Thuyết minh đồ án: Thiết kế và thi công mạch đo điện áp một chiều, hiển thị Led 7 thanh

Với kết cấu nội dung gồm 6 phần, đồ án Thiết kế và thi công mạch đo điện áp một chiều, hiển thị Led 7 thanh giới thiệu đến các bạn những nội dung về lý thuyết liên quan các linh kện sử dụng trong mạch, các phương án thiết kế và mô phỏng, thiết kế mạch,... Đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn đang học và nghiên cứu chuyên ngành Điện Điện tử.

Trường đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên

Khoa Điện – Điện Tử

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hưng Yên, Ngày… tháng năm 2011

Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

PHẦN I : MỞ ĐẦU 4

I.1 LỜI MỞ ĐẦU……… 4

I.2 NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI………… 5

I.3 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA ĐỒ ÁN 6

PHẦN II:LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 7

II.1 CÁC LINH KỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH 7

II.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ VI SỬ LÝ 89C51 7

II.3.NGUYÊN LÍ CỦA MỘT SỐ LINH KỆN TRONG VIỆC DO LƯỜNG………… 18 II.3.1 CHIP ADC0804……….……… …… ………18

II.3.2 CẤU TRÚC ẠNG MÃ HIỂN THỊ DỮ LIỆU TRÊN LED 7 THANH………….22

II.4 CÁC LINH KỆN KHÁC……….………25

PHẦN III: CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG………… ……… 26

III.1 PHƯƠNG ÁN 1 26

III.2 PHƯƠNG ÁN 2 ……… ……… …… 34

PHÂN IV: THIẾT KẾ MẠCH………… ……….…… ……….32

IV.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ……… ….………32

IV.2 SƠ ĐỒ MẠCH IN……….………

34 IV.4 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN……… ………36

PHẦN V: ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM VÀ MỞ RỘNG ĐỀ TÀI… … ………38

PHẦN VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… …….…….……… 40

bộ vi điều khiển nhằm đem lại sự tiện ghi cho con người trong thời đại công nghiệp hoá, hiện đại hoá.

Điện áp là một đại lượng rất quan trọng trong kĩ thuật điện–điện tử, mốn điều khiển một thiết bị hay một linh kiện điện tử nào đó ta phải quan tâm đến điện áp để điều khiển

nó đầu tiên Thị trường đã sản xuất ra loại đồng hồ cơ ,tuy có thể đo điện áp nhưng ko thực sự chính xác, do vậy việc chế tạo ra một loại thiết bị đo có độ chính xác cao là rất cần thiết

Sau thời gian học tập rèn luyện tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, được sự đồng ý của thầy Đỗ Thành Hiếu nhóm chúng

em tiến hành thực hiện đồ án chuyên ngành: “ Thiết kế và thi công mạch đo điện áp

một chiều, hiển thị Led 7 thanh”.

Với mong muốn đáp ứng được yêu cầu đặt ra trong việc nghiên cứu, đo lường về điện

áp một chiều Từ đó có thể điều khiển và sử lý điện một cách chính xác hơn

I.2.Nhiệm vụ của đề tài

Tên đề tài: “Thiết kế và thi công mạch đo điện áp một chiều, hiển thị Led 7 thanh”

1 Dữ liệu cho trước

2 Nội dung cần hoàn thành

- Phần lí thuyết:

- Sản phẩm:

1 Hoạt động chính xác và ổn định

2 Đạt yêu cầu kĩ thuật và mỹ thuật

I.3 Mục đích, yêu cầu của đồ án:

-Mục đích: tạo được thiết bị đo điện áp có độ chính xác cao

-Sơ đô khối mạch đo điện áp:

II.1 Các linh kiện sử dụng trong mạch

- Sử dụng vi điều khiển họ 8051

-ADC 0804

- Hiển thị bằng led 7 đoạn

II.2.Các đặc điểm của hệ vi sử lý 89C51

Vi điều khiển (VĐK) là một hệ vi xử lý được tổ chức trong một chíp Nó bao gồm: + Bộ vi xử lý

+ 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 thông tin, viễn thông thiết bị đo lường,thiết bị điều chỉnh cũng nhuu các ứng dụng trong công nghệ thong tin và kỹ thuật điều khiển tự động có thể xem bộ VĐK như một hệ VXL on-chíp đối với AT89C51, nó có đầy đủ chức năng của một hệ VXL 8 bit, được điều khiển bởi một hệ lệnh, có số lệnh đủ mạnh, cho phép lập trình bằng hợp ngữ (Assemply)

Cơ bản về cấu tạo của AT89C51

Hình1.1 : Sơ đồ chân của 89C51

Hình 1.2 : Sơ đồ khối của 89C51

+ GND(chân 20): Chân nối với 0v

+ potr 0(chân 32 – chân 29)

port 0 là port xuất nhập 8 bit hai chiều Port 0 còn được cấu hình làm bus địa chỉ( byte thấp) và bus dữ liệu đa hợp trong khi truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài và bộ nhớ chương trình ngoài Port cũng nhận các byte mã trong khi lập trình cho Flash và xuất các byte mã trong khi kiểm tra chương trình ( các điện trở 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 cũng nhận 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 chương trình ngoài và trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài, sử dụng các địa chỉ 16 bit Trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài sử dụng các địa chỉ 8 bit, port 2 phát các nội dung của các thanh ghi đặc biệt, port 2 cũng nhận các bits địa chỉ cao và vài tín hiệu điều khiển trong thời gian lập trình cho Flash và kiểm tra chương trình

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

động chân ALE có thể được vô hiệu hoá bằng cách set bit 0 của thanh ghi chức năng đặc biệt có địa chỉ 8Eh Khi bit này được set, 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 động chôt 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 truy xuất chương trình ngoài Khi AT89C51 đang thực thi chương trình từ bộ nhớ chương trình ngoài, PSEN được kích hoạt hai lần mỗi chu kỳ máy, nhưng hai hoạt 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 0000h tới ffffh) EA = 0 cho phép truy xuát bộ nhớ chương trình ngoài, 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 của mạch dao động, được cấu hình để dùng như một bộ tạo dao động trên chip

Hình1.3: Bộ tạo dao động

2.Tổ chức bộ nhớ của 89C51

Bộ nhớ bên trong chip bao gồm ROM, RAM va EPROM RAM trên chip bao gồm vùng RAM đa chức năng, vùng RAM với từng bit được định địa chỉ, các dây thanh ghi (bank) và các thanh ghi chức năng đặc biệt.

Vùng RAM đa mục đích: Có 80 byte, địa chỉ từ 30H đến 7FH

Bất cứ vị trí nào trong vùng RAM ta đều có thể truy xuất tự do bằng cách sử dụng định địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp

Ví dụ:

+ Kiểu định địa chỉ trực tiếp:

MOV A,5FH ;Đọc nội dung tại địa chỉ 5FH của RAM

+ Kiểu định địa chỉ gián tiếp: (Qua các thanh ghi R0,R1)

MOV R0,#5FH ; Di chuyển giá trị5FH vào thanh ghi R0

MOV A,@R0 ; Di chuyển dữ liệu trỏ tới R0 và thanh chứa A

Vùng RAM định địa chỉ:

Chip 8951 chứa 210 vị trí định địa chỉ in đó có 128 byte chứa trong các byte ở địa chỉ 20H đến 2FH (16 byte x 8 = 128 bits), phần còn lại chứa trong các thanh ghi chức năng đặc biệt

Công dụng: + Truy xuất các bit riêng rẽ thông qua các phần mền

+ Các port có thể địng địa chỉ từng bit, làm đơn giản việc giao tiếp băng phần mền với các thiết bị xuất nhập đơn bit

Ví dụ: + Set bit trực tiếp:

SETB 67H; lệnh làm nhiệm vụ set bit 67H bằng 1

+ Hoặc ta có thẻ sử dụng lệnh sau để set bít 67H là bit lớn nhất của byte 2CH:

ORL A,#10000000B ;Tác dung set bit

Các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR)

Không phải tất cả 128 địa chỉ từ 80H đến FFH đều được định nghĩa mà chit có

21 địa chỉ được định nghĩa

Các thanh ghi chức năng đặc biệt bao gồm:

+ Tử trạng thái chương trình PSW: có địa chỉ là D0H

+ Thanh ghi B: Có địa chỉ F0Hđược dùng chung với thanh chứa A trong các phếp toán nhân và chia

+ Con trỏ Stack (SP) : là thanh ghi 8 bit ở địa chỉ 81H, nó chứa địa chỉ của dữ liệu hiện đang ở đỉnh của stack.

+ Con trỏ dữ liệu DPTR:

Dùng để truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài hoặc bộ nhớ dữ liệu ngoài

DPTR là thanh ghi 16 bit có địa chỉ 82H (byte thấp ) và 83H (byte cao)

Ví dụ:

MOV A,#55H ;Nạp hằng dữ liệu 55H và thanh chứa A

MOV DPTR,%1000 ;Nạp hằng địa chỉ 16 bit 1000H cho

; con trỏ DPTR

MOV @DPTR,A ; Chuyển dữ liệu từ A vao RAM ngoài

; tai địa chỉ DPTR trỏ tới

+Các thanh ghi port:

- Port 0 : địa chỉ 80H

- Port 1 : địa chỉ 90H

- Port 2 : địa chỉ A0H

- Port 3 : địa chỉ B0H

+ Các thanh ghi định thời:

IC 8951 có 2 bộ định thời/đếm dùng để định khoảng thời gian hoặc đếm các sự kiện

- Bộ định thời 0: địa chỉ 8AH (TL0 ) va 8CH (TH0)

- Bộ định thời 1: địa chỉ 8bH (TL1 ) va 8DH (TH1)

Hoạt động của bộ định thời được thiết lậpbởi thanh ghi chế độ định thời TMOD ở địa chỉ 89H và thanh ghi điều khiển bộ định thời TCON ở địa chỉ 88H (chỉ có TCON được định địa chỉ từng bit)

+ Các thanh ghi của port nối tiếp: Chip 8951 có 1 port nối tiếp để truyền thông với các thiết bị như các thiết bị đầu cuối hoặc model

+ Các thanh ghi ngắt: có một cấu trúc ngắt với 2 mức ưu tiên và 5 nguyên nhân ngắt Các ngắt bị vô hiệu hoá sau khi Reset hệ thống và được phép bằng cách vào thanh ghi IE ở địa chỉA8H Mức ưu tiên ngắt được thiết lập bơit thanh ghi IP ở địa chỉ B8H + Thanh ghi điều khiển nguồn: PCON có địa chỉ 87H

ADD A , nguồn: Cộng toán hạng nguồn vào A

ADD A, #data : Cộng dữ liệu data với A

ADDC A,nguồn: Cộng nguồn với A và cờ nhớ

ADDC A,#data : Cộng dữ liệu data với A và cờ nhớ

SUBB A, nguồn: Trừ A với nguồn

SUBB A,#data : Trừ A với data

INC A : Tăng nội dung thanh ghi A lên 1

DEC A : Giảm nội dung thanh ghi A lên 1

INC DPTR : Tăng DPTR

MUL AB : Nhân nội dung thanh ghi A và B

DIV AB : Chia A cho B

DA A : Hiệu chình thập phân thanh ghi A

PUSH direct Cất vào Stack

POP direct Lấy ra từ Stack

XCH A,source Trao đồi các byte

XCHD A,@Ri Trao đồi các digit thấp

ANL C, bit AND

ANL C ,/bit AND NOT bit với C

ORL C, bit

ORL C, /bit

MOV C,bit

MOV bit, C

JC rel Nhảy đến Rel nếu C=1

JNC rel Nhảy đến Rel nếu C=0

JB bit, rel Nhảy nếu bit bằng 1

JNB bit, rel Nhày nếu bit =0

JBC bit , rel Nhảy nếu bit =1 rồi xoá bit

+Nhóm lệnh rẽ nhánh

ACALL addr11 Gọi chương trình con

LCALL addr16

RET Quay về từ chương trình con

RETI Quay về từ chương trình ngắt

AJMP addr11 Nhảy

LJMP addr16

SJMP rel

JMP @ A+DPTR

JZ rel Nhảy nếu A=0

JNZ rel Nhảy nếu A <>0

CJNE A,direct, rel So sánh và nhảy

CJNE #data, rel

CJNE Rn,#data, rel

CJNE @ Ri,# data, rel

DJNZ Rn, rel Giảm và nhảy nếu khác 0

DJNZ direct, rel

NOP Không làm gì

II.3.Nguyên lý một số linh kiện phục vụ cho việc đo lường.

II.3.1 Chip ADC 0804

Chíp ADC 0804 là bộ chuyển đổi tương tự sang số trong họ các loạt ADC 0800 từ hãng National Semiconductor Nó cũng được nhiều hãng khác sản xuất, làm việc với +5V và có độ phân giải là 8 bít Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ ADC Thời gian chuyển đổi được định nghĩa như là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành 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 không thể nhanh hơn 110µ s Các chân của ADC 0804 được mô tả như sau:

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

chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân tương đương với nó và giữ nó trong một

phép đầu ra

tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC 0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu

thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN và CLK R Khi việc chuyển đổi

dữ liệu được hoàn tất thì chân INTR được ép xuống thấp bởi ADC 0804

Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10kΩ và C= 150pF và tần số nhận được

Đây là chân đầu ra tích cực mức thấp Bình thường nó ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó xuống thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu được chuyển đổi

6 Chân Vin (+) và Vin (-)

được nối với +2v

INTR

INTRRD

Hình 2.1: Sơ đồ chân của ADC0804

Bảng 2.2: Điện áp Vref/2 liên hệ với dải Vin

V ref / 2(V) V in (V) Step Size (mV)

Các chân dữ liệu D0 - D7

Các chân dữ liệu D0 - D7 (D7 là bít cao nhất MSB và D0 là bít thấp nhất LSB) là các chân đầu ra dữ liệu số Đây là những chân được đệm ba trạng thái và dữ liệu được

điện áp đầu ra ta có thể sử dụng công thức sau:

ADC 8 bít

II.3.1.1 Nguyên lý đo và chuyển đổi tương tự/số của ADC

Khi điện áp đầu vào que đo thông qua mạch phân áp sẽ đưa điện áp tới đầu vào

giá trị số sẽ là một giá trị điện áp tương ứng

khi đó điện áp đầu vào là 5V tương ứng với giá trị thập phân là 256 với công thức

buocthuoc

kich

V

out =

-Led anot 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 MSP,dp là LSP)

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

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)

II 4.Các linh kiện khác

– Các loại điện trở, tụ điện, LED, led 7 thanh

PHẦN 3: CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CHO MẠCH

một chiều nhưng nếu sử dụng trên cùng một thang đo sẽ tạo ra sai số lớn Do vậy sơ đồ mạch sẽ được chia thàng hai thang đo

Vin=Uđo.R2R1+R2 = 25,6.55,6K500k+55,6k≈5v

Chương trình nạp cho chip:

– Đánh giá phương pháp: Phương pháp lắp ghép như tạo cho người lập trình mọt

cách dễ dàng nhưng lại có hạn chế là cách chọn điện trở cho mạch phân áp và điện áp 1,28V cho ADC0804 Nếu không chọn đúng sẽ tạo ra sai số lớn cho phép đo

III.2 Phương án 2

- Điện áp đặt vào chân Vref/2 là 0v khi đó là 19.53mv Như vậy điện áp đầu vào qua mạch phân áp với hai điện trở R1=200k, R2=100K cao nhất là 15V.Như vậy giá trị đầu vào cao nhất tương ứng bằng cong thức

Vin=Uđo.R2R1+R2 = 15K.100K200k+100k=5v

– Chương trình nạp cho chip:

– Đánh giá phương pháp : Phương pháp này có độ chính xác cao do chân Vref/2 để

hở , do vậy chân này sẽ không bị ảnh hưởng của nguông nuôi Với hai giá trị là R1,R2 chọn cũng rất rễ ràng là 200k và 100k

- Lựa chọn: Qua hai phương pháp ta thấy phương pháp 2 cho giá trị đo chính xác

và dễ dàng kết nối nên ta chọn phương pháp 2 để tiến hành làm mạch

PHẦN IV: THIẾT KẾ MẠCH

IV.1 Sơ đồ nguyên lý

IV.2 Sơ đồ mạch in

Boad mạch chính

Mạch hiển thị trên lép 7 đoạn

IV.3 Lưu đồ thuật toán

IV.4 Chương trình điều khiển

$include(reg51.inc)

org 0000h

Read ADC=a