Đế tài - Mạch đo và khống chế nhiệt độ P3 ppt

Mạch khống chế nhiệt độ
2. SƠ LƯỢC VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI AD
Tín hiệu trong thế giới thực thường ở dạng tương tự (analog), nên mạch điều
khiển thu thập dữ liệu từ đối tượng điều khiển về (thông qua các cảm biến) cũng ở
dạng tương tự. Trong khi đó, bộ điều khiển ngày nay thường là các μP, μC xử lý dữ
liệu ở dạng số (digital). Vì vậy, cần phải chuyển đổ
i tín hiệu ở dạng tương tự thành tín
hiệu ở dạng số thông qua bộ biến đổi AD.
Có nhiều phương pháp biến đổi AD khác nhau, ở đây chỉ giới thiệu một số
phương pháp điển hình.
2.1. Biến đổi AD dùng bộ biến đổi DA.

Trong phương pháp này, bộ biến đổi DA được dùng như một thành phần trong
mạch. Khoảng thời gian biến đổi được chia bởi nguồn xung clock bên ngoài. Đơn vị
điều khiển là một mạch logic cho phép đáp ứng với tín hiệu Start để bắt đầu biến đổi.
Khi đó, OPAMP so sánh hai tín hiệu vào analog để tạo ra tín hiệu digital biến đổi trạng
thái của đơn vị điều khiển phụ thuộc vào tín hi
ệu analog nào có giá trị lớn hơn. Bộ
biến đổi hoạt động theo các bước :
• Tín hiệu Start để bắt đầu biến đổi.
• Cứ mỗi xung clock, đơn vị điều khiển sửa đổi số nhị phân đầu ra và đưa
vào lưu trữ trong thanh ghi.
• Số nhị phân trong thanh ghi được chuyển đổi thành áp analog v
AX
qua bộ
biến đổi DA.
• OPAMP so sánh v
AX
với điện áp đầu vào v

A
. Nếu v
AX
< v
A
thì đầu ra ở
mức cao, còn ngược lại, nếu v
AX
vượt qua v
A
một lượng v
T
(áp ngưỡng)


Mạch khống chế nhiệt độ
thì đầu ra ở mức thấp và kết thúc quá trình biến đổi. Ở thời điểm này,
v
AX
được xấp xỉ bằng v
A
số nhị phân chứa trong thanh ghi chính l giá trị
digital xấp xỉ của v
A
(theo một độ phân giải và chính xác nhất định của
từng hệ thống).
• Đơn vị điều khiển kích hoạt tín hiệu EOC, báo rằng được kết theo
quá
trình biến đổi. Dựa theo phương pháp này, có nhiều bộ biến đổi như sau :
2.2. Giới thiệu về IC ADC 0804

Bộ ADC 0804 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi từ
tương tự sang số 8 bit, bộ chọn 1 kênh với một bộ logic điều khiển tương thích.
Bộ chuyển đổi AD 8 bit này dùng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ tiếp.
Thiết bị này loại trừ khả năng cần thiết điều chỉnh điểm 0 bên ngoài và
khả năng đi
ều chỉnh tỉ số làm tròn ADC 0804 dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử
lý.
• Sơ đồ chân ADC 0804:
+
-
v
A
Đầu vào analog



Counter

Bộ biến
đổi DA
. . .

v
AX
Kết quả digital

So snh

OPAMP

EOC

Start

Clock

Reset

Clock

v
AX
Start
v
A
EOC

t
C
Khi chuyển
đổi hoàn tất,
counter
ngừng đếm



Mạch khống chế nhiệt độ

Chức năng các chân:
CS: Ngõ vào cho phép

RD,WR: Đọc ghi
INTR :cho phép chốt địa chỉ
DB
0
…DB
7
: ngõ ra song song 8 bit
CLK : xung đồng hồ
VREF : điện thế tham chiếu
V
in+
, V
in-
: ngõ vào tương tự
VCC, GND: nguồn cung cấp
Các đặc điểm của ADC 0804:
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 - 40
o
C đến 85
o
C


Mạch khống chế nhiệt độ

. Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý hoặc dùng riêng
. Không cần điều chỉnh zero hoặc đầy thang
Nguyên lý hoạt động:
ADC 0804 có 1 vào tương tự để chuyển đổi sang số 8 bit.
Sau khi kích xung start thì bộ chuyển đổi bắt đầu hoạt động ở cạnh xuống
của xung INTR, 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 ra đi
ện 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 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 INTR lên mức 1 báo
cho bi
ết đã kết thúc chuyển đổi.
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 tùy ý là một số nguyên.
)()(
)(
).(256
−+
−
−
−
=
refref
refIN
VV

VV
N

Trong đó V
in
: điện áp ngõ vào hệ so sánh.
V
ref(+):
điện áp tại chân REF(+).
V
ref(-):
điện áp tại chân REF(-).
Nếu chọn V
ref(-)
= 0 thì N = 256.
V
ref(+)
= V
cc
= 5V thì đầy thang là 256.
• Mạch tạo xung clock cho ADC 0804: Sử dụng mạch dao động dùng RC
để tạo dao động cho ADC như sau:

)(+ref
in
V
V
C1
100p
R1

10K


Mạch khống chế nhiệt độ
Tần số dao động của mạch là f =
RC1.1
1

Tần số dao động chuẩn là 600 kHz đến 700Khz
Với R từ 1kΩ đến vài chục kΩ chọn R =15 kΩ ⇒ C = 100 pF
=> f =
93
10.100.10.15
1
−
= 667Khz
Từ những điều trên ta kết luận rằng các bước cần phải thực hiện khi chuyển đổi
dữ liệu bởi ADC0804 là:
9 Bật CS = 0 và gửi một xung thấp lên cao tới chân
WR
để bắt đầu chuyển đổi.
9 Duy trì hiển thị chân
I
NTR . Nếu
I
NTR xuống thấp thì việc chuyển đổi được
hoàn tất và ta có thể sang bước kế tiếp. Nếu
I
NTR
cao tiếp tục thăm dò cho đến khi

nó xuống thấp.
9 Sau khi chân
I
NTR
xuống thấp, ta bật CS = 0 và gửi một xung cao xuống thấp
đến chân
R
D để lấy dữ liệu ra khỏi chip ADC0804. Phân chia thời gian cho quá
trình này được trình bày như hình 8.







Hình 8: Phân chia thời gian đọc và ghi của ADC0804


CHƯƠNG 4
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG


1.SƠ ĐỒ KHỐI


Mạch khống chế nhiệt độ


Hệ hoạt động theo chương trình đã nạp trên ROM , qua sự điều khiển của MCU

8051 phần cảm biến nhiệt đặt ở nơi ta muốn đo, nó sẽ đọc tín hiệu của nhiệt độ qua
mức điện áp tín hiệu analog được chuyển thành tín hiệu số và giao tiếp với hệ thống
qua data bus.
Trên cơ sở chương trình được nạp trên ROM và tín hiệu nhận được, MCU cho
phép thiết bị ngo
ại vi hoạt động như : hiển thị giá trị nhiệt độ tương ứng điều khiển
nhiệt độ thích hợp.

2 .SƠ LƯỢC CHỨC NĂNG CÁC BỘ PHẬN
-Vi xử lý 8051 là phần tử chính xử lý các thông tin nhập vào và đưa ra các quyết
định điều khiển.
- Phím là bộ phận giao tiếp ngoại vi, cho phép nhập các thông số bằng tay.
- Mạch hiển thị, hiển thị các giá trị đặt và giá trị đo.
- Mạch cảm biến dùng để khuyếch đaị tín hiệu và bù nhiệt.
- Mạch công suất dùng để đóng mở nguồn công suất.

3.SƠ ĐỒ CHI TIẾT CÁC KHỐI
3.1.Thiết kế phím :
Gồm 3 phím:
- Phím tăng
- Phím giảm
- Phím chức năng
- Phím thoát


Mạch khống chế nhiệt độ

Hình 9. Các phím nhấn
3.2.
Khối mạch cảm biến nhiệt

• Tính toán và cân chỉnh :








LM335 là cảm biến nhiệt độ có thể hoạt động đến 150
o
C tương ứng với nhiệt độ
0
o
K , LM335 cho ra điện áp 0V . Cứ tăng 1
o
C ,điện áp ra tăng 10mV.Như vậy với 0
o
C
thì điện áp là 2.73V.
• Xét mạch khuếch đại trừ :
Gọi V
i1
= V
OUT 1
là áp ngõ vào đảo của U
3
, V
i2
= V

OUT2
áp ngõ vào không đảo
của U
3
. Áp dụng phương pháp xếp chồng cho từng kích thích ngõ vào ,ngắn mạch ngõ
vào còn lại ta được :





Trong trường hợp này ta chọn R
5
=R
6
và R
4
=R
3
thì V
o
được viết lại như sau



SW2
VCC
SW1
P2.7
P2.4

SW1
P2.6
P2.5
R
SW1
VCC
VCC
VCC
-VCC
-
+
U3
OP-07
3
2
6
7
1
4
8
R2
20K
D1
LM 335
C7
10UF
-VCC
R6
20K
-VCC

-
+
U6
OP-07
3
2
6
7
1
4
8
VCC
R2
39K
-
+
U1
OP-07
3
2
6
7
1
4
8
J2
CON2
1
2
R3

10K
VCC
C3
10UF
R4
10K
R8
100K
R5
20K


Mạch khống chế nhiệt độ
Suy ra điện áp ngõ ra sẽ thay đổi A *10mV khi nhiệt độ thay đổi 1
o
C .độ phân giải cần
là 1
o
C nên điện áp thay đổi khi nhiệt độ thay đổi 1
o
C,phải bằng độ phân giải của
AD0804 :
A
v
*10mV = 19.6mV
=>A
v
= 1.96
=>Chọn R
5

= 20 K và R
3
= 10K
• Cân chỉnh :
Chỉnh VR
1
sao cho V
I
của U
3
=2.73 + 0.01* t
o
C
Nhưng trong thực tế để chính xác ,nhúng LM335 vào nước đá đang tan (0
o
C) .
Chỉnh VR2 sao cho V
2
của U
2
= 2.73V.
• Thiết kế bộ cảm biến nhiệt :
Tầm làm việc trong hệ thống mạch từ 0 ÷150
o
C.
Để đo nhiệt độ chính xác phải có các đầu đo đặc biệt. Đầu đo dưới dạng vi mạch
LM335 là một đầu đo đơn giản và chính xác với giá thành lại rẻ .LM335 có độ biến
thiên điện áp theo nhiệt độ là 10mV/ K ,có một dãy độ chính xác khá cao và cảm biến
nhiệt tốt ở nhiệt độ 25
o

C có độ sai số nhỏ hơn 1
o
C.với tầm đo từ nhiệt độ 0 ÷100
o
C,
ngõ ra của cảm biến này tuyến tính.
• Các tính chất của cảm biến LM335 :
Chia độ trực tếp theo
o
K
Độ chính xác ban đầu là 1
o
C
Trở kháng động < 1Ω
Tầm nhiệt độ rộng .
Khoảng đo 150
o
C
• Tầm tuyệt đối lớn nhất :
Dòng ngược 15mA
Dòng thuận 10mA
Điện áp hoạt động ngõ ra ở điều kiện T
C
=25
o
C, I
R
=1nA tương ứng 2.92 ÷ 3.04V
có:
400μA < I

R
< 5mA.
400μA <
R
V
0
5 −
< 5 mA


Mạch khống chế nhiệt độ
mA
V
5
5
0
−
< R <
A
V
μ
400
5
0
−

Vì: 2,73V ≤ V
o
≤ 3,73V
Nên: 254 < R < 5,7 k (1)

Mặt khác, theo thông số của nhà sản xuất điện áp trên LM335 tại T
c
= 25
o
C,
I
R
= 1mA thì V
o
= 2,98 (V), ta có:
400μA <
R
98,25 −
< 5mA (2)
Từ (1) và (2): chọn R = 2,2 kΩ
chọn biến trở chỉnh offset VR = 15 kΩ.

Sai số nhiệt ở 25
o
C ở điều kiện T
min
<T
C
<T
max
<= > 1 ÷ 2
o
C
Điện áp ngõ ra hoạt động ở điều kiện 400µA<I
R

<5mA thì tương ứng từ 3 ÷ 14mV.
Theo thông số của nhà sản xuất IC LM335 có độ biến thiên điện áp như sau:
0
o
C (273
o
K ) áp ra 2.73V
5
o
C (278
o
K ) áp ra 2.78V
25
o
C (298
o
K ) áp ra 2.98V
50
o
C (323
o
K ) áp ra 3.23V
100
o
C (373
o
K ) áp ra 3.73V
Tầm biến thiên điện áp tương ứng với nhiệt độ từ 0
o
C - 100

o
C là 1V
Điện áp ra từ bộ cảm biến LM335 theo công thức:
V
out
= 0,01 x T
o
K = 2,73 + 0,01T
o
C.
Ta

V
out
VR
+5V
LM335


Mạch khống chế nhiệt độ
3.3. Sơ đồ nguyên lý tổng quát








G

U4
ADC0804
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
4
5
1
2
3
+IN
-IN
AGND
VREF/2
GND
DB7
DB6
DB5

DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
CLKR
VCC/VREF
CLKIN
INTR
CS
RD
WR
F
SW1
B
C
G
VCC
C
DP
R9
100K
-VCC
E
D
VCC
C
DP
B
A

CAF
G
C
VCC
P2.7
P3.2
E
D
VCC
C
DP
B
A
CAF
G
D
P2.4
P2.0
D
-
+
U1
OP-07
3
2
6
7
1
4
8

-VCC
SW1
P3.7
G
E
P3.0
-
+
U3
OP-07
3
2
6
7
1
4
8
D2
LED
F
R10
10K
U1
89C51
29
30
40
20
31
19

18
9
39
38
37
36
35
34
33
32
1
2
3
4
5
6
7
8
21
22
23
24
25
26
27
28
10
11
12
13

14
15
16
17
PSEN
ALE
VCC
GND
EA
X1
X2
RST
P0.0/AD0
P0.1/AD1
P0.2/AD2
P0.3/AD3
P0.4/AD4
P0.5/AD5
P0.6/AD6
P0.7/AD7
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
P2.0/A8
P2.1/A9

P2.2/A10
P2.3/A11
P2.4/A12
P2.5/A13
P2.6/A14
P2.7/A15
P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INT0
P3.3/INT1
P3.4/T0
P3.5/T1
P3.6/WR
P3.7/RD
U3B
7400
4
5
6
147
MUC THAP
B
C8
150p
P3.2
VCC
P2.2
A
-VCC
C6

CAP NP
C7
10UF
P2.6
C
VCC
VCC
B
P2.3
P2.0
R4
10K
J3
CON1
1
12MHZ
VCC
P2.2
DP
C
P2.4
A
J2
CON4
1
2
3
4
MUC CAO
P2.3

D1
LM 335
D
P3.7
E
P3.1
VCC
DP
E
E
D
VCC
C
DP
B
A
CAF
G
VCC
F
P2.5
R5 20K
-VCC
P3.6
P3.6
VCC
J1
CON1
1
VCC

VCC
A
P2.6
R7
R
P2.1
Q1
NPN BCE
VCC
R
P3.1
C9
CAP
C3
10UF
DP
R2
39K
DP
SW1
R2
R
VCC
G
R1
R
E
D
VCC
A

SW1
B
R3
10K
VCC
VCC
SW2
SW PUSHBUTTON
LS1
RELAY DPST
4
3
6
5
1
2
P2.7
VCC
U3A
7400
1
2
3
147
R2
R2
20K
P3.0
VCC
B

Q4
A1015
Q1
A1015
Q3
A1015
VCC
P3.3
P2.5
F
F
D
330 X 8
J3
CON3
1
2
3
Q2
A1015
P2.1
E
D
VCC
C
DP
B
A
CAF
G

G
-
+
U6
OP-07
3
2
6
7
1
4
8
R6
39K
A
E
D1
DIODE
VCC
P3.3


Mạch khống chế nhiệt độ
CHƯƠNG 5
THIẾT KẾ PHẦN MỀM
1. Lưu đồ giải thuật
1.1.Lưu đồ giải thuật tổng quát:

TĂNG t
o

ĐẶT
GIẢM t
o

ĐẶT

BEGIN
Y
Y
NẠP GIÁ TRỊ ĐẦU
CÓ NHẤN
MODE
Y
NH
ẤNTĂNG
NHẤN GIẢM

T
O
>= T
O
MIN
ĐỌC ADC
HIỂN THỊ

HIỂN THỊ
N N
N
T
O
< T
O
MAX
Y
N
N
Y


Mạch khống chế nhiệt độ

1.2.Giải thuật chương trình đọc A/D và chương trình đổi số nhị phân ra
BCD:

1.3.Giải thuật xuất led:

Mạch khống chế nhiệt độ
1.4.Giải thuật chương trình so sánh và điều khiển:

START
So sánh nhiệt độ
đặt với nhiệt độ
hiện tại

Cấp nguồn cho
phần
công suất

Thoát


Mạch khống chế nhiệt độ
1.5.Giải thuật chương trình tăng giảm:

___________

START
NHẤN NÚT
Tăng 1 đơn vị
Giảm 1 đơn vị
Gọi Chương Trình Hiển Thị
Y
Y
Nhấn Tăng
Nhấn Giảm

N
N
N
Y


Mạch khống chế nhiệt độ
2.Chương trình phần mềm :

$MOD51

CS BIT P3.0
RDD BIT P3.1
WRITE BIT P3.2
INTR BIT P3.3
RELAY1 BIT P3.7
RELAY2 BIT P3.6

ORG 00H
MOV 60H,#35
MOV 61H,#45
MAIN:
MOV DPTR,#SO
CLR CS
CLR RDD
DOCNHIETDO:
JNB P2.7,HIEUCHINH1
CLR C
LCALL DELAYSCAN
MOV A,P1

CJNE A,60H,$+3
JC X1
CJNE A,61H,$+3
JNC X2
SETB RELAY1
SETB RELAY2
SJMP X3
X1:

CLR RELAY1
SJMP X3
X2: CLR RELAY2
X3:
LCALL GIAIMABCD
SJMP DOCNHIETDO
HIEUCHINH1:
LCALL CHONGDOI
MOV A,60H
LCALL GIAIMACHULL
LCALL DELAYSCAN
JNB P2.6,TANG
JNB P2.5,GIAM
JNB P2.4,DOCNHIETDO
JNB P2.7,HIEUCHINH2
SJMP HIEUCHINH1
TANG:
INC 60H
SJMP HIEUCHINH1
GIAM:
DEC 60H

SJMP HIEUCHINH1
HIEUCHINH2:
LCALL CHONGDOI
MOV A,61H
LCALL GIAIMACHUHH
LCALL DELAYSCAN
JNB P2.6,TANG1
JNB P2.5,GIAM1
JNB P2.4,DOCNHIETDO


Mạch khống chế nhiệt độ
JNB P2.7,DOCNHIETDO
MOV R0,7AH
SJMP HIEUCHINH2
TANG1: INC 61H
SJMP HIEUCHINH2
GIAM1:
DEC 61H
SJMP HIEUCHINH2
;*********************************************************
GIAIMABCD:

MOV B,#10
DIV AB
MOV 10H,B
MOV B,#10
DIV AB
MOVC A,@A+DPTR
MOV 27H,A

MOV A,B
MOVC A,@A+DPTR
MOV 26H,A
MOV A,10H
MOVC A,@A+DPTR
MOV 25H,A

MOV 24H,#86H
RET
HTHI:
MOV P0,24H
MOV P2,#1110B
LCALL DELAY
MOV P2,#0FFH

MOV P0,25H
MOV P2,#1101B
LCALL DELAY
MOV P2,#0FFH

MOV P0,26H
MOV P2,#1011B
LCALL DELAY
MOV P2,#0FFH

MOV P0,27H
MOV P2,#0111B
LCALL DELAY
MOV P2,#0FFH
RET

DELAY:

MOV 32H,#50
DJNZ 32H,$
RET
DELAYSCAN:
PUSH 00H
CLR WRITE
SETB WRITE
MOV TMOD,#01H
MOV R0,#20
DANGTRINH:
MOV TH0,#-250H
MOV TL0,#-250H
SETB TR0


Mạch khống chế nhiệt độ
HIEN:
LCALL HTHI
JNB TF0,HIEN
CLR TF0
CLR TR0
DJNZ R0,DANGTRINH
POP 00H
RET
CHONGDOI:
MOV R0,#2
DJNZ R0,$
RET

;******************************
GIAIMACHULL:
MOV B,#10
DIV AB
MOV 10H,B
MOV B,#10
DIV AB
MOVC A,@A+DPTR
MOV 27H,A
MOV A,B
MOVC A,@A+DPTR
MOV 26H,A
MOV A,10H
MOVC A,@A+DPTR
MOV 25H,A
MOV 24H,#0C7H
RET
;****************************************
GIAIMACHUHH:
MOV B,#10
DIV AB
MOV 10H,B
MOV B,#10
DIV AB
MOVC A,@A+DPTR
MOV 27H,A
MOV A,B
MOVC A,@A+DPTR
MOV 26H,A
MOV A,10H

MOVC A,@A+DPTR
MOV 25H,A
MOV 24H,#09H
RET
SO:

DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H
END




Mạch khống chế nhiệt độ