ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI : MẠCH KHỐNG CHẾ NHIỆT ĐỘ GVHD: Phạm Quang Trí SVTH : Nguyễn Văn Trịnh Dương Anh Tuấn Nguyễn Thị Lệ Nhung Mạch khống chế nhiệt độ Trang LỜI NÓI ĐẦU Trong nhiều lónh vực sản xuất công nghiệp nay, ngành công nghiệp luyện kim, chề biến thực phẫm… vấn đề đo khống chế nhiệt độ đặc biệt trọng đến yếu tố định chất lượng sản phẫm Nắm tầm quan trọng vấn đề nhóm thực tiến hành nghiên cứu thiết kế hệ thống đo khống chế nhiệt độ tự động, với mong muốn giải yêu cầu trên, lấy làm đề tài tốt nghiệp cho Những kiến thức lực đạt trình học tập trường đánh giá qua đợt bảo vệ luận văn cuối khóa Vì chúng em cố gắng tận dụng tất kiến thức học trường với tìm tồi nghiên cứu, để hoàn thành tốt luận văn Những sản phẫm kết đạt ngày hôm lớn lao Nhưng thành năm học tập Là thành công chúng em trước trường Mặt dù chúng em cố gắng để hoàn thành tập luận văn thời hạn, nên không tránh khỏi thiếu sót mong q thầy cô thông cảm Chúng em mong đón nhận ý kiến đóng góp Cuối xin chân thành cảm ơn q thầy cô bạn sinh viên Nhóm sinh viên thực Văn Trịnh Anh Tuấn Lệ Nhung Mạch khống chế nhiệt độ Trang NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Mạch khống chế nhiệt độ Trang NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Mạch khống chế nhiệt độ Trang CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ VI ĐIỀU KHIỂN I.GIỚI THIỆU Bộ vi điều khiển viết tắt Micro-controller, mạch tích hợp chip lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động hệ thống Theo tập lệnh người lập trình, vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian tiến hành đóng mở cấu Trong thiết bị điện điện điện tử dân dụng, vi điều khiển, điều khiển hoạt động TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thọai, lò vi-ba … Trong hệ thống sản xuất tự động, vi điều khiển sử dụng Robot, dây chuyền tự động Các hệ thống “thông minh” vai trò hệ vi điều khiển quan trọng II.LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC BỘ VI ĐIỀU KHIỂN Bộ vi điều khiển thực ra, loại vi xử lí tập hợp vi xử lý nói chung Bộ vi điều khiển phát triển từ vi xử lí, từ năm 70 phát triển hoàn thiện công nghệ vi điện tử dựa kỹ thuật MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) , mức độ tích hợp linh kiện bán dẫn chip ngày cao Năm 1971 xuất vi xử lí bit loại TMS1000 công ty texas Instruments vừa nơi phát minh vừa nhà sản xuất Nhìn tổng thể vi xử lí có chứa chip chức cần thiết để xử lí chương trình theo trình tự, tất phận phụ trợ khác cần thiết : nhớ liệu , nhớ chương trình , chuển đổi AID, khối điều khiển, khối hiển thị, điều khiển máy in, hối đồng hồ lịch linh kiện nằm bên nối vào vi xử lí Mãi đến năm 1976 công ty INTEL (Interlligen-Elictronics) Mới cho đời vi điều khiển đơn chip giới với tên gọi 8048 Bên cạnh xử lí trung tâm 8048 chứa nhớ liệu, nhớ chương trình, đếm phát thời gian cổng vào Digital chip Các công ty khác lần lược cho đời vi điều khiển 8bit tương tự 8048 hình thành họ vi điều khiển MCS-48 (Microcontroller-sustem-48) Đến năm 1980 công ty INTEL cho đời hệ thứ hai vi điều khiển đơn chip với tên gọi 8051 Và sau hàng loạt vi điều khiển loại với 8051 đời hình thành họ vi điều khiển MCS-51 Đến họ vi điều khiển bit MCS51 có đến 250 thành viên hầu hết công ty hàng dẫn hàng đầu giới chế tạo Đứng đầu công ty INTEL nhiều công ty khác : AMD, SIEMENS, PHILIPS, DALLAS, OKI … Ngoài có công ty khác có họ vi điều khiển riêng như: Họ 68HCOS công ty Motorola Họ ST62 công ty SGS-THOMSON Họ H8 công ty Hitachi Họ pic cuả công ty Microchip III.KHẢO SÁT BỘ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 VÀ 8031: IC vi điều khiển 8051/8031 thuộc họ MCS51 có đặt điểm sau : - 4kbyte ROM (được lập trình nhà sản xuất có 8051) - 128 bit RAM - 4port I10 8bit Mạch khống chế nhiệt độ Trang - Hai định thời 16bit - Giao tiếp nối tiếp - 64KB không gian nhớ chương trình mở rộng - 64 KB không gian nhớ liệu mở rộng - xử lí luận lí (thao tác bit đơn) - 210 bit địa hóa - nhân / chia 4µs 1.Cấu trúc bên 8051 / 8031 : INT\*1 INT\*0 Điều khiển ngắt TIMER2 TIMER1 PORT nối Các ghi tiềp khác 128 byte Ram Rom 4K-8051 OK-8031 Timer1 Timer2 T1* T2* CPU Tạo dao động Các port I\O Điều khiển bus EA\ RST PSEN ALE P0 P1 P2 Port nối tiếp P3 TXD* RXD* Hình : Sơ Đồ Khối 8051 / 8031 Phần vi điều khiển 8051 / 8031 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 phép chia - Đơn vị logic học (ALU : Arithmetic Logical Unit ) - Từ trạng thái chương trình (PSW : Prorgam Status Word) - Bốn băng ghi - Con trỏ ngăn xếp - Ngoài có nhớ chương trình, giải mã lệnh, điều khiển thời gian logic Đơn vị xử lí trung tâm nhận trực tiếp xung từ giao động, có khả đưa tín hiệu giữ nhịp từ bên Mạch khống chế nhiệt độ Trang Chương trình chạy cho dừng lại nhờ khối điều khiển ngắt bên Các nguồn ngắt : biến cố bên , tràn đếm định thời giao diện nối tiếp Hai định thời 16 bit hoạt động đếm Các cổng (port0, port1, port2, port3 ) Sử dụng vào mục đích điều khiển cổng có thêm đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi với nhớ bên ngoài, để đầu nối giao diện nối tiếp, đường ngắt dẫn bên Giao diện nối tiếp có chứa truyền nhận không đồng bộ, làm việc độc lập với Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp đặt vảy rộng ấn định định thời Trong vi điều khiển 8051 / 8031 có hai thành phần quan trọng khác nhớ ghi : Bộ nhớ gồm có nhớ Ram nhớ Rom (chỉ có 8031) dùng để lưu trữ liệu mã lệnh Các ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trình xử lí Khi CPU làm việc làm thay đổi nội dung ghi 2.Chức chân vi điều khiển 40 30p 19 XTAL1 12MHz 30p 18 29 30 31 RD\ WR\ T1 T0 INT1 INT0 TXD RXD Vcc XTAL2 PSEN\ ALE EA\ RET 17 16 15 14 13 12 11 10 Vss Po.7 Po.6 Po.5 Po.4 Po.3 Po.2 Po.1 Po.0 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 32 33 34 35 36 37 38 39 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 28 27 26 25 24 23 22 21 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 20 Mạch khống chế nhiệt độ Trang Hình : Sơ Đồ Chân 8051 a.port0 : port có chức chân từ 32 đến 39 thiết kế cỡ nhỏ ( không dùng nhớ mở rộng ) có hai chức đường IO Đối với thiết kế cỡ lớn ( với nhớ mở rộng ) kết hợp kênh giữ a bus ) b.port1 : port1 port I/O chân 1-8 Các chân ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2 … dùng cho thiết bị cần Port1 chức khác, dùng giao tiếp với thiết bị c.port2 : port2 port công dụng kép chân 21 – 28 dùng đường xuất nhập byte cao bus địa thiết kế dùng nhớ mở rộng d.Port3 : port3 port công dụng kép chân 10 – 17 Các chân port có nhiều chức năng, công dụng chuyển đổi có liên hệ với đặc tín đặc biệt 8051 / 8031 bảng sau : Bit Tên Chức chuyển đổi P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 RXD TXD INTO INT1 TO T1 WR RD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp Dữ liệu phát cho port nối tiếp Ngắt bên Ngắt bên Ngõ vào timer/counter Ngõ vào timer/counter Xung ghi nhớ liệu Xung đọc nhớ liệu Bảng : Chức chân port3 e.PSEN (Program Store Enable ) : 8051 / 8031 có tín hiệu điều khiển PSEN tín hiệu chân 29 Nó tín hiệu điều khiển phép nhớ chương trình mở rộng thường nối đến chân OE (Output Enable) EPROM phép đọc bytes mã lệnh PSEN mức thấp thời gian lấy lệnh Các mã nhị phân chương trình đọc từ EPROM qua bus chốt vào ghi lệnh 8051 để giải mã lệnh Khi thi hành chương trình ROM nội (8051) PSEN mức thụ động (mức cao) f.ALE (Address Latch Enable ) : tín hiệu ALE chân 30 tương hợp với thiết bị làm việc với xử lí 8585, 8088, 8086, 8051 dùng ALE cách tương tự cho làm việc giải kênh bus địa liệu port dùng chế độ chuyển đổi : vừa bus liệu vừa búyt thấp địa chỉ, ALE tín hiệu để chốt địa vào ghi bên đầu chu kỳ nhớ Sau đó, đường port dùng để xuất nhập liệu sau chu kỳ nhớ Các xung tín hiệu ALE có tốc độ 1/6 lần tần số dao động chip dùng nguồn xung nhịp cho hệ thống Nếu xung 8051 12MHz ALE có tần số 2MHz Chỉ ngoại trừ thi hành lệnh MOVX, xung ALE bị Chân làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM 8051 g.EA (External Access) : Tín hiệu vào EA chân 31 thường mắc lên mức cao (+5V) mức thấp (GND) Nếu mức cao, 8051 thi hành chương trình từ ROM nội khoảng địa Mạch khống chế nhiệt độ Trang thấp (4K) Nếu mức thấp, chương trình thi hành từ nhớ mở rộng Khi dùng 8031, EA nối mức thấp nhớ chương trình chip Nếu EA nối mức thấp nhớ bên chương trình 8051 bị cấm chương trình thi hành từ EPROM mở rộng Người ta dùng chân EA làm chân cấp điện áp 21V lập trình cho EPROM 8051 h.SRT (Reset) : Ngõ vào RST chân ngõ reset 8051 Khi tín hiệu đưa lên múc cao (trong chu kỳ máy ), ghi 8051 tải giá trị thích hợp để khởi động hệ thống i.Các ngõ vào dao động chip : Như thấy hình , 8051 có dao động chip Nó thường nối với thạch anh hai chân 18 19 Các tụ cần thiết vẽ Tần số thạch anh thông thường 12MHz j.Các chân nguồn : 8051 vận hành với nguồn đơn +5V V cc nối vào chân 40 V ss (GND) nối vào chân 20 3.Các ghi chức đặc biệt: Các ghi nội 8051/8031 truy xuất ngầm định lệnh Ví dụ lệnh “INC A” tăng nội dung ghi tích lũy A lên Tác động ngầm định mã lệnh Các ghi 8051/8031 định dạng phần RAM chip Vì ghi có địa (ngoại trừ ghi trực tiếp, lợi đặt chúng vào RAM chip) Đó lý để 8051/0831 có nhiều ghi Cũng R0 đến R7, có 21 ghi chức đặc biệt (SFR: Special Funtion Rgister) vùng RAM nội, từ địa 80H đến FFH Chú ý hầu hết 128 địa từ 80H đến FFH không định nghóa Chỉ có 21 địa SFR định nghóa Ngoại trừ tích lũy (A) truy xuất ngầm nói, đa số SFR truy xuất dùng địa trực tiếp ý vài SFR địa hóa bit byte Người thiết kế phải thận trọng truy xuất bit byte Ví dụ lệnh sau: SETB 0E0H Sẽ Set bit ghi tích lũy, bit khác không thay đổi Ta thấy E0H đồng thời địa byte ghi tích lũy địa bit có trọng số nhỏ ghi tích lũy Vì lệnh SETB tác động bit, nên có địa bit có hiệu a Từ trạng thái chương trình: Từ trạng thái chương trình (PSW: Program Status Word) địa D0H chứa bit trạng thái bảng tóm tắt sau: Bit Ký hiệu Địa chæ Ý nghĩa PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 CY AC F0 RS1 RS0 D7H D6H D5H D4H D3H PSW.2 OV D2H Cờ nhớ Cờ nhớ phụ Cờ Bit choïn bank ghi Bit choïn bank ghi 00=bank 0; địa 00H-07H 01=bank 1: địa 08H-0FH 10=bank 2:địa 10H-17H 11=bank 3:địa 18H-1FH Cờ tràn Mạch khống chế nhiệt độ Trang PSW.1 PSW.0 P D1H D0H Dự trữ Cờ Parity chẵn Bảng : Từ trạng thái chương trình Cờ nhớ (CY) có công dụng kép Thông thường dùng cho lệnh toán học: set có số nhớ sinh phép cộng có số mượn phép trừ Ví dụ, ghi tích lũy chứa FFH, lệnh sau: ADD A,#1 Sẽ trả ghi tích lũy kết qủa 00H set cờ nhớ PSW Cờ nhớ xem ghi bit cho lệnh luận lý thi hành bit Ví dụ, lệnh AND bit 25H với cờ nhớ đặt kết qủa trở vào cờ nhớ: ANL C,25H • Cờ nhớ phụ: Khi cộng số BCD, cờ nhớ phụ (AC) set kết qủa bit thấp khoảng 0AH đến 0FH Nếu giá trị cộng số BCD, sau lệnh cộng cần có DA A( hiệu chỉnh thập phân ghi tích lũy) để mang kết qủa lớn hụn trụỷ ve taõm tửứ 0ữ9 ã Cụứ Cờ (F0)là bit cờ đa dụng dành ứng dụng người dùng • Các bit chọn bank ghi Các bit chọn bank ghi (RSO RS1) xác định bank ghi tích cực Chúng xóa sau reset hệ thống thay đổi phần mềm cần Ví dụ, ba lệnh sau cho phép bank ghi di chuyển nội dung ghi R7 (địa byte IFH) đến ghi tích lũy: SETB RS1 SETB RSO MOV A,R7 Khi chương trình hợp dịch địa bit thay cho ký hiệu “RS1” “RS0” Vậy lệnh SETB RS1 giống lệnh SETB 0D4H • Cờ Tràn Cờ tràn (OV) set lệnh cộng trừ có phép toán bị tràn Khi số có dấu cộng trừ với nhau, phần mềm kiểm tra bit để xác định xem kết qủa có nằm tầm xác định không Khi số không dấu cộng, bit OV bỏ qua Các kết qủa lớn +127 nhỏ –128 seõ set bit OV b Thanh ghi B: Thanh ghi B địa F0H dùng với ghi tích lũy A cho phép toán nhân chia Lệnh MUL AB nhân giá trị không dấu bit A B trả kết qủa 16 bit A (byte thấp) B (byte cao) Lệnh DIV AB chia A cho B trả kết qủa nguyên A phần dư B Thanh ghi B xem ghi đệm đa dụng Nó địa hóa ttừng bit địa bit FOH đến F7H c Con trỏ ngăn xếp: Con trỏ ngăn xếp (SP) ghi bit địa 81H Nó chứa địa byte liệu hành đỉnh ngăn xếp Các lệnh ngăn xếp bao gồm thao tác • Mạch khống chế nhiệt độ Trang 10 A, B, C : giải mã chọn ngõ vào -1 -8 Z đến Z : ngõ song song bit ALE : cho phép chốt địa START : xung bắt đầu chuyển đổi CLK : xung đồng hồ REF (+) : điện tham chiếu (+) REF (-) : điện tham chiếu (-) VCC : nguồn cung cấp * Các đặc điểm củaADC 0809: Độ phân giải bit Tổng sai số chưa chỉnh định ± ½ LSB; ± LSB Thời gian chuyển đổi: 100µs tần số 640 kHz Nguồn cung cấp + 5V Điện áp ngõ vào – 5V Tần số xung clock 10kHz – 1280 kHz Nhiệt độ hoạt động - 40oC đến 85oC Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý dùng riêng Không cần điều chỉnh zero đầy thang * Nguyên lý hoạt động: ADC 0809 có ngõ vào tương tự, ngõ bit chọn ngõ vào tương tự để chuyển đổi sang số bit Các ngõ vào chọn cách giải mã Chọn ngõ vào tương tự thực nhờ chân ADDA , ADDB , ADDC bảng trạng thái sau: A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 C 1 1 Ngõ vào chọn IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 Sau kích xung start chuyển đổi bắt đầu hoạt động cạnh xuống xung start, ngõ EOC xuống mức thấp sau khoảng xung clock (tính từ cạnh xuống xung start) Lúc bit trọng số lớn (MSB) đặt lên mức 1, tất bit lại mức 0, đồng thời tạo điện có giá trị Vref/2, điện so sánh với điện vào in + Nếu Vin > Vref/2 bit MSB mức + Nếu Vin < Vref/2 bit MSB mức Tương tự bit MSB đặt lên tạo điện có giá trị Vref/4 so sánh với điện áp ngõ vào Vin Quá trình tiếp tục xác định bit cuối Khi chân EOC lên mức báo cho biết kết thúc chuyển đổi Trong suốt trình chuyển đổi chân OE đặt mức 1, muốn đọc liệu chân OE xuống mức Mạch khống chế nhiệt độ Trang 23 Trong suốt trình chuyển đổi có xung start tác động ADC ngưng chuyển đổi Mã N cho ngõ vào tùy ý số nguyên N= 256.(VIN − Vref ( − ) ) Vref ( + ) − Vref ( − ) Trong Vin : điện áp ngõ vào hệ so sánh Vref(+): điện áp chân REF(+) Vref(-): điện áp chân REF(-) Vin Nếu chọn Vref(-) = N = 256 V ref (+ ) Vref(+) = Vcc = 5V đầy thang 256 - Giá trị bước nhỏ LSB = = 0,0196 V/byte −1 Vậy với 256 bước Vin = 5V p vào lớn ADC 0809 5V *Mạch tạo xung clock cho ADC 0809: Sử dụng mạch dao động dùng cổng not để tạo dao động cho ADC nhö sau: Vcc IK IK 10K 560P 3RC Tần số dao động chuẩn 600 kHz Suy 640 = 3RC Với R từ 100Ω đến vài kΩ choïn R =1 kΩ ⇒ C = 500 PF Tần số dao động mạch f = CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG I.SƠ ĐỒ KHỐI Mạch khống chế nhiệt độ Trang 24 Hệ hoạt động theo chương trình nạp ROM , qua điều khiển cuả MCU 8051 phần cảm biến nhiệt đặt nơi ta muốn đo ,nó đọ tín hiệu nhiệt độ qua mức điện áp tín hiệu analog chuyển thành tín hiệu số giao tiếp với hệ thống qua data bus Trên sở chương chình nạp ROM tín hiệu nhận , MCU cho phép thiết bị ngoại vi hoạt động : hiển thị giá trị nhiệt độ tương ứng điều khiển nhiệt độ thích hợp II SƠ LƯC CHỨC NĂNG CÁC BỘ PHẬN _ Vi xử lý 8051 phần tử xử lý thông tin nhập vào đưa định điều khiển _ Phím phận giao tiếp ngoại vi , cho phép nhập thông số tay _ Mạch hiển thị , hiển thị giá trị đặt giá trị đo _ Mạch cảm biến dùng để khuyếch đ tín hiệu bù nhiệt _ Mạch công suất dùng để đóng mở nguồn công suất III.SƠ ĐỒ CHI TIẾT CÁC KHỐI 1.Thiết kế phím Gồm phím: - Phím tăng - Phím giảm - Phím chức - Phím thóat Hình 14 Các phím nhấn Mạch khống chế nhiệt độ Trang 25 P P P P R VC C S W SW S W S W 2.Khối mạch cảm biến nhieät  Tính toán cân chỉnh : VCC R 39K -V C C VCC VCC 10K 20K R2 C3 10U F O P -0 R 10K + R6 39K LM 335 100K J1 R4 U3 O P -0 7 + C7 R 18 U F - U1 + U2 D1 -V C C - R2 39K O P -0 VCC VCC LM335 cảm biến nhiệt độ hoạt động đến 150 oC tương ứng với nhiệt độ 0oK , LM335 cho điện áp 0V Cứ tăng 1oC ,điện áp tăng 10mV.Như với 0oC điện áp 2.73V  Xét mạch khuếch đại trừ : Gọi Vi1 = VOUT áp ngõ vào đảo U3 , Vi2 = V OUT2 áp ngõ vào không đảo U3 p dụng phương pháp xếp chồng cho kích thích ngõ vào ,ngắn mạch ngõ vào lại ta : Nếu R5 = R6 = R4 = R3 =1 Vo = Vi2 –Vi1 Trong trường hợp ta chọn R5=R6 R4=R3 Vo viết lại sau Mạch khống chế nhiệt độ Trang 26 CON2 Suy điện áp ngõ thay đổi A *10mV nhiệt độ thay đổi 1oC độ phân giải cần 0.5oC nên điện áp thay đổi nhiệt độ thay đổi 1oC,phải hai lần độ phân giải AD0804 : Av *10mV = 2*19.6mV =>Av = 3.92 =>Chọn R5 = 39 K R3 = 10K  Cân chỉnh : Chỉnh VR1sao cho VI U3 =2.73 + 0.01* toC Nhưng thực tế để xác ,nhúng LM335 vào nước đá tan (0oC) Chỉnh VR2 cho V2 U2 = 2.73V  Thiết kế cảm biến nhiệt : Tầm làm việc hệ thống mạch từ ÷150oC Để đo nhiệt độ xác phải có đầu đo đặc biệt Đầu đo dạng vi mạch LM335 đầu đo đơn giản xác với giá thành lại rẻ LM335 có độ biến thiên điện áp theo nhiệt độ 10mV/ K ,có dãy độ xác cao cảm biến nhiệt tốt nhiệt độ 25oC có độ sai số nhỏ 1oC.với tầm đo từ nhiệt độ ÷100oC, ngõ cảm biến tuyến tính Các tính chất cảm biến LM335 : • Chia độ trực tếp theo oK • Độ xác ban đầu 1oC • Trở kháng động < 1Ω • Tầm nhiệt độ rộng • Khoảng đo 150oC Tầm tuyệt đối lớn : Dòng ngược 15mA Dòng thuận 10mA Điện áp hoạt động ngõ điều kiện TC =25oC, IR =1nA tương ứng 2.92 ÷ 3.04V Sai số nhiệt 25oC điều kiện Tmin