cảm biến nhiệt độ

đồ án lập trình

Bảng thông qua đồ án môn học

Họ và tên: Lê Thành Chung

Lớp: 48K- ĐTVT Khoa: ĐTVT

Tên đồ án: Thiết kế chế tạo mạch cảm biến đo nhiệt độ

TT Ngày thông Nội dung Nhận xét của giảng viên Chữ ký 1

2

3

4

5

Nhận xét chung:

1.4 Khả năng mở rộng

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

2.1 Tổng quan về họ vi điều khiển 8051

2.2 Bộ chuyển đổi tương tự – số ADC0804

2.3 Cảm biến nhiệt độ LM35

Chương 3 Phân tích và thiết kế

3.1 Sơ đồ khối tổng quan hệ thống

32 Phân tích thiết kế từng khối

3.2.1 Khối cảm biến

3.2.2 Khối hiển thị

3.2.3 Khối ADC

3.2.4 Khối điều khiển

3.2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến nhiệt độ

4.2 Sơ đồ mạch lắp ráp linh kiện

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học kỹ thuật phát triển với nhiều công nghệ hiện đại.Một phần trong sự phát triển đó là sự ra đời của các dòng vi điều khiển.Chúng được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực và thay thế dần các hệthống cũ trước đây Vi mạch lập trình được ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuậtcũng như đời sống xã hội Các ứng dụng của vi mạch lập trình như đồng hồsố, mạch đếm sản phẩm, mạch đo nhiệt độ… Mục đích chính của đồ án mônhọc này là thiết mạch đo nhiệt độ môi trường Với kiến thức còn hạn chếcũng như kinh nghiệm thực tế chưa có nhiều, nhưng với sự nỗ lực của bản

thân, đặc biệt được sự giúp đỡ tận tình của PGS.TS Nguyễn Hoa Lư và KS.

Hồ Sỹ Phương đã giúp chúng em hoàn thành tốt đồ án môn học này.

Đồ án hoàn thành không những giúp chúng em có được thêm nhiều kiếnthức hơn về môn học mà còn giúp chúng em được tiếp xúc với một phươngpháp làm việc mới chủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là phương pháplàm việc theo nhóm Quá trình thực hiện đồ án là một thời gian thực sự bổ íchcho bản thân chúng em về nhiều mặt Vì kinh nghiệm còn yếu nên khôngtránh được sai sót, rất mong được sự bổ sung, đánh giá của quý thầy cô vàgóp ý của các bạn

Sinh viên thực hiện:

Lê thành chung

Chương 1 Tổng quan đề tài

1.1 Lí do chọn đề tài

Với tên đồ án là “ đồ án thiết kế dùng vi mạch lập trình” nên chúng emmuốn thực hiện thiết kế chế tạo một mạch cảm biến đo nhiệt độ môi trường.Từ mạch này dần mở rộng phát triển lắp ghép vào các hệ thống điều khiểnnhiệt độ và các lò nhiệt Hiện nay các dòng vi điều khiển được ứng dụng rấtnhiều trong các lĩnh vực đời sống xã hội Xung quanh nó có rất nhiều đề tàiđược quan tâm Với đồ án môn học là thiết kế ứng dụng vi mạch lập trìnhbằng cách sử dụng các dòng vi điều khiển Được sự gợi ý của giáo viênhướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hoa Lư và KS Hồ Sỹ Phương, đồng thời xuấtphát từ sự gần gũi với thực tế nên chúng em đã chọn thiết kế chế tạo mạch đonhiệt độ môi trường ứng dụng kĩ thuật lập trình cho VĐK Và đây là một cơhội tốt để ứng dụng những kiến thức được học vào thực tế

1.1.1 Mục tiêu của đề tài

- Mạch cảm biến đo nhiệt độ phải hoạt động tốt, ổn định trong mọi điềukiện môi trường

- Đảm bảo tính kinh tế

- Có khả năng mở rộng và ứng dụng phát triển trong các hệ thống vàthiết bị

1.1.2 Vấn đề cần giải quyết

+ Chế tạo 1 board mạch gồm các khối cảm biến, khối chuyển đổi tươngtự - số (ADC), khối xử lí trung tâm dùng VĐK và khối hiển thị

+ Tiến hành viết chương trình phần mềm phối hợp hoạt động của cáckhối dưới sự điều khiển của khối mạch chính chứa IC VĐK

1.2 Giải quyết vấn đề

Hiện nay có rất nhiều dòng vi điều khiển được sử dụng phổ biến trongthiết kế các ứng dụng vi mạch lập trình Các phương án được đưa ra để giảiquyết vấn đề như sau:

a Sử dụng dòng VĐK 8051

- Nó được ứng dụng rất rộng rãi;

- Giá thành linh kiện để hoàn thành mạch rẻ;

- Cấu trúc và nguyên lý hoạt động dễ hiểu;

- Khả năng mở rộng cao;

Với việc sử dụng dòng VĐK 8051 này thì có nhiều ngôn ngữ được sửdụng để lập trình như: ngôn ngữ C, Asembly, Passcan Và trong đồ án nàychúng em sử dụng ngôn ngữ lập trình Asembly bởi vì ngôn ngữ lập trình đơngiản, dễ hiểu và từ ngôn ngữ lập trình này chúng em hiểu thêm về cấu trúccũng như hoạt động của dòng VĐK 8051 Ngoài ra ngôn ngữ lập trình là cáctừ gợi nhớ nên rất thuận lợi trong quá trình hiểu và lập trình chương trình

1.3 Khả năng mở rộng

Với mạch đo nhiệt độ môi trường chúng ta có thể ứng dụng cho nhiềulĩnh vực cũng như các thiết bị Từ mạch cảm biến này chúng ta có thể mởrộng lắp ghép vào các mạch điều khiển nhiệt độ như: điều khiển nhiệt độphòng, điều khiển lò nhiệt… để chúng ta chủ động trong việc cung cấp nhiệtđộ Và rất nhiều trong các thiết bị khác chúng ta có thể lắp đặt mạch để thôngbáo nhiệt độ

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

2.1 Tổng quan về vi điều khiển AT89C51

a Giới thiệu chung về cấu trúc phần cứng

Đặc điểm và chức năng hoạt động của các IC họ MSC-51 hoàn toàntương tự như nhau Ở đây giới thiệu IC 8951 là một họ IC vi điều khiển dohãng Intel của Mỹ sản xuất Chúng có các đặc điểm chung như sau:

 Các đặc điểm của 8951 được tóm tắt như sau:

 4 KB EPROM 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s cho hoạt động nhân hoặc chia

Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu cấu trúc chung của IC AT89C51, đây làmột sản phẩm của hãng INTEL

Hình2.1: Sơ đồ chân của IC AT89C51

Hình 2.2 :Sơ đồ khối AT89C51

 Chức năng các chân của AT89C51

AT89C51 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập.Trong đó có 24 chân có tác dụng kép (có nghĩa là 1 chân có 2 chức năng),mỗi đường có thể hoạt động như đường xuất nhập hoặc như đường điều khiểnhoặc là thành phần của các bus dữ liệu và bus địa chỉ

 Các cổng xuất nhập:

- Port 0: 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 nhưcác đường I/O

Đối với các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng, nó được kết hợp giữa busđịa chỉ và bus dữ liệu.

- Port 1: Port 1 là port I/O trên các chân 1-8 Các chân được ký hiệu

P1.0, P1.1, p1.2, p1.7 có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếucần Port 1 không có chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giaotiếp với các thiết bị bên ngoài

- Port 2: Port 2 là 1 port có tác dụng kép trên các chân 21- 28 được

dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với cácthiết bị dùng bộ nhớ mở rộng

- Port 3: Port 3 là port có tác dụng kép trên các chân 10-17 Các chân

của port này có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của 8951 như ở bảng sau:

P3.0 RXT Ngõ vào dữ liệu nối tiếp

P3.1 TXD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp

P3.2 INT0\ Ngõ vào ngắt cứng thứ 0

P3.3 INT1\ Ngõ vào ngắt cứng thứ 1

P3.6 WR\ Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoàiP3.7 RD\ Tín hiệu đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

Hình 2.3 : Chức năng của các chân của Port 3

 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 nhớchương trình mở rộng thường được nối đến chân OE\ (Output Enable) củaEPROM cho phép đọc các byte mã lệnh PSEN ở mức thấp trong thời gianMicrocontroller 8951 lấy lệnh Các mã lệnh của chương trình được đọc từ

EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh bên trong 8951 đểgiải mã lệnh Khi 8951 thi hành chương trình trong EPROM 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 địachỉ và bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu raALE ở chân thứ 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địachỉ 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 đóngvai trò là địa chỉ thấp 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 được dùng làm tín hiệu clock cho các phần khác của hệ thống ChânALE được dùng làm ngõ vào 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 EPROM nội trong khoảng địachỉ thấp 4 Kbyte Nếu ở mức 0, 8951 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mởrộng Chân EA được lấy làm chân cấp nguồn 12V khi lập trình cho EPROMtrong 8951

- Ngõ tín hiệu RST (Reset):

Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset của 8951 Khi ngõ vào tínhiệu này đưa lên cao ít nhất là 2 chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong đượcnạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống Khi cấp điện mạch tựđộng Reset

Hình 2.4: Mạch Reset hệ thống

Trạng thái của tất cả các thanh ghi của 8051 sau khi reset hệ thống được tóm tắt trong bảng sau:

Hình 2.5: Trạng thái các thanh ghi sau khi Reset

Quan trọng nhất trong các thanh ghi trên là thanh ghi đếm chươngtrình, nó được đặt lại 0000H Khi RST trở lại mức thấp, việc thi hành chươngtrình luôn bắt đầu ở địa chỉ đầu tiên trong bộ nhớ trong chương trình: địa chỉ0000H Nội dung của RAM trên chip không bị thay đổi bởi lệnh reset

- Các ngõ vào bộ dao động X1,X2:

Bộ dao động được được tích hợp bên trong 8951, khi sử dụng 8951người thiết kế chỉ cần kết nối thêm thạch anh và các tụ Tần số thạch anhthường sử dụng cho 8951 là 12Mhz Chân 40 (Vcc) được nối lên nguồn 5V

C1

30pFC2

30pF

Hình 2.6.Mạch tạo dao động

b Cấu trúc bên trong của vi điều khiển AT89C51

 Tổ chức bộ nhớ:

Bộ nhớ trong 8951 bao gồm EPROM và RAM RAM trong 8951 bao

gồm nhiều thành phần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hóa từng

bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt Họ 8951 có bộnhớ theo cấu trúc Harvard: có những vùng bộ nhớ riêng biệt cho chương trình

và dữ liệu Chương trình và dữ liệu có thể chứa bên trong 8951 nhưng 8951vẫn có thể kết nối với 64K byte bộ nhớ chương trình và 64K byte dữ liệu

- Vùng RAM đa dụng:

Từ hình vẽ cho thấy 80 byte đa dụng chiếm các địa chỉ từ 30H đến7FH, 32 byte dưới từ 00H đến 1FH cũng có thể dùng với mục đích tương tự(mặc dù các địa chỉ này đã có mục đích khác)

Mọi địa chỉ trong vùng RAM đa dụng đều có thể truy xuất tự do dùngkiểu địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp

- RAM có thể truy xuất từng bit:

AT89C51 chứa 210 bit được địa chỉ hóa, trong đó có 128 bit có chứacác byte chứa các địa chỉ từ 20H đến 2FH và các bit còn lại chứa trong nhómthanh ghi có chức năng đặc biệt Ý tưởng truy xuất từng bit bằng phần mềm làcác đặc tính mạnh của microcontroller xử lý chung Các bit có thể được đặt,xóa, AND, OR, … , với 1 lệnh đơn Đa số các microcontroller xử lý đòi hỏimột chuỗi lệnh đọc - sửa - ghi để đạt được mục đích tương tự Ngoài ra cácport cũng có thể truy xuất được từng bit

128 bit có chứa các byte có địa chỉ từ 00H -1FH cũng có thể truy xuấtnhư các byte hoặc các bit phụ thuộc vào lệnh được dùng

- Các bank thanh ghi :

32 byte thấp của bộ nhớ nội được dành cho các bank thanh ghi Bộ lệnh

8951 hổ trợ 8 thanh ghi có tên là R0 - R7 và theo mặc định sau khi reset hệthống, các thanh ghi này có các địa chỉ từ 00H - 07H

Các lệnh dùng các thanh ghi RO - R7 sẽ ngắn hơn và nhanh hơn so vớicác lệnh có chức năng tương ứng dùng kiểu địa chỉ trực tiếp Các dữ liệu

được dùng thường xuyên nên dùng một trong các thanh ghi này Do có 4 bankthanh ghi nên tại một thời điểm chỉ có một bank thanh ghi được truy xuất bởicác thanh ghi RO - R7 để chuyển đổi việc truy xuất các bank thanh ghi ta phảithay đổi các bit chọn bank trong thanh ghi trạng thái.

 Các thanh ghi có chức năng đặc biệt:

Các thanh ghi nội của AT89C51 được truy xuất ngầm định bởi bộlệnh.Các thanh ghi trong AT89C51 được định dạng như một phần của RAMtrên chip vì vậy mỗi thanh ghi sẽ có một địa chỉ (ngoại trừ thanh ghi bộ đếmchương trình và thanh ghi lệnh vì các thanh ghi này hiếm khi bị tác động trựctiếp) Cũng như R0 đến R7, AT89C51 có 21 thanh ghi có chức năng đặc biệt(SFR: Special Function Register) ở vùng trên của RAM nội từ địa chỉ 80H -FFH

- Các thanh ghi Port nối tiếp (Serial Port Register):

AT89C51 chứa một Port nối tiếp cho việc trao đổi thông tin với cácthiết bị nối tiếp như máy tính, modem hoặc giao tiếp nối tiếp với các IC khác.Một thanh ghi đệm dữ liệu nối tiếp (SBUF) ở địa chỉ 99H sẽ giữ cả hai dữliệu truyền và dữ liệu nhập Khi truyền dữ liệu ghi lên SBUF, khi nhận dữ liệuthì đọc SBUF Các mode vận khác nhau được lập trình qua thanh ghi điềukhiển Port nối tiếp (SCON) được địa chỉ hóa từng bit ở địa chỉ 98H

- Các thanh ghi ngắt (Interrupt Register):

AT89C51 có cấu trúc 5 nguồn ngắt, 2 mức ưu tiên Các ngắt bị cấmsau khi bị reset hệ thống và sẽ được cho phép bằng việc ghi thanh ghi chophép ngắt (IE) ở địa chỉ A8H Cả hai được địa chỉ hóa từng bit

 Bộ nhớ ngoài (External Memory):

AT89C51 có khả năng mở rộng bộ nhớ lên đến 64K byte bộ nhớchương trình và 64K byte bộ nhớ dữ liệu ngoài Do đó có thể dùng thêmRAM và EPROM nếu cần

Khi dùng bộ nhớ ngoài, Port 0 không còn chức năng I/O nữa Nó đượckết hợp giữa bus địa chỉ (A0 - A7) và bus dữ liệu (D0 - D7) với tín hiệu ALE

để chốt byte của bus địa chỉ chỉ khi bắt đầu mỗi chu kỳ bộ nhớ Port2 đượccho là byte cao của bus địa chỉ

c Các tập lệnh của AT89C51

Tập lệnh của 8951 được chia thành 5 nhóm:

- Số học

- Logic

- Chuyển dữ liệu

- Chuyển điều khiển

Chi tiết tệp lệnh của họ 8051 có thể tham khảo trong “Họ vi điềukhiển” của tác giả Tống Văn On và Hoàng Đức Hải

2.2 Bộ chuyển đổi tương tự - số ADC0804

a Tổng quan về bộ chuyển đổi tương tự - số

Trong tự nhiên các dạng tín hiệu thường ở dạng tương tự, ADC sẽchuyển các tín hiệu tương tự này thành các tín hiệu số phù hợp với hệ thốngsố Bộ chuyển đổi tương tự - số lấy mức tín hiệu tương tự (thường là điện áp)đầu vào tương tự sau một thời gian sẽ sinh ra mã đầu ra dạng số biểu diễn đầuvào

Hình 2.7 Sơ đồ khối chuyển đổi ADC 0804

 Hoạt động của ADC thuộc lớp này như sau:

Xung START khởi động sự hoạt động của hệ thống

 Xung CLOCK tạo nhịp cho bộ điều khiển liên tục chỉnh sửa sốnhị phân lưu trong thanh ghi

Số nhị phân trong thanh ghi được bộ DAC chuyển thành giá trị điện áptương tự VAX

 Bộ so sánh so sánh VAX điện áp đầu vào VA.Khi VAX<VA thì tínhiệu ECO ở mức cao, cho đến khi VAX>VA một lượng VT thì ECO chuyểnxuống mức thấp báo kết thúc quá trình chuyển đổi VT được gọi là điện ápngưỡng Giá trị nhị phân trong thanh ghi lúc này chính là giá trị số tươngứng của VA

b Giới thiệu IC ADC0804

Đây là bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số của hãngInternational Semiconductor sản xuất có độ phân giải 8 bít ADC0804 hoạtđộng với mức điện áp +5V Dạng đóng gói của 0804 gồm 20 chân Ngoài độphân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khiđánh 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 hồđược cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưng không thể nhanh hơn 110μs s

Hình 2.8: Sơ đồ chân của ADC 0804

 Chức năng các chân của ADC0804: