Hệ thống khiển tự động phục vụ trong công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
---oOo---







BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
CẤP BỘ NĂM 2005-2006
Tên đề tài: Hệ điều khiển tự động
phục vụ trong nông nghiệp
Mã số: 2005-29-35











Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Hữu Lộc

Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng và các nước trên thế
giới đang ngày càng áp dụng các kỹ thuật tiên tiến vào tất cả các lónh vực như:
kinh tế, công nghiệp, nông nghiệp v.v….

Với những quốc gia có nền kinh tế nông nghiệp là chủ yếu, người ta luôn
luôn tìm mọi cách để nâng cao năng suất đồng thời cố gắng giảm chi phí đầu tư
đến mức có thể. Để đạt được hiệu quả trên, cần phải chủ động trong quá trình sản
xuất nghóa là nhà sản xuất phải làm chủ được các yếu tố tác động trực tiếp đến quá
trình sinh trưởng của cây trồng mà trước đây chúng hoàn toàn phụ thuộc vào thiên
nhiên.

Những nông dân trước đây chỉ dừng ở “nước, phân, cần, giống” để đạt
được năng suất cao, các yếu tố liên quan khác chỉ biết nhờ “trời”. Ngày nay, với
việc ứng dụng khoa học kỹ thuật công nghệ, nông dân càng có nhiều điều kiện hơn
để chủ động trong quá trình sản xuất. Vì vậy một trong những biện pháp để giải
quyết vấn đề phụ thuộc quá nhiều vào các yếu tố do thiên nhiên tác động lên cây
trồng là áp dụng nhà kính để sản xuất nông sản.

Xu hướng này đang ngày càng trở nên phổ biến trên thế giới do ưu điểm là
làm chủ được các yếu tố tác động lên cây trồng như: nhiệt độ, độ ẩm, lượng thông
gió, cường độ ánh sáng, v.v….Vấn đề được đặt ra là cần xây dựng hệ thống điện tử
điều khiển tự động quá trình vận hành trong nhà kính sao cho các yếu tố tác động
đến cây trồng đảm bảo được quá trình sinh trưởng một cách tối ưu.


-1-

Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp

Vấn đề này đã được nông dân Đà lạt quan tâm trong thời gian gần đây.
Hiện nay “nhà kính” làm bằng vật liệu polyme đang được đưa vào sử dụng song
các hệ thống điện tử tự động đáp ứng các yêu cầu cần thiết chưa được triển khai do
nhiều nguyên nhân chủ quan và khách quan. Bộ môn Điện tử Khoa Vật lý đã triển
khai một đề tài nghiên cứu thiết kế một hệ điều khiển tự động phục vụ trong nhà
kính.

-2-
Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp

Trong báo cáo này, tôi xin trình bày hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông
nghiệp mà cụ thể là thiết kế một hệ điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính theo 4
phần sau:
Phần 1: Tổng quan về nhà kính và hệ điều khiển tự động

Phần 2: Sơ lược về những linh kiện đã chọn để tạo hệ điều khiển tự động

Phần 3: Thực hiện hệ điều khiển tự động

Phần 4: Xây dựng phần mềm


-3-
Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
PHẦN 1 : TỔNG QUAN VỀ NHÀ KÍNH
VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

I) ĐẶT VẤN ĐỀ:

Đà Lạt là một đòa phương trồng rau và hoa nổi tiếng trong cả nước. Để
có thể xuất khẩu và cung cấp cho cả nước những loại hoa đẹp và rau xanh
cao cấp, các nhà vườn tại Đà lạt đã không ngừng áp dụng các biện pháp hữu
hiệu, trong đó việc sử dụng nhà kính là một biện pháp được sử dụng nhằm
khắc phục những yếu tố môi trường không có lợi tác động đến cây trồng như
mưa đá, sự khác biệt nhiệt độ giữa ngày và đêm, độ ẩm cao trong những
tháng mùa mưa... Vấn đề đặt ra: làm sao chúng ta có thể làm chủ được các
chế độ trồng trọt hợp lý cho từng loại cây trồng một cách chính xác?

Ngày nay, với sự phát triển của các vi mạch điện tử số, các bộ vi xử lý,
các vi mạch logic lập trình được v.v… người ta đã tạo ra các hệ thống điều
khiển tự động đáp ứng các yêu cầu đảm bảo môi trường trồng trọt phù hợp
trong nhà kính. Đây là một bước phát triển mới trong việc áp dụng các thành
tựu kỹ thuật công nghệ trong nông nghiệp. Những hệ thống thô sơ, trước đây
chỉ sử dụng một số thiết bò cơ khí điều khiển bằng tay với tốc độ xử lý chậm,
dần dần được thay thế bằng những hệ thống điều khiển tự động đạt tốc độ
xử lý nhanh vớiø những hệ điện tử điều khiển bằng các chương trình. Một
trong những thiết bò đáp ứng được yêu cầu đó là hệ thống điều khiển tự động
sử dụng trong nhà kính.

II)
GIỚI THIỆU VỀ NHÀ KÍNH:

1.
Khái niệm nhà kính:
Nhà kính là nơi có thể trồng một loại cây, một loại hoa, một loại rau
nào đó theo ý muốn của người trồng. Đây là một nơi tương đối đặc biệt để
trồng những hoa, quả trong môi trường do ta làm chủ. Có thể nói đây là một
nơi người nông dân có thể trồng trọt tuỳ ý nghóa là có thể trồng trọt bất cứ

loại cây trồng nào ở bất cứ thời điểm nào và bằng cách riêng nào đó. Khi sử
dụng nhà kính người ta có thể điều khiển được nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và
lượng thông gió là những yếu tố quan trọng tác động đến quá trình sinh
trưởng của cây trồng.
Nhà kính thường được cấu tạo bằng các hợp chất trong suốt cho phép
ánh sáng chiếu đến vùng đất trồng trọt, nhờ đó người ta có thể khống chế độ
sáng đến cây trồng nhờ điều khiển bộ phận che chắn trong những ngày có
nắng to. Ngược lại, người ta cũng có thể tạo sáng theo yêu cầu nhờ dàn đèn

-3-
Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
trong những thời điểm thiếu sáng. Như vậy bất kể ngày đêm, ngày nắng
cũng như ngày mưa người nông dân đều có được độ sáng thích hợp cho loại
cây đang trồng (xem hình 1.1)



Hình 1.1: Mô hình một nhà kính

2.
Phân loại nhà kính:
Có rất nhiều cách phân loại nhà kính, tuy nhiên đa số người ta chọn
phân loại nhà kính theo nhiệt độ và cách sử dụng.

Có thể phân chia thành 3 loại nhà kính sử dụng cơ bản dựa vào nhiệt
độ cần thiết cho cây trồng phát triển. Đó là các nhà kính mát (
the cool
greenhouse),
nhà kính ấm (
the warm greenhouse

) và nhà kính nóng(
the hot
greenhouse
)

Nhà kính nóng thường giữ nhiệt độ thấp nhất là 18
o
C. Người ta có thể
chọn giữ nhiệt độ cao cần thiết, loại nhà kính này thường dùng để trồng các
cây miền nhiệt đới. Ở đây cần phải nâng nhiệt độ làm nóng môi trường cũng
như tăng độ chiếu sáng đáp ứng các đòi hỏi của các loại cây miền nhiệt đới.

Nhà kính ấm thường có nhiệt độ nằm trong vòng 13
o
C. Trong điều
kiện ấm này, có thể thấy hầu hết các cây trồng ôn đới đều phát triển giống
như trong tự nhiên. Với nhà kính này thường nhu cầu cần thiết là giữ độ sáng
cũng là đảm bảo nhiệt độ phù hợp trong những mùa mưa (hoặc mùa đông).

Nhà kính mát thường có nhiệt độ nằm trong khoảng từ 4
o
C đến 8
o
C.
Nhiệt độ trong khoảng này cần thiết cho nuôi cấy cây giống hoặc những
giống cây trồng không đòi hỏi nhiệt độ cao hơn để phát triển. Để giữ môi

-4-
Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
trường này ổn đònh cần thiết phải giảm độ sáng cũng như nhiệt độ trong

những tháng mùa nắng nóng (hoặc mùa hè)

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cây trồng:
 Nhiệt độ: là một nhân tố giữ vai trò quyết đònh các hoạt động
sinh lý như: quang hợp, hô hấp, thoát hơi nước v.v…Nhiệt độ là
nhân tố hoạt động quan trọng kích thích hạt giống nảy mầm.

 Độ ẩm: ảnh hưởng trực tiếp đến nảy mầm hạt giống, sinh
trưởng và chất lượng cây tái sinh.v.v… Nếu độ ẩm cao cũng có
thể gây ra nấm mốc, ảnh hưởng đến sinh trưởng cây trồng (úng
thối, héo lá...)

 Ánh sáng: tác động đến khả năng quang hợp và sự sinh trưởng
của cây trồng.




Hình 1.2: Quang hợp trong nhà kính

 Thông gió: Các cửa sổ hoặc thông gió giúp đẩy hơi nóng ra
ngoài nhờ các quạt hoặc tận dụng hướng gió. Ngay cả khi
không được mát, không khí lưu thông trong nhà kính vẫn khiến
cho cây trồng tươi hơn và có khả năng sinh trưởng tốt hơn. Nếu
không khí không được lưu thông thì cây trồng cũng có thể bò
cháy hoặc héo do nắng nóng. Độ ẩm cũng thay đổi do thông
gió .

-5-
Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp

Hình 1.3: Thông gió trong nhà kính

Do đó khi xây dựng nhà kính và hệ thống điều khiển tự động sử dụng
trong nhà kính cần phải quan tâm đến các yếu tố trên.

3.
Đại lượng vật lý cần đo:
 Nhiệt độ: Trong những thời điểm khác nhau, nhiệt độ trong
nhà kính thay đổi. Nhiệt độ trong nhà kính có thể lên đến 60 -
70
o
C trong mùa nắng (mùa hè) nếu không thông gió. Sử dụng
hệ đo nhiệt độ giúp điều khiển được môi trường trong nhà
kính. Khi biết nhiệt độ trong những ngày mưa lạnh (mùa
đông), người ta sẽ biết lúc nào cần làm nóng lên môi trường
trong nhà kính.

Nông dân có thể sử dụng rất nhiều hệ đo nhiệt khác nhau. Có
loại chỉ đo nhiệt độ chung trong nhà kính, có loại đo nhiệt độ
lẫn độ ẩm và cũng có loại vừa đo nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp
của nhà kính. Nông dân có thể điều khiển môi trường trồng
cây thông qua hệ đo nhiệt.

Hệ đo nhiệt độ tốt nhất là hệ cho ta biết nhiệt độ cao và nhiệt
độ thấp, nó có thể giúp ta biết khi nào cần thông gió nhiều hơn
và cho ta biết khi nào thì sức nóng chưa đủ.

Vò trí đặt hệ đo cũng rất quan trọng. Nếu cây trồng đặt trên
giàn giá thì tốt nhất hệ đo nhiệt được đặt ngay trên giàn giá.

Đôi khi nhiệt độ ở trên mái nhà kính sẽ lớn hơn nhiều nhiệt độ
trên giàn giá, tại đây nhiệt độ thường điều hoà hơn. Do vậy
thường người ta dùng hai cảm biến đo nhiệt độ: một đặt gần
mái nhà và một đặt tại giàn giá.

-6-
Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
 Độ ẩm: Hoạt tính của động thực vật bao giờ cũng phụ thuộc
vào hàm lượng nước hay hơi nước trong không khí rất lớn, thay
đổi nhiều khi cho thu nhận hay cho thoát bớt hơi nước. Hàm
lượng hơi nước này được gọi là độ ẩm, có diễn biến rất lớn
trong thiên nhiên.
Độ ẩm cao của không khí có thể có hậu quả nghiêm trọng đối
với các quá trình lý hoá và sinh lý. Trong đời sống, độ ẩm
tương đối cần phải duy trì để đảm bảo cảm giác dễ chòu cho
con người thay đổi trong khoảng tương đối rộng: từ 35% đến
70%. Nếu độ ẩm tương đối thấp hơn 35%, bộ máy tiêu hoá bò
kích thích, còn nếu lớn hơn 70% thì sự ra mồ hôi sẽ bò giảm
nghiêm trọng. Nói chung độ ẩm ảnh hưởng đến tiêu thụ năng
lượng: độ ẩm càng cao thì càng tốn phí năng lượng để có cùng
điều kiện môi trường.
Trong công nghiệp thực phẩm, độ ẩm cao quá làm cho thực
phẩm bò hỏng và thấp quá làm giảm trọng lượng do bay hơi
nước.

 Thông lượng ánh sáng (Φ): là năng lượng phát xạ, lan truyền
hay hấp thụ dưới dạng bức xạ trong một đơn vò thời gian.
Thông lượng được đo bằng watt. Trong những thời điểm khác
nhau, thông lượng ánh sáng thay đổi, ảnh hưởng đến nhiệt độ
và độ ẩm trong nhà kính . Có thể sử dụng màn che trong nhà

kính để làm thay đổi thông lượng ánh sáng.

4.
Các chức năng cần điều khiển:

Mở/đóng cửa:
Các cửa liếp đặt gần mái nhà kính có khả năng mở/đóng giúp
điều hoà nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính cũng như giúp thông
gió trong nhà kính mà không tiêu thụ quá nhiều năng lượng.


Mở/đóng quạt:
Một khi nhiệt độ tăng quá cao, độ ẩm vượt mức giới hạn, cần
thiết phải có sự điều chỉnh tích cực hơn, mở/đóng quạt sẽ là
phương án hợp lý tuy có phải tiêu tốn năng lượng nhiều hơn.


Tưới nước:
Trong môi trường được điều khiển, cần phải tưới nước để cây
trồng phát triển. Thông thường, nông dân sẽ dùng vòi tưới
'sương' để tưới cây trồng tại những vò trí cần thiết.

-7-
Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp

Nên biết rằng mỗi loại cây trồng có một chế độ tưới cần thiết:
khi nào, tại đâu và mức độ nào. Có loại cây trồng cần tưới đònh
kỳ mỗi ngày 1 lần, có loại chỉ tưới rễ mà không được tưới lá vì
khi lá dính nước sẽ bò thối rữa hoặc bò nấm mốc. Đôi khi thời
điểm cần tưới nước là lúc đất mặt quanh cây trồng bắt đầu khô

v.v.

Tuy vậy thông thường trong nhà kính, người ta thường tưới một
lần trong mỗi năm đến bảy ngày tuỳ theo mùa trong năm và
cũng tuỳ theo độ ẩm của đất.


Chắn sáng:
Để tạo ra môi trường tuyệt hảo cho cây trồng, người ta cần biết
điều tiết không khí mát, sức nóng, lượng nước có trong nhà
kính.

Trong những ngày nắng nóng (mùa hè), ánh sáng mặt trời được
chiếu thẳng vào nhà kính làm nhiệt độ trong nhà kính tăng lên.
Khi ấy cần phải che chắn nhà kính để làm giảm nhiệt độ trong
nhà kính đồng thời kết hợp với việc thông gió và sử dụng quạt
sẽ làm mát môi trường trồng trọt. Việc che sáng có thể giúp
cho nhiệt độ giảm xuống hai mươi phần trăm.


Sưởi ấm:
Trong những ngày mưa lạnh (mùa đông), chỉ có thể nâng nhiệt
độ lên nhờ hệ thống sưởi hoặc một dàn đèn (Số lượng đèn sử
dụng phụ thuộc vào loại đèn và kích thước nhà kính).

III.
GIỚI THIỆU VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG TRONG NHÀ KÍNH:
Trong những hệ thống tự động hoá công nghiệp ngày nay, để đo lường
và điều khiển tự động các đại lượng không điện như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm
v.v... , người ta cần chuyển đổi các đại lượng nói trên sang đại lượng điện

(điện áp, dòng điện ) bằng những bộ "chuyển đổi" hoặc cảm biến chính xác
và tin cậy trong lónh vực đo lường và điều khiển tự động.

Có 2 loại biến đổi cơ bản là chủ động và thụ động.
Chủ động là trực tiếp biến đổi từ dạng năng lượng này sang dạng khác
không cần nguồn năng lượng bên ngoài kích thích. Thí dụ: cặp nhiệt điện,
photodiode v.v..

-8-
Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
Thụ động là không trực tiếp biến đổi năng lượng mà phải được điều
khiển từ nguồn năng lượng khác. Thí dụ là cảm biến nhiệt bán dẫn, cầu điện
trở v.v...

Trong một hệ điều khiển, cảm biến thường nằm ở phần đầu của hệ.

1.
Chức năng hệ điều khiển tự động:
Hầu hết các hệ điều khiển tự động có hai chức năng chính:
 Cung cấp cho ta kết quả đo được đại lượng đang khảo sát (kết
quả này được chỉ thò hoặc được ghi lại trong suốt quá trình đo)
 Kết quả ấy được dùng để tự động điều khiển đại lượng nào đó.

2.
Sơ đồ khối của hệ đo cơ bản:
Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó, tuỳ thuộc vào đặc tính
của đại lượng cần đo, điều kiện đo, cũng như độ chính xác theo yêu cầu của
một phép đo mà ta có thể thực hiện đo bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở
của các hệ thống đo lường khác nhau.

1

Chuyển
đổi
Mạch
đo
Chỉ thò
Hình 1.4: Sơ đồ khối của một hệ thống đo cơ bản

¾ Khối chuyển đổi: nhận trực tiếp các đại lượng vật lý (không điện)
đặc trưng cho đối tượng cần đo biến đổi các đại lượng đó thành các
đại lượng vật lý (điện) thống nhất (dòng điện hay điện áp) để thuận
lợi cho việc xử lý.

¾ Mạch đo: tính toán biến đổi tín hiệu nhận được từ bộ chuyển đổi
sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả đo của bộ chỉ thò.

¾ Khối chỉ thò: biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để thể
hiện kết quả.


3.
Tổng quan về hệ điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính:
Hệ điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính gọi đầy đủ là hệ thống
đo và điều khiển sử dụng trong nhà kính, ngoài ra còn có thể nói ngắn gọn
là hệ điều khiển tự động (automatic controller).


-9-

Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
Hệ điều khiển tự động sử dụng trong nhà kính gồm có bộ phận chính là
một hệ đo cơ bản (nhiệt độ, độ ẩm, thông lượng ánh sáng) và kế tiếp là phần
điều khiển tác động đến các phần tử như khoá đóng/mở cửa, màn chắn, quạt,
sưởi nóng và tưới.

Dựa trên công dụng của hệ, người ta có thể chia ra làm 2 loại: chuyên
dụng (specific) và đa dụng nghóa là có khả năng lập trình được
(programmable).

Trong ba đại lượng vật lý cần đo, nhiệt độ là đại lượng đo tiêu biểu
nhất, do vậy thay vì phải trình bày cả ba đại lượng đo trong phần tiếp này
chỉ cần đưa nhiệt độ là đại lượng đo đại diện cho các đại lượng cần đo.
Tùy theo mức độ thực hiện, người ta còn phân biệt hệ điều khiển loại
đơn giản nhất là hệ điều khiển mở- đóng (on-off controller). Ngõ ra hoặc
đóng hoặc mở (khoá) và đương nhiên không có trang thái trung gian. Hệ
điều khiển mở/đóng chỉ chuyển khoá khi nhiệt độ vượt qua một giá trò đạt
trước. Tuy nhiên hệ điều khiển sẽ mở đóng liên tục khi nhiệt độ tăng giảm
quanh giá trò đặt trước, lúc ấy cần phải thêm vào hệ điều khiển bộ phận vi
sai mở-đóng (on-off differential). Nhờ đó nhiệt độ sẽ vượt qua điểm đặt
trước một khoảng đáng kể trước khi ngõ ra đóng hoặc mở trở lại. Điều khiển
đóng-mở thường được sử dụng khi không cần độ chính xác quá cao. Một hệ
điều khiển nhiệt đóng mở đặc biệt là hệ điều khiển giới hạn (limit
controller), thường được sử dụng để dừng một quá trình khi nhiệt độ đạt đến
một giá trò nào đó.

Hệ điều khiển nhiệt độ tỷ lệ (Proportional temperature controller) được
thiết kế để khử sự nhập nhằng gặp phải như đã nêu trong điều khiển mở-
đóng. Thí dụ khi nhiệt độ đạt đến giá trò nào đó thì giảm nguồn nuôi cho
phần sưởi nóng. Lúc ấy nhiệt độ sẽ giữ ổn đònh. Quanh giá trò nhiệt độ đặt

trước (set point) là vùng tỷ lệ (proportional zone). Ngoài vùng này, hệ điều
khiển hoạt động như hệ mở-đóng, dưới vùng này là vùng mở (fully on) còn
trên vùng này là vùng đóng (fully off). Tuy vậy trong vùng tỷ lệ này, ngõ ra
hệ điều khiển nhiệt độ mở và đóng tỷ lệ với sai phân từ giá trò nhiệt độ đặt
trước nghóa là tại điểm giữa của vùng tỷ lệ, thời gian mở và thời gian đóng
bằng nhau và như vậy nhiệt độ ổn đònh. Nếu nhiệt độ ở dưới giá trò đặt
trước, ngõ ra mở lâu hơn, còn nếu nhiệt độ quá cao thì ngõ ra đóng lâu hơn.

Hệ điều khiển nhiệt độ PID kết hợp điều khiển tỷ lệ với 2 phần điều
chỉnh được gọi là tích phân (integral) và đạo hàm (derivative). Chúng giúp
điều chỉnh tự động các thay đổi của hệ. Hệ điều khiển nhiệt độ PID là hệ ổn

-10-
Phần 1 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp
đònh và chính xác nhất. Người ta thường chọn sử dụng hệ điều khiển nhiệt
độ PID khi có yêu cầu cao về chất lượng.










Khối xử lý

Khối
hiển thò

Khối
Điều khiển
Khối
chuyển đổi
Hình 1.5: Sơ đồ khối của hệ điều khiển





-11-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp

PHẦN 2: SƠ LƯC VỀ NHỮNG LINH KIỆN ĐÃ CHỌN
ĐỂ TẠO HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

I .
GIỚI THIỆU CHUNG
Bộ vi điều khiển (Micro-controller) là mạch tích hợp trên một chip có
thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống. Theo
các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ
thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào
đó.

Trong các thiết bò điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển, điều
khiển hoạt động của TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thọai, lò vi-ba …
Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong
Robot, dây chuyền tự động. Các hệ thống càng “thông minh” thì vai trò của
hệ vi điều khiển càng quan trọng.

Đến nay họ vi điều khiển 8 bit MCS51 đã có đến 250 thành viên và
hầu hết các công ty bán dẫn hàng đầu thế giới chế tạo. Đứng đầu là công ty
Intel và rất nhiều công ty khác như : Atmel, AMD, Siemens, Philips, Dallas,
OKI …

Ngoài việc chọn sử dụng bộ vi điều khiển 89C51 là chính để điều
khiển và giải mã, chúng tôi còn chọn các cảm biến nhiệt LM35, cảm biến
độ ẩm NH3, cảm biến quang CdS, chip ADC0809 và các IC ổn áp 7812,
7805 để xây dựng hệ thống, chúng tôi chỉ sơ lược trình bày những thông số
kỹ thuật của các linh kiện này đồng thời nêu 1 số mạch sử dụng trong quá
trình thiết kế cũng như các đồ thò, đáp tuyến liên quan.

II .
KHẢO SÁT BỘ VI ĐIỀU KHIỂN 89C51
1.
TỔNG QUAN:
89C51 là một IC vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất, có các đặc
điểm sau:
o 4KB EEPROM
o 128 bit RAM
o 4 cổng vào/ra 8bit
o Hai bộ đònh thời 16bit
o Giao tiếp nối tiếp
o 64KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng
o 64 KB không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng
o Một bộ xử lí luận lí (thao tác trên các bit đơn)
o 210 bit được đòa chỉ hóa

-12-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp

 Các thông số kỹ thuật
cần quan tâm khi sử dụng 89C51
o Điện áp nguồn nuôi: V
cc
= 5,0V± 20%
o Khoảng nhiệt độ hoạt động được: -55
0
C đến 125
0
C
o Điện áp ra ở mức thấp(cổng 1,2,3)là V
ol
= 0,45V với điều kiện
I
ol
= 1,6mA.
o Điện áp ra ở mức thấp (cổng 0, ALE,
PSEN
) là V
ol1
= 0,45V
với điều kiện I
ol
= 3,2mA
o Điện áp ra ở mức cao(cổng 1,2,3,ALE,
PSEN
) là
- V
OH

= 2,4V;với điều kiện I
OH
= -60μA,V
CC
=5V ± 10%
- V
OH
= 0,75V
CC
; với điều kiện I
OH
= -25 μA
- V
OH
= 0,9V
CC
; với điều kiện I
OH
= -10 μA
o Điện áp ra ở mức cao(cổng 0):
- V
OH1
= 2,4V với điều kiện I
OH
= -800 μA,V
CC
= 5V± 10%
- V
OH1
= 0,75V

CC
với điều kiện I
OH
= -300

μA
- V
OH1
= 0,9V
CC
với điều kiện I
OH
= -80 μA
o Dòng điện cung cấp nguồn:
- I
CC
= 20mA với điều kiện ở chế độ hoạt động, tần số
12MHZ
- I
C C
= 50mA với điều kiện ở chế độ không hoạt động, tần
số 12MHZ
o Dòng điện tiêu thụ:
- I
CC
= 100 μA vời điều kiện V
CC
= 6V
- I
CC

= 40 μA vời điều kiện V
CC
= 5V
o Dòng điện ở lối ra( cổng 1,2,3) I
OL
=15 mA
o Dòng điện ở lối ra (cổng 0) I
OL
= 26mA

2 .
CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA 89C51
Phần chính của vi điều khiển là bộ xử lí trung tâm (CPU: central
processing unit) bao gồm :
o Thanh ghi tích lũy A
o Thanh ghi tích lũy phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia
o Đơn vò logic học (ALU : Arithmetic Logical Unit )
o Từ trạng thái chương trình (PSW : Program Status Word)
o Bốn băng thanh ghi đặc biệt
o Con trỏ ngăn xếp
o Ngoài ra còn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều
khiển thời gian và logic.
Đơn vò xử lí trung tâm nhận trực tiếp xung từ bộ dao động, ngoài ra
còn có khả năng đưa một tín hiệu giữ nhòp từ bên ngoài.

-13-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp

Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối điều khiển
ngắt
ai bộ đònh thời 16 bit hoạt động như một bộ đếm.
ác cổng vào/ra (port0, port1, port2, port3 ): Sử dụng vào mục đích
điều
rong vi điều khiển 89C51 có hai thành phần quan trọng khác đó là bộ
nhớ v
ộ nhớ gồm có bộ nhớ RAM và bộ nhớ EEPROM dùng để lưu trữ dữ
liệu và chương trình.

INT1

INT0

TIMER2
TIMER1
Hình 2.1 : Sơ Đồ Khối 89C51

ở bên trong. Các nguồn ngắt có thể là : các biến cố ở bên ngoài, sự
tràn bộ đếm đònh thời hoặc cũng có thể là giao diện nối tiếp.

H

C
khiển. Ở cổng 3 có thêm các đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi
với một bộ nhớù bên ngoài, hoặc để đầu nối giao diện nối tiếp, cũng như các
đường ngắt dẫn bên ngoài.

T
à các thanh ghi :

B

TXD
*
RXD
*

T
1
*
T
2
*
P
0
P
1
P
2
P
3


EA\ RST PSEN ALE

Các thanh ghi
khác
128 byte
RAM

EEPROM

4KBytes
Timer1
Timer2
Điều khiển
ngắt
CPU

Điều khiểu bus
Port nối tiếp
Các port I\O
tạo dao động

động

-14-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp


Các thanh ghi sư
û dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lí. Khi
CPU làm việc, nó làm thay đổi nội dung của các thanh ghi.
ỂN

3.
CHỨC NĂNG CÁC CHÂN CỦA VI ĐIỀU KHI :

U2
AT89C51

9
18
19
29
30
31
1
2
3
4
5
6
7
8
21
22
23
24
25
26
27
28
10
11
12
13
14
15
16
17

39
38
37
36
35
34
33
32
RST
XTAL2
XTAL1
PSEN
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
P0.0/AD0
P0.1/AD1
P0.2/AD2
P0.3/AD3
P0.4/AD4
P0.5/AD5
P0.6/AD6
P0.7/AD7
P3.3/INT1
P3.4/T0
P3.5/T1
P3.6/WR
P3.7/RD
ALE/PROG
EA/VPP

Hình 2.2 – Sơ đồ chân logic của 89C51

- Port
0 : là cổng có 2 chức năng ở trên chân từ 32 đến 39. Trong
các thiết kế cỡ nhỏ (không dùng bộ nhớ mở rộng) có chức năng
vào hoặc ra. Đối với các thiết kế cỡ lớn (có sử dụng bộ nhớ mở
rộng tức là có sử dụng các đường đòa chỉ và dữ liệu bên ngoài bộ
vi điều khiển) cổng này sử dụng cho các đường đòa chỉ thấp hoặc
các đường dữ liệu. Đây là cổng cực thoát D để hở (open-drained
bidirectional I/O port)

-
Port1 : cổng vào/ra trên các chân 1-8. Các chân được ký hiệu

1.0, P1.1, P1.2 … có thể dùng cho các thiết bò ngoài nếu cần.
P
Cổng 1 không có chức năng nào khác ngoài vào/ra, vì vậy chúng
ta chỉ được dùng trong giao tiếp với các thiết bò ngoài.

-
Port2 : cổng có công dụng kép trên các chân 21 – 28 được dùng
hư các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus đòa chỉ đối với
n
các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng.

-
Port3 : cổng có công dụng kép trên các chân 10 – 17. Các chân
ủa cổng này có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có
liên hệ với các chức năng đặc biệt của 89C51 như ở bảng sau :
c

-15-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp


Bit Tên Chức năng chuyển đổi
P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp
P3.1 TXD Dữ liệu phát cho port nối tiếp
P3.2 INT0 Ngắt 0 bên ngoài
P3.3 INT1 Ngắt 1 bên ngoài
P3.4 T0 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

Chức na ủa ca
chân điề ển
êng c ùc chân trên cổng 3

-
Bốn u khi :
 PSE
N (Program Storage Enable )
Tín hiệu ra trên chân 29. Nó là tín hiệu điều khiển để cho
và thường được nối
ột EPROM để cho phép
đọc c

của 89C51 để giải mã lệnh. Khi thi


phép sử dụng bộ nhớ chương trình mở rộng
đến chân OE (Output Enable) của m
ác bytes mã lệnh.
PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhò
phân của chương trình được đọc từ EPROM qua bus và được
chốt vào thanh ghi lệnh
hành chương trình trong EEPROM nội (89C51) PSEN sẽ ở mức
không tác động (mức cao).
ALE (Address Latch Enable ) :
Tín hiệu ra ALE trên
chân 30 tương hợp với các thiết bò
làm việc với các xử lí 8585, 8088, 8086, 8051 dùng ALE một
ùc kênh các bus đòa chỉ và dữ


cách tương tự cho làm việc giải ca
liệu khi Port 0 được dùng trong chế độ chuyển đổi của nó: vừa
là bus dữ liệu vừa là byte thấp của đòa chỉ, ALE là tín hiệu để
chốt đòa chỉ vào một thanh ghi bên ngoài trong nữa đầu của
chu kỳ bộ nhớ. Sau đó, các đường Port 0 dùng để xuất hoặc
nhập dữ liệu trong nửa sau chu kỳ của bộ nhớ.
EA (External Access) :
Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường đươ
ïc mắc lên mức
cao (+5V) hoặc mức thấp (GND). Nếu ở mức cao, 89C51 thi
PROM nội trong khoảng đòa chỉ thấp
KB
hành chương trình từ EE
(4 ). Nếu ở mức thấp, chương trình chỉ được thi hành từ bộ
nhớ mở rộng.

-16-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp




RST (Reset) :
Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 89C51. Khi tín
hiệu này được đưa lên mức cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy),
rong 89C51 được tải những giá trò thích hợp để

- C
các thanh ghi t

khởi động hệ thống.
ác ngõ vào bộ dao động
:
ư đã thấy trong các h
Nh ình trên, 89C51 có một bộ dao động trên
ip. Nó thường được nối với thạch anh giữa hai chân 18 và 19.
hư đã vẽ. Tần số thạch anh thông
ch
Các tụ giữa cũng cần thiết n
thường là 12MHz.

-
Các chân nguồn :
89C51 vận hành vơ
ùi nguồn đơn +5V. V
cc
được nối vào chân 40 và
ss
(GND) được nối vào chân 20.

4.
V
TỔ CHỨC BỘ NHỚ :
51 có bộ nhớ theo cấu trúc Harv
89C ard : có những vùng riêng biệt
cho chương trình và dữ liệu. Như đã nói ở trên, cả chương trình và dữ
liệu có thể ở bên trong 89C51, dù vậy chúng có thể được mơ ûrộng bằèng
các
nhiều 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

bie

thành phần ngoài lên đến tối đa 64 Kbytes bộ nhớ chương trình và 64
Kbytes bộ nhớ dữ liệu.

Bộ nhớ bên trong bao gồm EEPROM (89C51) và RAM trên chip,
RAM trên chip bao gồm
ät.


-17-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp


Hình 2.3 : Tóm tắt các vùng bộ nhớ của 89C51
• Hai đặc tính cần lưu ý là :
o Các thanh ghi và các port xuất nhập đã được xếp trong bộ nhớ
và có thể được truy xuất trực tiếp như các đòa chỉ bộ nhớ khác.
o Ngăn xếp bên trong RAM nội nhỏ hơn so với RAM ngoài như
trong các bộ vi xử lí khác.
• Chi tiết về bộ nhớ RAM trên chip :
Như ta đã thấy ở hình sau, RAM bên trong 89C51 được phân chia giữa
các bank thanh ghi (00H – 1FH), RAM đòa chỉ hóa từng bit (20H – 2FH),
RAM đa dụng (30H – 7FH) và các thanh ghi chức năng đặc biệt (80H –
FFH).
RAM đa dụng
:

-18-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp

Bảng tóm tắt bản đồ vùng nhớ trên chip data 89C51


RAM đòa chỉ hóa từng bit :
89C51 chứa 210 bit được đòa chỉ hóa, trong đó 128 bit là ở các đòa chỉ
byte 20H đến 2FH, và phần còn lại trong các thanh ghi chức năng đặc
biệt .
Ý tưởng truy xuất từng bit riêng rẽ bằng mềm là một đặc tính tiện lợi
của vi điều khiển nói chung. Các bit có thể được đặt, xóa, AND,OR …với
một lệnh đơn. Đa số các chi xử lí đòi hỏi một chuổi lệnh đọc – sữa – ghi
để đạt được hiệu quả tương tự. Hơn nữa, các port I/0 cũng được đòa chỉ
từng bit làm đơn giản phần mềm xuất nhập từng bit.

-19-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp

Có 128 bit được đòa chỉ hóa đa dụng ở các byte 20H đến 2FH. Các đòa
chỉ này được truy xuất như các byte hoặc các bit phụ thuộc vào lệnh
được dùng.

Các bank thanh ghi :
32 byte thấp nhất của bộ nhớ nội là dành cho các bank thanh ghi. Bộ
lệnh của 89C51 hổ trợ 8 thanh ghi (R0 đến R7) và theo mặc đònh (sau
khi Reset hệ thống) các thanh ghi này ở các đòa chỉ 00H-07H.
Bank thanh ghi tích cực có thể chuyển đổi bằng cách thay đổi các bit
chọn bank thanhghi trong từ trạng thái chương trình (PSW).
Ýù tưởng dùng “các bank thanh ghi” cho phép “chuyển hướng”
chương trình nhanh và hiệu qủa.

CÁC THANH GHI CHỨC NĂNG ĐẶC BIỆT:
Các thanh ghi trong 89C51 được đònh dạng như một phần của RAM
trên chip. Vì vậy mỗi thanh ghi sẽ có một đòa chỉ (ngoại trừ thanh ghi trực
tiếp, sẽ không có lợi khi đặt chúng vào trong RAM trên chip).
-
Thanh ghi A:
Thanh ghi A ở đòa chỉ E0H được dùng cùng với thanh ghi tích lũy B cho các
phép toán nhân và chia. Thanh ghi A có thể được xem như thanh ghi đệm đa
dụng. Nó được đòa chỉ hóa từng bit bằng các đòa chỉ bit E0H đến E7H.

-
Thanh ghi B:
Thanh ghi B ở đòa chỉ F0H được dùng cùng với thanh ghi tích lũy A cho
các phép toán nhân và chia. Thanh ghi B cũng có thể được xem như thanh
ghi đệm đa dụng. Nó được đòa chỉ hóa từng bit bằng các đòa chỉ bit F0H đến
F7H.
-
Con trỏ ngăn xếp (Stack Pointer):
Con trỏ ngăn xếp (SP) là một thanh ghi 8 bit ở đòa chỉ 81H. Nó chứa đòa
chỉ của byte dữ liệu hiện hành trên đỉnh của ngăn xếp. Các lệnh trên ngăn
xếp bao gồm các thao tác cất dữ liệu vào ngăn xếp và lấy dữ liệu ra khỏi
ngăn xếp. Lệnh cất dữ liệu vào ngăn xếp sẽ làm tăng SP trước khi ghi dữ
liệu, và lệnh lấy dữ liệu ra khỏi ngăn xếp sẽdọc dữ liệu và làm giảm SP.
Trên 89C51, ngăn xếp bò giới hạn 32 byte vì đòa chỉ cao nhất của
RAM trên chip là 7FH.
Ngăn xếp được truy xuất trực tiếp bằng các lệnh PUSH và POP để lưu
giữ tạm thời và lấy lại dữ liệu hoặc được truy xuất ngầm bằng các lệnh gọi
chương trình con (ACALL, LCALL) và các lệnh trở về (RET,RETI) để cất
và lấy lại thanh đếm chương trình.
Đòa chỉ byte Đòa chỉ bit

F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 B

FF
F0

E0
E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0 ACC

-20-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp


D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 PSW

- - - BC BB BA B9 B8 IP

B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 P3

AF - - AC AB AA A9 A8 IE

A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 P2

Không được đòa chỉ hóa

SBUF
9F 9E 9D 9C 9B 9A 99 98 SCON

97 96 95 94 93 92 91 90 P1

Không được đòa chỉ hóa
Không được đòa chỉ hóa
Không được đòa chỉ hóa
Không được đòa chỉ hóa

D0

B8

B0

A8

A0


99
98

90

8D
8C
8B
8A
89
Không được đòa chỉ hóa

TH1
TH0

TL1
TL0
TMOD
8F 8E 8D 8C 8B 8A 89 88 TCON
Không được đòa chỉ hóa

Không được đòa chỉ hóa
Không được đòa chỉ hóa
Không được đòa chỉ hóa
PCON

DPH
DPL
SP
88
87

83
82
81
80
87 86 85 84 83 82 81 80 PO
Tóm tắt bộ nhớ dữ liệu trên chip

-
Từ trạng thái chương trình:
Từ trạng thái chương trình (PSW: Program Status Word) ở đòa chỉ
D0H chứa các bit trạng thái như bảng tóm tắt sau:
• Cờ nhớ (Carry viết tắt là CY) có công dụng kép. Thông thường nó

được dùng cho các lệnh toán học: nó sẽ được đặt (set) nếu có một
số nhớ phát sinh ra từ phép cộng hoặc có một số mượn từ phép trừ .
Cờ nhớ cũng có thể xem như một thanh ghi 1 bit cho các lệnh
luận lý thi hành trên bit.

-21-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp


Bit
Ký hiệu Đòa chỉ Ýù nghóa
PSW.7
PSW.6
PSW.5
PSW.4
PSW.3




PSW.2
PSW.1
PSW.0
CY
AC
F0
RS1
RS0

OV

P
D7H
D6H
D5H
D4H
D3H




D2H
D1H
D0H
Cờ nhớ
Cờ nhớ phụ
Cờ 0
Bit 1 chọn bank thanh ghi
Bit chọn bank thanh ghi.
00=bank 0; đòa chỉ 00H-07H
01=bank 1: đòa chỉ 08H-0FH
10=bank 2:đòa chỉ 10H-17H
11=bank 3:đòa chỉ 18H-1FH
Cờ tràn
Dự trữ
Cờ Parity chẵn.

• Cờ nhớ phụ (auxiliary carry):
Khi cộng các số BCD, cờ nhớ phụ (AC) được set nếu kết qủa của
4 bit thấp trong khoảng 0AH đến 0FH.
• Cờ Zero
Cờ 0 (F0)là một bit cờ đa dụng dành các ứng dụng của người
dùng.
• Các bit chọn bank thanh ghi
Các bit chọn bank thanh ghi (RS0 và RS1) xác đònh bank thanh
ghi được tích cực. Chúng được xóa sau khi reset hệ thống và được
thay đổi bằng phần mềm nếu cần.
• Cờ Tràn (Overflow)
Cờ tràn (OV) được set một lệnh cộng hoặc trừ nếu có một phép
toán bò tràn. Khi các số có dấu được cộng hoặc trừ với nhau, phần
mềm có thể kiểm tra bit này để xác đònh xem kết qủa của nó có
nằm trong tầm xác đònh không. Khi các số không dấu được cộng, bit
OV có thể được bỏ qua. Các kết qủa lớn hơn +127 hoặc nhỏ hơn –
128 sẽ set bit OV.

-
Con trỏ dữ liệu (Data pointer):
Con trỏ dữ liệu (DPTR) được dùng để truy xuất bộ nhớ ngoài là một
thanh ghi 16 bit ở đòa chỉ 82H (DPL: byte thấp) và 83H (DPH:byte cao).

-
Các thanh ghi port xuất nhập:

-22-
Phần 2 Hệ điều khiển tự động phục vụ trong nông nghiệp

Các port của 89C51 bao gồm Port 0 ở đòa chỉ 80H, Port 1 ở đòa chỉ

90H, Port 2 ở đòa chỉ A0H và Port 3 ở đòa chỉ B0H. Tất cả các Port đều được
đòa chỉ hóa từng bit. Điều đó cung cấp một khả năng giao tiếp thuận lợi.
-
Các thanh ghi timer:
89C51 chứa 2 bộ đònh thời đếm 16 bit được dùng trong việc đếm thời
hoặc đếm sự kiện. Timer 0 ở đòa chỉ 8AH (TL0:byte thấp) và 8CH
(TH0:byte cao). Timer 1 ở đòa chỉ 8BH (TL1:byte thấp) và 8DH (TH1: byte
cao).
-
Các thanh ghi port nối tiếp:
89C51 chứa một port nối tiếp trên chip dành cho việc trao đổi thông
tin với các thiết bò nối tiếp như máy tính, modem hoặc cho việc giao tiếp với
các IC khác có giao tiếp nối tiếp (có bộ chuyển đổi A/D, các thanh ghi
dòch..).
-
Các thanh ghi điều khiển ngắt:
89C51 có cấu trúc 5 nguồn ngắt, 2 mức ưu tiên. Các ngắt bò cấm sau
khi reset hệ thống và sẽ được cho phép bằng việc ghi thanh ghi cho phép
ngắt (IE) ở đòa chỉ 8AH. Cả hai thanh ghi được đòa chỉ hóa từng bit.
-
Các thanh ghi điều khiển công suất:
Thanh ghi điều khiển công suất (PCON) ở đòa chỉ 87H chứa nhiều bit
điều khiển.
Chúng được tóm tắt trong bảng sau:
Bit Ký hiệu nghóa
7


6
5

4
3
2
1

0

SMOD


_
_
_
GF1
GF0
PD

IDL

Bit gấp đôi tốc độ baud, nếu được set thì
tốc độ baud sẽ tăng gấp đôi trong các
mode 1, 2 và 3 của port nối tiếp
Không đònh nghóa
Không đònh nghóa
Không đònh nghóa
Bit cờ đa dụng 1
Bit cờ đa dụng 0
Giảm công suất, được set để kích hoạt
mode giảm công suất, chỉ thoá khi reset
Mode chờ, set để kích hoạt mode chờ,

chỉ thoát khi có ngắt hoặc reset hệ
thống.
Thanh ghi điều khiển công suất (PCON)
5.
RESET:
89C51 được reset bằng cách giữ chân RST ở mức cao ít nhất trong 2
chu kỳ máy và trả nó về múc thấp. RST có thể được kích khi cấp điện
dùng một mạch R-C.

-23-