Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
GV Hướng dẫn: Ngô Văn An
Đề Tài:Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở.

1


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

Chương 1: Tổng quan về hệ thống đo cơ điện tử.
1.1 Hệ thống Cơ điện tử
Tổng hợp sơ đồ nguyên lý sản phẩm Cơ điện tử nhằm thể hiện được các
mô đun cấu thành nên sản phẩm, thấy được sự tích hợp và ghép nối giữa các
thành phần này. Có thể biểu diễn sơ đồ này dưới dạng khối như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống Cơ điện tử
Trong đó ý nghĩa các khối như sau:
- Phần công tác: là phần trực tiếp đưa ra các thao tác công nghệ.
- Đo lường: là modul kết nối đối tượng với bộ điều khiển, nó tạo tín hiệu
phản hồi làm đầu vào cho bộ điều khiển.
- Mô hình hóa: là modul tạo tín hiệu đặt cho bộ điều khiển.
- Bộ điều khiển: nhận tín hiệu từ modul đo lường, tính toán hiệu chỉnh và
đưa lệnh điều khiển nguồn động lực để có các thao tác chính xác.
- Cơ cấu chấp hành (CCCH): là modul tạo nguồn động lực cho phần công
tác, nó nhận lệnh điều khiển trực tiếp từ bộ điều khiển.
- DSP: Khối xử lý tín hiệu số.
Qua sơ đồ trên ta có thể thấy, từ phần công tác (có thể là điện, hệ cơ học,
máy công cụ, tay máy,…) bằng cách xem xét cấu trúc và các mối quan hệ

2


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

động lực học nội tại của đối tượng ta thiết lập được phương trình toán mô tả
hoạt động của đối tượng, đó chính là mô đun Mô hình hóa. Từ đó phương
trình này ta có thể xác định được các yếu tố động lực học cần thiết để đối
tượng thực hiện được đầu ra đúng ý đồ công nghệ. Các thông số động lực
học này sẽ được lưu trữ trong Bộ điều khiển dưới dạng tín hiệu đặt phục vụ
cho việc hiệu chỉnh hệ thống. Khi đối tượng hoạt động, tín hiệu ra thường
được giám sát bởi các Sensor, đó chính là Mô đun đo lường được bố trí ở
cuối hệ thống để thu thập được thông tin hoạt động của Phần công tác, tín
hiệu thu được thường ở dạng Analog nên cần phải mã hóa và xử lý trước khi
đưa vào Bộ điều khiển (Bộ điều khiển làm việc với Digital Signal). Quá trình
này được thực hiện nhờ Bộ DSP 1 (mô đun xử lý tín hiệu), có quá trình này
có thể gồm chuyển đổi AD, lọc, điều chế… Dưới sự tích hợp của các thành
phần bao gồm: Máy tính, mạch điện tử, Vi xử lý thì Bộ điều khiển tiến hành
so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu đặt và tính toán để đưa ra hiệu chỉnh
khi có sai lệch hoặc có sự thay đổi tín hiệu đặt. Tín hiệu điều khiển được đưa
ra bởi bộ điều khiển ở dạng số (Digital) nên phải qua Bộ DSP2 để biến đổi
DA đưa về dạng Analog để tác động lên CCCH (cơ cấu chấp hành) để điều
khiển nó cung cấp nguồn động lực giúp phần công tác hoạt động đúng ý đồ
công nghệ mong muốn.

1.2 Vị trí, vai trò của hệ thống đo trong hệ thống Cơ điện tử
Mô đun đo lường được bố trí ở cuối hệ thống để thu thập được thông tin
hoạt động của Phần công tác, hệ thống đo tạo ra sự kết nối và tương tác giữa
phần công tác và bộ điều khiển, từ hệ thống đo ta có tín hiệu phản hồi để làm
đầu vào khởi tạo bài toán hiệu chỉnh ở bộ điều khiển.

Tín hiệu thu được từ hệ thống đo thường ở dạng Analog nên cần phải mã
hóa và xử lý trước khi đưa vào Bộ điều khiển (Bộ điều khiển làm việc với
Digital Signal).
3


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

Quá trình này được thực hiện nhờ Bộ DSP 1 (mô đun xử lý tín hiệu), các quá
trình này có thể gồm khuếch đại, chuyển đổi AD, lọc, điều chế, tách sóng…
- Khuếch đại: khi tín hiệu nhỏ thì cần khuếch đại, bản chất quá trình này là
dùng các mạch khuếch đại có thể làm tăng biên độ hoặc tần số của tín hiệu
cho phù hợp.
- Chuyển đổi AD: chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, bản chất
quá trình này là mã hóa thông tin.
- Lọc: là quá trình ngăn không cho một số tín hiệu có tần số tạp đi qua, quá
trình này giúp loại bỏ các tín hiệu nhiễu từ bên ngoài tác động vào hệ thống.
- Điều chế: khi cần truyền dẫn không dây trong trường hợp trung tâm điều
khiển nằm cách xa phần công tác. Bản chất quá trình này là ghép tín hiệu
cần xử lý có biên độ nhỏ vào sóng mang cao tần để có đủ năng lượng truyền
đi xa mà không làm méo dạng tín hiệu.
- Tách sóng: là quá trình thu hồi lại tín hiệu nguyên thủy từ tín hiệu điều
chế.

Chương 2: Cảm biến đo nhiệt độ.
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị được dùng để đo nhiệt độ của đối
tượng.Các cảm biến này cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ và cho tín hiệu ngõ
ra một trong hai dạng: thay đổi điện áp hoặc thay đổi điện trở.Để lựa chọn
cảm biến cho một ứng dụng cụ thể thì cần xem xét: độ chính xác, khoảng đo,
thời gian đáp ứng và môi trường làm việc.Cảm biến nhiệt độ được phân

thành 2 loại đó là:
+Cảm biến loại tiếp xúc.
+Cảm biến loại không tiếp xúc (đo bức xạ nhiệt).

4


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

2.1. Cảm biến loại tiếp xúc.
-Các cảm biến loại tiếp xúc thường gặp là:
+Cặp nhiệt điện (Thermocouple).
+Nhiệt điện trở: Bao gồm có RTD và Thermistor.
+IC đo nhiệt độ.

2.1.1. Cặp nhiệt điện (Thermocouple).
Cặp nhiệt điện là loại cảm biến đo nhiệt độ, biến đổi tín hiệu điện thành
tín hiệu điện áp dựa trên hiện tượng nhiệt điện.
-Cấu tạo: Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu
nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi
có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ gây nên sự dịch
chuyển của các điện tích từ đó làm phát sinh một sức điện động V tại đầu
lạnh.

5


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

Có nhiều loại cặp nhiệt độ như loại E, J, K, R, S, T, mỗi loại có đặc tính,

dải đo phù hợp với từng trường hợp đo khác nhau như trong bảng sau:

- Ưu điểm:
+Cấu tạo đơn giản, chịu được va đập.
+Đo được nhiệt độ cao, khoảng đo nhiệt độ rộng.
+Bền, rẻ tiền, đa dạng.
-Nhược điểm:
+Phi tuyến, ít ổn định.
+Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số.
+Độ nhạy không cao.
-Ứng dụng: Dùng đo nhiệt độ trong các lò luyện gang, đo nhiệt độ khí thải
- Khoảng nhiệt độ đo được trong khoảng: -100 °C <1400 °C.
6


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

2.1.2. Nhiệt điện trở (RTD và Thermistor).
Nhiệt điện trở là loại điện trở mà trở kháng của nó thay đổi một cách rõ
rệt dưới tác dụng nhiệt, hơn hẳn so với các loại điện trở thông thường.
-RTD (Resistance Temperature Detectors).
Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…
được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi điện trở
giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi , và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ
tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Phổ biến nhất của RTD là
loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống
oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo cao. Thường có các loại : 100, 200, 500,
1000 (Ohm) tại 0°C. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.

-Ưu điểm của RTD:

+Tuyến tính trên khoảng rộng.
+Chính xác cao.
+Ổn định với nhiệt độ cao.

-Nhược điểm của RTD:
+Đáp ứng chậm hơn cặp nhiệt điện
+Đắt tiền hơn cặp nhiệt điện
7


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

+Ảnh hưởng bởi sốc và rung
+Yêu cầu 3 dây hoặc 4 dây.
-Ứng dụng: RTD thường dùng máy lạnh, máy điều hòa, chế biến thực phẩm,
bếp, lò nướng, ngành dệt, gia công vật liệu, vi điện tử, đo nhiệt độ khí, gas,
chất lỏng.
-Nhiệt điện trở bán dẫn Thermistors.
- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại : mangan, nickel, cobalt,…
- Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi .
-Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC có điện trở tăng theo
nhiệt độ; và loại hệ số nhiệt âm NTC có điện trở giảm theo nhiệt độ.
Thường dùng nhất là loại NTC.

-Ưu điểm:
+Đáp ứng nhanh, điện trở thay đổi nhiều.
+Loại bỏ vấn đề điện trở dây dẫn.
+Giá thành thấp hơn RTD, chịu được rung và sốc.
-Khuyết điểm:

+Phi tuyến, khoảng đo hẹp.
8


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

+Điện trở cao gây phát nóng chính bản than.
+Ít ổn định hơn RTD.
- Ứng dụng: Thermistor chỉ tuyến tính trong khoảng nhiệt độ nhất định
(50°C-150°C) do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ
sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt/

2.1.3. IC đo nhiệt độ.
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. Sự tác động của nhiệt
độ tạo nên các điện tích tự do và lỗ trống trong chất bán dẫn di chuyển qua
các vùng tạo nên tín hiệu điện. Tỉ lệ điện tích và lỗ trống tăng lên tỷ lệ theo
quy luật hàm mũ với nhiệt độ. Đo tín hiệu điện tạo ra ta có thể biết được giá
trị nhiệt độ cần đo.

Hiện nay có nhiều loại IC đo nhiệt độ khác nhau được phân biệt dựa trên tín
hiệu ở ngõ ra của chúng như:
+IC ngõ ra điện áp: Điện áp ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ (10 mV/ °C)
•
9

LM35: Từ -55 °C đến +150 °C, ±1 °C


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

•

LM45: Từ -20 °C đến +100 °C, ±3 °C.

•

LM20: Điện áp ra tỉ lệ nghịch với nhiệt độ (-11.7mV/°C)

•

LM135, LM235, LM335: Đo nhiệt độ tuyệt đối (K) với
hệ số dương (+10mV/K)

•

LM34: Điện áp ngõ ra tỉ lệ với nhiệt độ oF (10mV/°F).

+IC ngõ ra dòng: (LM134, LM234, LM334). Dòng điện ngõ ra tỉ lệ với nhiệt
độ tuyệt đối, độ nhạy được điều chỉnh bằng điện trở ngoài.
+IC ngõ ra so sánh: LM 26/LM27 có một ngõ ra tương tự và một ngõ ra so
sánh. IC LM 56 có một ngõ ra tương tự và 2 ngõ ra so sánh.
+IC cảm biến nhiệt cao cấp ( DS18B20 ), cho tín hiệu đầu ra là tín hiệu số.
-Ưu điểm:
+Tuyến tính cao, độ chính xác cao.
+Hoạt động ổn định, dễ chế tạo, rẻ tiền.
-Khuyết điểm:
+Không chịu được nhiệt độ cao, ( dải đo từ -50150°C).
+Yêu cầu nguồn cung cấp, đáp ứng chậm.
+Tự phát nóng.

-Ứng dụng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo và bảo vệ các
mạch điện tử.

10


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

2.2. Cảm biến loại không tiếp xúc (đo bức xạ nhiệt).
-Nguyên lý: Dựa trên hiện tượng quang học của vật chất. Tất cả các vật
thể có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tuyệt đối đều phát ra các bức xạ nhiệt.
Cường độ bức xạ của các chất giảm khi nhiệt độ giảm, dựa vào cường độ
bức xạ có thể tính được nhiệt độ bức xạ.
- Ưu điểm của phương pháp: Vì không phải tiếp xúc với môi trường cần
đo nên có thể đo được nhiệt độ rất cao ( lò nung, các vị trí khó đặt cảm
biến). Các dụng cụ đo nhiệt bằng bức xạ gọi là hỏa kế, ta thường gặp các
loại là hỏa kế quang học và hỏa kế quang điện.

2.2.1. Hỏa kế quang học.
Hỏa kế quang học được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm và
sản xuất để đo nhiệt độ >800°C.
Nguyên lý: Dựa trên cơ sở so sánh độ chói quang phổ của vật cần đo và
vật mẫu chuẩn để xác định sự trùng của độ chói so với độ chói chuẩn.

11


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

Ống ngắm gồm có vật kính 2, thị kính 8 qua đó có thể ngắm được đối

tượng đo 1. Trước thị kính 8 có bộ lọc ánh sáng đỏ 7, sợi đốt 5 của bóng đèn
chuẩn được ngắm trực tiếp. Cường độ sáng của đối tượng đo 1 được chắn và
làm yếu đi bằng bộ chắn quang học 3. Góc quay của bộ chắn 3 tương ứng
với cường độ sáng được tính bằng thang 7. Dụng cụ có hai giới hạn đo, sau
bộ chắn quang học là bộ lọc ánh sáng 2. Cường độ sáng của nguồn nhiệt và
đèn sơi đốt được so sánh bằng mắt:
- Nếu cường độ sáng của đối tượng đo lớn hơn độ sáng của dây đốt ta
sẽ thấy dây thâm trên nền sáng (Hình 2.13a).
- Nếu cường độ sáng của đối tượng đo yếu hơn độ sáng của dây đốt sẽ
thấy dây sáng trên nền sẫm (Hình 2.13b).
- Nếu độ sáng bằng nhau thì hình dây sẽ biến mất (Hình 2.13c) khi đó
đọc vị trí của bộ chắn sáng ơt thang đo 7 để suy ra nhiệt độ.

12


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

So sánh bằng mắt cường độ sáng của nguồn nhiệt và đèn sợi đốt trong hỏa quang kế
cường độ sáng

So sánh bằng mắt tuy thô sơ nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác nhất định vì
cường độ sáng thay đổi nhiều hơn gấp 10 lần sự thay đổi nhiệt độ.

2.2.2. Hỏa kế quang điện.
Nguyên lý cũng tương tự như hỏa kế quang học, cũng dựa trên sự phụ
thuộc quang phổ của vật và nhiệt độ. Hỏa kế quang điện là thiết bị đo tự
động, phần tử thu năng lượng bức xạ là tế bào quang điện, điện trở quang
điện hay điôt quang điện.

2.3. Lựa chọn cảm biến cho hệ thống đo.
Tùy vào yêu cầu thiết kế cũng như đặc điểm của đối tượng cần đo, khả
năng kinh tế, kỹ thuật mà ta lựa chọn loại cảm biến phù hợp. Dựa vào yêu
cầu của đề tài là thiết kế hệ thống đo nhiệt độ không khí ( trong phòng ở, nhà
xưởng,..), ta chọn loại cảm biến là IC đo nhiệt độ vì chúng có giá thành rẻ,
dễ chế tạo, độ chính xác cao và đáp ứng nhanh với thay đổi của môi trường.
Hiện nay có rất nhiều loại IC đo nhiệt độ như LM35, LM335, LM134,
LM234, LM26, LM27, DS18B20,… Trong đồ án này ta sử dụng IC cảm
biến DS18B20.

13


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

Các đặc điểm kỹ thuật của cảm biến DS18B20 có thể kể ra một cách
tóm tắt như sau:
+Sử dụng giao diện một dây nên chỉ cần có một chân ra để truyền
thông.
+ Có thể đo nhiệt độ trong khoảng -55°C -> +125°C. Với khoảng
nhiệt độ là -10°C tới +85°C thì độ chính xác ±0.5°C. Có thể chuẩn tới
0.1°C qua hiệu chỉnh phần mềm. Có chức năng cảnh báo nhiệt độ
vượt qua giá trị cho trước.
+ Điện áp sử dụng : 3 – 5.5 V, có thể cấu hình mã hóa nhiệu độ từ 9 –
12 bit, số bit càng lớn thì độ chính xác cao hơn. Thời gian chuyển đổi
nhiệt độ tối đa là 750ms cho mã hóa 12 bit.
+ Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ cực nhỏ.
+ Mỗi cảm biến có một mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ
nhớ ROM trên chip (on chip), giá trị nhị phân được khắc bằng tia laze.
14

Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

+ Nếu cấu hình cho DS18B20 theo 9,10,11,12 bit thì ta có độ chính
xác tương ứng là : 0.5°C , 0.25°C ,0.125°C, 0.0625°C.Theo mặc định
của nhà sản xuất nếu chúng ta không cấu hình chế độ chuyển đổi thì
nó sẽ tự cấu hình là 12 bit. Khi bắt đầu chuyển đổi nhiệt độ thì chân
DQ sẽ được kéo xuống mức thấp và khi chuyển đổi xong thì ở mức
cao. Như vậy ta sẽ căn cứ vào hiện tượng này để xác định khi nào
chuyển đổi xong nhiệt độ.

Chương 3: Cấu trúc hệ thống đo.
Cấu trúc chung của một hệ thống đo nhiệt độ bao gồm các khối chức năng
như sau:
Khối
cảm biến

Bộ chuyển
đổi ADC

Khối xử
lý trung
tâm

Khối
hiển thị

Khối nguồn

3.1. Khối cảm biến.
Khối cảm biến nhận nhiệt độ từ mơi trường bên ngoài chuyển thành
mức điện áp DC tương ứng đưa vào khối chuyển đổi tương tự số. Trong hầu
hết các cảm biến đo nhiệt độ tín hiệu ở đầu ra của cảm biến là tín hiệu tương
tự, do vậy để có thể xử lý được ta cần thêm mô-đun chuyển đổi từ tín hiệu
tương tự sang tín hiệu số (Analog to Digital converter). Ở trong đồ án này ta
sử dụng IC cảm biến đo nhiệt độ là DS18B20, đây là loại cảm biến có đầu ra
15


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

số nên ta không cần thêm module ADC, như vậy mạch sẽ đơn giản hơn và
tiết kiệm hơn. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến DS18B20 và sơ đồ kết nối
DS18B20 và vi điều khiển như saunhư sau:

-Sơ đồ kết nối giữa vi điều khiển và DS18B20.
-Sơ đồ cảm biến DS18B20:

-Để thực hiện giao tiếp với DS18B20 cần phải thực hiện các bước sau:
Bước 1 : Khởi tạo DS18B20.
Bước 2 : Ghi lệnh ROM, các lệnh Rom được ghi trong bảng 1.
Bước 3 : Ghi lệnh thực thi của DS18B20, các lệnh thực thi ghi trong bảng 2.
Bước 4 : Đọc hoặc ghi dữ liệu vào bộ nhớ DS18B20.

16


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

Bảng 1 : Các Lệnh ROM của DS18B20.

Bảng 2 : Các Lệnh thực thi trên DS18B20.

17


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

3.2. Bộ chuyển đổi ADC.

Bộ vi xử lý chỉ có thể xử lý các tín hiệu dưới dạng nhị phân (dạng số),
do vậy cần có khối chuyển đổi tương tự - số ADC đưa tín hiệu từ tín hiệu
tương tự liên tục (dòng điện, điện áp) sang tín hiệu số, Tuy nhiên tiến trình
biến đổi A/D thường phức tạp và mất nhiều thời gian và tồn tại sai số. Do đó
trong đồ án này thay vì sử dụng các cảm biến đầu ra tương tự như LM35,
LM134, LM26,…ta sử dụng cảm biến DS18B20 có đầu ra số giúp cho mạch
đo dơn giản và giảm bớt sai số do ghép nối nhiều khâu liên tiếp.
3.3.Khối xử lý trung tâm.
Cấu tạo của chip 8051: Vi mạch tổng quát của họ msc-51 là chip 8051
(thuật ngữ 8051 được dùng để chỉ rộng rãi các chip họ msc-51) nó có các
đặc trưng sau:
- 4k rom
- 128 byte ram
- 4 port xuất nhập (i/o port) 8 bit
- 2 bộ định thời 16 bit
- mạch giao tiếp nối tiếp
- không gian nhớ chương trình ngoài 64k
18

Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

- không gian nhớ dữ liệu ngoài 64k
- bộ xử lý bit (thao tác trên các bit riêng rẽ)
- 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí một bit

Sơ đồ khối của một vi điều khiển 8051 có thể được mô tả tổng quát như sau:

Các chức năng của từng khối:
1. Khối xử lý trung tâm CPU (Centrer Processing Unit) là bộ phận chính
của một vi điều khiển khối này có chứa các thành phần chính:
-Thanh ghi tích lũy (kí hiệu là A).
-Thanh ghi tích lũy phụ (kí hiệu là B) thường được dùng cho phép nhân và
phép chia.
19


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

-Khối Logic sốhọc ALU (Arithmatic Logical Unit) thực hiện các thao tác
tính toán.
-Từ trạng thái chương trình PSW (Program status word).
-Bốn băng thanh ghi.
-Con trỏ ngăn xếp (Stack point) cũng như con trỏ dữ liệu để định địa chỉ cho
bộ nhớ dữ liệu ở bên ngoài.
-Thanh ghi đếm chương trình.
-Bộgiải mã lệnh.
-Bộ điều khiển thời gian và logic: Sau khi được Reset, CPU bắt đầu làm việc
tại địa chỉ0000h, là địa chỉ đầu được ghi trong thanh ghi chứa chương trình

(PC). Sau đó, thanh ghi này sẽ tăng lên 1 đơn vị và chỉ đến các lệnh tiếp theo
của chương trình.
2. Bộ tạo dao động: Khối xử lý trung tâm nhận trực tiếp xung nhịp từ bộ
tạo dao động được lắp thêm vào, linh kiện phụ trợ có thể là một khung dao
động làm bằng tụ gốm hoặc thạch anh. Ngoài ra, còn có thể đưa một tín hiệu
giữ nhịp từ bên ngoài vào.
3. Khối điều khiển ngắt:Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ
một khối logic ngắt bên trong. Các nguồn ngắt có thể là các biền cố ở bên
ngoài, sự tràn bộ đếm /bộ định thời hay có thể là giao diện nối tiếp. Tất cả
các ngắt đều có thể được thiết lập chế độ làm việc thông qua hai thanh ghi
IE (Interrupt Enable) và IP (Interrupt Priority).
4. Khối điều khiển và quản lí bus: Các khối trong vi điều khiển liên lạc
với nhau thông qua hệthống Bus nội bộ được điều khiển bởi khối điều khiển
quản lý Bus.
5. Các bộ đếm/định thời: Vi điều khiển 8051 có chứa hai bộ đếm tiến 16
bit có thể hoạt động như là bộ định thời hay bộ đếm sự kiện bên ngoài hoặc
20


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

như bộ phát tốc độ Baud dùng cho giao diện nối tiếp. Trạng thái tràn bộ đếm
có thể được kiểm tra trực tiếp hoặc được xoá đi bằng một ngắt.
6. Các cổng vào ra: Vi điều khiển 8051 có bốn cổng vào/ra (P0 .. P3),
mỗi cổng chứa 8 bit, độc lập với nhau. Các cổng này có thể được sử dụng
cho những mục đích điều khiển rất đa dạng. Ngoài chức năng chung, một số
cổng còn đảm nhận thêm một số chức năng đặc biệt khác.
7. Giao diện nối tiếp: Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một
bộ nhận không đồng bộ làm việc độc lập với nhau. Bằng cách đấu nối các bộ
đệm thích hợp, có thể hình thành một cổng nối tiếp RS-232 đơn giản. Tốc độ

truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt được trong một vùng rộng phụ thuộc vào
một bộ định thời và tần số dao động riêng của thạch anh.
8. Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ chương trình thường là bộ nhớROM
(Read Only Memory), bộ nhớ chương trình được sử dụng để cất giữ chương
trình điều khiển hoạt động của vi điều khiển.
9. Bộ nhớ số liệu: Bộ nhớ số liệu thường là bộ nhớ RAM (Random Acces
Memory), bộ nhớ số liệu dùng để cất giữ các thông tin tạm thời trong quá
trình vi điều khiển làm việc.

21


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

Sơ đồ chân của 8051.
-Chức năng các chân vi điều khiển: Chip 8051 có 40 chân, chức năng của
chúng như sau:
+ Port 0: (các chân từ 32 đến 39 trên 8051) có 2 công dụng: sử dụng
làm port xuất/nhập. Trong các thiết kế lớn hơn port 0 trở thành bus địa chỉ
và bus dữ liệu đa hợp.
+ Port 1: (các chân từ 1 đến 8) chỉ có 1 công dụng: là xuất/nhập. Các
chân của port 1 dùng để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài khi có yêu cầu.
+ Port 2: (các chân từ 21 đến 29) có 2 công dụng: làm nhiệm vụ
xuất/nhập
Và làm byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16 bit cho các thiết kế bộ
nhớ chương trình ngoài hoặc các thiết kế có nhiều hơn 256 byte bộ nhớ dữ
liệu ngoài.
22

Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

+ Port 3: (từ các chân 10 đến 17) có 2 công dụng: hoạt động xuất nhập
và các chức năng riêng khác.
+ Chân cho phép chương trình (PSEN):
8051 cung cấp cho ta 4 tín hiệu điều khiển bus. tín hiệu cho phép bộ nhớ
chương trình psen (program store enable) là tín hiệu xuất trên chân 29. đây
là tín hiệu điều khiển cho phép cho ta truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài,
chân này thường nối với chân cho phép xuất OE (output enable) của eprom
hoặc rom để cho phép đọc các byte lệnh. Tín hiệu PSEN ở mức logic 0 trong
suốt thời gian tìm nạp lệnh. các mã nhị phân của chương trình hay opcode
(mã thao tác) được đọc từ eprom, qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh
ghi lệnh ir của 8051 để được giải mã.Khi thực hiện một chương trình
chứa ở rom nội, PSEN được duy trì ở logic không tích cực (logic 1).
+ Chân cho phép chốt địa chỉ ALE: 8051 sử dụng chân 30, chân xuất
tín hiệu cho phép chốt địa chỉ ALE (address latch enable) để giải đa hợp
bus dữ liệu và bus địa chỉ. khi port 0 được sử dụng làm bus địa chỉ /dữ liệu
đa hợp, chân ale xuất tín hiệu để chốt địa chỉ (byte thấp của địa chỉ 16 bit)
vào một thanh ghi ngoài trong suốt một nửa đầu của chu kỳ nhớ. sau khi
điều này đã được thực hiện các chân của port 0 sẽ xuất/nhập dữ liệu
hợp lệ trong suốt một nửa thứ hai của chu kỳ bộ nhớ. Tín hiệu ALE có tần số
bằng 1/6 tần số của mạch dao động bên trong chip vi điều khiển và có thể
dùng làm xung clock cho phần còn lại của hệ thống.
+ Chân truy xuất ngoài (EA): ngõ vào này (chân 31) có thể được nối với
nguồn 5v (logic 1) hoặc với GND (logic 0). nếu chân này nối lên 5v,
8051/8052 thực thi chương trình trong rom nội. nếu chân này nối với GND
(và chân PSEN cũng ở logic 0), chương trình cần thực thi chứa bộ nhớ
ngoài.
23

Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

+ Chân reset: Ngõ vào RES (chân 9) là ngõ vào xoá chính của 8051
dùng để thiết lập trạng thái ban đầu cho hệ thống hay gọi tắt là reset hệ
thống. khi ngõ vào này được treo ở mức logic 1 tối thiểu hai chu kỳ máy, các
thanh ghi bên trong của 8051 được nạp các giá trị thích hợp cho việc khởi
động lại hệ thống.
+ Các chân XTAL1 và XTAL2: Mạch dao động bên trong chip 8051
được ghép với thạch anh bên ngoài ở hai chân xtal1 và xtal2 (chân 18 và
chân 19).
+ Các chân nguồn: 8051 vận hành với nguồn đơn +5v. VCC được nối
với chân 40 và VSS được nối với chân 20.

3.4. Khối hiển thị.
Có rất nhiều cách để hiển thị giá trị đo lường: có thể sử dụng led ma
trận, led 7 thanh,... Trong đồ án này ta sử dụng màn hình Text LCD, là các
loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị các dòng chữ hoặc số trong
bảng mã ASCII.
Mỗi ô của Text LCD bao gồm các “chấm” tinh thể lỏng, việc kết hợp
“ẩn” và “hiện” các chấm này sẽ tạo thành một ký tự cần hiển thị. Trong các
Text LCD, các mẫu ký tự được định nghĩa sẵn. Kích thước của Text LCD
được định nghĩa bằng số ký tự có thể hiển thị trên 1 dòng và tổng số dòng
mà LCD có. Ví dụ LCD 16x2 là loại có 2 dòng và mỗi dòng có thể hiển thị
24


Thiết kế hệ thống đo và giám sát nhiệt độ cho ngôi nhà mình đang ở

tối đa 16 ký tự. Một số kích thước Text LCD thông thường gồm 16x1, 16x2,

16x4, 20x2, 20x4….

3.4.1. Sơ đồ chân.
Các Text LCD thường có 16 chân trong đó 14 chân kết nối với bộ
điều khiển và 2 chân nguồn cho “đèn LED nền”. Thứ tự các chân và chức
năng của chúng như sau:
Chân Ký hiệu Mô tả
1

Vss

2

VDD

3
4

VEE
RS

5

R/W

25

Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND
của mạch điều khiển
Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với

VCC=5V của mạch điều khiển
Điều chỉnh độ tương phản của LCD.
Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic “0”
(GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD
(ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở
chế độ “đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên
trong LCD.
Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với logic
“0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD
ở chế độ đọc.