Thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính

thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính

lời nói đầu

Việc ứng dụng máy tính vào kĩ thuật đo lờng và điều khiển đã
đem lại cho con ngời những kết quả hết sức u việt . Trong nhiều lĩnh vực
sản suất công nghiệp hiện nay , nhất là trong các ngành công nghiệp
luyện kim , chế biến thực phẩm . . . vấn đề đo và khống chế nhiệt độ đặc
biệt đợc chú trọng đến vì nó là một yếu tố chất lợng hết sức quan
trọng . Các thiết bị hệ thống đo lờng và điều khiển ghép nối với máy
tính có độ chính xác cao , thời gian thu thập số liệu ngắn , nhng điều
đáng quan tâm hơn là mức độ tự động hoá trong việc thu thập vi xử lý
kết quả đo .
Nắm đợc tầm quan trọng của việc khống chế nhiệt độ trên do
vậy em đã xin nhận đề tài tiến hành nghiên cứu đo và khống chế nhiệt
tự động bằng máy tính có sử dụng vi điều khiển 8051 với mục đích
nhằm góp phần giải quyết đợc những yêu cầu trên và lấy đó làm đề tài
tốt nghiệp cho chính mình .
Chính vì vậy sau khi nhận đợc đề tài Thiết kế đo và khống
chế nhiệt độ tự động bằng máy tính em đã vận dụng tất cả các kiến
thức và năng lực đã tính luỹ trong suốt gần năm năm học ở nhà tr ờng
và nghiên cứu thêm về phần xử lý 8051 để hoàn thành đợc bản đồ án
này với mong muốn sau khi ra trờng sẽ có một kiến thức sâu hơn và
góp phần vào sự phát triển của nớc nhà .
Những kết quả và kiến thức em tích luỹ đợc hẳn cha nhiều
nên trong quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp còn có nhiều sai sót và
rất thiếu kinh nghiệm do đó rất mong đợc sự góp ý và bổ sung của các
thầy các cô và các bạn đọc đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Quốc Trung đã tận
tình giúp đỡ em để hoàn thành tốt đề tài này . Mặc dù đã có nhiều cố
gắng song chắc không tránh khỏi những thiếu sót , do đó rất mong đợc

sự góp ý bổ xung và phê bình của quý thầy cô và các bạn . Một lần
nữa em xin chân thành cám ơn tới những ngời đã giúp em hoàn thành
đề tài tốt nghiệp này .
Hà nội

ngày.....tháng..... năm.....
1


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
Sinh viên thực hiện

Phần một

tìm hiểu về 8051

Chơng I
Bộ vi điều khiển 8051
I/ Tổng quan về bộ vi điều khiển 8051
1)Định nghĩa :
Bộ vi điều khiển 8051 hay còn gọi là bộ vi xử lý đợc cấu tạo là một vi
mạch số mật độ cực lớn làm việc theo chơng trình tức theo nguyên tắc nhận lệnh
từ bên ngoài và thực hiện lệnh đó.
Bộ vi xử lý là một hệ thống thao tác trên các bit 0 và 1, nhng bản thân hệ
thống không giải quyết đợc vấn đề gì cả, mà bài toán chỉ đợc giải khi bộ vi xử
lý thực hiện tất cả các chơng trình ứng dụng mà ngơi lập trình đa vào.

2) Sự phát triển của bộ điều khiển 8051
Sự phát triển của kĩ thuật vi xử lý gán liền với sự phát triển của bộ vi điều
khiển. Intel hãng sản xuất bộ vi sử lý đầu tiên và là hãng có bộ vi điều khiển lớn

nhất và phong phú nhất.
2


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
Trong các họ vi điều khiển 8 bít hàng đầu thì 8051 có số lợng lớn nhất và
có nhiều hãng cung cấp nhất. Nhà cung cấp lầ nhà sản xuất bên cạnh nhà sáng
chế bộ vi điều khiển đối với 8051 thì nhà sáng chế là Intel. Nhng hiên nay có rất
nhiều hãng cung sản xuất. Các hãng này gồm Intel , Atmel , Philips/ Signetics ,
AMD , Simens , Matra , Pallas...
Năm 1981 hãng Intel cho ra mắt bộ vi điều khiển đợc gọi là 8051. Bộ vi
điều khiển này là một vi mạch tổng quát của họ MCS 51 , bộ vi điều khiển
này có các thống số và các đặc trng nh sau.
- 4KB ROM .
- 128 byte RAM.
- 4 port xuất nhập ( 4 cổng vào/ra) 8bít .
- 2bộ định thời 16 bít .
- Mạch giao tiếp nối tiếp .
- Không gian nhớ chơng trình ( mã) ngoài 64K .
- Bộ xử lý bít .
- 210 vị trí nhớ đợc định địa chỉ , mỗi vị trí 1 bít .
- Nhân / chia trong 4às .
8051 đã trở nên rất phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác
sản xuất và bán bất kì biến dạng nào của 8051 nhng với điều kiện họ phải mã chơng
trình tơng thích với 8051 mặc dù do các hãng sản xuất khác nhau nên tốc độ và dung
lợng nhớ của ROM trên chíp là khác nhau nhng tất cả các lệnh đó đều tơng thích với
8051 ban đầu.

Các thông số của 8051
Đặc tính

ROM
RAM
Bộ định thời
Chân vào / ra
Cổng nối tiếp
Nguồn ngắt

Số lợng
4K byte
128 byte
2
32
1
6

3


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
3) Sơ đồ chức năng 8051 .
Bộ vi điều khiển 8051 là thành viên đầu tiên của họ 8051 nó bao gồm
các thành phần sau : Bộ vi sử lý , bộ nhớ và các thiết bị vào ra ngoài ra còn các
mạch phụ trợ khác tuỳ theo từng loại của bộ vi điều khiển 8051 .

Ngắt ngoài

Đ/khiển
ngắt

ETC

ROM
On chip
chơng
trình

Timer0

RAM
on chip

Timer1

4 cổng vào
ra

Cổng nối
tiêp

Vào
Bộ
đếm

CPU

Bộ tạo
dao động

Bus điều
khiển

sơ đồ khối bộ vi điều khiển 8051
* CPU
TXDhoạt
RXD
P1 đIều
P2 Pkhiển
Còn đợc gọi là bộ xử lý trung tâmP0nó
mọi
động của hệ
3
chỉ dữ liệu
và hoạt động theo chơng trình đIều khiểnĐịa
có sẵn
* Bộ nhớ
Bộ nhớ là nơi chứa chơng trình và dữ liệu nó bao gồm có bộ nhớ trong
và bộ nhớ ngoài .
+ Bộ nhớ trong bao gồm 2 thành phần ROM và RAM
ROM ( Read only memory ) : Là bộ nhớ cố định có đặc điểm thông tin
chỉ có thể đọc thông tin ra và thông tin không bị mất khi mất điện. Bộ nhớ ROM

4


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
đợc dùng để chứa chơng trình chính hoặc chứa chơng trình điều hành hay chơng
trình hớng dẫn.
RAM (.................) là bộ nhớ động có đặc điểm là thông tin có thể ghi
hoặc đọc ra một ra một cách tuỳ ý và thông tin đó sẽ bị mất đi khi mất điện.
RAM đợc sử dụng để nạp phần còn lại của hệ điều hành từ đĩa khởi động hoặc

nạp vào các chơng trình ứng dụng từ bộ nhớ ngoài, lu trữ số liệu và trạng thái hệ
thống trong quá trình làm việc.
+ Bộ nhớ ngoài gồm băng từ, đĩa từ... đợc sử dụng nhiều vì giá thành rất rẻ
và đợc dùng để lu trữ thông tin và dữ liệu
Cổng vào ra
+ Thực hiện trao đổi thông tin giữa CPU với các thiết bị ngoại vi nh bàn
phím, chuột máy in...
+ Để tránh cho CPU mất nhiều thời gian cho các cổng vào/ ra thì trong các
máy tính ngời ta sử dụng các bộ xử lý giá thành thấp, chuyên dụng cho các cổng
vào/ ra. Vì vậy khi CPU đang bận các bộ xử lý vào ra vẫn có thể làm công việc
của nó.
Các Bus
Các đờng dây dùng để truyền song song các tín hiệu có cùng chức năng
và có các loại Bus sau đây.
+ Bus địa chỉ: Là hệ thống các dây dẫn song song mà CPU cần tới để xác
định địa chỏ của các thành phần trong qúa trình làm việc
+ Bus dữ liệu: Là hệ thống đờng truyền song song đợc dùng để trao đổi dữ
liệu giữa CPU với các thành phần bên ngoài và giữa các thành phần với nhau
+ Bus điều khiển: Gồm các đờng dây dùng để truyền tín hiệu điều khiển
cần thiếu giúp cho CPU điều khiển việc trao đổi dữ liệu, xử lý sự cố và đồng bộ
toàn hệ thống.

II/ Sơ đồ, chức năng các chân của 8051
1) Sơ đồ chân của 8051

5


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
40

30pF

19

Vcc

P07
P06
P05
P04
P03
P02
P01
P00

XTAL 1

12MHZ
30pF

18
29
30
31
9

RD
WR
T1
T0

INT1
INT0
TXD
RXD

17
16
15
14
13
12
11
10

XTAL 2
8051
PSEN

P17
P16
P15
P14
P13
P12
P11
P10

ALE
EA
RST

P37
P36
P35
P34
P33
P32
P31
P30

Vss

P27
P26
P25
P24
P23
P22
P21
P20

32
33
34
35
36
37
38
39

AD7

AD6
AD5
AD4
AD3
AD2
AD1
AD0

8
7
6
5
4
3
2
1
28
27
26
25
24
23
22
21

AD15
AD14
AD13
AD12
AD11

AD10
AD9
AD8

20

2) Chức năng các chân của 8051
- Chíp 8051 có 40 chân trong đó có 32 chân có công dụng xuất/ nhập tuy
nhiên 24 trong 32 chân này có 2 mục đích sử dụng. Mỗi một chân này có thể
hoạt động xuất/nhập nh một đờng địa chỉ/dữ liệu của bus địa chỉ/dữ liệu đa hợp,
32 chân này hình thành 4 port 8 bít. 8 chân cho một bort và có thể sử dụng nh
một đơn vị giao tiếp song song nh máy in, bộ biến đổi DA...
- Các chân còn lại dành cho nguồn V cc , đất GND, các chân dao động
XTAL1.

3) Nhóm chân cổng vào ra
Bốn cổng vào ra Port0, Port1, Port2, Port3, đèu có 8 chân và tạo thành
cổng 8 bít . Khi Reset thì tất cảc các cổng làm nhiệm vụ đầu ra còn để làm
nhiệm vụ đầu vào thì cần phải lập trình.

a) Cổng Port 0
Cổng Port0 Có 8 chân (Chân từ 32 đến 39) bình thờng đây là cổng ra,
vào hoặc ra nhng nó có hai tác dụng trong các thiết kế tối thiểu thì Port 0 đợc sử
6


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
fụng làm nhiệm vụ xuất nhập còn trong các thiết bị lớn hơn thì Port trở thành
bus địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp.

b) Cổng Port 1
Cổng Port 1 cũng có các chân ( Các chân từ 1 đến 8) các chân này chỉ
có một tác dụng là dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi (làm đờng xuất
nhập hoặc làm các ngõ vào cho các mạch dịch thời thứ 3). Để chuyển cổng port
1 thành đầu vào cần lập trình bằng cách ghi 1 đến tất cả các bít của cổng.

c) Cổng port 2
Cổng Port 2 có 8 chân( từ chân 24 đến chân 28) có thể đợc sử dụng làm
đầu vào hoặc đầu ra. Cổng này có hai chức năng là chuyển địac hỉ và dữ liệu,
byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16 bít cho các thiết kế có bộ nhớ chơng trình
ngoài .

d) Cổng Port 3
Cổng Port có 8 chân từ chân 10 đến chân 17. Cổng này có thể đợc sử
dụng làm đầu vào hoặc đầu ra. Khi không làm nhiệm vụ xuất nhập thì nó sẽ có
các chức năng riêng liên quan đến các đặc trung cụ thể của 8051 , tuy nhiên
cổng Port3 còn có một chấc năng quan trọng khác là cung cấp một số tín hiệu
đặc biệt chẳng hạn nh ngắt.
Bảng chức năng của cổng Port3
Bít
Tên Địa chỉ bít
Chức năng
P3.0 RXD B0H
Chân nhận dữ liệu của Port nối tiếp
P3.1 TXD B1H
Chân phát dữ liệu của Port nối tiếp
P3.2 INT0 B2H
Ngõ vào ngắt ngoài 0
P3.3 INT1 B3H
Ngõ vào ngắt ngoài 1

P3.4 T0
B4H
Ngõ vào của bộ định thời / đếm 0
P3.5 T1
B5H
Ngõ vào của bộ định thời / đếm 1
P3.6 WR
B6H
Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài
P3.7 RD B7H
Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

4) Nhóm chân nguồn dao động và điều khiển
a) Nhóm chân nguồn
+ Chân Vcc: Chân 40 cung cấp điện áp nguồn +5V cho chíp
+ Chân GND: Chân số 20 là cung cấp nguồn âm (là chân mát)

b) Nhóm chân dao động
7


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
Nhóm chân XTAL1 và XTAL2 là các chân 18 và 19 của chíp 8051 hiện
tại đã có môt bộ dao động đồng hồ ở bên ngoài dùng để kích hoạt và hai chân
này cần đợc nối với bộ dao động thạch anh ở ngoài va khi đó đợc mắc với các tụ
ổn định tần số dao động cho thạch anh .
Tần số danh định của thạch anh là 12 MHz cho tất cả họ vi điều khiển
8051 . Bộ dao động tạo xung đồng hồ không nhất thiết là bộ dao động dùng
thạch anh mà cũng có thể dùng bộ dao động TTL khi đó dao động đợc nối tới
chân XTAL1 còn chân XTAL2 để hở .

c) Nhóm chân điều khiển .
+ Chân RESET ( chân số 9 ) là chân khởi động lại trạng thái ban đầu
của hệ thống . Khi có xung cao đặt tới chân này thì bộ vi điều khiển 8051 sẽ kết
thúc mọi hoại động hiện tại và tiến hành khởi động lại . Quá trình này xảy ra
hoàn toàn tơng tự nh khi bật nguồn và khi đó mọi giá trị trên thanh ghi đều bị
xoá hết
+ Chân EA ( Chân số 31 )
Là chân truy xuất ngoài có thể đợc nối với +5V khi có mức logic1 và
nối đất khi có mức logic 0 .
Nếu có mức logic 1 thì nó sẽ thực thi chơng trình trong ROM .
Nếu có mức logic 0 và chân PSEN cũng ở mức 0 thì chơng trình cần
thực thi chứa ở bộ nhớ ngoài vì trong chíp không có bộ nhớ chơng trình .
+ Chân PSEN (chân 29 )
Là chân ra có chức năng cho phép cất chơng trình 1 và cho phép bộ nhớ
chơng trình cung cấp cho ta 4 tín hiệu điều khiển bus và là tín hiệu xuất trên
chân này và đây cũng là tín hiệu cho phép truy xuất bộ nhớ chơng trình ngoài và
đợc nối với OE .
Tín hiệu PSEN ở mức logic 0 khi thực hiện thời gian tìm nạp lệnh .
Tín hiệu PSEN ở mức logic 1 khi thực hiện 1 chơng trình chứa ở ROM .
+ Chân chốt địa chỉ ALE ( Chân 30 ) .
Là chân có mức tích cực cao và là chân xuất tín hiệu cho phép xuất địa
chỉ ALE . Khi pỏt đợc chọn làm bus địa chỉ / dữ liệu thi chân ALE xuất tín hiệu
để chốt địa chỉ và sau khi chốt các chân của port sẽ xuất / nhập dữ liệu hợp lệ
trong suốt 1/2 thứ 2 của chu kì bộ nhớ .

8


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính

Chân ALE còn đợc sử dụng để phân kênh địa chỉ và dữ liệu bằng cách
nối tới chân G của chíp 74LS373 .
Tín hiệu ALE có tần số bằng 1/6 tần số của mạch dao động , chân ALE
còn dùng làm chân nhận xung ngõ vào lập trình cho EDROM .

5) Cấu trúc của port xuất nhập .
sơ đồ mạch bên trong của các port xuất / nhập .
1k

8051 internal bus
Read
latch
D
Write

Q

5V

+VVcc

internal
Pull-up
NJFET

Read
Pin
Port
Pin

Port
latch

to latch

Việc ghi đến 1 chân của port sẽ nạp dung lợng vào bộ chốt của port ,
ngõ ra Q của bộ chốt điều khiển 1 trạm trờng và transitor này nối với chân của
port . Khả năng fan out của các port 1 , 2 và 3 là 4 tải vi mạch TTL loại
Schottky công suất thấp còn của 0 là 8 tải loại Shottky công suất thấp .
Trong đó
8051 internal bus : Đờng truyền bên trong của 8051 .
Read latch : Đọc bộ chốt .
Internal pull up : Kéo lên bên trong .
Read pin : Đọc chân port .
port pin : Chân port .
Write to latch : Ghi vào bộ chốt .

9


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính

6) Truy suất bộ nhớ chơng trình ngoài .
Bộ nhớ chơng trình ngoài là bộ nhớ chỉ đọc và đợc cho phép bởi tín
hiệu PSEN . Khi có 1 EPROM ngoaì đợc sử lý thì cả 2 port 0 và 1 đều không
còn là các port xuất nhập .

Sơ đồ 8051 truy xuất với bộ nhớ ngoài .
Port0
8051

EA

D

ALE

G

D0 ữ D7
RAM
(1kbyte)
A0 ữ A7

Q

Port2
A18ữA15

PSEN

OE

Khi bộ nhớ ngoài đợc sử dụng thì port không làm nhiệm vụ của port
xuất / nhập , port này trở thành bus địa chỉ ( A 0 ữ A7 ) và bus dữ liệu ( P 0 ữ P7 )
đa hợp . Ngõ ra ALE chốt byte thấp của địa chỉ ở thời điểm bắt đầu mỗi một chu
kỳ bộ nhớ ngoài . Còn port 2 thờng đợc dùng làm byte cao của bus địa chỉ .
Sự xắp xếp đa hợp có hoạt động là 1/2 chu kỳ đầu của chu kỳ bộ nhớ ,
byte thấp của địa chỉ đợc cung cấp bởi port 0 và đợc chốt nhờ tín hiệu ALE .
Mạch chốt 74HC374 giữ cho byte của địa chỉ ổn định trong cả chu kỳ bộ nhớ .
Trong 1/2 chu ky sau của chu kỳ bộ nhớ port 0 đợc sử dụng làm bus dữ liệu và

khi đó dữ liệu đợc đọc hay ghi .

7) Truy suất bộ nhớ dữ liệu ngoài .
Port0

D ữD

0
8051trúc sự truy suất của 8051 vói bộ nhớ
Sơ dồ cấu
dữ7 liệu ngoài
RAM

AE

D

ALE

G

P2.0
P2.1
RD
WR
PSEN

Q

(1kbyte)

A0 ữ A7

A8
A9
OE
W
CS

NC

10


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính

Bộ nhớ dữ liệu ngoài là bộ nhớ đọc , ghi đợc cho phép bởi các tín
hiệu RD , WR ở các chân P3.7 , P3.6 . Bộ nhớ dữ liệu ngoài có thể giao tiếp với
8051 theo cùng cách nh EPROM ngoại trừ đờng RD nói với cổng cho phép ( OE
) của nó và WR nối với đờng ghi W của RAM các kết nối bus dữ liệu và bus địa
chỉ giống nh EPROM cũng bằng cách sử dụng các port ở mức cao thì dữ liệu đợc xuất ra ở port 0 .
ở đây port 2 giảm bớt đợc chức năng làm nhiệm vụ cung cấp byte cao
của địa chỉ trong các hệ thống tối thiểu thành phần , hệ thống không dùng bộ
nhớ chơng trình ngoài và chỉ có 1 dunglợng nhỏ bộ nhớ dữ liệu ngoài.

III/ Chế độ hoạt động của các port nối tiếp
Chức năng của Port nối tiếp là thực hiện việc chuyển đổi dữ liệu song
song thành nối tiếp khi phát và chuyển đổi dữ liệu nối tiếp thành song song khi
thu.
Các mạch phần cứng bên ngoài truy xuất Port nối tiếp thông qua các
chân TxD (Phát dữ liệu) và RxD ( thu dữ liệu) các chân này đa hợp với hai chân

của bort 3 là P3.1 và P3.0 (RxD). Đặc trng của nó là hoạt động song công (pull
duplex) nghĩa là nó có khả năng thu và phát đồng thời ngoài ra nó còn có đặc tr ơng nữa là việc đệm dữ liệu khi thu của bort này cho phép 1 ký tự đợc nhân và lu
giữ trong bộ đệm thu trong khi ký tự tiếp theo đợc nhân vào. Nếu CPU đọc ký tự
thứ nhất trớc khi ký tự thứ 2 đợc nhận đầy đủ thì dữ liệu sẽ không bị mất

Phần II

Các hệ thống đo và khống chế
nhiệt độ

Chơng I :

Sơ lợc về hệ thống cần thiết kế

I/ Chỉ tiêu kĩ thuật
- Thông số cần đo và khống chế là ( 300C ữ 800C ) .
11


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
- Sai số là 10

II / Mô hình và nguyên tắc hoại động của hệ thống .
a) Mô hình .
Bộ cảm
biến
nhiệt

Nhiệt
độ

Phần tử
chấp
hành

K đại
chuyển
đổi
Máy
tính

ADC

8051

b) Nguyên tắc hoạt động .
Khi nhiệt độ cần khống chế thay đổi thì bộ cảm biến ( Sensor ) sẽ nhận
đợc biến đổi thành tín hiệu điện đa tới bộ khuyếch đại để đa ua bộ chuyển đổi tơng tự sang số và đợc đa vào bộ vi điêù khiển 8051 đã có chơng trình sẵn để
điều khiển và đợc kết nối với máy tính cùng với chơng trình điều khiển của máy
tính thì vi điều khiển sẽ điều khiển các cơ cấu chấp hành bên ngoài làm cho các
phần tử thay đổi theo đúng yêu cầu đợc đặt ra .
III / Mục tiêu và nhiệm vụ .

a) Mục tiêu
Do nhu cầu sử lý thông tin của xã hội ngày càng cao việc xây dựng một
hệ thống thu nhập và sử lý chuyên dụng phục vụ cho thông tin và điều khiển là
một trong các vấn đề đang đợc đề cập đến , nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng
giảm đáng kể những chi tiết không cần thiết và giảm tối đa nhân lực .
Nh vậy hệ thống của ta phải có các đặc tính sau .
- Có tính mềm dẻo .

- Có tính mở ( có tính mở rộng thêm cho hệ thống ) .
- Dễ sử dụng ( càng đơn giản cho ngời sử dụng càng tốt ) .
12


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
- Giá thành chấp nhận đợc .
- Linh kiện dễ tìm kiếm .

b) Nhiệm vụ .
Qua tiếp xúc với nhiều hãng sản xuất nổi tiếng nh OMRON ... thì ta
thấy các hãng náy sử dụng các linh kiện rất khó thay thế , gía thành đắt . Do đó
nhiệm vụ của đề tài là em phải xây dựng đợc một card giao tiếp với máy tính
qua cổng RS232 ( com 1 hoặc com 2 ) thực hiện các chức năng đo và khống chế
nhiệt độ nh yều cầu của đề tài đặt ra và viết chơng trình điều khiển cho card
bằng các ngôn ngữ sau
- ASSENI BLER
- C ( C thờng ) .
- Visual bazisc .

Chơng II : Thiết kế phần cứng của hệ thống
I/ Sơ lợc về các khối của hệ thống cần thiết kế .
Bộ cảm biến nhiệt ( Sensor ) .
Bộ cảm biến là nơi tiếp nhận và sử lý thông tin trớc khi đa về trung tâm
tiếp tục sử lý và phản hồi cho việc đo đặc và tự động điều khiển .
Việc cảm nhận của các mạch cảm biến nhiệt rất quan trọng do đó các
bộ sensor phải chịu đựng đợc các điều kiện khắc nghiệt và phải có độ chính xác
cao .
Mạch khuyếch đại tín hiệu : Các tín hiệu ra khỏi mạch cảm biến là rất
nhỏ do đó mạch khuyếch đại có tác dụng khuyếch đại tín hiệu trớc khi đa vào bộ

biến đổi ADC .
Mạch biến đổi ADC : Tín hiệu đa vào máy tính là các tín hiệu có dạng
các bít 0 hoặc 1 do đó ta pải dùng mạch chuyển đổi tín hiệu từ tơng tự sang số .
Mạch 8051 : Là bộ vi sử lý làm việc theo chơng trình đã đợc lập sẵn và
đợc điều khiển bởi máy tính .
Mạch điều khiển các phần tử chấp hành : Là mạch nhận các dữ liệu từ
8051 và máy tính sau đó điều khiển các cơ cấu chấp hành theo lệnh đã có sẵn .

13


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
II / Phần cứng của hệ thống .
1) Sơ lợc về cấc cổng giao tiếp giữa máy tính với card cần thiết
kế .
Các mạch nối ghép vào / ra gồm có hai loại phù hợp với hai phơng thức
truyền số liệu số song song và nối tiếp .
Cổng ghép song song gồm 8 bit số liệu đợc truyền đồng thời, 8 bít này
đợc chíp vào ra nhận và truyền nó tới và nó gồm có 2 cổng là cổng 9 chân và
cổng 25 chân ngời ta gọi nó là cổng com .
Cổng ghép nối tiếp cũng giống nh cổng ghép nối song song nhng 8 bít
ở đây sẽ đợc truyền lần lợt liên tiếp nhau và nó cũng gọi là cổng com

Các tiêu chuẩn của RS -232 .
D25
1
2
3
4
5

6
7
8
20
22
23

D9
1
3
2
7
8
6
5
1
4
9

Tín hiệu
1
TD
RD
RTS
CTS
DRS
GND
DCO
DTR
RI

DSRD

Hớng truyền
DTE
DCE
DTE
DCE
DCE

DCE
DTE
DCE
DTE
DTE

DCE
DTE
DCE
DCE

DTE
DCE
DTE
DTE

Mô tả

2 ) Một số bộ biến đổi ADC thông dụng .
2.1 ) sơ lợc về bộ biến đổi ADC
Analog signal

ADC

Digital signal

14


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
Tín hiệu tơng tự là các đại lợng vật lý tự nhiên thay đổi liên tục và có
thể nó nh là một điện áp hay dòng điện mà giá trị biên độ của nó thay đổi liên
tục theo thời gian .
Tín hiệu số là một điện áp hay dòng điện chứa thông tin hay vị trí các
xung hay sự thay đổi biên độ đột ngột so với tín hiệu xung đồng hồ .
Tín hiệu số có u điểm là : Tính chống nhiễu cao tốc độ xử lý cao ,
khả năng xử lý linh hoạt...

2.2 ) Vi mạch TLC549
Vi mạch TLC549 là bộ biến đổi A/D 8 bít nó rất hấp dẫn với những ứng
dụng đơn giản . Vi mạch nay có 8 chân ra , tiêu thụ dòng không đáng kể nên
thích hợp với dòng RS232 nối tiếp . Vi mạch TLC549 có chứa bộ giữ nhịp của
hệ thống, khối lấy mẫu và giữ, bộ biến đổi A/D 8bít > Vi mạch này có 2 chân ra
dùng để trao đổi thong tin với các khối chức năng có tên là I/O _CLK và data
out, các tín hiệu ở chân này là tơng thích của TTL và làm dễ dàng việc trao đổi
thông tin với các thành viên khác tơng ứng

Sơ đồ chân
TTL 549
1
3

2
4

REF+

Dout

REF-

Clook

AIN
GND

Vcc

6
7
8
5

15


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
Các thông số kĩ thuật đặc trng cho vi mạch TLC549
Độ phân giải 8 bít
Có lối vào điện áp so snhs vi phân
Thời gian biến đổi 17às
Lấy mẫu và giữ trên chíp

Thời gian giữ nhịp hệ thống bên trong là 4Mhz
Điện áp nguồn nuôi là 5 V
Dòng tiêu thụ là 1,8mA

2.3) Vi mach ADC 0804
Vi mạch 0804 là một bộ biến đổi A/D tác động nhanh đầu ra dữ liệu 8
bit song song và đều đợc tơng thich với TTL0 qua một lối vào điều khiển, các lối
ra có thể chuyển sang trạng thái điện trở cao do đó vi mach 0804 đợc đêm vào
một bít dữ liệu. Ngoài r a cac lối vào còn đợc dùng để điều khiển đọc ghi, lối
vào Analog đợc vi phân điện áp ở cả hai chân + (chân 6), - (chân 7) đợc biến
đổi. Giải điện áp đặt vào này có thể đạt đến là 5 V.

Các thông số kĩ thuật của vi mạch ADC 0804
+ Bus dữ liệu 8 bít
+ Có lối vào Analog vi phân
+ Dải điện áp tín hiệu Analog lối vào là 0 ữ 5 V
+ Điện áp nguồn nuôi là 5 V
+ Dòng tiêu thụ la 1,9 mA
+ Bộ phát xung nằm trên chíp

Sơ đồ chân của vi mạch ADC 0804

16


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
20
6
7
8

9
19
4

Vin(+)
Vin(-)
AGND
Vref/2
CLKR

D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7

Vcc

CLKin

1 CS
2
RD
10
DGND

18

17
16
15
14
13
12
11

3
WR
5
INTR

Khi sử dụng vi mạch ADC0804 để đo dải nhiệt độ thì vi mạch này có
thể sử dụng để tạo nên bộ biến đổi A/D 8 bít với tính năng chuyển đổi đợc dải đo
bởi vì modul cơ sở quy định ở lối vào và lối ra tơng thích TTL.
Các bít dữ liệu từ D0 ữ D7 đợc truyền qua cổng nối tiếp do vậy nó sẽ cần
thêm 1 xung Low để khởi tạo cho các dữ liệu đợc gửi đi và nó đợc tạo ra nhờ đờng dẫn dữ liệu lối ra D0 của modul.

2.4) Chíp ADC 808/809 , 8 kênh tơng tự .
Một chíp CMOS rất hữu ích của hãng Nationnal Semiconductor là ADC
808/809 rất giống với chíp 0804 đã nêu ở trên. Nhng nó chỉ khác cơ bản là chíp
này có 8 kênh đầu vào tơng tự làm việc độc lập với nhau. Cho nên nó cho phép
giám sát đồng thời 8 bộ cảm biến( Nó cũng có đầu ra dữ liệu 8 bít nh 0804, 8
kênh đầu vào tơng tự đợc đầu ra và chon nhờ 3 chân địa chỉ BC nh bản dới)

Các thông số kỹ thuật của chíp ADC 808/809
Không đòi hỏi điều chỉnh mức 0
Quét động 8 kênh bằng logíc địa chỉ
Tát cả các tín hiệu tơng thích với TTl

Dải tần số xung clock là : (10Khz ữ 1280Khz)
Dòng tiêu thụ là : 0,3 mA
17


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
Thời gian chuyển đổi: 100às
Dễ dàng giao tiếp với các bộ vi xử lí hoặc dung riêng
Tốc độ chuyển đổi không phụ thuộc vào tần số xung
Điện áp nguồn nuôi là : +5V
Điện áp ngõ vào của tín hiệu tơng tự là : (0 ữ 5V).
Điện áp ngõ vào của tín hiệu tơng tự là : (0 ữ 5V).

Sơ đồ chân của ADC 808/809
10
26
27
28
1
2
3
4
5
12
16

IN0 GND
IN1
IN2
IN3

IN4
IN5
IN6
IN7

CLOK

Vcc

D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7

Vref(+)

EOC

Vref(-)

OE

Sart ALE
6 22

A

17
14
15
8
18
19
20
21
7
9

B C
25 24 23

ý nghĩa các chân.
- 8 chân đầu vào (IN0 ữ IN7) cho vào các tín hiệu tơng tự và đợc điều
khiển bởi các chân địa chỉ A,B,C
18


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
- 3 chân A, B, C là các chân địa chỉ dùng để chọn lọc các tín hiệu đầu
vào IN0` ữ IN7
- 8 chân đầu ra (D0ữD7) là các chân dữ liệu đầu ra 8 bít song song
- Chân ALE (chân 22) là chân cho phép chốt địa chỉ bằng cách đa một
xung thấp lên cao để chốt địa chỉ.
- Chân Start ( chân 6) là chân của xung bắt đầu chuyển đổi
- Chân CLK ( chân 22) là chân của xung đồng hồ
- Chân VREF (Chân 12 cho Vref +, chân 16 cho Vref-) là các chân của

điện áp tham chiếu (+) và (-)
- Chân OE ( chân 9): Khi chân này ở mức logíc cao thì ADC 0809 sẽ
cho ra số liệu ở các chân dữ liệu D0ữD7.
- Chân EOC (chân 7)
+ Nếu EOC ở mức thấp thì ADC 0809 bắt đầu quá trình lấy mẫu
+ Nếu EOC ở mức cao thì ADC 0809 báo số liệu ở đầu ra của nó đã
sẵn sàng.
C
0
0
0
0
1
1
1
1

B
0
0
1
1
0
0
1
1

A
0
1

0
1
0
1
0
1

Kênh lối vào đợc chọn
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7

ADC 0808/ 0809 có 8 kênh nối vào tơng tự đợc dẫn đến các chân IN0
đến IN7 và 8 đờng dẫn dữ liệu 8 bít từ D 0 ữ D7 . Do vậy ta có tể chạo 1 trong 8
chân lối vào để thực hiện chuyển đổi từ tơng tự sang số . Mẫu bít ở các lối vào

19


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
địa chỉ A,B,C sẽ xác định xem kênh nào phải đợc lựa chọn khi đó việc lựa chọn
sẽ tuân thủ theo bảng trạng tháisau .
Nguyên tắc làm việc của chíp ADC 0808/0809 .
Sau khi kích hoạt sờn dơng của xung ở chân start của chíp ADC
0808/0809 để chốt các tín hiệu chọn lệnh làm việc thì khi đố quá trình lấy mẫu

bắt đầu làm việc. sau sờn dơng của xung ở chân Start thì chíp ADC 0808/0809 sẽ
điều khiển tín hiệu ra ở chân EOC xuống mức thấp để báo bắt đầu quá trình lấy
mẫu và sau 1 khoảng thời gian cỡ 100às thì quá trình 1 lấy mẫu kết thúc tín hiệu
ra ở chân EOC lên mức cao để báo số hiệu ra ở đầu ra đã sãn sàng . Khi nhận đợc tín hiệu ở EOC lên mức cao thì tín hiệu OE sẽ phải lên mức cao và khi đó dữ
liệu sẽ đợc đa ra ở các đầu ra từ D0 ữD7 .
Khi ta thay đổi các tín hiệu A,B,C thì chíp ADC 0808/0809 sẽ trích mẫu
lần lợt 8 kênh lối vào của tín hiệu tơng tự do đó tín hiệu lấy mẫu của mỗi kênh là
125às .
Nếu cả 8 kênh lối vào cùng hoạt động một lúc thì tín hiệu lấy mẫu sẽ là
125àx8=1ms . Do vậy để chứa ADC 0808/0809 làm việc ổn định thì chân VREF
+ = +5v còn chân VREF- = 0v và khi đó đồng thời phải đa 1 xung đồng hồ riêng
tới chân CLK của chíp .

3) Mạch khuyếch đại tín hiệu .
Bộ khuyếch đại thuật toán ( khuyếch đại tín hiệu ) ngày nay đã đợc sử
dụng rất phổ biến và nó đợc đóng thành 1 khối có sẵn trong đó có chứa các bộ
khuyếch đại thuật toán , nó có thể từ 1,2 hoặc 4 bộ trong 1 khối gọi là khuyếch
đại thuật toán .
3.1) Bộ khuyếch đại thuật toán TL084.
TL 084 là bộ khuyếch đại thuật toán kép 4 . Vi mạch này tỏ ra là đặc
biệt thích hợp đối với các bộ tích phân nhánh các bộ khuyếch đại , các bộ lọc
tích cực và trong các máy đo .
Dải điện áp nguồn nuôi + 3v +18v.
Điện áp offset VOS (max )15mV.
Dòng tĩnh lối vào IB (max) 400pA .
Độ rộng giải khuyếch đại GWB 3MHz .
20


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính

Tốc độ tăng điện áp 13 V/ às .
Điện trở lối vào > 102 .
Dòng tiêu thụ (max) 11,2mA .

Sơ đồ sắp xếp chân ra của bộ khuyếch đại thuật toán .
14 OUT D

OUT A

1

-IN A

2

13 -IN D

+IN A

3

12 +IN D

V+

4

.

.

TL 804

11 V-

+IN B

5

10 +IN C

-IN B

6

9

OUT B

7

.

.

-INC

8 OUT C

Sơ đồ mạch khuyếch đại .

Tính toán và chọn linh kiện
Khi ở t0 300 sensor thì nhiệt cho điện áp 3v.
t0 800 sensor thì nhiệt cho điện áp 3,5v.
21


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
Nh đã đợc ấn định ở mạch cảm biến nhiệt LM335 do vậy ta có U vào =
3v diện áp này đợc đa vào tầng khuyếch đại đầu tiên có hệ số khuyếch đại K 1 =
1 nhằm tăng đợc trở khánh đầu vào cho tầng khuyếch đại điện áp thứ 2.
U1 = K1 . Uvào = 3V
Tầng thứ 2 là một mạch trừ nó có hệ số khuyếch đại là .

K 2=

R2
R
= 4
R1
R3

.

R6 là biến trở có nhiệm vụ điều chỉnh giá trị điện áp U 2 = 3v khi nhiệt độ
cần đo đó là 300C.

3
R6
=

5
4,7 K
+R6
R6 =

3 ì 4,7 K
= 7,05 K
2

Do đó ta có thể chọn R6 =10 K.
Theo giá trị mà ta đã ấn định thì khi nhiệt độ ở 80 0C thì điện áp của
Sensor nhiệt là 3,5V và điện áp đầu vào cố định là 5V. Do vậy ta xác định hệ số
khuyếch đại của tầng thứ 2 là K2.
U 0 = K 2 ì (U1 U 2 )
K2 =

U0
5
=
= 10
U1 U 2 3,5 3

mà
Ta chọn

K2 =

R2 R4
=
= 10

R1 R3

R2 = R4 = 10 K
R1 = R3 = 1K

22


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
Chiết áp R7 có nhiệm vụ điều chỉnh giá trị offset của mạch tầng thứ 3
có hệ số khuyếch đại K = 10 tầng này đợc kích hoạt nhằm tăng khả năng
khuyếch đại tín hiệu của mạch đầu vào khi mà ta cần mở rộng dải nhiệt độ đo.
Hệ số khuyếch đại của cả 3 tầng là.
Ktổng = K1 x K2 x K3 = 1 x 10 x10 =100 lần.

3.2) Bộ khuyếch đại thuật toán LM324.
Vi mạch LM324 chứa 4 tầng khuyếch đại thuật toán trong 1 vỏ 14 chân
linh kiện này tỏ ra lý tởng đối với những ứng dụng dùng nguồn nuôi đơn giản và
sẵn sàng hoạt động từ điện áp nguồn nuôi 3V 15V vì thế vi mạch này đực
biệt thích hợp với những mạch điện dùng nguồn nuôi là pin.
Mỗi bộ khuyếch đại đều đợc bù trừ bên trong.

Các thông số bên trong.
Điện áp nguồn nuôi :

3v ữ15v.

Điện áp offset Vos(max) : 7mV.
Dòng tĩnh lối vào IB(max) : 250nA.
Dải điện áp lối ra (nhỏ nhất) : 20mA UB 4,78V khi RL 2k.

Dòng tiêu thụ(max) : 3mA.

Sơ đồ sắp xếp chân ra của bộ khuyếch đại thuật toán .

23


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
OUT A

1

-IN A

2

+IN A

3

+V

4

+IN B

5

-IN B

6

OUT B

7

.

.

LM 324

.

.

14

OUT D

13

-IN D

12

+IN D

11

-V

10

+IN C

9

-IN C

8

OUT C

Sơ đồ mạch khuyếch đại.

Việc tính toán tơng tự nh ở bộ khuyếch đại TL084.
Bộ khuyếch đại LM324 có công suất nhỏ hơn TL084. Do đó ở những
mạch cần có công suất lớn ta không dùng LM324 do vậy ở đề tài này của ta sẽ
họn bộ khuyếch đại TL084.

4) Mạch chốt dữ liệu 74LS374
IC này có nhiệm vụ chốt các bit dữ liệu địa chỉ của kênh báo hiệu.
24


thiết kế hệ thống đo và khống chế nhiệt độ bằng máy vi tính
Sơ đồ cấu tạo chân của IC 74LS374
1 0C

Vcc

20

2 Q0

Q7 19

3 D0

D7 18

4 D1

D6 17
Q6 16

5 Q1

74 LS374

6 Q2

Q5 15

7 D2

D5 14

8 D3

D4 13

9 Q3

Q4 12

10 GND

CLK

11

Chức năng của các chân .
Chân(3,4,7,8,13,14,17,18) là các chân của bít địa chỉ dữ liệu đầu vào.
Chân (2,5,6,9,12,15,16,19) là các chân để đa dữ liệu ra để điều khiển
các phần tử chấp hành .
Chân 11 : Chân nhận xung đồng hồ điều khiển .
Chân1 : Chân nhận tín hiệu điều khiển chốt .
Chân10: Chân đất .
Chân 20: Chân nối với (+) nguồn.

Sơ đồ mạch điện.

25