Trong đó có 24 chân cótác dụng kép có nghĩa 1 chân có 2 chức năng, mỗi đường có thể hoạt động như đườngxuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của các bus dữ liệu và bus đ
Trang 1Mục Lục
LỜI MỞ ĐẦU
Việt Nam ta ngày một phát triển và giàu mạnh Một trong những thay đổi đáng
kể là Việt Nam đã gia nhập WTO ,một bước ngoặt quan trọng thay đổi đất nước,để chúng
ta - con người Việt có cơ hội nắm bắt nhiều thành tựu vĩ đại của thế giới, đặc biệt là về
các lĩnh vực khoa học kĩ thuật nói chung và ngành Điện - Điện Tử nói riêng
Ngày nay lĩnh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị, sảnphẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hằng ngày của con người như máy giặt, đồng hồđiện tử, ti vi nhằm giúp cho đời sống ngày càng hiện đại và tiện lợi hơn
Đề tài ứng dụng vi điều khiển trong đời sống thực tế rất phong phú và đa dạngnhằm đáp ứng cho cuộc sống tiện nghi của con người.Với mục đích tìm hiểu và đáp ứngnhững yêu cầu trên chúng em đã lựa chọn một đề tài có tính ứng dụng trong thực tế
nhưng không quá xa lạ đối với mọi người đó là: “ Thiết kế mạch đo và hiển thị nhiệt độ ”
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Trang 2Tên đề tài: “ Thiết kế mạch đo và hiển thị nhiệt độ ”
Nhóm sinh viên thực hiện: 1 Đinh Công Hợp
2 Nguyễn Đình Hoàng
Khoá học: 2013 – 2017
Lớp : Đ_ĐTK11.4.1
Ngành đào tạo: Đo Lường và Điều Khiển Tự Động
- Số liệu cho trước:
- Các tài liệu chuyên môn
- Nội dung cần hoàn thành: Thiết kế, tính toán và chế tạo mạch điện đo nhiệt độ sau đó hiển thị LCD
Sản phẩm của đề tài phải đảm bảo kỹ thuật, mỹ thuật
Quyển thuyết minh
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:
Đỗ Quang Huy Ngày giao đề: Ngày hoàn thành
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Trang 3
Hưng yên, ngày… tháng… năm 2016 Chữ ký của giáo viên hướng dẫn
Trang 4CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu chung về mạch
1.1.1 Chức năng của mạch:
“ Mạch đo và hiển thị nhiệt độ ” có các chức năng sau:
- Đo nhiệt độ
- Hiển thị nhiệt độ trên màn hình LCD
1.1.2 Các thành phần chính của “ mạch đo và hiển thị nhiệt độ ”.
1: LCD 16x2_R2
2: Cảm biến nhiệt LM35
3: Vi điều khiển AT89C51
4: Bộ biến đổi tín hiệu ADC8040
5: Các nút nhấn,điện trở,tụ điện,led…
1.1.3 Yêu cầu thiết kế:
Mạch hoạt động đúng chức năng của đề tài
Mạch hoạt động có độ ổn định và chính xác cao
Thiết kế gọn nhe
Giá thành phù hợp
1.2 Giới thiệu các linh kiện trong mạch
1.2.1 Giới thiệu về LCD 16TC2A
Trong những năm gần đây, màn hình tinh thể lỏng LCD (Liquid Crystal Display)ngày càng được sử dụng rộng rãi và đang dần thay thế các đèn LED (7 đoạn và nhiềuđoạn) Đó là vì các nguyên nhân sau:
Màn hình LCD có giá thành hạ
Khả năng hiển thị số, ký tự và đồ hoạ tốt hơn nhiều so với đèn LED (đèn LED chỉ hiểnthị được số và một số ký tự)
Trang 5Sử dụng thêm một bộ điều khiển tương phản của LCD và như vậy giải phóng CPUkhỏi công việc này Còn đối với đèn LED luôn cần CPU ( hoặc bằng cách nào đó) để duytrì việc hiển thị dữ liệu.
- Dễ dàng lập trình các ký tự và đồ hoạ
Chức năng và nhiệm vụ của các chân:
Hình 1.2.1 Sơ đồ chân của LCD 16TC2A
2 Vdd Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC=5V
của mạch điều khiển
3 Vee Lựa chọn độ tương phản của màn hình
4 RS Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND)
hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế
độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD
Trang 65 R/w Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để
LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc
6 E Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7,
các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanhghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệuchân E
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp
7 D0 Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có 2
chế độ sử dụng 8 đường bus này + Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7
+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7
V
Trang 7-màn hình LCD
VF 250C - 4,2 4,6 V
Bảng 1.2.2 Giá trị điện áp của LCD
- Để hiển thị chữ cái và con số, mã ASCII của các chữ cái từ A đến Z, a đến z và cáccon số từ 0 - 9 được gửi đến các chân này khi bật RS = 1
Cũng có các mã lệnh được gửi đến LCD để xoá màn hình hoặc đưa con trỏ về đầu dònghoặc nhấp nháy con trỏ Bảng 12.2 liệt kê các mã lệnh này
Cũng có thể sử dụng RS = 0 để kiểm tra bít cờ bận xem LCD đã sẵn sàng nhận thông tinchưa
- Khi R/W = 1 và RS = 0 thì cờ bận D7 thực hiện các chức năng như sau: Nếu D7 = 1 (cờ
bận bằng 1) có nghĩa LCD đang bận các công việc bên trong và sẽ không nhận bất kỳthông tin mới nào, còn nếu D7 = 0 thì LCD sẵn sàng nhận thông tin mới Trong mọi
trường hợp cần kiểm tra cờ bận trước khi ghi bất kỳ dữ liệu nào lên LCD.
- Gửi có trễ lệnh và dữ liệu đến LCD
Để gửi một lệnh bất kỳ đến LCD, cần đưa chân RS = 0, còn để gửi dữ liệu thì bật
RS=1.Sau đó, gửi một sườn xung cao xuống thấp đến chân E để cho phép chốt dữ liệutrong LCD
1.2.2 Gới thiệu về AT89C51.
IC 89C51 là một họ IC vi điều khiển do hãng Intel của Mỹ sản xuất Chúng có các đặc điểm chung như sau:
- 8 KB EPROM bên trong
- 128 Byte RAM nội
- 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit
Trang 8- Giao tiếp nối tiếp.
- 64 KB vùng nhớ mã ngoài
- 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại
- Xử lí Boolean (hoạt động trên bit đơn)
- 210 vị trí nhớ có thể định vị bit
- 4 g.s cho hoạt động nhân hoặc chia
* Chức năng các chân của 89C51:
Hình 1.2.2 Sơ đồ chân của 89C51
- 8951 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập Trong đó có 24 chân cótác dụng kép (có nghĩa 1 chân có 2 chức năng), mỗi đường có thể hoạt động như đườngxuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của các bus dữ liệu và bus địachỉ
* Các port :
- Port 0 là port có 2 chức năng ở các chân 32 - 39 của 8951 Trong các thiết kế cỡ nhỏ
không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường IO Đối với các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng, nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu
Trang 9- Port 1:- Port 1 là port IO trên các chân 1-8 Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2,
có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần Port 1 không có chức năng khác,
vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị bên ngoài
- Port 2 là 1 port có tác dụng kép trên các chân 21 - 28 được dùng như các đường xuấtnhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng
- Port 3 Cổng P3 chiếm tổng cộng là 8 chân từ chân 10 đến chân 17 Nó có thể được sửdụng như đầu vào hoặc đầu ra Cống P3 không cần các điện trở kéo cũng như P1 và P2.Mặc dù cổng P3 được cấu hình như một cống đầu ra khi Reset, nhưng đây không phải làcách nó được sử dụng phổ biến nhất
Cống P3 được bổ sung các chức năng quan trọng, đặc biệt Bảng 2 cung cấp các chứcnăng khác của cống P3 Thông tin này áp dụng cho cả 8051 và 8031:
Bộ định thời 0 (TO)
Bộ định thời 1 (T1)Ghi (WR)
Đọc (RD)
1011121314151617Bảng 1.2.3 Các chức năng khác của cống P3
Các bit P3.0 và P3.1 cung cấp tín hiệu nhận và phát dữ liệu trong truyền thông dữ liệu nối tiếp
Các bit P3.2 và P3.3 được dành cho các ngắt ngoài
Bit P3.4 và P3.5 được dùng cho các bộ định thời 0 và 1
Cuối cùng các bit P3.6 và P3.7 để ghi và đọc các bộ nhớ ngoài khi được nối tới các hệ
thống 8031
Tổ chức bộ nhớ
Các vi điều khiển thuộc họ 8051 đều tổ chức thành 2 không gian chương trình và dữliệu Kiến trúc vi xử lý 8 bit của 8051 này cho phép truy nhập và tính toán nhanh hơn đốivới không gian dữ liệu nhờ việc phân chia 2 không gian bộ nhớ chương trình và dữ liệu
Trang 10như trên Tuy nhiên bộ nhớ ngoài được truy nhập bởi hệ thống 16 bit địa chỉ vẫn có thểthực hiện nhờ thanh ghi con trỏ
Bộ nhớ chương trình (ROM, EPROM) là bộ nhớ chỉ đọc, có thể mở rộng tối đa64Kbyte Với họ vi điều khiển 89xx, bộ nhớ chương trình được tích hợp sẵn trong chip
có kích thước nhỏ nhất là 4kByte Với các vi điều khiển không tích hợp sẵn bộ nhớchương trình trên chip, buộc phải thiết kế bộ nhớ chương trình bên ngoài Ví dụ sử dụngEPROM: 2764 (64Kbyte), khi đó chân PSEN phải ở mức tích cực (5V)
Hình 1.2.3 Cấu trúc vi điều khiển 89C51
Bộ nhớ dữ liệu (RAM) tồn tại độc lập so với bộ nhớ chương trình Họ vi điều khiển
8051 có bộ nhớ dữ liệu tích hợp trên chip nhỏ nhất là 128byte và có thể mở rộng với bộnhớ dữ liệu ngoài lên tới 64kByte Với những vi điều khiển không tích hợp ROM trênchip thì vẫn có RAM trên chip là 128byte Khi sử dụng RAM ngoài, CPU đọc và ghi dữliệu nhờ tín hiệu trên các chân RD và WR Khi sử dụng cả bộ nhớ chương trình và bộnhớ dữ liệu bên ngoài thì buộc phải kết hợp chân RD và PSEN bởi cổng logic AND đểphân biệt tín hiệu truy xuất dữ liệu trên ROM hay RAM ngoài
* Các ngõ tín hiệu điều khiển :
* Ngõ tín hiệu PSEN (Program store enable):
PSEN là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mởrộng thường được nói đến chân 0E\ (output enable) của Eprom cho phép đọc các byte mãlệnh
Trang 11PSEN ở mức thấp trong thời gian Microcontroller 8951 lấy lệnh Các mã lệnh củachương trình được đọc từ Eprom qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh bêntrong 8951 để giải mã lệnh Khi 8951 thi hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ởmức logic 1.
* Ngõ tín hiệu điều khiển ALE (Address Latch Enable ) :
Khi 8951 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, port 0 có chức năng là bus địa chỉ và bus dữ liệu
do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu ra ALE ở chân thứ 30 dùng làm tínhiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt Tín hiệu ra ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóng vai trò là địa chỉthấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động
Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể đượcdùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống Chân ALE được dùng làm ngõvào xung lập trình cho Eprom trong 8951
* Ngõ tín hiệu EA\(External Access):
- Tín hiệu vào EA\ ở chân 31 thường được mắc lên mức 1 hoặc mức 0 Nếu ở mức 1,
8951 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp 8 Kbyte Nếu ở mức 0,
8951 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng Chân EA\ được lấy làm chân cấpnguồn 21V khi lập trình cho Eprom trong 8951
* Ngõ tín hiệu RST (Reset) :
-Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset của 8951 Khi ngõ vào tín hiệu này đưa lên cao
ít nhất là 2 chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởiđộng hệ thống Khi cấp điện mạch tự động Reset
* Các ngõ vào bộ dao động X1, X2:
- Bộ dao động được tích hợp bên trong 8951, khi sử dụng 8951 người thiết kế chỉ cầnkết nối thêm thạch anh và các tụ như hình vẽ trong sơ đồ Tần số thạch anh thường sửdụng cho 8951 là 12Mhz
* Chân 40 (Vcc) được nối lên nguồn 5V.
1.2.3 Giới thiệu về cảm biến nhiệt LM35.
LM35 là họ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao có điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tínhvới nhiệt độ theo thang độ Celsius Họ cảm biến này cũng không yêu cầu căn chỉnh ngoài
vì vốn nó đã được căn chỉnh
Trang 12Hình 1.2.4 Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt độ LM 35.
LM35 là cảm biến nhiệt độ analog ,nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện thếngõ ra của LM 35
Đơn vị nhiệt độ : 0C
Có mức điện áp thay đổi trực tiếp theo 0C ( 10 mV/0C)
Có hiệu năng cao,công suất tiêu thụ là 60 uA
Sản phẩm không cần phải căn chỉnh nhiệt đội khi sử dụng
Độ chính xác thực tế : 1/4 0C ở nhiệt độ phòng và ¾ 0C ở ngoài khoảng -55 0C tới 150 0CChân + Vs (1) là chân cung cấp điện áp cho LM 35 DZ hoạt động từ 4 – 20 V
Chân Vout ( 2) là chân điện áp đầu ra LM35 được đưa vào chân Analog của các bộ ADCChân GND là chân nối mass: Chân này này tránh hỏng cảm biến cũng như làm giảm sai
số quá trình đo
Bảng 1.2.4 Thông số kỹ thuật chính của cảm biến nhiệt họ LM35.
Mã sản phẩm Dải nhiệt độ Độ chính xác Đầu ra
Trang 13* Phối hợp tín hiệu và nối ghép LM35 với VĐK
Phối hợp tín hiệu là một thuật ngữ được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thu nhận dữ liệu.Hầu hết các bộ cảm biến đều đưa ra tín hiệu dạng điện áp, dòng điện, dung kháng hoặctrở kháng Tuy nhiên, chúng ta cần chuyển đổi các tín hiệu này về điện áp để đưa đến đầuvào của bộ chuyển đổi ADC Sự chuyển đổi (biến đổi) này được gọi chung là phối hợptín hiệu
ADC804
Phối hợp tín hiệu có thể là chuyển dòng điện thành điệa áp hoặc khuyếch đại tín hiệu Ví
dụ, bộ cảm biến nhiệt thay đổi trở kháng theo nhiệt độ Sự thay đổi trở kháng cần đượcchuyển thành điện áp để các bộ ADC có thể sử dụng được Xét trường hợp nối LM35 tớiADC804 VI ADC804 có độ phân dải 8 bit với tối đa có 256 mức (28), và LM35 (hoặcML34) tạo ra điện áp 10mV
Trang 141.2.4 Giới thiệu về ADC 0804.
Các bộ chuyển đổi ADC được sử dụng hết sức rộng rãi Máy tính số làm việc trên các giá trị nhị phân, tuy nhiên, trong thực tế, các đại lượng vật lý đều ở dạng tưomg tự (liên tục) Nhiệt
độ, áp suất, độ ẩm, tốc độ là một trong những dại lượng vật lý của thế giới thực mà ta thường gặp hàng ngày Một đại lượng vật lý được chuyển về dòng điện hoặc điện áp qua một thiết bị được gọi là bộ biến dổi Bộ biến đổi cũng có thể được xem là bộ cảm biến Mặc dù chỉ
có các bộ cảm biến nhiệt, tốc độ, áp suất, ánh sáng và nhiều đại lượng tự nhiên khác, nhưng chúng đều có một điểm chung là cho ra các tín hiệu dòng điện hoặc điện áp ở dạng liên tục
Do vậy, cần một bộ chuyển đổi tưorng tự số để bộ vi điều khiển có thể đọc được chúng Chip
ADC được sử dụng rộng rãi hiện nay đó là ADC804.
Chip ADC804 là bộ chuyển đổi tương tự/ số thuộc họ ADC800 của hãng NationalSemiconductor Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất Chip có diện áp nuôi +5V
và độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển dổi cũng là một tham sốquan trọng khi đánh giá bộ ADC Thời gian chuyển đổi được định nghĩa là thời gian mà
bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tưorng tự thành một số nhị phân Đối với ADC804thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK và CLK IN vàkhông bé horn 1 lOps Các chân của ADC804 có chức năng
Hình 1.2.5 Sơ đồ các chân của ADC 0804
- (Chip Select) - chọn chip
Trang 15Là chân chọn chip, đầu vào tích cực mức thấp được sử dụng để kích hoạt chip ADC804.
Để truy cập ADC804 thì chân này phải ở mức thấp
- RD (Read) - đọc
Đây là một tín hiệu vào, tích cực mức thấp Các bộ ADC chuyển đổi đầu vào tương tựthành số nhị phân và giữ nó ở một thanh ghi trong RD được sử dụng để có dữ liệu được
đã chuyển đổi tới đầu ra của ADC804 Khi cs = 0 nếu có một xung cao xuống thấp áp
đến chân RD thì dữ liệu ra dạng.số 8 bít được đưa tới các chân dữ liệu DO - D7 Chân
RD còn được coi là cho phép đầu ra
- WR (Wtite) - ghi
Thực ra, tên chính xác là “Bắt đầu chuyển đổi” Đây là chân vào tích cực mức thấp được
dùng để báo cho ADC804 bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu cs = 0 khi WR tạo ra xung cao xuống thấp thì bộ ADC804 bắt đầu tiến hành chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự v jn
về số nhị phân 8 bit Lượng thời gian cần thiết để chuyển đổi 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 chânINTR được ADC804 hạ xuống thấp
- C l c i n và C l k r
CLK IN là chân vào, nối tới đồng hồ ngoài khi đồng hồ ngoài được sử dụng để tạo thờigian Tuy nhiên, 804 cũng có một bộ tạo xung đồng hồ trên chip Để dùng đồng hồ trong(cũng còn được gọi là đồng hồ riêng) của 804 thì các chân CLK IN và CLK R được nốitới một tụ điện và một điện trở như chỉ ra ở hình 12.5 Trong trường hợp này tần số đồng
hồ được xác định bằng biểu thức:
f =
Giá trị thông thường của các đại lượng trên là R = l0kΩ, c= 150pF và tần sô' nhận được
là f = 606kHz, còn thời gian chuyển đổi sẽ là 110ps
