ĐỒ ÁN Đo khống chế nhiệt độ 4 điểm giao tiếp máy tính

ĐỒ ÁN Đo khống chế nhiệt độ 4 điểm giao tiếp máy tính

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

PHẦN I: LÝ THUYẾT 5

CHƯƠNG I: GIAO TIẾP MÁY TÍNH 5

1.1 Tổng quan về giao tiếp máy tính 5

1.2 Giao tiếp qua cổng nối tiếp 6

1.2.1 Cấu trúc cổng nối tiếp ( cổng COM) 6

1.2.2 Các chuẩn giao tiếp nối tiếp 7

1.2.3 Các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS-232: 8

1.2.4 Định dạng dữ liệu: 8

1.2.5 Truyền thông nối tiếp của 89C51: 9

1.2.6 Nối ghép 89C51 với RS232: 10

1.2.7 Sử dụng Visual Basic trong điêu khiển 10

CHƯƠNG II: VI ĐIỀU KHIỂN 13

2.1 Tổng quan về vi điều khiển 13

2.2 Vi điều khiển 89C51 13

2.2.1 Giới thiệu họ MCS51: 13

2.2.2 Cấu trúc phần cứng của vi điều khiển 89C51 14

2.2.3 Sơ lược về tập lệnh 89C51 : 16

2.2.4 Hoạt động định thời 16

2.2.5 hoạt động của port nối tiếp 8051 18

2.2.6 Hoạt động ngắt của 8051 20

PHẦN II: 21

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 21

CHƯƠNG I: THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH MẠCH 21

1.1 Nhiệm vụ thiết kế: 21

1.1.1 Sơ đồ khối mạch 21

1.1.2 Nhiệm vụ từng khối: 22

1.3.1 khái niệm chung 24

1.3.2 Giới thiệu IC ADC 0809 24

1.3.3 Nguyên lý hoạt động: 28

1.3.4 Các phương pháp chuyển đổi AD 30

1.4 Giao tiếp máy tinh 33

1.2.1 Giới thiệu IC MAX232 33

1.2.2 Sơ đồ chân MAX232: 34

CHƯƠNG II: THI CÔNG MẠCH 36

2.1 Sơ đồ nguyên lý: 36

2.2 Sơ đồ mạch in: 37

2.3 Sơ đồ bố trí linh kiện 38

2.4 Dao diện Visual Basic 39

2.5 Lưu đồ giải thuật vi điều khiển 40

2.6 Lưu đồ giải thuật visual basic 43

2.7 Trương trình vi điều khiển 45

PHẦN III 52

KẾT LUẬN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

PHẦN I: LÝ THUYẾT CHƯƠNG I: GIAO TIẾP MÁY TÍNH

1.1 Tổng quan về giao tiếp máy tính

Để có thể tiến hành điều khiển hoặc giám sát các quá trình thực hiện bằng máytính, trước hết phải có mối liên hệ cần thiết giữa máy tính và thế giới bên ngoài Cổnggiao lưu với thế giới bên ngoài được mở rộng bằng giao diện.Đối với máy tính PC tuântheo chuẩn công nghiệp có thể thực hiện các khả năng ghép nối sau:

Sử dụng card mở rộng được cắm vào máy tính ( phương pháp này đạt được tốc

độ truy nhập lớn nhất nhưng chi phí cao)

Các giao diện đã được tiêu chuẩn hóa đóng vai trò ghép nối máy tính với cácmạch điện bên ngoài.Cách ghép nối qua cổng nối tiếp thường được lựa chọn vì chi phíthấp

Ghép nối với một bộ vi xử lý riêng để thực hiện những bài toán khác mà khôngcần trao đổi dữ liệu với máy tính

Các giao diện có trên máy tính PC như giao diện nối tiếp,giao diện song song

và cả cổng trò chơi (game port) cho phép sử dụng trực tiếp làm giao diện

1.2 Giao tiếp qua cổng nối tiếp

1.2.1 Cấu trúc cổng nối tiếp ( cổng COM)

Cổng nối tiếp có các ưu điểm sau:

Khoảng cách truyền xa hơn cổng song song

Số dây kết nối ít

Có thể truyền không dây dùng hồng ngoại

Có thể ghép nối với vi điều khiển hay PLC

Cho phép nối mạng

Có thể tháo lắp thiết bị trong lúc máy tính đang làm việc

Có thể cung cấp nguồn cho các mạch điện đơn giản

Cổng COM có hai loại: loại 9 chân và loại 25 chân

Sơ đồ chân:

1.2.2 Các chuẩn giao tiếp nối tiếp

Thường sử dụng nhiều nhất là chuẩn RS-232 và RS-485 Ở đồ án này chỉ sử dụng chuẩn RS-232

Chuẩn RS-232: Tín hiệu truyền theo chuẩn RS-232 của EIA (Electronics

Industry Associations) Chuẩn RS-232 qui định mức logic 1 ứng với điện áp từ -3V đến -25V, mức logic 0 ứng với điện áp từ 3V đến 25V và có khả năng cung cấp dòng

Chuẩn RS-232 cho phép truyền tín hiệu với tốc độ đến 20.000 bps nhưng nếu cáp truyền đủ ngắn có thể lên đến 115.200 bps Chuẩn RS-232 chỉ có thể kết nối nhiều nhất hai thiết bị, với khoảng cách dài nhất (12,7 m đến 25,4 m).

Chuẩn RS-485: có thể kết nối tối đa là 32 thiết bị, khoảng cách dài hơn tối đa là(1016m đến hơn 1km) gấp 40 lần RS-232 Tốc độ cao 10Mbs/s

1.2.3 Các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS-232:

Các tốc độ truyền dữ liệu thông dụng trong cổng nối tiếp là: 1200bps, 4800bps,

9600bps, 19200 bps

1.2.4 Định dạng dữ liệu:

Sau đây giới thiệu về cách định dạng dùng trong truyền thông nối tiếp.

- Định dạng đồng bộ: Trong truyền đồng bộ, mọi thiết bị dùng một xung đồng

hồ được phát ra bởi một thiết bị hoặc từ một nguồn xung ngoài Xung đồng hồ có thể

có một tần số cố định hoặc có thể chốt tại những khoảng thời gian không đều Mọi bíttruyền đi được đồng bộ với đồng hồ

- Định dạng không đồng bộ: Trong truyền không đồng bộ, liên kết không baogồm đường xung đồng hồ, bởi vì mỗi điểm đầu cuối của liên kết đã có xung đồng hồcho riêng từng cái Mỗi điểm sẽ cần phải đồng ý cùng một tần số của đồng hồ và mọi

truyền dữ liệu đồng bộ nhưng liên kết không đồng bộ vẫn được dùng phổ biến 485hơn

1.2.5 Truyền thông nối tiếp của 89C51:

Truyền thông nối tiếp sử dụng hai phương pháp đồng bộ và dị bộ Phương phápđồng bộ truyền một khối dữ liệu ( các ký tự) tại cùng thời điểm trong khi đó truyền dị

bộ chỉ truyền từng byte một Có thể viết phần mềm để sử dụng một trong hai phươngpháp này

Truyền dữ liệu bán công và song công:

Dữ liệu truyền có thể vừa phát và vừa thu gọi là truyền song công Truyền songcông có thể có hai loại là bán song công và song công hoàn toàn phụ thuộc vào truyền

dữ liệu có thể xảy ra đồng thời không? Nếu dữ liệu được truyền theo một đường tạimột thời điểm thì được gọi là truyền bán song công Nếu dữ liệu có thể đi hai đườngcùng một lúc thì gọi là song công toàn phần Tất nhiên, truyền song công đòi hỏi haiđường dữ liệu, một để phát và một để thu dữ liệu cùng một lúc

Truyền thông nối tiếp dị bộ và đóng khung dữ liệu:

Truyền thông dữ liệu nối tiếp dị bộ được sử dụng rộng rãi cho các phép truyềnhướng ký tự, còn các bộ truyền dữ liệu theo khối thì sử dụng phương pháp đồng bộ.Trong phương pháp dị bộ, mỗi ký tự đuợc bố trí giữa các bit bắt đầu (start) và bit dừng(stop) Công việc này gọi là đóng gói dữ liệu Trong đóng gói dữ liệu đối với truyềnthông dị bộ thì dữ liệu là các ký tự mã ASCII đuợc đóng gói giữa một bit bắt đầu vàmột bit dừng Bit bắt đầu luôn luôn chỉ là một bit, còn bit dừng có thể là một hoặc haibit Bit bắt đầu luôn là bit thấp (0) và các bit dừng luôn là các bit cao (1)

Trong một số hệ thống để nhằm duy trì tính toàn vẹn của dữ liệu thì người tacòn thêm một bit lẻ (parity bit) Điều này có nghĩa là đối với mỗi ký tự ta có thêm một

Bộ điều khiển đường truyền MAX232:

Hình 1.3.6 a) Sơ đồ bên trong của MAX232

MAX232 chuyển đổi từ các mức điện áp RS232 sẽ về mức điện áp TTL và ngược lại.Một điểm mạnh của chip MAX232 là nó dùng điện áp ngưỡng +5V cùng với điện ápnguồn của 89C51

P3.1 TxD P3.0 RxD

Max232 80511

Vcc

2 6

7 8 9

11 10

5 4 11

2

10

14 13

T1OUTT1IIN

R1IINR1OUT

T2IIN

R2OUT

T2OUTR2IINRS232 side TTL side 15

2 5 2

3

+

C1+

C2

Tính chất

MSComm:có một số tính chất liên kết.Tính chất liên hệ tới cấu hình của port,truyền dữliệu,sử dụng tín hiệu bắt tay,và nhận ra điều khiển

Cấu trúc:

 CommID: tra lại việc điều khiển khi nhận ra thiết bị

 Commport: đặt và trả lại vị trí của port

 Inbuffersize: đặt và trả lại kích thước của bộ đệm.(bằng byte)

 Inputlen: đặt và trả lại những con số hoặc những ký tự ở ngõ vào sẽ đọc

 Inputmode:đặt và trả lại kiểu dữ liệu.(dạng chữ hay nhị phân)trả lại bằng ngõvào hay được đồng ý ở ngõ ra

 Nulldiscard:xác định ký tự có rỗng hay không.(Chr.(0).) đã được truyền từ porttới bộ đệm nhận hoặc được bỏ qua

 Outbuffersize:đặt và trả lại kích thước của bộ đệm truyền (khoảng 512 byte)

 Parityreplace:kiểm tra cờ chẵn lẻ

 Portopen: đặt và trả lại trạng thái của port.(giá trị boolean)

 Rthreshold:đặt và trả lại một số hoặc ký tự tới bộ nhận trước khi so sánh tớicomEvReceive

 Settings:đặt và trả lại tố độ truyền,cờ chẵn lẻ và dữ liệu vả bit stop

Sthreshold:đặt và trả lại số hoặc ký tự nhỏ nhất trong bộ đệm truyền trước khi so sánhvới comevsend

Phần truyền dữ liệu:

 Commevent:trả lại hầu hết các sự kiện hoặc lỗi gần đây

 Output:ghi dữ liệu ra bộ đệm truyền

Phần điều khiển có sự bắt tay

 Break:đặt hoặc xoá đi tín hiệu bị hỏng

 Cdholding:trả lại trạng thái của CD

 CTSHoding:trả lại trạng thái của CTS

 DSRHolding:trả lại trạng thái của DSR

 DTREnable:đặt hoặc xoá DTR

 Handshaking:đặt vả trả lại chuẩn bắt tay

 RTSEnable:đặt và xoá RTS

CHƯƠNG II: VI ĐIỀU KHIỂN 2.1 Tổng quan về vi điều khiển

Bộ vi điều khiển viết tắt là micro-controller, là mạch tích hợp trên 1 chip có thểlập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống

Trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng , các bộ vi điều khiển điều khiểnhoạt động của tivi, máy giặt, lò vi ba…Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điềukhiển được sử dụng trong Robot, dây chuyền tự động Các hệ thống càng “thôngminh” thì vai trò của hệ thống vi điều khiển càng quan trọng

2.2 Vi điều khiển 89C51

2.2.1 Giới thiệu họ MCS51:

MCS51 là một họ IC vi điều khiển (Microcontroller ) do hãng Intel sản xuất.

Các IC tiêu biểu cho họ MCS51 là 8051 và 8031 Đặc biệt, vi điều khiển 89C51 được

sản xuất gần đây mang các đặc điểm sau:

- 4 Kbytes ROM

- 28 bytes RAM

- ports I/O (Input/Output)

- 2 bộ định thời (timer) 16 bits

- Giao tiếp nối tiếp

- 64 Kbytes không gian bộ nhớ chương trình mở rộng

- 64 Kbytes không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng

- Một bộ xử lí luận lí (thao tác trên các bit đơn)

- 210 bits được địa chỉ hóa

2.2.2 Cấu trúc phần cứng của vi điều khiển 89C51

2.2.2.1 Sơ đồ khối của một vi xử lý

2.2.2.2 Sơ lược về các chân của 8951:

C 8951 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập Trong đó có

24 chân có công dụng kép, mỗi đường có thể hoạt động như đường xuất nhập hoặcnhư đường điều khiển hoặc là thành phần của bus dữ liệu và bus địa chỉ

Hệ thống giao tiếp port:

8051 có hai bộ định thời 16 bit, mỗi bộ có 4 chế độ hoạt động ; được dùng để:

 Định thời trong một khoảng thời gian

 Đếm sự kiện

 Tạo tốc độ baud cho port nối tiếp của chip 8051

Các bộ định thời của 8051 được truy xuất bằng cách sử dụng 6 thanh ghi chức năng đặc biệt.

RCAP2L Nhận byte thấp của bộ định thời 2 CAH Không

RCAP2H Nhận byte cao của bộ địnht hời 2 CBH Không

2.2.5 hoạt động của port nối tiếp 8051.

Phần cứng truy xuất tới Port nối tiếp qua các chân TxD (P3.1) và RxD (P3.0)

Hai thanh ghi chức năng đặc biệt cung cấp cho phần mềm truy xuất đến Portnối tiếp là SBUF và SCON Sự đệm Port nối tiếp (SBUF) ở địa chỉ 99H là 2 sự đệmthật sự: Ghi lên SBUF (nạp dữ liệu phát) và đọc SBUF (truy xuất dữ liệu đã nhận).Đây là hai thanh ghi riêng biệt và rõ rệt, và thanh ghi phát chỉ ghi còn thanh ghi thu chỉđọc

64)

Trước khi dùng Port nối tiếp, SCON phải được định đúng chế độ VD: Để khởi tạo Port nối tiếp chế độ 1 (SM0/SM1 = 0/1), cho phép thu (REN = 1), và set cờ ngắt của việc phát sẵn sàng hoạt động (TI = 1), ta dùng lệnh sau :

MOV SCON, #01010010H

Port nối tiếp của 8051 có 4 mode hoạt động tùy thuộc theo trạng thái của SM0/SM1

Ba trong 4 mode cho phép truyền động bộ với mỗi ký tự thu hoặc phát sẽ được

bố trí bởi bit Start hoặc bit Stop

Các chế độ hoạt động của port nối tiếp

Tốc độ Baud của Port nối tiếp:

Tốc độ Baud của Port nối tiếp cố định ở mode 0 và mode 2 Trong mode 0 nóluôn luôn là tần số dao động trên Chip chia cho 12 Thông thường thạch anh 12 MHzlái dao động trên Chip 8051 nên tốc độ Baud của mode 0 là 1MHz

Bằng sự mặc định sau khi reset hệ thống, tốc độ Baud mode 2 là tần số daođộng chia cho 64, tốc độ Baud cũng bị ảnh hưởng bởi bit SMOD của thanh ghi PCON

Việc set bit SMOD sẽ tăng gấp đôi tốc độ Baud trong các mode 1,2 và 3 Trongmode 2, tốc độ Baud có thể được tăng gấp đôi từ giá trị mặc định 1/64 tần số dao độngtrên Chip (ứng với SMOD = 0 ) lên đến 1/32 tần số dao động trên Chip ( ứng vớiSMOD = 1)

Vì thanh ghi PCON không được định địa chỉ bit, nên để set bit SMOD màkhông thay đổi các bit khác của thanh ghi PCON thì đòi hỏi phải có 1 hoạt động “đọc

bổ sung ghi”

Các lệnh sau đây sẽ set bit SMOD:

MOV A, PCON ;Nhập vào A giá trị hiện hành của PCON

SETB ACC, 7 ;Set bit 7 của ACC (bit SMOD)

MOV PCON, A ;Ghi giá trị trở về PCON mà SMOD đã được set

Các tốc độ Baud trong mode 1 và mode 3 của 8051 được xác định bởi tốc độtràn của timer 1 Bởi vì timer hoạt động ở tần số cao liên tục nên tràn xa hơn nữa đượcchia cho 32 (chia cho 16 nếu SMOD =1) trước khi cung cấp xung clock tốc độ Baudđến Port nối tiếp Tốc độ Baud ở mode 1 và 3 của 8051 được xác định bởi tốc độ tràncủa timer 1 hoặc timer 2, hoặc cả hai

2.2.6 Hoạt động ngắt của 8051.

Ngắt là một sự cố có điều kiện mà nó gây ra sự ngưng lại tạm thời của chương trình để phục vụ một chương trình khác Các ngắt đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và hiện thực các ứng dụng của bộ vi điều khiển , nó có thể tạm thời treo việc thực thi của chương trình chính để thực thi chương trình khác và sau đó quay lại

chương trình chính

Khi chương trình chính đang thực thi mà có một sự ngắt xảy đến thì chươngtrình chính ngưng thực thi và rẽ nhánh đến thủ tục phục vụ ngắt ISP (Interrupt ServiceRoutine) ISR thực thi để thực hiện hoạt động và kết thúc với lệnh RETI: chương trìnhtiếp tục nơi mà nó dừng lại

PHẦN II:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH CHƯƠNG I: THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH MẠCH 1.1 Nhiệm vụ thiết kế:

Nhiệm vụ cần thực hiện là thiết kế một mạch đo nhiệt độ từ 0oC – 99oC và khống chế nhiệt độ Vậy yêu cầu đặt ra ở đây là:

+ Thiết kế bộ cảm biến nhiệt độ

+ Thiết kế bộ chuyển đổi tương tự sang số

+ Thiết kế bộ giao tiếp

+ Viết chương trình điều khiển

Khối vi điều khiển

Khối Tải

1.1.2 Nhiệm vụ từng khối:

Khối vi xử lý: điều hành mọi hoạt động của hệ thống

Khối giao tiếp máy tinh: Khối này có nhiệm vụ là nhận tín hiệu từ ngoài để đưavào xử lý và nhận tín hiệu từ vi xử lý để điều khiển đóng ngắt các thiết bị.Khối cảm biến: có nhiệm vụ là đo lường nhiệt độ từ môi trường xung quanh.Khối ADC: chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang số

Khối thiết bị: là các dụng cụ được diều khiển như máy sưởi, máy lạnh

1.2 Bộ cảm biến:

Để đo nhiệt độ được chính xác, tất nhiên cần có một đầu dò thích hợp Đầu dò

là một cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ vận chuyển từ nhiệt độ qua tín hiệu điện Có rấtnhiều loại cảm biến như giới thiệu ở chương V Nhưng dựa vào lý thuyết và thực tếcủa mạch cần thiết kế ta dùng phương pháp đo bằng IC cảm biến nhiệt độ Các IC cảmbiến nhiệt độ có độ chính xác cao, dễ tìm và giá thành rẽ Một trong số đó là IC LM35,

là loại thông dụng trên thị trường hiện nay, đồng thời nó có những đặc tính làm việcphù hợp với thiết kế chi tiết của mạch

1.2.1 Một số tính chất cơ bản của LM35:

LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ: 10mV / 1oC

Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, ở nhiệt độ 25oC nó có sai sốkhông quá 1% Với tầm đo từ 0oC – 128oC, tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục vớinhững thay đổi của tín hiệu ngõ vào

Thông số kỹ thuật:

Tiêu tán công suất thấp

Dòng làm việc từ 400A – 5mA

LM35

5 

< 5mA

Từ (1) và (2): chọn R = 2,2 k

chọn biến trở chỉnh offset VR = 15 k

1.3 Thiết kế bộ chuyển đổi ADC

1.3.1 khái niệm chung

Ngày nay việc truyền đạt tín hiệy cũng như quá trình điều khiển và chỉ thị phầnlớn được thực hiện theo phương pháp số Trong khi đó tín hiệu tự nhiên có dạng tương

tự như: nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng, tốc độ quay, tín hiệu âm thanh… Để kếtnối giữa nguồn tín hiệu tượng tự với các hệ thống xử lý số người ta dùng các mạchchuyển đổi tương tự sang số(ADC) nhằm biến đổi tín hiệu tương tự sang số hoặc trongtrừơng hợp ngược lại cần biến đổi tín hiệu số sang tương tự thi dùng các mạch DAC(Digital Analog Converter)

1.3.2 Giới thiệu IC ADC 0809

Bộ ADC 0809 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi từ tương

tự sang số 8 bit, bộ chọn 8 kênh và một bô logic điều khiển tương thích Bộ chuyển đổi

năng điều chỉnh tỉ số làm tròn ADC 0809 dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý.

* Sơ đồ chân ADC 0809:

9 Pin đầu vào thấp để xung cao mang lại dữ liệu để chân

ra từ sổ đăng ký nội bộ kết thúc chuyển đổi

Đầu ra cho phép

o Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý hoặc dùng riêng

o Không cần điều chỉnh zero hoặc đầy thang

*Biểu đồ thời gian: