Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ KIT ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà  SV:Võ Quang Hậu Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ LỜI CẢM ƠN Trước vào luận văn em xin cám ơn thầy cô môn điều khiển tự động truyền đạt cho em kiến thức suốt thòi gian qua.Em xin cám ơn cô Nguyễn Thị Phương Hà giúp đở em thời gian làm luận văn qua em xin cám ơn bạn bè giúp đở em làm luận văn Em xin chân thành cám ơn thầy cô GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà  SV:Võ Quang Hậu Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ MỤC LỤC Chương1:giới thiệu hệ thống điều khiển nhiệt độ I / khái niệm hệ thống điều khiển nhiệt độ II/ nguyên tắc điều khiển nhiệt độ III/các loại cảm biến nhiệt đô IV/mơ hình tổng qt phương pháp đo nhiệt độ Chương 2:cảm biến nhiệt -6 I/ thông số cảm biến II/các loại cảm biến thông dụng Chương 3:giới thiệu vi xử lý AT89C57 11 I/giới thiệu cấu trúc phần cứng họ MCS51 -11 II/khảo sát sơ đồ chân 8952,và chức chân 13 III/cấu trúc bên vi điều khiển 15 IV/hoạt động timer 8952 -23 V/hoạt động Port nối tiếp -32 VI/tập lệnh họ 8952 39 Chương 4:mở rộng port dùng 8255 -45 I/cấu trúc phần cứng -45 II/ cấu trúc phần mềm 47 III/ Giao tiếp 8255 với vi xử lý -47 Chương :thiết kế mạch -49 I/ giới thiệu linh kiện -51 II/thiết kế kit vi xử lý 54 III/ thiết kế mạch điều khiển công suất 58 IV/ thiết kế mạch bàn phím -60 V/ thiết kế mạch nguồn -61 VI/ thiết kế mạch hiển thị -63 VII/ thiết kế khối hiệu chỉnh zieger Nichol -64 VIII/ thiết kế mạch xử lý ADC 68 Chương 6: lưu đồ giải thuật -72 Chương 7:chương trình phần mềm -80 GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà  SV:Võ Quang Hậu Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ PHẦN MỞ ĐẦU Ngày kỹ thuật vi điều khiển trở nên quen thuộc ngành kỹ thuật dân dụng Từ dây chuyền sản xuất lớn đến thiết bị gia dụng, thấy diện vi điều khiển Các vi điều khiển có khả xử lý nhiều hoạt động phức tạp mà cần chip vi mạch nhỏ, thay thiết bị điều khiển lớn phức tạp mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng thao tác sử dụng Chính lý trên, việc tìm hiểu, khảo sát vi điều khiển điều mà sinh viên ngành điện mà đặc biệt chuyên ngành điều khiển tự động phải quan tâm Các điều khiển sử dụng vi điều khiển đơn giản để vận hành sử dụng đươc lại điều phức tạp Phần cơng việc xử lý phụ thuộc vào người, chương trình hay phần mềm Tuy thấy máy tính ngày thơng minh, giải tốn phức tạp vài phần triệu giây, dựa hiểu biết người Nếu khơng có tham gia người hệ thống vi điều khiển vật vô tri Do nói đến vi điều khiển giống máy tính bao gồm phầân phần cứng phần mềm Các vi điều khiển theo thời gian với phát triển công nghệ bán dẫn tiến triển nhanh, từ vi điều khiển Bit đơn giản đến vi điều khiển 32 Bit Với công nghệ tiên tiến ngày máy tính đến việc suy nghĩ, tri thức thơng tin đưa vào, máy tính thuộc hệ trí tuệ nhân tạo Mặc dù vi điều khiển bước dài để tiếp cận với kỹ thuật vấn đề đơn giản sớm chiều Việc hiểu chế hoạt động vi điều khiển Bit sở để tìm hiểu sử dụng vi điều khiển tối tân hơn, bước muốn xâm nhập sâu vào lĩnh vực Để tìm hiểu vi điều khiển tạo tản cho việc nghiên cứu sau nầy việc trang bị kiến thức vi điều khiển cho sinh viên cần thiết Nên em chọn đề tài “ Thiết kế thi công hệ thống Kit Vi Điều Khiển 8952 ứng dụng vào việc điều khiển nhiệt độ “ GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà  SV:Võ Quang Hậu Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ Chương I: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ I.Khái niệm hệ thống điều khiển nhiệt độ: Nhiệt độ đại lượng vật lý diện khắp nơi nhiều lĩnh vực, đặc biệt cơng nghiệp sản phẩm , thiết bị hay điều kiện làm việc cần nhiệt độ khác Muốn có nhiệt độ phù hợp cần phải có hệ thống điều khiển.Tùy theo tính chất ,u cầu q trình mà địi hỏi phương pháp điều khiển thích hợp Hệ thống điều khiển nhiệt độ phân làm hai loại :Hệ thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system) hệ thống điều khiển (sequence control system)  Điều khiển hồi tiếp thường xác định giám sát kết điều khiển , so sánh với yêu cầu thực thi tự động điều chỉnh  Điều khiển thực bước điều khiển tùy theo hoạt động điều khiển trước xác định II/ nguyên tắc điều khiển : 1.Nguyên tắc thông tin phản hồi: Trong q trình điều khiển ,tồn hai dịng thơng tin từ quan chủ quản đến đối tượng từ đối tượng ngược quan điều khiển , gọi liên kết ngược hay hồi tiếp a) Quá trình điều khiển theo n nguyên tắc bù nhiễu: Tác động vào đối tượng luật điều khiển u theo nguyên tác Điều khiển bùnhiễu để đạt đầu c mong muốn,nhưng không quan sát tín hiệu c c u Đối tượng Về nguyên tắc ,đối với hệ phức tạp điều khiển theo mạch hở không cho kết tốt b) Điều khiển theo sai lệch: Cơ quan điều khiển quan n sát c, so sánh với định chuẩn r c u e điều mong muốn r để chọn luật Điều khiển Đối tượng điều khiển u Nguyên tắc điều chỉnh linh hoạt ,loại sai lệch ,thử nghiệm sửa.Đây nguyên tắc điều khiển 2.Nguyên tắc đa dang tương xứng: Muốn trình điều khiển có chất lượng đa dạng quan điều khiển phải tương xứng với đa dạng đối tượng Tính đa dạng quan GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà  SV:Võ Quang Hậu Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ điều khiển dùng để chế ngự đối tượng thể :khả thu thập thơng tin , lưu trữ ,phân tích xử lý ,chọn định ,tổ chức thực 3.Nguyên tắc bổ sung ngồi: Một hệ thống ln tồn hoạt động mơi trường cụ thể có tác động qua lại chặt chẽ với mơi trường Trong điều kiện thừa nhận nguyên tắc bổ sung sau:thừa nhận có đối tượng chưa biết (hộp đen)tác động vào hệ thống ta phải điều khiển hệ thống lẫn hộp đen 4.Nguyên tắc dự trư:õ Vì nguyên tắc coi thông tin chưa đầy đủ phải đề phịng bất trắc xảy khơng dùng tồn lực lượng điều kiện bình thường Vốn dự trữ khơng sử dụng ,nhưng cần để bảo đảm cho hệ thống vận hành an toàn 5.Nguyên tắc phân cấp: Đối với hệ thống phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển bổ sung cho trung tâm ,để khuếch đại khả điều khiển Phải tránh khuynh hướng hình thức phân cấp đáng ,xử lý cho nhiện vụ quyền hạn cấp 6.Nguyên tắc cân nội: Mỗi hệ thống cần xây dựng với chế cân nội để có khả tự giải biến động xảy III.Các loại điều khiển: Sự phân loại điều khiển có tính chất quy ước 1.Điều khiển ổn định hóa: Mục tiêu điều khiển kết đầu đầu vào chuẩn r(t) = const với sai lệch cho phép exl (sai số chế độ xác lập) e(t) = r(t) - c(t)  exl Đặc biệt đầu hệ thống cần giữ số ,ta có hệ thống điều chỉnh hay hệ thống ổn định Ví dụ: hệ thống ổn định nhiệt độ ,điện áp ,áp suất ,nồng độ tốc độ… 2.Điều khiển theo chương trình: Nếu r(t) hàm định trước theo thời gian ,yêu cầu đáp ứng hệ thống chép lại giá trị tín hiệu vào r(t) ta có hệ thống điều khiển theo chương trình Ví dụ: hệ thống điều khiển máy công cụ CNC ,điều khiển tự động nhà máy xi măng Hoàng Thạch ,hệ thống thu thập truyền số liệu hệ thống điện, quản lý vật tư nhà máy … 3.Điều khiển theo dõi: Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống r(t) hàm không bết trước theo thời gian ,yêu cầu điều khiển đáp ứng c(t) bám sát r(t) ,ta có hệ thống theo dõi.Điều khiển theo dõi sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển vũ khí ,hệ thống lái tàu ,máy bay… 4.Điều khiển tối ưu hàm mục tiêu đạt cực trị: Ví dụ toán qui hoạch ,vận trù kinh tế ,kỹ thuật phương pháp điều khiển tối ưu GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà  SV:Võ Quang Hậu Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ IV.Mô hình tổng quát phương pháp đo nhiệt độ: 1.Mơ hình hệ thống điều khiển: e(kt) + N - u(kt) y(t) Digital Controll ADC HTDK C CẢM BIẾN Hệ thống đo điều khiển nhiệt độ đạng hệ thống thu thập liệu Nhìn chung hệ thống thu thập liệu đầy đủ có thành phần sau:  Phần thu thập liệu từ đối tượng bên vào hệ thống vi xử lý-máy tính Phần gồm cảm biến ,mạch gia cơng tín hiệu ,bộ chuyển đổi tín hiệu tương đồng sang tín hiệu số (ADC) thiết bị ngoại vi khác nguồn, đường dây truyền liệu …  Phần điều khiển : bao gồm hệ vi xử lý , máy tính hệ thống tác động vào đối tượng  Phần mềm: chương trình cho kít xử lý chổ chương trình cho máy tính nhằm thu nhận liệu điều khiển nhiệt độ giao tiếp với người sử dụng Các thành phần liên quan chặt chẽ với ,tạo thành hệ thống hợp Từ phân tích hệ thống thu thập liệu (ADS)sẽ có thành phần cấu trúc sau: Kênh Mạch Gia công KÍT DỒN LƯU KÊNH TƯƠNG Kênh n Mạch Gia cơng n Mạch đối tượng ADC TRỮ VÀ Máy tính chủ ĐIỀU TỰ KHIỂN BỘ PHÂN Mạch đối tượng n KÊNH GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà  SV:Võ Quang Hậu Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ 2.Chức khối hệ thống điều khiển: 2.1.Kít chủ vi xử lý: Kit sử dụng chip vi xử lý ,là đơn vị master nhận yêu cầu từ người sử dụng truyền liệu cho slave khác ,ở sử dụng kỹ thuật truyền thông đa xử lý để giao tiếp kit chủ kit xử lý slave,giữa kit chủ máy tính, giao tiếp tác động phím từ kit Kit chủ có thiết kế phần cứng kit slave, có thêm phần cứng mạng truyền phần chương trình quản lý thơng số đơn vị slave 2.2.khối thu thập liệu Khối thu thập liệu có nhiệm vụ thu nhận giá trị đo từ cảm biến biến đổi sang tình hiệu số để kít xử lý 2.4 Chương trình điều khiển: Thực việc giao tiếp vi xử lý kit chủ ,giữa kit chủ máy tính ,đặt trị 3.Các phần tử thiết bị đo phương pháp đo nhiệt độ: 3.1.Các phần tử thiết bị đo:  CẢM BIẾN Phần tử biến đổi đại lượng không điện sang đại lượng điện,bộ phận thường dùng thermocouple  BỘ CHẾ BIẾN TÍN HIỆU Biến đổi tín hiệu điện thu từ thermocouple cho phù hợp với mức vào mạch biến đổi tín hiệu A/D  BỘ HIỂN THỊ KẾT QUẢ Hiển thị kết thu dạng hiển thị số  BỘ ĐIỀU KHIỂN Thực điều khiểntheo phương pháp PID hay ON/OFF  MẠCH KHUYẾCH ĐẠI CƠNG SUẤT Khuếch đại tín hiệu điều khiển để điều chỉnh nhiệt độ 3.2.Các phương pháp đo: Hiện có nhiều phương pháp đo khác :từ đơn giản đến phức tạp, từ loại có độ xác vừa đến loại xác cao  Đo nhiệt độ cột thủy ngân  Đo nhiệt độ điện trở  Đo nhiệt độ cặp nhiệt điện  Đo nhiệt độ diode transistor  Dụng cụ đo nhiệt theo nhiệt nóng chảy chất  Dụng cụ đo nhiệt độ theo dòng điện xạ  Đo nhiệt độ IC cảm biếm nhiệt  Đo nhiệt độ cảm biến thạch anh GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà  SV:Võ Quang Hậu Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ Đo nhiệt độ dùng cảm biến thạch anh có ưu điểm so với phương pháp khác ,vì có độ xác cao ,việc chuyển đổi dạng số dễ dàng thông tin liên quan đến tần số Ví dụ: đặc tính đo lường tinh thể thạch anh hãng Heulett Packard chế tạo có:  Khoảng đo -80oC  250oC  Khoảng tuyến tính  0.05% khoảng đo  Độ nhạy 1000HZ oC  Khả đo 0.0001oC Tuy nhiên có hạn chế khó chế tạo ,các mạch dao động thạch anh khó tinh chỉnh a) Cách lắp đặt cảm ứng nhiệt: Vị trí cảm ứng nhiệt ảnh hưởng lớn đến việc đo đạc điều khiển nhiệt độ vật thể Cảm ứng nhiệt xa nguồn nhiệt vọt lố cao tùy theo u cầu cụ thể mà ta lắp đặt vị trí thích hợp b) Quan hệ thang đo nhiệt độ: ToC =T(oK)-273.15 ToC ={T(oF)-32}5/9 GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà  SV:Võ Quang Hậu Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ Chương II: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Cảm biến nhiệt độ dụng cụ chuyển đổi đại lượng nhiệt thành đại lượng vật lý khác chẳng hạn điện, áp suất, độ giãn nở dài, độ giãn nở khối, điện trở, … Cảm biến nhiệt độ phần tử thiếu hệ thống đô lường điều khiển nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ có khả nhận biết tín hiệu nhiệt độ cách xác, trung thực chuyển đổi thành tín hiệu đo lường điện áp, dịng điện, điện trở, thể tích áp suất… I.CÁC THƠNG SỐ CẢM BIẾN: 1.Thông số cấu tạo: định nhà sản xuất phụ thuộc vào loại cảm biến 2.Thông số sử dụng: bao gồm yếu tố sau:  Khoảng làm việc : khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả chưa bị bảo hòa Khoảng làm việc cao hay thấp tính chất cấu tạo tính lý hóa loại cảm biến qui định  đôä nhạy: định nghĩa: df: thay đổi đại lượng đo cảm biến dx : thay đổi đại lượng vật lý  Ngưỡng độ nhạy: mức thấp mà cảm biến phát  Tính trễ: cịn gọi quán tính cảm biến Tính trễ cảm biến tạo sai số phép đo Tốc độ thay đổi cuả đại lượng đo phải phù hợp với tính trễ cảm biến Nếu đại lượng đo thay đổi nhanh mà quán tính cảm biến lớn khơng thể đo xác Mọi cảm biến có tính trễ ảnh hưởng vỏ bảo vệ II.CÁC LOẠI CẢM BIẾN THÔNG DỤNG: 1.Cặp nhiệt điện : Cặp nhiệt điện dụng cụ đo nhiệt độ thường sử dụng rộng rãi công nghiệp.Cơ sở chế tạo cặp nhiệt điện dựa nguyên lý sau:  Hiệu ứng Thomson: qua dây dẩn có dịng điện I hiệu nhiệt dây T1-T2 có hấp thụ hay tỏa nhiệt  Hiệu ứng Pentier: có dịng điện qua mối nối hai dây dẫn vị trí mối nối có hấp thụ hay tỏa nhiệt  Hiệu ứng Seebeck: dây dẫn , có chênh lệch nhiệt độ điểm điểm xuất suất điện động  Định luật Macmut: mạch điện kín dây dẫn đồng phân bố nhiệt độ sao, suất điện động tổng cộng mạch không  Nguyên tắc: Nguyên tắc cấu tạo cặp nhiệt điện dựa theo sở thực nghiệm sau: GVHD TS:(cô)Nguyễn Thị Phương Hà  10 SV:Võ Quang Hậu