Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) NHIỆM VỤ THIẾT KẾ - NHÓM 10 Điều khiển hiển thị lưu lượng khí nạp Led đoạn Đề tài : (dùng cảm biến loại dây sấy, ADC, ) Phần 1: Bản vẽ sản phẩm thiết kế 1.1 Bản vẽ quy trình công nghệ hệ thống thiết kế lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống 1.2 Bản vẽ sơ đồ mạch điện thiết kế 1.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển Phần 2: Thuyết minh Thuyết minh đồ án từ 25 đến 30 trang với hình thức trình bày rõ ràng, theo qui định (Font: Times New Roman, Size: 13) Gồm nội dung sau: 2.1 Giới thiệu chung vi điều khiển 2.2 Khái quát quy trình công nghệ hệ thống cần thiết kế 2.3 Khảo sát linh kiện dùng vi mạch 2.4 Thiết kế vi mạch điều khiển 2.5 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển Phần 3: Mô hệ thống thiết kế Protues GVHD: Phạm Quốc Thái Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) I Giới thiệu chung vi điều khiển: Vi điều khiển máy tính tích hợp chip, thường sử dụng để điều khiển thiết bị điện tử Về thực chất vi điều khiển vi xử lý kết hợp với thiết bị ngoại vi khác nhớ, môđun vào/ra, môđun biến đổi số sang tương tự tương tự sang số… Những thành phần vi điều khiển bao gồm lõi CPU, nhớ chương trình (ROM), nhớ liệu (RAM), vài định thời cổng vào để giao tiếp với thiết bị ngoại vi, với môi trường bên ngoài, tất khối thiết kế vi mạch tích hợp Các vi điều khiển thông dụng: họ vi điều khiển AMCC, họ vi điều khiển ATMEL, FUJITSU, Microchip, Intel… Hiện nay, họ vi điều khiển 8051 Intel sử dụng phổ biến Bộ vi điều khiển có 128 byte RAM, 4Kbyte ROM chip, hai định thời, cổng nối tiếp cổng vào tất đặt chip Vi điều khiển 8051 xử lý bit, nghĩa CPU làm việc với bit thời điểm Dữ liệu lớn bit chia thành liệu bit để xử lý Vi điều khiển 8051 có cổng vào ra, cổng rộng bit Khái quát vi điều khiển 1.1 Cấu trúc phần cứng AT89C51 AT89C51 họ IC vi điều khiển hãng Intel Mỹ sản xuất Chúng có đặc điểm sau: +8 KB EPROM bên +128 Byte RAM nội +4 Port xuất/nhập I/O bit +Giao tiếp nối tiếp +64 KB vùng nhớ mã +64 KB vùng nhớ liệu +Xử lí Boolean (hoạt động bit đơn) +210 vị trí nhớ định vị bit +4 µs cho hoạt động nhân chia GVHD: Phạm Quốc Thái Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) Sơ đồ khối AT89C51: 1.2 Cấu trúc bên vi điều khiển Tổ chức nhớ: GVHD: Phạm Quốc Thái Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) Bảng đồ nhớ data chip sau: GVHD: Phạm Quốc Thái Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) Bộ nhớ bên AT89C51 bao gồm ROM RAM RAM AT89C51 gồm nhiều thành phần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa hóa bit, bank ghi ghi chức đặc biệt AT89C51 có nhớ theo cấu trúc Harvard: có vùng nhớ riêng biệt cho chương trình liệu Chương trình liệu chứa bên AT89C51 AT89C51 kết nối với 64Kbyte nhớ chương trình 64 Kbyte liệu Hai đặc tính cần ý là: + Các ghi port xuất nhập định vị nhớ truy xuất trực tiếp giống địa nhớ khác + Ngăn xếp bên RAM nội nhỏ so với Ram ngoại RAM bên AT89C51 phân chia sau + Các bank ghi có địa từ 00H đến 1FH GVHD: Phạm Quốc Thái Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) + RAM địa hóa bit có địa từ 20H đến 2FH + RAM đa dụng từ 30H đến 7FH + Các ghi chức đặc biệt từ 80H đến FFH Khảo sát vi điều khiển 8051 Mạch điều khiển Led ma trận IC 89C51 gồm linh kiện sau: 2.1 IC AT89C51 Đây điều khiển trung tâm điều khiển hoạt động mạch nơi lưu giữ chương trình cho mạch Sơ đồ chân: - IC AT89C51 có đặc trưng: ROM - 4Kbyte, RAM - 128byte, có tất 40 chân có chức đường xuất nhập, có 24 chân có tác dụng kép (có nghĩa chân có chức năng), đường hoạt động đường xuất nhập đường điều khiển thành phần bus liệu bus địa chỉ, hai định thời/đếm 16 bit, mạch tạo dao động tạo xung clock chip - Mô tả chân IC AT89C51: * Chân 40, Vcc: chân cung cấp điện, nối lên nguồn 5V; * Chân 20, GND: chân nối đất; * Chân 32 – 39, Port 0: port xuất nhập bit hai chiều, cấu hình làm bus địa (byte thấp) làm bus liệu đa hợp xuất nhập nhớ liệu nhớ chương trình * Chân – 8, Port 1: port xuất nhập bit hai chiều có điện trở kéo lên bên Khi logic ghi lên chân port 1, chân kéo GVHD: Phạm Quốc Thái Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) lên mức cao điện trở kéo lên bên sử dụng cổng vào Khi làm nhiệm vụ port nhập, chân port kéo xuống mức thấp tác động bên cấp dòng có điện trở kéo lên bên * Chân 21 – 28, Port 2: port xuất nhập bit hai chiều có điện trở kéo lên bên Khi logic ghi lên chân port 2, chân sử dụng cổng vào Khi làm nhiệm vụ port nhập, chân port kéo xuống mức thấp tác động bên cấp dòng có điện trở kéo lên bên Port tạo byte cao bus địa thời gian tìm nạp lệnh từ nhớ chương trình ngoài, thời gian truy xuất nhớ liệu sử dụng địa 16 bit * Chân 10 – 17, Port 3: port xuất nhập bit hai chiều có điện trở kéo lên bên Khi logic ghi lên chân port 3, chân kéo lên mức cao điện trở kéo lên bên sử dụng cổng vào Khi làm nhiệm vụ port nhập, chân port kéo xuống mức thấp tác động bên cấp dòng có điện trở kéo lên bên Port sử dụng làm chức khác như: * Chân P3.0 : ngõ vào port nối tiếp * Chân P3.1 : ngõ port nối tiếp * Chân P3.2 : ngõ vào ngắt * Chân P3.3 : ngõ vào ngắt * Chân P3.4 : ngõ vào bên định thời * Chân P3.5 : ngõ vào bên bọ định thời * Chân P3.6 : điều khiển ghi nhớ liệu * Chân P3.7 : điều khiển đọc nhớ liệu * Chân 9, RST: Ngõ vào Reset Mức cao chân chu kì máy dao động hoạt động reset AT89C51 GVHD: Phạm Quốc Thái Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) * Chân 19, XTAL1: Ngõ vào đến mạch khuyếch đại đảo mạch dao động ngõ vào đến mạch tạo xung clock bên chip * Chân 18, XTAL2: Ngõ từ mạch khuyếch đại đảo mạch dao động Để tạo mach dao động cho AT 89C51 ta sử dụng linh kiện hai tụ C 1=C2=30pF, thạch anh dao động có tần số 12 MHz * Chân 29, ngõ tín hiệu PSEN: PSEN tín hiệu ngõ có tác dụng cho phép đọc nhớ chương trình mở rộng thường nói đến chân OE EPROM cho phép đọc byte mã lệnh PSEN mức thấp thời gian Microcontroller 8051 lấy lệnh Các mã lệnh chương trình đọc từ Eprom qua bus liệu chốt vào ghi lệnh bên 8951 để giải mã lệnh Khi 89C51 thi hành chương trình ROM nội, PSEN mức logic * Chân 30, ngõ tín hiệu điều khiển ALE: 89C51 truy xuất nhớ bên ngoài, port có chức bus liệu, phải tách đường liệu địa Tín hiệu ALE dùng làm tín hiệu điều khiển để giải tín hiệu đa hợp đường địa kết nối chúng với IC chốt Tín hiệu chân ALE xung khoảng thời gian port đóng vai trò địa thấp nên chốt địa hoàn toàn tự động Các xung tín hiệu ALE có tốc độ 1/6 tần số dao động chip dùng làm tín hiệu clock cho phần khác hệ thống Chân ALE dùng làm ngõ vào xung lập trình cho Eprom AT89C51 * Chân 31, ngõ tín hiệu vào AE: thường mắc lên mức Nếu mức 1, AT89C51 thi hành chương trình từ ROM nội khoảng địa thấp Kbyte Nếu mức 0, AT89C51 thi hành chương trình tự nhớ mở rộng Chân EA lấy làm chân cấp nguồn 21V lập trình cho Eprom AT89C51 2.2 Các ghi chức đặc biệt 2.2.1 Các ghi port xuất nhập GVHD: Phạm Quốc Thái Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) Các port 8051 bao gồm port địa 80H, port địa A0H port địa B0H Tất port địa hóa bit Điều cung cáp khả giao tiếp thuận lợi 2.2.2 Các ghi timer Vi điều khiển 8051 có đếm/định thời (counter /timer) 16 bit để xác định khoảng thời gian để đếm kiện Bộ định thời có địa 8AH (TL0, byte thấp) 8CH (TH0, byte cao); định thời có địa 8BH (TL1, byte thấp ) 8DH (TH0, byte cao) Hoạt động định thời thiết lập ghi chế độ định thời TMOD (timer mode register) địa 89H, ghi điều khiển định thời TCON (timer control register) địa 88H Chỉ có TCON định địa bit 2.2.3 Các ghi port nối tiếp Bên 8051 có port nối tiếp để truyền thông với thiết bị nối tiếp thiết bị đầu cuối modem, để giao tiếp với IC khác có mạch giao tiếp nối tiếp Một ghi gọi đếm liệu nối tiếp SBUF địa 99H lưu giữ liệu truyền liệu nhận Việc ghi lên SBUF nạp liệu để truyền việc đọc SBUF lấy liệu nhận Các chế độ hoạt động khác lập trình thông qua ghi điều khiển port nối tiếp SCON địa 98H, ghi định địa bit 2.2.4 Các ghi ngắt Vi điều khiển 8051 có cấu trúc ngắt với mức ưu tiên nguyên nhân ngắt Các ngắt bị vô hiệu hóa sau reset hệ thống sau phép cách ghi vào ghi cho phép ngắt IE địa A8H Mức ưu tiên ngất thiết lập qua ghi ngắt IP địa B8H Cả ghi định địa bit 2.2.5 Thanh ghi điều khiển nguồn Thanh ghi điều khiển nguồn PCON có địa 87H chứa bit điều khiển Bit SMOD tăng gấp đôi tốc độ port nối tiếp port hoạt động chế độ GVHD: Phạm Quốc Thái Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) 1, 2, Các bit 4, 5, PCON không định nghĩa Các bit 2, bit cờ đa mục đích dành cho ứng dụng người sử dụng Các bit điều khiển nguồn, nguồn giảm PD nghỉ IDL, hợp lệ tất chip thuộc họ MCS-51, dược thực phiên CMOS MCS-51 PCON không định địa bit 2.2.6 Lệnh RESET Vi điều khiển 8051 reset cách giữ chân RST mức cao tối thiểu chu kỳ máy sau chuyển mức thấp RST tác động tay tác động cấp nguồn cách dùng mạch RC trình bày hình Quan trọng ghi có lẽ ghi PC, nạp 0000H Khi RST trở lại mức thấp, việc thực thi chương trình luôn bắt đầu vị trí nhớ chương trình: địa 0000H Nội dung Ram chip không bị ảnh hưởng hoạt động reset Thanh ghi Nội dung Bộ đếm chương trình 0000H Thanh chứa A 00H Thanh ghi B 00H PSW 00H SP 07H DPTR 0000H Port - FFH IP xxx00000B(8031/8051) IE 0xx00000B(8031/8051) Các ghi định thời 00H SCON 00H GVHD: Phạm Quốc Thái 10 Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) Trong trường hợp cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây sấy, dòng điện biến đổi thành điện áp, sau truyền đến ECU động từ cực VG 3.3 Cấu tạo bên Trong cảm biến lưu lượng khí nạp thực tế, trình bày hình minh họa, dây sấy ghép vào mạch cầu Mạch cầu có đặc tính điện điểm A B Khi dây sấy (Rh) làm mát không khí nạp, nhiệt độ giảm xuống, điện trở tăng lên dẫn đến hình thành độ chênh điện điểm A B (sự cân cầu điện trở) Một khuyếch đại xử lý (mạch điều chỉnh) phát chênh lệch tự thay đổi cường độ dòng điện đốt nóng dấy sấy (Rh) để thiết lập lại cân ban đầu Như vậy, có quan hệ cường độ dòng điện đốt nóng dây sấy lưu lượng khí nạp Cường độ dòng điện đốt nóng dây sấy khoảng từ 500 – 1200 mA Khi thực việc này, nhiệt độ dây sấy (Rh) lại tăng lên dẫn đến việc tăng tương ứng điện trở điện điểm A B trở nên (các điện áp điểm A B trở nên cao hơn) Bằng cách sử dụng đặc tính loại mạch cầu này, cảm biến lưu lượng khí nạp đo khối lượng không khí nạp cách phát điện áp điểm B Quá trình điều chỉnh thực nhanh (vài ms), dây sấy có kích thước nhỏ Từ đó, cảm biến lưu lượng loại có ưu điểm quan trọng là: xung động áp suất đường nạp, chế độ toàn tải, tần số lớn GVHD: Phạm Quốc Thái 16 Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) thời gian đáp ứng cầu đo không gây ảnh hưởng đến phép đo lưu lượng Vì cảm biến lưu lượng loại làm việc ổn định Trong hệ thống này, nhiệt độ dây sấy (Rh) trì liên tục nhiệt độ không đổi cao nhiệt độ không khí nạp, cách sử dụng nhiệt điện trở (Ra) Do đó, đo khối lượng khí nạp cách xác nhiệt độ khí nạp thay đổi, ECU động không cần phải hiệu chỉnh thời gian phun nhiên liệu theo thay đổi nhiệt độ không khí nạp Ngoài ra, mật độ không khí giảm độ cao lớn, khả làm nguội không khí giảm xuống Do mức làm nguội cho dây sấy giảm xuống Nhưng lúc khối khí nạp phát giảm xuống, nên không cần phải hiệu chỉnh mức bù cho vị trí độ cao lớn III Qui trình công nghệ hệ thống thiết kế Thiết kế phần cứng Viết chương trình điều khiển Kiểm tra hoạt động chương trình mô Tiến hành làm mạch thực tế 3.1 Thiết kế phần cứng Nắm vững nguyên lý làm việc hệ thống cần thiết kế GVHD: Phạm Quốc Thái 17 Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) Liệt kê linh kiện cần thiết hệ thống Sử dụng chương trình mô Proteus, lập thành vẽ phần cứng theo yêu cầu 3.2 Viết chương trình điều khiển Sau nắm rõ nguyên lý hoạt động chương trình hiển thị lưu lượng khí nạp led đoạn dùng cảm biến lưu lương, ta tiến hành viết lưu đồ thuật toán cho chương trình Tiến hành viết chương trình điều khiển ngôn ngữ Acsembly để điều khiển họ Vi điều khiển 8051, sử dụng công cụ soạn thảo 8051 IDE để viết chương trình Biên dịch chương trình sang mã máy 3.3 Kiểm tra hoạt động chương trình mô Từ hệ thống phần cứng mô phỏng, nạp chương trình biên dịch vào để kiểm tra hoạt động chương trình viết Nếu chưa ổn định tiến hành kiểm tra lại toàn lại 3.4 Tiến hành làm mạch thực tế: Khi chương trình mô ổn định thì, ta làm mạch in, mua linh kiện, sau tiến hành lắp ráp IV Khảo sát linh kiện dùng mạch mô 4.1 Điện trở: Loại điện trở than ép 1k Mạch nguồn, dùng để hạn dòng cho LED báo nguồn 10k Mạch reset 330Ω Điện trở làm nhiệm vụ phân cực cho transistor khuếch đại C828 GVHD: Phạm Quốc Thái 18 Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) 3.2 Tụ điện: Tụ phân cực 1000μF, 100V Có nhiệm vụ lọc nguồn 10μF, 50V Mạch reset Tụ không phân cực, gồm có: + Tụ gốm 104pF làm nhiệm vụ lọc nguồn + Tụ gốm 33pF mạch dao động cho IC89C51 Điện dung C : cho biết khả phóng điện tụ Hiệu điện U: cho biết điện áp đánh thủng tụ 3.3 Chip AT89C51: Sử dụng chip AT89C51 hãng ATMEL sản suất 3.4 Thạch anh: 11.0592 12Hz GVHD: Phạm Quốc Thái Mạch tạo dao động 19 Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) 3.5 Transito Khuyếch đại dòng điện loại A1015 Hình dạng: 3.6 Điot Chỉ hoạt động dẫn dòng điện từ cực A sang cực K Điot mắc dương nguồn có nhiệm vụ ngăn tượng cắm ngược gây hỏng chip 1A, 2A 5A Và loại điot cầu: GVHD: Phạm Quốc Thái 20 Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) Dùng để chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp chiều, điot cầu chỉnh lưu nửa chu kì KBP 208 3.7 Đèn báo nguồn: Loại điot quang, có màu đỏ, U=5V Kí hiệu hình dạng: a: anot(+) k: katot(-) 3.8 Led đoạn: Loại Anot chung GVHD: Phạm Quốc Thái 21 Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) V Hệ thống vi mạch thiết kế Hê thống hiển thị lưu lượng khí nhờ cảm biến lưu lượng Tín hiệu điện áp tương tự từ cảm biến lưu lượng đưa vào chuyển đổi ADC Từ ADC tín hiệu số đưa vào vi điều khiển tính toán thông số sau xuất hiển thị led đoạn GVHD: Phạm Quốc Thái 22 Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) VI Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển 5.1 Lưu đồ thuật toán Bắt đầu CT nhận tín hiệu CT đổi tín hiệu CT đưa tín hiệu sang mã led CT hiển thị CT Nhận tín hiệu Xóa nội dung A, P1 Bật CS =1 Đưa xung thấp lên cao chân WR INT = Đưa RD xung cao xuống thấp A [...]... chung GVHD: Phạm Quốc Thái 21 Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) V Hệ thống vi mạch thiết kế Hê thống hiển thị lưu lượng khí nhờ cảm biến lưu lượng Tín hiệu điện áp tương tự từ cảm biến lưu lượng được đưa vào bộ chuyển đổi ADC Từ ADC tín hiệu số được đưa vào vi điều khiển tính toán các thông số sau đó xuất hiển thị ra led 7 đoạn GVHD: Phạm Quốc Thái 22 Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) VI Lưu đồ thuật. .. 12h ... chia GVHD: Phạm Quốc Thái Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) Sơ đồ khối AT89C51: 1.2 Cấu trúc bên vi điều khiển Tổ chức nhớ: GVHD: Phạm Quốc Thái Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) Bảng đồ nhớ... vào vi điều khiển tính toán thông số sau xuất hiển thị led đoạn GVHD: Phạm Quốc Thái 22 Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) VI Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển 5.1 Lưu đồ thuật toán Bắt.. .Đồ án Vi điều khiển Nhóm 10 (VDK 2) I Giới thiệu chung vi điều khiển: Vi điều khiển máy tính tích hợp chip, thường sử dụng để điều khiển thiết bị điện tử Về thực chất vi điều khiển vi xử