thiết kế mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051

Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
MỤC LỤC:
Lời mở đầu ……………………………………………………….……… 4
Chương I: Tổng quan về các khối.
I. Sơ đồ và chức năng từng khối………………………… …… 5
Chương II: Thiết kế khối nguồn
I. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ……………….………………7
II. Nguyên tắc hoạt động của mạch … … …………………… 8
Chương III: Thiết kế khối cảm biến
I. Bộ cảm biến… ……………………………………… 11
II. Tính toán nhiệt độ …….…………………………… ……….13
Chương IV: Thiết kế bộ chuyển đổi ADC
I Giới thiệu về ADC 0804……………………………………… 15
II Các phương pháp chuyển đổi ADC 17
Chương V : Thiết kế khối vi xử lý
I Một số loại Vi điều khiển được dùng phổ biến hiện nay… 21
II Tìm hiểu về AT89C51………………………………… 22
III Chức năng các chân của AT89C51…… ……………………23
IV Cấu trúc bên trong của vi điều khiển AT89C51…….………25
Chương VI : Thiết kế khối hiển thị Led 7 thanh……………….…………….35
Chương VII: Mạch nguyên lý tổng quát và.Chương trình điều khiển hệ thống
I Sơ đồ nguyên lý và thuật toán……………………… … …… 38
II. Chương trình điều khiển ………………………… ………… 44


Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 1 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC KHỐI
I. SƠ ĐỒ VÀ CHỨC NĂNG TỪNG KHỐI

Hình 1. 1. Sơ đồ khối mạch đo lường nhiệt độ dùng 8051
Nhiệm vụ của từng khối:
- Khối nguồn : Cung cấp điện cho hệ thống.Ở đây chúng em dùng nguồn cung cấp cho
toàn bộ hệ thống là điện áp 5V được chỉnh lưu từ nguồn điện áp 9V.
Thông số chính của mạch:
- Điện áp đầu vào từ 9V
- Điện áp đầu ra là 5V– 1A
Các linh kiện trong mạch :
- Máy biến áp 220VAC/9VDC
- Diode 3A
- Có hai tụ điện phân cực C1 = 2200
µ
F/25V và C2 = 1000
µ
F/25V
- IC ổn áp 7805
- Khối vi xử lý: Điều hành mọi hoạt động của hệ thống.Các tín hiệu được đưa đến Vi điều
khiển AT89C51 để xử lý rồi đưa ra hiển thị trên led 7 thanh.
Đặc điểm của AT89C51 như sau:
+ 4kB EPROM bên trong
+ 128 Byte RAM nội
+ Giao tiếp nối tiếp
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 2 -
Khối xử lý
( CPU)
ADC

Nguồn
Led 7
đoạn

Cảm
biến
LM 35
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
+ 64kB vùng nhớ mã ngoài
+ 64kB vùng nhớ dữ liệu ngoài
+ Xử lý Boolean (hoạt động trên bit đơn)
+ 210 vị trí nhớ có thể định vị bit
+ 4
s
µ
cho hoạt động nhân hoặc chia
- Khối cảm biến: Để đo nhiệt độ được 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.
Dựa vào lý thuyết và thực tế của mạch cần thiết kế ta dùng phương pháp đo bằng IC cảm
biến nhiệt độ. Các IC cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, dễ tìm và giá thành rẻ. IC
LM35 là loại thông dụng hay dùng hiện nay.
- Khối ADC: Chuyển đổi tương tự sang số. Bộ ADC 0804 là một thiết bị CMOS tích hợp
với một bộ chuyển đổi từ tương tự sang số 8 bít, bộ chọn 8 kênh và một bộ logic điều
khiển tương thích. Bộ chuyển đổi ADC 8 bit dùng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ. Bộ
chọn kênh có thể truy xuất bất kỳ kênh nào trong các ngõ vào tương tự một cách độc lập.
* Các đặc điểm của ADC 0804 :
- Chuẩn hóa theo thang đo nhiệt độ Cesius
- Dòng tiêu thụ rất nhỏ cỡ 60 µA nên nhiệt độ tự tỏa rất nhỏ hầu như không ảnh hưởng
đến kết quả đo
- Sai số nhỏ chỉ khoảng 0.5
0
C
- Thời gian chuyển đổi : 100µs ở tần số 640 khz .

- Điện áp làm việc từ 4V đến 30V
- Tần số xung clock 10 khz – 1280 khz.
- Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý hoặc dùng riêng.
- Khối hiển thị : Hiển thị nhiệt độ của môi trường.
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 3 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ KHỐI NGUỒN
I. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn
Hình 2. 1. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn
Thông số chính của mạch:
- Điện áp đầu vào từ 9V đến 24V
- Điện áp đầu ra là 5V– 1A
Các linh kiện trong mạch :
- Máy biến áp 220VAC/12VDC
- Diode 3A
- Có hai tụ điện phân cực C1 = 2200
µ
F/25V và C2 = 1000
µ
F/25V
- Ổn áp 7805
- Dạng tín hiệu điện sau khi chỉnh lưu
Hình 2. 2. Tín hiệu điện áp vào
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 4 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
Hình 2. 3. Tín hiệu sau khi chỉnh lưu
II. Nguyên tắc hoạt động của mạch
1. Linh kiện ổn áp 7805

Trên thực tế thì linh kiện ổn áp 7805 được dùng rất nhiều trong các mạch điều khiển dùng
để ổn định cho mạch.Với ưu điểm là dễ ghép nối, dễ thiết kế với chi phí thấp ,nguồn đầu
ra ổn định. Nhược điểm của nó là công suốt đầu ra khá thấp (1A) và hoạt động không ổn
định khi có nhiễu bên ngoài .Hoạt động ở nhiệt độ khá cao là từ 0
0
C – 125
0
C

Hình 2.4. Linh kiện 7805
* 7805 có 3 chân cho ta kết nối với nó : Chân 1 là chân nguồn đầu vào ,chân 2 là chân
GND ,chân 3 là chân lấy điện áp ra .
+ Chân 1- 2 (Chân điện áp đầu ra ) :Đây là chân cấp nguồn đầu vào cho 7805 hoạt
động.Giải điện áp cho phép đầu vào lớn nhất là 40V.Theo Datasheep thì giải điện áp đầu
ra là 5V nên ta cho điện áp đầu vào là 12V để mạch lúc nào cũng hoạt động ổn định điện
áp không bị lên xuống do nguồn đầu vào .
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 5 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
+ Chân 3(Chân điện áp đầu ra ): Chân này cho chúng ta lấy điện áp đầu ra ổn định
5V.Đảm bảo đầu ra ổn định luôn nằm trong giải từ 4.75V đến 5.25V.
* Đảm bảo thông số :Vi – V
0
> 3V.Thông số này phải luôn đảm bảo khi cấp nguồn cho
7805.Tức là điện áp cấp vào cho 7805 phải nằm trong giải 8V đến 40V.Nếu mạch cấp
nguồn dưới 8V thì mạch ổn áp không còn tác dụng.Thông thường người ta không bao giờ
cấp nguồn 8V vào cả mà người ta cấp nguồn lớn gấp đôi nguồn đầu ra để tránh trường
hợp sụt áp đầu vào sinh ra nguồn đầu ra không ổn định trong thời gian ngắn .
* Đảm bảo tản nhiệt tốt cho 7805 khi chạy với tải.Khi công suốt tăng lên thì do 7805 là
linh kiện bán dẫn nên công suất rất mỏng khi tải lớn.Để tranh hỏng linh kiện thì và cho

linh kiện hoạt động trong nhiệt độ bình thường thì cần phải tản nhiệt tốt .
2. Thành phần lọc nguồn và lọc nhiễu
* Như chúng ta đã biết các tụ C
1
và C
2
là

các tụ hóa dùng để lọc điện áp .Vì đây là điện áp
một chiều nhưng chưa được phẳng vấn còn các gợn nhấp nhô nên các tụ này các tác dụng
lọc nguồn cho điện áp một chiều phẳng.
+ Tụ C
1
là tụ lọc nguồn đầu vào cho 7805. Tín hiệu điện áp xoay chiều sau khi được
chỉnh lưu thành tín hiệu một chiều do đầu ra vẫn chưa ổn định ,tín hiệu ra đang còn nhấp
nhô vì vậy ta dùng tụ hóa có điện dung đủ lớn để để lọc phẳng điện áp đầu vào. Tụ C
1
có
điện áp chịu đựng phải lớn hơn điện áp đầu vào.
+ Tụ C
2
là tụ lọc nguồn đầu ra cho 7805 . Điện áp sau khi qua ổn áp 7805 thì vẫn còn
chưa được bằng phẳng do đó ta phải dùng tụ C
2
để lọc nguồn đầu ra cho bằng phẳng .
+ Tụ C
1
phải có giá trị điện dung lớn hơn giá trị

tụ C

2.


+ Tụ C
3
và tụ C
4
có tác dụng ổn định cho 7805 trước và sau khi tín hiệu đi qua 7805.
3.Thành phần chỉnh lưu
Diode bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện đi qua
nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của các chất bán
dẫn . Diode chỉ dẫn điện theo một chiều từ Anode sang Cathode. Theo nguyên lý dòng
điện chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, muốn có dòng điện qua diode
theo chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, cần phải đặt ở Anode một điện
thế cao hơn ở Cathode. Khi đó ta có U
AK
> 0 và ngược chiều với điện áp tiếp xúc (U
TX
).
Như vậy muốn có dòng điện qua diode thì điện trường do U
AK
sinh ra phải mạnh hơn điện
trường tiếp xúc, tức là: U
AK
> U
TX
. Khi đó một phần của điện áp U
AK
dùng để cân bằng
với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V), phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua diode.

Khi U
AK
> 0, ta nói diode phân cực thuận và dòng điện qua diode lúc đó gọi là dòng điện
thuận (thường được ký hiệu là IF tức IFORWARD hoặc ID tức IDIODE). Dòng điện
thuận có chiều từ Anode sang Cathode.
Khi U
AK
đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì diode trở nên dẫn điện rất tốt, tức là điện
trở của diode lúc đó rất thấp (khoảng vài chục
Ω
). Do vậy phần điện áp để tạo ra dòng
điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân bằng với U
TX
. Thông
thường phần điện áp dùng để cân bằng với U
TX
cần khoảng 0.6V và phần điện áp tạo dòng
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 6 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
thuận khoảng 0.1V đến 0.5V tùy theo dòng thuận vài chục mA hay lớn đến vài Ampere.
Như vậy giá trị của U
AK
đủ để có dòng qua diode khoảng 0.6V đến 1.1V. Ngưỡng 0.6V là
ngưỡng diode bắt đầu dẫn và khi U
AK
= 0.7V thì dòng qua diode khoảng vài chục mA.
Nếu diode còn tốt thì nó không dẫn điện theo chiều ngược Anode sang Cathode. Thực tế
là vẫn tồn tại dòng ngược nếu diode bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn. Tuy nhiên
dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ μA) và thường không cần quan tâm trong các ứng dụng công

nghiệp. Mọi diode chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược nhưng nếu điện áp
ngược quá lớn (V
BR
là ngưỡng chịu đựng của Diode) thì diode bị đánh thủng, dòng điện
qua diode tăng nhanh và đốt cháy diode. Vì vậy khi sử dụng cần tuân thủ hai điều kiện
sau đây:
- Dòng điện thuận qua diode không được lớn hơn giá trị tối đa cho phép (do nhà sản xuất
cung cấp, có thể tra cứu trong các tài liệu của hãng sản xuất để xác định).
- Điện áp phân cực ngược (tức U
KA
) không được lớn hơn V
BR
(ngưỡng đánh thủng của
diode do nhà sản xuất cung cấp).

Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 7 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ KHỐI CẢM BIẾN
I. Bộ cảm biến :
a. Một số tính chất cơ bản của LM35 :
Có độ biến thiên nhiệt độ : 10mV/ 1
0
C
Độ chính xác cao , tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy , ở nhiệt độ 25
0
C nó có sai số
không quá 1% . Với tầm đo từ -55
0
C đến 150

0
C,tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục với
những thay đổi của tín hiệu ngõ vào.
Thông số kỹ thuật :
- Tiêu tán công suất thấp.
- Dòng làm việc từ : 0,4mA- 5mA
- Dòng ngược 15mA
- Dòng thuận 10mA
Độ chính xác: khi làm việc ở nhiệt độ 25C với dòng làm việc 1mA thì điện áp ngõ ra từ
2,94V – 3,04V.
* Khối cảm biến đầu vào gồm có 3 điểm
Đây là những khối cảm biến để đo nhiệt độ môi trường sử dụng LM35.Các đầu ra của
cảm biến được đưa vào bộ MUX. Các đặc điểm chung của cảm biến nhiệt độ LM35 như
sau:
Hình 3. 2. Linh kiện LM35
+ Chân 1 : Chân nguồn đầu vào V
cc

+ Chân 2 : Chân đầu ra V
out

+ Chân 3 : Chân nối đất GND
Cảm biến LM 35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp
chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ thuận tuyến
tính với nhiệt độ theo thang đo Celsius . Chúng cũng
không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được căn
chỉnh
Đặc điểm chính của cảm biến LM35
+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V
+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/

0
C
+ Độ chính xác cao ở 25
0
C là 0.5
0
C
+Trở kháng đầu ra thấp 0.1mA cho đến 1mA
Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55
0
C đến 150
0
C với các mức điện áp khác nhau.
Xét một số mức điện áp sau:
- Nhiệt độ -55
0
C điện áp đầu ra là -550mV
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 8 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
- Nhiệt độ 25
0
C điện áp đầu ra là 250mV
- Nhiệt độ 150
0
C điện áp đầu ra là 1500mV
Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp.Đối với hệ thống này thì
đo từ 0
0C
đến 150

0
C
* Nguyên lý hoạt động của LM35
- LM35 hoạt động theo nguyên lý hiệu ứng nhiệt điện.
- LM35 nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện dưới dạng dòng điện hay điện
áp.
- Khi ta cấp một nguồn V
s
cho LM35, dưới tác động của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và
các lỗ trống trong bán dẫn.
- Bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua vùng cấu
trúc mạng tinh thể tạo sự xuất hiện lỗ trống.
- Đo tín hiệu điện ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo.
b. Thiết kế cụ thể mạch cảm biến dùng LM35
+ Sơ đồ mạch:
Hình 3.2. Sơ đồ cấu tạo của LM35
+ Tính toán và chọn linh kiện :
Ta có:
mAIr 5400 <<
µ

⇔

mA
R
V
A 5
05
400 <
−

<
µ

⇔

A
V
RA
µ
µ
400
05
400
−
<<
Vì: 2,73V
≤
Vo
≤
3,73V(1)
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 9 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
Nên: 254< R< 5,7k mặt khác, theo thông số của nhà sản xuất điện áp trên LM35 tại T
C
=
25
0
C, I
R

= 1mA thì V
0
=2,98(V), ta có:


mA
R
A 5
98.25
400 <
−
<
µ
(2)
Từ (1) và (2): chọn R=2,2 k
Ω
Chọn biến trở chỉnh offset V
R
= 15k
Ω
II. Tính toán nhiệt độ
a.Sơ đồ khối
Ta có:
U = t.K (V)
Trong đó : - U là điện áp đầu ra của LM35
- K = 10mV/
0
C
- t là nhiệt độ môi trường (
0

C)
=> U = t.10mV/
0
C (V)
Có ADC = 11 bit => n = 11
Dải đo : A = [0- 5] V
Bước thay đổi : n = 5/2048 = 2.44mV
Giá trị ADC đo được từ giá trị điện áp đầu vào:
ADC_value = U/n = (t*10mV)/2.44mV
Giá trị nhiệt độ đo được :
t = (ADC_value *2.44)/10 (
0
C)
b. Sai số hệ thống đo
+ Tại 0
0
C thì điện áp của LM35 là 10mV
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 10 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
+ Tại 150
0
C thì điện áp của LM35 là 1.5V
 Giải điện áp ADC biến đổi là 1.5 – 0.01 = 1.49
+ ADC 11 bit nên bước thay đổi của ADC là : n = 2.44mV
Vậy sai số của hệ thống đo là : V = 0.00244/1.49 = 0.164 %
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 11 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI ADC

I. Giới thiệu về ADC 0804 :
Bộ ADC 0804 là một thiết bị CMOS tích hợp với một bộ chuyển đổi từ tương tự sang số
8 bít, bộ chọn 8 kênh và một bộ logic điều khiển tương thích. Bộ chuyển đổi ADC 8 bit
dùng phương pháp chuyển đổi xấp xỉ. 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 điều chỉnh điểm 0 bên ngoài và khả năng điều chỉnh tỉ
số làm tròn ADC 0804 dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lý.
Hình4.1. ADC0804
* Ý nghĩa các chân:
o INo đến IN7 : 8 ngõ vào tương tự.
o A,B,C : giải mã chọn một trong 8 ngõ vào
o Z
-1
: ngõ ra song song 8 bit
o ALE : cho phép chốt địa chỉ
o Start : xung bắt đầu chuyển đổi
o CLK : xung đồng hồ
o REF(+) : điện thế tham chiếu (+)
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 12 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
o REF(-) : điện thế tham chiếu (-)
o VCC : nguồn cung cấp
* Các đặc điểm của ADC 0804 :
- Chuẩn hóa theo thang đo nhiệt độ Cesius
- Dòng tiêu thụ rất nhỏ cỡ 60 µA nên nhiệt độ tự tỏa rất nhỏ hầu như không ảnh hưởng
đến kết quả đo
- Sai số nhỏ chỉ khoảng 0.5
0
C

- Thời gian chuyển đổi : 100µs ở tần số 640 khz .
- Điện áp làm việc từ 4V đến 30V
- Tần số xung clock 10 khz – 1280 khz.
- Dễ dàng giao tiếp với vi xử lý hoặc dùng riêng.
2. Nguyên lý hoạt động :
ADC 0804 có 8 ngỏ 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 ngõ vào tương tự được
thực hiện nhờ 3 chân ADDa, ADDb, ADDc như bảng trạng thái sau:
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 13 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]

Sau khi tách 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 . 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 in.
+ Nếu Vin > V
ref
/2 thì bit MSB vẫn ở mức 1.
+ Nếu Vin < V
ref
/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 V
ref
/4 và
cũng so sanh với điện áp ngõ vào V
in
. 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 suốt quá trình chuyển đổi chân OE được đặt ở mức 1, muốn đọc dữ liệu ra chân OE
ở mức 0.
Trong suốt quá trình chuyển đổi nếu có 1 xung start tác động thì ADC sẽ ngưng chuyển
đổi.
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 14 -
A B C Ngõ vào được chọn
0 0 0 IN0
0 0 1 IN1
0 1 0 IN2
0 1 1 IN3
1 0 0 IN4
1 0 1 IN5
1 1 0 IN6
1 1 1 IN7
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
Mã ra N cho một ngõ vào tùy ý là 1 số nguyên.

)()(
)(
).(256
−+
−
−
−
=
VrefVref
VrefV
N
IN

Trong đó Vin: 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
)(
+
Vref
Vin
V
ref
(+) = Vcc +5V thì đầy thang là 256.
Giá trị nhỏ nhất :

Vậy với 256 bước Vin = 5V
Áp vào lớn nhất của ADC 0804 là 5v
II. Các phương pháp chuyển đổi ADC
1. Phương pháp tích phân
Phương pháp tích phân cũng giống như phương pháp chuyển đổi ADC dùng tín hiệu
dốc đôi. Cấu trúc mạch điện đơn giản hơn nhưng tốc độ chuyển đổi chậm.
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 15 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
Hình 4. 3. Sơ đồ nguyên lý của mạch chuyển đổi AD dùng phương pháp tích phân
Hoạt động

- Khi có xung start mạch đếm đưa về trạng thái Reset. Mạch logic điều khiển khóa K ở
vị trí 1, điện áp tương tự Vin được nạp vào tụ điên C với thời gian t
1
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 có logic điều khiển mở cổng cho xung clock vào mạch đếm. Sau khoảng thời
gian t
1
mạch đếm tràn mạch logic điều khiển khóa K.Ở vị trí 0, khi đó điện áp âm Vref
được đưa vào ngõ của mạch tích phân, tụ điện C xả điện với tốc độ không đổi, sau khoảng
thời gian t
2
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 thời gian xả điện t
2
mạch đếm vẫn tiếp tục đếm và kết quả của
mạch đếm là tín hiệu số cần chuyển đổi tương ứng với điện áp ngõ vào V
in
.
-Mối quan hệ giữa điện áp ngõ vào V
in
và điện áp chuẩn V
ref
với t
1
, t
2
t
2

= t
1
.V
in
/V
ref
t
1
= 2
n
/fck :Thời gian mạch đếm từ 0 đến khi tràn số
t
2
= N/fck :Thời gian mạch đếm từ khi tràn đến kết quả sau cùng.
2. Phương pháp ADC xấp xỉ liên tiếp(successtive. pproximation ADC)
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 16 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
Đây là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi. Tuy 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 .
Hình 4.2. Sơ đồ khối chuyển đổi ADC dùng phương pháp xấp xỉ liên tiếp
* Hoạt động
Khi tác động cạn xuống của xung start thay đổi thì ADC bắt đầu thay đổi.
-Mạch logic điều khiển bit có ý nghĩa lớn nhất (MSB) của thanh ghi điều khiển lên mức
cao và tất cả các bít còn lại ở mức thấp .Số nhị phân ra ở mạch thanh ghi điều khiển được
qua mạch DAC để tạo ra mức điện áp tham chiếu V’
a
.
Nếu V’

a
> V
a
thì điện áp ra của mạch so sánh xuống mức thấp, làm cho mạch logic
điều khiển xóa bit MSB xuống mức thấp .
Nếu V’
a
> V
a
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 ADC một điện áp tham chiếu V’
a
rồi đem so sánh tương tự như bit MSB ở trên.
Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi bit cuối cùng của thanh ghi điều khiển. Lúc đó V’
a
gần bằng V
a
ngõ ra của mạch logic điều khiển báo kết thúc chuyển đổi .
3. Phương pháp song song (paralled method)
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 17 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
Mạch ADC dùng nguyên tắc chuyển đổi song song hay còn gọi là phương pháp ADC
nhanh ,có cấu trúc chuyển mạch phức tạp nhưng tốc độ chuyển đổi rất cao. Trong vài
trường hợp người ta cần chuyển đổi ADC có tốc độ cao vì tín hiệu đầu vào biến đổi cực
nhanh nên cần phải có bộ ADC có tốc độ cao.

* Hoạt động :

Mạch hoạt động bao gồm khối so sánh và mạch mã hóa. Tín hiệu tương tự đưa vào
mạch so sánh cùng một lúc,các trạng thái ra của mạch so sánh được đưa vào các flip flop
D để đưa vào bộ mã hóa chính là đầu ra của mạch.
Mạch so sánh và mạch mã hóa là loại mạch có tốc độ cao nên tổng thời gian trễ chỉ
khoảng vài chục ns nhờ vậy sự chuyển đổi xẩy ra rất nhanh. Tuy nhiên với mạch ADC ở
3 bit thì nó đòi hỏi 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 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

Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 18 -

Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
CHƯƠNG V: THIẾT KẾ KHỐI XỬ LÝ
I. Một số loại Vi điều khiển được dùng phổ biến hiện nay
* Vi điều khiển AT89S51:Là một Vi điều khiển mạnh của Atmel được chế tạo theo công
nghệ Flash với các đặc điểm sau
+ 8kB EPROM bên trong
+ 256 Byte RAM nội
+ Giao tiếp nối tiếp
+ 64kB vùng nhớ mã ngoài
+ 64kB vùng nhớ dữ liệu ngoài
+ Xử lý Boolean (hoạt động trên bit đơn)
+ 210 vị trí nhớ có thể định vị bit
+ 4
s
µ
cho hoạt động nhân hoặc chia
* Vi điều khiển AT89C51
AT89C51 là một hệ vi tính 8 bit đơn chip CMOS có hiệu suất cao ,công suất nguồn tiêu
thụ thấp và có 4KB bộ nhớ ROM Flash xóa được lập trình được.Chip này được sản xuất
dựa vào công nghệ bộ nhớ không mất nội dung có độ tích hợp cao của Atmel
Đặc điểm của AT89C51 như sau:
+ 4kB EPROM bên trong
+ 128 Byte RAM nội
+ Giao tiếp nối tiếp
+ 64kB vùng nhớ mã ngoài
+ 64kB vùng nhớ dữ liệu ngoài
+ Xử lý Boolean (hoạt động trên bit đơn)
+ 210 vị trí nhớ có thể định vị bit
+ 4

s
µ
cho hoạt động nhân hoặc chia
Nhận xét: Vi điều khiển AT89S51 và AT89C51 có cấu trúc hoàn toàn giống nhau chỉ
khác nhau về bộ nhớ bên trong .Trong đồ án này nhóm chúng em sử dụng IC AT89C51
để làm mạch
II. Tìm hiểu về AT89C51
2.1.Sơ đồ chân AT89C51
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 19 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
Hình 5.3.Sơ đồ chân của IC AT89C51
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 20 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
Sơ đồ khối của AT89C51
Hình5.4. Sơ đồ khối của AT89C51
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 21 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
III. Chức năng các chân của AT89C51
AT89C51 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập.
Trong đó có 24 chân có tác dụng kép (có nghĩa là 1 chân có 2 chức năng), mỗi đường có
thể hoạt động như đường xuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần của
các bus dữ liệu và bus địa chỉ.
a. Các cổng xuất nhập
- Port 0: Port 0 là port có 2 chức năng ở các chân 32 - 39 của 89C51. Trong các
thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường I/O. Đối với
các thiết kế cỡ lớn có bộ nhớ mở rộng, nó được kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu.
- Port 1: Port 1 là port I/O trên các chân 1-8. Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1,

p1.2, p1.7 có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần. Port 1 không có
chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị bên ngoài.
- Port 2: Port 2 là 1 port có tác dụng kép trên các chân 21- 28 được dùng như các
đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở
rộng.
- Port 3: Port 3 là port có tác dụng kép trên các chân 10-17. Các chân của port này
có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của
8951 như ở bảng sau:
Bảng2 : Chức năng của các chân của Port 3
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 INT0\ Ngõ vào ngắt cứng thứ 0
P3.3 INT1\ Ngõ vào ngắt cứng thứ 1
P3.4 T0 Ngõ vào củaTIMER/COUNTER thứ 0
P3.5 T1 Ngõ vào củaTIMER/COUNTER thứ 1
P3.6 WR\ Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài
P3.7 RD\ Tín hiệu đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

b. 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 nối đến chân OE\ (Output Enable) của EPROM cho phép đọc các
byte mã lệnh.
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 22 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
PSEN ở mức thấp trong thời gian Microcontroller 89C51 lấy lệnh. Các mã lệnh
của chương trình được đọc từ EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh
bên trong AT89C51 để giải mã lệnh. Khi AT89C51 thi hành chương trình trong EPROM

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 địa chỉ và bus dữ
liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ. Tín hiệu ra ALE ở chân thứ 30 dùng
làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa 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
địa chỉ thấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động.
Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể
được dùng làm tín hiệu Clock cho các phần khác của hệ thống. Chân ALE được dùng làm
ngõ vào xung lập trình cho EPROM trong 89C51.
- Ngõ tín hiệu EA\ V
PP
(External Access):
Tín hiệu vào EA\V
PP
ở chân 31 thường được mắc lên mức 1 hoặc mức 0. Nếu ở
mức 1, AT89C51 thi hành chương trình từ EPROM nội trong khoảng địa chỉ thấp 4
Kbyte. Nếu ở mức 0, AT89C51 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng. Chân
EA\V
PP
được lấy làm chân cấp nguồn 12V khi lập trình cho EPROM trong AT89C51.
- Ngõ tín hiệu RST (Reset):
Ngõ vào RST ở chân 9 là ngõ vào Reset của AT89C51. 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 trị thích
hợp để khởi động hệ thống. Khi cấp điện mạch tự động Reset.
Hình 5.5.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:
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 23 -

Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
Bảng3 : Trạng thái các thanh ghi sau khi Reset
Thanh ghi Nội dung Thanh ghi Nội dung
Đếm chương trình 0000H IP XXX00000B
Tích lũy 00H IE 0XX00000B
B 00H Các thanh ghi định thời 00H
PSW 00H SCON 00H
SP 07H SBUF 00H
DPTR 0000H PCON(HMOS) 0XXXXXXXB
Port 0-3 FFH PCON(CMOS) 0XXX0000B
Quan trọng nhất trong các thanh ghi trên là thanh ghi đếm chương trình, nó được
đặt lại 0000H. Khi RST trở lại mức thấp, việc thi hành chương trình luôn bắt đầu ở địa chỉ
đầu tiên trong bộ nhớ trong chương trình: địa chỉ 0000H. Nội dung của RAM trên chip
không bị thay đổi bởi lệnh reset.
Các ngõ vào bộ dao động X1,X2:
Bộ dao động được được tích hợp bên trong 89C51, khi sử dụng 89C51 người thiết
kế chỉ cần kết nối thêm thạch anh và các tụ. Tần số thạch anh thường sử dụng cho 89C51
là 12Mhz. Chân 40 (Vcc) được nối lên nguồn 5V.
Hình 5. 6. Mạch tạo dao động thạch anh
IV. Cấu trúc bên trong của vi điều khiển AT89C51
a. Tổ chức bộ nhớ:
Bộ nhớ trong 8951 bao gồm EPROM và RAM. RAM trong 89C51 bao gồm nhiều thành
phần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi và các
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 24 -
Khoa Điện Tử -Đồ án môn học 1
[Year]
thanh ghi chức năng đặc biệt. Họ 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.
Bản đồ bộ nhớ Data trên chip như sau:
Hai đặc tính cần chú ý là:
- Các thanh ghi và các port xuất nhập đã được định vị (xác định) trong bộ nhớ và
có thể truy xuất trực tiếp giống như các địa 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 AT89C51 được phân chia như sau:
1 Các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H đến 1FH.
2 RAM địa chỉ hóa từng bit có địa chỉ từ 20H đến 2FH.
3 RAM đa dụng từ 30H đến 7FH.
+ Vùng RAM đa dụng:
Từ hình vẽ cho thấy 80 byte đa dụng chiếm các địa chỉ từ 30H đến 7FH, 32 byte
dưới từ 00H đến 1FH cũng có thể dùng với mục đích tương tự (mặc dù các địa chỉ này đã
có mục đích khác).Mọi địa chỉ trong vùng RAM đa dụng đều có thể truy xuất tự do dùng
kiểu địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp.
+ RAM có thể truy xuất từng bit:
Mạch đo nhiệt độ dùng họ IC 8051 Trang - 25 -