1 Nguồn ngắt 6 3) Sơ đồ chức năng 8051 . Bộ vi điều khiển 8051 là thành viên đầu tiên của họ 8051 nó bao gồm các thành phần sau : Bộ vi sử lý , bộ nhớ và các thiết bị vào ra ngoài ra còn các mạch phụ trợ khác tuỳ theo từng loại của bộ vi điều khiển 8051 . Ngắt ngoài Bộ tạo dao động Bus điều khiển 4 cổng vào ra Cổng nối tiêp CPU Đ/khiển ngắt RAM on chip ROM On chip chương trình ETC Timer0 Timer1 Vào Bộ đếm P0 P1 P2 P3 TXD RXD Địa chỉ dữ liệu sơ đồ khối bộ vi điều khiển 8051 * CPU Còn được gọi là bộ xử lý trung tâm nó đIều khiển mọi hoạt động của hệ và hoạt động theo chương trình đIều khiển có sẵn * Bộ nhớ Bộ nhớ là nơi chứa chương trình và dữ liệu nó bao gồm có bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài . + Bộ nhớ trong bao gồm 2 thành phần ROM và RAM ROM ( Read only memory ) : Là bộ nhớ cố định có đặc điểm thông tin chỉ có thể đọc thông tin ra và thông tin không bị mất khi mất điện. Bộ nhớ ROM được dùng để chứa chương trình chính hoặc chứa chương trình điều hành hay chương trình hướng dẫn. RAM (.................) là bộ nhớ động có đặc điểm là thông tin có thể ghi hoặc đọc ra một ra một cách tuỳ ý và thông tin đó sẽ bị mất đi khi mất điện. RAM được sử dụng để nạp phần còn lại của hệ điều hành từ đĩa khởi động hoặc nạp vào các chương trình ứng dụng từ bộ nhớ ngoài, lưu trữ số liệu và trạng thái hệ thống trong quá trình làm việc. + Bộ nhớ ngoài gồm băng từ, đĩa từ... được sử dụng nhiều vì giá thành rất rẻ và được dùng để lưu trữ thông tin và dữ liệu Cổng vào ra + Thực hiện trao đổi thông tin giữa CPU với các thiết bị ngoại vi như bàn phím, chuột máy in... + Để tránh cho CPU mất nhiều thời gian cho các cổng vào/ ra thì trong các máy tính người ta sử dụng các bộ xử lý giá thành thấp, chuyên dụng cho các cổng vào/ ra. Vì vậy khi CPU đang bận các bộ xử lý vào ra vẫn có thể làm công việc của nó. Các Bus Các đường dây dùng để truyền song song các tín hiệu có cùng chức năng và có các loại Bus sau đây. + Bus địa chỉ: Là hệ thống các dây dẫn song song mà CPU cần tới để xác định địa chỏ của các thành phần trong qúa trình làm việc + Bus dữ liệu: Là hệ thống đường truyền song song được dùng để trao đổi dữ liệu giữa CPU với các thành phần bên ngoài và giữa các thành phần với nhau + Bus điều khiển: Gồm các đường dây dùng để truyền tín hiệu điều khiển cần thiếu giúp cho CPU điều khiển việc trao đổi dữ liệu, xử lý sự cố và đồng bộ toàn hệ thống. II/ Sơ đồ, chức năng các chân của 8051 1) Sơ đồ chân của 8051 2) Chức năng các chân của 8051 - Chíp 8051 có 40 chân trong đó có 32 chân có công dụng xuất/ nhập tuy nhiên 24 trong 32 chân này có 2 mục đích sử dụng. Mỗi một chân này có thể hoạt động xuất/nhập như một đường địa chỉ/dữ liệu của bus địa chỉ/dữ liệu đa hợp, 32 chân này hình thành 4 port 8 bít. 8 chân cho một bort và có thể sử dụng như một đơn vị giao tiếp song song như máy in, bộ biến đổi DA... - Các chân còn lại dành cho nguồn Vcc , đất GND, các chân dao động XTAL1. 3) Nhóm chân cổng vào ra Bốn cổng vào ra Port0, Port1, Port2, Port3, đèu có 8 chân và tạo thành cổng 8 bít . Khi Reset thì tất cảc các cổng làm nhiệm vụ đầu ra còn để làm nhiệm vụ đầu vào thì cần phải lập trình. a) Cổng Port 0 Cổng Port0 Có 8 chân (Chân từ 32 đến 39) bình thường đây là cổng ra, vào hoặc ra nhưng nó có hai tác dụng trong các thiết kế tối thiểu thì Port 0 được sử fụng làm nhiệm vụ xuất nhập còn trong các thiết bị lớn hơn thì Port trở thành bus địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp. b) Cổng Port 1 Cổng Port 1 cũng có các chân ( Các chân từ 1 đến 8) các chân này chỉ có một tác dụng là dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi (làm đường xuất nhập hoặc làm các ngõ vào cho các mạch dịch thời thứ 3). Để chuyển cổng port 1 thành đầu vào cần lập trình bằng cách ghi 1 đến tất cả các bít của cổng. c) Cổng port 2 Cổng Port 2 có 8 chân( từ chân 24 đến chân 28) có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra. Cổng này có hai chức năng là chuyển địac hỉ và dữ liệu, byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16 bít cho các thiết kế có bộ nhớ chương trình ngoài . d) Cổng Port 3 Cổng Port có 8 chân từ chân 10 đến chân 17. Cổng này có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra. Khi không làm nhiệm vụ xuất nhập thì nó sẽ có các chức năng riêng liên quan đến các đặc trung cụ thể của 8051 , tuy nhiên cổng Port3 còn có một chấc năng quan trọng khác là cung cấp một số tín hiệu đặc biệt chẳng hạn như ngắt. Bảng chức năng của cổng Port3 Bít Tên Địa chỉ bít Chức năng P3.0 RXD B0H Chân nhận dữ liệu của Port nối tiếp P3.1 TXD B1H Chân phát dữ liệu của Port nối tiếp P3.2 INT0 B2H Ngõ vào ngắt ngoài 0 P3.3 INT1 B3H Ngõ vào ngắt ngoài 1 P3.4 T0 B4H Ngõ vào của bộ định thời / đếm 0 P3.5 T1 B5H Ngõ vào của bộ định thời / đếm 1 P3.6 WR B6H Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài P3.7 RD B7H Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài 4) Nhóm chân nguồn dao động và điều khiển a) Nhóm chân nguồn + Chân Vcc: Chân 40 cung cấp điện áp nguồn +5V cho chíp + Chân GND: Chân số 20 là cung cấp nguồn âm (là chân mát) b) Nhóm chân dao động Nhóm chân XTAL1 và XTAL2 là các chân 18 và 19 của chíp 8051 hiện tại đã có môt bộ dao động đồng hồ ở bên ngoài dùng để kích hoạt và hai chân này cần được nối với bộ dao động thạch anh ở ngoài va khi đó được mắc với các tụ ổn định tần số dao động cho thạch anh . Tần số danh định của thạch anh là 12 MHz cho tất cả họ vi điều khiển 8051 . Bộ dao động tạo xung đồng hồ không nhất thiết là bộ dao động dùng thạch anh mà cũng có thể dùng bộ dao động TTL khi đó dao động được nối tới chân XTAL1 còn chân XTAL2 để hở . c) Nhóm chân điều khiển . + Chân RESET ( chân số 9 ) là chân khởi động lại trạng thái ban đầu của hệ thống . Khi có xung cao đặt tới chân này thì bộ vi điều khiển 8051 sẽ kết thúc mọi hoại động hiện tại và tiến hành khởi động lại . Quá trình này xảy ra hoàn toàn tương tự như khi bật nguồn và khi đó mọi giá trị trên thanh ghi đều bị xoá hết + Chân EA ( Chân số 31 ) Là chân truy xuất ngoài có thể được nối với +5V khi có mức logic1 và nối đất khi có mức logic 0 . Nếu có mức logic 1 thì nó sẽ thực thi chương trình trong ROM . Nếu có mức logic 0 và chân PSEN cũng ở mức 0 thì chương trình cần thực thi chứa ở bộ nhớ ngoài vì trong chíp không có bộ nhớ chương trình . + Chân PSEN (chân 29 ) Là chân ra có chức năng cho phép cất chương trình 1 và cho phép bộ nhớ chương trình cung cấp cho ta 4 tín hiệu điều khiển bus và là tín hiệu xuất trên chân này và đây cũng là tín hiệu cho phép truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài và được nối với OE . Tín hiệu PSEN ở mức logic 0 khi thực hiện thời gian tìm nạp lệnh . Tín hiệu PSEN ở mức logic 1 khi thực hiện 1 chương trình chứa ở ROM . + Chân chốt địa chỉ ALE ( Chân 30 ) . Là chân có mức tích cực cao và là chân xuất tín hiệu cho phép xuất địa chỉ ALE . Khi pỏt được chọn làm bus địa chỉ / dữ liệu thi chân ALE xuất tín hiệu để chốt địa chỉ và sau khi chốt các chân của port sẽ xuất / nhập dữ liệu hợp lệ trong suốt 1/2 thứ 2 của chu kì bộ nhớ . Chân ALE còn được sử dụng để phân kênh địa chỉ và dữ liệu bằng cách nối tới chân G của chíp 74LS373 . Tín hiệu ALE có tần số bằng 1/6 tần số của mạch dao động , chân ALE còn dùng làm chân nhận xung ngõ vào lập trình cho EDROM . 5) Cấu trúc của port xuất nhập . sơ đồ mạch bên trong của các port xuất / nhập . Việc ghi đến 1 chân của port sẽ nạp dung lượng vào bộ chốt của port , ngõ ra Q của bộ chốt điều khiển 1 trạm trường và transitor này nối với chân của port . Khả năng fan out của các port 1 , 2 và 3 là 4 tải vi mạch TTL loại Schottky công suất thấp còn của 0 là 8 tải loại Shottky công suất thấp . Trong đó 8051 internal bus : Đường truyền bên trong của 8051 . Read latch : Đọc bộ chốt . Internal pull up : Kéo lên bên trong . Read pin : Đọc chân port . port pin : Chân port . Write to latch : Ghi vào bộ chốt . 6) Truy suất bộ nhớ chương trình ngoài . Bộ nhớ chương trình ngoài là bộ nhớ chỉ đọc và được cho phép bởi tín hiệu PSEN . Khi có 1 EPROM ngoaì được sử lý thì cả 2 port 0 và 1 đều không còn là các port xuất nhập . Sơ đồ 8051 truy xuất với bộ nhớ ngoài . Port0 8051 EA ALE Port2 PSEN D0 á D7 RAM (1kbyte) A0 á A7 A18áA15 OE D Q G Khi bộ nhớ ngoài được sử dụng thì port không làm nhiệm vụ của port xuất / nhập , port này trở thành bus địa chỉ ( A0 á A7 ) và bus dữ liệu ( P0 á P7 ) đa hợp . Ngõ ra ALE chốt byte thấp của địa chỉ ở thời điểm bắt đầu mỗi một chu kỳ bộ nhớ ngoài . Còn port 2 thường được dùng làm byte cao của bus địa chỉ . Sự xắp xếp đa hợp có hoạt động là 1/2 chu kỳ đầu của chu kỳ bộ nhớ , byte thấp của địa chỉ được cung cấp bởi port 0 và được chốt nhờ tín hiệu ALE . Mạch chốt 74HC374 giữ cho byte của địa chỉ ổn định trong cả chu kỳ bộ nhớ . Trong 1/2 chu ky sau của chu kỳ bộ nhớ port 0 được sử dụng làm bus dữ liệu và khi đó dữ liệu được đọc hay ghi . 7) Truy suất bộ nhớ dữ liệu ngoài . Sơ dồ cấu trúc sự truy suất của 8051 vói bộ nhớ dữ liệu ngoài Port0 8051 AE ALE P2.0 P2.1 RD WR PSEN D0 á D7 RAM (1kbyte) A0 á A7 A8 A9 OE W CS D Q G NC Bộ nhớ dữ liệu ngoài là bộ nhớ đọc , ghi được cho phép bởi các tín hiệu RD , WR ở các chân P3.7 , P3.6 . Bộ nhớ dữ liệu ngoài có thể giao tiếp với 8051 theo cùng cách như EPROM ngoại trừ đường RD nói với cổng cho phép ( OE ) của nó và WR nối với đường ghi W của RAM các kết nối bus dữ liệu và bus địa chỉ giống như EPROM cũng bằng cách sử dụng các port ở mức cao thì dữ liệu được xuất ra ở port 0 . ở đây port 2 giảm bớt được chức năng làm nhiệm vụ cung cấp byte cao của địa chỉ trong các hệ thống tối thiểu thành phần , hệ thống không dùng bộ nhớ chương trình ngoài và chỉ có 1 dunglượng nhỏ bộ nhớ dữ liệu ngoài. III/ Chế độ hoạt động của các port nối tiếp Chức năng của Port nối tiếp là thực hiện việc chuyển đổi dữ liệu song song thành nối tiếp khi phát và chuyển đổi dữ liệu nối tiếp thành song song khi thu. Các mạch phần cứng bên ngoài truy xuất Port nối tiếp thông qua các chân TxD (Phát dữ liệu) và RxD ( thu dữ liệu) các chân này đa hợp với hai chân của bort 3 là P3.1 và P3.0 (RxD). Đặc trưng của nó là hoạt động song công (pull duplex) nghĩa là nó có khả năng thu và phát đồng thời ngoài ra nó còn có đặc trương nữa là việc đệm dữ liệu khi thu của bort này cho phép 1 ký tự được nhân và lưu giữ trong bộ đệm thu trong khi ký tự tiếp theo được nhân vào. Nếu CPU đọc ký tự thứ nhất trước khi ký tự thứ 2 được nhận đầy đủ thì dữ liệu sẽ không bị mất Phần II Các hệ thống đo và khống chế nhiệt độ Chương I : Sơ lược về hệ thống cần thiết kế I/ Chỉ tiêu kĩ thuật - Thông số cần đo và khống chế là ( 300C á 800C ) . - Sai số là ±10 II / Mô hình và nguyên tắc hoại động của hệ thống . a) Mô hình . Bộ cảm biến nhiệt Nhiệt độ Phần tử chấp hành K đại chuyển đổi ADC 8051 Máy tính b) Nguyên tắc hoạt động . Khi nhiệt độ cần khống chế thay đổi thì bộ cảm biến ( Sensor ) sẽ nhận được biến đổi thành tín hiệu điện đưa tới bộ khuyếch đại để đưa ua bộ chuyển đổi tương tự sang số và được đưa vào bộ vi điêù khiển 8051 đã có chương trình sẵn để điều khiển và được kết nối với máy tính cùng với chương trình điều khiển của máy tính thì vi điều khiển sẽ điều khiển các cơ cấu chấp hành bên ngoài làm cho các phần tử thay đổi theo đúng yêu cầu được đặt ra . III / Mục tiêu và nhiệm vụ . Mục tiêu Do nhu cầu sử lý thông tin của xã hội ngày càng cao việc xây dựng một hệ thống thu nhập và sử lý chuyên dụng phục vụ cho thông tin và điều khiển là một trong các vấn đề đang được đề cập đến , nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng giảm đáng kể những chi tiết không cần thiết và giảm tối đa nhân lực . Như vậy hệ thống của ta phải có các đặc tính sau . - Có tính mềm dẻo . - Có tính mở ( có tính mở rộng thêm cho hệ thống ) . - Dễ sử dụng ( càng đơn giản cho người sử dụng càng tốt ) . - Giá thành chấp nhận được . - Linh kiện dễ tìm kiếm . b) Nhiệm vụ . Qua tiếp xúc với nhiều hãng sản xuất nổi tiếng như OMRON ... thì ta thấy các hãng náy sử dụng các linh kiện rất khó thay thế , gía thành đắt . Do đó nhiệm vụ của đề tài là em phải xây dựng được một card giao tiếp với máy tính qua cổng RS232 ( com 1 hoặc com 2 ) thực hiện các chức năng đo và khống chế nhiệt độ như yều cầu của đề tài đặt ra và viết chương trình điều khiển cho card bằng các ngôn ngữ sau - ASSENI BLER - C ( C thường ) . - Visual bazisc . Chương II : Thiết kế phần cứng của hệ thống I/ Sơ lược về các khối của hệ thống cần thiết kế . Bộ cảm biến nhiệt ( Sensor ) . Bộ cảm biến là nơi tiếp nhận và sử lý thông tin trước khi đưa về trung tâm tiếp tục sử lý và phản hồi cho việc đo đặc và tự động điều khiển . Việc cảm nhận của các mạch cảm biến nhiệt rất quan trọng do đó các bộ sensor phải chịu đựng được các điều kiện khắc nghiệt và phải có độ chính xác cao . Mạch khuyếch đại tín hiệu : Các tín hiệu ra khỏi mạch cảm biến là rất nhỏ do đó mạch khuyếch đại có tác dụng khuyếch đại tín hiệu trước khi đưa vào bộ biến đổi ADC . Mạch biến đổi ADC : Tín hiệu đưa vào máy tính là các tín hiệu có dạng các bít 0 hoặc 1 do đó ta pải dùng mạch chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số . Mạch 8051 : Là bộ vi sử lý làm việc theo chương trình đã được lập sẵn và được điều khiển bởi máy tính . Mạch điều khiển các phần tử chấp hành : Là mạch nhận các dữ liệu từ 8051 và máy tính sau đó điều khiển các cơ cấu chấp hành theo lệnh đã có sẵn . II / Phần cứng của hệ thống . 1) Sơ lược về cấc cổng giao tiếp giữa máy tính với card cần thiết kế . Các mạch nối ghép vào / ra gồm có hai loại phù hợp với hai phương thức truyền số liệu số song song và nối tiếp . Cổng ghép song song gồm 8 bit số liệu được truyền đồng thời, 8 bít này được chíp vào ra nhận và truyền nó tới và nó gồm có 2 cổng là cổng 9 chân và cổng 25 chân người ta gọi nó là cổng com . Cổng ghép nối tiếp cũng giống như cổng ghép nối song song nhưng 8 bít ở đây sẽ được truyền lần lượt liên tiếp nhau và nó cũng gọi là cổng com Các tiêu chuẩn của RS -232 . D25 D9 Tín hiệu Hướng truyền Mô tả 1 1 1 2 3 TD DTE DCE 3 2 RD DCE DTE 4 7 RTS DTE DCE 5 8 CTS DCE DTE 6 6 DRS DCE DTE 7 5 GND 8 1 DCO DCE DTE 20 4 DTR DTE DCE 22 9 RI DCE DTE 23 DSRD DCE DTE 2 ) Một số bộ biến đổi ADC thông dụng . 2.1 ) sơ lược về bộ biến đổi ADC ADC Analog signal Digital signal Tín hiệu tương tự là các đại lượng vật lý tự nhiên thay đổi liên tục và có thể nó như là một điện áp hay dòng điện mà giá trị biên độ của nó thay đổi liên tục theo thời gian . Tín hiệu số là một điện áp hay dòng điện chứa thông tin hay vị trí các xung hay sự thay đổi biên độ đột ngột so với tín hiệu xung đồng hồ . Tín hiệu số có ưu điểm là : Tính chống nhiễu cao tốc độ xử lý cao , khả năng xử lý linh hoạt... 2.2 ) Vi mạch TLC549 Vi mạch TLC549 là bộ biến đổi A/D 8 bít nó rất hấp dẫn với những ứng dụng đơn giản . Vi mạch nay có 8 chân ra , tiêu thụ dòng không đáng kể nên thích hợp với dòng RS232 nối tiếp . Vi mạch TLC549 có chứa bộ giữ nhịp của hệ thống, khối lấy mẫu và giữ, bộ biến đổi A/D 8bít > Vi mạch này có 2 chân ra dùng để trao đổi thong tin với các khối chức năng có tên là I/O _CLK và data out, các tín hiệu ở chân này là tương thích của TTL và làm dễ dàng việc trao đổi thông tin với các thành viên khác tương ứng Sơ đồ chân Các thông số kĩ thuật đặc trưng cho vi mạch TLC549 Độ phân giải 8 bít Có lối vào điện áp so snhs vi phân Thời gian biến đổi 17ms Lấy mẫu và giữ trên chíp Thời gian giữ nhịp hệ thống bên trong là 4Mhz Điện áp nguồn nuôi là 5 V Dòng tiêu thụ là 1,8mA 2.3) Vi mach ADC 0804 Vi mạch 0804 là một bộ biến đổi A/D tác động nhanh đầu ra dữ liệu 8 bit song song và đều được tương thich với TTL0 qua một lối vào điều khiển, các lối ra có thể chuyển sang trạng thái điện trở cao do đó vi mach 0804 được đêm vào một bít dữ liệu. Ngoài r a cac lối vào còn được dùng để điều khiển đọc ghi, lối vào Analog được vi phân điện áp ở cả hai chân + (chân 6), - (chân 7) được biến đổi. Giải điện áp đặt vào này có thể đạt đến là 5 V. Các thông số kĩ thuật của vi mạch ADC 0804 + Bus dữ liệu 8 bít + Có lối vào Analog vi phân + Dải điện áp tín hiệu Analog lối vào là 0 á 5 V + Điện áp nguồn nuôi là 5 V + Dòng tiêu thụ la 1,9 mA + Bộ phát xung nằm trên chíp Sơ đồ chân của vi mạch ADC 0804 Khi sử dụng vi mạch ADC0804 để đo dải nhiệt độ thì vi mạch này có thể sử dụng để tạo nên bộ biến đổi A/D 8 bít với tính năng chuyển đổi được dải đo bởi vì modul cơ sở quy định ở lối vào và lối ra tương thích TTL. Các bít dữ liệu từ D0 á D7 được truyền qua cổng nối tiếp do vậy nó sẽ cần thêm 1 xung Low để khởi tạo cho các dữ liệu được gửi đi và nó được tạo ra nhờ đường dẫn dữ liệu lối ra D0 của modul. 2.4) Chíp ADC 808/809 , 8 kênh tương tự . Một chíp CMOS rất hữu ích của hãng Nationnal Semiconductor là ADC 808/809 rất giống với chíp 0804 đã nêu ở trên. Nhưng nó chỉ khác cơ bản là chíp này có 8 kênh đầu vào tương tự làm việc độc lập với nhau. Cho nên nó cho phép giám sát đồng thời 8 bộ cảm biến( Nó cũng có đầu ra dữ liệu 8 bít như 0804, 8 kênh đầu vào tương tự được đầu ra và chon nhờ 3 chân địa chỉ BC như bản dưới) Các thông số kỹ thuật của chíp ADC 808/809 Không đòi hỏi điều chỉnh mức 0 Quét động 8 kênh bằng logíc địa chỉ Tát cả các tín hiệu tương thích với TTl Dải tần số xung clock là : (10Khz á 1280Khz) Dòng tiêu thụ là : 0,3 mA Thời gian chuyển đổi: 100ms Dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lí hoặc dung riêng Tốc độ chuyển đổi không phụ thuộc vào tần số xung Điện áp nguồn nuôi là : +5V Điện áp ngõ vào của tín hiệu tương tự là : (0 á 5V). Điện áp ngõ vào của tín hiệu tương tự là : (0 á 5V). Sơ đồ chân của ADC 808/809 ý nghĩa các chân. - 8 chân đầu vào (IN0 á IN7) cho vào các tín hiệu tương tự và được điều khiển bởi các chân địa chỉ A,B,C - 3 chân A, B, C là các chân địa chỉ dùng để chọn lọc các tín hiệu đầu vào IN0` á IN7 - 8 chân đầu ra (D0áD7) là các chân dữ liệu đầu ra 8 bít song song - Chân ALE (chân 22) là chân cho phép chốt địa chỉ bằng cách đưa một xung thấp lên cao để chốt địa chỉ. - Chân Start ( chân 6) là chân của xung bắt đầu chuyển đổi - Chân CLK ( chân 22) là chân của xung đồng hồ - Chân VREF (Chân 12 cho Vref +, chân 16 cho Vref-) là các chân của điện áp tham chiếu (+) và (-) - Chân OE ( chân 9): Khi chân này ở mức logíc cao thì ADC 0809 sẽ cho ra số liệu ở các chân dữ liệu D0áD7. - Chân EOC (chân 7) + Nếu EOC ở mức thấp thì ADC 0809 bắt đầu quá trình lấy mẫu + Nếu EOC ở mức cao thì ADC 0809 báo số liệu ở đầu ra của nó đã sẵn sàng. C B A Kênh lối vào được chọn 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 ADC 0808/ 0809 có 8 kênh nối vào tơng tự được dẫn đến các chân IN0 đến IN7 và 8 đường dẫn dữ liệu 8 bít từ D0 á D7 . Do vậy ta có tể chạo 1 trong 8 chân lối vào để thực hiện chuyển đổi từ tương tự sang số . Mẫu bít ở các lối vào địa chỉ A,B,C sẽ xác định xem kênh nào phải được lựa chọn khi đó việc lựa chọn sẽ tuân thủ theo bảng trạng tháisau . Nguyên tắc làm việc của chíp ADC 0808/0809 . Sau khi kích hoạt sườn dương của xung ở chân start của chíp ADC 0808/0809 để chốt các tín hiệu chọn lệnh làm việc thì khi đố quá trình lấy mẫu bắt đầu làm việc. sau sườn dương của xung ở chân Start thì chíp ADC 0808/0809 sẽ điều khiển tín hiệu ra ở chân EOC xuống mức thấp để báo bắt đầu quá trình lấy mẫu và sau 1 khoảng thời gian cỡ 100ms thì quá trình 1 lấy mẫu kết thúc tín hiệu ra ở chân EOC lên mức cao để báo số hiệu ra ở đầu ra đã sãn sàng . Khi nhận được tín hiệu ở EOC lên mức cao thì tín hiệu OE sẽ phải lên mức cao và khi đó dữ liệu sẽ được đưa ra ở các đầu ra từ D0 áD7 . Khi ta thay đổi các tín hiệu A,B,C thì chíp ADC 0808/0809 sẽ trích mẫu lần lượt 8 kênh lối vào của tín hiệu tương tự do đó tín hiệu lấy mẫu của mỗi kênh là 125ms . Nếu cả 8 kênh lối vào cùng hoạt động một lúc thì tín hiệu lấy mẫu sẽ là 125mx8=1ms . Do vậy để chứa ADC 0808/0809 làm việc ổn định thì chân VREF + = +5v còn chân VREF- = 0v và khi đó đồng thời phải đưa 1 xung đồng hồ riêng tới chân CLK của chíp . 3) Mạch khuyếch đại tín hiệu . Bộ khuyếch đại thuật toán ( khuyếch đại tín hiệu ) ngày nay đã được sử dụng rất phổ biến và nó được đóng thành 1 khối có sẵn trong đó có chứa các bộ khuyếch đại thuật toán , nó có thể từ 1,2 hoặc 4 bộ trong 1 khối gọi là khuyếch đại thuật toán . 3.1) Bộ khuyếch đại thuật toán TL084. TL 084 là bộ khuyếch đại thuật toán kép 4 . Vi mạch này tỏ ra là đặc biệt thích hợp đối với các bộ tích phân nhánh các bộ khuyếch đại , các bộ lọc tích cực và trong các máy đo . Dải điện áp nguồn nuôi + 3v… +18v. Điện áp offset VOS (max )15mV. Dòng tĩnh lối vào IB (max) 400pA . Độ rộng giải khuyếch đại GWB 3MHz . Tốc độ tăng điện áp 13 V/ ms . Điện trở lối vào > 102 W. Dòng tiêu thụ (max) 11,2mA . Sơ đồ sắp xếp chân ra của bộ khuyếch đại thuật toán . Sơ đồ mạch khuyếch đại . Tính toán và chọn linh kiện Khi ở t0 300 sensor thì nhiệt cho điện áp 3v. t0 800 sensor thì nhiệt cho điện áp 3,5v. Như đã được ấn định ở mạch cảm biến nhiệt LM335 do vậy ta có Uvào = 3v diện áp này được đưa vào tầng khuyếch đại đầu tiên có hệ số khuyếch đại K1 = 1 nhằm tăng được trở khánh đầu vào cho tầng khuyếch đại điện áp thứ 2. U1 = K1 . Uvào = 3V Tầng thứ 2 là một mạch trừ nó có hệ số khuyếch đại là . . R6 là biến trở có nhiệm vụ điều chỉnh giá trị điện áp U2 = 3v khi nhiệt độ cần đo đó là 300C. Do đó ta có thể chọn R6 =10 KW. Theo giá trị mà ta đã ấn định thì khi nhiệt độ ở 800C thì điện áp của Sensor nhiệt là 3,5V và điện áp đầu vào cố định là 5V. Do vậy ta xác định hệ số khuyếch đại của tầng thứ 2 là K2. mà Ta chọn Chiết áp R7 có nhiệm vụ điều chỉnh giá trị offset của mạch tầng thứ 3 có hệ số khuyếch đại K = 10 tầng này được kích hoạt nhằm tăng khả năng khuyếch đại tín hiệu của mạch đầu vào khi mà ta cần mở rộng dải nhiệt độ đo. Hệ số khuyếch đại của cả 3 tầng là. Ktổng = K1 x K2 x K3 = 1 x 10 x10 =100 lần. 3.2) Bộ khuyếch đại thuật toán LM324. Vi mạch LM324 chứa 4 tầng khuyếch đại thuật toán trong 1 vỏ 14 chân linh kiện này tỏ ra lý tưởng đối với những ứng dụng dùng nguồn nuôi đơn giản và sẵn sàng hoạt động từ điện áp nguồn nuôi 3V – 15V vì thế vi mạch này đực biệt thích hợp với những mạch điện dùng nguồn nuôi là pin. Mỗi bộ khuyếch đại đều được bù trừ bên trong. Các thông số bên trong. Điện áp nguồn nuôi : 3v á15v. Điện áp offset Vos(max) : 7mV. Dòng tĩnh lối vào IB(max) : 250nA. Dải điện áp lối ra (nhỏ nhất) : 20mA… UB – 4,78V khi RL ³ 2kW. Dòng tiêu thụ(max) : 3mA. Sơ đồ sắp xếp chân ra của bộ khuyếch đại thuật toán . Sơ đồ mạch khuyếch đại. Việc tính toán tương tự như ở bộ khuyếch đại TL084. Bộ khuyếch đại LM324 có công suất nhỏ hơn TL084. Do đó ở những mạch cần có công suất lớn ta không dùng LM324 do vậy ở đề tài này của ta sẽ họn bộ khuyếch đại TL084. 4) Mạch chốt dữ liệu 74LS374 IC này có nhiệm vụ chốt các bit dữ liệu địa chỉ của kênh báo hiệu. Sơ đồ cấu tạo chân của IC 74LS374 Chức năng của các chân . Chân(3,4,7,8,13,14,17,18) là các chân của bít địa chỉ dữ liệu đầu vào. Chân (2,5,6,9,12,15,16,19) là các chân để đưa dữ liệu ra để điều khiển các phần tử chấp hành . Chân 11 : Chân nhận xung đồng hồ điều khiển . Chân1 : Chân nhận tín hiệu điều khiển chốt . Chân10: Chân đất . Chân 20: Chân nối với (+) nguồn. Sơ đồ mạch điện. Nguyên tắc làm việc . Trong quá trình so sánh giữa nhiệt độ đo với nhiệt độ đặt , nếu nhiệt độ đo được mà lớn hơn nhiệt độ đặt thì tín hiệu báo hiệu sẽ được truyền ra cổng dữ liệu của chíp vi sử lý 8051 và được đưa vào các chân 3,4,7,8,13,14,17,18 của IC74LS374 sau đó sẽ có 1 bít ở mức logic cao tác động vào chân 11 để đưa tín hiệu điều khiển ra các chân 2,5,6,9,12,15,16,19 tương ứng là các bít D0 , D1 , D2 , D3 , D4 , D5 , D6 , D7 và dùng điều khiển để mở thông các tran C828 , cho các tran C828 này điều khiển các cơ cấu chấp hành bên ngoài là các Relay điện từ có nguồn 12v nhưng cũng có thể dùng các phần tử khác thay Relay. 5) Mạch cảm biến nhiệt độ. Để đo được nhiệt độ ta có rất nhiều các phương pháp đo như là cặp nhiệt điên, cảm biến nhiệt sử dụng IC nhiệt điện trở kim loại, cảm biến thạch anh... ở đây cặp nhiệt độ có rất nhiều ưu điểm là độ chính xác cao, giải nhiệt độ sử dụng lớn có thể từ –2000C – 1700 C, thời gian đáp ứng nhanh, giá thành phải chăng. Ngoài ra đường đặc trưng của nó có thể xem như là tuyến tính trong từng dải tuyến tính xác định. Còn IC đô nhiệt độ là một 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 cảm của các chất bán dẫn với nhiệt độ để tạo ra điện áp hoặc dòng điện, tỉ lệ thuận với nhiệt độ. Do vậy khi đo được tín hiệu thì ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo. Để đo được chính xác tất nhiên ta cần 1 đầu đo tính hợp. Đầu đo là một cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ chuyển nhiệt độ thành tín hiệu điện để đưa vào các thiết bị ghép nối khác trong mạch do vậy như ta đã nêu ở trên có rất nhiều phương pháp đo nhiệt độ nhưng dựa vào các điều kiện thực tế của phương án thiết kế trong đề tài này và dựa vào cả lí thuyết của mạch cần thiết kế ta quyết định dùng phương pháp do bằng IC cảm biến nhiệt độ. Các IC cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, Dễ tìm, giá thành rẻ. Các IC cảm biến nhiệt độ có rất nhiều loại như họ LM, DS1620... nhưng do yêu cầu của hệ thống cần sử dụng bộ cảm biến nhiệt độ có nhiệt độ làm việc từ 00C- 100oC là được do vậy ở đaay ta chỉ nêu ra IC họ LM làm IC cảm biến nhiệt cho mạch mà ta cần thiết kế điển hình là IC LM35, LM34 LM135. a) Sơ lược về đo nhiệt độ bằng đầu đo LM35. Đầu đo LM35 là một đầu đo đặc biệt có độ chính xác rất cao mạch điên sử dụng đầu đo có tên là LM35 là của hãng NTSC nó là một đầu đo nhiệt độ đơn giản có điện áp lối ra tỉ lệ thuận với nhiệt độ của đầu đo tính ra độ C ( celsius ) . Đầu đo LM35 không cần đến các linh kiện mạch ngoài vì vậy không cần chuẩn lại ở những nhiệt độ khác nhau. Đầu đo LM35 có thể hoạt động cả với điện áp nguồn nuôi đối xứng và không đối xứng. Dòng điện tiêu thụ chỉ cỡ 60mA nên có thể bỏ qua sự tăng nhiệt độ đầu đo dùng nuôi tạo ra. Sơ đồ vi mạch LM 35. 4V á 30V LM 35 10mV/0C GND Các thông số của vi mạch LM 35 - Định thang trực tiếp theo (0C) - Tính hiệu lối ra bằng 10mV/0C - Độ chính xác được đảm bảo không kém hơn: 0,50C - Độ chính xác trong vùng nhiệt độ phòng: 0,250C - Điện áp nguồn nuôi 4v...30V - Dòng điện tiêu thụ 60 mA - Mức độ không tuyến tính: Loại 0,250C Thông số kỹ thuật chính của cảm biến nhiệt họ LM 35 Mã sản phẩm Dải nhiệt độ Độ chính xác Đầu ra LM 35 A -550C á 1500C + 10C 10MV/C LM 35 -550C á 1500C + 1,50C 10MV/C LM 35 CA -400C á 1100C + 10C 10MV/C LM 35 C -440C á 1100C + 1,50C 10MV/C LM 35 D 0C á 1000C + 20C 10MV/C b)Sơ lược về đo nhiệt độ bằng đầu đo LM 34 LM 34 là họ cảm biến nhiệt tích hợp có độ chính xác cao, điện áp đầu ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ Fahrenheit. Họ LM 35 không yêu cầu căn chỉnh bên ngoài vì bản thân vi mạch đã được căn chỉnh rồi họ này có điện áp ra thay đổi 10mV ứng với thay đổi nhiệt độ 10F. Thông số kỹ thuật chính của cảm biến nhiệt họ LM 34 Mã sản phẩm Dải nhiệt độ Độ chính xác Đầu ra LM 34 A -550F á 3000C + 20F 10MV/C LM 34 -550F á 3000C + 30F 10MV/C LM 34 CA -400F á 2300C + 20F 10MV/C LM 34 C -440F á 2300C + 30F 10MV/C LM 34 D -320F á 2120C + 40F 10MV/C 6) Môdul cơ sở vào/ ra 8 bít với MAX 232 MAX 232 là modul cơ sở dùng đê ghép nối tiếp giữa máy tính với thiết bị vào ra 8 bít. Modul này chứa vi mạch MAX 232 của hãng MAXIM để thích ứng tínhiệu ở mức(+12V,-12) trên giao diện của S 232. Vi mạch này nhận mức RS 232 đã được gửi từ máy tính và biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu TTL. Do vậy modul này cũng cho phép cả đọc vào cũng như đưa ra tín hiệu TTL qua giao diện nối tiếp của máy tính PC Sơ đồ chân của vi mạch MAX 232 Vì RS 232 không tương thích với các bộ vi xử lý và điều khiển hiện nay nên ta cần một bộ điều khiển đường truyền (chuyển đổi điện áp ) để chuyển các tín hiệu RS 232 về mức điện áp TTL được các chân TxD va RxD của 8051 chấp nhận. Bộ MAX 232 chuyển đổi từ các mức điện áp RS 232 vè TTL và ngược lại, một điểm khác của chíp MAX 232 đó là dùng điện áp nguồn +5V cùng với điện áp nguồn nuôi của 8051 MAX 232 có 2 bộ điều khiển đường truyền là nhận và truyền dữ liệu (như sơ đồ trên).Các bộ điều khiển đườn truyền dùng cho TxD được gọi là T1 và T2 trong nhiều ứng dụng thì chỉ có một cặp được dùng .Ví dụ T1 và R1 được dùng với nhau trong trường hợp TxD của 8051 còn cặp E2 và T2 thì không dùng đến . Chú ý bộ điều khiển T1 của chíp MAX 232 còn có T1 IN và T1 OUT trên các chân 11 và 14 tương ứng.Chân T1 IN là ở phía TTL và được nối tới chân RxD của bộ vi điều khiển còn T1 OUT thì ở phía RS 232 được nối tới chân RxD của đầu nối DB của RS 232 .Bộ điều khiển đường R1 cũng có gán R1 IN và R1 OUT trên các chân số 12 và 13 tương ứng.Chân R1 IN (chân số 13) là ở phía RS 232 được nối tới chân TxD của đầu nối DB của RS 232 và chân R1 OUT (chân số 12) là ở phía TTL và được nối tới chân RxD của bộ viđiều khiển. Nếu nối ghép modem rỗng là nối hép mà chân bên phát được nối với bên thu và ngược lại. MAX 232 còn cần có 4 tụ điện giá trị từ 1 đến 22mF nhưng thường dùng là 22mF và ở đây ta chọn các tụ là 22mF. Sơ đồ mạch ghép của 8051 với MAX 232 và RS 232 8051 5 MAX232 11 2 P3.1(TxD) 10 3 4 3 P3.0 (RxD) 5 2 DB 9 Chíp 8051 có 2 chân chuyên được dùng chuyên cho truyền và nhận dữ liệu nối tiếp . Hai chân này là RxD và TxD là một phần của cổng Port 3 (đó là P3.0 và P3.1 tương ứng) P3.0là chân số 10 của 8051 còn P3.1 là chân số 11. Các chân này tương thích với mức logic TTL .P0 vậy cần có bộ điều khiển đường truyền để tương thích với RS 232 đó là chíp MAX mà ta đã trình bày ở trên.