Đồ án kĩ THUẬT VI điều KHIỂN điều khiển tốc độ động cơ quạt làm mát dựa vào tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ GVHD PHẠM QUỐC THÁI

Đồ án kĩ THUẬT VI điều KHIỂN điều khiển tốc độ động cơ quạt làm mát dựa vào tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ GVHD PHẠM QUỐC THÁI Đồ án kĩ THUẬT VI điều KHIỂN điều khiển tốc độ động cơ quạt làm mát dựa vào tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ GVHD PHẠM QUỐC THÁI

LỜI NÓI ĐẦU

Sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điện tử, mà đặc trưng là kỹ thuật viđiều khiển đã tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong sự phát triển của khoa học tínhtoán, điều khiển và xử lí thông tin Ngày nay vi điều khiển được ứng dụng rộng rãitrong lĩnh vực khoa học và kỹ thuật, đặc biệt là lĩnh vực tin học và tự động hóa

Kỹ thuật vi điều khiển là một học phần quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư nóichung, cũng như chuyên nghành cơ khí động lực nói riêng Nhằm trang bị cho sinh viênnhững kiến thức cơ bản về vi điều khiển làm nền tảng để phát triển rộng hơn sau này

Đồ án vi điều khiển giúp cho sinh viên tổng hợp lại nhưng kiến thức đã được học tronghọc phần lý thuyết Để hoàn thành tốt đồ án này thì bắt buộc sinh viên phải nắm vững lýthuyết và biết vận dụng vào trong thực tế, trong từng lĩnh vực cụ thể

Làm mát động cơ trên ô tô là vấn để rất quan trọng vì liên quan trực tiếp đến vấn đề tiếtkiệm nhiên liệu, tuổi bền của động cơ…

quạt làm mát dựa vào tín hiệu

được cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống quạt làm mát động cơ trên ô tô, cũngnhư hiểu biết về các thiết bị điện, điện tử được sử dụng trong hệ thống mạch Từ đógiúp sinh viên có những kiến thức cần thiết về điều khiển tự động để làm việc sau này.Trong suốt quá trình làm đồ án nhờ sự tận tình giúp đỡ của thầy và các bạn, nhóm chúng em đã hoàn thành đồ án đúng tiến độ Nhưng dù cố gắng rất nhiều thì trong quá trình làm vẫn không thể tránh được những thiếu sót, nên mong thầy chỉ bảo để nhóm chúng em có thể hoàn thành tốt đồ án của mình Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 12 tháng 5 năm 2011.Nhóm Sinh Viên thực hiện

MỤC LỤC

I Khái quát chung về vi điều khiển 3

1.1 Khái niệm 3

1.2 Lịch sử phát triền một số loại vi xử lý 3

II Khảo sát quy trình công nghệ sản phẩm thiết kế 4

III Khảo sát linh kiện dùng trong vi mạch 4

3.1 Vi điều khiển AT89C51 4

3.2 Tụ điện 11

3.3 Điện trở 13

3.4 Rơle 14

3.5 ADC 0804 16

3.6 Động cơ DC 19

3.7 Cảm biến nhiệt điện trở 20

3.8 Transistor NPN 22

3.9 Tụ thạch anh 24

IV Thiết kế vi mạch điều khiển 25

V Lưu đồ thuật toán và chương trình điều khiển 25

5.1 Sơ đồ khối mạch 25

5.2 Lưu đồ thuật toán 26

5.3 Chương trình điều khiển 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… ……… ……… 30

I Khái quát chung về vi điều khiển.

I.1 Khái niệm.

Vi xử lý là vi mạch tích hợp cỡ lớn VLSI hàng ngàn, hàng triệu Transistor, có khả năng:Thực hiện các thao tác, các lệnh cất trong bộ nhớ => là mạch lập trình được

Đọc và ghi với bộ nhớ ngoài thông qua các Bus

Vi điều khiển là một mạch logic tổ hợp mật độ cao, có nhân gồm hai phần:

- Vi xử lý

- Rom để chứa chương trình chạy

Ngoài ra trên chip còn có bộ xử lý số học –logic ALU cùng với các thanh ghi chức năng,các cổng vào/ra, cơ chế điều khiển ngắt,truyền tin nối tiếp,các bộ định thời v.v Ngày nay ,các bộ vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực

kỹ thuật và đời sống xã hội.Đặc biệt là trong kỹ thuật tự động hóa và điều khiển từ xa

I.2 Lịch sử phát triền một số loại vi xử lý.

- Năm 1971,hãng Intel đã cho ra đời bộ vi xử lý đầu tiên trên thế giới với tên gọi

- Năm 1974, hãng Intel công bố bộ vi xử lý 8 bit 8080

- Năm 1975, Intel chế tạo bộ vi xử lý 8 bit 8085

- Năm 1978,Chip 8086

- Năm 1979,Chip 8088

- Năm 1983,Intel đưa ra bộ vi xử lý 16 bit 80286

- Năm 1985, Intel đưa ra bộ vi xử lý 32 bit 80386

- Năm 1989, xuất hiện bộ vi xử lý Intel 80486 là cải tiến của Intel 80386

- Năm 1993 , xuất hiện Intel 80586 còn gọi là Pentium 64 bit chứa 4 triệu

transistor

- Từ năm 1997 đến 2000 lần lượt là các dòng Pentium II, Pentium III, Pentium IV

- Năm 2006, xuất hiện Intel Core 2 Duo

- Năm 2010 ra đời dòng Intel Core i với công nghệ siêu phân luồng

- Năm 2011 ra đời dòng Intel ® Core ™ thế hệ thứ hai với tên mã Sandy Brigde với công nghệ siêu phân luồng, siêu tiết kiệm điện năng

II Khảo sát quy trình công nghệ sản phẩm thiết kế.

Quy trình công nghệ thiết kế mạch điều khiển động cơ làm mát dựa vào tín hiệu của cảm biến nhiệt độ gồm hai phần:

- Viết chương trình nạp vào chip bẳng phần mềm 8051IDE

- Thiết kế mạch sơ đồ nguyên lý và tiến hành mô phỏng

III Khảo sát linh kiện dùng trong vi mạch.

III.1 Vi điều khiển AT89C51.

AT89C51 là một bộ vi xử lý 8 bit, loại CMOS Có tốc độ cao và công suất thấp với bộ nhớ Flash có thể lập trình được Nó được sản xuất với công nghệ bộ nhớ không bay hơi mật độ cao của hang Atmel và tương thích với họ MCS-51 về chân ra và tập lệnh

III.1.1 Cấu trúc bên trong vi điều khiển.

Sơ đồ khối của AT89C51

AT89C51 có các đặc trưng cơ bản như sau: 4 Kbyte Flash, 128 byte RAM,, 32 đường nhập xuất, hai bộ định thời/đếm 16 bit, một cấu trúc ngắt hai mức ưu tiên và 5 nguyên nhân ngắt, một port nối tiếp song công, mạch dao động và tạo xung clock trên chip

nghỉ dừng CPU trong khi vẫn cho phep RAM, các bộ định thời / đếm, port nối tiếp và

hệ thống ngắt tiếp tục hoạt động Chế độ nguồn giảm duy trì nội dung của RAM nhưng không cho mạch dao động cung cấp xung clock nhằm vô hiệu hóa các hoạt động khác của chip cho đến khi có reset cứng tiếp theo

III.1.2 Sơ đồ chân của vi điều khiển.

Sơ đồ các chân ra của AT89C51

AT89C51 có tất cả 40 chân với các chức năng sau

 P2(21-28): Port 3 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 thanh ghi chức năng đặc biêt P2 Port 2 cũng nhận các bit địa chỉ cao và vài tín hiệu điều khiển trong thời gian lập trình Flash và kiểm tra chương trình.

 P3(10-17): Port 3 là port xuất nhập 8 bit hai chiều Port 3 cũng cũng làm các chức năng khác của AT89C51 Các chức năng này được liệt kê 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 1

P3.6 WR Điều khiển ghi bộ dữ liệu ngoài

P3.7 RD Điều khiển đọc bộ dữ liệu ngoài

Port 3 cũng nhận một vài tín hiệu điều khiển cho việc lập trình Flash và kiểm tra

chương trình

c Chân truy xuất bộ nhớ ngoài: /EA(Chân 31):

Cho phép thực thi chương trình từ ROM ngoài

Khi kết nối EA với Vcc(5V) AT89C51 sẽ thực thi chương trình từ ROM nội

Ngược lại, khi kết nối EA với GND(0V) AT89C51 sẽ thực hiện chương trình từ ROM ngoài

Ngoài ra, chân EA còn được dung để nhận điện áp cho việc lập trình(Vpp) EPROM nội

d Chân cho phép bộ nhớ chương trình /PSEN( chân 29):

Cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở rộng đối với các ứng dụng sử dụng ROM ngoài.Thường được nối đến chân OE của ROM ngoài để đọc các byte mã lệnh

e Chân cho phép chốt địa chỉ ALE( Chân 30):

ALE/PROG cho phép tách các đường địa chỉ dữ liệu tại Port 0 và Port 2

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip.

Ngoài ra, chân này còn được dùng để nhận ngõ vào xưng nạp chương trình cho ROM nội

f Các chân XTAL1 và XTAL2.

Ngõ vào và ngõ ra của bộ dao động, được nối với mach dao động bên ngoài Thường dùng mạch thạch anh tần số 12Mhz

g Chân Reset: RST( Chân 9):

Dùng để thiết lập trạng thái ban đầu cho hệ thống

Để thực hiện Reset cần phải giữ ngõ vào RST ở mức cao ít nhất 2 chu kỳ máy

III.1.3 Tổ chức bộ nhớ của vi điều khiển.

Bộ nhớ của AT89C51 bao gồm: Bộ nhớ trong và bộ nhớ ngoài

Bộ nhớ trong của AT89C51 bao gồm RAM và ROM

RAM bao gồm các vùng nhớ

Các bank thanh ghi( Từ 00h đến 1Fh)

Vùng có thể định địa chỉ hòa từng bit(20h-2Fh)

Vùng RAM đa mục đích(30h-7Fh)

Các thanh ghi chức năng đặc biệt(80h-0FFh)

 Tổ chức bộ nhớ dữ liệu.

a Các bank thanh ghi.

Có 4 bank thanh ghi có địa chỉ từ 00h-1Fh

Mỗi bank có 8 thanh ghi 8 bit R0-R8

Việc lựa chọn bank thanh ghi được thực hiện thông qua thanh ghi PSW

Các lệnh sử dụng bank thanh ghi sẽ có code ngắn hơn và tốc độ nhanh hơn các lệnh tương đương

Vùng RAM định địa chỉ từng bit Gồm 16 byte có địa chỉ từ 20h-2Fh

Vùng RAM đa mục đích: gồm 80 byte có địa chỉ từ 30h-7Fh Vùng nhớ này, có thể truysuất mỗi lần 8 bit bằng cách dùng chế độ địa chỉ trực tiếp hay gián tiếp.

b Các thanh ghi chức năng đặc biệt.

1 Thanh ghi tích lũy( A hay Acc)

Là thanh ghi quan trọng của vi điều khiển Có chức năng lưu trữ dữ liệu khi this toán,.Thanh ghi tích lũy có thể truy xuất từng bit thông qua địa chỉ E0h hay truy xuất từng bitthông qua địa chỉ bit từ E0h đến E7h

2 Thanh ghi B

Dùng để cho các phép toàn nhân,, chia Có thể dùng như một thanh ghi tạm chứa các kết quả trung gian

3 Thanh ghi con trỏ Stack(SP)

SP là một thanh ghi 8bit, có địa chỉ 81h Được sử dụng để truy cập bộ nhớ ngăn xếp SPchứa địa chỉ của dữ liệu hiện đang ở đỉnh của ngăn xếp

Ngăn xếp là một vùng bộ nhớ RAM được CPUsuwr dụng để lưu thông tin tạm thời Thông tin này có thể là dữ liệu có thể là địa chỉ

4 Thanh ghi con trỏ dữ liệu(DPTR)

SP là một thanh ghi 16 bit, có địa chỉ 82h và 83h Được sử dụng để truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài hoặc bộ nhớ dữ liệu ngoài

5 Các thanh ghi định thời

Dùng để định các khoảng thời gian hoặc đếm các sự kiện

AT89C51 có 2 thanh ghi định thời 16bit

Timer 0: TL0(8Ah) và TH0(8Ch)

Timer 1:TL1(8Bh) và TH1(8Dh)

Hoạt động của bộ định thời được thiết lâp bởi các thanh ghi:

TMOD: Thanh ghi chế độ định thời có địa chỉ 89h

TCON: Thanh ghi có địa chi 88h, thanh ghi diền khiển định thời

6 Các thanh ghi của Port nối tiếp

Các thanh ghi Port nối tiếp dùng để truyển ghông với các thiết bị nối tiếp như: Moderm,

vi điều khiển…

Thanh ghi Port nối tiếp có 2 thanh ghi:

SBUF: Có địa chỉ 99h, dùng để lưu trữ dữ liệu đi và đọc dữ liệu truyển về

SCON: Có địa chỉ 98h, có chức nằng điều khiển truyển thông nối tiếp

Thanh ghi ngắt>

Dùng để điều khiển, thiết lập các chế độ khi lập trình

7 Thanh ghi ngắt có hai thanh ghi:

IE: Thanh ghi cho phép có địa chỉ A8h

IP: Thanh ghi ưu tiên ngat có địa chỉ B8h, có chức năng thiết lập các ngắt ưu tiên

8 Thanh ghi điều khiển nguồn(PCON)

Có địa chỉ 87h, được định địa chỉ từng bit, dùng để diều khiển các chế dộ nguồn.Chế dộ giảm nguồn

Chế độ nghỉ

9 Thanh ghi trạng thái chương trình(PSW)

Có địa chỉ D0h, chứa các bit trạng thái có chức năng

III.2.1 Cấu tạo.

Cấu tạo của tụ gồm hai phiến dẫn điện có dây dẫn ra Ở giữa hai phiến là chất cách điện (điện môi) , toàn bộ được đặt trong vỏ bảo vệ Tụ có các loại khác nhau: tụ giấy ,

tụ nica , tụ gốm , tụ hóa …

III.2.2 Những thông số cơ bản của tụ điện.

III.2.2.1 Điện dung của tụ điện

Đại lượng đặt trưng cho khả năng chứa điện tích của tụ điện gọi là điện dung của tụ điện

Kí hiệu: C

Đơn vị: Fara(F)

III.2.2.2 Dung kháng của tụ điện

Dung kháng của tụ được là đại lượng được tính theo công thức: Xc = 1/2лfCfC

Trong đó: Xc là điện kháng của tụ (Ω))

f là tần số dòng điện xoay chiều qua tụ (Hz)

C là điện dung (F), лfC = 3,14

III.2.3 Kí hiệu và phân loại.

III.2.3.1 Kí hiệu: C

III.2.3.2 Phân loại.

Tụ điện được chia thành 2 loại chính:

- Loại không phân cực với nhiều dạng khác nhau

- Loại phân cực có cực tính xác định khi làm việc và có thể bị hỏng nếu nối ngượccực

III.3 Điện trở.

III.3.1 Định nghĩa.

Điện trở là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của một vật thể

dẫn điện Nó được định nghĩa là tỉ số của hiệu điện thế giữa hai đầu vật thể đó với

cường độ dòng điện đi qua nó:

Trong đó:

U: là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đo bằng Volt (V)

I: là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đo bằng Ampe (A).

R: là điện trở của vật dẫn điện, đo bằng Ohm(Ω))

III.3.2 Phân loại điện trở.

Điện trở có các loại cơ bản: Điện trở không phải dây quấn và điện trở dây quấn , điện trở nhiệt …

III.3.2.1 Điện trở không phải dây quấn

Điện trở thường làm bằng hỗn hợp than hoặc kim loại trộn với chất kết dính rồi đem

ép lại , vỏ được phủ lớp sơn than hay hỗn hợp kim loại trên một lõi sứ Hai đầu có dây ra

III.3.2.2 Điện trở dây quấn

Điện trở dây quấn có lõi bằng sứ và dây quấn là loại hợp kim có điện trở lớn

(nicron,mangnin…)hai đầu cũng có dây dẫn và bên ngoài thường được bọc bằng một lớp nien ailicát để bảo vệ

III.3.2.3 Điện trở nhiệt

Có hai loại:

- Hệ số nhiệt dương khi nhiệt độ tăng thì giá trị điện trở tăng

- Hệ số nhiệt âm khi nhiệt độ tăng thì giá trị điện trở giảm

Các loại này thường dùng trong các mạch làm việc ổn định với nhiệt độ như mạch khuếch đại công suất âm tầng

III.3.3 Kí hiệu và ghi nhãn điện trở.

-Điện trở ghi bằng vòng màu.

Qui ước giá trị các màu:

 Cách đọc: Đọc bắt đầu vòng màu sát chân điện trở ( không phải vòng màu nhũ)

III.4 Rơle.

III.4.1 Định nghĩa.

Rơle là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định Rơle là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện động lực

III.4.2 Cấu tạo Rơle.

Rơ-le điện từ có các bộ phận chính là mạch từ, cuộn dây, tiếp điểm, vỏ

Mạch từ được chế tạo từ vật liệu sắt từ gồm có hai phần, phần tĩnh hình chữ và phần động là tấm thép hình chữ U Phần động nối liền

III.4.3 Phân loại.

Theo cuộn hút: cuộn hút 1 chiều, cuộn hút xoay chiều

Theo dòng điện qua tiếp điểm: rơ-le 1 chiều, rơ-le xoay chiều

Theo số lượng cặp tiếp điểm: 2 cặp tiếp điểm, 3 cặp tiếp điểm,…

Theo cấu trúc chân: chân tròn, đế dẹt

Theo đế cắm rơ-le: đế tròn, đế vuông

III.4.4 Nguyên lý hoạt động.

Khi có dòng điện qua cuộn dây sẽ sinh ra lực hút điện từ hút tấm động về phía lõi.Lực hút tỷ lệ thuận với bình phương cường độ dòng điện và tỷ lệ nghịch với khoảng cách khe hở mạch từ

Khi dòng điện trong cuộn dây nhỏ hơn dòng tác động thì lực hút điện từ nhỏ hơn lực kéo lò xo, tấm động đứng yên Khi dòng điện trong cuộn dây lớn hơn dòng tác động thì lực hút điện từ lớn hơn lực kéo lò xo, tấm động bị hut về phía làm cho khe hở mạch từ nhỏ nhất, nghĩa là hút về phần tĩnh Khi khe hở càng nhỏ, lực hút càng tang, tấm động được hút dứt khoát về phía phần tĩnh và tiếp động được đóng vào tiếp điểm tĩnh

Khi dòng điện trong cuộn dây giảm, lực lò xo sẽ thắng lực hút điện từ Lò xo kéo tấm động ra khỏi phần tĩnh, khe hở mạch từ tang, lực điện từ giảm, lò xo kéo dứt khoát tấm động về, tiếp điểm động rời khỏi tiếp điểm tĩnh

- Mỗi rơle có một đế đi theo Dây nối trong rơle và đế thường rất nhỏ, khi mua

về chúng ta nên gỡ ra và thay bằng loại dây to, mềm, lõi nhiều sợi để rơle có thể chịu được dòng cao hơn

III.5.1 Định nghĩa ADC.

ADC (Analog to Digital Converter –Bộ chuyển đổi tương tự -số) chuyển các tín hiệu

điện tương tự thành tín hiệu số để đưa để đưa vào Vi điều khiển xử lí

và độ phân giải 8bit

Ngoài độ phân giải

thì thời gian chuyển

đổi cũng là một

tham số quan trọng

khi đánh giá bộ

một đầu vào tương tự thành một số nhị phân Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số được cấp tới chân CLK và CLK IN và không bé hơn 110µs Các chân khác 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 thì 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 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 th ấp áp đến chân RD thì dữ liệu ra dạng số

8 bit 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 trìnhchuyển đổi giá trị đầu v ào tương tự Vin về số nhị phân 8 bit Khi việcchuyển đổi ho àn tất thì chân INTR được ADC hạ xuống 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 gian Tuy nhiên ADC0804 cũng có một

bộ tạo xung đồng hồ riêng Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN

và CLK R (chân s ố 19) được nối với một tụ điện v à một điện trở (như hình vẽ) Khi ấy tần số đ ược xác định bằng biểu thức:

11,1

f RC

Với R=10 kW,C=150pF và tần số f=606 kHz và thời gian chuyển đổi là 110 µs