Thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính

sơ đồ khối bộ vi điều khiển 8051 * CPU Còn đợc gọi là bộ xử lý trung tâm nó đIều khiển mọi hoạt động của hệ và hoạt động theo chơng trình đIều khiển có sẵn * Bộ nhớ Bộ nhớ là nơi chứa ch

lời nói đầu

Việc ứng dụng máy tính vào kĩ thuật đo lờng và điều khiển đã

đem lại cho con ngời những kết quả hết sức u việt Trong nhiều lĩnh vựcsản suất công nghiệp hiện nay , nhất là trong các ngành công nghiệpluyện kim , chế biến thực phẩm vấn đề đo và khống chế nhiệt độ đặcbiệt đợc chú trọng đến vì nó là một yếu tố chất lợng hết sức quantrọng Các thiết bị hệ thống đo lờng và điều khiển ghép nối với máytính có độ chính xác cao , thời gian thu thập số liệu ngắn , nhng điều

đáng quan tâm hơn là mức độ tự động hoá trong việc thu thập vi xử lýkết quả đo

Nắm đợc tầm quan trọng của việc khống chế nhiệt độ trên dovậy em đã xin nhận đề tài tiến hành nghiên cứu đo và khống chế nhiệt

tự động bằng máy tính có sử dụng vi điều khiển 8051 với mục đíchnhằm góp phần giải quyết đợc những yêu cầu trên và lấy đó làm đề tàitốt nghiệp cho chính mình

Chính vì vậy sau khi nhận đợc đề tài “ Thiết kế đo và khống chế nhiệt độ tự động bằng máy tính ” em đã vận dụng tất cả các kiến

thức và năng lực đã tính luỹ trong suốt gần năm năm học ở nhà trờng

và nghiên cứu thêm về phần xử lý 8051 để hoàn thành đợc bản đồ ánnày với mong muốn sau khi ra trờng sẽ có một kiến thức sâu hơn vàgóp phần vào sự phát triển của nớc nhà

Những kết quả và kiến thức em tích luỹ đợc hẳn cha nhiềunên trong quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp còn có nhiều sai sót vàrất thiếu kinh nghiệm do đó rất mong đợc sự góp ý và bổ sung của cácthầy các cô và các bạn đọc đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Quốc Trung đã tận

tình giúp đỡ em để hoàn thành tốt đề tài này Mặc dù đã có nhiều cốgắng song chắc không tránh khỏi những thiếu sót , do đó rất mong đợc

sự góp ý bổ xung và phê bình của quý thầy cô và các bạn Một lầnnữa em xin chân thành cám ơn tới những ngời đã giúp em hoàn thành

đề tài tốt nghiệp này

Hà nội ngày tháng năm

Sinh viªn thùc hiÖn

lý thùc hiÖn tÊt c¶ c¸c ch¬ng tr×nh øng dông mµ ng¬i lËp tr×nh ®a vµo

2) Sù ph¸t triÓn cña bé ®iÒu khiÓn 8051

Sù ph¸t triÓn cña kÜ thuËt vi xö lý g¸n liÒn víi sù ph¸t triÓn cña bé vi ®iÒukhiÓn Intel h·ng s¶n xuÊt bé vi sö lý ®Çu tiªn vµ lµ h·ng cã bé vi ®iÒu khiÓn línnhÊt vµ phong phó nhÊt

2

Trong các họ vi điều khiển 8 bít hàng đầu thì 8051 có số lợng lớn nhất và

có nhiều hãng cung cấp nhất Nhà cung cấp lầ nhà sản xuất bên cạnh nhà sángchế bộ vi điều khiển đối với 8051 thì nhà sáng chế là Intel Nhng hiên nay có rấtnhiều hãng cung sản xuất Các hãng này gồm Intel , Atmel , Philips/ Signetics ,AMD , Simens , Matra , Pallas

Năm 1981 hãng Intel cho ra mắt bộ vi điều khiển đợc gọi là 8051 Bộ vi

điều khiển này là một vi mạch tổng quát của họ MCS – 51 , bộ vi điều khiểnnày có các thống số và các đặc trng nh sau

8051 ban đầu

Các thông số của 8051

ROM 4K byteRAM 128 byte

Bộ định thời 2Chân vào / ra 32Cổng nối tiếp 1Nguồn ngắt 6

3) Sơ đồ chức năng 8051

Bộ vi điều khiển 8051 là thành viên đầu tiên của họ 8051 nó bao gồmcác thành phần sau : Bộ vi sử lý , bộ nhớ và các thiết bị vào ra ngoài ra còn cácmạch phụ trợ khác tuỳ theo từng loại của bộ vi điều khiển 8051

sơ đồ khối bộ vi điều khiển 8051

* CPU

Còn đợc gọi là bộ xử lý trung tâm nó đIều khiển mọi hoạt động của hệ

và hoạt động theo chơng trình đIều khiển có sẵn

* Bộ nhớ

Bộ nhớ là nơi chứa chơng trình và dữ liệu nó bao gồm có bộ nhớ trong

và bộ nhớ ngoài

+ Bộ nhớ trong bao gồm 2 thành phần ROM và RAM

ROM ( Read only memory ) : Là bộ nhớ cố định có đặc điểm thông tinchỉ có thể đọc thông tin ra và thông tin không bị mất khi mất điện Bộ nhớ ROM

ETC Timer0 Timer1

Vào Bộ

đếm

P0 P1 P2 P3 TXD RXD

Địa chỉ dữ liệu

đợc dùng để chứa chơng trình chính hoặc chứa chơng trình điều hành hay chơngtrình hớng dẫn.

RAM ( ) là bộ nhớ động có đặc điểm là thông tin có thể ghihoặc đọc ra một ra một cách tuỳ ý và thông tin đó sẽ bị mất đi khi mất điện.RAM đợc sử dụng để nạp phần còn lại của hệ điều hành từ đĩa khởi động hoặcnạp vào các chơng trình ứng dụng từ bộ nhớ ngoài, lu trữ số liệu và trạng thái hệthống trong quá trình làm việc

+ Bộ nhớ ngoài gồm băng từ, đĩa từ đợc sử dụng nhiều vì giá thành rất rẻ

• Các Bus

Các đờng dây dùng để truyền song song các tín hiệu có cùng chức năng

và có các loại Bus sau đây

+ Bus địa chỉ: Là hệ thống các dây dẫn song song mà CPU cần tới để xác

định địa chỏ của các thành phần trong qúa trình làm việc

+ Bus dữ liệu: Là hệ thống đờng truyền song song đợc dùng để trao đổi dữliệu giữa CPU với các thành phần bên ngoài và giữa các thành phần với nhau

+ Bus điều khiển: Gồm các đờng dây dùng để truyền tín hiệu điều khiểncần thiếu giúp cho CPU điều khiển việc trao đổi dữ liệu, xử lý sự cố và đồng bộtoàn hệ thống

II/ Sơ đồ, chức năng các chân của 8051

1) Sơ đồ chân của 8051

45

678

9

10 11 12 13

141516 17

18 19

20

212223 24

262728

29 30 31

32 33 34 35 36 37 38 39 40

25

AD0AD1AD2 AD3 AD4 AD5AD6AD7

AD8 AD9 AD10 AD11AD12AD13 AD14AD15

P10 P11 P12 P13 P14 P15P16P17 P00 P01 P02 P04P05P06 P07 P03

P20 P21 P22 P23 P24P25P26 P27

P30P31P32 P33 P34 P35 P36 P37

8051 PSEN

ALE EA RST RD

WR T1 T0 INT0 INT1 TXD RXD

Vcc

Vss

XTAL 1 XTAL 2

12MHZ 30pF

30pF

2) Chức năng các chân của 8051

- Chíp 8051 có 40 chân trong đó có 32 chân có công dụng xuất/ nhập tuynhiên 24 trong 32 chân này có 2 mục đích sử dụng Mỗi một chân này có thểhoạt động xuất/nhập nh một đờng địa chỉ/dữ liệu của bus địa chỉ/dữ liệu đa hợp,

32 chân này hình thành 4 port 8 bít 8 chân cho một bort và có thể sử dụng nhmột đơn vị giao tiếp song song nh máy in, bộ biến đổi DA

- Các chân còn lại dành cho nguồn Vcc , đất GND, các chân dao độngXTAL1

3) Nhóm chân cổng vào ra

Bốn cổng vào ra Port0, Port1, Port2, Port3, đèu có 8 chân và tạo thànhcổng 8 bít Khi Reset thì tất cảc các cổng làm nhiệm vụ đầu ra còn để làmnhiệm vụ đầu vào thì cần phải lập trình

a) Cổng Port 0

Cổng Port0 Có 8 chân (Chân từ 32 đến 39) bình thờng đây là cổng ra,vào hoặc ra nhng nó có hai tác dụng trong các thiết kế tối thiểu thì Port 0 đợc sử

6

fụng làm nhiệm vụ xuất nhập còn trong các thiết bị lớn hơn thì Port trở thànhbus địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp.

d) Cổng Port 3

Cổng Port có 8 chân từ chân 10 đến chân 17 Cổng này có thể đợc sửdụng làm đầu vào hoặc đầu ra Khi không làm nhiệm vụ xuất nhập thì nó sẽ cócác chức năng riêng liên quan đến các đặc trung cụ thể của 8051 , tuy nhiêncổng Port3 còn có một chấc năng quan trọng khác là cung cấp một số tín hiệu

đặc biệt chẳng hạn nh ngắt

Bảng chức năng của cổng Port3

Bít Tên Địa chỉ bít Chức năng

P3.0 RXD B0H Chân nhận dữ liệu của Port nối tiếp

P3.1 TXD B1H Chân phát dữ liệu của Port nối tiếp

P3.2 INT0 B2H Ngõ vào ngắt ngoài 0

P3.3 INT1 B3H Ngõ vào ngắt ngoài 1

P3.4 T0 B4H Ngõ vào của bộ định thời / đếm 0

P3.5 T1 B5H Ngõ vào của bộ định thời / đếm 1

P3.6 WR B6H Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

P3.7 RD B7H Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

4) Nhóm chân nguồn dao động và điều khiển

a) Nhóm chân nguồn

+ Chân Vcc: Chân 40 cung cấp điện áp nguồn +5V cho chíp

+ Chân GND: Chân số 20 là cung cấp nguồn âm (là chân mát)

b) Nhóm chân dao động

Nhóm chân XTAL1 và XTAL2 là các chân 18 và 19 của chíp 8051 hiệntại đã có môt bộ dao động đồng hồ ở bên ngoài dùng để kích hoạt và hai chânnày cần đợc nối với bộ dao động thạch anh ở ngoài va khi đó đợc mắc với các tụ

ổn định tần số dao động cho thạch anh

Tần số danh định của thạch anh là 12 MHz cho tất cả họ vi điều khiển

8051 Bộ dao động tạo xung đồng hồ không nhất thiết là bộ dao động dùngthạch anh mà cũng có thể dùng bộ dao động TTL khi đó dao động đợc nối tớichân XTAL1 còn chân XTAL2 để hở

c) Nhóm chân điều khiển

+ Chân RESET ( chân số 9 ) là chân khởi động lại trạng thái ban đầucủa hệ thống Khi có xung cao đặt tới chân này thì bộ vi điều khiển 8051 sẽ kếtthúc mọi hoại động hiện tại và tiến hành khởi động lại Quá trình này xảy rahoàn toàn tơng tự nh khi bật nguồn và khi đó mọi giá trị trên thanh ghi đều bịxoá hết

+ Chân EA ( Chân số 31 )

Là chân truy xuất ngoài có thể đợc nối với +5V khi có mức logic1 vànối đất khi có mức logic 0

Nếu có mức logic 1 thì nó sẽ thực thi chơng trình trong ROM

Nếu có mức logic 0 và chân PSEN cũng ở mức 0 thì chơng trình cầnthực thi chứa ở bộ nhớ ngoài vì trong chíp không có bộ nhớ chơng trình

+ Chân PSEN (chân 29 )

Là chân ra có chức năng cho phép cất chơng trình 1 và cho phép bộ nhớchơng trình cung cấp cho ta 4 tín hiệu điều khiển bus và là tín hiệu xuất trênchân này và đây cũng là tín hiệu cho phép truy xuất bộ nhớ chơng trình ngoài và

đợc nối với OE

Tín hiệu PSEN ở mức logic 0 khi thực hiện thời gian tìm nạp lệnh Tín hiệu PSEN ở mức logic 1 khi thực hiện 1 chơng trình chứa ở ROM + Chân chốt địa chỉ ALE ( Chân 30 )

Là chân có mức tích cực cao và là chân xuất tín hiệu cho phép xuất địachỉ ALE Khi pỏt đợc chọn làm bus địa chỉ / dữ liệu thi chân ALE xuất tín hiệu

để chốt địa chỉ và sau khi chốt các chân của port sẽ xuất / nhập dữ liệu hợp lệtrong suốt 1/2 thứ 2 của chu kì bộ nhớ

8

Chân ALE còn đợc sử dụng để phân kênh địa chỉ và dữ liệu bằng cáchnối tới chân G của chíp 74LS373

Tín hiệu ALE có tần số bằng 1/6 tần số của mạch dao động , chân ALEcòn dùng làm chân nhận xung ngõ vào lập trình cho EDROM

5) Cấu trúc của port xuất nhập

sơ đồ mạch bên trong của các port xuất / nhập

Write

to latch

Port latch D

8051 internal bus

Port Pin

Pin internal

Pull-up

Read latch Q

+V 5V

1k

NJFET

Việc ghi đến 1 chân của port sẽ nạp dung lợng vào bộ chốt của port ,ngõ ra Q của bộ chốt điều khiển 1 trạm trờng và transitor này nối với chân củaport Khả năng fan out của các port 1 , 2 và 3 là 4 tải vi mạch TTL loạiSchottky công suất thấp còn của 0 là 8 tải loại Shottky công suất thấp

Trong đó

8051 internal bus : Đờng truyền bên trong của 8051

Read latch : Đọc bộ chốt

Internal pull up : Kéo lên bên trong

Read pin : Đọc chân port

port pin : Chân port

Write to latch : Ghi vào bộ chốt

6) Truy suất bộ nhớ chơng trình ngoài

Bộ nhớ chơng trình ngoài là bộ nhớ chỉ đọc và đợc cho phép bởi tínhiệu PSEN Khi có 1 EPROM ngoaì đợc sử lý thì cả 2 port 0 và 1 đều khôngcòn là các port xuất nhập

Sơ đồ 8051 truy xuất với bộ nhớ ngoài

Khi bộ nhớ ngoài đợc sử dụng thì port không làm nhiệm vụ của portxuất / nhập , port này trở thành bus địa chỉ ( A0 ữ A7 ) và bus dữ liệu ( P0 ữ P7 )

đa hợp Ngõ ra ALE chốt byte thấp của địa chỉ ở thời điểm bắt đầu mỗi một chu

kỳ bộ nhớ ngoài Còn port 2 thờng đợc dùng làm byte cao của bus địa chỉ

Sự xắp xếp đa hợp có hoạt động là 1/2 chu kỳ đầu của chu kỳ bộ nhớ ,byte thấp của địa chỉ đợc cung cấp bởi port 0 và đợc chốt nhờ tín hiệu ALE Mạch chốt 74HC374 giữ cho byte của địa chỉ ổn định trong cả chu kỳ bộ nhớ Trong 1/2 chu ky sau của chu kỳ bộ nhớ port 0 đợc sử dụng làm bus dữ liệu vàkhi đó dữ liệu đợc đọc hay ghi

7) Truy suất bộ nhớ dữ liệu ngoài

Sơ dồ cấu trúc sự truy suất của 8051 vói bộ nhớ dữ liệu ngoài

10

Port0 8051 EA ALE Port2 PSEN

D0ữ D7RAM (1kbyte)

A0ữ A7

A18ữA15OE

D Q G

Port0 8051 AE ALE

P2.0

P2.1 RD WR PSEN

D0ữ D7RAM (1kbyte) A

0 ữ A 7

A8

A9OE W CS

D Q G

NC

ợc xuất ra ở port 0

ở đây port 2 giảm bớt đợc chức năng làm nhiệm vụ cung cấp byte caocủa địa chỉ trong các hệ thống tối thiểu thành phần , hệ thống không dùng bộnhớ chơng trình ngoài và chỉ có 1 dunglợng nhỏ bộ nhớ dữ liệu ngoài

III/ Chế độ hoạt động của các port nối tiếp

Chức năng của Port nối tiếp là thực hiện việc chuyển đổi dữ liệu songsong thành nối tiếp khi phát và chuyển đổi dữ liệu nối tiếp thành song song khithu

Các mạch phần cứng bên ngoài truy xuất Port nối tiếp thông qua cácchân TxD (Phát dữ liệu) và RxD ( thu dữ liệu) các chân này đa hợp với hai châncủa bort 3 là P3.1 và P3.0 (RxD) Đặc trng của nó là hoạt động song công (pullduplex) nghĩa là nó có khả năng thu và phát đồng thời ngoài ra nó còn có đặc tr -

ơng nữa là việc đệm dữ liệu khi thu của bort này cho phép 1 ký tự đợc nhân và lugiữ trong bộ đệm thu trong khi ký tự tiếp theo đợc nhân vào Nếu CPU đọc ký tựthứ nhất trớc khi ký tự thứ 2 đợc nhận đầy đủ thì dữ liệu sẽ không bị mất

Khi nhiệt độ cần khống chế thay đổi thì bộ cảm biến ( Sensor ) sẽ nhận

đợc biến đổi thành tín hiệu điện đa tới bộ khuyếch đại để đa ua bộ chuyển đổi

t-ơng tự sang số và đợc đa vào bộ vi điêù khiển 8051 đã có cht-ơng trình sẵn để

điều khiển và đợc kết nối với máy tính cùng với chơng trình điều khiển của máytính thì vi điều khiển sẽ điều khiển các cơ cấu chấp hành bên ngoài làm cho cácphần tử thay đổi theo đúng yêu cầu đợc đặt ra

III / Mục tiêu và nhiệm vụ

a) Mục tiêu

Do nhu cầu sử lý thông tin của xã hội ngày càng cao việc xây dựng một

hệ thống thu nhập và sử lý chuyên dụng phục vụ cho thông tin và điều khiển làmột trong các vấn đề đang đợc đề cập đến , nhằm nâng cao hiệu quả sử dụnggiảm đáng kể những chi tiết không cần thiết và giảm tối đa nhân lực

Nh vậy hệ thống của ta phải có các đặc tính sau

Nhiệt

độ Phần tử

chấp hành

K đại chuyển

đổi

Máytính

- ASSENI BLER

- C ( C thờng )

- Visual bazisc

Chơng II : Thiết kế phần cứng của hệ thống

I/ Sơ lợc về các khối của hệ thống cần thiết kế

• Bộ cảm biến nhiệt ( Sensor )

Bộ cảm biến là nơi tiếp nhận và sử lý thông tin trớc khi đa về trung tâmtiếp tục sử lý và phản hồi cho việc đo đặc và tự động điều khiển

Việc cảm nhận của các mạch cảm biến nhiệt rất quan trọng do đó các

bộ sensor phải chịu đựng đợc các điều kiện khắc nghiệt và phải có độ chính xáccao

• Mạch khuyếch đại tín hiệu : Các tín hiệu ra khỏi mạch cảm biến là rấtnhỏ do đó mạch khuyếch đại có tác dụng khuyếch đại tín hiệu trớc khi đa vào bộbiến đổi ADC

• Mạch biến đổi ADC : Tín hiệu đa vào máy tính là các tín hiệu có dạngcác bít 0 hoặc 1 do đó ta pải dùng mạch chuyển đổi tín hiệu từ tơng tự sang số

• Mạch 8051 : Là bộ vi sử lý làm việc theo chơng trình đã đợc lập sẵn và

đợc điều khiển bởi máy tính

• Mạch điều khiển các phần tử chấp hành : Là mạch nhận các dữ liệu từ

8051 và máy tính sau đó điều khiển các cơ cấu chấp hành theo lệnh đã có sẵn

Cổng ghép song song gồm 8 bit số liệu đợc truyền đồng thời, 8 bít này

đợc chíp vào ra nhận và truyền nó tới và nó gồm có 2 cổng là cổng 9 chân vàcổng 25 chân ngời ta gọi nó là cổng com

Cổng ghép nối tiếp cũng giống nh cổng ghép nối song song nhng 8 bít

ở đây sẽ đợc truyền lần lợt liên tiếp nhau và nó cũng gọi là cổng com

Các tiêu chuẩn của RS -232

2 ) Một số bộ biến đổi ADC thông dụng

2.1 ) sơ lợc về bộ biến đổi ADC

Analog signal Digital signal

14 ADC

Tín hiệu tơng tự là các đại lợng vật lý tự nhiên thay đổi liên tục và cóthể nó nh là một điện áp hay dòng điện mà giá trị biên độ của nó thay đổi liêntục theo thời gian

Tín hiệu số là một điện áp hay dòng điện chứa thông tin hay vị trí cácxung hay sự thay đổi biên độ đột ngột so với tín hiệu xung đồng hồ

Tín hiệu số có u điểm là : Tính chống nhiễu cao tốc độ xử lý cao ,khả năng xử lý linh hoạt

2.2 ) Vi mạch TLC549

Vi mạch TLC549 là bộ biến đổi A/D 8 bít nó rất hấp dẫn với những ứngdụng đơn giản Vi mạch nay có 8 chân ra , tiêu thụ dòng không đáng kể nênthích hợp với dòng RS232 nối tiếp Vi mạch TLC549 có chứa bộ giữ nhịp của

hệ thống, khối lấy mẫu và giữ, bộ biến đổi A/D 8bít > Vi mạch này có 2 chân radùng để trao đổi thong tin với các khối chức năng có tên là I/O _CLK và dataout, các tín hiệu ở chân này là tơng thích của TTL và làm dễ dàng việc trao đổithông tin với các thành viên khác tơng ứng

Sơ đồ chân

1

2 3

7 8 REF-

TTL 549