Thiết kế mạch đo điện áp một chiều trong dải ( 5VDC đến +5VDC) có hiển thị trên LED 7 vạch

Dùng đồng hồ đo Trong thực tế, người ta hay sử dụng đồng hồ vạn năng để đo các giá trịcủa điện áp.. Thời gian chuyển đổi đượcđịnh nghĩa như là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu v

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN ÁP………2

1.1 Khái niệm về đo điện áp……… 2

1.2 Các phương pháp đo điện áp……… 2

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG……….3

2.1 Sơ đồ khối mạch phần cứng………3

2.2 Chức năng các khối……….3

2.2.1 Khối nguồn……….3

2.2.2 Bộ chuyển đổi ADC……… 5

2.2.3 Khối hiển thị Led 7 vạch………9

2.2.4 Các đặc điểm của hệ vi xử lý AT89C51……… 12

2.3 Nguyên lý đo và chuyển đổi tương tự sang số của ADC0804…… 16

2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch……… 18

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM……….19

3.1 Lưu đồ thuật toán……… 19

3.2 Chương trình điều khiển………19

KẾT LUẬN……….21

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 22

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN ÁP

1.1 Khái niệm đo điện áp

Đo điện áp là ta dùng một thiết bị có khả năng chuyển từ tín hiệu tương

tự sang một tín hiệu khác mà chúng ta có thể đọc, nhìn thấy được giá trị củachúng 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 2 cách mà chúng tathường sử dụng đó là:

a Dùng đồng hồ đo

Trong thực tế, người ta hay sử dụng đồng hồ vạn năng để đo các giá trịcủa điện áp

Có 2 loại đồng hồ vạn năng là: đồng hồ chỉ thị kim và chỉ thị số

Trước khi tiến hành đo ta phải chú ý chỉnh thang đo một cách phù hợp đểtránh xảy ra quá áp gây hỏng đồng hồ đo Đối với điện áp xoay chiều ta khôngcần phân biệt chân âm và chân dương nhưng điện áp một chiều ta phải xác địnhđược chân dương và chân âm

Khi đo ta phải mắc cơ cấu chỉ thị (đồng hồ vạn năng) song song với giátrị cần đo

b Dùng Vi xử lý

Với những tiến bộ của khoa học kĩ thuật, việc áp dụng Vi xử lý vào vấn

đề đo điện áp được áp dụng ngày càng rộng rãi

Ưu điểm của phương pháp đo điện áp này:

- Thang đo không đổi, có thể hiệu chỉnh điểm “không” và điểm cực đại của dải đo và có độ chính xác cao

- Sự không ổn định của các thông số các phần tử của mạch (theo thời gian hay nhiệt độ) không ảnh hưởng đến sự chính xác của dụng cụ đo

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 2.1 Sơ đồ khối mạch phần cứng

Cấu trúc chung của hệ thống:

- Khối nguồn: để cung cấp nguồn cho bộ chuyển đổi, vi xử lí, và khối hiển thị

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

- Khối hiển thị: để hiển thị giá trị đo

- Vi xử lí: nhận tín hiệu từ bộ chuyển đổi ADC hiển thị dữ liệu trên Led 7vạch

2.2 Chức năng của các khối

2.2.1 Khối nguồn

Chức năng cung cấp nguồn cho mạch điều khiển

Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn

Điện áp

Bộ chuyển đổi ADC

Nguồn

Khối hiển thị

Các thành phần trong khối nguồn:

a Biến áp T1:

- Biến đổi điện áp nguồn thành điện áp phù hợp đặt lên bộ chỉnh lưu

- Đảm bảo cho nguồn và bộ chỉnh lưu chỉ quan hệ với nhau về từ mà khôngquan hệ trực tiếp về điện nên bảo vệ an toàn cho người sử dụng

b Cầu chỉnh lưu 1 pha D1:

Bao gồm 4 Diode ghép lại có tác dụng chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ điện ápxoay chiều thành điện áp 1 chiều

Cấu tạo và hình dạng thực tế của cầu diode chỉnh lưu

Input 1 : Chân điện áp vào

GND 2: Chân nối mass

Output 3: Chân điện áp ra 5V

Thông số của IC ổn áp 7805

Ta chọn IC KA7805 với các thông số tương đối phù hợp:

- Điện áp ngõ vào chịu có thể chịu được: V IN =35→ 40V

- Công suất tiêu thụ tương đối vừa phải : P D = 20.8W

- Tầm nhiệt độ chịu được khi kéo tải: T =−30→1500C

- Dòng ra đạt được: I0 =100mA

2.2.2 Bộ chuyển đổi ADC0804

Chíp ADC 0804 là bộ chuyển đổi tương tự sang số Nó làm việc với +5V và

có độ phân giải là 8 bít Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là mộtyếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ ADC Thời gian chuyển đổi đượcđịnh nghĩa như là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tựthành một số nhị phân Trong ADC 0804 thời gian chuyển đổi thay đổi phụ

thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưng khôngthể nhanh hơn 110µs Các chân của ADC 0804 được mô tả như sau:

1 Chân CS (chọn chíp)

Là một đầu vào tích cực mức thấp được sử dụng để kích hoạt chíp ADC

0804 Để truy cập ADC 0804 thì chân này phải ở mức thấp

2 Chân RD (đọc)

Đây là một tín hiệu đầu vào được tích cực mức thấp Các bộ ADC chuyểnđổi đầu vào tương tự thành số nhị phân tương đương với nó và giữ nó trong mộtthanh ghi trong RD được sử dụng để nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu racủa ADC 0804 Khi CS = 0 nếu một xung cao xuống thấp được áp đến chân RDthì đầu ra số 8 bít được hiển diện ở các chân dữ liệu D0 - D7 Chân RD cũngđược coi như cho phép đầu ra

3 Chân ghi WR(thực ra tên chính xác là “bắt đầu chuyển đổi”)

Đây là chân đầu vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC 0804 bắtđầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WRtạo ra xung cao xuống thấp thì bộADC 0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phân 8 bít.Lượng thời gian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đếnchân CLK IN và CLK R Khi việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thì chânINTR được ép xuống thấp bởi ADC 0804

4 ,19 Chân CLK IN và CLK R.

Chân CLK IN là một chân đầu vào được nối tới một nguồn đồng hồ ngoàikhi đồng hồ ngoài được sử dụng để tạo ra thời gian Tuy nhiên 0804 cũng cómột bộ tạo xung đồng hồ Để sử dụng bộ tạo xung đồng hồ trong (cũng cònđược gọi là bộ tạo đồng hồ riêng) của 0804 thì các chân CLK IN và CLK Rđược nối tới một tụ điện và một điện trở Trong trường hợp này tần số đồng hồđược xác định bằng biểu thức:

f =

Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C= 150pF và tần sốnhận được là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là 110µs.

5 Chân ngắt INTR(ngắt hay gọi chính xác hơn là “kết thúc chuyển đổi’)

Đây là chân đầu ra tích cực mức thấp Bình thường nó ở trạng thái cao vàkhi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó xuống thấp để báo cho CPU biết là dữ liệuđược chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi Sau khi INTR xuống thấp, ta đặt CS = 0 vàgửi một xung cao xuống - thấp tới chân RDlấy dữ liệu ra của 0804

6, 7 Chân Vin (+) và Vin (-).

Đây là các đầu vào tương tự vi sai mà Vin = Vin (+) - Vin (-) Thông thường Vin (-) được nối xuống đất và Vin (+) được dùng như đầu vào tương tự đượcchuyển đổi về dạng số

tự cần phải là 0 đến 4v thì Vref/2 được nối với +2v

10 Chân D GND: Chân nối đất

V

out =

Với Dout là đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân) Vin là điện áp đầu vào tương

tự và độ phân dải là sự thay đổi nhỏ nhất được tính như là (2 × Vref/2) chia cho

256 đối với ADC 8 bít

Hình 2.1: Sơ đồ chân của ADC0804 Bảng 2.2: Điện áp V ref/2 liên hệ với dải V in

2.2.3 Khối hiển thị Led 7 vạch

Cấu trúc và dạng mã hiển thị dữ liệu trên led 7 vạch

Dạng Led

- Led Anode chung

Đối với dạng led anot chung chân com phải có mức logic bằng 1 để led sáng tương ứng các chân từ a đến f, dp phải có mức logic bằng 0

Bảng mã đối với led anot chung (a la MSB,dp là LSB)

Bảng mã led đối với loại led mắc anot chung (a là LSB, dp là MSB)

- Led Cathode chung

Đối với Led mắc kiểu cathode chung chan COM phải có mức logic là 0,muốn led sáng thì các chân từ a đến f,dp phải có mức logic là 1

Bảng mã Led đối với led mắc Cathode chung (a là MSB, dp là LSB)

Bảng mã Led mắc kiểu cathade chung (a là LSB, dp là MSB)

Để cho Led 7 vạch sáng ổn định, đều và đẹp thì ta chọn phương án mắc Anode chung: a là LSB dp là MSB

Tính toán điện trở hạn chế dòng cho Led 7 vạch

Do Led 7 thanh không phải lúc nào cũng sáng đủ cả 7 thanh nên dẫn tới hiệntượng Led sáng khôngđều

Nếu chỉ mắc điện trở ở cực chung:

Ở đây ta chọn điện trở 220 Ω do dòng qua Led 5mA < I < 25mA, và ở mức14mA thì Led sẽ sáng đẹp:

+ Nếu chỉ có 1 thanh sáng thì dòng qua thanh sẽ là I = 14mA

+ Nếu cả 7 thanh đều sang thì dòng qua mỗi led I = 14mA/7 = 2mA Do đóLed 7 thanh sẽ sáng không đều Nếu ta giảm điện trở thì dòng qua led khi cả 7thanh sáng cũng tăng theo nhưngkhi 1 thanh sáng thì nó sẽ quá sáng Do đó Led

7 thanh cũng sẽ có hiện tượng sáng không đều

Cách khắc phục:

Mắc điện trở 220ohm vào tất cả các chân của Led 7 thanh khi đó dòng quamỗi thanh sẽ bằng nhau và Led 7 thanh sẽ sáng đều

Hình 2.2: Sơ đồ kết nối led 7 thanh điện trở

2.2.4 Các đặc điểm của hệ vi xử lý AT89C51

Vi điều khiển (VĐK) là một hệ vi xử lý được tổ chức trong một chíp Nó baogồm:

+ Mạch giao tiếp nối tiếp

+ Không gian nhớ chương trình (mã) ngoài 64k byte

+ Không gian nhớ Data ngoài 64k byte.

+ Bộ xử lý bit thao tác trên các bit riêng

+ 210 vị trí nhớ định địa chỉ, mỗi vị trí một bit

+ Các thanh ghi chức năng, cơ chế điều khiển ngắt

+ Các bộ thời gian dùng trong limh vực chia tần số và tạo thời gian thực + Có thể lập trình được qua cổng nối tiếp

+ Bộ vi điều khiển có thể lạp chương trình để điều khiển các thiết bị thôngtin, viễn thông thiết bị đo lường,thiết bị điều chỉnh cũng nhuu các ứng dụngtrong công nghệ thong tin và kỹ thuật điều khiển tự động có thể xem bộ VĐKnhư một hệ VXL on-chíp đối với AT89C51, nó có đầy đủ chức năng của một hệVXL 8 bit, được điều khiển bởi một hệ lệnh, có số lệnh đủ mạnh, cho phép lậptrình bằng hợp ngữ (Assemply)

Cơ bản về cấu tạo của AT89C51

Hình 2.3: Sơ đồ chân của 89C51

+ Port 0 (chân 32 – chân 29)

Port 0 là Port xuất nhập 8 bit hai chiều Port 0 còn được cấu hình làm busđịa chỉ (byte thấp) và bus dữ liệu đa hợp trong khi truy xuất bộ nhớ dữ liệungoài và bộ nhớ chương trình ngoài Port cũng nhận các byte mã trong khi lậptrình cho Flash và xuất các byte mã trong khi kiểm tra chương trình (các điệntrở kéo lên bên ngoài được cần đến trong khi kiểm tra chương trình)

+ Port 1 (chân 1- 8): port 1 là port xuất nhập 8 bit hai chiều Port1 cũngnhận byte địa chỉ thấp trong thời gian lập trình cho Flash.

+ Port 2 ( chân 21 – 28): Port 2 là port xuất nhập 8 bit hai chiều Port 2 tạo

ra các byte cao của bus địa chỉ trong thời gian tìm nạp lệnh từ bộ nhớ chươngtrình ngoài và trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài, sử dụng các địachỉ 16 bit Trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài sử dụng các địa chỉ 8bit, port 2 phát các nội dung của các thanh ghi đặc biệt, port 2 cũng nhận cácbits địa chỉ cao và vài tín hiệu điều khiển trong thời gian lập trình cho Flash vàkiểm tra chương trình

+ Port 3 (chân 10- 17): Port 3 cũng nhận một vài tín hiêu điều khiển choviệc lập trình Flash và kiểm tra chương trình Port 3 là port xuất nhập 8 bit haichiều, port 3 cũng còn làm các chức năng khác của AT89C51 các chức năngnày được nêu như sau:

P3.0 RxD Ngõ vào port nối tiếp

P3.1 TxD Ngõ ra port nối tiếp

P3.2 INT0 Ngõ vào ngắt ngoài 0

P3.3 INT1 Ngõ vào ngắt ngoài 1

P3.4 T0 Ngõ vào bên ngoài của bộ định thời 1

P3.5 T1 Ngõ vào bên ngoài của bộ định thời 0

P3.6 WR Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

P3.7 RD Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

thời bên ngoài Khi cần, hoạt động chân ALE có thể được vô hiệu hoá bằngcách set bit 0 của thanh ghi chức năng đặc biệt có địa chỉ 8Eh Khi bit này đượcset, ALE chỉ tích cực trong thời gian thực hiện lệnh MOVX hoặc MOVC.Ngược lại chân này sẽ được kéo lên cao Việc set bit không cho phép hoạt độngchôt byte thấp của địa chỉ sẽ không có tác dụng nếu bộ vi điều khiển đang ở chế

độ thực thi chương trình ngoài

+ PSEN (chân 29): PSEN (program Store Enable) là xung điều khiển truyxuất chương trình ngoài Khi AT89C51 đang thực thi chương trình từ bộ nhớchương trình ngoài, PSEN được kích hoạt hai lần mỗi chu kỳ máy, nhưng haihoạt động PSEN sẽ bị bỏ qua mỗi khi truy cập bộ nhớ dữ liệu ngoài

+ EA vpp (chân 31): Là chân cho phép truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài( địa chỉ từ 0000 H tới FFFF H) EA = 0 cho phép truy xuát bộ nhớ chương trìnhngoài, ngược lại EA = 1 sẽ thực thi chương trình bên trong chip Tuy nhiên, lưu

ý rằng nếu bít khoá 1 được lập trình EA được chốt bên trong khi reset

+ XTAL1&XTAL2: Là hai ngõ vào ra của hai bộ khuyếch đại đảo củamạch dao động, được cấu hình để dùng như một bộ tạo dao động trên chip

Hình 2.4: Bộ tạo dao động

2.3 Nguyên lý đo và chuyển đổi tương tự sang số của ADC0804

Khi điện áp đầu vào que đo thông qua mạch phân áp sẽ đưa điện áp tới đầuvào Vin cua ADC0804 sao cho điện áp vào lớn nhất là 5V, khi đó ứng với mỗigiá trị đầu vào Vin thì ADC0804 sẽ chuyển đổi từ giá trị tương tự là điện ápsang số, ứng với mỗi giá trị số sẽ là một giá trị điện áp tương ứng

buocthuockich

V

out =

Với Dout là đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân) Vin là điện áp đầu vào tương

tự và độ phân dải là sự thay đổi nhỏ nhất được tính như là (2 × Vref/2) chia cho

256 đối với ADC 8 bít Tương tự các giá trị điện áp khác được chuyển đổitương tự

Tính toán linh kiện.

- Điện áp đặt vào chân Vref/2 là 1,28v khi đó kích thước bước là 10 mV,nhưng do chân Vin(-) thực tế có sai số (sai số chủ yếu trên cầu phân áp R1 vàR2) Do đó chân Vref/2 được nối với biến trở RV1 để có thể điều chỉnh điện áp

từ 0V đến 5V

- Chân Vin(-) được nối với cầu phân áp tạo bởi R1 và R2, sao cho

VDC = -25,6V – 0V tương ứng với Vin(-) = -2,56V – 0V Ta suy ra công thức:Vin(-) = với Vin(-) = -2,56V, VDC = -25,6V

Suy ra: R1 = 9R2 Chọn R2 = 10KΩ thì R1 = 90KΩ

Ta lại có: Vin = Vin(+) – Vin(-) Chân Vin(+) ta mắc nối đất Vin(+) = 0

Suy ra: Vin = -Vin(-) = 0V – 2,56V

Lúc này, Vin = 0 – 2,56V được biểu diển bằng ngỏ ra DB = 0 – 25,6.

- Tốc độ chuyển đổi ADC0804 (TC):

1 66

Chương 3: Thiết kế phần mềm.

3.1 Lưu đồ thuật toán

3.2 Chương trình điều khiển

mov a,p1 ; Nhận dữ liệu từ p1

KẾT LUẬN:

Trong bài tập lớn này, em thấy đo điện áp dùng vi xử lý hoạt động rất ổnđịnh, có độ chính xác mà các loại đồng hồ khác không có được, với phương pháptrình bày ở trên thì sai số của em là 0,1v Không những thế đề tài có thể phát triểnthành thiết bị đo điện áp xoay chiều, đo dòng điện, đo điện trở,…Và dựa vàonguyên lý của mạch, ta có thể chuyển đổi thành mạch đo nhiệt độ , đo tần số, đothời gian theo mình mong muốn

Với đề tài: “Thiết kế mạch đo điện áp một chiều trong dải (-5VDC +5VDC) có hiển thị trên LED 7 vạch” Em mới chỉ dừng ở việc dùng ADC0804chuyển từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và lập trình cho con AT89C51 để đođiện áp, dải đo của em mới chỉ thực hiện được từ 0-5VDC Do em mới tiếp xúcvới môn kỹ thuật vi xử lý, kiến thức còn nhiều hạn chế nên bài tập của em mới chỉhoàn thành được việc đo điện áp trong dải điện áp âm hoặc dải điện áp dương, emchưa làm được việc đo điện áp trong cả dải âm và dải dương nhưng dựa vào đó cóthể mở rộng để đo được điện áp trong dải rộng hơn Trong quá trình làm có thể xảy

ra một số lỗi mà em chưa biết và phát hiện ra Em mong thầy và các bạn đóng góp

ý kiến để em hoàn thiện bài tập lớn này

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1] Kĩ thuật đo lường các đại lượng vật lý – Tập2

Tác giả: Phạm Thượng Hàn – Nguyễn Trọng Quế

Nguyễn Văn Hòa – Nguyễn Thị Vấn Nhà xuất bản giáo dục - Năm 2004

[2] Bài giảng kỹ thuật vi xử lý – Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam

Thầy: Phạm Tuấn Anh

[3] Website: www.dientuvietnam.net