Đồ án Nghiên cứu thiết bị cảm biến nhiệt, thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt công suất nhỏ

iễn dưới dạng: I = 1.T (μA) = 273 + 1.t (μA) (1-21) Trong đó : T là nhiệt độ tính theo Kenvin còn t tính theo Cenxi. Như vậy độ nhạy của cảm biến là 1μA/10K. Chương2: Tổng quan về các đối tượng điều khiển. 2.1.hệ vi điều khiển 8051. 2.1.1 Giới thiệu chung. Vi xử lí ( Microprocessor), bộ phận xử lí trung tâm để xử lí lệnh, đã ra đời lần đâu tiên (1971) với 4 bit dữ liệu, đã lần lượt được cải tiến thành 8 bit (8088 năm 1974), 16 bit (8086, 80286 năm 1978), 32 bit (80386, 80486, năm 1983) và 64 bit (80586, năm 1991). Trên cơ sở các vi xử lí trên , thêm các khối chương trình chỉ đọc (PROM), khối nhớ đọc /ghi RAM, các cổng vào ra song song và nối tiếp, người ta đã chế tạo được các máy vi tính cá nhân PC (personal Computer) như PC/XT (1985 với 8080, 8085), PC/AT (1987 với 80286), PC/AT cải tiến (1989 với 80386, 80486) và Pentium (1991 với 80586). Riêng Pentium, có Pentium I (tốc độ xung nhịp 66MHz), Pentium II (tốc độ 133MHz), Pentium III (tốc độ 233MHz), Pentium MTX đa phương tiện, Pentium Pro hay IV (tốc độ 1,4GHz,1995) và hiện nay là Pentium V (tốc độ tới 2,4GHz). Các thế hệ máy vi tính cá nhân này đã tạo ra sự bùng nổ thông tin và cách mạng về kĩ thuật vì máy tính đã xâm nhập vào hầu hết các lĩnh vực khoa học-kĩ thuật, truyền thông với mạng toàn cầu – Internet và đời sống xã hội, tới từng gia đình của cả nhân loại trên toàn thế giới. Vi điều khiển có khả năng như một máy vi tính, có những ưu điểm đặc biệt về kích thước rất nhỏ, nên đã xâm nhập sau hơn nữa vào các thiết bị đo lường, điều khiển tự động hoá và đặc biệt là vào các thiết bị của đời sống hàng ngày như đồng hồ thời gian, đồng hồ báo giờ, đầu máy ghi và phát âm hay phát hình (video, VCD,DVD v.v). Đỉnh cao của việc dùng VĐK là dùng trong người máy (ROBOT) và các thiết bị PLC để điều khiển logic chương trình hoá dây truyền sản xuất tự động. Vi điều khiển có hai dòng họ lớn là vi điều khiển 68HCxx của hãng Motorola(thông dụng ở Tây Âu) và MCS-51 của hãng Intel(thông dụng trên toàn thế giới). Ngoài các bộ phận giống nhau về cấu trúc, các vi điều khiển trên đều có: Các nhóm lệnh: như rẽ nhánh chương trình ( điều khiển chương trình thay đổi theo lệnh), dịch chuyển dữ liệu( giữa các thanh ghi trong RAM), xử lí số học( cộng, trừ, nhân, chia), xử lí logic (Và,Hoặc, loại trừ v.v) và xử lí theo bit (xác lập, xoá đảo v.v) Các hành động cơ bản: như trao đổi tin song song, trao đổi tin nối tiếp, định thời gian, đếm xung ngoài, điều khiển ngắt chương trình (do xung ngoài, do đếm tràn về 0, do trao đổi tin nối tiếp). Hiện nay, có nhiều hãng điện tử tham gia chế tạo các VĐK khác nhau nhưng theo cấu trúc và tính năng tương tự trên. Có thể có các loại sau: VĐK dùng trong công nghiệp: cấu tạo đơn giản, ít cổng vào/ra song song, có 18 chân như : 2051 của hãng Intel, PIC của Microchip. VĐK thông dụng: như 8051, 8052 thuộc họ MCS-51 của Intel, AT89C51, AT89C52, AT90C52, AT89C535 của hãng ATMEL. VĐK tiên tiến: có các tính năng mở rộng như có nhiều mức ngắt, có nhiều bộ định thời và cả Watch dog (chó canh cửa), đếm kiểu ma trận, ghép nối với thiết bị nối tiếp SPI v.v VĐK có ADC, DAC bên trong vi mạch : như ADU812 (ADC, DAC có 12 bit), ADU 816 (ADC, DAC có 16 bit), ADU 824 (DAC, ADC có 24 bit) của hãng analog hay các hãng khác. VĐK dùng trong truyền thông mạng : như 87C51GB và xử lí số DSP51000. 2.1.2 Cấu tạo của chip 8051. Vi mạch tổng quát của họ MSC-51 là chip 8051 (thuật ngữ 8051 được dùng để chỉ rộng rãi các chip họ MSC-51) nó có các đặc trưng sau: 4K ROM 128 byte RAM 4 port xuất nhập (I/O port) 8 bit 2 bộ định thời 16 bit Mạch giao tiếp nối tiếp Không gian nhớ chương trình ngoài 64K Không gian nhớ dữ liệu ngoài 64K Bộ xử lý bit (thao tác trên các bit riêng rẽ) 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí một bit COUNTER INPUTS OSC INTERRUPT CONTROL 4 I/O PORTS BUS CONTROL SERIAL PORT EXTERNAL INTERRUPTS CPU ON - CHIP RAM ETC TIMER 0 TIMER 1 ADDRESS/DATA TXD RXD P0 P1 P2 P3 Nhân/chia trong 4s Hình 5: Bố trí bên trong của sơ đồ khối 8051 * Tổ chức các chân: Chip 8051 có 40 chân. Hình I.1 cho ta sơ đồ các chân của chip 8051. Chức năng của chúng như sau: + Port 0: (các chân từ 32 đến 39 trên 8051) có 2 công dụng: - Trong các thiết kế tối thiểu thành phần port 0 được sử dụng làm port xuất/nhập. - Trong các thiết kế lớn hơn port 0 trở thành bus địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp. + Port 1: (các chân từ 1 đến 8) chỉ có 1 công dụng: là xuất/nhập. Các chân của port 1 dùng để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài khi có yêu cầu. Hình 6: Sơ đồ các chân của 8051 + Port 2: (các chân từ 21 đến 29) có 2 công dụng: - Làm nhiệm vụ xuất/nhập - Làm byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16 bit cho các thiết kế bộ nhớ chương trình ngoài hoặc các thiết kế có nhiều hơn 256 byte bộ nhớ dữ liệu ngoài. + Port 3: (từ các chân 10 đến 17) có 2 công dụng: - Hoạt động xuất nhập - Các chức năng riêng Bit Tên Địa chỉ bit 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 P3.1 /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 bộ ghi dữ liệu ngoài P3.7 /RD B7H Điều khiển bộ đọc dữ liệu ngoài P1.0 T2 90H Ngõ vào của bộ định thời/đếm 2 P1.1 T2EX 91H Nạp lại/thu nhận của bộ định thời 2 Bảng 2: Chức năng của các chân của port 3 và port 1 + Chân cho phép chương trình 8051 cung cấp cho ta 4 tín hiệu điều khiển bus. Tín hiệu cho phép bộ nhớ chương trình PSEN (program store enable) là tín hiệu xuất trên chân 29. Đây là tín hiệu điều khiển cho phép cho ta truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài. Chân này thường nối với chân cho phép xuất (output enable) của EPROM hoặc ROM để cho phép đọc các byte lệnh. Tín hiệu ở mức logic 0 trong suốt thời gian tìm nạp lệnh. Các mã nhị phân của chương trình hay opcode (mã thao tác) được đọc từ EPROM, qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh IR của 8051 để được giải mã. Khi thực hiện một chương trình chứa ở ROM nội, được duy trì ở logic không tích cực (logic 1). + Chân cho phép chốt địa chỉ ALE 8051 sử dụng chân 30, chân xuất tín hiệu cho phép chốt địa chỉ ALE (address latch enable) để giải đa hợp bus dữ liệu và bus địa chỉ. Khi port 0 được sử dụng làm bus địa chỉ /dữ liệu đa hợp, chân ALE xuất tín hiệu để chốt địa chỉ (byte thấp của địa chỉ 16 bit) vào một thanh ghi ngoài trong suốt một nửa đầu của chu kỳ nhớ. Sau khi điều này đã được thực hiện các chân của port 0 sẽ xuất/nhập dữ liệu hợp lệ trong suốt một nửa thứ hai của chu kỳ bộ nhớ. Tín hiệu ALE có tần số bằng 1/6 tần số của mạch dao động bên trong chip vi điều khiển và có thể dùng làm xung clock cho phần còn lại của hệ thống. + Chân truy xuất ngoài Ngõ vào này (chân 31) có thể được nối với nguồn 5V (logic 1) hoặc với GND (logic 0). Nếu chân này nối lên 5V, 8051/8052 thực thi chương trình trong ROM nội. Nếu chân này nối với GND (và chân cũng ở logic 0), chương trình cần thực thi chứa bộ nhớ ngoài. + Chân RESET Ngõ vào RES (chân 9) là ngõ vào xoá chính của 8051 dùng để thiết lập trạng tháI ban đầu cho hệ thống hay gọi tắt là reset hệ thống. Khi ngõ vào này được treo ở mức logic 1 tối thiểu hai chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong của 8051 được nạp các giá trị thích hợp cho việc khởi động lại hệ thống. + Các chân XTAL1 và XTAL2 Mạch dao động bên trong chip 8051 được ghép với thạch anh bên ngoài ở hai chân XTAL1 và XTAL2 (chân 18 và chân 19). + Các chân nguồn 8051 vận hành với nguồn đơn +5V. Vcc được nối với chân 40 và Vss (GND) được nối với chân 20 *Tổ chức bộ nhớ: Hầu hết các bộ VXL đều có không gian nhớ chung cho dữ liệu và chương trình. Điều này cũng hợp lý vì các chương trình được lưu trên đĩa và được nạp vào RAM để thực thi; vậy thì cả hai, dữ liệu và chương trình, đều lưu trú trong RAM. Các chíp VĐK hiếm khi được sử dụng giống như các CPU trong các hệ máy vi tính, thay vào đó chúng được dùng làm thành phần trung tâm trong các thiết kế hướng điều khiển, trong đó bộ nhớ dung lượng giới hạn, không có ổ đĩa và hệ điều hành. Chương trình điều khiển phải thường chú trong ROM. 8051 có không gian nhớ riêng được chia làm hai loại: - Chương trình (vùng nhớ chương trình _code) - Dữ liệu (vùng nhớ dữ liệu_data) +Tổ chức bộ nhớ chương trình Bộ nhớ chương trình bao gồm 64K có cả ROM trong và RAM ngoài. 8051 có 4K ROM trong co địa chỉ từ 0000H-1000H. 4K ROM trong có chung địa chỉ với 4K ROM ngoài. Việc truy xuất ROM trong hay ngoài phụ thuộc PSEN phải nối với ROM ngoài. Bộ nhớ ROM bắt đầu từ 0000H-FFFFH trong đó chia ra làm 5 vùng nhớ bắt đầu từ 0003H. Mỗi vùng nhớ 8 byte giành cho ngắt, vùng địa chỉ thấp nhất được sử dụng như ROM thông thường. Địa chỉ 1 ô nhớ trong ROM được xác định bằng hai byte (16 bit) trong đó P0 chứa 8 bit địa chỉ thấp, P2 chứa 8 bit địa chỉ cao. +Tổ chức bộ nhớ dữ liệu (RAM trong) Được chia làm bốn phần: Phần 1: Là vùng RAM đo mục đích có địa chỉ từ 30-7F Phần 2: Là vùng RAM định địa chỉ theo bit có địa chỉ từ 20-2F Phần 3: Gồm có 32 byte dùng cho các dải thanh ghi bao gồm 4 dải thanh ghi mỗi thanh có 8 byte (R0-R7) Phần 4: Dùng cho thanh ghi có chức năng đặc biệt *.Vùng RAM đo mục đích: Có thể truy cập đến vùng nhớ này bằng cách trực tiếp hoặc gián tiếp. *.Vùng RAM định địa chỉ theo bit: Tức là nó phân ra 128 bit từ 20-2F có thể truy suất như các byte hay như các bít tuỳ theo lệnh cụ thể, và phần còn lại nằm ở thanh ghi chức năng đặc biệt. *.32 byte : Tại một thời điểm nào đó chỉ có một dải thanh ghi tích cực, người ta chọn dải thanh ghi tích cực bằng cách tác động vào thanh ghi điều chỉnh PFW(từ trạng tháI chương trình). *.Vùng thanh ghi chức năng đặc biệt: Các thanh ghi chức năng đặc biệt dùng điều khiển toàn bộ quá trình của khối trong 8051. Người ta có thể set hoặc reset các chức năng của từng bộ phận kích hoạt hoặc không kích hoạt một số các hoạt động cài đặt các thông số cho hệ thống. *Các thanh ghi chức năng đặc biệt +Thanh ghi PSW Bit Kí hiệu Địa chỉ Mô tả bit PSW7 CY D7H Cờ nhớ PSW6 AC D6H Cờ nhớ phụ PSW5 F0 D5H Cờ 0 PSW4 RS1 D4H Chọn dãy thanh ghi(bit 1) PSW3 RS0 D3H Chọn dãy thanh ghi(bit 0) 00=bank 0: Địa chỉ từ 00H-07H 01=bank 0: Địa chỉ từ 08H-0FH 10=bank 0: Địa chỉ từ 10H-17H 11=bank 0: Địa chỉ từ 18H-1FH PSW2 OV D2H Cờ tràn PSW1 - D1H Dự trữ PSW0 P D0H Cờ kiểm tra chẵn lẻ - Cờ nhớ Cờ nhớ (CY) có công dụng kép. Thông thường nó được dùng cho các lệnh toán học : nó sẽ được set nếu có nhớ sinh ra bởi phép cộng hoặc có một số mượn phép trừ. Ví dụ, nếu thanh ghi tích luỹ chứa FFH, thì sau lệnh sau: ADD A,#1 Sẽ trả về thanh ghi tích luỹ kết quả 00H và set cờ nhớ trong PSW. Cờ nhớ cũng có thể xem như một thanh ghi 1 bit cho các lệnh luận lí thi hành trên bit. Ví dụ, lệnh sẽ AND bit 25H với cờ nhớ và đặt kết quả trở vào cờ nhớ: ANL C,25H - Cờ nhớ phụ Khi cộng các giá trị BCD, cờ nhớ phụ (AC) được set nếu kết quả của 4 bit thấp trong khoảng 0AH đến 0FH. Nếu các giá trị cộng được là số BCD, thì sau lệnh cộng cần có DA A (hiệu chỉnh thập phân thanh ghi tích luỹ) để mang kết tủa lớn hơn 9 trở về tâm từ 0ữ9. - Cờ 0 Cờ 0 (F0) là một bit cờ đa dụng dành các ứng dụng của người lập trình. - Các bit chọn dãy thanh ghi Các bit chọn dãy thanh ghi (RS0 và RS1) xác định dãy thanh ghi được tích cực. Chúng được xoá sau khi reset hệ thống và được thay đổi bằng phần mềm nếu cần. Ví dụ, ba lệnh sau cho phép dãy thanh ghi 3 và di chuyển nội dung của thanh ghi R7 (địa chỉ byte 1FH) đến thanh ghi tích luỹ: SETB RS1 SETB RS0 MOV A,R7 Khi chương trình được hợp định các điạ chỉ bit đúng được thay thế cho các kí hiệu “RS1” và “RS0”. Vậy lệnh SETB RS1 sẽ giống như lệnh SETB 0D4H. -Cờ tràn Được set bằng 1 nếu sau phép cộng hoặc phép trừ có xuất hiện 1 tràn số học.kiểm tra bit này xem kết quả có nằm trong tầm hay không . Kết quả lớn hơn +128 hoặc nhỏ hơn -127 cờ tràn được bỏ qua . -Cờ chẵn lẻ P được set hay xóa ở mỗi chu kì máy để thiết lập kiểm tra chẵn cho thanh ghi A. +Thanh ghi B Dùng chung với thanh ghi A trong các phép toán nhân chia . MUL AB//nhân 2 số 8 bit không dấu trong A và B chứa kết quả tính toán vào cặp thanh ghi A:B .B chứa bit cao và A chứa bit thấp.Phép chia thì A chuắ kết quả còn B chứa phần dư +Con trỏ strack Là 1 thanh ghi 8 bit. Các lệnh liên quan là cất dữ liệu vào stack và lấy dữ liệu từ stack ra .(PUSH và POP) +Con trỏ dữ liệu DPTR Con trỏ dữ liệu (DPTR) đựơc dùng để truy xuất bộ nhớ ngoài là một thanh ghi 16 bit ở địa chỉ 82H (DPL: byte thấp) và 83H (DPH: byte cao). +Các thanh ghi port Port Địa chỉ 0 80H 1 90H 2 A0H 3 B0H +Các thanh ghi định thời 8051 có 2 bộ đếm /định thời 16 bit để định các khoảng thời gian hay để đếm các sự kiện . Bộ định thời Địa chỉ byte cao Địa chỉ byte thấp 0 8CH ở TH0 8AH ở TL0 1 8DH ở TH1 8DH ở TL1 Hoạt động của bộ định thời được thiết lập bởi thanh ghi chế độ định thời TMOD và thanh ghi điều khiển định thời TCON .TCON được định địa chỉ từng Bit . +Các thanh ghi của port nối tiếp 8051 có 1 port nối tiếp dùng để truyền thông với các thiết bị đầu cuối hay modem hoặc để giao tiếp với các IC khác có mạch giao tiếp nối tiếp .Có chứa thanh ghi SBUF lưu dữ liệu nhận về và truyền đi +Các thanh ghi ngắt 8051 có cấu trúc ngắt với 2 mức ưu tiên và 5 nguyên nhân ngắt sau khi reset hệ thống .thanh ghi cho phép ngắt IE.Mức ưu tiên ngắt ở thanh ghi IP .Cả 2 thanh ghi đều được định địa chỉ từng bit . +Thanh ghi điều khiển nguồn Chế độ nghỉ Chế độ nguồn giảm *Bộ nhớ ngoài 8051 cho phép mở rộng bộ nhớ chương trình ngoài 64 K và bộ nhớ dữ liệu ngoài là 64K .ROM và RAM ngoài được thêm vào khi cần . Khi dùng bộ nhớ ngoài, port 0 không còn là một port I/O thuần tuý nữa. Nó được hợp kênh giữa bus địa chỉ (A0-A7) và bus dữ liệu (D0-D7) với tín hiệu ALE để chốt byte thấp của địa chỉ khi bắt đầu mỗi chu kỳ bộ nhớ. Port 2 thông thường được dùng cho byte cao của bus địa chỉ. Trong nửa đầu của mỗi chu kỳ bộ nhớ, byte thấp của địa chỉ được cấo trong port 0 và được chốt bằng xung ALE. Một IC chốt 74HC373 (hoặc tương đương) sẽ giữ byte địa chỉ thấp trong phần còn lại của chu kỳ bộ nhớ. Trong nửa sau của chu kỳ bộ nhớ port 0 được dùng như bus dữ liệu và được đọc hoặc ghi tuỳ theo lệnh. *Hoạt động Reset Reset 8051 bằng cách giữ chân RST ở mức cao tối thiểu 2 chu kì máy và sau đó chuyển nó về mức thấp. RST có thể được kích khi cấp điện dùng một mạch R-C. Hình 7: 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: Thanh ghi Nội dung Đếm chương trình Tích luỹ B PSW SP DPTR Port 0-3 IP IE Các thanh ghi định thời SCON SBUF PCON(HMOS) PCON(CMOS) 0000H 00H 00H 00H 07H 0000H FFH XXX00000B 0XX00000B 00H 00H 00H 0XXXXXXB 0XXX0000B Bảng 3: Trạng thái các thanh ghi sau khi reset. 2.2.Đo nhiệt độ. 2.2.1 Hệ thống đo lường. Để thực hiện phép đo của một đâi lượng nào đó thì tuỳ thuộc vào đặc tính cảu đại lượng cần đo, điều kiện đo, cũng như độ chính xác theo yêu cầu của một phép đo mà ta có thể thực hiện đo bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của các hệ thống đo lường khác nhau. Sơ đồ khối của một hệ thống đo lường tổng quát: Chuyển đổi Mạch đo Chỉ thị Khối chuyển đổi: làm nhiêm vụ nhận trực tiếp các đại lượng vật lí đặc trưng cho đối tượng cần đo biến đổi các đại lượng thành các đại lượng vật lí thống nhất ( dòng điện hay điện áp) để thuận lợi cho việc tính toán. Mạch đo: có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu nhận được từ bộ chuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả đo của bộ chỉ thị Khối chỉ thị: làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để thể hiện kết quả đo. *Hệ thống đo lường số. Hệ thống đo lường số được áp dụng tương đối rộng trong các hệ thống đo lường vì có các ưu điểm: Các tín hiệu tương tự qua biến đổi thành các tín hiệu số có các xung rõ ràng ở trạng thái 0;1 sẽ giới hạn được nhiều mức tín hiệu gây sai số. Mặt khác hệ thống này tương thích với dữ liệu của máy tính, qua giao tiếp với máy tính ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật. Đại lượng đo Đại lượng đo Điều khiển chọn kênh Hiển thị Sử dụng kết quả Cảm biến Chế biến tín hiệu đo Dồn kênh tương tự ADC Chế biến tín hiệu đo Cảm biến Vi xử lí Chương trình Hình 8: Sơ đồ khối của hệ thống đo lường số *Nguyên lí hoạt động: Đối tượng cần đo là đại lượng vất lí, dựa vào các đặc tính của đối tượng cần đo mà ta chọn một loại cảm biến phù hợp để biến đổi thông số đại lượng vật lí cần đo thành đại lượng điện, đưa vào mạch chế biến tín hiệu ( gồm: bộ cảm biến, hệ thống khuếch đại, xử lí tín hiệu). Bộ chuyển đổi tín hiệu sang số ADC (Analog Digital Converter) làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và kết nối với vi xử lí. Bộ vi xử lí có nhiệm vụ thực hiện những phép tính và xuất ra những lệnh trên cơ sở trình tự những lệnh chấp hành và thực hiện trước đó. Bộ dồn kênh tương tự ( multiplexers) và bộ chuyển đổi ADC được dùng chung cho tất cả các kênh. Dữ liệu nhập vào vi xử lí sẽ có tín hiệu chọn đúng kênh cần xử lí để đưa vào bộ chuyển đổi ADC và đọc đúng giá trị đặc trưng của nó qua tính toán để có kết quả của đại lượng cần đo. 2.2.2 Các phương pháp đo. Trong nghiên cứu khoa học, trong sản xuất cũng như trong đời sống sinh hoạt hàng ngày, luôn luôn cần xác định nhiệt độ của môi trường hya của một vật nào đó. Vì vậy việc đo nhiệt độ đã trở thành một việc làm vô cùng cần thiết. Đo nhiệt độ là một trong những phương pháp đo lường không điện. Nhiệt độ cần đo có thể rất thấp (một vài độ Kelvin), cũng có thể rất cao (vài ngàn, vài chục ngàn độ Kelvin). Độ chính xác của nhiệt độ có khi cần tới một vài phần ngàn độ, nhưng có khi vài chục độ cũng có thể chấp nhận được. Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ hỗ trợ chuyên biệt như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, điode và transistor, IC cảm biến nhiệt độ, cảm biến thạch anh Tuỳ theo khoảng nhiệt độ cần đo và sai số cho phép mà người ta lựa chọn các loại cảm biến và phương pháp đo cho phù hợp: - Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng cặp nhiệt điện (cặp nhiệt ngẫu) là từ -2700C đến 25000C với độ chính xác có thể đạt tới +/-1% đến 0,1%. - Khoảng nhiệt độ đo bằng phương pháp tiếp xúc và dùng các cảm biến tiếp giáp P-N (điode, transistor, IC) là từ -2000C đến 2000C, sai số đến +/-0,1%. - Các phương pháp đo không tiếp xúc như bức xạ, quang phổ có khoảng nhiệt độ đo từ 10000C đến vài chục ngàn độ C với sai số +/-1% đến 10%. Thang đo nhiệt độ gồm: thang đo Celcius (0C), thang đo Kelvin (0K), thang đo Fahrenheit (0F), thang đo Rankin (0R). T(0C) = T(0K) – 273,15 T(0F) = T(0R) – 459,67 T(0C) = [ T(0F) – 32]*5/9 T(0F) = T(0C)*9/5 + 32 2.2.3 Cảm biến nhiệt điện trở PT100 PT100 là một cảm biến nhiệt điện trở. Nó có thể đo chính xác nhiệt độ trong khoảng -2000C ữ 8500C.Nó cũng có một đầu ra để có thể truyền chuyển,đưa đến bộ xử lí tín hiệu.PT100 là một thiết bị biểu hiện sự biến thiên của điện trở đổi với nhiệt độ.Điện trở suất của kim loại bên trong PT có thể là: bạch kim, đồng, niken. Chúng được lựa chọn cho phù hợp với dải nhiệt độ đo mong muốn. Điện trở của PT100 có thể được tính theo công thức sau: Rt = R0 (1 + αt ) (2-1) Trong đó : Rt - điện trở của PT100 ở nhiệt độ t0C R0 - điện trở của PT100 ở 00C α - hệ số nhiệt ( chọn α = 0,00391) + Điện trở của PT100 ở 00C là 100Ω + Dải nhiệt độ đo được từ -200 ữ 8000C có điện trở thay đổi từ 0 ữ 375Ω và điện áp thay đổi từ 0 ữ 115 mV + ở nhiệt độ 250C sai số của nhiệt độ là 0,010C + Hệ số nhiệt của điện trở 3ppm/0C + Thời gian chuyển đổi điện trở 720ms và điện áp 180ms + Sự bảo vệ quá điện áp ± 100V + PT100 có thể có nhiều loại như loại 2dây, 3 dây, 4 dây.Với số dây càng cao thì độ chính xác càng lớn. Dưới đây là bảng điện trở của PT100: Nhiệt độ (0C) Điện trở (Ω) -200 18,52 -100 60,26 0 100,00 10 103,9 50 119,4 100 138,51 150 157,33 200 175,86 300 212.05 400 247,09 600 313,71 850 390,48 2.3.Bộ chuyển đổi tương tự số. 2.3.1 Khái niệm chung. Ngày nay việc truyền đạt tín hiệu cũng như quá trình điều khiển và chỉ thị phần lớn được thực hiện theo phương pháp số. Trong khi đó tín hiệu tự nhiên có dạng tương tự như : nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng, tốc độ quay, tín hiệu âm thanh Để kết nối giữa nguồn tín hiệu tương tự với các hệ thống xử lí số người ta dùng các mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC) nhằm biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số hoặc trong trường hợp ngược lại cần biến đổi tín hiệu số sang tương tự thì dùng mạch DAC (Digital Analog converter) 2.3.2 Nguyên tắc thực hiện chuyển đổi ADC. Mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số, chuyển một tín hiệu ngõ vào tương tự (dòng điện hay điện áp) thành dạng mã số nhị phân có giá trị tương ứng. Chuyển đổi ADC có rất nhiều phương pháp. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những thông số cơ bản khác nhau: + Độ chính xác của chuyển đổi A-D + Tốc độ chuyển đổi + Dải biến đổi của tín hiệu tương tự ngõ vào + Startcommand VA V’A Control Unit Register D/A converter Comparator clock Digital output Hình 9: Sơ đồ khối tổng quát của mạch ADC. *Hoạt động: - Đầu tiên kích xung start để bộ chuyển đổi ADC hoạt động. - Tại một tần số được xác định bằng xung clock bộ điều khiển làm thay đổi thành số nhị phân được lưu trữ trong thanh ghi (Register). - Số nhị phân trong thanh ghi được chuyển thành dạng điện áp V’a bằng bộ chuyển đổi DA. - Bộ so sánh, so sánh V’a với điện áp ngõ vào Va. Nếu V’a Va ngõ ra của bộ so sánh xuống mức thấp và quá trình thay đổi số của thanh ghi ngưng. Lúc này V’a gần bằng Va , những số trong thanh ghi là những số cần chuyển đổi. 2.3.3 Các phương pháp chuyển đổi A/D a.Phương pháp tích phân (Intergration method) Phương pháp tích phân cũng giống như phương pháp chuyển đổi ADC dùng tín hiệu dốc đôi ( Dual-Slope- ADC). Cấu trúc mạch điện đơn giản hơn nhưng tốc độ chuyển đổi chậm. * Hoạt động : - Khi có xung start mạch đếm đưa về trạng thái reset. Mạch logic điều khiển khoá K ở vị trí 1, điện áp tương tự Vin được nạp vào tụ điện C với thời gian t1 tín hiệu ngõ ra của mạch tích phân giảm dần và cho đến khi nhỏ hơn 0V thì ngõ ra của bộ so sánh lên mức 1, do đó mạch logic điều khiển mở cổng cho xung clock vào mạch đếm. Sau khoảng thời gian t1 mạch đếm tràn mạch logic điều khiển khoá K ở vị trí 0, khi đó điện áp âm Vref được đưa vào ngõ vào của mạch tích phân, tụ điện C xả điện với tốc độ không đổi, sau khoảng thời gian t2 tín hiệu ngõ ra của mạch tích phân tăng dần, do đó ngõ ra của mạch so sánh xuống mức thấp làm cho mạch logic điều khiển đóng cổng và báo kết thúc chuyển đổi. Trong suốt khoảng thơì gian xả điện t2 mạch đếm vẫn tiếp tục đếm kết quả của mạch đếm cũng chính là tín hiệu cần chuyển đổi tương ứng với điện áp tương tự ngõ vào Vin Maùch so saựnh Maùch tớch phaõn R Ngõ ra số ã ã ã ã Start Clock ẹieọn aựp chuaồn Vref Vin C _ + _ + Maùch logic ủieàu khieồn Boọ ủeỏm Hình 10: Sơ đồ nguyên lí cơ bản của chuyển đổi A/D dùng phương pháp tích phân. *Mối quan hệ giữa điện áp ngõ vào Vin và điện áp chuẩn Vref với t1,t2 t2 = t1.Vin/Vref (2-2) Trong đó : - t1 = 2n/fck thời gian mạch đếm từ 0 đến khi tràn. - t2 = N/fck thời gian mạch đếm từ khi tràn đến kết quả cuối. - Biểu thức này không phụ thuộc vào thời hằng RC, cũng như số xung clock ( nếu mạch làm việc ổn định). - Các tín hiệu tương tự Vin qua mạch tích phân nên các tín hiệu nhiễu đều bị loại bỏ. - Nhược điểm của mạch này là thời gian chuyển đổi chậm giữa 2n chu kỳ xung clock trong lần lấy tích phân trong thời gian t1 và N chu kỳ trong lần lấy tích phân trong thời gian t2. Thời gian chuyển đổi lớn nhất khi t2 = t2. Thời gian chuyển đổi : T = t1 + t2 b. Phương pháp chuyển đổi xấp xỉ liên tục (Successive-Approximation ADC) Đây là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, mạch điện có phức tạp nhưng thời gian chuyển đổi ngắn hơn. Phương pháp chuyển đổi ADC xấp xỉ liên tiếp có thời gian chuyển đổi cố định không phụ thuộc vào điện áp ngõ vào. Clock Start EOC VA V’A + _ DAC Thanh ghi điều khiển Logic điều khiển MSB LSB Hình 11: Sơ đồ khối chuyển đổi ADC dùng phương pháp xấp xỉ liên tiếp. *Hoạt động: Khi tác động cạnh xuống của xung start thì ADC bắt đầu chuyển đổi. - Mạch logic điều khiển đặt bit có nghĩa lớn nhất ( Most Signifi cant Bit) của thanh ghi điều khiển lên mức cao và tất cả các bit còn lại ở mức thấp. Số nhị phân ra mạch thanh ghi điều khiển được qua mạch DAC để tạo ra điện áp tham chiếu V’a. - Nếu V’a > Va thì ngõ ra bộ so sánh xuống mức thấp, làm cho mạch logic điều khiển xoá bit MSB xuống mức thấp. - Nếu V’a < Va thì ngõ ra của bộ so sánh vẫn ở mức cao và làm cho mạch logic điều khiển giữ bit MSB ở mức cao. Tiếp theo mạch logic điều khiển đưa bit có nghĩa kế bit MSB lên mức cao và tạo ở ngõ ra khối DAC một điện áp tham chiếu V’a rồi đem so sánh tương tự như bit MSB ở trên. Quá trình này cứ tiếp tục cho đến bit cuối cùng trong thanh ghi điều khiển. Lúc đó V’a gần bằng Va ngõ ra của mạch logic điều khiển báo kết thúc chuyển đổi. Như vậy mạch đổi ra n bit chỉ mất n chu kỳ xong clock nên có thể đạt tốc độ rất cao. Tuy nhiên mạch ADC xấp xỉ liên tiếp lại không thể đáp ứng với tín hiệu tương tự vào biến đổi cực nhanh. c.Phương pháp song song (paralled method) Mạch ADC dùng nguyên tắc chuyển đổi song song hay còn gọi là phương pháp ADC nhanh, có cấu trúc mạch điện phức tạp nhưng tốc độ chuyển đổi rất cao. Trong vài trường hợp người ta cần mạch chuyển đổi ADC có tốc độ rất cao vì những tín hiệu biến đổi nhanh nên khi chuyển sang dạng số người ta cần mạch ADC có tốc độ cao 7 2 ULSB 5 2 ULSB 5 2 ULSB 3 2 ULSB 1 2 ULSB 13 2 ULSB 11 2 ULSB 9 2 ULSB R/2 R/2 X1 X7 X6 X5 X2 X4 X3 Bộ Mã Hoá 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 + + + + + + + Vref G Vin ã ã ã D0 D1 D2 Hình 12: Sơ đồ khối mạch chuyển đổi A/D dùng phương pháp song song. * Hoạt động: Mạch bao gồm: khối so sánh song song và mạch mã hoá. Tín hiệu tương tự được đưa vào mạch so sánh cùng một lúc, các trạng thái ra của mạch so sánh được đưa vào cấc flip flop D để đưa đến bộ mã hoá, đầu ra của mạch mã hoá chính là đầu ra của mạch ADC. Mạch so sánh và mạch mã hoá là loại mạch có tốc độ xử lí rất cao nên tổng thời gian trễ chỉ vài chục ns, nhờ vậy sự chuyển đổi xảy ra rất nhanh. Tuy nhiên với mạch ADC nhanh ở 3 bit thì nó đòi hỏi bảy bộ so sánh khi ở 6 bit thì cần đến 63 bộ so sánh đó là nhược điểm của mạch ADC dùng phương pháp so sánh Bảng sự thật của mạch chuyển đổi. Điện áp vào Ngõ ra bộ so sánh Tín hiệu số ngõ ra VIN/VLSB K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 D1 D2 D3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 2 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 3 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 4 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 5 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 6 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2.4.Khối hiển thị Trong hệ thống vi xử lí, bộ hiển thị đóng vai trò rất quan trọng: dùng để giao tiếp giữa máy tính với người sử dụng, cho phép người sử dụng quan sát, cảm nhận quá trình làm việc của hệ thống 2.4.1 LED 7 thanh. Led 7 thanh là một dạng của điode phát quang.ở đây các điode phát quang được xếp theo hình số 8 và thứ tự các chân đc mô tả theo hình vẽ dưới đây: Có hai loại led 7 thanh. Đó là loại Anot chung và Katot chung.Với loại Anot chung thì khi mắc vào mạch thì ta cần chú ý mắc chân nguồn (chân 3 hay chân 8) vào Vcc.Còn đối với loại Katot chung thì ta mắc hai chân đấy vào GND. Hình 13: Led 7 thanh loại Anot và Katot Với sơ đồ này thì ta muốn hiện thị thanh nào sáng thì ta chỉ cần cấp điện GND cho đầu vào a ữ g (đối với loại Anot chung) và cấp Vcc (đối với loại Katot chung). 2.4.2 Màn hình LCD. Trong những năm gần đây LCD đang ngày càng được sử dụng rộng rãi thay thế dần cho các đèn LED (các đèn LED 7 đoạn hay nhiều đoạn). Đó là vì các nguyên nhân sau: + Các LCD có giá thành hạ. + Khả năng hiển thị các số, các ký tự và đồ hoạ tốt hơn nhiều so với các đèn LED (vì các đèn LED chỉ hiển thị được các số và một số ký tự). + Nhờ kết hợp một bộ điều khiển làm tươi vào LCD làm giải phóng cho CPU công việc làm tươi LCD. Trong khi đèn LED phải được làm tươi bằng CPU (hoặc bằng cách nào đó) để duy trì việc hiển thị dữ liệu. + Dễ dàng lập trình cho các ký tự và đồ hoạ. a. Mô tả các chân của LCD. LCD được nói trong mục này có 14 chân, chức năng của các chân được cho trong bảng 4. Vị trí của các chân được mô tả trên hình 14 cho nhiều LCD khác nhau. + Chân VCC, VSS và VEE: Các chân VCC, VSS và VEE: Cấp dương nguồn - 5v và đất tương ứng thì VEE được dùng để điều khiển độ tương phản của LCD. + Chân chọn thanh ghi RS (Register Select). Có hai thanh ghi rất quan trọng bên trong LCD, chân RS được dùng để chọn các thanh ghi này như sau: Nếu RS = 0 thì thanh ghi mà lệnh được chọn để cho phép người dùng gửi một lệnh chẳng hạn như xoá màn hình, đưa con trỏ về đầu dòng v.v Nếu RS = 1 thì thanh ghi dữ liệu được chọn cho phép người dùng gửi dữ liệu cần hiển thị trên LCD. + Chân đọc/ ghi (R/W). Đầu vào đọc/ ghi cho phép người dùng ghi thông tin lên LCD khi R/W = 0 hoặc đọc thông tin từ nó khi R/W = 1. +Chân cho phép E (Enable). Chân cho phép E được sử dụng bởi LCD để chốt thông tin hiện hữu trên chân dữ liệu của nó. Khi dữ liệu được cấp đến chân dữ liệu thì một xung mức cao xuống thấp phải được áp đến chân này để LCD chốt dữ liệu trên các chân dữ liêu. Xung này phải rộng tối thiểu là 450ns. +Chân D0 - D7. Đây là 8 chân dữ liệu 8 bít, được dùng để gửi thông tin lên LCD hoặc đọc nội dung của các thanh ghi trong LCD. Để hiển thị các chữ cái và các con số, chúng ta gửi các mã ASCII của các chữ cái từ A đến Z, a đến f và các con số từ 0 - 9 đến các chân này khi bật RS = 1. Cũng có các mã lệnh mà có thể được gửi đến LCD để xoá màn hình hoặc đưa con trỏ về đầu dòng hoặc nhấp nháy con trỏ. Chúng ta cũng sử dụng RS = 0 để kiểm tra bít cờ bận để xem LCD có sẵn sàng nhân thông tin. Cờ bận là D7 và có thể đượcđọc khi R/W = 1 và RS = 0 như sau: Nếu R/W = 1, RS = 0 khi D7 = 1 (cờ bận 1) thì LCD bận bởi các công việc bên trong và sẽ không nhận bất kỳ thông tin mới nào. Khi D7 = 0 thì LCD sẵn sàng nhận thông tin mới. Lưu ý chúng ta nên kiểm tra cờ bận trước khi ghi bất kỳ dữ liệu nào lên LCD. Bảng 4: Mô tả các chân của LCD. Chân Ký hiệu I/O Mô tả 1 VSS - Đất 2 VCC - Dương nguồn 5v 3 VEE - Cấp nguồn điều khiển phản 4 RS I RS = 0 chọn thanh ghi lệnh. RS = 1 chọn thanh dữ liệu 5 R/W I R/W = 1 đọc dữ liệu. R/W = 0 ghi 6 E I/O Cho phép 7 DB0 I/O Các bít dữ liệu 8 DB1 I/O Các bít dữ liệu 9 DB2 I/O Các bít dữ liệu 10 DB3 I/O Các bít dữ liệu 11 DB4 I/O Các bít dữ liệu 12 DB5 I/O Các bít dữ liệu 13 DB6 I/O Các bít dữ liệu 14 DB7 I/O Các bít dữ liệu 15 - - Anot 16 - - Katot Hình 14: Sơ đồ chân LCD b.Các mã lệnh LCD. Mã (Hex) Lệnh đến thanh ghi của LCD 1 Xoá màn hình hiển thị 2 Trở về đầu dòng 4 Giả con trỏ (dịch con trỏ sang trái) 6 Tăng con trỏ (dịch con trỏ sang phải) 5 Dịch hiển thị sang phải 7 Dịch hiển thị sang trái 8 Tắt con trỏ, tắt hiển thị A Tắt hiển thị, bật con trỏ C Bật hiển thị, tắt con trỏ E Bật hiển thị, nhấp nháy con trỏ F Tắt con trỏ, nhấp nháy con trỏ 10 Dịch vị trí con trỏ sang trái 14 Dịch vị trí con trỏ sang phải 18 Dịch toàn bộ hiển thị sang trái 1C Dịch toàn bộ hiển thị sang phải 80 ép con trỏ về đầu dòng thứ nhất C0 ép con trỏ về đầu dòng thứ hai 38 Hai dòng và ma trận 5 ´ 8 c.Bảng dữ liệu của LCD. Trong LCD ta có thể đặt dữ liệu vào bất cứ chỗ nào. dưới đây là các vị trí địa chỉ và cách chúng được truy cập. RS E/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 A A A A A A A Khi AAAAAAA = 0000000 đến 0100111 cho dòng lệnh 1 và AAAAAAA = 1100111 cho dòng lệnh 2. Xem bảng 5: Bảng 5: Đánh địa chỉ cho LCD. DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 Dòng 1 (min) 1 0 0 0 0 0 0 0 Dòng 1 (max) 1 0 1 0 0 1 1 1 Dòng 2 (min) 1 1 0 0 0 0 0 0 Dòng 2 (max) 1 1 1 0 0 1 1 1 Dải địa chỉ cao có thể là 0100111 cho LCD. 40 ký tự trong khi đối với LCD 20 ký tự chỉ đến 010011 (19 thập phân = 10011 nhị phân). Để ý rằng dải trên 0100111 (nhị phân) = 39 thập phân ứng với vị trí 0 đến 39 cho LCD kích thước 40 ´ 2. Từ những điều nói ở trên đây ta có thể nhận được các địa chỉ của vị trí con trỏ có các kích thước LCD khác nhau. Xem hình 15 chú ý rằng tất cả mọi địa chỉ đều ở dạng số Hex. Hình 16 cho một biểu đồ của việc phân thời gian của LCD. Bảng 6 là danh sách liệt kê chi tiết các lệnh và chỉ lệnh của LCD. Bảng 5 được mở rộng từ bảng này. 16 ´ 2 LCD 80 C0 81 C0 82 C2 83 C3 84 C4 85 C5 86 C6 Through Through 8F CF 20 ´ 1 LCD 80 81 82 83 Through 93 20 ´ 2 LCD 80 C0 81 C0 82 C2 83 C3 Through 93 Through D3 20 ´ 4 LCD 80 C0 94 D4 81 C0 95 D5 82 C2 96 D6 83 C3 97 D7 Through 93 Through D3 Through A7 Through E7 20 ´ 2 LCD 80 C0 81 C0 82 C2 83 C3 Through A7 Through E7 Note: All data is in hex. Hình 15: Các địa chỉ con trỏ đối với một số LCD. tPwh = Enable pulse width = 450 ns (minimum) tDSW = Data set up time = 195 ns (minimum) tH = Data hold time 10 ns (minimum) tAS = Set up time prior to E (going high) for both RS and R/W = 140 ns (minimum) tAH = Hold time afterr E has come down for both RS and R/W = 10 ns (minimum) Data tDSW tPWH tH tAH E RS tAS Hình 16: Phân khe thời gian của LCD. Bảng 6: Danh sách liệt kê các lệnh và địa chỉ lệnh của LCD. Lệnh RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 Mô tả Thời gian thực hiện Xoá màn hình 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 Xoá toàn bộ màn hình và đặt địa chỉ 0 của DD RAM vào bộ đếm địa chỉ 1.64 ms Trở về đầu dòng 0 0 0 0 0 0 0 0 1 - Đặt địa chỉ 0 của DD RAM như bộ đếm địa chỉ. Trả hiển thị dịch về vị trí gốc DD RAM không thay đổi 1.64 ms Đặt chế độ truy nhập 0 0 0 0 0 0 0 1 1/D S Đặt hướng chuyển dịch con trỏ và xác định dịch hiển thị các thao tác này được thực hiện khi đọc và ghi dữ liệu 40 ms Điều khiển Bật/tắt hiển thị 0 0 0 0 0 0 1 D C B Đặt Bật/ tắt màn hình (D) Bật/ tắt con trỏ (C) và nhấp nháy ký tự ở vị trí con trỏ (B) 40 ms Dịch hiển thị và con trỏ 0 0 0 0 0 1 S/C R/ L - - Dịch con trỏ và dịch hiển thị mà không thay đổi DD RAM 40 ms Đặt chức năng 0 0 0 0 1 DL N F - - Thiết lập độ dài dữ liệu (DL) số dòng hiển thị (L) và phòng ký tự (F) 40 ms Đặt địa chỉ CGRAM 0 0 0 1 AGC Thiết lập địa chỉ C6 RAM dữ liệu CG RAM được gửi đi và nhận sau thiết lập này 40 ms Thiết lập địa chỉ DD RAM 0 0 1 ADD Thiết lập địa chỉ DD RAM dữ liệu DD RAM được gửi và nhận sau thiết lập này 40 ms Cờ bận đọc và địa chỉ 0 1 BF ADD Cờ bận đọc (BF) báo hoạt động bên trong đang được thực hiện và đọc nội dung bộ đếm địa chỉ 40 ms Ghi dữ liệu CG hoặc DD RAM 1 0 Ghi dữ liệu Ghi dữ liệu vào DD RAM hoặc CG RAM 40 ms Đọc dữ liệu CG hoặc DD RAM 1 1 Đọc dữ liệu Đọc dữ liệu từ DD RAM hoặc CG RAM 40 ms *Ghi chú: Thời gian thực là thời gian cực đại khi tần số fCP hoặc fosc là 250KHz Thời gian thực thay đổi khi tần số thay đổi. Khi tần số fEP hay fosc Là 270kHz thì thời gian thực hiện được tính 250/270 ´ 40 = 35ms v.v Các ký hiệu viết tắt trong bảng là: DD RAM RAM dữ liệu hiển thị (Display Data RAM) CG RAM RAM máy phát ký tự (character Generator) ACC Địa chỉa của RAM máy phát ký tự ADD Địa chỉ của RAM dữ liệu hiển thị phù hợp với địa chỉ con trỏ. AC Bộ đếm địa chỉ (Address Counter) được dùng cho các địa chỉ DD RAM và CG RAM. 1/D = 1 Tăng 1/D = 0 Giảm S = 1 Kèm dịch hiển thị S/C = 1 Dịch hiển thị S/C = 0 Dịch con trỏ R/L = 1 Dịch sang phải R/L = 0 Dịch trái DL = 1 8 bít DL = 0 4 bít N = 1 2 dòng N = 1 1 dòng F = 1 Ma trận điểm 5 ´ 10 F = 0 Ma trận điểm 5 ´ 7 BF = 1 Bận BF = 0 Có thể nhận lênh Chương 3: Thiết kế bộ điều chỉnh lò nhiệt công suất nhỏ. 3.1.Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lí của hệ thống điều khiển nhiệt độ. 3.1.1 Sơ đồ khối. Hình 17: Sơ đồ khối mạch đo lường và khống chế nhiệt độ dùng 89C51 * Nhiệm vụ từng khối: + Khối cảm biến : có nhiệm vụ là đo lường nhiệt độ từ môi trường xung quanh. + Khối ADC: Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số. + Khối vi điều khiển: Điều hành mọi hoạt động của hệ thống. + Khối khuếch đại: Khuếch đại tín hiệu từ cảm biến đưa về. + Khối hiển thị: Hiện thị nhiệt độ đo và nhiệt độ đặt. + Khối điều khiển tải: Có nhiệm vụ đóng, mở hoạt động của thiết bị 3.1.2 Sơ đồ nguyên lí: 3.2.Thiết kế và phân tích nhiệm vụ từng khối. 3.2.1 Khối cảm biến. Để đo nhiệt độ chính xác, tất nhiên cần có một đầu dò thích hợp. Đầu dò là một cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ vận chuyển từ nhiệt độ qua tín hiệu điện. Có rất nhiều lại cảm biến như đã giới thiệu ở trên. Nhưng dựa vào lí thuyết và thực tế của mạch cần thiết kế ta dùng phương pháp đo bằng cảm biến nhiệt điện trở. Cảm biến nhiệt điện trở cho phép việc đo nhiệt độ với một cấp chính xác cao, có thể sử dụng để đo nhiệt độ cao. Để thuận tiện cho thiết kế mạch đo ở đây em dùng cảm biến nhiệt PT100 với điện trở ở 00C là 100Ω rất thuận tiện cho việc tính toán và đo đạc. Muốn đo được nhiệt độ của cảm biến nhiệt PT100, ta có thể dùng mạch cầu Wheatston như hình sau: Hình 18: Mạch cầu cân bằng. Trong đó: - Rt : Nhiệt điện trở PT100 - R2 : Điện trở mẫu. - R1, R2 : Điện trở cầu đo. Ta có điện trở của PT100 là Rt được tính theo công thức: Rt = R0(1 + αt) (3-1) Trong đó : - R0 : Là điện trở của PT100 ở 00C (R0 = 100Ω) - α : Hệ số nhiệt do nhà sản xuất quy định (Chọn α = 0,00391). - t : Nhiệt độ đo được. Từ đó ta có công thức: Rt = 100(1 + 0,00391t) = 100 + 0,391t = R0 +∆R (3-2) ( Đặt ∆R = 0,391t) Để thuận tiện cho việc tính toán và đo đạc ta chọn giá trị R1 = R3 ; R2 = Rt Với điều kiện R1 = R3 ; R2 = Rt thì ta có sơ đồ mạch cầu trên cân bằng.Khi đó ta có ICD = 0 => UCD = 0. Khi nhiệt độ thay đổi thì giá trị điện trở của Rt cũng thay đổi theo. Khi đó cầu sẽ mất cân bằng và khi đó giá trị của Rt được tính theo công thức: R0 = R0 +∆R (3-3) Điện áp UCD lúc này được xác định theo biểu thức: UCD = I34(R0 +∆R) – I12(R2) (3-4) Mà ; Do đó ta chọn giá trị của R1 = R3 >> R2 = Rt (chọn R1 = R3 = 1K) Khi đó ; mà R1 = R3 ; R2 = R0 => I34 ≈I12 => UCD = I*∆R Với Vậy khi ở 00C thì ta có R2 = R0 = 100Ω và R1 = R3 = 1K; U = 3,3V => 3.2.2 Khối khuếch đại. Do tín hiệu ngõ ra của cảm biến rất nhỏ (cỡ vài chục mA) do đó ta phải sử dụng mạch op-amp để khuếch đại lên.Sơ đồ được thiết kế như hình : Hình 19: Mạch khuếch đại tín hiệu ngõ vào Để thuận tiện cho việc khuếch đại ở đây ta dùng hai bộ khuếch đại nối tiếp nhau. Tầng khuếch đại thứ nhất là tầng khuếch đại vi sai.ở tầng này do việc chọn các giá trị điện trở như nhau nên ta có hệ số khuyếc đại bằng 1.Nhiệm vụ của tầng này chỉ là làm bước đệm giá trị điện áp để đưa đến tầng sau với UCD = UE Tầng khuếch đại thứ hai là tầng khuếch đại chính. Với việc sử dụng mạch khuếch đại không đảo thì ta có hệ số khuếch đại được tính theo công thức: (3-5) Với điện áp UF = UE = UCD Tuỳ theo dải nhiệt độ đo mà ta có thể tuỳ chọn hệ số khuếch đại của hệ thống là bao nhiêu dựa vào sự lựa chọn giá trị điện trở R11 = 1K và R12 là biến trở với giá trị R12 = 100K. Như ở mạch cầu cần bằng cho cảm biến PT100 ta đã xác định được giá trị dòng điện trong mạch không đổi ( I = 3 mA).Với các giá trị của điện trở PT100 ở các dải nhiệt độ ta có thể lấy nó tại bảng sự biến thiên của điện trở theo nhiệt độ đã được kiểm định ta có thể xác định được giá trị điện áp UCD như sau: ở 00C thì ∆R = 100Ω => UCD = I*∆R = 3*0 = 0 mV ở 10C thì ∆R = 0,391Ω => UCD = 3*0,391 = 1,173 mV ở 100C thì ∆R = 3,91Ω => UCD = 3*3,91 = 11,73 mV . ở 1000C thì ∆R = 39,1Ω => UCD = 3*39,1 = 117,3 mV Vậy để đồng bộ với khối ADC thì ứng với 10C = 1LSB = 3,3/255 = 12,94 mV thì ta phải điều chỉnh biến trở R12 sao cho hệ số khuếch đại K = = 11 lần tương đương ta xác định giá trị R12 cần điều chỉnh là R12 = 10K Chọn IC khuếch đại thuật toán dùng loại LM358 có nguồn đơn cực. Điện áp cấp cho IC là +5V vào chân Vcc và 0V vào chân GND. 3.2.3 Bộ chuyển đổi A/D a.Giới thiệu ADC 0809 Bộ ADC 0809 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi từ tương tự sang số 8 bit, bộ chọn 8 kênh và một bộ logic điều khiển tương thích. Bộ chuyển đổi A/D 8 bit này dùng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ tiếp. Bộ chọn kênh có thể truy xuất bất kỳ kênh nào trong các ngõ vào tương tự một cách độc lập. Thiết bị này loại trừ khả năng cần thiết điều chỉnh điểm 0 bên ngoài và khả năng điều chỉnh tỉ số làm tròn ADC 0809 dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lí. *Sơ đồ chân ADC 0809: ADC0809 28 15 1 14 IN2 IN1 IN0 A B C ALE 2-1 2-2 2-3 2-4 2-8 REF 2-6 START IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 EOC 2-5 OE CLK VCC REF GND 2-7 Hình 20: Sơ đồ chân ADC 0809 * ý nghĩa các chân: - Chân IN0 đến IN7 : 8 ngõ vào tương tự - Chân A, B, C : Giải mã chọn một trong 8 ngõ vào - Chân Z-1 đến Z-8 : Ngõ ra song song 8 bit - Chân ALE : Chân cho phép chốt địa chỉ - Chân Start : Xung bắt đầu chuyển đổi - Chân CLK : Xung clock cho ADC - Chân Ref (+) : Điện áp tham chiếu (+) - Chân Ref (-) : Điện áp tham chiếu (-) - Vcc : Nguồn cung cấp - Chân EOC : Tín hiệu kết thúc chuyển đổi - OE : Tín hiệu cho phép xuất *Các đặc điểm của ADC 0809: - Độ phân giải 8 bit - Tổng sai số chưa chỉnh định ±ẵ LSB; ± 1 LSB - Thời gian chuyển đổi : 100μs ở tần số 640 kHz - Nguồn cấp điện đơn : +5VDC - Điện áp ngõ vào 0 ữ 5V - Tần số xung clock 10kHz ữ 1280 kHz - Nhiệt độ hoạt động – 400C ữ 850C - Công suất thấp : 15mW - Dễ dàng giao tiếp với vi xử lí hoặc dùng riêng - Không cần điều chỉnh zero hoặc đầy thang * Nguyên lí 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 kênh vào tương tự được thực hiện nhờ 3 chân ADDA, ADDB, ADDC như bảng trạng thái sau: A B C Ngõ vào được chọn 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 Sau khi kích xung Start thì bộ chuyển đổi bắt đầu hoạt động ở cạnh xuống của xung start, ngõ ra EOC sẽ xuống mức thấp sau khoảng 8 xung clock (tính từ cạnh xuống của xung start). Lúc này bit có trọng số lớn nhất (MSB) được đặt lên mức 1, tất cả các bit còn lại ở mức 0, đồng thời tạo ra điện thế có giá trị Vref/2, điện thế này được so sánh với điện thế vào Vin. + 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 có giá trị Vref/4 và cũng so sánh với điện áp ngõ vào Vin. Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khi xác định được bit cuối cùng. Khi đó chân EOC lên mức 1 báo cho biết đã kết thúc chuyển đổi. Trong suôt quá trình chuyển đổi chân OE được đặt ở mức 1, muốn đọc dữ liệu ra chân OE xuống mức 0. Trong suốt quá trình chuyển đổi nếu có 1 xung start tác động thì ADC sẽ ngưng chuyển đổi. Mã ra N cho một ngõ vào tuỳ ý là một số nguyên. (3-6) Trong đó : Vin : Điện áp ngõ vào hệ so sánh. Vref(+) : Điện áp tại chân Ref(+) Nếu chọn Vref(-) = 0 thì N =256. Vref(+) = Vcc = 5V thì đầy thang là 256 - Giá trị bước nhỏ nhất : 1 LSB = = 0,0196 V/byte Vậy với 256 bước Vin = 5V *Biểu đồ thời gian của ADC 0809: Hình 21: Biểu đồ thời gian của ADC 0809. * Mạch tạo xung clock cho ADC. Do tần số xung clock của ADC là từ10kHz ữ 1280 kHz không phù hợp để dùng chung xung clock của xi xử lí. Để tận dụng xung clock của vi xử lí ( 12MHz) ta cho xung qua bộ chia 16 (dùng IC 74LS393) khi đó xung clock đưa vào ADC 0809 sẽ là : 12000/16 = 750 Hz. Sơ đồ mạch sẽ như sau: Hình 22: Sơ đồ mạch tạo xung clock. b.Sơ đồ kết nối ADC 0809 với vi xử lí. Hình 23: Sơ đồ mạch kết nối ADC với 8051. 3.2.4 Thiết kế giao tiếp hiển thị qua LCD Trong hệ thống vi xử lí, bộ hiện thị đóng một vai trò rất quan trọng: dùng để giao tiếp với máy tính và người sử dụng, cho phép người sử dụng quan sát, cảm nhận quá trình làm việc của hệ thống. Có rất nhiều cách để hiện thị nhưng trong đồ án này em đã sử dụng màn hình LCD 1602A- 05 vì tất cả những tiện lợi của màn hình LCD để có thể đưa ra hiện thị kết quả đo được một cách rõ ràng và đẹp nhất. Với những gì em đã giới thiệu về LCD ở mục trên thì sơ đồ LCD kết nối với VXL được trình bày trong hình sau: Hình 24: Sơ đồ mạch giao tiếp với LCD. - Biến trở 10K được mắc vào để điều chỉnh độ nét, sáng tối của màn hình. - Các chân dữ liệu được nối với cổng P2 của VXL 3.2.5 Thiết kế mạch giao tiếp phím ấn. Phím ấn là một thiết bị ngoại vi rất thông dụng trong các hệ thống vi xử lí, dùng để giao tiếp giữa người và máy, người sử dụng có thể điều khiển chương trình thông qua các phím ấn. Có rất nhiều phương pháp làm bàn phím để giao tiếp giữa người và máy.Nhưng ở đây do cấu trúc phần cứng đơn giản chỉ sử dụng ít phím ấn nên ở đây em thực hiện việc ghép nối các phím ấn trực tiếp vào các cổng của VXL. Nguyên tắc hoạt động của các phím ấn hoàn toàn đơn giản. Một đầu của phím ấn được nối với một trong các cổng của VĐK còn chân còn lại ta nối với GND. Khi có một phím ấn được ấn thì cổng vào của chân VĐK được nối với GND và có mức tín hiệu logic 0, còn khi không có phím nào ấn thì các chân của VĐK sẽ được giữ nguyên ở mức logic 1. Việc kiểm tra tín hiệu các chân của VĐK sẽ giúp ta có một hệ thống các phím ấn đơn giản và hoạt động hiệu quả. *Sơ đồ mạch kết nối phím ấn: Hình 25: Sơ đồ mạch giao tiếp phím ấn. 3.2.6 Thiết kế mạch điều khiển tải. Có nhiều cách để điều khiển và khống chế nhiệt độ của thiết bị như dùng relay, điều khiển bằng Thysistor, TriacNhưng trong đề tài này em sử dụng điều khiển tải thông qua relay. Ta nối thiết bị qua tiếp điểm thường đóng của relay, khi nhiệt độ của thiết bị thấp hơn nhiệt độ yêu cầu thì không tác động và relay và relay không hoạt động, do vậy vẫn có dòng qua thiết bị (vì tiếp điểm thường đóng cảu relay vẫn còn đóng). Khi nhiệt độ của thiết bị cao hơn nhiệt độ yêu cầu thì sẽ tác động vào relay và relay hoạt động, tiếp điểm thường đóng của relay hở ra và do vậy sẽ mất dòng qua thiết bị và làm giảm nhiệt độ của thiết bị. Khi nhiệt độ của thiết bị giảm đến mức nhỏ hơn nhiệt độ yêu cầu thì lại không tác động vào relay và relay không hoạt động, lúc này sẽ có dòng qua thiết bị và quá trình điều khiển cứ như vậy được lặp đi lặp lại. Ta sử dụng phương pháp giao tiếp bằng relay vì tải sử dụng trực tiếp nguồn 220V. Relay là loại phương tiện để cách li mạng logic khỏi mạng công suất hoạt động với điện áp xoay chiều. * Sơ đồ mạch điều khiển tải: Hình 26: Sơ đồ mạch điều khiển tải. Do tính chất của mạch thì relay đóng cắt rất nhiều lần. Với dòng điện lớn và đóng cắt nhiều lần sẽ làm giảm tuổi thọ của relay.Vì lí do đó mà em thiết kế mạch này. Với việc thông qua điều khiển 1 relay trung gian có điện áp nhỏ hơn sẽ làm tăng tuổi thọ của relay đảm bảo relay hoạt động tốt. Tín hiệu điều khiển relay được lấy từ VĐK. Do khi mới cấp nguồn vi điều khiển được reset, ngõ ra của các port được đưa lên cao. Vì vậy để khi mới cấp nguồn để tải không hoạt động ta nối ngõ ra của vi điều khiển với chân B của transistor có tác dụng như một cổng đảo trước khi qua mạch công suất. Diode 1N4007 có nhiệm vụ bảo vệ mối nối CE của transistor. 3.3.Thuật toán điều khiển 3.3.1 Lưu đồ thuật toán cho chương trình chính. 3.3.2 Lưu đồ thuật toán cho chương trình chọn kênh đo. 3.3.3 Lưu đồ thuật toán cho chương trình chuyển đổi ADC. 3.3.4 Lưu đồ thuật toán cho chương trình đặt nhiệt độ. 3.3.5 Lưu đồ thuật toán điều khiển tải. Hình 27: Cảm biến PT100 Hình 28: Mô hình đo và khống chế nhiệt độ (chế độ ngắt tải) Hình 29: Mô hình đo và khống chế nhiệt độ (chế độ đóng tải) Hình 30: Mạch khống chế nhiệt độ. Kết luận. Sau gần 3 tháng thực hiện với nhiều cố gắng và nỗ lực của bản thân cùng với sự tận tình hướng dẫn của thầy Vũ Ngọc Minh, tập đồ án này đã hoàn thành đúng thời gian theo yêu cầu đặt ra là: ‘ Nghiên cứu thiết bị cảm biến nhiệt. Thiết kế bộ điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt công suất nhỏ’. Để thực hiện được yêu cầu trên em đã nghiên cứu, tìm hiểu những vấn đề về vi điều khiển, vi xử lí, các cảm biến đo nhiệt độ cũng như các phương pháp đo nhiệt độ, các phương pháp chuyển đổi tương tự sang số và các vấn đề khác có liên quan đế đề tài. Nội dung chính của đề tài này bao gồm những vấn đề sau: * Phần kiến thức. - Khảo sát bộ vi điều khiển 89C51. - Khảo sát các phương pháp chuyển đổi từ tương tự sang số. - Các cảm biến đo nhiệt độ và các phương pháp đo nhiệt độ - Các giao tiếp với màn hình LCD * Phần thiết kế –thi công. - Xây dựng sơ đồ khối mạch đo và khống chế nhiệt độ. - Tính toán thiết kế từng khối. - Xây dựng lưu đồ thuật giải. - Viết chương trình. - Thi công lắp ráp và kiểm tra. Trên đây là những nội dung mà em đã thực hiện được trong tập đồ án này. Theo nhận định chủ quan của em thì tập đồ án này đã trình bày tương đối đầy đủ các nội dung, những kiến thức liên quan, giải quyết được những yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên do thời gian cũng như trình độ chuyên môn có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Mong rằng đề tài này sẽ được các bạn sinh viên khoá sau tiếp tục thực hiện và khắc phục những hạn chế của đề tài này, để tạo ra một sản phẩm có chất lượng cao phục vụ cho sản xuất và đời sống xã hội. Sau cùng một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Ngọc Minh cùng quý thầy cô khoa điện đã tận tình hướng dẫn và dẫn dắt em trong suốt những năm học vừa qua. Xin chân thành cảm ơn gia đình và các bạn sinh viên đã động viên, đóng góp những ý kiến quý báu để đề tài này hoàn thành tốt đẹp. Em xin chân thành cảm ơn. Tài liệu tham khảo. [1].Tống Văn On, Hoàng Đức Hải (2001) – Họ vi điều khiển 8051 – NXB Lao động – Xã hội [2].Ngô Diên Tập (2000) - Đo lường và điều khiển bằng máy tính – NXB Khoa học –Kĩ thuật [3].Nguyễn Hữu Phương (2003) – Giáo trình vi mạch số – Trường ĐH Khoa học Tự nhiên TP HCM [4].Dương Minh Trí (1997) – Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn – NXB Khoa học – Kĩ thuật. [5].Nguyễn Ngọc Tân (1995) – Kĩ thuật đo – Trường ĐH Kĩ thuật TP HCM [6].Nguyễn Đình Phú, Nguyễn Thị Quỳnh Nga (2002) – Tài liệu thực hành vi điều khiển 8951,8952 – Trường ĐH Sư phạm HCM.