đồ án môn học mạch đo nhiệt độ hiển thị số

0




ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Tp HCM, tháng 12/2009


ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1



MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ HiỂN THỊ SỐ











GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN: cô ĐẶNG NGỌC HẠNH
SINH VIÊN: ĐÀO MINH VŨ 40603054
1

Lời cảm ơn

Cám ơn cô
Đặng Ngọc Hạnh đã
giúp đỡ và hướng dẫn
em trong suốt quá trình
thực hiện đồ án này.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Tp HCM, tháng 12/2009

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ HiỂN THỊ SỐ

SINH VIÊN: ĐÀO MINH VŨ 40603054
GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN: cô ĐẶNG NGỌC HẠNH

2





Nội dung


1. Lời nói đầu
2. Giới thiệu đề tài
3. Sơ đồ khối
4. Chức năng các khối
5. Sơ đồ nguyên lý
6. Giải thuật chương trình
7. Thi công lắp đặt
8. Kết luận
9. Tài liệu tham khảo

3



HIỂN THỊ
LED 7
ĐOẠN
NGUỒN
THAM CHIẾU
0.64V
Cảm biến LM35
AT89C51
Giải mả BCD
74LS47
ADC0804

1. LỜI NĨI ĐẦU:
 Vấn đề đo nhiệt độ rất cần thiết trong nhiều lĩnh vực sản xuất cơng
nghiệp và trong đời sống. Nắm được tầm quan trọng này, em đã chọn

đề tài thiết kế mạch đo nhiệt độ và hiển thị số
 Em đã cố gắng vận dụng những kiến thức đã học ở trường, cùng với
sự tìm tòi nghiên cứu để hồn thành tốt đồ án này
 Tuy nhiên, đồ án chỉ giới hạn trong phạm vi là đồ án 1, nên tính hiệu
quả thực tế của mạch khơng cao.

2. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI:
 Kỹ thuật vi sử lý hiện nay rất phát triển, so với kỹ thuật số thì kỹ thuật vi
sử lý nhỏ gọn hơn rất nhiều, do nó được tích hợp lại và được lập trình để
điều khiển.
 Với tính ưu việt của vi xử lý thì trong phạm vi đồ án nhỏ này, nó được
ứng dụng trong việc điều khiển khối chuyển đổi tương tự sang số và khối
hiển thị số.
 Thiết kế mạch đo nhiệt độ trong dải từ 0
0
C – 100
0
C hiển thò số
 Viết chương trình (phần mềm) và thiết lập phần cứng để đáp ứng các yêu
cầu trên

3. SƠ ĐỒ KHỐI:

 Khối cảm biến nhận nhiệt độ từ mơi trường bên ngồi chuyển thành
mức điện áp DC tương ứng đưa vào khối chuyển đổi tương tự số.
 Việc điều chỉnh nguồn tham chiếu cho ADC sẽ tạo ra độ phân giải
cho mạch đo theo đúng u cầu. Hoạt động của ADC được điều
khiển bởi vi xử lý 89C51
4



 Vi điều khiển AT89C51 nhận dữ liệu dạng số từ khối chuyển đổi ADC
và kèm theo các tín hiệu điều khiển led tới khối giải mã BCD
 Khối hiển thị gồm 4 led 7 đoạn tương ứng số hàng chục, đơn vị, số lẻ
và chữ
o
C

4. CHỨC NĂNG CÁC KHỐI:
4.1. Khối cảm biến nhiệt độ:
 Có rất nhiều dụng cụ chun biệt hỗ trợ cho việc đo nhiệt độ như:
 Cặp nhiệt điện
 Nhiệt kế điện kế kim loại
 Nhiệt điện trở kim loại
 Nhiệt điện trở bán dẫn
 Cảm biến thạch anh
Việc sử dụng các IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ là một phương pháp
thông dụng và rẻ tiền

 Ngun lý hoạt động chung của IC cảm biến nhiệt:
 IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành
tín hiệu điện dưới dạng dòng điện hay điện áp. Dựa vào đặc tính rất nhạy
của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện, tỉ lệ thuận
với nhiệt độ tuyệt đối. Đo tín hiệu điện ta biết được giá trò của nhiệt độ
cần đo
 Có rất nhiều loại IC cảm biến nhiệt, nhưng được sử dụng thơng dụng, rẻ
tiền và dễ kiếm là IC LM35
 LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ 10mV/1
o
C. Sai số cực đại 1,5
0
C khi
nhiệt độ lớn hơn 100
0
C.
Phạm vi sử dụng –55
0
C – 150
0
C
Tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục với những thay đổi của ngõ vào
Giới hạn trong đề tài là đo nhiệt độ từ 0
0
C– 150
0
C

+Vs (4V to20V)

OUTPUT
0 mV+ 10mV/1
o
C



LM35
5



4.2. Khối chuyển đổi tƣơng tự số ADC:

 Để kết nối giữa nguồn tín hiệu tượng tự với các hệ thống xử lý
số người ta dùng các mạch chuyển đổi tương tự sang số (ADC)
nhằm biến đổi tín hiệu tương tự sang số
 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 AD.
+ Tốc độ chuyển đổi .
+ Dãi biến đổi của tín hiệu tương tự ngõ vào
 Các phương pháp chuyển đổi AD:
 Bộ biến đổi A/D loại “Tracking”
 Bộ biến đổi A/D loại xấp xỉ liên tiếp
 Bộ biến đổi A/D một độ dốc
 Bộ biến đổi A/D tích phân hai độ dốc
 Thơng số kỹ thuật ADC0804:
 Độ phân giải 8bit (dữ liệu ngõ ra song song). ADC0804 hoạt
động theo phương pháp xấp xỉ liên tiếp. Sự so sánh điện áp tín

hiệu vào và tín hiệu ra nhỏ hơn hoặc lớn hơn sẽ điều khiển sự
chỉ thị tăng hoặc giảm của SAR (thanh ghi xấp xỉ liên tiếp) và
đồng thời điều khiển hoạt động theo điện áp đo Vi. Sai số lớn
nhất cho bộ biến đổi A/D là +1/2 LSB bit nhỏ nhất.
 Tốc độ biến đổi tc = nTh, Th là chu kỳ xung clock của bộ
biến đổi, n là số bit
 Lối vào điện áp vi phân
 Tín hiệu tương thích TTL
 Bộ phát xung nhịp trên chip
 Dải điện áp vào 0V-5V (Nguồn đơn)
 Khơng cần chỉnh offset
 Có thể dùng mạch tạo clock trong chip hoặc clk ngồi, thời
gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới
chân CLK R và CLK IN và khơng bé hơn 110μs







6



Sơ đồ chân
 Chân số 6 và chân số 7 là 2 đầu
vào tương tự vi sai, trong đó
Vin = Vin (+) – Vin (-). Thông
thường Vin (-) được nối mass,

Vin (+) được dùng làm đầu vào
tương tự và sẽ được chuyển đổi
về dạng số.
 Chân số 20: Vcc là chân nguồn
nuôi +5V. Chân này còn được
dùng làm điện áp tham chiếu khi
đầu vào Vref/2 để hở
 Chân số 9: Vref/2 là chân điện áp
đầu vào được dùng làm điện áp
tham chiếu.
 chân số 18 – 11 (D0 - D7) là các
chân ra dữ liệu số (D7 là bit cao
nhất MSB và D0 là bit thấp nhất LSB).
Độ phân giải 8 Bit → 256 mức ngõ
ra
→

→

Yêu cầu độ phân giải 0.5
o
C, chọn Vref/2 = 0.64V
→ Vin = 0 - 1.28V
→
Nếu nhiệt độ đo là 0.5
o
C thì Vin = 5mV → Dout = 1
→ nhiệt độ tối đa ADC có thể chuyển đổi là
256 * 0.5
o

C = 128
o
C

Bảng quan hệ điện áp Vref/2 với Vin







Vref/2 (V)
Vin (V)
Kích thƣớc bƣớc (mV)
Hở
0 – 5
5/256 = 19.53
2.0
0 – 4
4/256 = 15.62
1.5
0 – 3
3/256 = 11.71
1.28
0 – 2.56
2.56/256 = 10
0.64
0- 1.28
1.28/256=5

7



 Tạo xung nhịp cho ADC:
Xung nhịp cho A/D có thể được lấy từ
nguồn bên ngoài như CPU clock hay
đơn giản hơn là dùng mạch RC tạo
self-clocking như hình. CLK IN (chân
số 4) tạo nên mạch Schmitt trigger.
R=10 k , C=150pF
→ tần số f=606 kHz thời
gian chuyển đổi là 110 s.
 Các chân chức năng:
 Chân 1: CS chọn chip, đầu vào tích cực thấp để kích hoạt và
truy cập ADC
 Chân 2: RD là một tín hiệu vào tích cực thấp. khi CS=0, nếu có
một xung cao xuống thấp đến chân RD thì tín hiệu ra 8 bit được
đưa đến các chân DB0 – DB7
 Chân số 3, chân vào tích cực thấp dùng để báo cho ADC biết
bắt đầu quá trình chuyển đổi.
Nếu CS = 0, khi WR tạo ra xung cao xuống thấp thì ADC
bắt đầu quá trình chuyển đổi. Khi việc chuyển đổi hoàn
tất thì chân INTR xuống mức thấp.
 Chân số 5 : là chân ra. Bình thường trạng thái cao, khi chuyển
đổi hoàn tất thì xuống thấp để báo dữ liệu sẵn sàng để lấy đi.
Timing diagrams

8

 Hoạt động:
CS=0→ truy cập ADC → cấp
xung thấp tới WR → thực
hiện chuyển đổi → chờ
INTR=0 → cấp xung thấp tới
RD → dữ liệu 8 bit tới DB0-
DB7
Tuy nhiên ta có thể thực hiện
chế độ free-running như hình
vẽ

9



4.3. Khối điều khiển 8051:
4.3.1. Bộ nhớ dữ liệu trên chip:

IC vi điều khiển 8051 thuộc họ MCS51 có các đặt điểm sau:
 4 kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất)
 128 byte RAM
 4 port I/0 8bit
 Hai bộ đònh thời 16bit
 Giao tiếp nối tiếp
10



1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

15
16
17
18
19
20
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3

P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
RST
(RXD)P3.0
(TXD)P3.1
(T0)P3.4
(T1)P3.5
XTAL2
XTAL1
GND
(INT0)P3.2
(INT1)P3.3
(RD)P3.7
(WR)P3.6
Vcc
P0.0(AD0)
P0.1(AD1)
P0.2(AD2)
P0.3(AD3)
P0.4(AD4)
P0.5(AD5)
P0.6(AD6)
P0.7(AD7)
EA/VPP
ALE/PROG
PSEN
P2.7(A15)
P2.6(A14)

P2.5(A13)
P2.4(A12)
P2.3(A11)
P2.2(A10)
P2.1(A9)
P2.0(A8)
8051
(8031)
 64KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng
 64 KB không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng
 một bộ xử lí luận lí (thao tác trên các bit đơn)
 210 bit được đòa chỉ hóa
 bộ nhân / chia 4s

4.3.2. 8051 Pin Diagram:

Chức năng của các chân của 8951
 Port 0 : là port có 2 chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 (không
dùng bộ nhớ mở rộng) có hai chức năng như các đường IO. Đối với
các thiết kế cỡ lớn (với bộ nhớ mở rộng) nó được kết hợp kênh giữa
các bus )
 Port 1 : là một port I/O trên các chân 1-8. Các chân được ký hiệu
P1.0, P1.1, P1.2 … có thể dùng cho các thiết bò ngoài nếu cần.
Port1 không có chức năng khác, vì vậy chúng ta chỉ được dùng
trong giao tiếp với các thiết bò ngoài.
11



+5V
+5V
100
8,2K
10UF
 por t 2 : là một port công 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 kế dùng bộ nhớ mở rộng.
 Port 3 : là một port công dụng kép trên các chân 10 – 17. Các chân
của port này có nhiều chức năng

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp
P3.1 TXD Dữ liệu phát cho port nối tiếp
P3.2 INTO Ngắt 0 bên ngoài
P3.3 INT1 Ngắt 1 bên ngoài
P3.4 TO Ngõ vào của timer/counter 0
P3.5 T1 Ngõ vào của timer/counter 1
P3.6 WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài
P3.7 RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

 EA (External Access) :
Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được mắc lên mức cao (+5V)
hoặc mức thấp (GND). Nếu ở mức cao, 8951 thi hành chương trình
từ ROM nội trong khoảng đòa chỉ thấp (4K). Nếu ở mức thấp,
chương trình chỉ được thi hành từ bộ nhớ mở rộng. Nếu EA được
nối mức thấp bộ nhớ bên trong chương trình 8951 sẽ bò cấm và
chương trình thi hành từ EPROM mở rộng. Người ta còn dùng chân
EA làm chân cấp điện áp 21V khi lập trình cho EPROM trong
8951.

 SRT (Reset) :
Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 8951.
Khi tín hiệu này được đưa lên múc cao (trong ít
nhất 2 chu kỳ máy ), các thanh ghi trong 8951 được
tải những giá trò thích hợp để khởi động hệ thống.




12

Trạng thái các thanh ghi sau khi reset
Thanh ghi
Nội dung
Đếm chương trình
Tích lũy
B
PSW
SP
DPTR
Port 0-3
IP
IE
Các thanh ghi đònh thời
SCON
SBUF
PCON(HMOS)
PCON(CMOS)
0000H
00H
00H
00H
07H
0000H
FFH
XXX00000B
0XX00000B
00H
00H

00H
0XXXXXXB
0XXX0000B

 Các ngõ vào bộ dao động trên chip :
Như đã thấy trong các hình trên, 8951 có một bộ dao động trên
chip. Nó thường được nối với thạch anh giữa hai chân 18 và 19. Các
tụ giữa cũng cần thiết như đã vẽ. Tần số thạch anh thông thường là
12MHz.
 Các bank thanh ghi :
32 byte thấp nhất của bộ nhớ nội là dành cho các bank thanh ghi.
Bộ lệnh của 8951 hỗ trợ 8 thanh ghi (RO đến R7) và theo mặc đònh
(sau khi Reset hệ thống) các thanh ghi này ở các đòa chỉ 00H-07H
4.3.3. Tập lệnh

Tóm tắt các lệnh được sử dụng của VXL 89C51
1. Nhóm lệnh xử lý số học:
MUL AB (1,4) Nhân nội dung thanh ghi A với nội dung thanh ghi B.
DIV AB (1,4) Chia nội dung thanh ghi A cho nội dung thanh ghi B.
ORL A,data (2,1): OR thanh ghi A với một dữ liệu trực tiếp.
ORL A,#data (2,1): OR thanh ghi A với một dữ liệu tức thời.
SETB bit (2,1): Đặt một bit trực tiếp.
13



CLR bit (2,1): xóa một bit trực tiếp.
2. Nhóm lệnh chuyển dữ liệu:
MOV A,Rn (1,1):Chuyển nội dung thanh ghi Rn vào thanh ghi A.
MOV A,#data (2,1): Chuyển dữ liệu tức thời vào thanh ghi A.

MOV Rn,#data (2,1): Chuyển dữ liệu tức thời vào thanh ghi Rn.
PUSH data (2,2) Chuyển dữ liệu trực tiếp vào ngăn xếp và tăng SP
POP data (2,2) Chuyển dữ liệu trực tiếp vào ngăn xếp và giảm SP
3. Nhóm lệnh chuyền điều khiển:
ACALL addr11 (2,2): Gọi chương trình con dùng đòa chì tuyệt đối.
LCALL addr16 (3,2): Gọi chương trình con dùng đòa chỉ dài.
RET (1,2): Trở về từ lệnh gọi chương trình con.
RETI (1,2): Trở về từ lệnh gọi ngắt.
SJMP rel (2,2):Nhảy ngắn.
JB bit,rel (3,2): Nhảy tương đối nếu bit trực tiếp được đặt.
JNB bit,rel (3,2) Nhảy tương đối nếu bit trực tiếp không được đặt.
CJNE Rn,#data,rel (3,2) So sánh dữ liệu tức thời với nội dung thanh ghi
Rn và nhảy nếu không bằng.
DJNZ Rn,rel (2,2): Giản thanh ghi Rn và nhảy nếu không bằng


4.4. Giải mã BCD 74LS47:

14



Pin Names

Description
• A0–A3
• RBI
• LT
• BI/RO

• a – g
• Vcc
• VIH
• VHL

• BCD Inputs
• Ripple Blanking Input (Active LOW)
• Lamp Test Input (Active LOW)
• Blanking Input (Active LOW) or
Ripple Blanking Output (Active LOW)
• Segment Outputs (Active LOW)
• 4.75V – 5.25V
• Min 2V

• Max 0.8V

15



4.5. Hin th led 7 on:

Led 7 on cú cu to gm 7 led n cú xp theo hinh 8 v cú thờm mt
led n hỡnh trũn nh th hin du chm trũn gúc di, bờn phi
8 led n trờn led 7 on cú Anode (cc +) hoc Cathode (cc -) c ni
chung vi nhau vo mt im.
Nu led 7 on cú Anode chung, u chung nay c ni vi +Vcc
Nu led 7 on cú Cathode chung, u chung ny c ni xung mass
Vỡ led 7 on cha bờn trong nú cỏc led n, do o khi kt ni cn m
bo dũng qua mi led n trong khong 10mA-20mA bo v led. Nu
kt ni vi ngun 5V cú th hn dũng bng in tr 330 trc cỏc chõn
nhn tin hiu iu khin.
Da vo c tớnh sinh lý ca mt ngi, mi led delay khong 3-5ms, nh
th mt ngi s cú cm giỏc 4 led cựng sang (phng phỏp quột led).
iu khin ON/OFF cỏc led, s dng transitor loi PNP nhn dũng t vi
iu khin, led ON khi tớn hiu t vi iu khin n transitor mc 0.
Duứng IC7447 cho loaùi anod chung hoaởc duứng IC7448 cho loaùi cathod
chung.




16




5. Sơ đồ nguyên lý:

5.1. Khối nguồn

Cầu diod tạo ra điện áp DC, qua tụ C lọc bỏ thành phần gợn sóng,
sau đó qua IC7805 ổn áp ngõ ra 4.8V- 5.2V