Thiết kế-Thi công mạch điều khiển nhiệt đo

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ KHOA : ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ-THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Sinh viên thực hiện : Nguyễn Quang Hiếu. Lớp : 97ĐT04 MSSV 97ĐT890 2LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật vi sử lý hiện nay rất phát triển , nó được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp ,tự động hoá và còn nhiều lĩnh vực khác nữa . So với kỹ thuậtsố 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 em chỉ tiến hành việc dùng vi xử lý để đo và điều khiển nhiệt độ , đây chỉ là một ứng dụng nhỏ của vi xử lý trong các ứng dụng của nó . Những kiến thức học được cộng thêm hiểu biết từ các tài liệu tham khảo , tuy có thể hoàn thành cuốn đồ án này nhưng không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót mong thầy giáo khi xem cuốn đồ án này có thể thông cảm. Để hoàn thành cuốn đồ án này em đã nhận được sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn và sự giúp đỡ nhiệt tình của bạn bè . Cuối cùng em xin cảm ơn thầy hướng dẫn Phạm Hùng Kim Khánh ,thầy giáo môn vi xử lý và các thầy cô giáo đã dạy cho em những kiến thức cơ bản để em có thể hoàn thành cuốn đồ án này. Sinh viên thực hiện Nguyễn Quang Hiếu. 3PHẦN A : CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ VI ĐIỀU KHIỂN I.GIỚI THIỆU : Bộ vi điều khiển viết tắt là 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 thiếh bị điện và 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. II.KHẢO SÁT BỘ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 VÀ 8031: IC vi điều khiển 8051/8031 thuộc họ MCS51 có các đặt điểm sau : - 4kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất chỉ có ở 8051) - 128 búyt RAM - 4port I/0 8bit - Hai bộ định thời 16bit - Giao tiếp nối tiếp - 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 địa chỉ hóa - bộ nhân / chia 4µs 4 1.CẤU TRÚC BÊN TRONG CỦA 8051 / 8031 : Hình 2.1 : Sơ Đồ Khối 8051 / 8031 TXD* RXD* T1* T2* P0 P1 P2 P3 INT\*1 INT\*0 TIMER2 TIMER1 PORT nối tiềp EA\ RST PSEN ALE Các ùthanh ghi khác 128 byte Ram Rom 4K-8051 OK-8031 Timer1 Timer2 Điều khiển ngắt Điều khiển bus CPU Port nối tiếp Các port I\O Tạo dao 5 Phần chính của vi điều khiển 8051 / 8031 là bộ xử lí trung tâm (CPU: central processing unit ) bao gồm : - Thanh ghi tích lũy A - Thanh ghi tích lũy phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia - Đơn vị logic học (ALU : Arithmetic Logical Unit ) - Từ trạng thái chương trình (PSW : Prorgam Status Word) - Bốn băng thanh ghi - Con trỏ ngăn xếp - Ngoài ra còn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều khiển thời gian và logic. Đơn vị xử lí trung tâm nhận trực tiếp xung từ bộ giao động, ngoài ra còn có khả năng đưa một tín hiệu giữ nhịp từ bên ngoài. Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối điều khiển ngắt ở bên trong. Các nguồn ngắt có thể là : các biến cố ở bên ngoài , sự tràn bộ đếm định thời hoặc cũng có thể là giao diện nối tiếp. Hai bộ định thời 16 bit hoạt động như một bộ đếm. Các cổng (port0, port1, port2, port3 ). Sử dụng vào mục đích điều khiển. Ơû cổng 3 có thêm các đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi với một bộ nhớ bên ngoài, hoặc để đầu nối giao diện nối tiếp, cũng như các đường ngắt dẫn bên ngoài. Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ nhận không đồng bộ, làm việc độc lập với nhau. Tốc độ truyền qu ổng nối tiếp có thể đặt trong vảy rộng và được ấn định bằng một bộ định thời. Trong vi điều khiển 8051 / 8031 có hai thành phần quan trọng khác đó là bộ nhớ và các thanh ghi : Bộ nhớ gồm có bộ nhớ Ram và bộ nhớ Rom (chỉ có ở 8031) dùng để lưu trữ dữ liệu và mã lệnh. Các thanh ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lí. Khi CPU làm việc nó làm thay đổi nội dung củ ác thanh ghi. 6 2.CHỨC NĂNG CÁC CHÂN VI ĐIỀU KHIỂN : Hình 2.2 : Sơ Đồ Chân 8051 18 19 12MHz 40 29 30 31 9 17 16 15 14 13 12 11 10 RD\ WR\ T1 T0 INT1 INT0 TXD RXD A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 28 27 26 25 24 23 22 21 8 7 6 5 4 3 2 1 32 33 34 35 36 37 38 39 Po.7 Po.6 Po.5 Po.4 Po.3 Po.2 Po.1 Po.0 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 PSEN\ ALE EA\ RET Vcc 20 Vss 30p 30p XTAL1 XTAL2 7 a.port0 : là port có 2 chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 trong các thiết kế cỡ nhỏ ( không dùng bộ nhớ mở rộng ) có hai chức năng như các đường I/O. Đối với các thiết kế cỡ lớn ( với bộ nhớ mở rộng ) nó được kết hợp kênh giữ a các bus) b.port1 : port1 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 bị ngoài nếu cần. Port1 không có chức năng khác, vì vậy chúng ta chỉ được dùng trong giao tiếp với các thiết bị ngoài. c.port2 : port2 là một port công dụng kép trên các chân 21 – 28 được dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng. d.Port3 : port3 là một port công dụng kép trên các chân 10 – 17. Các chân của port này có nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tín đặc biệt của 8051 / 8031 như ở bảng sau : 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 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 Bảng 2.1 : Chức năng của các chân trên port3 e.PSEN (Program Store Enable ) : 8051 / 8031 có 4 tín hiệu điều khiển 8PSEN là tín hiệu ra trên chân 29. Nó là tín hiệu điều khiển để cho phép bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc các bytes mã lệnh. PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhị phân của chương trình được đọc từ EPROM qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 để giải mã lệnh. Khi thi hành chương trình trong ROM nội (8051) PSEN sẽ ở mức thụ động (mức cao). f.ALE (Address Latch Enable ) : tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương hợp với các thiết bị làm việc với các xử lí 8585, 8088, 8086, 8051 dùng ALE một cách tương tự cho làm việc giải các kênh các bus địa chỉ và dữ liệu khi port 0 được dùng trong chế độ chuyển đổi của nó : vừa là bus dữ liệu vừa là búyt thấp của địa chỉ, ALE là tín hiệu để chốt địa 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 nữa sau chu kỳ của bộ nhớ. Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thể được dùng là nguồn xung nhịp cho các hệ thống. Nếu xung trên 8051 là 12MHz thì ALE có tần số 2MHz. Chỉ ngoại trừ khi thi hành lệnh MOVX, một xung ALE sẽ bị mất. Chân này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong 8051. g.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, 8051 thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảng địa chỉ thấp (4K). Nếu ở mức thấp, chương trình chỉ được thi hành từ bộ nhớ mở rộng. Khi dùng 8031, EA luôn được nối mức thấp vì không có bộ nhớ chương trình trên chip. Nếu EA được nối mức thấp bộ nhớ bên trong chương trình 8051 sẽ bị 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 8051. h.SRT (Reset) : Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 8051. Khi tín hiệu này được đưa lên múc cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy ), các thanh ghi trong 8051 được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống. i.Các ngõ vào bộ dao động trên chip : Như đã thấy trong các hình trên , 8051 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. 9 j.Các chân nguồn : 8051 vận hành với nguồn đơn +5V. Vcc được nối vào chân 40 và Vss (GND) được nối vào chân 20. 3_ Các thanh ghi đặc biệt : a. Các thanh ghi port xuất nhập: Các port của 8051/8031 bao gồm Port 0 ở địa chỉ 80H, Port 1 ở địa chỉ 90 H, Port 2 ở địa chỉ A0H và Port 3 ở địa chỉ B0H. Tất cả các Port đều được địa chỉ hóa từng bit. Điều đó cung cấp một khả năng giao tiếp thuận lợi. b. Các thanh ghi timer: 8051/8031 chứa 2 bộ định thời đếm 16 bit được dùng trong việc định thời hoặc đếm sự kiện. Timer 0 ở địa chỉ 8AH (TL0:byte thấp) và 8CH (TH0:byte cao).Timer 1 ở địa chỉ 8BH (TL1:byte thấp) và 8DH (TH1: byte cao). việc vận hành timer được set bởi thanh ghi Timer Mode (TMOD) ở địa chỉ 89H và thanh ghi điều khiển timer (TCON) ở địa chỉ 88H. Chỉ có TCON được địa chỉ hóa từng bit. c. Các thanh ghi port nối tiếp: 8051/8031 chức một port nối tiếp trên chip dành cho việc trao đổi thông tin với các thiết bị 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 dịch..). Một thanh ghi gọi là bộ đệm dữ liệu nối tiếp (SBUF) ở địa chỉ 99H ssẽ giữ cả hai giữ liệu truyền và nhận. Khi truyền dữ liệu thì ghi lên SBUf, khi nhận dữ liệu thì đọc SBUF. Các mode vận hành khác nhau được lập trình qua thanh ghi điều khiển port nối tiếp (SCON) (được địa chỉ hóa từng bit) ở địa chỉ 98H. d. Các thanh ghi ngắt: 8051/8031 có cấu trúc 5 nguồn ngắt, 2 mức ưu tiên. Các ngắt bị cấm sau khi reset hệ thống và sẽ được cho phép bằng việc ghi thanh ghi cho phép ngắt (IE) ở địa chỉ 8AH. Cả hai thanh ghi được địa chỉ hóa từng bit. e. Các thanh ghi điều khiển công suất: Thanh ghi điều khiển công suất (PCON) ở địa chỉ 87H chứa nhiều bit điều khiển. 10 4/. Lệnh reset. 8051/8031 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. Hình 2.9: Mạch reset hệ thống. Trạng thái của tất cả các thanh ghi của 8051/8031 sau khi reset hệ thống được tóm tắt trong bảng sau: Thanh ghi Nội dung Đếm chương trình Tích lũy B PSW SP DPTR Port 0-3 IP IE Các thanh ghi định thời SCON 0000H 00H 00H 00H 07H 0000H FFH XXX00000B 0XX00000B 00H 00H +5V +5V 100 8,2K 10UF 11 SBUF PCON(HMOS) PCON(CMOS) 00H 0XXXXXXB 0XXX0000B Bảng 2.3: Trạng thái các thanh ghi sau khi reset Quan trọng nhất trong các thanh ghi trên là thanh ghi đếm chương trình, nó được đặt lại 0000H. Khi RST trở lại mức thấp, việc thi hành chương trình luôn bắt đầu ở địa chỉ đầu tiên trong bộ nhớ trong chương trình: địa chỉ 0000H. Nội dung của RAM trên chip không bị thay đổi bởi lệnh reset. 5. Hoạt động của bộ định thời (timer) 5.1 Giới thiệu. Một định nghĩa đơn giản của timer là một chuỗi các flip-flop chia đôi tần số nối tiếp với nhau, chúng nhận tín hiệu vào làm nguồn xung nhịp. Ngõ ra của tần số cuối làm nguồn xung nhịp cho flip-flop báo tràn của timer (flip-flop cờ). Giá trị nhị phân trong các flip-flop của timer có thể xem như số đếm số xung nhịp (hoặc các sự kiện) từ khi khởi động timer. Ví dụ timer 16 bit sẽ đếm lên từ 0000H đến FFFFH. Cờ báo tràn sẽ lên 1 khi số đếm tràn từ FFFFH đến 0000H. 8051/8031 có 2 timer 16 bit, mỗi timer có bốn cách làm việc. Người ta sử dụng các timer để : a) định khoảng thời gian, b) đếm sự kiện hoặc c) tạo tốc độ baud cho port nối tiếp trong 8051/8031. Trong các ứng dụng định khoảng thời gian, người ta lập trình timer ở một khoảng đều đặn và đặt cờ tràn timer. Cờ được dùng để đồng bộ hóa chương trình để thực hiện một tác động như kiểm tra trạng thái của các cửa ngõ vào hoặc gửi các sự kiện ra các ngõ ra. Các ứng dụng khác có thể sử dụng việc tạo xung nhịp đều đặn của timer để đo thời gian trôi qua giữa hai sự kiện (ví dụ : đo độ rộng xung). Đếm sự kiện dùng để xác định số lần xẩy ra của một sự kiện. Một “sự kiện” là bất cứ tác động ngoài nào có thể cung cấp một chuyển trạng thái trên một chân của 8051/8031. Các timer cũng có thể cung cấp xung nhịp tốc độ baud cho port nối tiếp trong 8051/8031. 12 Truy xuất timer của 8051/8031 dùng 6 thanh ghi chức năng đặc biệt cho trong bảng sau: SFR MỤC ĐÍCH ĐỊA CHỈ Địa chỉ hóa từng bit TCON TMOD TL0 TL1 TH0 TH1 Điều khiển timer Chế độ timer Byte thấp của timer 0 Byte thấp của timer 1 Byte cao của timer 0 Byte cao của timer 1 88H 89H 8AH 8BH 8CH 8DH Có Không Không Không Không Không Bảng 2.4: Thanh ghi chức năng đặc biệt dùng timer. 5.2 Thanh ghi chế độ timer (TMOD) Thanh ghi TMOD chứa hai nhóm 4 bit dùng để đặt chế độ làm việc cho timer 0 và timer 1. Bit Tên Timer Mô tả 7 GATE 1 Bit (Mở) cổng, khi lên 1 timer chỉ chạy khi INT1 ở mức cao. 6 C/T 1 Bit chọn chế độ counter/timer 1=bộ đếm sự kiện 0=bộ định khoảng thời gian 5 M1 1 Bit 1 của chế độ(mode) 4 M0 1 Bit 0 của chế độ 00: chế độ 0 : timer 13 bit 13 01: chế độ 1 : timer 16 bit 10: chế độ 2 : tự động nạp lại 8255A bit 11: chế độ 3 : tách timer 3 GATE 0 Bit (mở) cổng 2 C/T 0 Bit chọn counter/timer 1 M1 0 Bit 1 của chế độ 0 M0 0 Bit 0 của chế độ Bảng 2.5: Tóm tắt thanh ghi TMOD 5.3 Thanh ghi điều khiển timer (TCON) Thanh ghi TCON chứa các bit trạng thái và các bit điều khiển cho timer 0 và timer 1. Bit Ký hiệu Địa chỉ Mô tả TCON.7 TF1 8FH Cờ báo tràn timer 1. Đặt bởi phần cứng khi tràn, được xóa bởi phần mềm hoặc phần cứng khi bộ xử lý chỉ đến chương trình phục vụ ngắt. TCON.6 TR1 8EH Bit điều khiển timer 1 chạy. Đặt/xóa bằng phần mềm cho timer chạy/ngưng. TCON.5 TF0 8DH Cờ báo tràn timer 0 14 TCON.4 TR0 8CH Bit điều khiển timer 0 chạy TCON.3 IE1 8BH Cờ cạnh ngắt 1 bên ngoài, đặc bởi TCON.2 IT1 8AH Cờ kiểu ngắt một bên ngoài. phần cứng khi phát hiện một cạnh xuống ở INT1, xóa bằng phần mềm hoặc phần cứng khi CPU chỉ đến chương trình phục vụ ngắt. Đặt/xóa bằng phần mềm đề ngắt ngoài tích cực cạnh xuống/mức thấp TCON.1 IE0 89H Cờ cạnh ngắt 0 bên ngoài TCON.0 IT0 88H Cờ kiểu ngắt 0 bên ngoài Bảng 2.6: Tóm tắt thanh ghi TCON 5. 4 Các chế độ timer. a) Chế độ 0, chế độ timer 13 bit. Để tương thích với 8048 (có trứớc 8051) Ba bit cao của TLX (TL0 và/hoăc TL1) không dùng Xung nhịp timer Cờ báo tràn b) Chế độ 1- chế độ timer 16 bit. Hoạt động như timer 16 bit đầy đủ. Cờ báo tràn là bit TFx trong TCON có thể đọc hoặc ghi bằng phầm mềm. MSB của giá trị trong các thanh ghi timer là bit 7 của THx và LBS là bit 0 của TLx. Các thanh ghi timer (Tlx/THx) có thể được đọc hoặc ghi bất cứ lúc nào bằng phầm mềm. Xung nhịp timer Cờ báo tràn TLx THx (5 bit) (8 bit) TFx TLx THx (5 bit) (8 bit) TFx 15 c) Chế độ 0- chế độ tự động nạp lại 8 bit. TLx hoạt động như một timer 8 bit, trong khi đó THx vẫn giữ nguyên giá trị được nạp. Khi số đếm tràn tứ FFH đến 00H, không những cờ timer được set mà giá trị trong THx đồng thời được nạp vào TLx. Việc đếm tiếp tục từ giá trị này lên đến FFH xuống 00H và nạp lại... chế độ này rất thông dụng vì sự tràn timer xảy ra trong những khoảng thời gian nhất định và tuần hoàn một khi đã khởi động TMOD và THx. Xung nhịp timer Cở báo tràn Nạp lại d) Chế độ 3- chế độ tách timer Timer 0 tách thành hai timer 8 bit (TL0 và TH0), TL0 có cờ báo tràn là TF0 và TH0 có cờ báo tràn là TF1. Timer 1 ngưng ở chế độ 3, nhưng có thể được khởi động bằng cách chuyển sang chế độ khác. Giới hạn duy nhất là cờ báo tràn TF1 không còn bị tác động khi timer 1 bị tràn vì nó đã được nối tới TH0. Khi timer 0 ở chế độ 3, có thể cho timer 1 chạy và ngưng bằng cách chuyển nó ra ngoài và vào chế độ 3. Nó vẫn có thể được sử dụng bởi port nối tiếp như bộ tạo tốc độ baund hoặc nó có thể được sử dụng bằng bất cứ cách nào không cần ngắt (vì nó không còn được nối với TF1). Xung nhịp Timer Xung nhịp Timer TLx (8 bit) TFx THx (8 bit) TL1 TH1 TL0 TF0 TH0 TF1 16 Cờ báo tràn I/12 Fosc Cờ báo tràn 5.5 Nguồn tạo xung nhịp. Có hai nguồn tạo xung nhịp có thể có, đượ chọn bằng cách ghi vào bit C/T (counter/timer) trong TMOD khi khởi động timer. Một nguồn tạo xung nhịp dùng cho định khoảng thời gian, cái khác cho đếm sự kiện. Crytal Timer Clock T0 or T1 pin 0=Up (Internal Timing) 1=Down (Event Counting) Nguồn xung tạo nhịp - Định khoảng thời gian (interval timing) Nếu C/T =0 hoạ t động timer liên tục được chọn và timer được dùng cho việc định khoảng thời gian. Lúc đó, timer lấy xung nhịp từ bộ dao động trên chip. Bộ chia 12 được thêm vào để giảm tần số xung nhịp đến giá trị thích hợp cho phần lớn các ứng dụng. Như vậy thạch anh 12 MHz sẽ cho tốc độ xung nhịp timer 1 MHz. Bóa tràn timer xảy ra sau một số (cố địng) xung nhịp, phụ thuộc vào giá trị ban đầu được nạp vào các thanh ghi timer TLx/THx. - Đếm sự kiện (Event counting) - Nếu C/T=1, timer lấy xung nhịp từ nguồn bên ngo