Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển

Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
MUC LUC
Chương 1: Mô hình phần cứng ............................................... 2
Chương 2: Thiết kế phần cứng ............................................................... 6
Chương 3:Phần mềm ........................................................................... 43
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 1
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
Chương 1: Mô hình phần cứng
Trong quá trình làm em mới chỉ làm được các module:
1. main board ( mạch chính)
2. Display module ( khối hiển thị)
3. Power supply (nguồn)
4. Analog module ( module vào tương tự)
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 2
Hiển thị
7 thanh
Actor
Modul giao
tiếp với máy
tính
Mudul chuẩn hóa và
chuyển đổi đo
Sensor sensor Sensor
Đối tượng công nghệ
Mạch xử lý
Actor
Máy
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
I. Board mạch chính:
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 3
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn

II. Module nguồn:
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 4
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
III. Modul hiển thị:
IV. Modul cảm biến và chuyển đổi đo:
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 5
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn

Chương 2: Thiết kế phần cứng
1.Linh kiện:
1.1Danh sách linh kiện sử dụng:
Stt Ký hiệu Tên Giá trị Đơn vị Số
lượng
1 AT89C52 Vi điều khiển 1
2 Lm335 IC do nhiệt độ 1
3 Max232 IC huyển đổi mức logic 1
4 DB9 Rắc kết nối cổng com (9 chân) 1
5 74393 IC đếm đùng để chia tần 1
6 74ls373 IC chốt dữ liệu 8bit 4
7 7402 IC nor 1
8 74154 IC giải mã địa chỉ 1
9 ADC0809 IC Chuyển đổi tương tự-số 1
10 XTAL Thạch anh tạo dao động cho
VDK
12 Mhz 1
11 Button Nút nhấn reset 1
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 6
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
12 R10 Điện trở 10 k 10 KΩ More
13 R22 Điện trở 22k 22 KΩ More

14 VR10 Biến trở 10k 10 KΩ More
15 Cap33p Tụ 33pF (tụ gốm) 33 pF 2
16 Cap22u Tụ 22µF 22 µF 4
17 Cap10u Tụ 10 µF 10 µF 1
18 7 segment Led 7 thanh 3
19 Lm324 IC Khuyếch đại thuật toán 1
20 4N35 Cách li quang 2
1.2. kiến trúc và các thông số của vi mạch:
a) AT89C52,AT89S52: (dài quá –trình bày sau)
• 8051 base architure
• 8Kbyte flash Rom
• 256 x 8 Ram
• Truyền tin full duplex
• 3 timer/counter 16 bit
• Maximum speed 40 Mhz at Vcc=5V
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 7
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 8
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
Tổ chức
bộ nhớ của AT89c52/s52
Ta phân chia các toán hạng, các dữ liệu, thông số ở các địa chỉ ô nhớ như sau:
Tên Địa chỉ Viết tắt của Chú thích
Mes 80h Measurement Các số nguyên dương
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 9
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
Set 81h setpoint
K 82h
Ti 83h
Td 84h

T 85h
OFFSET 86H
TP 87H
TRAM 88H
CHUC 89H
DONVI 8AH
LED_TP 1000H
LED_TRAM 4000H
LED_CHUC 3000H
LED_DV 2000H
Mesrel 30h Các số nguyên dương thực
Setrel 32h
Krel 34h
Ti rel 36h
Td rel 38h
Trel 3ah
Uk 3ch Giá trị đk thứ k
Uk1 3eh Giá trị đk thứ k-1
Uk2 40h Giá trị đk thứ k-2
Ek 42h Sai lệch đk thứ k
Ek1 44h Sai lệch đk thứ k-1
Ek2 46h Sai lệch đk thứ k-2
A0 48h Tính (1+Td/T)
A1 4ah Tinh (T/Ti-2Td/T-1)
A2 4ch Dự trù
T 4eh
T1 50h (1+Td/T)+ (T/Ti-2Td/T-1)
T2 52h T1 +(T/Ti-2Td/T-1)
T3 54h Dự trù
D 56h 1+Td/T

2D 58h 2Td/T-1
I 5ah T/Ti
Temp1 5ch Tạm toán hạng 1 trong phép
cộng
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 10
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
Tem2 5eh Tạm toán hạng 2 trong phép
cộng
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 11
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
b) ADC0809:
Nguyên lý hoạt động của ADC0809/0808 là phương pháp thử dần
từng bit. Nguyên lý và hoạt động theo sơ đồ khối và giản đồ thời gian
phía dưới.
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 12
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn

IN1÷IN7: Các đầu vào tương tự
ADD A÷ADD C: Địa chỉ của đầu vào tương tự
AlE: Tín hiệu chốt địa chỉ
START: Tín hiệu cho phép bắt đầu chuyển đổi
EOC: Tín hiệu báo chuyển đổi xong
Output enable: điều khiển xuất tín hiệu ra
Clock: đầu vào xung nhịp cho ADC
Vref+ và Vref-: Điện áp tham khảo (điện áp chuẩn)
Vcc: Điện áp cung cấp cho ADC+5V
2
-1
÷2
-8

: Các đầu ra của ADC
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 13
Chän kªnh t¬ng
tù
C B A
IN0 0 0 0
IN1 0 0 1
IN2 0 1 0
IN3 0 1 1
IN4 1 0 0
IN5 1 0 1
IN6 1 1 0
IN7 1 1 1
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
a. IC74154:
Là vi mạch giải mã địa chỉ vào 4 ra 16 tích cực mức thấp
A,B,C,D : là các đầu vào địa chỉ A=MBS,D=LBS
G1,G2: các đầu cho phép làm việc
GND: chân đất,Vcc : chân 5 V,
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 14
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
d. IC74393:
Mỗi IC gồm 2 IC đếm 4 bit tần số hoạt động f
max
=60MHz tại 25
0
C
CP1,CP2: đầu vào xung clock
MR: Cho phép đếm
Q0÷Q3: các đầu ra của bộ đếm

c) IC74373:
IC 74373 là IC bộ chốt dữ liệu 8 bit
OE: Output enable
Vcc: Nguồn +5V
GND: 0V
E: Enable (latch)
D0÷D7 : dữ liệu vào
Q0÷Q7: dữ liệu ra
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 15
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
d) IC7402:
Mỗi IC 7402 có chứa 4 nor
e) LM324:
1 IC LM324 gồm có 4 IC khuyếch đại thuật toán dùng nguồn
chung
f) 7 SEGMENT:
Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình và có
thêm một led đơn hình tròn nhỏ thể hiện dấu chấm tròn ở góc dưới, bên phải của
led 7 đoạn.led 7 đoạn có loại Anode(cực +) hoặc Cathode(cực -) được nối chung
với nhau vào một điểm, được đưa chân ra ngoài để kết nối với mạch điện. 8 cực
còn lại trên mỗi led đơn được đưa thành 8 chân riêng, cũng được đưa ra ngoài để
kết nối với mạch điện. Nếu led 7 đoạn có Anode(cực +) chung, đầu chung này
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 16
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
được nối với +Vcc, các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của
các led đơn, led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 0. Nếu led 7
đoạn có Cathode(cực -) chung, đầu chung này được nối xuống Ground (hay
Mass), các chân còn lại dùng để điều khiển trạng thái sáng tắt của các led đơn,
led chỉ sáng khi tín hiệu đặt vào các chân này ở mức 1.
Vì led 7 đoạn chứa bên trong nó các led đơn, có thể là led tinh thể lỏng hoặc là

led phát quang. Nếu là led phát quang thì dòng qua led khoảng 3÷10 mA, và
điện áp rơi trên chúng khoảng 1.8÷2 V, nên khi ta nối led 7 thanh với nguồn 5 V
ta phải có thêm 1 điện trở hạn dòng có giá trị khoảng:
3
5 2
300 1000
(3 10)*10
R
−
−
= = Ω÷ Ω
÷
ta có thể chọn điện trở khoảng 300
÷1000 Ω
Sơ đồ vị trí các led được trình bày như hình dưới:
Các điện trở 330Ω là các điện trở bên ngoài được kết nối để giới hạn dòng
điện qua led nếu led 7 đoạn được nối với nguồn 5V. Chân nhận tín hiệu a điều
khiển led a sáng tắt, ngõ vào b để điều khiển led b. Tương tự với các chân và các
led còn lại.
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 17
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
Bình thường nếu dùng led 7 đoạn để hiển thị số thập phân (BCD) ta cần phải có
IC để giải mã BCD sang mã sang mã 7 thanh, nhưng nếu ta dùng vdk thì ta có
thể xuất trực tiếp ra mã thanh để hiển thị
Bảng mã hiển thị led 7 đoạn dành cho led 7 đoạn có Cathode chung
Số hiển thị trên led
7 đoạn
Mã hiển thị led 7 đoạn
dạng nhị phân
Mã hiển thị led 7 đoạn dạng

thập lục phân
0 0 0 1 1 1 1 1 1 3F
1 0 0 0 0 0 1 1 0 06
2 0 1 0 1 1 0 1 1 5B
3 0 1 0 0 1 1 1 1 4F
4 0 1 1 0 0 1 1 0 66
5 0 1 1 0 1 1 0 1 6D
6 0 1 1 1 1 1 0 1 7D
7 0 0 0 0 0 1 1 1 07
8 0 1 1 1 1 1 1 1 7F
9 0 1 1 0 1 1 1 1 6F
g) DB9:
Là loại rắc cắm cho chuẩn RS232,gồm có 9 chân
Dc
DB9 male


DB9 female
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 18
Bi tp di mụn o Lng Nhit GVHD:TS Vừ Huy Hon
Chõn Mụ t
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Da ta carrier detect (DCD)
Received data (RxD)
Transmitted data (TxD)
Data terminal ready (DTR)
Signal ground (GND)
Data set ready (DSR)
Request to send (RTS)
Clear to send (CTS)
Ring indicator (RL)
Tránh tín hiệu mạng dữ liệu
Dữ liệu đợc nhận
Dữ liệu đợc gửi
Đầu dữ liệu sẵn sàng
Đất của tín hiệu
Dữ liệu sẵn sàng
Yêu cầu gửi
Xoá để gửi
Báo chuông
h) MAX232:
Vì RS232 không tơng thích với các bộ vi xử lý và vi điều khiển hiện nay
nên ta cần một bộ điều khiển đờng truyền (bộ chuyển đổi điện áp) để chuyển
đổi các tín hiệu RS232 về các mức điện áp TTL sẽ đợc chấp nhận bởi các chân
TxD và RxD của 8051. Một ví dụ của một bộ chuyển đổi nh vậy là chíp
MAX232 từ hàng Maxim. Bộ MAX232 chuyển đổi từ các mức điện áp RS232
sẽ về mức điện áp TTL và ngợc lại. Một điểm mạnh của chíp MAX232 là nó
dùng điện áp nguồng +5v cùng với điện áp nguồn của 8051
Max232 cú hai b k ng truyn :
V phớa 8051:
T
1in

Txd
T
2in
Rxd
V phớa mỏy tớnh thỡ lp ngc li:
T
1in
Rxd
T
2in
Txd
Txd
com port
8051 port
Rxd
Thit k v ch to h thng o v iu khin Page 19
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
Bé MAX232 ®ßi hái 4 tô ®iÖn gi¸ trÞ tõ 1 ®Õn 22µF. gi¸ trÞ phæ biÕn nhÊt cho
c¸c tô nµy lµ 22µF.
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 20
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
i. 4N35: (chưa hiểu đầy đủ )
2. Cảm biến:
2.1Cảm biến nhiệt độ:
2.1.1 Cặp nhiệt điện:
Phạm vi đo
Dải đo
Độ phân giải
Sai số
Độ chính xác

Độ tin cậy
Độ tuyến tính
Thời gian đáp ứng
Thời gian hồi đáp
Ảnh hưởng của môi trường
Dải chết
Độ trễ
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 21
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn

R
2
= R
3
>>R
4=
R
bo.
2.1.2Nhiệt kế điện trở : pt100
2.1.2.1Các thông số
Thông số
Giá trị Đơn vị
Phạm vi đo
-200÷1200
0
C
Dải đo
1400
0
C

Độ phân giải
Sai số
Độ chính xác
Độ tin cậy
Độ tuyến tính
Thời gian đáp ứng
Thời gian hồi đáp
Ảnh hưởng của môi
trường
Dải chết
Độ trễ
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 22
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
2.1.2.2 Sơ đồ nguyên lý đo:
I I 2I
Ta thấy hiệu điện áp :
( ) ( )
AB
U I Rd Rt I Rm Rd= + − +
Do Rm=R
0
hay Rt=R0 +∆R=Rm+∆R
Nên:
*
AB
U I R U= ∆ = ∆
Vậy ta có : ∆R=∆U/I
Tra theo bảng của nhiệt điện trở ta suy ra được giá trị của nhiệt độ:
2.1.2.3. Tính toán đo nhiệt độ dùng ADC và vi điều khiển :
• Do ADC của ta là ADC 8 bit nó chỉ có khả năng biểu diễn được 256 giá

trị ,mà Dải đo mà ta cần đo là 0÷127.5
0
C như vậy ta thiết kế mạch giá trị
đo mà mạch hiển thị sẽ là 0; 0.5; 1.0;…133
0
C
• Vì trong dải từ 0÷650 có quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở là:
Rt = R0 * (1 + A* t + B*t2)
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 23
>>
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
Trong đó: A = 3.9083 E-3
B = -5.775 E-7
Ta xét độ thay đổi điện trở :
∆Rt = R0 * (A* t + B*t2)
Thay vào biểu thức ta tính được điện trở của Pt100 tại các nhiệt độ cần
đo
Do sai số lượng tử nên có 1 số giá trị mà ADC của ta không phân biệt được: là
các giá trị ở ô tô màu, tại những điểm này thì độ phân giải của thiết bị đo chỉ là
1
0
C chứ không phải là 0.5 như ở các điểm khác .
STT
Nhiệt
độ
Điện trở Điện trở x5
Giá trị lượng tử
hóa
1 0 0 0 0
2 0.5 0.195400563 0.977002813 1

3 1 0.39077225 1.95386125 2
4 1.5 0.586115063 2.930575313 3
5 2 0.781429 3.907145 4
6 2.5 0.976714063 4.883570313 5
7 3 1.17197025 5.85985125 6
8 3.5 1.367197563 6.835987813 7
9 4 1.562396 7.81198 8
10 4.5 1.757565563 8.787827813 9
11 5 1.95270625 9.76353125 10
12 5.5 2.147818063 10.73909031 11
13 6 2.342901 11.714505 12
14 6.5 2.537955063 12.68977531 13
15 7 2.73298025 13.66490125 14
16 7.5 2.927976563 14.63988281 15
17 8 3.122944 15.61472 16
18 8.5 3.317882563 16.58941281 17
19 9 3.51279225 17.56396125 18
20 9.5 3.707673063 18.53836531 19
21 10 3.902525 19.512625 20
22 11 4.29214225 21.46071125 21
23 11.5 4.486907563 22.43453781 22
24 12 4.681644 23.40822 23
25 12.5 4.876351563 24.38175781 24
26 13 5.07103025 25.35515125 25
27 13.5 5.265680063 26.32840031 26
28 14 5.460301 27.301505 27
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 24
Bài tập dài môn Đo Lường Nhiệt GVHD:TS Võ Huy Hoàn
29 14.5 5.654893063 28.27446531 28
30 15 5.84945625 29.24728125 29

31 15.5 6.043990563 30.21995281 30
32 16 6.238496 31.19248 31
33 16.5 6.432972563 32.16486281 32
34 17 6.62742025 33.13710125 33
35 17.5 6.821839063 34.10919531 34
36 18 7.016229 35.081145 35
37 18.5 7.210590063 36.05295031 36
38 19 7.40492225 37.02461125 37
39 19.5 7.599225563 37.99612781 38
40 20 7.7935 38.9675 39
41 20.5 7.987745563 39.93872781 40
42 21 8.18196225 40.90981125 41
43 21.5 8.376150063 41.88075031 42
44 22 8.570309 42.851545 43
45 22.5 8.764439063 43.82219531 44
46 23 8.95854025 44.79270125 45
47 23.5 9.152612563 45.76306281 46
48 24 9.346656 46.73328 47
49 24.5 9.540670563 47.70335281 48
50 25 9.73465625 48.67328125 49
51 25.5 9.928613063 49.64306531 50
52 26 10.122541 50.612705 51
53 26.5 10.31644006 51.58220031 52
54 27 10.51031025 52.55155125 53
55 27.5 10.70415156 53.52075781 54
56 28.5 11.09174756 55.45873781 55
57 29 11.28550225 56.42751125 56
58 29.5 11.47922806 57.39614031 57
59 30 11.672925 58.364625 58
60 30.5 11.86659306 59.33296531 59

61 31 12.06023225 60.30116125 60
62 31.5 12.25384256 61.26921281 61
63 32 12.447424 62.23712 62
64 32.5 12.64097656 63.20488281 63
65 33 12.83450025 64.17250125 64
66 33.5 13.02799506 65.13997531 65
67 34 13.221461 66.107305 66
68 34.5 13.41489806 67.07449031 67
Thiết kế và chế tạo hệ thống đo và điều khiển Page 25