Thiết kế mạch đo điện áp 1 chiều trong dải từ -24V đến -5V hiển thị kết quả trên LCD

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN ÁP 1.1. Khái niệm đo điện áp Đo điện áp là ta dùng một thiết bị đo có khả năng chuyển từ tín hiệu tương tự sang một tín hiệu khác mà chúng ta có thể đọc và nhìn thấy được giá trị của chúng một cách cụ thể nhất. 1.2. Các phương pháp đo điện áp Có nhiều cách mà chúng ta có thể đo được điện áp, thường gặp đó là dùng các đồng hồ đo điện áp và sử dụng các mạch vi xử lý. a) Dùng đồng hồ đo: Thường sử dụng các loại vônmet hay đồng hồ vạn năng. Khi đo điện áp bằng vônmet thì vônmet được nối song song với tải trong mạch cần đo như hình 1.1 dưới.

MỤC LỤC

Trang

Chương 1 Tổng quan về các phương pháp đo điện áp 2

1.1 Khái niệm đo điện áp 2

1.2 Các phương pháp đo điện áp 2

Chương 2 Cơ sở thiết kế phần cứng 4

2.1 Sơ đồ khối chức năng 4

2.2 Chức năng của các khối 4

2.3 Tính chọn các phần tử 13

2.4 Sơ đồ nguyên lý 14

Chương 3 Thiết kế phần mềm 16

3.1 Lưu đồ thuật toán 16

3.2 Chương trình code lệnh 16

3.3 Kết luận 21

Tài liệu tham khảo 23

1.1 Khái niệm đo điện áp

Đo điện áp là ta dùng một thiết bị đo có khả năng chuyển từ tín hiệu tương tự sangmột tín hiệu khác mà chúng ta có thể đọc và nhìn thấy được giá trị của chúng mộtcách cụ thể nhất

1.2 Các phương pháp đo điện áp

Có nhiều cách mà chúng ta có thể đo được điện áp, thường gặp đó là dùng cácđồng hồ đo điện áp và sử dụng các mạch vi xử lý

a) Dùng đồng hồ đo:

Thường sử dụng các loại vônmet hay đồng hồ vạn năng Khi đo điện áp bằngvônmet thì vônmet được nối song song với tải trong mạch cần đo như hình 1.1dưới

Hình 1.1 Sơ đồ mắc vônmet đo điện áp của phụ tải

Trong phương pháp đo này muốn sai số nhỏ thì yêu cầu điện trở của vônmet Rvphải càng lớn càng tốt và lý tưởng là điện trở vônmet bằng vô cùng Nếu khôngthoả mãn yêu cầu này thì sai số hệ thống do vônmét gây ra sẽ lớn hơn sai số củabản thân dụng cụ ( [1]- trang 19) Khi đó điện áp đo được không chính xác

b) Đo điện áp bằng phương pháp so sánh:

Các dụng cụ đo điện áp sử dụng cơ cấu cơ điện để hiển thị kết quả đo có cấp chínhxác của dụng cụ không vượt quá cấp chính xác của chỉ thị Muốn đo điện áp chínhxác hơn phải dùng phương pháp so sánh với mẫu (tức là so sánh điện áp cần đo với

điện áp rơi trên điện trở mẫu ); phương pháp này còn gọi là phương pháp bù.Nguyên lý cơ bản của phương pháp được mô tả như sau:

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lí đo điện áp bằng phương pháp so sánh

+ Uk là điện áp mẫu với độ chính xác rất cao được tạo bởi dòng điện I ổn định đi qua điện trở mẫu Rk Khi đó: Uk = I.Rk

+ Chỉ thị là thiết bị phát hiện sự chênh lệch giữa điện áp mẫu Uk và điện áp cần đo

Ux ∆U = Ux - Uk Khi đo người ta so sánh Ux và Uk, nếu ∆U khác 0 thì điều chỉnh con trượt của điện trở mẫu Rk sao cho Ux = Uk, sẽ đọc kết quả trên điện trở mẫu đã được khắc độ theo thứ nguyên điện áp ([1] trang 22)

c) Mạch đo sử dụng kỹ thuật vi xử lý

Mạch đo có cài đặt vi xử lý để tạo ra các cảm biến thông minh,nhớ và ra công

sơ bộ tín hiệu đo Mạch đo càng phức tạp khi thiết bị đo càng hiện đại,chức năng càng chính xác.Mạch đo có tác dụng làm tăng độ nhậy và độ chính xác của thiết bị

đo và hệ thống đo

Mạch đo sử dụng vi xử lý giao tiếp với các thiết bị hiển thị như LCD, LED 7 vạch, PC Để có thể đo điện áp cần một bộ chuyển đối tương tự-số, thực hiện công việc này thường dùng ADC, dữ liệu đầu ra của ADC là dữ liệu số 8 bit được đưa sang vi xử lý Vi xử lý thực hiện công việc xử lý dữ liệu và chuyển dữ liệu sang LCD

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2.1 Sơ đồ khối chức năng

Cấu trúc chung của hệ thống

Hình 2.1 Cấu trúc chung phần cứng của hệ thống

- Bộ chuyển đổi ADC chuyển đổi tín hiệu Analog từ khối nguồn điện áp thành tínhiệu Digital Nguồn điện áp ở đây có dải từ ĐCVC đến -24VDC

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

- Khối hiểu thi LCD hiển thị giá trị điện áp đo được

Ngoài ra ta còn có khối nguồn: khối nguồn để cung cấp nguồn cho mạch điều khiển

2.2 Chức năng của các khối

- 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

* Tổ chức bộ nhớ RAM

Có 128 byte RAM trong 8051 (một số thành viên có 256 byte RAM) 128 byte RAM trong 8051 được gán địa chỉ từ 00 đến 7FH, chúng được phân chia thành từng nhóm như sau:

- Các bank thanh ghi và ngăn xếp có địa chỉ từ 00H đến 1Fh

- Ram địa chỉ hóa từng bit có địa chỉ từ 20H đến 2FH

- Ram đa dụng từ 30H đến 7FH

- Các thanh ghi chức năng đặc biệt từ 80H đến FFH

* Sơ đồ chân AT89C51:

Hình 2.3 Sơ đồ chân AT89C51

- Bộ phận dao động của vi xử lý được kết nối như hình dưới: IC 89C51 với tần sốlàm việc là 12 MHz Chân 18, 19 của 89C51 được nối với thạch anh (cũng có thểthay thế thạch anh bằng tín hiệu xung clock) 1 chu kỳ máy của 89C51 là 1µs.

s s

2) Bộ chuyển đổi ADC0804:

*) Chức năng: chuyển đổi tín hiệu Analog từ nguồn điện áp cần đo thành tín hiệuDigital, đưa vào 89C51

*) Thành phần chính trong khối:

+ 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 chuyển đổicũng là một tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC Thời gian chuyển đổi được

định nghĩa là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một

số nhị phân Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng

hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN và không bé hơn 110µs Các chân kháccủa ADC0804 có chức năng như sau:

- CS (Chip select): Chân số 1, là chân chọn Chip, đầu vào tích cực mức thấpđược sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập ADC0804 thì chân nàyphải 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 để báo cho ADC biết bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao 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

RC

f

1 1

1

=

Với R=10 k�, C=150pF và tần số f=606 kHz và thời gian chuyển đổi là 110 �s

Hình 2.4 Sơ đồ chân ADC0804

- Ngắt INTR (Interupt): Chân số 5, là chân ra tích cực mức thấp Bình thườngchân này ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó xuống thấp để báocho CPU biết là dữ liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi Sau khi INTR xuống thấp,cần đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống thấp tới chân RD để đưa dữ liệu ra

- 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(+) đượcdùng 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 0đến +5V Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0 đến +5V

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

Ghép nối giữa ADC và vi điều khiển

Hình 2.5 Ghép nối giữa ADC và vi điều khiển.

3) Màn hình hiển thị LCD

- Chức năng của LCD trong hầu hết các mạch, các bộ điều khiển đảm nhân vai tròhiển thị các thông số, các thông tin mà chúng ta muốn nhập vào hay các thông tin

xử lý mà bộ điều khiển đang hoạt động được hiển thị ra màn hình, giúp chúng tagiao tiếp gần hơn với quá trình hoạt đông của hệ thống LCD có loại 14 chân hoặc

16 chân

- Hình ảnh một màn hình LCD 16 chân được mô tả phía dưới

Hình 2.6 Hình ảnh LCD 16 chân

*) Mô tả các chân của LCD

Chân Vcc, Vss, Vee: là các chân cấp dương nguồn, -5V và đất tương ứng thì

VEE được dùng để điều khiển độ tương phản của LCD

Chân chọn thanh ghi RS:

Có 2 thanh ghi rất quan trọng bên trong LCD, chân RS được dùng để chọn các thanh ghi này như sau: Nếu RS = 0 thì thanh ghi mã lệnh được chọn để cho phép người dùng gửi 1 lệnh tới LCD Nếu RS =1 thì thanh ghi dữ liệu được chọn cho phép người dùng gửi dữ kiệu cần hiển thị lên LCD

Chân đọc/ghi (R/W)

Đầu vào đọc/ghi cho phép người dùng ghi thông tin lên LCD khi R/W = 0 hoặc đọc thông tin từ nó khi R/W =1

Chân cho phép E

Chân cho phép E được sử dụng bởi LCD để chốt thông tin hiện hữu trên chân dữ liệu của nó Khi dữ liệu được cấp tới chân dữ liệu thì một xung mức cao xuống thấp phải được áp đến chân này để LCD chốt dữ liệu trên các chân dữ liệu Xung này phải rộng tối đa 450ns

Chân D0-D7

Đây là 8 chân dữ liệu 8bit, được dùng để gửi thông tin lên LCD hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD

Để hiển thị các chữ cái và con số ta hiển thị mã ASCII của các chữ cái từ A đến Z,

a đến f và các con số từ 0 - 9 đến các chân này khi bật RS =1

Cũng có các mã lệnh có thể gửi đến LCD để xoá màn hình hoặc đưa con trỏ

về đầu dòng, hoặc nhấp nháy con trỏ

Chúng ta cũng sử dụng RS = 0 để kiểm tra bit cờ bận xem LCD có sẵn sàng nhận thông tin Cò bận là D7 và có thể được đọc khi R/W = 1 và RS = 0 như sau:

Nếu R/W = 1, RS = 0 khi D7 =1 thì LCD bận bởi các công việc bên trong và

sẽ không nhận bất kì thông tin mới nào Khi D7 = 0 thì LCD sẵn sàng nhận thông tin mới Lưu ý chúng ta nên kiểm tra cờ bận trước khi ghi bất kỳ thông tin nào lên LCD

Bảng mô tả các chân của LCD 14 chân:

Ghép nối giữa LCD và vi điều khiển

Hình 2.7 Ghép nối giữa vi xử lý và LCD

2.3 Tính chọn các phần tử

Điện áp tham chiếu đặt vào chân Vref/2 chọn 1,28V Sơ đồ cấp điện áp đầu vào dải từ -5VDC đến -24VDC Điện áp nguồn qua cầu phân áp điện trở R2, R3 để

đưa điện áp từ 0 đến 2,56V vào V(in) Ta tính toán giá trị điện trở cầu phân áp theogiá trị điện áp dương.

Ghép nối giữa cầu phân áp và ADC0804

Với mạch trên ta có công thức:

32

3)

(

R R

R VDC

324

56

,

2

R R

Chọn R2 = 500k => R3 = 59.7k

Do có sai số giữa các giá trị điện trở, ta chọn lại giá trị điện trở R3 = 55,8k

2.4 Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 3.1 Lưu đồ thuật toán

3.2 Chương trình code lệnh

#include <sfr51.inc>

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

;tin hieu tuong tu sang tin hieu so 8bit

; -; Chuong trinh con thuc hien xu li du lieu cho hien thi len LCD

; Phuong phap hien thi quet LCD

MOV P2,A ;chuyen sang LCD

ACALL GUI_DATA

;Hien thi hang chuc

MOV A,R0 ;lay lai du lieu so tu R0

MOV B,#64H

DIV AB ;chia A cho 100D lay so hang chuc

ADD A,#30H ;chuyen sang ma ASCII

MOV P2,A ;gui so hang chuc sang LCD

CLR P0.1 ;R/W=0: dat R/W = 0 de ghi du lieu ra LCD

SETB P0.2 ;E=1: tao phan cao cua xung

CLR P0.2 ;E=0: phan thap cua xung de chot du lieu

LCALL READY ; xem LCD da san sang chua

MOV P2,A ;xuat du lieu ra P2

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

CLR P0.1 ;R/W=0 ghi ra LCD

SETB P0.2 ;E=1:phan cao cua xung ap toi chan E

CLR P0.2 ;E=0: phan thap cua xung chot chot du lieu

RET

READY: ;Chuong chinh kiem tra LCD da san sang nhan lenh chua SETB P2.7 ;lay P2.7 lam cong dau vao

CLR P0.0 ;RS=0: dat P0.0 truy cap thanh ghi lenh

SETB P0.1 ;R/W=1:doc thanh ghi lenh

giúp em biết được ứng dụng của vi điều khiển có thể được sử dụng để thiết kế các mạch đo đo các tín hiệu trong kĩ thuật như điện áp, tần số, tốc độ, và ghép nối giữa vi điều khiển và ADC, các thiết bị hiển thị Tuy nhiên với kiến thức còn hạn chế nên khó tránh khỏi những thiếu sót: cụ thể khi đo điện áp từ -5V đến -10V thì sai số còn lớn, việc tính toán điện trở cho mạch cầu phân áp đưa vào các chân Vin của bộ chuyển đổi ADC còn chưa chính xác Do đó nếu có thời gian và kiến thức tốt hơn em sẽ hoàn thành tốt hơn bài tập của mình, vì vậy em rất mong được sự nhận xét góp ý của thầy giáo và các bạn.

Tài liệu tham khảo:

[1] Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hoà, Nguyễn Thị

Vấn-Kĩ thuật đo lường các đại lượng vật lý (tập 2)- Nhà xuất bản giáo dục- năm 2004.[2] Bài giảng Kỹ thuật vi xử lý - Khoa Điện Điện tử tàu biển - Trường Đại học Hàng Hải