Thiết kế mạch đo điện áp một chiều trong dải ( +5 VDC đến +24 VDC )

Nhưng vấn đề sư dụng điện như nào luôn là một vần đề nangiải, muốn sử dụng điện đươc hiệu quả trươc tiên ta phai hiểu và biết về nó.Cách để sử dụng được điện đó chính la phải đo được giá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN

Bài Tập Lớp

MÔN :VI SỬ LÝ

ĐỀ BÀI: Đề số 7:

Thiết kế mạch đo điện áp một chiều trong dải ( +5 VDC đến +24 VDC )

Có hiển thị kế quả trên LCD

GV hướng dẫn : PHẠM TUẤN ANH

Sinh viên : PHAN VĂN TRUNG

Lớp : DTD49 - ĐH2

Hải Phòng , năm 2011

MỤC LỤC Đặt vấn đề

Chương 1 : Giới thiệu về vấn đề đo điện áp

1.1 Khái niệm đo điện áp

1.2 Một số phương pháp đo điện áp một chiều

Chương 2 : Sơ đồ phần cứng

2.1 Sơ đồ khối

2.2 Chức năng các khối

Chương III: Thiết kế phần mềm

3.1 Xây dựng lưu đồ thuật toán

3.2 Viết code điều khiển thuyết minh nguyên lý hoạt động

3.3 Kết quả đạt được và mở rộng

Giáo viên hướng dẫn Sinh viên

PHẠM TUẤN ANH PHAN VĂN TRUNG

ĐẶT VẤN ĐỀ :

Điện khi nhắc tơi đều biết được sự quan trọng của nó trong mọi vấn đề về sinhhoạt hay trong cong nghiệp… Nó có mặt ở khắp nơi là một điều tất yếu trongđời sống hiện nay Nhưng vấn đề sư dụng điện như nào luôn là một vần đề nangiải, muốn sử dụng điện đươc hiệu quả trươc tiên ta phai hiểu và biết về nó.Cách để sử dụng được điện đó chính la phải đo được giá trị điện áp của chúng,lớn nhỏ hay sao để chung ta sủ dụng môt cách hiệu quả nhất

Chính vì lẽ đó chúng ta phải làm ra nhũng thiết bị có thể đo được điện áp như :động hồ van năng, mạch vi xử lý…Sau đây em xin trình bày một cách đẻ đođiện áp

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ VẤN ĐỀ ĐO ĐIỆN ÁP

1.1 Khái niệm đo điện áp

Đo điện áp là ta dung một thiết bị có khả năng chuyển từ tín hiệu tương tựsang một tín hiệu khác ma chúng ta co the đọc nhín thay được gia tri của chúngmột cách cụ thể nhất

1.2 Các phương pháp đo điện áp

Có nhiều cách ma chúng ta có thể đo được điện áp 2 cách mà chúng ta thường

sử dụng đó là:

- Dung cac loại đồng hồ đo

- Sử dụng mach vi xử lý

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

2.1 Sơ đồ khối

Cấu trúc chung của hệ thống

- nút ấn: giao tiếp với vi sử lý ,dùng để nhập giá trị điện áp

- Bộ chuyển đổi ADC chuyển đổi tín hiệu Analog từ khối công suất thành tínhiệu Digital

- Khối hiểu thi LCD hiển thị giá trị đặt và giá trị đo

- Vi sử lí : nhận tín hiệu từ bộ chuyển đổi ADC , giao tiếp với nút ấn , điềukhiển khối công suất , hiển thị dữ liệu trên LCD

- Khối công suất :thực hiện tín hiệu điều khiển từ vi sử lí

Ngoài các tín hiệu quan trọng trên chúng ta còn có khối qua trọng khác là khốinguồn và mạch đồng bộ

+khối nguồn để cung cấp nguồn cho mạch điều khiển

+mạch đồng bộ :mạch này có tác dụng giúp vi sử lí tính toán góc kích cho triaccủa công suất hoạt động

Nút nhấn

Bộ chuyển đổi ADC

Khối hiển thị LCD

Vi xử lí

Khối công suất

2.2.Chức năng của các khối

A khối nguồn

- chức năng cung cấp nguồn cho mạch điều khiển

- sơ đồ nguyên lý của khối nguồn

-các thành phần trong khối nguồn :

a) Diode bán dẫn:

- Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N , nếu ghép hai chất bán dẫn theomột tiếp giáp P-N ta được một Diode, tiếp giáp P-N có đặc điểm: Tại bề mặttiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P

để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện => lớp Ionnày tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn

Kí hiệu

- Các loại Diode: diode zener, diode quang, diode biến dung, diode nắn điện,…

- Diode dẫn khi được phân cực thuận (UAK > 0)

- Diode phát quang ( Light Emiting Diode: LED): là Diode phát raánh sáng khi được phân cực thuận, điện áp làm việc của LED khoảng 1,7 đến2,2V dòng qua LED khoảng từ 5mA đến20mA Led được sử dụng để làm đènbáo nguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện vv…

- Trong mạch chỉnh lưu, Diode có thể được tích hợp thành Diode cầu

b) Tụ điện:

-Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động, là phần tử có giá trị dòng điên qua nó

tỷ lệ với tốc độ biến đổi của điện áp trên nó theo thời gian Tụ điện đươc chiathành hai loại: tụ phân cực và tụ không phân cực

-Tụ điện có hai bản cực làm bằng chất dẫn điện đặt song song, ở giữa có lớpcách điện

- Các loại tụ thường gặp ở hai nhóm có trị số cố định hay có trị số thay đổi được.Theo đặc điểm laọi vật liệu sử dụng khi chế tạo, tụ điện đựơc phân chia thànhcác loại sau:

+ Tụ gốm

+ Tụ mica+ Tụ polistiren

+ Tụ polycacbonat

+ Tụ poyeste + …

- Tụ điện có giá trị điện dung thay đổi được bao gồm hai dạng cơ bản

+ Dạng tụ điều chuẩn dung điện môi là lớp không khí giữa 2 bộ cánh cáchkim loại nhôm lắp xen kẽ nhau một cách cố định, bộ kia có thể xoay 1800 nhờmột trục quay

+ Dạng tụ tinh chỉnh dùng mica làm vật liệu điện môi cách ly giữa hai haynhiều phiến kim loại xen kẽ, điện dung thay đổi được nhờ xoay vít trục để đềuchỉnh phần điện tích trùng nhau giữa các phiến kim loại, phần trùng càng nhiềuthì giá trị tụ càng tăng

- Command (2): Chân nối mass

- Input (1) : Chân điện áp vào

- Điện áp ngõ vào Vin>=5V (lớn hơn

từ 3V hay 4V), điện áp ngõ ra Vout =5V

- Chân nối mass cũng rất quan trọng,

nếu chân này bị hở thì áp tại ngõ ra sẽ có thể bằng

với điện áp ngõ vào Điều này sẽ rât nguy hiểm

nếu vi xử lý nhận được mức điện áp này

+ IC ổn áp 7905:là loại IC dùng để ổn định điện áp -5V đầu ra

-Output(3):chân điện áp ra -5V

- Input(2): chân điện áp vào

- Command(1) chân nối mass

B khối hiển thị LCD

- Chức năng của LCD trong hầu hết các mạch, các bộ điều khiển đảm nhân vaitrò hiển thị các thông số, các thông tin mà chúng ta muốn nhập vào hay cácthông tin xử lý mà bộ điều khiển đang hoạt động đựoc hiển thị ra màn hình, giúpchúng ta giao tiếp gần hơn với quá trình hoạt đông của hệ thống Loại LCD màchúng ta sử dụng là loại SD-DM1602A 2 dòng mổi dòng 16 kí tự, loại này doTrung Quốc sản xuất

Nó có

16 chân như hình vẽ

Trong đó chúng ta có thể thấy 2 chân 1,2 được cấp nguồn cho LCD hoạt động,chân thứ 3 (chân VEE) được nối vào đầu ra của biến trở dùng để điều chỉnh độtương phản (phải điều chỉnh VSS hợp lý thì LCD mới hiển thị được) 2 chân15,16 đây là 2 chân cấp nguồn dung để bật đèn của LCD từ chân 4->14 là cácchân điều khiển được nối với vi điều khiển, các chân 4,5,6 được để điều khiểnhoạt động của LCD, các chân còn lại là 8 bit Data dùng để truyền nhận dữ liệu Trong bài tập này ta sử dụng một LCD để giới thiệu cũng như hiển thị nhữngthông tin cần thiết khác, đồng thời học cách giao tiếp giữa hai vi xử lý Do LCDtiêu thụ dòng khá lớn đặc biệt là khi bật đèn nền, làm mau hết ắcquy nên chỉ sử dụng LCD với những trường hợp cụ thể Để bật tắt đèn nền,sử dụng một bóngthuận A1015, được điều khiển bởi chân P0.7 của vi điều khiển Khi P0.7=0 thìbóng thông, cực A của LCD được nối với nguồn 5V, đèn nền sáng và ngược lại.Ngoài ra trong khối còn sử dụng một biến trở 10k tạo điện áp ra đưa vào chânVEE của LCD để điều chỉnh độ tương phản Khi điện áp U VEE 0 thì độ tươngphản là lớn nhất, UVEE  5V thì độ tương phản là nhỏ nhất

*sơ đồ nguyên lý của khối hiển thị LCD

LCD hiển thị đợc 2 hàng mỗi hàng hiển thị đợc 16 ký tự (LCD có 14chân) nh đợc minh hoạ trên hình.

Thông số của LCD :

+Kích thớc hiển thị : 16 ký tự x 2 dòng

+Màu hiển thị: đen/trắng+Chế độ giao tiếp : 8 bít và 4 bít+Cỡ chữ hiển thị : 5x7 hoặc 5x10

Nhóm 3 : (3 chân) Điều khiển việc vào ra thông tin : E,RS,R/W

E :(bật /tắt ) (cho phép/ không cho phép trao đổi thông tin vớiVĐK )

RS :(loại thông tin trao đổi)Thông tin trao đổi là lệnh điều khiểnhay à dữ liệu để hiển thị

R/W : (hớng truyền của thông tin) đọc trạng thái từ LCD hay thông

tin do VĐK gửi vào LCD để hiển thị

Cụ thể tên gọi và mô tả chức năng các chân đợc tổng kết trong bảngsau:

Interface Pin Connections

3 VEE Contrast điều chỉnh điện áp chân này sẽ tăng giảm độ tơng phản

của LCD cho nên nó thờng đợc nối với biến trở.

4 RS Chọn thanh ghi Nếu RS=0 : LCD nhận lệnh từ VĐKNếu RS=1: LCD nhận dữ liệu từ VĐK để hiển thị

RS=1 : chọn chức năng đọc dữ liệu từ LCD vào VĐK RS=0 : chọn chức năng ghi dữ liệu từ VĐKvào LCD để hiểnt thị

Cho phép/ ko cho phép LCD trao đổi thông tin với VĐK.

Chỉ khi E chuyển từ 10 thì tín hiệu ở các chân D0-D7 mới đợc đa vào LCD.

Nh trên hình minh hoạ ta có thể thấy các chân D0-D3 là đờng tín hiệu 2chiều (để trao đổi thông tin Vi điều khiển và LCD) 3 chân điều khiển RS,R/W, E là chân đa tín hiệu điều khiển từ Vi điều khiển tới LCD nên nó chỉ là đ-ờng tín hiệu 1 chiều thôi.

Vì chân Contrast (VEE) điều chỉnh độ tơng phản của LCD nên ta cấpnguồn cho nó thông qua biến trở (nh hình vẽ)

1b Cấu trúc bộ nhớ trong LCD.

Màn hiển thị của LCD nói chung có thể lên tới hơn 40 ký tự trên một dòng

và một màn có thể có tới 4 dòng.Trong đó có một bộ RAM để chứa mã 80 ký

tự gọi là bộ nhớ DDRAM(display data ram),màn hiển thị có thể dịch cả màn

để quan sát đợc các ký tự khác

Bộ ký tự hiển thị : Bộ hiển thị có thể hiển thị đợc các ký tự đã đợc lập trìnhtrớc hoặc các ký tự do ngời dùng định nghĩa.Trong bộ điều khiển hiển thị cómột bộ nhớ ROM dùng để phát ký tự, trong Rom này chứa 192 ký tự,khi cầnchọn những ký tự này thì nó đợc chọn thông qua từng mã của nó, có tới 96 mã

ký tự ASCII, 64 mã ký tự tiếng Nhật, 32 ký tự đặc biệt khác Trong bộ điều

khiển LCD cũng có một bộ RAM gọi là CGRAM(character generator ram)

trong bộ nhớ này lu 8 ký tự do ngời dùng định nghĩa, các ký tự đầu tiên phảiviết vào CGRAM trớc rồi sau đó mới hiển thị ra màn hiển thị đợc

C.Nỳt nhấn :

1) Chức năng: dựng để nhập giỏ trị điện ỏp cần chỉnh lưu

2) Sơ đồ nguyờn lý mạch nỳt nhấn:

D Vi xử lí - AT89C51:

1) Chức năng: nhận tín hiệu từ bộ chuyển đổi ADC0804 và nút nhấn.Sau đó tính toán và xuất tín hiệu điều khiển cho khối công suất Đồng thời xử lítín hiệu để hiển thị lên LCD

2) Các thành phần trong khối:

Thành phần chính của khối là MCU AT89C51

a) Tổng quát về AT89C51:

8951 là IC vi điều khiển (Microcontroller) do hãng Intel sản xuất

IC này có đặc điểm như sau:

- 4k byte ROM,128 byte RAM

4 Port I/O 8 bit

- 2 bộ đếm/ định thời 16 bit

- Giao tiếp nối tiếp

- 64k byte không gian bộ nhớ chương trình mở rộng

- 64k byte không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng

- Một bộ xử lý luận lý (thao tác trên các bít đơn)

- 210 bit được địa chỉ hóa

- Bộ nhân / chia trong 4µs

E.Bộ chuyển đổi ADC0804:

1) Chức năng: chuyển đổi tín hiệu Analog từ khối công suất thành tín hiệuDigital, đưa vào 89C51 89C51 sẽ so sánh giá trị này với giá trị đặt để điềukhiền góc kích SCR sao cho điện áp VDC luôn được ổn định

2) Thành phần chính trong khối:

a) Tổng quan về ADC0804:

Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 của hãngNationalSemiconductor Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất Chip cóđiện áp nuôi +5V và độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyểnđổi cũng là một tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC Thời gian chuyển đổiđược định nghĩa là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tựthành một số nhị phân Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộcvào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN và không bé hơn110s Các chân khác của ADC0804 có chức năng như sau:

- CS (Chip select):Chân số 1, là chân chọn Chip, đầu vào tích cực mứcthấp được sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập ADC0804 thì chânnày phải ở mức thấp

- RD (Read):Chân số 2, là một tín hiệu vào, tích cực ở mức thấp Các bộchuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân và giữ nó ở một thanh ghi trong

RD được sử dụng để có dữ liệu đã được chyển đổi tới đầu ra của ADC0804 Khi

CS = 0 nếu có một xung cao xuống thấp áp đến chân RD thì dữ liệu ra dạng số 8bit được đưa tới các chân dữ liệu (DB0 – DB7)

- WR (Write): Chân số 3, đây là chân vào tích cực mức thấp được dùng đểbáo cho ADC biết bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xungcao xuống thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phân 8 bit Khi việc chuyển đổi hoàn tất thì chân INTR được ADC hạ xuống thấp

- CLK IN và CLK R:CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tới đồng hồ

ngoài được sử dụng để tạo thời gian.Tuy nhiên ADC0804 cũng có một bộ tạo xung đồng hồ riêng Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK R (chân số 19) được nối với một tụ điện và một điện trở (như hình vẽ) Khi ấy tần

số được xác định bằng biểu thức:

f RC

1 1

- Vin(+) và Vin(-): Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương tự vi sai,trong đó Vin = Vin(+) – Vin(-) Thông thường Vin(-) được nối tới đất và Vin(+)được dùng làm đầu vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số

- Vcc: Chân số 20, là chân nguồn nuôi +5V Chân này còn được dùng làm điện

áp tham chiếu khi đầu vào Vref/2 để hở

- Vref/2: Chân số 9, là chân điện áp đầu vào được dùng làm điện áp tham chiếu Nếu chân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dải 0 - +5V Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác với dải 0 - +5V Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0 - +5V

- Bảng quan hệ điện áp Vref/2 với Vin:

3) Tính toán linh kiện:

- Chân Vin(+) được nối với cầu phân áp tạo bởi R16 và R17,sao cho VDC = 0 - 250V tương ứng với Vin(+) = 0 - 5V Ta suy ra côngthức:

( ) 16 1717

R R

R VDC Vin







 với Vin(+) = 5V, VDC = 250VSuy ra: R16 = 50R17 Chọn R17 = 10KΩ thì R16 = 500KΩ

Chọn R16 = 510 KΩNhưng thực tế, các giá trị điện trở đều có sai số nên ngỏ vàocủa ADC0804 không như tính toán Sai số trên điện trở cộng với sai số trongquá trình tính toán chọn linh kiện sẽ tạo ra sai số không nhỏ đối với ADC0804.Điều này sẽ tạo ra sai lệch giữa giá trị hiển thị trên Led 7 đoạn và giá trị thực tế(ở đây là giá trị VDC thực tế)

Để giảm sai số ở ngỏ vào của ADC0804, ta cần mắc thêmbiến trở RV2 như sơ đồ nguyên lý Theo tính toán thì R17 = 10 KΩ, ta chọn R17

1 66

 Chọn TC = 100µs = 0.1ms Suy ra fCLK = 660KHz

Ta lại có: f CLK 1.11RC với fCLK = 660KHz = 660000HzSuy ra, RC ≈ 1.4×10-6 Chọn R = 10KΩ suy ra C = 1.4×10-10 F

Ta có ADC0804 có độ phân giải là 28 = 256 (0 - 255) tương ứng (0 - 5V) Gọi n

là kích thước bước 1 bước (V) Ta có:

Ta chọn lại n = 0.02V để tìm ra số bước mới tương ứng (0 - 5V)

Với n = 0.02V thì số bước = 5/0.02 = 250 (nghĩa là (0 - 5V) tương ứng (0 - 250)với n = 0.02V)

Lúc này, Vin(+) = 0 - 5V được biểu diển bằng ngỏ ra DB = 0 – 250

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ PHẦN MỀM

Viết code điều khiển thuyết minh nguyên lý hoạt động

;Chuong trinh phan mem lap cho vi dieu khien 89C52 dieu khien chip ADC0804 va man hinh LCD

;Muc dich do dien ap mot chieu sau chinh luu

;Ngon ngu lap trinh asm

; -;Chuong trinh con dieu khien va lay du lieu chuyen doi

;tin hieu tuong tu sang tin hieu so 8bit

RET

; -; Chuong trinh con thuc hien su li du lieu cho hien thi nen LCD

; Phuong phap hien thi quet LCD

DIV AB; Chia A cho B ket qua luu vao A

ADD A,#30H; Cong A voi 30H hien thi hang tram

; -Hien thi don vi von

MOV A,#20H; Tao dau cach

MOV P2,A ;xuat du lieu ra P1

SETB P0.0 ;RS=1: nhan du lieu

JB P2.7,BACK ;kiem tra LCD xem da san sang nhan lenh chua,neu P1.7= 1 xuat ma lenh