LV - Thiet ke Kit dieu khien nhiet do - Vo Quang Hau.pdf

Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

1 SV:Võ Quang Hậu















LỜI CẢM ƠN

Trước khi vào luận văn nầy em xin
cám ơn các thầy cô của bộ môn điều
khiển tự động đã truyền đạt cho em các
kiến thức trong suốt thòi gian qua.Em
xin cám ơn cô Nguyễn Thò Phương Hà
đã giúp đở em trong thời gian làm luận
văn qua .và em cũng xin cám ơn bạn bè
đã giúp đở em khi làm luận văn

Em xin chân thành cám ơn
các thầy cô

Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

2 SV:Võ Quang Hậu



MỤC LỤC

Chương1:giới thiệu về hệ thống điều khiển nhiệt độ 1
I / khái niệm về hệ thống điều khiển nhiệt độ 1
II/ các nguyên tắc điều khiển nhiệt độ 1
III/các loại cảm biến nhiệt đô 2
IV/mô hình tổng quát và các phương pháp đo nhiệt độ 3
Chương 2:cảm biến nhiệt 6
I/ các thông số cảm biến 6
II/các loại cảm biến thông dụng 6
Chương 3:giới thiệu vi xử lý AT89C57 11
I/giới thiệu cấu trúc phần cứng họ MCS51 11
II/khảo sát sơ đồ chân 8952,và chức năng từng chân 13
III/cấu trúc bên trong vi điều khiển 15
IV/hoạt động timer của 8952 23
V/hoạt động Port nối tiếp 32
VI/tập lệnh họ 8952 39
Chương 4:mở rộng port dùng 8255 45

I/cấu trúc phần cứng 45
II/ cấu trúc phần mềm 47
III/ Giao tiếp 8255 với vi xử lý 47
Chương 5 :thiết kế mạch 49
I/ giới thiệu các linh kiện chính 51
II/thiết kế kit vi xử lý 54
III/ thiết kế mạch điều khiển công suất 58
IV/ thiết kế mạch bàn phím 60
V/ thiết kế mạch nguồn 61
VI/ thiết kế mạch hiển thò 63
VII/ thiết kế khối hiệu chỉnh zieger Nichol 64
VIII/ thiết kế mạch xử lý ADC 68
Chương 6: lưu đồ giải thuật 72
Chương 7:chương trình phần mềm 80
Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

3 SV:Võ Quang Hậu




PHẦN MỞ ĐẦU

Ngày nay kỹ thuật vi điều khiển đã trở nên quen thuộc trong các
ngành kỹ thuật và trong dân dụng. Từ các dây chuyền sản xuất lớn
đến các thiết bò gia dụng, chúng ta đều thấy sự hiện diện của vi
điều khiển. Các bộ vi điều khiển có khả năng xử lý nhiều hoạt

động phức tạp mà chỉ cần một chip vi mạch nhỏ, nó đã thay thế
các thiết bò điều khiển lớn và phức tạp bằng những mạch điện gọn
nhẹ, dễ dàng thao tác sử dụng.
Chính vì các lý do trên, việc tìm hiểu, khảo sát vi điều khiển là điều
mà các sinh viên ngành điện mà đặc biệt là chuyên ngành điều
khiển tự động phải hết sức quan tâm.
Các bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển tuy đơn giản nhưng để
vận hành và sử dụng đươc lại là một điều rất phức tạp. Phần công
việc xử lý chính vẫn phụ thuộc vào con người, đó chính là chương
trình hay phần mềm. Tuy chúng ta thấy các máy tính ngày nay cực
kỳ thông minh, giải quyết các bài toán phức tạp trong vài phần
triệu giây, nhưng đó cũng là dựa trên sự hiểu biết của con người.
Nếu không có sự tham gia của con người thì hệ thống vi điều khiển
cũng chỉ là một vật vô tri. Do vậy khi nói đến vi điều khiển cũng
giống như máy tính bao gồm 2 phầân là phần cứng và phần mềm.
Các bộ vi điều khiển theo thời gian cùng với sự phát triển của công
nghệ bán dẫn đã tiến triển rất nhanh, từ các bộ vi điều khiển 4 Bit
đơn giản đến các bộ vi điều khiển 32 Bit. Với công nghệ tiên tiến
ngày nay các máy tính có thể đi đến việc suy nghó, tri thức các
thông tin đưa vào, đó là các máy tính thuộc thế hệ trí tuệ nhân tạo.
Mặc dù vi điều khiển đã đi được những bước dài như vậy nhưng để
tiếp cận được với kỹ thuật này không thể một vấn đề đơn giản một
sớm một chiều Việc hiểu được cơ chế hoạt động của bộ vi điều
khiển 8 Bit là cơ sở để chúng ta tìm hiểu và sử dụng các bộ vi điều
khiển tối tân hơn, đây chính là bước đi đầu tiên khi chúng ta muốn
xâm nhập sâu hơn vào lónh vực này.
Để tìm hiểu bộ vi điều khiển và tạo nền tản cho việc nghiên cứu
sau nầy thì việc trang bò những kiến thức về vi điều khiển cho sinh
viên là hết sức cần thiết. Nên em chọn đề tài “ Thiết kế và thi
công hệ thống Kit Vi Điều Khiển 8952 ứng dụng vào việc điều

Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

4 SV:Võ Quang Hậu


khiển nhiệt độ “
Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

5 SV:Võ Quang Hậu


Chương I:

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

I.Khái niệm về hệ thống điều khiển nhiệt độ:
Nhiệt độ là đại lượng vật lý hiện diện khắp mọi nơi và trong
nhiều lónh vực, đặc biệt là trong công nghiệp vì mỗi sản phẩm ,
thiết bò hay điều kiện làm việc cần những nhiệt độ khác nhau
.Muốn có được nhiệt độ phù hợp cần phải có một hệ thống điều
khiển.Tùy theo tính chất ,yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các
phương pháp điều khiển thích hợp
Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể phân làm hai loại :Hệ
thống điều khiển hồi tiếp (feedback control system) và hệ thống

điều khiển tuần tự (sequence control system)
− Điều khiển hồi tiếp thường được xác đònh và giám sát kết quả
điều khiển , so sánh nó với yêu cầu thực thi và tự động điều
chỉnh đúng .
− Điều khiển tuần tự thực hiện từng bước điều khiển tùy theo hoạt
động điều khiển trước khi xác đònh tuần tự.
II/ các nguyên tắc điều khiển :
1.Nguyên tắc thông tin phản hồi:
Trong các quá trình điều khiển ,tồn tại hai dòng thông tin một
từ cơ quan chủ quản đến đối tượng và một từ đối tượng đi ngược
về cơ quan điều khiển , được gọi là liên kết ngược hay hồi tiếp .
a) Quá trình điều khiển
theo nguyên tắc bù nhiễu:

Tác động vào đối
tượng là luật điều khiển u
theo nguyên tác bùnhiễu để
đạt đầu ra c mong
muốn,nhưng không quan sát
tín hiệu ra c .
Về nguyên tắc ,đối với hệ phức tạp thì điều khiển theo mạch
hở không cho kết quả tốt .
b) Điều khiển theo sai lệch:
Cơ quan điều khiển
quan sát c, so sánh với
đònh chuẩn điều mong
n

Điều
khiển

Đối
tượng

u
c
r
Điều
khiển

e
u
n
c
-
Đối
tượng

Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

6 SV:Võ Quang Hậu


muốn r để chọn luật điều khiển u.
Nguyên tắc ở đây là điều chỉnh linh hoạt ,loại sai lệch ,thử
nghiệm và sửa.Đây là nguyên tắc cơ bản trong điều khiển.
2.Nguyên tắc đa dang tương xứng:

Muốn quá trình điều khiển có chất lượng thì sự đa dạng của
cơ quan điều khiển phải tương xứng với sự đa dạng của đối tượng
.Tính đa dạng của cơ quan điều khiển có thể dùng để chế ngự đối
tượng thể hiện ở :khả năng thu thập thông tin , lưu trữ ,phân tích xử
lý ,chọn quyết đònh ,tổ chức thực hiện.
3.Nguyên tắc bổ sung ngoài:
Một hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ
thể và có tác động qua lại chặt chẽ với môi trường đó .Trong điều
kiện thừa nhận nguyên tắc bổ sung ngoài sau:thừa nhận có một đối
tượng chưa biết (hộp đen)tác động vào hệ thống và ta phải điều
khiển cả hệ thống lẫn hộp đen.
4.Nguyên tắc dự trư:õ
Vì nguyên tắc 3 luôn coi thông tin chưa đầy đủ phải đề phòng
các bất trắc có thể xảy ra và không được dùng toàn bộ lực lượng
trong điều kiện bình thường . Vốn dự trữ là không sử dụng ,nhưng
cần để bảo đảm cho hệ thống vận hành an toàn .
5.Nguyên tắc phân cấp:
Đối với một hệ thống phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều
khiển bổ sung cho trung tâm ,để khuếch đại khả năng điều khiển
.Phải tránh khuynh hướng hình thức và phân cấp quá đáng ,xử lý
cho đúng nhiện vụ và quyền hạn ở mỗi cấp
6.Nguyên tắc cân bằng nội:
Mỗi hệ thống cần được xây dựng với cơ chế cân bằng nội để
có khả năng tự giải quyết những biến động xảy ra.
III.Các loại điều khiển:
Sự phân loại điều khiển có tính chất quy ước
1.Điều khiển ổn đònh hóa:
Mục tiêu điều khiển là kết quả đầu ra bằng đầu vào chuẩn
r(t) = const với sai lệch cho phép e
xl

(sai số ở chế độ xác lập)
e(t) = r(t) - c(t) ≤ e
xl

Đặc biệt khi đầu ra hệ thống cần giữ là hằng số ,ta có hệ
thống điều chỉnh hay hệ thống ổn đònh .
Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

7 SV:Võ Quang Hậu


Ví dụ: hệ thống ổn đònh nhiệt độ ,điện áp ,áp suất ,nồng độ
tốc độ…
2.Điều khiển theo chương trình:
Nếu r(t) là một hàm đònh trước theo thời gian ,yêu cầu đáp
ứng ra của hệ thống sao chép lại các giá trò của tín hiệu vào r(t) thì
ta có hệ thống điều khiển theo chương trình .
Ví dụ: hệ thống điều khiển máy công cụ CNC ,điều khiển tự
động nhà máy xi măng Hoàng Thạch ,hệ thống thu thập và truyền
số liệu hệ thống điện, quản lý vật tư ở nhà máy …
3.Điều khiển theo dõi:
Nếu tín hiệu tác động vào hệ thống r(t) là một hàm không
bết trước theo thời gian ,yêu cầu điều khiển đáp ứng ra c(t) luôn
bám sát được r(t) ,ta có hệ thống theo dõi.Điều khiển theo dõi
được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển vũ khí ,hệ
thống lái tàu ,máy bay…

4.Điều khiển tối ưu hàm mục tiêu đạt cực trò:
Ví dụ các bài toán qui hoạch ,vận trù trong kinh tế ,kỹ thuật
đều là các phương pháp điều khiển tối ưu.
IV.Mô hình tổng quát và các phương pháp đo nhiệt độ:
1.Mô hình hệ thống điều khiển:










Hệ thống đo và điều khiển nhiệt độ là một đạng của hệ thống
thu thập dữ liệu .Nhìn chung một hệ thống thu thập dữ liệu đầy đủ
có những thành phần sau:
• Phần thu thập dữ liệu từ đối tượng bên ngoài vào hệ thống vi xử
lý-máy tính. Phần này gồm các cảm biến ,mạch gia công tín
hiệu ,bộ chuyển đổi tín hiệu tương đồng sang tín hiệu số (ADC)
N

ADC
Digital
Controll

HTD C

CẢM

BIẾN

+
-
y(t)
u(kt) e(kt)
Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

8 SV:Võ Quang Hậu


và các thiết bò ngoại vi khác như nguồn, đường dây truyền dữ
liệu …
• Phần điều khiển : bao gồm hệ vi xử lý , máy tính và hệ thống
tác động vào đối tượng .
• Phần mềm: là chương trình cho kít xử lý tại chổ và chương trình
cho máy tính nhằm thu nhận dữ liệu và điều khiển nhiệt độ cũng
như giao tiếp với người sử dụng .Các thành phần trên liên quan
chặt chẽ với nhau ,tạo thành một hệ thống hợp nhất .Từ phân
tích trên một hệ thống thu thập dữ liệu (ADS)sẽ có những thành
phần cấu trúc sau:

2.Chức năng các khối trong hệ thống điều khiển:
2.1.Kít chủ vi xử lý:
Kit sử dụng một chip vi xử lý ,là đơn vò master nhận yêu cầu
từ người sử dụng và truyền dữ liệu cho các slave khác ,ở đây sử
dụng kỹ thuật truyền thông đa xử lý để giao tiếp kit chủ và các kit
Kênh
n

Kênh
1

DỒN
KÊNH

TƯƠNG
TỰ
KÍT
LƯU
TRỮ
VÀ
ĐIỀU
KHIỂN
ADC
Mạch đối tượng
1

Mạch
Gia công n


BỘ


PHÂ
N

Má
y
tính
chủ

Mạch đối tượng
n

Mạch
Gia công 1
Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

9 SV:Võ Quang Hậu


xử lý slave,giữa kit chủ và máy tính, chỉ có thể giao tiếp khi tác
động phím từ kit .
Kit chủ có thiết kế phần cứng như các kit slave, duy chỉ có
thêm về phần cứng mạng truyền và phần chương trình quản lý các
thông số của các đơn vò slave.
2.2.khối thu thập dữ liệu
Khối thu thập dữ liệu có nhiệm vụ thu nhận các giá trò đo từ
cảm biến và biến đổi sang tình hiệu số để kít có thể xử lý
2.4. Chương trình điều khiển:
Thực hiện việc giao tiếp giữa các vi xử lý và kit chủ ,giữa kit
chủ và máy tính ,đặt trò.
3.Các phần tử trong thiết bò đo và phương pháp đo nhiệt độ:
3.1.Các phần tử trong thiết bò đo:

• CẢM BIẾN
Phần tử biến đổi các đại lượng không điện sang đại lượng
điện,bộ phận này thường dùng thermocouple.
• BỘ CHẾ BIẾN TÍN HIỆU
Biến đổi tín hiệu điện thu được từ thermocouple cho phù hợp
với mức vào mạch biến đổi tín hiệu A/D.

• BỘ HIỂN THỊ KẾT QUẢ
Hiển thò kết quả thu được dưới dạng hiển thò số.
• BỘ ĐIỀU KHIỂN
Thực hiện điều khiểntheo phương pháp PID hay ON/OFF.
• MẠCH KHUYẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
Khuếch đại tín hiệu điều khiển để điều chỉnh nhiệt độ.
3.2.Các phương pháp đo:
Hiện nay có rất nhiều phương pháp đo khác nhau :từ đơn
giản đến phức tạp, từ loại có độ chính xác vừa đến loại chính xác
cao.
• Đo nhiệt độ bằng cột thủy ngân.
• Đo nhiệt độ bằng điện trở.
• Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện.
• Đo nhiệt độ bằng diode và transistor .
• Dụng cụ đo nhiệt theo nhiệt nóng chảy của các chất.
• Dụng cụ đo nhiệt độ theo dòng điện bức xạ.
• Đo nhiệt độ bằng IC cảm biếm nhiệt.
• Đo nhiệt độ bằng cảm biến thạch anh.
Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

10 SV:Võ Quang Hậu


Đo nhiệt độ dùng cảm biến thạch anh có ưu điểm hơn so với
các phương pháp khác ,vì nó có độ chính xác cao ,việc chuyển đổi
dạng số rất dễ dàng đối với thông tin liên quan đến tần số.
Ví dụ: đặc tính đo lường của tinh thể thạch anh do hãng Heulett

Packard chế tạo có:
+ Khoảng đo -80
o
C ÷ 250
o
C.
+ Khoảng tuyến tính ± 0.05% khoảng đo.
+ Độ nhạy 1000HZ
o
C .
+ Khả năng đo 0.0001
o
C.
Tuy nhiên có hạn chế là khó chế tạo ,các mạch dao động
thạch anh khó tinh chỉnh.
a) Cách lắp đặt bộ cảm ứng nhiệt:
Vò trí của cảm ứng nhiệt ảnh hưởng rất lớn đến việc đo đạc
và điều khiển nhiệt độ của vật thể .Cảm ứng nhiệt càng xa nguồn
nhiệt thì càng vọt lố cao do đó tùy theo yêu cầu cụ thể mà ta lắp
đặt vò trí thích hợp
b) Quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ:
T
o
C =T(
o
K)-273.15
T
o
C ={T(
o

F)-32}×5/9




Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

11 SV:Võ Quang Hậu


Chương II:
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Cảm biến nhiệt độ là dụng cụ chuyển đổi đại lượng nhiệt
thành các đại lượng vật lý khác chẳng hạn như điện, áp suất, độ
giãn nở dài, độ giãn nở khối, điện trở, … Cảm biến nhiệt độ là
phần tử không thể thiếu trong bất kỳ hệ thống đô lường điều khiển
nhiệt độ nào. Cảm biến nhiệt độ có khả năng nhận biết được tín
hiệu nhiệt độ một cách chính xác, trung thực và chuyển đổi thành
tín hiệu có thể đo lường được như điện áp, dòng điện, điện trở, thể
tích áp suất…
I.CÁC THÔNG SỐ CẢM BIẾN:
1.Thông số cấu tạo: được quyết đònh do nhà sản xuất và phụ thuộc
vào từng loại cảm biến.
2.Thông số sử dụng: bao gồm các yếu tố sau:
♦ Khoảng làm việc : là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả
năng khi chưa bò bảo hòa . Khoảng làm việc cao hay thấp là

do tính chất cấu tạo và tính lý hóa của từng loại cảm biến qui
đònh.
♦ đôä nhạy: được đònh nghóa:

df: sự thay đổi đại lượng đo của cảm biến
dx : sự thay đổi đại lượng vật lý.
♦ Ngưỡng độ nhạy: là mức thấp nhất mà cảm biến có thể phát
hiện được.
♦ Tính trễ: còn gọi là quán tính của cảm biến. Tính trễ của cảm
biến tạo ra sai số của phép đo. Tốc độ thay đổi cuả đại lượng
đo phải phù hợp với tính trễ của cảm biến. Nếu đại lượng đo
thay đổi quá nhanh mà quán tính của cảm biến lớn thì không
thể đo chính xác được. Mọi cảm biến đều có tính trễ do ảnh
hưởng của vỏ bảo vệ.
II.CÁC LOẠI CẢM BIẾN THÔNG DỤNG:
1.Cặp nhiệt điện :
dx
df
s =
Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

12 SV:Võ Quang Hậu


Cặp nhiệt điện là dụng cụ đo nhiệt độ thường được sử dụng
rộng rãi trong công nghiệp.Cơ sở chế tạo cặp nhiệt điện dựa trên
các nguyên lý sau:

• Hiệu ứng Thomson: qua một dây dẩn có dòng điện I và hiệu
nhiệt trên dây là T1-T2 thì sẽ có một sự hấp thụ hay tỏa nhiệt.
• Hiệu ứng Pentier: khi có dòng điện đi qua một mối nối của hai
dây dẫn thì tại vò trí mối nối sẽ có sự hấp thụ hay tỏa nhiệt
• Hiệu ứng Seebeck: trong một dây dẫn bất kỳ , khi có sự chênh
lệch nhiệt độ tại một điểm thì ngay tại điểm đó sẽ xuất hiện một
suất điện động
• Đònh luật Macmut: trong một mạch điện kín của dây dẫn đồng
nhất bất kỳ sự phân bố nhiệt độ ra sao, suất điện động tổng
cộng của mạch luôn bằng không.
• Nguyên tắc:
Nguyên tắc cấu tạo của cặp nhiệt điện dựa theo cơ sở thực
nghiệm sau:
Khi nung nóng một dây kim loại hay một đoạn dây ,tại đó tập
trung điện tử tự do và có khuynh hướng khuếch tán từ nơi tập trung
nhiều đến nơi tập trung ít . Có nghóa là đầu nóng (+)sang đầu
nguội(-) (hiệu ứng seebeck). Ở đoạn dây xuất hiện một suất điện
động Thomson phụ thuộc vào bản chất của dây kim loại.
Rỏ ràng ở đây nếu ta dùng hai dây kim loại đồng chất a ,nối
với nhau qua hai điểm T1 và T2 trong mạch sẽ xuất hiện hai suất
điện động bằng nhau nhưng ngược chiều nhau nên tổng suất điện
động bằng không.
Nhưng nếu mạch kín trên được cấu tạo bởi hai dây kim loại
khác nhau a và b thì tổng suất điện động xuất hiện trong mạch này
bằng suất điện động Thomson phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối
T1,T2 ở hai đầu mối ghép của dây dẫn .Ngoài ra trong mạch còn
có suất điện động Seebeck ,điều này được giải thích là do sự tập
trung khác nhau của điện tử tự do ở hai đầu mối ghép . Mặt khác
,do sự xuất hiện thế năng tiếp xúc tại khu vực mối ghép bởi hai
dây dẫn không đồng chất . lý thuyết trên được thể hiện bằng công

thức:

E
ab
(T1,T2)=E
ab
(T2)-E
ab
(T1)

Trong đó:
Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

13 SV:Võ Quang Hậu


+ E
ab
(T1,T2) : tổng suất điện động trong mạch kín khi hai đầu
mối ghép có nhiệt độ T1,T2.
+E
ab
(T1) : suất điện động Thomson xuất hiện trong mạch tại
mối ghép có nhiệt độ T1.
+E
ab
(T2) : suất điện động Thomson xuất hiện trong mạch tại

mối ghép có nhiệt độ T2.
Công thức trên chính là cơ sở chế tạo cạêp nhiệt điện .Nếu để
chuẩn một đầu có nhiệt độ T1=0
o
C thì suất điện độngở hai đầu cặp
nhiệt tại mối ghép khi T2=T là:

32
2
1
2
1
CTBTAT
E
O
++=

A,B,C là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu chế tạo. Như vậy
suất điện động E
0
là hàm phi tuyến đối với nhiệt độ .Nói cách khác
độ nhạy của cặp nhiệt thay đổi trong từng khoảng đo.Hoặc về mặt
toán học hàm Eo được xem là tuyến tính với nhiệt độ khi B,C≤ A.
Tóm lại: suất điện động được xem là tuyến tính với nhiệt độ
trong khoảng làm việc nào đó tùy theo cấu tạo của từng loại kim
loại để làm cặp nhiệt.
• Cấu tạo :
Cặp nhiệt điện được chế tạo bằng hai sợi kim loại khác nhau
,và có ít nhất là hai mối nối.Một đầu được giữ ở nhiệt độ chuẩn gọi
là đầu ra đầu còn lại tiếp xúc với đối tượng đo.

Cặp nhiệt điện có cực dương và cực âm,cực dương thường
đánh dấu màu đỏ
Tùy theo vật liệu chế tạo ,cặp nhiệt điện được phân thành
các loại sau:

Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

14 SV:Võ Quang Hậu



• Vật liệu cấu tạo
Về nguyên tắc ,khi đốt nóng mối hàn của hai kim loại bất kỳ
đều phát sinh một suất điện động nhiệt .Nhưng không phải tất cả
các kim loại và hợp kim nào cũng đều dùng làm cặp nhiệt
được.Vật liệu làm cặp nhiệt điện đòi hỏi một số yêu cầu sau:
+ độ tinh khiết cao
+ tính chống ăn mòn tốt
+ độ nóng chảy cao hơn nhiệt môi trường cần đo
+ một số tính chủ yếu như dẫn điện ,dẫn nhiệt tốt
+ tính lặp lại trong khoảng một thời gian dài
Ngoài ra độ chính xác của cặp nhiệt điện còn phụ thuộc vào
độ chính xác chế tạo và lý tính của môi trường đo.
• Cách sử dụng:
Để cặp nhiệt độ có thể làm việc tốt và lâu bền ,khi sử dụng
cần lưu ý:
+ Cặp nhiệt điện cần có vỏ bảo vệ để chống tác động xâm thực

của môi trường yêu cầu đối với vỏ bọc là cách điện nhưng
không cách nhiệt.
+ Phải đặt cặp nhiệt ở nơi thích hợp vì thường là nhiệt không
phân bố đều.
+ Vò trí lắp đặt phải tránh chổ có từ trường ,điện trường mạnh.
+Để cặp nhiệt thẳng đứng đề phòng ống bảo vệ bò biến dạng do
nhiệt cao.
20
40
30
50
10

1800 1400 1000 600 200
60
T (
0
C)
70
E(mV)
R
J

T
K
S
E
B
E
J

K
T
E: Chromel/constantan
J: Sắt/constantan
T: Đồng/constantan
K: Chromel/Alumel
R: Platin-Rodi(13%)/Platin
S: Platin-Rodi(10%)/Platin
B: Platin-Rodi(30%)/Platin-Rodi(6%)

Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

15 SV:Võ Quang Hậu


+Nên lắp đặt dây bù vào ống sắt nối đất để tránh nhiễu .
2.Nhiệt kế điện trở:
Nguyên lý làm việc của nhiệt kế là dựa vào sự thay đổi điện
trở theo nhiệt độ của các vật liệu dẫn điện.
2.1.Nhiệt điện trở kim loại:
• Cấu tạo:
Vật liệu cấu tạo điện trở kim loại đòi hỏi các yêu cầu sau:
+ Hệ số nhiệt lớn
+ Điện trở suất lớn
+ Tính ổn đònh lý hóa tốt
+ Tính thuần khiết
• Độ nhạy:

Độ nhạy S của nhiệt điện trở kim loại có dạng sau:

Rα
R
∆R
S ×==

α : là hệ số nhiệt điện trở.
R
o
: là điện trở ở 0
o
C.
• Hệ số nhiệt điện trở:
Hệ số nhiệt điện trở của kim loại sẽ tính như sau:

dT
R
dR
×
=
α

Hệ số nhiệt α phụ thuộc vào tính đồng nhất của kim loại .
2.2.Nhiệt điện trở bán dẫn:
Thay đổi nhiệt độ được chế tạo bằng chất bán dẫn thường gọi
là Thermistor
Thành phần chính của thermistor là bột của các oxyt kim loại
như Máy nghiền bi,Fe,Ni…,hoặc các hổn hợp tinh chế như MgAl
2

O
4
,Zn
2
TiO
4
…
• Phân loại:
Nhiệt điện trở bán dẫn được chia thàn hai loại :

Nhiệt điện trở Pct :là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt dương
,nghóa là nhiệt độ tăng thì R giảm.

Nhiệt điện trở Nct: thành phần chính là bột kim loại như:
MnAl
2
O
4
và Zn
2
TiO
4
.Độ tin cậy của nhiệt điện trở bán dẫn phụ
thuộc vào độ tinh khiết của vật liệ chế tạo .Nct thường có hình
dạng như:dạng hạt ,dạng dóa ,dạng khoen.
• Hệ số thu nhiệt độ:
Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà


16 SV:Võ Quang Hậu


Thermistor sẽ bò đốt nóng khi khi nhiệt độ môi trường xung
quanh tăng từ nhiệt độ T0 đến T ,như vậy là nhiệt điện trở đã tiêu
thụ được một công suất theo công thức như sau:
W= C(T-T
0
)
C : là hệ số thu nhiệt của điện trở :là năng lượng cần thiết để
làm tăng nhiệt độ của Thermistor lên 1
o
C so với nhiệt độ xung
quanh,có đơn vò là wm/
o
C .
• Cách sử dụng:
Khi sử dụng nhiệt kế không nên dùng nhiệt điện trở ở nhiệt
độ quá cao hay qúa thấp làm cơ cấu tinh thể kim loại thay đổi
,cũng không nên để nơi quá ẩm sẽ tạo điều kiện cho điện trở rỉ
không kiểm soát được .Không nên đặt điện trở kim loại nơi có
chấn động rung hay va đập .
• Các ưu điểm: có độ chính xác cao,có thể kết nối với máy
tính…
3.IC cảm biến nhiệt độ:
Đây là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển đổi
thành điện ,cho phép đo được ở dạng biến áp hay dòng.
Một số loại IC cảm biến thông dụng:LX5700, LX135, LM235,
LM335, AD590, LM134,…

Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

17 SV:Võ Quang Hậu



CHƯƠNG 3 :
GIỚI THIỆU VI XỮ LÝ AT 89C52





I. GIỚI THIỆU CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỌ MSC-51 (8951):

-Đặc điểm và chức năng hoạt động của các IC họ MSC-51
hoàn toàn tương tự như nhau. Ở đây giới thiệu IC8951 là một họ IC
vi điều khiển do hãng Intel của Mỹ sản xuất. Chúng có các đặc
điểm chung như sau:
Các đặc điểm của 8952 được tóm tắt như sau :
√ 8 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 lí Boolean (hoạt động trên bit đơn).
√ 210 vò trí nhớ có thể đònh vò bit.
√ 4 µs cho hoạt động nhân hoặc chia.
√ 3 Bộ đònh thời timer.
Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

18 SV:Võ Quang Hậu


Sơ đồ khối của 8951:

INT1\
INT0\
OTHER
REGISTER
128 byte
RAM
128 byte
RAM
8051\8052

ROM
4K: 8031
4K: 8051
EPROM
4K: 8951
INTERRUPT
CONTROL

SERIAL PORT
TIMER 0
TIMER 1
TIME 2

CPU
OSCILATOR
BUS
CONTROL
I/O PORT
SERIAL
PORT
EA\

RST
ALE\
PSEN\
P
0
P
1
P
2
P
3

Address\Data
TXD RXD
TIMER 2

TIMER1

TIMER1

Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

19 SV:Võ Quang Hậu


II. KHẢO SÁT SƠ ĐỒ CHÂN 89C52, CHỨC NĂNG TỪNG CHÂN:
1.Sơ đồ chân 8951:
30pF


30pF











Sơ đồ chân IC 8951

2. Chức năng các chân của 8951:
- 8951 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất
nhập. Trong đó có 24 chân có tác dụng kép (có nghóa 1 chân có 2

chức năng), mỗi đường có thể hoạt động như đường xuất nhập
hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của các bus dữ liệu
và bus đòa chỉ.
a.Các Port:
 Port 0 :


32 AD7
33 AD6
34 AD5
35 AD4
36 AD3
37 AD2
38 AD1
39 AD0


8
7
6
5
4
3
2
1


28 A15
27 A14
26 A13

25 A12
24 A11
23 A10
22 A9
21 A8

40
Vcc
XTAL.1

XTAL.2

PSEN\

ALE

EA\

RST







Vss

P0.7
P0.6

P0.5
P0.4
P0.3
P0.2
P0.1
P0.0


P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1
P1.0


P2.7
P2.6
P2.5
P2.4
P2.3
P2.2
P2.1
P2.0

18
19
12 MHz

P3.7
P3.6
P3.5
P3.4
P3.3
P3.2
P3.1
P3.0


17

16

15

14

13

12

11

10



RD

WR
T1
T0
INT1
INT0
TXD
RXD

8951
29
30
31
9
20
Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

20 SV:Võ Quang Hậu


- 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 như các đường IO. Đối với các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở
rộng, nó được kết hợp giữa bus đòa chỉ và bus dữ liệu.


 Port 1:
- Port 1 là port IO trên các chân 1-8. Các chân được ký hiệu

P1.0, P1.1, P1.2, … có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bò ngoài
nếu cần. Port 1 không có chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được
dùng cho giao tiếp với các thiết bò 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 đòa chỉ
đối với các thiết bò 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:
Bit Tên Chức năng chuyển
đổi
P3.0 RXT Ngõ vào dữ liệu nối tiếp.
P3.1 TXD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp.
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
INT0\
INT1\
T0
T1
WR\

RD\
Ngõ vào ngắt cứng thứ 0.
Ngõ vào ngắt cứng thứ 1.
Ngõ vào của TIMER/COUNTER
thứ 0.
Ngõ vào của TIMER/COUNTER
thứ 1.
Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ
ngoài.
Tín hiệu đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài.


. 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 nhớ chương trình mở rộng thường được nói đến chân 0E\
(output enable) của Eprom cho phép đọc các byte mã lệnh.
- PSEN ở mức thấp trong thời gian Microcontroller 8951 lấy
lệnh. Các mã lệnh của chương trình được đọc từ Eprom qua bus dữ
Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

21 SV:Võ Quang Hậu


liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh bên trong 8951 để giải mã

lệnh. Khi 8951 thi hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ở
mức 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 đòa chỉ và bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và
đòa chỉ. Tín hiệu ra ALE ở chân thứ 30 dùng làm tín hiệu điều khiển
để giải đa hợp các đường đòa chỉ 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 đóng vai trò là đòa chỉ thấp nên chốt đòa 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. Chân ALE 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 ROM nội trong
khoảng đòa chỉ thấp 8 Kbyte. Nếu ở mức 0, 8951 sẽ thi hành
chương trình từ bộ nhớ mở rộng. Chân EA\ được lấy làm chân cấp
nguồn 21V khi lập trình cho Eprom trong 8951.


 Ngõ tín hiệu RST (Reset) :
-Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset của 8951. Khi ngõ
vào tín hiệu này đưa lên cao ít nhất là 2 chu kỳ máy, các thanh ghi

bên trong được nạp những giá trò thích hợp để khởi động hệ thống.
Khi cấp điện mạch tự động Reset.


 Các ngõ vào bộ dao động X1, X2:
- Bộ dao động được tích hợp bên trong 8951, khi sử dụng 8951
người thiết kế chỉ cần kết nối thêm thạch anh và các tụ như hình
vẽ trong sơ đồ. Tần số thạch anh thường sử dụng cho 8951 là
12Mhz.
 Chân 40 (Vcc) được nối lên nguồn 5V.
III. CẤU TRÚC BÊN TRONG VI ĐIỀU KHIỂN
1. Tổ chức bộ nhớ:

Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

22 SV:Võ Quang Hậu


FFFF FFFF
FF

00

On - Chip 0000 0000
Memory

External Memory

Bảng tóm tắt các vùng nhớ 8951.

7F



FF




F0

F7 F6

F5

F4

F3

F
2

F1

F0

B
RAM đa dụng




E0

E7 E6

E5

E4

E3

E
2

E1

E0

ACC

D0

D7 D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

PSW




30

B8

- -

-

BC

BB

B
A

B9

B8

IP
2F

7F

7E

7D

7C

7B

7A

79

78



2E

77

76

75

74

73

72

71

70


B0

B7 B6

B5

B4

B3

B2

B1

B0

P.3
2D

6F

6E

6D

6C

6B

6A

69

68



2C

67

66

65

64

63

62

61

60


A8

AF AC

AB

AA

A9

A8

IE
2B

5F

5E

5D

5C

5B

5A

59

58



2A

57

56

55

54

53

52

51

50


A0

A7 A6

A5

A4

A3

A2

A1

A0

P2
29

4F

4E

4D

4C

4B

4A

49

48





CODE
Memory


Enable
via

PSEN

DATA
Memory


Enable
via
RD & WR

Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

23 SV:Võ Quang Hậu


28

47

46

45

44

43

42

41

40


99

không được đòa chỉ hoá bit SBUF

27

3F

3E

3D

3C

3B

3A

39

38

98

9F 9E

9D

9C

9B

9A

99

98

SCON

26

37

36

35

34

33

32

31

30



25

2F

2E

2D

2C

2B

2A

29

28


90

97 96

95

94

93

92

91

90

P1
24

27

26

25

24

23

22

21

20



23

1F

1E

1D

1C

1B

1A

19

18


8D

không được đòa chỉ hoá bit TH1
22

17

16

15

14

13

12

11

10


8C

không được đòa chỉ hoá bit TH0
21

0F

0E

0D

0C

0B

0A

09

08


8B

không được đòa chỉ hoá bit TL1
20

07

06

05

04

03

02

01

00


8A

không được đòa chỉ hoá bit TL0
1F

Bank 3

89

không được đòa chỉ hoá bit TMOD

18



88

8F 8E

8D

8C

8B

8A

89

88

TCON

17

Bank 2

87

không được đòa chỉ hoá bit PCON

10




0F

Bank 1

83

không được đòa chỉ hoá bit DPH

08



82

không được đòa chỉ hoá bit DPL

07

Bank thanh ghi 0

81

không được đòa chỉ hoá bit SP
00

(mặc đònh cho R0 -R7)

88

87 86

85

84

83

82

81

80

P0

CÁC THANH GHI CHỨC NĂNG ĐẶC BIỆT
- Bộ nhớ trong 8951 bao gồm ROM và RAM. RAM trong 8951
bao gồm nhiều thành phần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ đòa
chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng
đặc biệt.
- 8951 có bộ nhớ 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 8951 vẫn có thể kết nối với 64K
byte bộ nhớ chương trình và 64K byte dữ liệu.

Hai đặc tính cần chú ý la ø:
 Các thanh ghi và các port xuất nhập đã được đònh vò (xác
đònh) trong bộ nhớ và có thể truy xuất trực tiếp giống như các
đòa chỉ bộ nhớ khác.
 Ngăn xếp bên trong Ram nội nhỏ hơn so với Ram ngoại như
trong các bộ Microcontroller khác.
RAM bên trong 8951 được Phân chia như sau:
 Các bank thanh ghi có đòa chỉ từ 00H đến 1FH.
 RAM đòa chỉ hóa từng bit có đòa chỉ từ 20H đến 2FH.
Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

24 SV:Võ Quang Hậu


 RAM đa dụng từ 30H đến 7FH.
 Các thanh ghi chức năng đặc biệt từ 80H đến FFH.
 RAM đa dụng:

- Mặc dù trên hình vẽ cho thấy 80 byte đa dụng chiếm các đòa
chỉ từ 30H đến 7FH, 32 byte dưới từ 00H đến 1FH cũng có thể
dùng với mục đích tương tự (mặc dù các đòa chỉ này đã có mục
đích khác).
- Mọi đòa chỉ trong vùng RAM đa dụng đều có thể truy xuất tự do
dùng kiểu đòa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp.
 RAM có thể truy xuất từng bit:
- 8951 chứa 210 bit được đòa chỉ hóa, trong đó có 128 bit có
chứa các byte có chứa các đòa chỉ từ 20F đến 2FH và các bit còn
lại chứa trong nhóm thanh ghi có chức năng đặc biệt.
- Ý tưởng truy xuất từng bit bằng phần mềm là các 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 hỏi một chuổi lệnh đọc – sửa - ghi để đạt được mục đích
tương tự. Ngoài ra các port cũng có thể truy xuất được từng bit.
- 128 bit truy xuất từng bit này cũng có thể truy xuất như các
byte hoặc như 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 đến R7 và theo
mặc đònh sau khi reset hệ thống, các thanh ghi này có các đòa chỉ
từ 00H đến 07H.
- Các lệnh dùng các thanh ghi RO đến R7 sẽ ngắn hơn và
nhanh hơn so với các lệnh có chức năng tương ứng dùng kiểu đòa
chỉ trực tiếp. Các dữ liệu được dùng thường xuyên nên dùng một
trong các thanh ghi này.
- Do có 4 bank thanh ghi nên tại một thời điểm chỉ có một bank
thanh ghi được truy xuất bởi các thanh ghi RO đến R7 để chuyển
đổi việc truy xuất các bank thanh ghi ta phải thay đổi các bit chọn
bank trong thanh ghi trạng thái.

2. Các thanh ghi có chức năng đặc biệt:
- Các thanh ghi nội của 8951 được truy xuất ngầm đònh bởi bộ
lệnh.
- Các thanh ghi trong 8951 được đònh dạng như một phần của
RAM trên chip vì vậy mỗi thanh ghi sẽ có một đòa chỉ (ngoại trừ
Luận n Tốt Nghiêp
Thiết Kế Kit Điều Khiển Nhiệt Độ

GVHD TS:(cô)Nguyễn Thò Phương Hà

25 SV:Võ Quang Hậu


thanh ghi bộ đếm chương trình và thanh ghi lệnh vì các thanh ghi
này hiếm khi bò tác động trực tiếp). Cũng như R0 đến R7, 8951 có
21 thanh ghi có chức năng đặc biệt (SFR: Special Function
Register) ở vùng trên của RAM nội từ đòa chỉ 80H đến FFH.
Chú ý: tất cả 128 đòa chỉ từ 80H đến FFH không được đònh
nghóa, chỉ có 21 thanh ghi có chức năng đặc biệt được đònh nghóa
sẵn các đòa chỉ.
- Ngoại trừ thanh ghi A có thể được truy xuất ngầm như đã nói, đa
số các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFR có thể đòa chỉ hóa
từng bit hoặc byte.
• Thanh ghi trạng thái chương trình (PSW: Program Status Word):

Từ trạng thái chương trình ở đòa chỉ D0H được tóm tắt như
sau:
BIT SYMBO
L
ADDRESS DESCRIPTION