thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ, độ ẩm cho phân xưởng sản xuất thuốc sử dụng vi điều khiển

Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các thiết bị điện tử đã, đang và sẽ tiếp tục ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả trong hầuhết các kĩnh vực khoa học

Mục lục

Chơng I Cơ sở lý thuyết

1.1 Tổng quan về đề tài 8

1.1.1 Đặt vấn đề 8

1.1.2 Mục đích nghiên cứu 8

1.1.3 Đối tợng nghiên cứu 9

1.1.4 Phơng pháp tiến hành 9

1.2 Giới thiệu cấu trúc phần cứng họ MC – 51 (89C51) 9

1.2.1 Caỏu truực VẹK 8051, chửực naờng tửứng chaõn 12

1.2.2 Toồ chửực boọ nhụự 14

1.2.2.1 Boọ nhụự Ram 15

1.2.2.2 Caực baờng thanh ghi (Register Banks) 15

1.3 Chuyeồn ủoồi AD duứng vi maùch ADC 0809 18

1.4 Khaựi quaựt veà ủo lửụứng 21

1.4.1 Khaựi nieọm veà ủaùi lửụùng ủo lửụứng 21

1.4.2 ẹo ủoọ aồm baống aồm keỏ trụỷ 22

1.4.3 ẹo nhieọt ủoọ baống caỷm bieỏn 24

Chơng 2 Tính toán thiết kế mạch điện các khối 2.1 Sụ ủoà khoỏi toaứn maùch 25

2.1.1 Sụ ủoà khoỏi vaứ chửực naờng khoỏi 25

2.2 Khoỏi nguoàn 26

2.2.1 Sụ ủoà nguyeõn lyự 26

2.2.2 Tớnh choùn linh kieọn 27

2.3 Chuyeồn ủoồi ADC 31

2.3.1 Sụ ủoà nguyeõn lyự 31

2.3.2 Tớnh toaựn thieỏt keỏ maùch 32

2.4 Maùch ủo nhieọt ủoọ 34

2.4.1 Sụ ủoà nguyeõn lyự 34

2.4.2 Tớnh toaựn thieỏt keỏ 34

2.5 Mạch đo độ ẩm 36

2.5.1 Sụ ủoà nguyeõn lyự 36

2.5.2 Tớnh toaựn thieỏt keỏ 36

2.6 Mạch hiển thị Led 7 đoạn 38

2.6.1 Sơ đồ nguyên lý 38

2.7 Mạch báo động quá nhiệt độ, độ ẩm 39

2.7.1 Sơ đồ nguyên lý 39

2.7.2 Tính toán thiết kế 39

2.8 Mạch VĐK AT 89C51 40

2.8.1 Sơ đồ nguyên lý 40

2.8.2 Tính toán thiết kế mạch 40

Chương 3 THIếT Kế PHầN MềM Và giao tiếp máy tính 3.1 Lu đồ giải thuật 43

3.1.1 Lu đồ chơng trình chính 43

3.1.2 Lu đồ chơng trình chuyển đổi ADC 44

3.1.3 Lu đồ chơng trình tách giải mã 45

3.1.4 Chơng trình hiển thị 46

3.1.5 Cảnh báo của nhiệt độ, độ ẩm 47

3.1.6 Lu đồ giải thuật chơng trình ngắt 48

3.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 49

3.3 Giao tiếp máy tính 49

3.3.1 Sơ lợc về vấn đề giao tiếp nối tiếp 49

3.3.2 Đặc điểm của truyền thông RS - 232, RS- 485 50

3.3.3 Chuẩn RS-232 51

3.3.4 Giao diện máy tính 53

3.4 Thiết kế mạch in 53

kết luận, Khuyến NGHị 54

hớng phát triển đề tài 55

TµI LIÖU THAM KH¶O 56 phô lôc 57

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PC Program Counter Bộ đếm chương trình.

Danh mơc c¸c b¶ng biĨu Ch¬ng 1

Bảng 1.1 Mô tả sự khác nhau của các IC trong họ MSC-51 11 Bảng 1.2 Trạng thái hoạt động 20

Ch¬ng 3

B¶ng 3.1 §Ỉc ®iĨm cđa truyỊn th«ng RS - 232, RS- 485 50 B¶ng 3.2 Chøc n¨ng c¸c ch©n trong RS – 232 52

Danh mục các hình vẽ đồ thị

Chơng 1

Hỡnh 1.1 Caỏu truực beõn trong 89C51 11

Hỡnh 1.2 Sụ ủoà chaõn VẹK 8051 12

Hỡnh 1.3 Baỷn ủoà boọ nhụự data treõn Chip 14

Hỡnh 1.4 Sụ ủoà chaõn ADC 0809 18

Hỡnh 1.5 Bieồu ủoà thụứi gian cuỷa ADC 0809 21

Chơng 2 Hỡnh 2.1 Sụ ủoà khoỏi heọ thoỏng 25

Hỡnh 2.2 Sụ ủoà nguyeõn lyự maùch nguoàn 26

Hỡnh 2.3 Sụ ủoà chuyeồn ủoồi maùch ADC 0808 31

Hỡnh 2.4 Sụ ủoà maùch dao ủoọng 32

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt độ 34

Hỡnh 2.6 Caỷm bieỏn LM 35 35

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý mạch đo độ ẩm 36

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị 38

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý mạch báo động 39

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển 40

Chơng 1 cơ sở lý thuyết

1.1 Tổng quan về đề tài

1.1.1 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các thiết bị điện tử đã,

đang và sẽ tiếp tục ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả trong hầuhết các kĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng nh trong đời sống xã hội

Một bớc tiến quan trọng trong kỹ thuật vi xử lý là sự ra đời của các bộ vi

xử lý kỹ thuật số Đây là một vi mạch điện tử có mật độ tích hợp cao bao gồm rấtnhiều các mạch số có khả năng nhận, xử lý và xuất dữ liệu Đặc biệt là quá trình

xử lý dữ liệu đợc thực hiện theo một chơng trình là một tập hợp các lệnh từ bênngoài mà ngời sử dụng có thể thay đổi dễ dàng tùy thuộc vào từng ứng dụng Do

đó một bộ vi xử lý có thể thực hiện đợc rất nhiều các yêu cầu điều khiển khácnhau tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng

Hầu hết các thiết bị kỹ thuật từ phức tạp cho đến đơn giản nh thiết bị điềukhiển tự động, thiết bị văn phòng cho đến các thiết bị trong gia đình đều có dùngcác bộ vi điều khiển, nghiên cứu ứng dụng các bộ vi điều khiển đang ngày càngtăng hiện nay

Khoa học, kỹ thuật ra đời phục vụ cho đời sống sản xuất, sinh hoạt củacon ngời Trong xởng sản xuất yếu tố nhiệt độ, độ ẩm giữ vai trò quyết định

trong việc tạo điều kiện môi trờng làm việc thỏai mái em chọn đề tài: "Thiết kế

mạch điều khiển nhiệt độ, độ ẩm cho phân xởng sản xuất thuốc sử dụng vi

điều khiển"

1.1.2 Mục đích nghiên cứu

Việc Nghiên cứu thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển nhiệt độ, độ ẩm và

hệ thống cung cấp nguồn cho kho xởng sản xuất thuốc ứng dụng vi điều khiểnnhằm giúp ngời thực hiện đề tài nắm bắt đợc những vấn đề sau:

- Thông qua việc thực hiện đồ án giúp cho chúng em ôn lại những kiếnthức đã học và lĩnh hội thêm đợc những kiến thức mới từ giáo viên hớng dẫn, từ

các bạn sinh viên và cũng là khoảng thời gian rèn luyện tay nghề, từ đó hiểu rõhơn cách viết chơng trình cho vi điều khiển và phềm mềm giao tiếp vi điều khiểnvới máy tính.

- Qua quá trình thực hiện đề tài đã tạo điều kiện cho chúng em có những ýtởng mới và giải quyết các vấn đề phát sinh một cách có hiệu quả

- Giúp chúng em biết vận dụng việc tính toán mạch điện giữa lý thuyết vàthực tế sao cho mạch hoạt động ổn định, kết cấu đơn giản và chi phí thấp

- Việc thực hiện đề tài cũng giúp ngời nghiên cứu nắm vững lý thuyết vàrèn luyện kĩ năng thi công mạch

1.1.3 Đối tợng nghiên cứu

- Nghiên cứu chức năng IC vi điều khiển 89C51 và phần mềm lập trình

- Các linh kiện cảm biến nhiệt độ (LM35), IC (LM324), các vi mạchchuyển đổi ADC, và các chuẩn giao tiếp RS - 232

- Hệ thống đo lờng cảm biến

- Kết nối giữa vi điều khiển với máy tính

- Phần mềm thiết kế giao diện trên máy tính Visual Basic

1.1.4 Phơng pháp tiến hành

- Khảo sát hiện trạng thế giới thực để xác định rõ các yêu cầu chức năng

- Tổng hợp, phân tích, đánh giá những cái ngời khác đã làm

- Tìm kiếm nghiên cứu và ghi chép lại các tài liệu tham khảo

- Đề xuất ra phơng án giải quyết của mình

1.2 Giới thiệu cấu trúc phần cứng họ 8051

MCS-51 laứ hoù IC vi ủieàu khieồn do haừng Intel saỷn xuaỏt Caực IC tieõu bieồucho hoù laứ 8031, 8051, 8951 Nhửừng ủaởc ủieồm chớnh vaứ nguyeõn taộc hoaùtủoọngcuỷa caực boọ vi ủieàu khieồn naứy khaực nhau khoõng nhieàu Khi ủaừ sửỷ duùngthaứnhthaùo moọt loaùi vi ủieàu khieồn thỡ ta coự theồ nhanh choựng vaọn duùng kinhnghieọm ủeồ laứm quen vaứ laứm chuỷ caực ửựng duùng cuỷa moọt boọ vi ủieàu khieồnkhaực.Vỡ vaọy ủeồ coự nhửừng hieồu bieỏt cuù theồ veà caực boọ vi ủieàu khieồn cuừng nhửủeồ phuùc vuù cho ủeà taứi naứy ta baột ủaàu tỡm hieồu moọt boọ vi ủieàu khieồn thoõngduùng nhaỏt, ủoự laứ hoù MCS-51 vaứ neỏu nhử hoù MCS-51 laứ hoù ủieồn hỡnh thỡ 8051laùi chớnh laứ ủaùi dieọn tieõu bieồu

Caực ủaởc ủieồm cuỷa 8051 ủửụùc toựm taột nhử sau :

√ 4 KB ROM bên trong

√ 128 Byte RAM nội

√ 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit

√ Giao tiếp nối tiếp

√ 64 KB vùng nhớ mã ngoài

√ 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại

√ Xử lý Boolean (hoạt động trên bit đơn)

√ 210 vị trí nhớ có thể định vị bit

√ 4 μs cho hoạt động nhân hoặc chia

Hình 1.1 Cấu trúc bên trong 89C51

Bảng 1.1 Mô tả sự khác nhau của các IC trong họ MSC-51

1.2.1 CÊu trĩc VĐK 8051, chức năng từng chân

Hình 1.2 Sơ đồ chân VĐK 8051

Chức năng hoạt động của từng chân (pin) được tóm tắt như sau :

√ Từ chân 1÷ 8 Port 1 (P1.0, , P1.7) dùng làm Port xuất nhập I/O đểgiao tiếp bên ngoài

√ Chân 9 (RST) là chân để RESET cho 8051 Bình thường cácchân này ở mức thấp Khi ta đưa tín hiệu này lên cao (tối thiểu 2 chu kỳmáy) Thì những thanh ghi nội của 8051 được LOAD những giá trịthích hợp để khởi động lại hệ thống

√ Từ chân 10÷17 là Port3 (P3.0, P3.1, , P3.7) dùng vào hai mục đích:dùng là Port xuất / nhập I/O hoặc mỗi chân giữ một chức năng cá biệt đượctóm tắt sơ bộ như sau :

• P3.0 (RXD) : Nhận dữ liệu từ Port nối tiếp

• P3.1 (TXD) : Phát dữ liệu từ Port nối tiếp

• P3.2 (INT0) : Ngắt 0 bên ngoài

• P3.3 (INT1) : Ngắt 1 từ bên ngoài

• P3.4 (T0) : Timer/Counter 0 nhập từ bên ngoài

• P3.5 (T1) : Timer/Counter 1 nhập từ bên ngoài

• P3.6 (WR) : Tín hiệu Strobe ghi dữ liệu lên bộ nhớ bên ngoài

• P3.7 (RD) : Tín hiệu Strobe đọc dữ liệu lên bộ nhớ bên ngoài

√ Các chân 18,19 (XTAL2 và XTAL1) được nối với bộ dao động thạchanh 12MHz để tạo dao động trên CHIP Hai tụ 30 pF được thêm vào để ổnđịnh dao động

√ Chân 20 (Vss) nối đất (Vss = 0)

√ Từ chân 21÷28 là Port 2 (P2.0, P2.1, , P2.7) dùng vào haimục đích: làm Port xuất/nhập I/O hoặc dùng làm byte cao của bus địa chỉ thìnó không còn tác dụng I/O nữa Bởi vì ta muốn dùng EPROM và RAM ngoàinên phải sử dụng Port 2 làm byte cao bus địa chỉ

√ Chân 29 (PSEN) là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó chophép chọn bộ nhớ ngoài và được nối chung với chân của OE (Outout Enable)của EPROM ngoài để cho phép đọc các byte của chương trình Các xung tínhiệu PSEN hạ thấp trong suốt thời gian thi hành lệnh Những mã nhị phâncủa chương trình được đọc từ EPROM đi qua bus dữ liệu và được chốt vàothanh ghi lệnh của 8051 bởi mã lệnh

√ Chân 30 (ALE : Adress Latch Enable) là tín hiệu điều khiển xuất racủa 8051, nó cho phép phân kênh bus địa chỉ và bus dữ liệu của Port 0

√ Chân 31 (EA : Eternal Acess) được đưa xuống thấp cho phép chọnbộ nhớ mã ngoài đối với 8031

Đối với 8051 thì :

• EA = 5V : Chọn ROM nội

• EA = 0V : Chọn ROM ngoại

• EA = 21V : Lập trình EPROM nội

√ Các chân từ 32÷39 là Port 0 (P0.0, P0.1, , P0.7) dùng cả hai mụcđích : Vừa làm byte thấp cho bus địa chỉ, vừa làm bus dữ liệu, nếu vậy Port 0không còn chức năng xuất nhập I/O nữa

√ Chân 40 (Vcc) được nối lên nguồn 5V

1.2.2 Tổ chức bộ nhớ

Hình 1.3 Bản đồ bộ nhớ data trên Chip

1.2.2.1 Bộ nhớ Ram

* Ram mục đích chung

Trong bản đồ bộ nhớ trên, 80 byte từ địa chỉ 30H÷7FH là RAM mụcđích chung Kể cả 32byte phần dưới từ 00H÷2FH cũng có thể sử dụng giốngnhư 80byte ở trên, tuy nhiên 32 byte còn có mục đích khác sẽ đề cập sau.Bấtkỳ vị trí nào trong RAM mục đích chung cũng có thể được truy xuất tùy ýgiống như việc sử dụng các mode để định địa chỉ trực tiếp hay gián tiếp

Ví dụ để đọc nội dung của RAM nội có địa chỉ 5FH vào thanh ghi tíchlũy thì ta dùng lệnh : MOV A, 5FH RAM nội cũng được truy xuất bởi việcdùng địa chỉ gián tiếp qua R0 và R1 Hai lệnh sau đây sẽ tương đương lệnhtrên :

MOV R0, #5FH

MOV A, @R0

Lệnh thứ nhất dùng sự định vị tức thời để đưa giá trị 5FH vào thanh ghiR0, lệnh thứ hai dùng sự định vị gián tiếp để đưa dữ liệu “đã được trỏ đếnbởi R0” vào thanh ghi tích lũy A

RAM định vị

8051 chứa 210 vị trí có thể định vị bit, trong đó có 128 bit nằm ở cácđịa chỉ từ 20H÷2FH và phần còn lại là các thanh ghi chức năng đặc biệt

1.2.2.2 Các băng thanh ghi (Register Banks)

32 vị trí nhớ cuối cùng của bộ nhớ từ địa chỉ byte 00H÷1FH chức cácdãy thanh ghi Tập hợp các lệnh của 8051 cung cấp 8 thanh ghi từ R0÷R7 ởđịa chỉ 00H÷07H nếu máy tính mặc nhiên chọn để thực thi Những lệnh tươngđương dùng sự định vị trực tiếp Những giá trị dữ liệu được dùng thườngxuyên chắc chắn sẽ sử dụng một trong các thanh ghi này

* Các thanh ghi chức năng đặc biệt (Special Function Register)

Có 21 thanh ghichức năng đặc biệt SFR ở đỉnh của RAM nội từ địa chỉcácthanh ghi chức năng đặc biệt được định rõ, còn phần còn lại không địnhrõ Mặc dù thanh ghi A có thể truy xuất trực tiếp, nhưng hầu hết các thanhghi chức năng đặc biệt được truy xuất bằng cách sử dụng sự định vị địa chỉtrực tiếp Chú ý rằng vài thanh ghi SFR có cả bit định vị và byteđịnh vị Người thiết kế sẽ cẩn thận khi truy xuất bit mà không truy xuất byte

* Các thanh ghi Port (Port Register)

Các Port 0, Port 1, Port 2, Port 3 có địa chỉ tương ứng 80H, 90H, A0H,B0H Các Port 0, Port 1, Port 2, Port 3 không còn tác dụng xuất nhập nữa nếubộ nhớ ngoài được dùng hoặc một vài cá tính đặc biệt của 8051 được dùng(như Interrupt, Port nối tiếp ) Do vậy chỉ còn có Port1 có tác dụng xuấtnhập I/O

Tất cả các Port đều có bit địa chỉ, do đó nó có khả năng giao tiếp vớibên ngoài mạnh mẽ

* Các thanh ghi Timer (Timer Register)

8051 có 2 bộ : Một bộ Timer 16 bit và một bộ Counter 16 bit, hai bộnày dùng để định giờ lúc nghỉ của chương trình hoặc đếm các sự kiện quantrọng Timer 0 có bit thấp TL0 ở địa chỉ 8AH và có bit cao TH0 ở địa chỉ

8CH Timer 1 có bit thấp ở địa chỉ 8BH và bit cao TH1 ở địa chỉ 8DH Hoạtđộng định thời được cho phép bởi thanh ghi mode định thời TMOD (TimerMode Register) Ở địa chỉ 89H và thanh ghi điều khiển địnhthời TCON(Timer Control Register) ở địa chỉ 88H Chỉ có TCON có bit định vị.

Các thanh ghi Port nối tiếp (Serial Port Register)

8051 chứa một Port nối tiếp trên Chip cho việc truyền thông tinvới những thiết bị nối tiếp như là những thiết bị đầu cuối, modem, hoặc đểgiao tiếp IC khác với những bộ biến đổi A/D, những thanh ghi di chuyển,RAM ) Thanh ghi đệm dữ liệu nối tiếp SBUF ở địa chỉ 99H giữ cả dữ liệuphát lẫn dữ liệu thu Việc ghi lên SBUF để LOAD dữ liệu cho việctruyền và đọc SBUF để truy xuất dữ liệu cho việc nhận những mode hoạtđộng khác nhau được lập trình thông qua thanh ghi điều khiển Port nối tiếpSCON

* Các thanh ghi ngắt (Interrupt Register)

8051 có hai cấu trúc ngắt ưu tiên, 5 bộ nguồn Những Interrupt bị mấttác dụng sau khi hệ thống reset (bị cấm) và sau đó được cho phép bởi việccho phép ghi lên thanh ghi cho phép ngắt IE (Interrup Enable Register) ở địachỉ A8H Mức ưu tiên được đặt vào thanh ghi ưu tiên ngắt IP (InterruptPriority Level) tại địa chỉ B8H Cả 2 thanh ghi trên đều có bit địa chỉ

* Thanh ghi điều khiển nguồn PCON (Power Control Register)

Thanh ghi PCON không có bit định vị Nó ở địa chỉ 87H bao gồm cácbit địa chỉ tổng hợp Các bit PCON được tóm tắt như sau :

√ Bit 7 (SMOD) : Bit có tốc độ Baud ở mode 1, 2, 3 ở Port nối tiếp khiset

√ Bit 6, 5, 4 : Không có địa chỉ

√ Bit 3 (GF1) : Bit 1 của cờ đa năng

√ Bit 2 (GF0) : Bit 2 của cờ đa năng

√ Bit 1 * (PD) : Set để khởi động mode Power Down và thoát để reset

√ Bit 0 * (IDL) : Set để khởi động mode Idle và thoát khi ngắt mạch hoặc reset Các bit điều khiển Power Down và Idle có tác dụng chính trongtất cả các IC họ MSC-51 nhưng chỉ được thi hành trong sự biên dịch củaCMOS

1.3 Chuyển đổi AD dùng vi mạch ADC 0809

Bộ ADC 0809 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi từtương tự sang số 8 bit, bộ chọn 8 kênh và một bô logic điều khiển tương thích.Bộ chuyển đổi AD 8 bit này dùng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ tiếp Bộchọn kênh có thể truy xuất bất kềnh nào trong các ngõ vào tương tự một cáchđộc lập

Thiết bị này loại trừ khả năng cần thiết điều chỉnh điểm 0 bên ngoài vàkhả năng điều chỉnh tỉ số làm tròn ADC 0809 dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý

Hình 1.4 Sơ đồ chân ADC 0809

* Ý nghĩa các chân:

IN0 đến IN7 : 8 ngõ vào tương tự

A, B, C : giải mã chọn một trong 8 ngõ vào

Z-1 đến Z-8 : ngõ ra song song 8 bit

ALE : cho phép chốt địa chỉ

START : xung bắt đầu chuyển đổi

CLK : xung đồng hồ

REF (+) : điện thế tham chiếu (+)

REF (-) : điện thế tham chiếu (-)

VCC : nguồn cung cấp

* Các đặc điểm củaADC 0809:

Độ phân giải 8 bit

Tổng sai số chưa chỉnh định ± ½ LSB; ± 1 LSB

Thời gian chuyển đổi: 100μs ở tần số 640 kHz

Nguồn cung cấp + 5V

Điện áp ngõ vào 0 – 5V

Tần số xung clock 10kHz – 1280 kHz

Nhiệt độ hoạt động - 400C đến 850C

Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý hoặc dùng riêng

Không cần điều chỉnh zero hoặc đầy thang

* Nguyên lý hoạt động:

ADC 0809 có 8 ngõ vào tương tự, 8 ngõ ra 8 bit có thể chọn 1 trong 8 ngõ vào tương tự để chuyển đổi sang số 8 bit

Các ngõ vào được chọn bằng cách giải mã Chọn 1 trong 8 ngõ vào tương tự được thực hiện nhờ 3 chân ADDA, ADDB, ADDC như bảng trạng thái sau:

Bảng 1.2 Trạng thái hoạt động

Sau khi kích xung start thì bộ chuyển đổi bắt đầu hoạt động ở cạnhxuống của xung start, ngõ ra EOC sẽ xuống mức thấp sau khoảng 8 xungclock (tính từ cạnh xuống của xung start) Lúc này bit cơ trọng số lớn nhất(MSB) được đặt lên mức 1, tất cả các bit còn lại ở mức 0, đồng thời tạo rađiện thế có giá trị Vref/2, điện thế này được so sánh với điện thế vào in

+ Nếu Vin > Vref/2 thì bit MSB vẫn ở mức 1

+ Nếu Vin < Vref/2 thì bit MSB vẫn ở mức 0

Tương tự như vậy bit kế tiếp MSB được đặt lên 1 và tạo ra điện thế cógiá trị Vref/4 và cũng so sánh với điện áp ngõ vào Vin Quá trình cứ tiếp tụcnhư vậy cho đến khi xác định được bit cuối cùng Khi đó chân EOC lên mức 1báo cho biết đã kết thúc chuyển đổi

Trong suốt quá trình chuyển đổi chân OE được đặt ở mức 1, muốn đọcdữ liệu ra chân OE xuống mức 0

Trong suốt quá trình chuyển đổi nếu có 1 xung start tác động thì ADCsẽ ngưng chuyển đổi

Hình 1.5 Biểu đồ thời gian của ADC 0809

1.4 khái quát về đo lường

1.4.1 Khái niệm về đại lượng đo lường

Trong lĩnh vực đo lường, dựa trên tính chất cơ bản của đại lượng đophân ra hai loại cơ bản là đại lượng điện và không điện Đại lượng điện vàkhông điện được phân ra hai dạng, là đại lượng điện tác động và đại lượngđiện thụ động

- Đại lượng điện tác động: Như đại lượng điện áp, dòng điện, công suất,là những đại lượng mang năng điện

- Đại lượng điện thụ động: Như điện trở, điện cảm, điện dung, hỗ cảmkhông mang năng lượng điện Hầu hết các thiết bị đo, có chức năngcung cấp cho chúng ta kết quả đo được đại lượng đang khảo sát Kếtquả này được chỉ thị hoặc ghi lại trong suốt quá trình đo hoặc dùng để

tự động điều khiển đại lượng đang được đo Với nhiều cách thức đo đadạng khác nhau, cho nhiều đại lượng có những đặc tính riêng biệt, mộtcách tổng quát ta có thể phân biệt hai dạng thiết bị đo phụ thuộc vàođặc tính.

* Tổng quát thiết bị đo điện tử thường được cấu tạo ba phần sau:

- Cảm biến: Phần tử biến đổi các đại lượng đo không điện sang đạilượng điện Bộ phận này chỉ có khi thiết bị đo điện tử đo các đại lượngtrong công nghiệp

- Bộ biến đổi tín hiệu điện (điện áp, dòng điện, điện trở) cho phù hợpvới bộ chỉ thị kết quả Bộ này bao gồm mạch phân tần đo, mạch phốihợp trở kháng, mạch khuếch đại tín hiệu đủ lớn cho bộ chỉ thị kết quả.Có thể là mạch cầu đo (đối với đại lượng điện trở, điện cảm, điệndung) Ngoài ra trong bộ chế biến có thể là mạch lọc, mạch chỉnh lưu,mạch sửa dạng tín hiệu, mạch biến đổi A/D

- Bộ chỉ thị kết quả: Trong phần này kết quả đo được chỉ thị dưới haihình thức, là kim hoặc số hiển thị

1.4.2 Đo độ ẩm bằng ẩm kế trở

Nguyên tắc hoạt động và phương pháp chế tạo:

Trong ẩm kế điện trở, người ta dùng một lượng nhất định chất hút ẩmlean đế có kích thước nhỏ (vài mm2) Trên đế này cũng đồng thời phủ thêmhai điện cực bằng kim loại không bị oxy hóa Giá trị của điện trở R lớn đođược giữa hai điện cực phụ thuộc vào hàm lượng nước ( tỷ số giữa nước hấp

thụ và khối lượng chất khô) và vào nhiệt độ hút chất ẩm, mà hàm lượng nướclại phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ.

Một số nhà chế tạo dùng chất lỏng làm chất hút ẩm Các chất điệnphân là những chất dẫn điện Điện trở của chúng phụ thuộc vào thể tích, màthể tích lại thay đổi theo hàm lượng nước Người ta sử dụng tính chất này đểtìm cách biến đổi độ ẩm tương đối thành tín hiệu điện

Trên thực tế, điện trở R của ẩm kế phụ thuộc đồng thời vào độ ẩmtương đối và nhiệt độ Tuy vậy, ảnh hưởng của nhiệt độ có thể bù trừ bằngcách sử dụng sơ đồ mạch đo thế

Các đặc trưng:

Các đặc trưng đo lường chủ yếu của ẩm kế điện trở biên thiên được liệtkê như sau:

- Dải đo độ ẩm: Từ +5% ÷ + 95%

- Dải đo nhiệt độ: Từ -100C ÷ + 50 hoặc 600C

- Thời gian đáp ứng: Gần 10uS

Cảm biến nhiệt được đặt tại những vị trí khác nhau, mỗi vị trí là mộtkênh đo Các cảm biến nhiệt sẽ biến đổi nhiệt độ thành điện áp hoặc dòngđiện tùy theo loại cảm biến Cảm biến nhiệt có nhiều loại như: Cặp nhiệtđiện, linh kiện bán dẫn, vi mạch cảm biến Tín hiệu sau cảm biến thường nhỏnên tròn mạch ta phải qua bộ phận chế biến tín hiệu, thực chất khối này làmột mạch khuếch đại nhưng có thể biến đổi tín hiệu trước khi khuếch đại chophù hợp với từng loại tín hiệu Tiếp theo tín hiệu sau khi biến đổi sẽ đượcbiến đổi sang dạng số ( nhờ vào mạch ADC) để có thể giao tiếp với khối vixử lý.

Sau khi bộ phận xử lý thực hiện xong thì xuất ra chấp hành đã lập trìnhcho trước để thực hiện một nhiệm vụ nào đó theo yêu cầu của mạch Kết quảnày có thể xuất ra monitor hay hiển thị trên led, hoặc là điều khiển một thiết

bị ngoại vi nào đó để ổn định nhiệt độ trong một giới hạn cho phép nào đó

Ta thiết kế mạch đo, điều khiển nhiệt độ dùng vi điều khiển, có giaotiếp máy tính, và tầm đo nhiệt độ từ 10 ÷ 1000C vì tầm nhiệt độ thấp nênkhối cảm biến có thể sử dụng các IC cảm biến như LM35, khối ghép kênh vàbiến đổi ADC ta có thể dùng một IC ADC 0808 thực hiện cả hai chức năngtrên như sơ đồ:

TÍNH TOAÙN THIEÁT KEÁ MAẽCH ẹIEÄN CAÙC KHOÁI

2.1 Sụ ủoà khoỏi toaứn maùch

2.1.1 Sụ ủoà khoỏi vaứ chửực naờng caực khoỏi

Sụ ủoà khoỏi:

Hỡnh 2.1 Sụ ủoà khoỏi heọ thoỏng

* Chửực naờng caực khoỏi:

MAÙY TÍNH ẹIEÀU KHIEÅN

Cảm biến nhiệt độ Hiển thị led

Cảnh báo

+ Khối nguồn: Có nhiệm vụ cấp nguồn cho toàn linh kiện trong mạchhoạt động.

+ Led hiển thị: Dùng để hiển thị dữ liệu đo được của nhiệt độ, độ ẩm.+ Khối ADC: Có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệusố, dùng ADC 0808 có 8 ngõ vào tương tự và ngõ ra là 8bit

Ngõ vào từ chân IN0 – IN7 nhận tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm các tín hiệucủa cảm biến Ngõ ra được lấy ở các chân 8, 14, 15, 17, 18, 19, 20, 21 đưa về

+ Máy tính: Dùng để điều khiển việc giao tiếp với vi điều khiển Khicó sự thay đổi dữ liệu Hiển thị, phát tín hiệu cảnh báo trên màn hình

Trong mạch các IC dùng các mức điện áp 5V, +12V Nên nguồn đợc thiết

kế biến đổi từ điện áp lới AC 220V thành điện áp DC 5V và +12V

Cấp điện áp AC 220V cho biến áp, đầu ra biến áp lấy điện áp AC (0V, 5V,15V, 20V, 30V) đa qua cầu nắn Sau cầu nắn lấy đợc điện áp DC cấp cho các IC

ổn áp (7812; 7805) để tạo ra các điện áp 5V, +12V ổn định lấy ra cấp đi chotoàn mạch

Tổng dòng tiêu thụ 0.6 (A)

- Tính toán mạch chỉnh lưu cầu

= 2. 2 It

 = 0,9 It= 0,9 0,5 = 0,45A

Dòng điện lớn nhất qua diode:

14.4 = 22.6 (V)

Lọc thành phần xoay chiều của dòng điện ra tải

Trong các mạch điện chỉnh lu dòng điện ra tải tuy có cực tính không đổi(dòng một chiều ) nhng giá trị (độ lớn ) của chúng thay đổi theo thời gian mộtcách có chu kỳ đợc gọi là sự đập mạch của dòng điện hay điện áp sau chỉnh lu

Dùng chuỗi Fourier để phân tích dòng điện đập mạch ta có:

tdt T n t T

Bn

tdt T n t T

An

tdt T

I

t n B t

n A I

i

t t

t

t t

t

t t

t

n

n n

n t

2 cos sin 2

sin 1

sin cos

0

1 1

n A

n n n

- Thành phần xoay chiều có tần số  - hài bậc 1

- Thành phần xoay chiều có tần số 2 - hài bậc 2

- Để cung cấp năng lợng cho các thiết bị điện tử làm việc phải lọc bỏ cácthành phần hài

- Để đặc trng cho chất lợng điện áp (hay dòng điện) sau chỉnh lu ngời ta đa

ra hệ số đập mạch Kp

Nếu KP càng nhỏ thì chất lợng của bộ nguồn càng cao

- Với mạch chỉnh lu 2 nửa chu kỳ Kp = 0,667

- Với mạch chỉnh lu 1/2 chu kỳ Kp = 1,58

Thờng dùng tụ điện, điện cảm của mạch lọc tích cực để lọc bỏ các thành

Biên độ sóng hài lớn nhất của I

P =

phần sóng hài.

Tụ C mắc song song với tải Rt thờng có trị số vài trăm F đến vài nghìn

F Khi điôt thông thì tụ C nạp điện và tích trữa năng lợng khi điôt khoá thì tụ C phóng điện qua Rt bằng cách đó có thể giảm độ gợn sóng của điện áp ra

Kp=

t

R C.

f 2

2



Từ công thức ta thấy, muốn Kp nhỏ phải chọn tụ C có giá trị lớn

Mức tối thiểu của điện áp ra : U0min

Mức tối đa của điện áp ra : U0max

Thời gian tụ phóng điện: t1=

4

T+ θ

Thời gian tụ nạp điện: t2 =

ứng với 900 hay 1/4 chu kì)

Do vậy U0min= U0max sin θ hay θ= arcsin

Ugs= 10%U0 => Ugs=

100

17 10

= 0.02 s = 20 ms (bằng thời gian tơng ứng với 3600)

Vậy thời gian tơng ứng với 900 là

(900+650) = 8,6ms= 0.0086s

IC 7805 cho ra điện áp ổn định 5v có cực tính dơng

IC 7812 cho ra điện áp ổn định 12V có cực tính dơng

2.3 Chuyeồn ủoồi ADC

2.3.1 Sụ ủoà nguyeõn lyự.

1

8

2 3 4 5 6 7 ale

kc

eoc

oe

ale ka kb

OUT1 21

ADD B

24 ADD A25

ADD C 23

VREF(+) 12 VREF(-) 16

IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5

START 6

OUT5 8EOC 7

OE 9

CLOCK 10

OUT2 20

OUT7 14OUT6 15OUT8 17

OUT4 18OUT3 19

IN2

28 IN1

27 IN026

ALE 22

2.3.2 Tính toán thiết kế mạch.

Để thực hiện chuyển đổi AD, ta sử dụng vi mạch ADC 0808 mạch có 8ngõ vào tương tự và ngõ ra digital 8bit Để thực hiện việc chuyển đổi và nhậndữ liệu từ ADC, trong đồ án thực hiện bước sau:

+ Ngõ vào CLK của 0809 sẽ được điều khiển bởi mạch tạo dao độngcó tấn số khoảng 900 KHz

+ Dữ liệu 8bit tại ngõ ra ADC sẽ được đọc vào P0

Mã ra N cho một ngõ vào tùy ý là một số nguyên

Trong đó Vin : điện áp ngõ vào hệ so sánh

Vref(+): điện áp tại chân REF(+)

Vref(-): điện áp tại chân REF(-)

Hỡnh 2.4 Sụ ủoà maùch dao ủoọng

Đây là mạch dao động không trạng thái bền dùng cổng NOT 74LS04.+ Chu kỳ dao động của mạch

Chu kỳ dao động của mạch đợc quyết định bởi quá trình nạp điện của 2 tụ

t/τ C

T1/τ ng

V

V T

ng logic1

ng logic1

1

2 τln

V V

ng logic1

ng logic1

2

động của mạch Do thạch anh có hệ số phẩm chất Q cao nên chỉ có thành phầntần số nào bằng tần số cộng hởng nối tiếp của thạch anh mới đợc cho qua và hồitiếp trở về đầu vào của cổng 1 Ta chọn các giá trị R, C nh sau :

T o C L K + 5 V

F r o m O S C

6

10 3,579 2,2

1 2,2f

1 RC 2,2RC

1 f

động xuống 4 lần trớc khi đa vào chân số 10 của ADC 0809

2.4 Thieỏt keỏ maùch ủo nhieọt ủoọ

2.4.1 Sụ ủoà nguyeõn lyự.

R2960 +12V

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt độ