Mạch khống chế nhiệt độ 2. SƠ LƯỢC VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI AD Tín hiệu trong thế giới thực thường ở dạng tương tự (analog), nên mạch điều khiển thu thập dữ liệu từ đối tượng điều khiển về (thông qua các cảm biến) cũng ở dạng tương tự. Trong khi đó, bộ điều khiển ngày nay thường là các μP, μC xử lý dữ liệu ở dạng số (digital). Vì vậy, cần phải chuyển đổ i tín hiệu ở dạng tương tự thành tín hiệu ở dạng số thông qua bộ biến đổi AD. Có nhiều phương pháp biến đổi AD khác nhau, ở đây chỉ giới thiệu một số phương pháp điển hình. 2.1. Biến đổi AD dùng bộ biến đổi DA. Trong phương pháp này, bộ biến đổi DA được dùng như một thành phần trong mạch. Khoảng thời gian biến đổi được chia bởi nguồn xung clock bên ngoài. Đơn vị điều khiển là một mạch logic cho phép đáp ứng với tín hiệu Start để bắt đầu biến đổi. Khi đó, OPAMP so sánh hai tín hiệu vào analog để tạo ra tín hiệu digital biến đổi trạng thái của đơn vị điều khiển phụ thuộc vào tín hi ệu analog nào có giá trị lớn hơn. Bộ biến đổi hoạt động theo các bước : • Tín hiệu Start để bắt đầu biến đổi. • Cứ mỗi xung clock, đơn vị điều khiển sửa đổi số nhị phân đầu ra và đưa vào lưu trữ trong thanh ghi. • Số nhị phân trong thanh ghi được chuyển đổi thành áp analog v AX qua bộ biến đổi DA. • OPAMP so sánh v AX với điện áp đầu vào v A . Nếu v AX < v A thì đầu ra ở mức cao, còn ngược lại, nếu v AX vượt qua v A một lượng v T (áp ngưỡng) Mạch khống chế nhiệt độ thì đầu ra ở mức thấp và kết thúc quá trình biến đổi. Ở thời điểm này, v AX được xấp xỉ bằng v A số nhị phân chứa trong thanh ghi chính l giá trị digital xấp xỉ của v A (theo một độ phân giải và chính xác nhất định của từng hệ thống). • Đơn vị điều khiển kích hoạt tín hiệu EOC, báo rằng được kết theo quá trình biến đổi. Dựa theo phương pháp này, có nhiều bộ biến đổi như sau : 2.2. Giới thiệu về IC ADC 0804 Bộ ADC 0804 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi từ tương tự sang số 8 bit, bộ chọn 1 kênh với một bộ logic điều khiển tương thích. Bộ chuyển đổi AD 8 bit này dùng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ tiếp. Thiết bị này loại trừ khả năng cần thiết điều chỉnh điểm 0 bên ngoài và khả năng đi ều chỉnh tỉ số làm tròn ADC 0804 dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý. • Sơ đồ chân ADC 0804: + - v A Đầu vào analog Counter Bộ biến đổi DA . . . v AX Kết quả digital So snh OPAMP EOC Start Clock Reset Clock v AX Start v A EOC t C Khi chuyển đổi hoàn tất, counter ngừng đếm Mạch khống chế nhiệt độ Chức năng các chân: CS: Ngõ vào cho phép RD,WR: Đọc ghi INTR :cho phép chốt địa chỉ DB 0 …DB 7 : ngõ ra song song 8 bit CLK : xung đồng hồ VREF : điện thế tham chiếu V in+ , V in- : ngõ vào tương tự VCC, GND: nguồn cung cấp Các đặc điểm của ADC 0804: Độ phân giải 8 bit . Tổng sai số chưa chỉnh định ± ½ LSB; ± 1 LSB . Thời gian chuyển đổi: 100μs ở tần số 640 kHz . Nguồn cung cấp + 5V . Điện áp ngõ vào 0 – 5V . Tần số xung clock 10kHz – 1280 kHz . Nhiệt độ hoạt động - 40 o C đến 85 o C Mạch khống chế nhiệt độ . Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý hoặc dùng riêng . Không cần điều chỉnh zero hoặc đầy thang Nguyên lý hoạt động: ADC 0804 có 1 vào tương tự để chuyển đổi sang số 8 bit. Sau khi kích xung start thì bộ chuyển đổi bắt đầu hoạt động ở cạnh xuống của xung INTR, lúc này bit cơ trọng số lớn nhất (MSB) được đặt lên mức 1, tất cả các bit còn lại ở mức 0, đồng thời tạo ra đi ện thế có giá trị Vref/2, điện thế này được so sánh với điện thế vào in. + Nếu Vin > Vref/2 thì bit MSB vẫn ở mức 1. + Nếu Vin < Vref/2 thì bit MSB vẫn ở mức 0. Tương tự như vậy bit kế tiếp MSB được đặt lên 1 và tạo ra điện thế có giá trị Vref/4 và cũng so sánh với điện áp ngõ vào Vin. Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khi xác định được bit cuối cùng. Khi đó chân INTR lên mức 1 báo cho bi ết đã kết thúc chuyển đổi. Trong suốt quá trình chuyển đổi nếu có 1 xung start tác động thì ADC sẽ ngưng chuyển đổi. Mã ra N cho một ngõ vào tùy ý là một số nguyên. )()( )( ).(256 −+ − − − = refref refIN VV VV N Trong đó V in : điện áp ngõ vào hệ so sánh. V ref(+): điện áp tại chân REF(+). V ref(-): điện áp tại chân REF(-). Nếu chọn V ref(-) = 0 thì N = 256. V ref(+) = V cc = 5V thì đầy thang là 256. • Mạch tạo xung clock cho ADC 0804: Sử dụng mạch dao động dùng RC để tạo dao động cho ADC như sau: )(+ref in V V C1 100p R1 10K Mạch khống chế nhiệt độ Tần số dao động của mạch là f = RC1.1 1 Tần số dao động chuẩn là 600 kHz đến 700Khz Với R từ 1kΩ đến vài chục kΩ chọn R =15 kΩ ⇒ C = 100 pF => f = 93 10.100.10.15 1 − = 667Khz Từ những điều trên ta kết luận rằng các bước cần phải thực hiện khi chuyển đổi dữ liệu bởi ADC0804 là: 9 Bật CS = 0 và gửi một xung thấp lên cao tới chân WR để bắt đầu chuyển đổi. 9 Duy trì hiển thị chân I NTR . Nếu I NTR xuống thấp thì việc chuyển đổi được hoàn tất và ta có thể sang bước kế tiếp. Nếu I NTR cao tiếp tục thăm dò cho đến khi nó xuống thấp. 9 Sau khi chân I NTR xuống thấp, ta bật CS = 0 và gửi một xung cao xuống thấp đến chân R D để lấy dữ liệu ra khỏi chip ADC0804. Phân chia thời gian cho quá trình này được trình bày như hình 8. Hình 8: Phân chia thời gian đọc và ghi của ADC0804 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 1.SƠ ĐỒ KHỐI Mạch khống chế nhiệt độ Hệ hoạt động theo chương trình đã nạp trên ROM , qua sự điều khiển của MCU 8051 phần cảm biến nhiệt đặt ở nơi ta muốn đo, nó sẽ đọc 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 trình được nạp trên ROM và tín hiệu nhận được, MCU cho phép thiết bị ngo ại vi hoạt động như : hiển thị giá trị nhiệt độ tương ứng điều khiển nhiệt độ thích hợp. 2 .SƠ LƯỢC CHỨC NĂNG CÁC BỘ PHẬN -Vi xử lý 8051 là phần tử chính xử lý các thông tin nhập vào và đưa ra các quyết định điều khiển. - Phím là bộ phận giao tiếp ngoại vi, cho phép nhập các thông số bằng tay. - Mạch hiển thị, hiển thị các giá trị đặt và giá trị đo. - Mạch cảm biến dùng để khuyếch đaị tín hiệu và bù nhiệt. - Mạch công suất dùng để đóng mở nguồn công suất. 3.SƠ ĐỒ CHI TIẾT CÁC KHỐI 3.1.Thiết kế phím : Gồm 3 phím: - Phím tăng - Phím giảm - Phím chức năng - Phím thoát Mạch khống chế nhiệt độ Hình 9. Các phím nhấn 3.2. Khối mạch cảm biến nhiệt • Tính toán và cân chỉnh : LM335 là cảm biến nhiệt độ có thể hoạt động đến 150 o C tương ứng với nhiệt độ 0 o K , LM335 cho ra điện áp 0V . Cứ tăng 1 o C ,điện áp ra tăng 10mV.Như vậy với 0 o C thì điện áp là 2.73V. • Xét mạch khuếch đại trừ : Gọi V i1 = V OUT 1 là áp ngõ vào đảo của U 3 , V i2 = V OUT2 áp ngõ vào không đảo của U 3 . Áp dụng phương pháp xếp chồng cho từng kích thích ngõ vào ,ngắn mạch ngõ vào còn lại ta được : Trong trường hợp này ta chọn R 5 =R 6 và R 4 =R 3 thì V o được viết lại như sau SW2 VCC SW1 P2.7 P2.4 SW1 P2.6 P2.5 R SW1 VCC VCC VCC -VCC - + U3 OP-07 3 2 6 7 1 4 8 R2 20K D1 LM 335 C7 10UF -VCC R6 20K -VCC - + U6 OP-07 3 2 6 7 1 4 8 VCC R2 39K - + U1 OP-07 3 2 6 7 1 4 8 J2 CON2 1 2 R3 10K VCC C3 10UF R4 10K R8 100K R5 20K Mạch khống chế nhiệt độ Suy ra điện áp ngõ ra sẽ thay đổi A *10mV khi nhiệt độ thay đổi 1 o C .độ phân giải cần là 1 o C nên điện áp thay đổi khi nhiệt độ thay đổi 1 o C,phải bằng độ phân giải của AD0804 : A v *10mV = 19.6mV =>A v = 1.96 =>Chọn R 5 = 20 K và R 3 = 10K • Cân chỉnh : Chỉnh VR 1 sao cho V I của U 3 =2.73 + 0.01* t o C Nhưng trong thực tế để chính xác ,nhúng LM335 vào nước đá đang tan (0 o C) . Chỉnh VR2 sao cho V 2 của U 2 = 2.73V. • Thiết kế bộ cảm biến nhiệt : Tầm làm việc trong hệ thống mạch từ 0 ÷150 o C. Để đo nhiệt độ chính xác phải có các đầu đo đặc biệt. Đầu đo dưới dạng vi mạch LM335 là một đầu đo đơn giản và chính xác với giá thành lại rẻ .LM335 có độ biến thiên điện áp theo nhiệt độ là 10mV/ K ,có một dãy độ chính xác khá cao và cảm biến nhiệt tốt ở nhiệt độ 25 o C có độ sai số nhỏ hơn 1 o C.với tầm đo từ nhiệt độ 0 ÷100 o C, ngõ ra của cảm biến này tuyến tính. • Các tính chất của cảm biến LM335 : Chia độ trực tếp theo o K Độ chính xác ban đầu là 1 o C Trở kháng động < 1Ω Tầm nhiệt độ rộng . Khoảng đo 150 o C • Tầm tuyệt đối lớn nhất : Dòng ngược 15mA Dòng thuận 10mA Điện áp hoạt động ngõ ra ở điều kiện T C =25 o C, I R =1nA tương ứng 2.92 ÷ 3.04V có: 400μA < I R < 5mA. 400μA < R V 0 5 − < 5 mA Mạch khống chế nhiệt độ mA V 5 5 0 − < R < A V μ 400 5 0 − Vì: 2,73V ≤ V o ≤ 3,73V Nên: 254 < R < 5,7 k (1) Mặt khác, theo thông số của nhà sản xuất điện áp trên LM335 tại T c = 25 o C, I R = 1mA thì V o = 2,98 (V), ta có: 400μA < R 98,25 − < 5mA (2) Từ (1) và (2): chọn R = 2,2 kΩ chọn biến trở chỉnh offset VR = 15 kΩ. Sai số nhiệt ở 25 o C ở điều kiện T min <T C <T max <= > 1 ÷ 2 o C Điện áp ngõ ra hoạt động ở điều kiện 400µA<I R <5mA thì tương ứng từ 3 ÷ 14mV. Theo thông số của nhà sản xuất IC LM335 có độ biến thiên điện áp như sau: 0 o C (273 o K ) áp ra 2.73V 5 o C (278 o K ) áp ra 2.78V 25 o C (298 o K ) áp ra 2.98V 50 o C (323 o K ) áp ra 3.23V 100 o C (373 o K ) áp ra 3.73V Tầm biến thiên điện áp tương ứng với nhiệt độ từ 0 o C - 100 o C là 1V Điện áp ra từ bộ cảm biến LM335 theo công thức: V out = 0,01 x T o K = 2,73 + 0,01T o C. Ta V out VR +5V LM335 Mạch khống chế nhiệt độ 3.3. Sơ đồ nguyên lý tổng quát G U4 ADC0804 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 4 5 1 2 3 +IN -IN AGND VREF/2 GND DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 CLKR VCC/VREF CLKIN INTR CS RD WR F SW1 B C G VCC C DP R9 100K -VCC E D VCC C DP B A CAF G C VCC P2.7 P3.2 E D VCC C DP B A CAF G D P2.4 P2.0 D - + U1 OP-07 3 2 6 7 1 4 8 -VCC SW1 P3.7 G E P3.0 - + U3 OP-07 3 2 6 7 1 4 8 D2 LED F R10 10K U1 89C51 29 30 40 20 31 19 18 9 39 38 37 36 35 34 33 32 1 2 3 4 5 6 7 8 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 PSEN ALE VCC GND EA X1 X2 RST P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD U3B 7400 4 5 6 147 MUC THAP B C8 150p P3.2 VCC P2.2 A -VCC C6 CAP NP C7 10UF P2.6 C VCC VCC B P2.3 P2.0 R4 10K J3 CON1 1 12MHZ VCC P2.2 DP C P2.4 A J2 CON4 1 2 3 4 MUC CAO P2.3 D1 LM 335 D P3.7 E P3.1 VCC DP E E D VCC C DP B A CAF G VCC F P2.5 R5 20K -VCC P3.6 P3.6 VCC J1 CON1 1 VCC VCC A P2.6 R7 R P2.1 Q1 NPN BCE VCC R P3.1 C9 CAP C3 10UF DP R2 39K DP SW1 R2 R VCC G R1 R E D VCC A SW1 B R3 10K VCC VCC SW2 SW PUSHBUTTON LS1 RELAY DPST 4 3 6 5 1 2 P2.7 VCC U3A 7400 1 2 3 147 R2 R2 20K P3.0 VCC B Q4 A1015 Q1 A1015 Q3 A1015 VCC P3.3 P2.5 F F D 330 X 8 J3 CON3 1 2 3 Q2 A1015 P2.1 E D VCC C DP B A CAF G G - + U6 OP-07 3 2 6 7 1 4 8 R6 39K A E D1 DIODE VCC P3.3 [...]... ĐẶT TO >= TOMIN Y N N GIẢM to ĐẶT HIỂN THỊ Mạch khống chế nhiệt độ HIỂN THỊ 1.2.Giải thuật chương trình đọc A/D và chương trình đổi số nhị phân ra BCD: 1.3.Giải thuật xuất led: Mạch khống chế nhiệt độ 1.4.Giải thuật chương trình so sánh và điều khiển: START So sánh nhiệt độ đặt với nhiệt độ hiện tại Cấp nguồn cho phần công suất Thoát Mạch khống chế nhiệt độ 1.5.Giải thuật chương trình tăng giảm: START... trình tăng giảm: START NHẤN NÚT N Y Y Tăng 1 đơn vị Nhấn Tăng N _ Giảm 1 đơn vị Y Nhấn Giảm N Gọi Chương Trình Hiển Thị Mạch khống chế nhiệt độ 2.Chương trình phần mềm : $MOD51 CS RDD WRITE INTR RELAY1 RELAY2 ORG MOV MOV BIT BIT BIT BIT BIT BIT P3. 0 P3. 1 P3. 2 P3. 3 P3. 7 P3. 6 00H 60H,#35 61H,#45 MAIN: MOV CLR CLR DOCNHIETDO: JNB CLR LCALL MOV CJNE JC CJNE JNC SETB SETB SJMP X1: CLR SJMP X2: CLR... B,#10 DIV AB MOVC A,@A+DPTR MOV 27H,A MOV A,B MOVC A,@A+DPTR MOV 26H,A MOV A,10H MOVC A,@A+DPTR MOV 25H,A MOV 24H,#09H RET SO: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H END Mạch khống chế nhiệt độ Mạch khống chế nhiệt độ ... P0,27H MOV P2,#0111B LCALL DELAY MOV P2,#0FFH RET DELAY: MOV DJNZ RET DELAYSCAN: PUSH CLR SETB MOV MOV DANGTRINH: MOV MOV SETB 32H,#50 32H,$ 00H WRITE WRITE TMOD,#01H R0,#20 TH0, #-2 50H TL0, #-2 50H TR0 Mạch khống chế nhiệt độ HIEN: LCALL HTHI JNB TF0,HIEN CLR TF0 CLR TR0 DJNZ R0,DANGTRINH POP 00H RET CHONGDOI: MOV R0,#2 DJNZ R0,$ RET ;****************************** GIAIMACHULL: MOV B,#10 DIV AB MOV 10H,B... GIAIMACHULL DELAYSCAN P2.6,TANG P2.5,GIAM P2.4,DOCNHIETDO P2.7,HIEUCHINH2 HIEUCHINH1 60H HIEUCHINH1 60H HIEUCHINH1 CHONGDOI A,61H GIAIMACHUHH DELAYSCAN P2.6,TANG1 P2.5,GIAM1 P2.4,DOCNHIETDO Mạch khống chế nhiệt độ JNB P2.7,DOCNHIETDO MOV R0,7AH SJMP HIEUCHINH2 TANG1: INC 61H SJMP HIEUCHINH2 GIAM1: DEC 61H SJMP HIEUCHINH2 ;********************************************************* GIAIMABCD: MOV DIV . Mạch khống chế nhiệt độ 1.4.Giải thuật chương trình so sánh và điều khiển: START So sánh nhiệt độ đặt với nhiệt độ hiện tại Cấp nguồn cho phần công suất Thoát Mạch khống chế. thoát Mạch khống chế nhiệt độ Hình 9. Các phím nhấn 3.2. Khối mạch cảm biến nhiệt • Tính toán và cân chỉnh : LM335 là cảm biến nhiệt độ có thể hoạt động đến 150 o C. rẻ .LM335 có độ biến thiên điện áp theo nhiệt độ là 10mV/ K ,có một dãy độ chính xác khá cao và cảm biến nhiệt tốt ở nhiệt độ 25 o C có độ sai số nhỏ hơn 1 o C.với tầm đo từ nhiệt độ 0 ÷100 o C,