Theo tài liệu nghiên cứu và tìm kiếm trên mạng internet còn khan hiếm nên việc tìm kiếm mạch hiển thị nhiệt độ thực trên xe rất hạn chế nên trong mạch này e xin trình bày một phương pháp thiết kế mạch và hiển thị nhiệt độ rất phổ biến có thể dùng trên xe và trong gia đình, tuy mạch này không được thiết kế nhỏ gọn nhưng nó cũng là một đề tài về thiết kế mạch rất hữu ích trong lĩnh vực lập trình và thiết kế mạch.
Trang 1ĐỒ ÁN MÔN HỌC : THIẾT KẾ MẠCH
ĐỀ TÀI :NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ NGOÀI XE
TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ
MỤC LỤC
CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ 4
1.1 MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU 4
1.1.1 Tổng quan hệ thống thiết kế mạch đo và hiển thị nhiệt độ trên xe 4
4
1.1.2 Các phương pháp hiển thị nhiệt độ 4
1.2 Ý NGHĨA 4
1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 4
-CHƯƠNG II:LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH -
2.1 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH -
2 2 NGUYÊN LÍ MỘT SỐ LINH KIỆN CHÍNH -
2.2.1.Giới thiệu tổng quan về họ Vi điều khiển 8051 -
6-2.2.2 Sơ đồ khối và sơ đồ chân của AT89C51 -
7-2.2.3 Chức năng các chân của AT89C51 -
8-2.2.4 Giới thiệu về IC ADC0804 -
10-2.2.5 Giới thiệu về IC cảm biến LM35 -
12-2.2.6 LED 7 đoạn -
2.2.7 Transistor -
15-2.2.8 Biến trở vi chỉnh: -
2.2.9 IC 7805 -
16-CHƯƠNG III THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH -
3.1 SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ -
3.2 CÁC KHỐI CHỨC NĂNG -
3.2.1 Khối cảm biến -
17-3.2.2 Khối chuyển đổi tương tự sang số -
3.2.3 Khối xử lý trung tâm -
3.2.4 Khối hiển thị -
18-3.2.4.1 Kết nối với Vi điều khiển -
3.2.4.2 Bảng mã hiển thị led 7 đoạn: -
19-3 2.5 Mô phỏng mạch và hình ảnh thực tế -
3 2.6 Nguyên lý hoạt động của mạch -
22-3.2.7 Lưu đồ thuật toán chương trình chính -
23-3.2.8.Hình ảnh thực tế -
25-3.3.CODE CHƯƠNG TRÌNH -
Trang 228-KẾT LUẬN -
31 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC -
31 HƯỚNG PHÁT TRIỂN -
31TÀI LIỆU THAM KHẢO 32
-NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
Hưng yên, ngày … tháng … năm 2015
Chữ ký của giáo viên
Trang 3CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ
1.1 MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU
1.1.1 Tổng quan hệ thống thiết kế mạch đo và hiển thị nhiệt độ trên xe
Theo tài liệu nghiên cứu và tìm kiếm trên mạng internet còn khan hiếm nên việc tìmkiếm mạch hiển thị nhiệt độ thực trên xe rất hạn chế nên trong mạch này e xin trìnhbày một phương pháp thiết kế mạch và hiển thị nhiệt độ rất phổ biến có thể dùng trên
xe và trong gia đình, tuy mạch này không được thiết kế nhỏ gọn nhưng nó cũng là một
đề tài về thiết kế mạch rất hữu ích trong lĩnh vực lập trình và thiết kế mạch
1.1.2 Các phương pháp hiển thị nhiệt độ
Theo em nghiên cứu và tìm hiểu trên sách và internet thì có 1 phương pháp hiển thịduy nhất đó là dùng cảm biến thông qua điều khiển của vi xử lý rồi hiển thị ra bênngoài
Trong phương pháp này chia ra 3 loại vi xử lý khác nhau đó là :
-Chip 8051 (89c51,89C52,89s51,89s52 )
-Chip pic (pic 16f877a)
-Chip avr (atmega)
Về phần hiển thị lại được chia ra làm 2 cách hiển thị đó là hiển thị ra lad7thanh,hiển thị lên LCD
Trong trong quá trình học tập và nghiên cứu e chọn cách hiển đo và hiển thị bằngcách dùng cảm biến lm35, bộ chuyển đổi tín hiệu ADC0804, chip xử lý 89C51, vàhiển thị ra led 7 thanh
1.2 Ý NGHĨA
Thấy được tính khoa học và ứng dụng thực tế của đề tài
8051 là họ Vi điều khiển mới có nhiều tính năng, khả năng xử lí nhanh
Ứng dụng ADC trong việc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (analogsang digital).Tín hiệu tương tự ở đây là tín hiệu điện áp được lấy từ cảm biến
Mạch hiển thị LED 7 đoạn nên dễ dàng cho người sử dụng theo dõi nhiệt độ hiểnthị
1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Trong phạm vi thiết kế này, người thực hiện cần thiết kế và thi công mạch hiển thị
nhiệt độ gọn, đơn giản
Đề tài “Hiển thị nhiệt độ” rất đa dạng và phong phú, có nhiều loại hình khác nhaudựa vào công dụng và độ phức tạp Do tài liệu tham khảo bằng Tiếng Việt còn hạn
Trang 4chế, trình độ có hạn và kinh nghiệm trong thực tế còn non kém, nên đề tài chắc chắncòn nhiều thiếu sót Vì vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, giúp đỡ chânthành của các thầy cô cũng như của các bạn sinh viên
Trang 5CHƯƠNG II:LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
2.1 Các linh kiện sử dụng trong mạch.
Sử dụng vi điều khiển họ 8051 là phần điều khiển chính
Đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt LM35 thông qua bộ thiết kế mạch chuyển đổi ADC0804
Hiển thị bằng led 7 đoạn
Ngoài ra còn có 1 số linh kiện phụ như biến trở vi chỉnh, transistor thuận a564, điện trở 10k, 200 ôm, tụ hóa 10u, tụ gốm 33p, 104, thạch anh
2 2 Nguyên lý một số linh kiện chính.
2.2.1.Giới thiệu tổng quan về họ Vi điều khiển 8051
AT89C51 là một vi điều khiển 8 bit, chế tạo theo công nghệ CMOS chất lượngcao, công suất thấp với 4 KB PEROM (Flash Programeable and erasable read onlymemory)
Các đặc điểm của 8951 được tóm tắt như sau:
- 4KB bộ nhớ, có thể lập trình lại nhanh, có khả năng ghi xóa tới 1000 chu kỳ
- Tần số hoat động từ 0 Hz đến 24 MHz
- 3 mức khóa bộ nhớ lập trình
- 2 bộ Timer/Counter 16 bit
- 128 Byte RAM nội
- 4 Port xuất/nhập (I/O) 8 bit
- Giao tiếp nối tiếp
Trang 6OTHER REGISTER 128 byte RAM
128 byte RAM 8032\8052 ROM
0K:
8031\8032 4K:8951 8K:8052
EA\ RST ALE\ PSEN\
P0 P1 P2 P3 Address\Data TXD RXD
TEMER2 8032\8052
Cất kết quả vào RAM (hàng đơn vị cất vào ô nhớ 30H, hàng chục cất vào ô nhớ 31H)
Chia tiếp kết quả cho 10 được số hàng chục
Gán A=P2Cất kết quả vào RAM (hàng đơn vị cất vào ô nhớ 30H, hàng chục cất vào ô nhớ 31H)
Chia tiếp kết quả cho 10 được số hàng chụcChia cho 10 được số dư là hàng đơn vị
Gán A=P2
TEMER1
2.2.2 Sơ đồ khối và sơ đồ chân của AT89C51
Hình 2.1 : Sơ đồ khối của AT89C51
Hình 2.2 : Sơ đồ chân của AT89C51
Trang 72.2.3 Chức năng các chân của AT89C51
Port 0 (P0.0 – P0.7 hay chân 32 – 39): Ngoài chức năng xuất nhập ra, port 0
còn là bus đa hợp dữ liệu và địa chỉ (AD0 – AD7), chức năng này sẽ được sử dụng khiAT89C51 giao tiếp với thiết bị ngoài có kiến trúc bus
Hình 2.3 : Port 0
Port 1 (P1.0 – P1.7 hay chân 1 – 8): có chức năng xuất nhập theo bit và byte
Ngoài ra, 3 chân P1.5, P1.6, P1.7 được dùng để nạp ROM theo chuẩn ISP, 2chân P1.0 và P1.1 được dùng cho bộ Timer 2
Hình 2.4 : Port 1
Port 2 (P2.0 – P2.7 hay chân 21 – 28): là một port có công dụng kép Là
đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mởrộng
Trang 8Hình 2.5 : Port 2
Port 3 (P3.0 – P3.7 hay chân 10 – 17): mỗi chân trên port 3 ngoài chức năng
xuất nhập ra còn có một số chức năng đặc biệt sau:
P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp
P3.1 TXD Dữ liệu truyền cho port nối tiếp
Hình 2.6: Port 3
RST (Reset – chân 9): mức tích cực của chân này là mức 1, để reset ta phải
đưa mức 1 (5V) đến chân này với thời gian tối thiểu 2 chu kỳ máy (tương đương 2µsđối với thạch anh 12MHz
Trang 9XTAL 1, XTAL 2: AT89S52 có một bộ dao động trên chip, nó thường được
nối với một bộ dao động thạch anh có tần số lớn nhất là 33MHz, thôn thường là12MHz
EA (External Access): EA thường được mắc lên mức cao (+5V) hoặc mức
thấp (GND) Nếu ở mức cao, bộ vi điều khiển thi hành chương trình từ ROM nội Nếu
ở mức thấp, chương trình chỉ được thi hành từ bộ nhớ mở rộng
ALE (Address Latch Enable): ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào một thanh
ghi bên ngoài trong nửa đầu của chu kỳ bộ nhớ Sau đó các đường port 0 dùng để xuấthoặc nhập dữ liệu trong nửa chu kỳ sau của bộ nhớ
PSEN (Program Store Enable): PSEN là điều khiển để cho phép bộ nhớ
chương trình mở rộng và thường được nối với đến chân /OE (Output Enable) của mộtEPROM để cho phép đọc các bytes mã lệnh PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian đọclệnh Các mã nhị phân của chương trình được đọc từ EPROM qua Bus và được chốtvào thanh ghi lệnh của bộ vi điều khiển để giải mã lệnh Khi thi hành chương trìnhtrong ROM nội, PSEN sẽ ở mức thụ động (mức cao)
Vcc, GND: AT89S52 dùng nguồn một chiều có dải điện áp từ 4V – 5.5V được
cấp qua chân 40 (Vcc) và chân 20 (GND)
2.2.4 Giới thiệu về IC ADC0804
Các bộ chuyển đổi ADC thuộc những thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất để thu
dữ liệu Các máy tính số sử dụng các giá trị nhị phân, nhưng trong thế giới vật lý thìmọi đại lượng ở dạng tương tự (liên tục) Nhiệt độ, áp suất (khí hoặc chất lỏng), độ ẩm
và vận tốc và một số ít những đại lượng vật lý của thế giới thực mà ta gặp hằng ngày.Một đại lượng vật lý được chuyển về dòng điện hoặc điện áp qua một thiết bị được gọi
là các bộ biến đổi Các bộ biến đổi cũng có thể coi như các bộ cảm biến Mặc dù chỉ cócác bộ cảm biến nhiệt, tốc độ, áp suất, ánh sáng và nhiều đại lượng tự nhiên khácnhưng chúng đều cho ra các tín hiệu dạng dòng điện hoặc điên áp ở dạng liên tục Dovậy, ta cần một bộ chuyển đổi tương tự số sao cho bộ vi điều khiển có thể đọc đượcchúng Một chip ADC được sử dụng rộng rãi là ADC0804
Trang 10Hình 2.7: sơ đồ chân ADC0804
Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 của hãngNational Semiconductor Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất Chip cóđiện áp nuôi +5V v à độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển
đổ i 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 thuộc vàotần số đồng hồ đ ược cấp tới chân CLK và CLK IN và không bé hơn 110µs Các chânkhác của ADC0804 có chức năng như sau:
CS (Chip select): Chân số 1, là chân chọn Chip, đầu vào tích cực mức thấp
được sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập ADC0804 th ì chân này phải
ở mức thấp
RD (Read): Chân số 2, là một tín hiệu vào, tích cực ở mức thấp Các bộ
chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân và giữ nó ở một thanh ghi trong RDđược sử dụng để có dữ liệu đã được chyển đổi tới đầu ra của ADC0804 Khi CS = 0nếu có một xung cao xuống thấp áp đến chân RD thì dữ liệu ra dạng số 8 bit đượcđưa tới các chân dữ liệu (DB0 – DB7)
WR (Write): Chân số 3, đây là chân vào tích c ực mức thấp được dùng để
báo cho ADC biết bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung caoxuống thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tựVin về số nhị phân 8 bit Khi việc chuyển đổi hoàn tất thì chân INTR được ADC hạxuống thấp
CLK IN và CLK R: CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tới đồng hồ ngo ài
được sử dụng để tạo thời gia n Tuy nhiên ADC0804 c ũng có một bộ tạo xung đồng
hồ ri êng Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK R (chân s ố 19) được
Trang 11nối với một tụ điện v à một điện trở (như hình vẽ) Khi đó tần số được xác định bằngbiểu thức: F = 1/ 1.1RC
Với R = 10 kΩ, C = 150 pF và tần số f = 606 kHz và thời gian chuyển đổi l à 110 µs
Ngắt INTR (Interupt): Chân số 5, là chân ra tích c ực mức thấp Bình
thường chân này ở trạng thái cao v à khi việc chuyển đổi ho àn tất thì nó xuống thấp
để báo cho CPU biết l à dữ liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi Sau khi INTR xuốngthấp, cần đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống thấp tới chân RD để đ ưa dữ liệura
Vin (+) và Vin (-): Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương tự vi sai,
trong đó V in = 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 0đến +5V Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác vớidải 0 đến +5V Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0 đến+5V
Vref/2 (V) Vin (V) Kích thước bước (mV)
– Quan hệ điện áp V ref/2 với Vin
D0 - D7: D0 - D7, chân số 18 – 11, là các chân ra d ữ liệu số (D7 là bit cao
nhất MSB và D0 là bit thấp nhất LSB) Các chân này được đệm ba trạng thái và dữliệu đã được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD đưa xu ống mức thấp Để tính điện áp đầu ra ta tính theo công thức sau:
Dout = Vin / Kích thước bước
2.2.5 Giới thiệu về IC cảm biến LM35
Đây là cảm biến nhiệt được tích hợp chính xác cao của hãng NationalSemiconductor Điện áp đầu ra của nó tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ
Trang 12Celsius Chúng không yêu cầu cân chỉnh ngoài.
LM35 có 4 dạng: TO-46, SO-8, TO-92, TO-220 Nhưng thường dùng nhất làdạng TO-92 như hình dưới
Hình 2.8 : Sơ đồ chân LM35 dạng TO-92
Đặc điểm cơ bản của LM35:
+ Điện áp nguồn từ -0.2V đến +35V
+ Điện áp ra từ -1V đến +6V
+ Dải nhiệt độ đo được từ -55°C đến +150°C
+ Điện áp đầu ra thay đổi 10mV mỗi khi có sự thay đổi 1°C
LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ : 10mV/1(0C)
Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, ở nhiệt độ 25(0C) nó có sai sốkhông quá 1% Với tầm đo từ 0(0C) đến 128(0C) , tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục với nhữngthay đổi của tín hiệu nhõ vào
Thông số kỹ thuật:
- Tiêu tán công suất thấp
- Dòng làm việc từ 400µA đến 5mA
Trang 13Tầm biến thiên điện áp tương ứng với nhiệt độ từ 0(0C) đến 100(0C) là 1V
2.2.6 LED 7 đoạn
Các khái niệm cơ bản
Hình 2.9 : Led 7 thanh
Trong các thiết bị, để báo trạng thái hoạt động của thiết bị đó cho người sử
dụng với thông số chỉ là các dãy số đơn thuần, thường người ta sử dụng "led 7 đoạn".
Led 7 đoạn được sử dụng khi các dãy số không đòi hỏi quá phức tạp, chỉ cần hiện thị
số là đủ, chẳng hạn led 7 đoạn được dùng để hiển thị nhiệt độ phòng, trong các đồng
hồ treo tường bằng điện tử, hiển thị số lượng sản phẩm được kiểm tra sau một côngđoạn nào đó
Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình và cóthêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải của led 7đoạn.8 led đơn trên led 7 đoạn có Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -) được nối chungvới nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện 8 cực cònlại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng, cũng được đưa ra ngoài để kết nốivới mạch điện Nếu led 7 đoạn có Anode(cực +) chung, đầu chung này được nối với+Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉsáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0 Nếu led 7 đoạn có Cathode(cực -)chung, đầu chung này được nối xuống Ground (hay Mass), các chân còn lại dùng đểđiều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào cácchân này ở mức 1
Trang 14Hình 2.10 : Hình ảnh chân chung led 7 thanh
Vì led 7 đoạn chứa bên trong nó các led đơn, do đó khi kết nối cần đảm bảodòng qua mỗi led đơn trong khoảng 10mA-20mA để bảo vệ led Nếu kết nối vớinguồn 5V có thể hạn dòng bằng điện trở 330Ω trước các chân nhận tín hiệu điều khiển
Sơ đồ vị trí các led được trình bày như hình dưới:
Các điện trở 220Ω là các điện trở bên ngoài được kết nối để giới hạn dòng điệnqua led nếu led 7 đoạn được nối với nguồn 5V
Chân nhận tín hiệu a điều khiển led a sáng tắt, ngõ vào b để điều khiển led b.Tương tự với các chân và các led còn lại
Trang 15Hình 2.12: Biến trở vi chỉnh
2.2.9 IC 7805
IC 7805 để ổn áp từ điện áp DC 8v-35V xuống 5V.
Trang 16CHƯƠNG III THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH
3.1 SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ.
89C51
KHỐICHUYỂNĐỒI TƯƠNG
TỰ => SỐADC0804
KHỐI HIỂNTHỊ LED 7THANH 4SỐ
Trang 173.2.2 Khối chuyển đổi tương tự sang số
Hình 3.2 : Khối chuyển đổi tín hiệu
Khối này là ADC0804 dùng để chuyển đổi tín hiệu tương tự (nhiệt độ) từ cảm biếnsang tín hiệu số.Sau khi đã chuyển đổi thi ADC sẽ xuất dư liệu ra 8 chân của cổng P1trong VXL
3.2.3 Khối xử lý trung tâm
Hình 3.3 : Chíp xử lý
Khối này là IC AT89C51 mọi quá trình xử lí dữ liệu đều được thực hiện ở đây.Trong đồ án này em đã sử dụng port 0 và port 2 để xuất dữ liệu sau khi 89C51 tínhtoán và để quét led ADC0804 sẽ chuyển các tín hiệu vào port 1 của AT89C51
