Đề tài Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ phòng

g 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 ngồi , 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. ngoài ra 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 qua cổng 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 của các thanh ghi. 2.Chức năng của các chân vi điều khiển Hình 2 : Sơ Đồ Chân 8051 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 IO. 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 ngồi 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 : Bảng : Chức năng của các chân trên port3 e.PSEN (Program Store Enable ) : 8051 / 8031 có 4 tín hiệu điều khiển PSEN 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 ngồi 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. 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 chức năng đặc biệt: Các thanh ghi nội của 8051/8031 được truy xuất ngầm định bởi bộ lệnh. Ví dụ lệnh “INC A” sẽ tăng nội dung của thanh ghi tích lũy A lên 1. Tác động này được ngầm định trong mã lệnh. Các thanh ghi trong 8051/8031 được định dạng như một phần của RAM trên chip. Vì vậy mỗi thanh ghi sẽ có một địa chỉ (ngoại trừ thanh ghi trực tiếp, sẽ không có lợi khi đặt chúng vào trong RAM trên chip). Đó là lý do để 8051/0831 có nhiều thanh ghi. Cũng như R0 đến R7, có 21 thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR: Special Funtion Rgister) ở vùng trên của RAM nội, từ địa chỉ 80H đến FFH. Chú ý rằng hầu hết 128 địa chỉ từ 80H đến FFH không được định nghĩa. Chỉ có 21 địa chỉ SFR là được định nghĩa. Ngoại trừ tích lũy (A) có thể được truy xuất ngầm như đã nói, đa số các SFR được truy xuất dùng địa chỉ trực tiếp. chú ý rằng một vài SFR có thể được địa chỉ hóa bit hoặc byte. Người thiết kế phải thận trọng khi truy xuất bit và byte. Ví dụ lệnh sau: SETB 0E0H Sẽ Set bit 0 trong thanh ghi tích lũy, các bit khác không thay đổi. Ta thấy rằng E0H đồng thời là địa chỉ byte của thanh ghi tích lũy và là địa chỉ bit có trọng số nhỏ nhất trong thanh ghi tích lũy. Vì lệnh SETB chỉ tác động trên bit, nên chỉ có địa chỉ bit là có hiệu quả. Chế độ nghỉ.     Ở chế độ nghỉ, CPU được đặt ở chế độ ngủ trong khi tất cả bộ phận ngoại vi vẫn hoạt động. Chế độ này được gọi ra bởi phần mềm. Nội dung của các thanh ghi trong RAM và tất cả các giá trị trong thanh ghi đặc biệt cũng sẽ không đổi ở chế độ này. Chế độ nghỉ có thể bị dừng lại bất kì khi nào có sự kích hoạt hay thay đổi nào đó, hoặc được reset bằng phần cứng. Các P1.0 và P1.1 nên được thiết lập ở mức "L" nếu bên ngoài-up không được sử dụng, hoặc thiết lập ở mức "H" nếu bên ngoài pull-up được sử dụng.  Cần lưu ý rằng khi “nghỉ ”là kết thúc bằng một phần cứng. Tài liệu thực hiện chương trình từ đâu nó lại tắt, lên tới hai chu kỳ máy trước khi các nguyên tắc điều khiển bên trong thiết lập lại. Trên chíp phần cứng quyết định quyền truy cập vào bộ nhớ trong RAM trong trường hợp này, nhưng truy cập vào các port không thể quyết định được. Để loại trừ khả năng này xảy ra một cách bất ngờ viết cho một port khi chế độ nghỉ được lặp lại, ta không nên viết tới một Port hay bộ nhớ ngoài. Chế độ power-down.  Ở chế độ power-down, bộ dao động ngừng, và chương trình sẽ gọi power-down và lệnh cuối cùng được thực hiện. Trên chíp nội dung   RAM và tất cả các giá trị trong thanh ghi đặc biệt cũng sẽ không đổi ở chế độ này cho đến khi chế độ này kết thúc. Chế độ power-down chỉ thoát ra khi reset lại  phần cứng. Thiết lập lại giá trị các SFR ( thanh ghi có chức năng đặc biệt) nhưng trên RAM vẫn giữ nguyên.  Chú ý: Không nên reset lại trước khi VCC được phục hồi lại hoạt động bình thường và phải được giữ mức tích cực đủ dài, để cho phép bộ giao động khởi động lại và làm việc ổn định. a. Từ trạng thái chương trình: Từ trạng thái chương trình (PSW: Program Status Word) ở địa chỉ D0H chứa các bit trạng thái như bảng tóm tắt sau: Bảng : Từ trạng thái chương trình • Cờ nhớ (CY) có công dụng kép. Thông thường nó được dùng cho các lệnh tốn học: nó sẽ được set nếu có một số nhớ sinh ra bởi phép cộng hoặc có một số mượn phép trừ . Ví dụ, nếu thanh ghi tích lũy chứa FFH, thì lệnh sau: ADD A,#1 Sẽ trả về thanh ghi tích lũy kết qủa 00H và set cờ nhớ trong PSW. Cờ nhớ cũng có thể xem như một thanh ghi 1 bit cho các lệnh luận lý thi hành trên bit. Ví dụ, lệnh sẽ AND bit 25H với cờ nhớ và đặt kết qủa trở vào cờ nhớ: ANL C,25H • Cờ nhớ phụ: Khi cộng các số BCD, cờ nhớ phụ (AC) được set nếu kết qủa của 4 bit thấp trong khoảng 0AH đến 0FH. Nếu các giá trị cộng được là số BCD, thì sau lệnh cộng cần có DA A( hiệu chỉnh thập phân thanh ghi tích lũy) để mang kết qủa lớn hơn 9 trở về tâm từ 0÷9. • Cờ 0 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 (RSO và RS1) xác định bank thanh ghi được tích cực. Chúng được xóa sau khi reset hệ thống và được thay đổi bằng phần mềm nếu cần. Ví dụ, ba lệnh sau cho phép bank thanh ghi 3 và di chuyển nội dung của thanh ghi R7 (địa chỉ byte IFH) đến thanh ghi tích lũy: SETB RS1 SETB RSO MOV A,R7 Khi chương trình được hợp dịch các địa chỉ bit đúng được thay thế cho các ký hiệu “RS1” và “RS0”. Vậy lệnh SETB RS1 sẽ giống như lệnh SETB 0D4H. • Cờ Tràn Cờ tràn (OV) được set một lệnh cộng hoặc trừ nếu có một phép tốn bị tràn. Khi các số có dấu được cộng hoặc trừ với nhau, phần mềm có thể kiểm tra bit này để xác định xem kết qủa của nó có nằm trong tầm xác định 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. Thanh ghi B: Thanh ghi B ở địa chỉ F0H được dùng cùng với thanh ghi tích lũy A cho các phép tốn nhân và chia. Lệnh MUL AB sẽ nhân các giá trị không dấu 8 bit trong A và B rồi trả về kết qủa 16 bit trong A (byte thấp) và B (byte cao). Lệnh DIV AB sẽ chia A cho B rồi trả về kết qủa nguyên trong A và phần dư trong B. Thanh ghi B cũng có thể được xem như thanh ghi đệm đa dụng. Nó được địa chỉ hóa ttừng bit bằng các địa chỉ bit FOH đến F7H. c. Con trỏ ngăn xếp: Con trỏ ngăn xếp (SP) là một thanh ghi 8 bit ở địa chỉ 81H. Nó chứa địa 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 sẽ dọc dữ liệu và làm giảm SP. Ngăn xếp của 8051/8031 được giữ trong RAM nội và được giới hạn các địa chỉ có thể truy xuất bằng địa chỉ gián tiếp. chúng là 128 byte đầu của 8051/8031. Để khởi động lại SP với ngăn xếp bắt đầu tại 60H, các lệnh sau đây được dùng: MOV SP,#%FH Trên 8051/8031 ngăn xếp bị giới hạn 32 byte vì địa chỉ cao nhất của RAM trên chip là 7FH. Sở dĩ cùng giá trị 5FH vì SP sẽ tăng lên 60H trước khi cất byte dữ lệu đầu tiên. Người thiết kế có thể chọn không phải khởi động lại con trỏ ngăn xếp mà để nó lấy giá trị mặc định khi reset hệ thống. Giá trị măc định đó là 07H và kết qủa là ngăn đầu tiên để cất dữ liệu có địa chỉ 08H. Nếu phần mềm ứng dụng không khởi động lại SP , bank thanh ghi 1 (có thể cả 2 và 3) sẽ không dùng được vì vùng RAM này đã được dùng làm ngăn xếp. 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, LACALL) và các lệnh trở về (RET,RETI) để cất và lấy lại bộ đếm chương trình. d. Con trỏ dữ liệu: Con trỏ dữ liệu (DPTR) được dùng để truy xuất bộ nhớ ngồi là một thanh ghi 16 bit ở địa chỉ 82H(DPL: byte thấp) và 83H (DPH:byte cao). Ba lệnh sau sẽ ghi 55H vào RAM ngồi ở địa chỉ 1000H: MOV A,#55H MOV DPTR,#1000H MOVX @DPTR,A Lệnh đầu tiên dùng địa chỉ tức thời để tải dữ liệu 55H vào thanh ghi tích lũy, lệnh thứ hai cũng dùng địa chỉ tức thời, lần này để tải dữ liệu 16 bit 1000H vào con trỏ dữ liệu. Lệnh thứ ba dùng địa chỉ gián tiếp để di chuyển dữ liệu trong A (55H) đến RAM ngồi ở địa chỉ được chứa trong DPTR (1000H) 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. f. 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. g. 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. h. 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. i. Các thanh ghi điều khiển công suất: Thanh ghi điều khiển công suất (PCON) ở địa chỉ 87H chứa nhiều bit điều khiển. Chúng được tóm tắt trong bảng sau: Bảng :Thanh ghi điều khiển công suất (PCON) 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 8. Mạch reset hệ thống. Bảng 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) a. 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 ngồi 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.Truy xuất timer của 8051/8031 dùng 6 thanh ghi chức năng đặc biệt cho trong bảng sau: Bảng : Thanh ghi chức năng đặc biệt dùng timer. b. 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. Bảng : Tóm tắt thanh ghi TMOD c. 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. Bảng : Tóm tắt thanh ghi TCON d. Các chế độ timer. • 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 • 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. • 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 hồn một khi đã khởi động TMOD và THx. • 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 ngồi 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). e.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. 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 ngồi. Trong hầu hết các ứng dụng nguồn bên ngồi này cung cấp cho timer một xung kh xảy ra một “sự kiện “, timer dùng đếm sự kiện được xác định bằng phần mềm bằng cách đọc các thanh ghi TLx/THx vì giá trị 16 bit trong các thanh ghi này tăng thêm 1 cho mỗi sự kiện. Nguồn xung nhịp ngồi có từ thay đổi chú7c năng của các chân port 3. Bit 4 của port 3 (P3.4) dùng làm ngõ vào tạo xung nhịp bên trong timer 0 và được gọi là “T0”. Và p3.5 hay “T1” là ngõ vào tạo xung nhịp cho timer 1. f.Bắt đầu dừng và điều khiển các timer. Phương pháp mới đơn giản nhất để bắt đầu (cho chạy) và dừng các timer là dùng các bit điều khiển chạy :TRx trong TCON, TRx bị xóa sau khi reset hệ thống. Như vậy, các timer theo mặc nhiên là bị cấm (bị dừng). TRx được đặt lên 1 bằng phần mềm để cho các timer chạy. cho chạy và dừng timer Vì TRx ở trong thanh ghi TCON có địa chỉ bit, nên dễ dàng cho việc điều khiển các timer trong chương trình. Ví dụ : cho timer 0 chạy bằng lệnh : SETB TR0 và dừng bằng lệnh SETB TR0 Trình biên dịch sẽ thực hiện việc chuyển đổi ký hiệu cần thiết từ “TR0” sang địa chỉ bit đúng. SETB TR0 chính xác giống như SETB 8CH. g.Khởi động và truy xuất các thanh ghi timer. Thông thường các thanh ghi được khởi động một lần ở đầu chương trình để đặt chế độ làm việc cho đúng. Sau đó trong thân chương trình các timer được cho chạy, dừng , các bit cờ được kiểm tra và xóa, các thanh ghi timer được đọc và cạp nhật... theo đòi hỏi của các ứng dụng. TMOD là thanh ghi thứ nhất được khởi động vì nó đặt chế độ hoạt động. Ví dụ các lệnh sau khi khởi động timer 1 như timer 16 bit (chế độ 1) có xung nhịp từ bộ dao động trên chíp cho việc địng khoảng thời gian. MOV TMOD,#00010000B Lệnh này sẽ đặt M1=0 vả M0=1 cho chế độ 1, C/T=0 và GATE=0 cho xung nhịp nội và xóa các bit chế độ timer 0. Dĩ nhiên timer thật sự không bắt đầu định thời cho đến khi bit điều khiển chạyy TR1 được đặt lên 1. Nếu cần số đếm ban đầu, các thanh ghi timer TL1/TH1 cũng phải được khởi động. Nhớ lại là các timer đếm lên và đặt cờ báo tràn khi có sự truyển tiếp. FFFFH sang 0000H. - Đọc timer đang chạy. Trong một số ứng dụng cần đọc giá trị trong các thanh ghi timer đang chạy. Vì phải đọc 2 thanh ghi timer “sai pha” có thể xẩy ra nếu byte thấp tràn vào byte cao giữa hai lần đọc. Giá trị có thể đọc được không đúng. Giải pháp là đọc byte cao trước, kế đó đọc byte thấp rồi đọc byte cao lại một lần nữa. Nếu byte cao đã thay đổi thì lập lại các hoạt động đọc. h. Các khoảng ngắn và các khoảng dài. Dãy các khoảng thời gian có thể định thời là bao nhiêu ? vấn đề này được khảo sát với 8051/8031 hoạt động với tần số 12MHz. như vậy xung nhịp của các timer có tần số lá 1 MHz. Khoảng thời gian ngắn nhất có thể có bị giới hạn không chỉ bởi tần số xung nhịp của timer mà còn bởi phần mềm. Do ảnh hưởng của thời khoảng thực hiện một lệnh. Lệng ngắn nhất 8051/8031 là một chu kỳ máy hay 1μs. Sau đây là bảng tóm tắt các kỹ thuật để tạo những khoảng thời gian có chiều dài khác nhau (với giả sử xung nhịp cho 8051/8031 có tần số 12 MHz) 6. Hoạt động port nối tiếp. a.Giới thiệu. 8051/8031 có một port nối tiếp trong chip có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác trên một dãy tần số rộng. Chức năng chủ yếu của một port nối tiếp là thực hiện chuyển đổi song song sang nối tiếp với dữ liệu xuất và chuyển đồi nối tiếp sang song song với dữ liệu nhập. Truy xuất phần cứng đến port nối tiếp qua các chân TXD và RXD. Các chân này có các chức năng khác với hai bit của port 3. P3 ở chân 11 (TXD) và P3.0 ở chân 10 (RXD). Port nối tiếp cho hoạt động song công (full duplex : thu và phát đồng thời) và đệm lúc thu (receiver buffering) cho phép một ký tự sẽ được thu và được giữ trong khi ký tự thứ hai được nhận. Nếu CPU đọc ký tự thứ nhất trước khi ký tự thứ hai được thu đầy đủ thì dữ liệu sẽ không bị mất. Hai thanh ghi chức năng đặc biệt cho phép phần mềm truy xuất đến port nối tiếp là : SBUF và SCON. Bộ đếm port nối tiếp (SBUF) ở đại chỉ 99H thật sự là hai bộ đếm. Viết vào SBUF để truy xuất dữ liệu thu được. Đây là hai thanh ghi riêng biệt thanh ghi chỉ ghi để phát và thanh ghi để thu. Thanh ghi điều khiển port nối tiếp (SCON) ở địa chỉ 98H là thanh ghi có địa chỉ bit chứa các bit trạng thái và các bit điều khiển. Các bit điều khiển đặt chế độ hoạt động cho port nối tiếp, và các bit trạng thái báo cáo kết thúc việc phát hoặc thu ký tự. Các bit trạng thái có thể được kiểm tra bằng phần mềm hoặc có thể được lập trình để tạo ngắt. Tần số làm việc của port nối tiếp còn gọi là tốc độ baund có thể cố định (lấy từ bộ giao động của chip). Nếu sử dụng tốc độ baud thay đổi, timer 1 sẽ cung cấp xung nhịp tốc độ baud và phải được lập trình. b. Thanh ghi điều khiển port nối tiếp. Chế độ hoạt động của port nối tiếp được đặt bằng cách ghi vào thanh ghi chế độ port nối tiếp (SCON) ở địa chỉ 98H. Sau đây các bảng tóm tắt thanh ghi SCON và các chế độ của port nối tiếp : Bảng :Tóm tắt thanh ghi chế độ port nối tiếp SCON. Trước khi sử dụng port nối tiếp, phải khởi động SCON cho đúng chế độ. Ví dụ ,lệnh sau: MOV SCON,#01010010B Khởi động port nối tiếp cho chế độ 1 (SM0/SM1=0/1), cho phép bộ thu (REN=1) và đặt cờ ngắt phát (TP=1) để chỉ bộ phát sẵn sàng hoạt động. c.Khởi động và truy xuất các thanh ghi cổng nối tiếp. • Cho phép thu: Bit cho phép bộ thu (REN = Receiver Enable) trong SCON phải được đặt lên 1 bằng phần mềm để cho phép thu các ký tự. Thông thường thực hiện việc này ở đầu chương trình khi khởi động cổng nối tiếp, timer...Có thể thực hiện việc này theo hai cách. Lệnh : Mạch khống chế nhiệt độ Trang 15 SETB REN Sẽ đặt REN lên 1, hoặc lệnh : MOV SCON,#xxx1xxxxB Sẽ đặt REN 1 và đặc hoặc xóa đi các bit khác trên SCON khi cần (các x phải là 0 hoặc 2 để đặc chế độ làm việc). • Bit dữ liệu thứ 9: Bit dữ liệu thứ 9 cần phát trong các chế độ 2 và 3, phải được nạp vào trong TB8 bằng phần mềm. Bit dữ liệu thứ 9 thu được đặt ở RBS. Phần mềm có thể cần hoặc không cần bit dữ liệu thứ 9, phụ thuộc vào các đặc tính kỹ thuật của thiết bị nối tiếp sử dụng (bit dữ liệu thứ 9 cũng đóng vai một trò quan trọng trong truyền thông đa xử lý). • Thêm 1 bit parity: Thường sử dụng bit dữ liệu thứ 9 để thêm parity vào ký tự. Như đã xét ở các chương trước, pit P trong từ trạng thái chương trình (PSW) được đặt lên 1 hoặc bị xóa bởi chu kỳ máy để thiết lập kiểm tra chẵn với 8 bit trong thanh tích lũy. • Các cờ ngắt: Hai cờ ngắt thu và phát (RI và TI) trong SCON đóng một vai trò quan trọng truyền thông nối tiếp dùng 8051/8031. Cả hai bit được đặt lên 1 bằng phần cứng, nhưng phải được xóa bằng phần mềm. d . Tốc độ baud port nối tiếp. Như đã nói, tốc độ baud cố định ở các chế độ 0 và 2. Trong chế độ 0 nó luôn luôn là tần số dao động trên chip được chia cho 12 . Thông thường thạch anh ấn định tần số dao động trên chip của 8051/8031 nhưng cũng có thể sử dụng nguồn xung nhịp khác. Giả sử với tần số dao động danh định là 12 MHz, tìm tốc độ baud chế độ 0 là 1 MHz. a. Chế độ 0 b. Chế độ 1 và 3. Các nguồn tạo xung nhịp cho port nối tiếp. Mặc nhiên, sau khi reset hệ thống, tốc độ baud chế độ là 2 tần số bộ dao động chia cho 64. Tốc độ baud cũng ảnh hưởng bởi 1 bit trong thanh ghi điều khiển nguồn cung cấp (PCON). Bit 7 của PCON là bit SMOD. Đặt bit sMOD lên một làm gấp đôi tốc độ baud trong chế độ 1,2 và 3. Trong chế độ 2, tốc độ baud có thể bị gấp đôi từ giá trị mặc nhiên của 1/64 tần số dao động (SMOD=0) đến 1/32 tần số dao động (SMOD=1) Vì PCON không được định địa chỉ theo bit, nên để đặt bit SMOD lên 1 cần phải theo các lệnh sau: MOV A,PCON lấy giá trị hiện thời của PCON SETB ACC.7 đặt bit 7 (SMOD) lên 1 MOV PCON,A ghi giá trị ngược về PCON Các tốc độ baud trong các chế độ 1 và 3 được xác định bằng tốc độ tràn của timer 1. Vì timer hoạt động ở tần số tương đối cao, tràn timer được chia thêm cho 32 (hay 16 nếu SMOD=1) trước khi cung cấp xung nhịp tốc độ baud cho port nối tiếp. CHƯƠNG 2 ĐO NHIỆT ĐỘ I.HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG 1. Giới thiệu Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó thì 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 sỡ của các hệ thống đo lường khác nhau. Sơ đồ khối của một hệ thống đo lường tổng quát _ Khối chuyển đổi: làm nhiệm vụ nhận trực tiếp các đại lượng vật lý đặc trưng cho đối tượng cần đo biến đổi các đại lượng thành các đại lượng vật lý thống nhất(dòng điện hay điện áp) để thuận lợi cho việc tính tốn. _ Mạch đo: có nhiệm vụ tính tốn 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 thị. _ Khối chỉ thị:làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo để thể hiện kết quả đo. 2. Hệ thống đo lường số Hệ thống đo lường số được nhóm áp dụng để thực hiện luận văn nầy vì có các ưu điểm:các tín hiệu tương tự qua biến đổi thành các tín hiệu số có các xung rỏ ràng ở trạng thái 0,1 sẽ giới hạn được nhiều mức tín hiệu gây sai số .Mặt khác ,hệ thống này tương thích với dữ liệu của máy tính,qua giao tiếp với máy tính ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật. Sơ đồ khối Sơ đồ khối của hệ thống đo lường số b. Nguyên lý hoạt động Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý,dựa vào các đặc tính của đối tượng cần đo mà ta chọn một loại cảm biến phù hợp để biến đổi thông số đại lượng vật lý cần đo thành đại lượng điện ,đưa vào mạch chế biến tín hiệu(gồm:bộ cảm biến,hệ thống khuếch đại,xử lý tín hiệu). Bộ chuyển đổi tín hiệu sang số ADC(Analog Digital Converter) làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và kết nối với vi xử lý. Bộ vi xử lý có nhiệm vụ thực hiện những phép tính và xuất ra những lệnh trên cơ sở trình tự những lệnh chấp hành đã thực hiện trước đó. Bộ dồn kênh tương tự (multiplexers) và bộ chuyển ADC được dùng chung tất cả các kênh. Dữ liệu nhập vào vi xử lý sẽ có tín hiệu chọn đúng kênh cần xử lý để đưa vào bộ chuyển đổi ADC và đọc đúng giá trị đặc trưng của nó qua tính tốn để có kết quả của đại lượng cần đo. II. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ 1. Đo Nhiệt Độ Bằng Nhiệt Điện Trở. + Dùng để đo nhiệt độ của hơi nước, khí than trong các đường ống, các lò phản ứng hoá học,các nồi hơi,không khí trong phòng. + Nhiệt điện trở platin có thể chế tạo với độ tinh khiết cao (99.999%). Điều này cho phép độ chính xác của các tính chất điện của vật liệu. Ngoài ra tính trơ về hoá học và sự ổn định trong cấu trúc tinh thể của platin đảm bảo sự ổn định của các đặc tính dẫn điện của điện trở chế tạo từ vật liệu này. Các điện trở làm bằng platin hoạt động tốt trong một dải nhiệt độ khá rộng nếu như vỏ cho phép. Niken có độ nhạy nhiệt cao hơn so với platin. Tuy vậy nó lại có hoạt tính hoá học cao, dễ bị oxi hoá khi nhiệt độ làm việc cao. Nhiệt độ làm việc của niken là thấp hơn 2500C. Nguyên lý làm việc của thiết bị này là dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ của các vật dẫn điện. Tức là điện trở của một hàm theo nhiệt độ: R =f(t). Cuộn dây điện trở thường được nằm trong ống bảo vệ, tuỳ theo công dụng mà vỏ ngoài có thể được làm bằng thuỷ tinh, kim loại hay gốm. Đối với các vật liệu dẫn điện thì giá trị điện trở R tuỳ thuộc vào nhiệt độ T theo một hàm tổng quát: R(T) = Ro.F(T-To) Trong đó: Ro là điện trở ở nhiệt độ To F phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu F =1 khi T =To Đối với điện trở kim loại: R(T) =Ro(1+AT+BT2+CT3) Trong đó: T tính bằng 0C To = 0C Đối với nhiệt điện trở bằng diode bán dẫn: R(T) = Ro. Exp. [B(1/T -1/To) ] Trong đó: T là nhiệt độ tuyệt đối .To =273,150K Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, độ nhạy cao, luôn ổn định dài hạn. Các cảm biến nhiệt điện trở được chia thành 3 loại: Điện trở kim loại, điện trở bán dẫn và nhiệt điện trở. Nhiệt điện trở kim loại thường có dạng dây kim loại hoặc mảng mỏng, kim loại có điện trở xuất thay đổi theo nhiệt độ, điện trở suất lớn và ổn định. Người ta thường sử dụng platin, niken, đôi khi sử dụng cả đồng và vonfram. 1.1: Một số loại nhiệt điện trở: * Nhiệt điện trở platin Nhiệt điện trở platin được chế tạo với độ tinh khiết cao, cho phép tăng độ chính xác của các đặc tính điện của nó. Ngoài ra platin còn trơ về mặt hóa học và ổn định tinh thể, cho phép hoạt động tốt trong dải nhiệt độ rộng từ 2000C –10000C. Nhiệt độ platin được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau. Phụ thuộc vào phương pháp chế tạo mà giới hạn đo cũng khác nhau. + Nếu được chế tạo bằng dây dẫn có đường kính là 0,5mm đến 0,1mm thì giới hạn đo cực đại là 7500C. + Nếu được chế tạo từ dây dẫn có đường kính là 0,5mm thì giới hạn đo cực đại có thể lên tới 11000C. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở từ 00C đến 6600C. * Nhiệt điện trở Niken Niken có độ nhạy nhiệt độ cao hơn nhiều so với platin. Điện trở của Niken ở 1000C lớn gấp 1,671 lần so với giá trị ở 00C. Đối với Platin sự chênh lệch của điện trở ở 2 nhiệt độ này chỉ bằng 1,385. Tuy vậy Niken là chất có hoạt tính hóa học cao, dễ bị oxi hóa khi làm ở nhiệt độ tăng. Điều này làm giảm tính ổn định của nó và hạn chế dải làm việc của điện trở. Thông thường các điện trở chế tạo từ Niken làm việc ở chế độ thấp hơn 2500C. * Nhiệt điện trở bằng đồng Nhiệt điện trở đồng cũng được sử dụng trong một số trường hợp bởi vì sự thay đổi nhiệt của các điện trở chế tạo bằng đồ đồng có độ tuyến tính cao. Tuy vậy, do hoạt tính hóa học của đồng quá lớn nên các điện trở này chỉ được sử dụng ở nhiệt độ nhỏ hơn 1800C. * Nhiệt điện trở bán dẫn Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo từ hỗn hợp nhiều oxit kim loại khác nhau. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở là: Rt =A.e B/T A: Hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của bán dẫn, kích thước và hình dáng của nhiệt điện trở. B: Hằng số phụ thuộc vào tính chất của bán dẫn T: Nhiệt độ của nhiệt điện trở tính theo Kenvin. Ưu điểm cơ bản của nhiệt điện trở bán dẫn là có độ nhạy cao, hệ số nhiệt trở âm có giá trị gấp 6 đến 10 lần hệ số nhiệt điện trở kim loại. 1.2. Đo Nhiệt Độ Bằng Cặp Nhiệt Điện. Cặp nhiệt điện là loại cảm biến đo nhiệt độ, biến đổi tín hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện áp dựa trên hiện tượng nhiệt điện. Cặp nhiệt điện làm từ 2 dây dẫn kim loại có bản chất khác nhau, nối với nhau ở 2 đầu, một đầu không được chốt nóng gọi là đầu tự do. Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện: được giải thích dựa trên hiện tượng nhiệt điện với sự chuyển dịch của điện tích tự do tạo ra 1 sức điện động ở 2 mối nối. Giả sử có 2 dây dẫn A, B điện tích tự do sẽ khuyếch tán từ dây A sang dây B có ít điện tử tự do hơn, đầu được đốt nóng có nhiệt độ là t, đầu tự do có nhiệt độ là to. Tại chỗ tiếp xúc giữa hai đầu dây do có sự khuyếch tán điện tử từ A sang B sẽ xuất hiện suất điện động theo chiều ngược lại để chống lại xu hướng chuyển động này eAB(t), eAB(to). Bên cạnh đó do t > to nên điện tử tự do từ đầu được đốt nóng cũng sẽ khuyếch tán sang đầu to gây nên sức điện động eA(t,to),eB(t,to). Theo định luật Kieechof ta có sức điện động trong vòng dây là: E= eAB(t) –eA(t,to) –eB(t,to). Vì eA ,eB rất nhỏ so với eA(t), eAB(to) nên E= eAB(t) – eA(to). Từ phương trình trên ta thây rằng E tỷ lệ với hiệu nhiệt độ ở 2 đầu cặp nhiệt nên Et = Kt(t,to) Trong đó: Kt hệ số hiệu ứng nhiệt điện T nhiệt điện đầu đốt nóng To nhiệt điện đầu tự do - Bù nhiệt đầu tự do Điều kiện khi xác định đặc tính của cặp nhiệt điện là nhiệt độ đầu tự do phải bằng 0, nhưng trong thực tế thì đầu tự do luôn khác 0. Vì vậy người ta phải bù đầu tự do. E(t,0) = E(t,to) + E(to,0) Trong đó: E(t,to) là sức điện động đo được E(to,0) là sức điện động chuẩn của cặp nhiệt tại nhiệt độ to(hay còn gọi là sức điện động bù) - Yêu cầu về vật liệu làm cặp nhiệt điện + Bền nhiệt và bền cơ học. Độ nhạy cao + Đồng nhất tính chất điện để tránh gây ra các sức điện động phụ. + Đặc tính nhiệt ổn định có tính tái sinh cao đảm bảo độ chính xác của cặp nhiệt. + Mối liên hệ giữa sức điện động và nhiệt độ phải đơn trị, liên tục và tốt nhất là tuyến tính. 1.3 :Một số loại cặp nhiệt thông dụng: * Cặp nhiệt điện loại B Loại cặp nhiệt này thích hợp cho việc đo các ứng dụng đo nhiệt độ loại cao. Loại B thường đưa ra các đầu giống nhau ở 00C và 420C. Vì vậy, chúng không được sử dụng để đo nhiệt độ dưới 500C. * Cặp nhiệt điện loại E Cặp nhiệt điện loại E có đầu ra cao thích hợp với các ứng dụng đo nhiệt độ thấp. * Cặp nhiệt điện loại J Cặp nhiệt điện loại J ít phổ biến hơn loại K vì có dải đo thấp hơn từ -400C đến 7500C. Nó được sử dụng với các thiết bị với các thiết bị cũ mà không sử dụng được với cặp nhiệt điện hiện đại. * Cặp nhiệt điện loại K (Cromen/ Alumen) Cặp nhiệt điện loại K có dây dương là Cromen còn dây âm là Alumen. Loại K là loại cặp nhiệt điện có dải đo rộng, giá thành tương đối rẻ và nhiều kiểu đo khác nhau. Vì vậy, cặp nhiệt điện loại K được sử dụng phổ biến trong công nghiệp. Các thông số của cặp nhiệt điện + Đo cả dài hạn và ngắn hạn. + Dải đo từ 2000Cđến 12000C. + Độ nhạy trung bình là 0,041mV/0C. * Cặp nhiệt điện loại N Loại này ổn định và điện trở cao, thích hợp với các ứng dụng đo nhiệt độ cao, có giá thành không cao như các loại cặp điện Platin (B, R, S). Được thiết kế để cải tiến cặp nhiệt loại K. Do vậy, việc sử dụng loại N ngày càng sử dụng phổ biến. Các loại cặp nhiệt B, R, S là các loại cặp nhiệt kim loại quý. Chúng là loại cặp nhiệt ổn định nhất vì độ nhạy thấp có đặc tính phi tuyến. * Cặp nhiệt điện loại R Thích hợp với các ứng dụng đo nhiệt độ loại cao lên đến 16000C. Vì có độ nhạy thấp và giá thành cao nên ít được sử dụng. Loại S có độ ổn định cao, sử dụng làm thiết bị chuẩn. Dải đo và độ phân giải của các cặp nhiệt điện loại nhiệt điện B, E, J, K, N, R, S, T như bảng dưới: Loại cặp nhiệt điện Dải đo Độ phân giải0.0250C B 100 to 1800 1030 to 1800 E -270 to 790 -240 to 790 -140 to 490 J -210 to 1050 -210 to 1050 -120 to 1050 K -270 to 1370 -220 to 1370 -20 to 1150 N -260 to 1300 -210 to 1300 340 to 1260 R -50 to 1760 330 to 1760 S -50 to 1760 250 to 1760 T -270 to 400 -230 to 400 -20 to 400 1.3. Dùng IC Đo Nhiệt Độ. Nguyên lý hoạt động chung của 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. Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện, tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Đo tín hiệu điện ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo. Sự tác động của nhiệt độ tạo nên điện tích tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn. Bằng sự phá vỡ các phân tử, bức các electron thành dạng tự do di chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo sự xuất hiện các lỗ trống. Làm cho tỉ lệ điện tử tự do và lỗ trống tăng lên theo qui luật hàm mũ với nhiệt độ. 1.4. Đo Nhiệt Độ Bằng Cảm Biến Quang. 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 các bức xạ nhiệt. Cường độ bức xạ của các chất giảm khi nhiêt độ giảm. Dựa vào cường độ bức xạ tính ra được nhiệt độ của vật bức xạ. Ưu điểm của phương pháp: Vì không phải tiếp xúc trực tiếp với môi truờng đo. Về mặt lý thuyết thì giới hạn trên của phương pháp là vô cùng. Không làm sai lệch nhiệt độ đo của đối tượng vì không tiếp xúc với môi truờng đo. Các dụng cụ đo nhiệt độ bằng bức xạ nhiệt gọi là hoả kế bức xạ hay hoả kế. Có 2 loại hoả kế: 1.4.1. Hoả kế quang học Hoả kế quang học được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm và sản xuất để đo nhiệt độ> 8000C. Nguyên lý: Dựa trên cơ sở so sánh độ chói quang phổ của vật đo với độ đo chuẩn bằng mặt thường để xác định sự trùng của độ chói đo với độ chói chuẩn. Có nhiều loại hoả kế quang chuẩn khác nhau, nhiều phạm vi đo khác nhau.Cấp chính xác từ 1,5 đến 4. Loại hoả kế quang học phổ biến nhất là hoả kế quang học dây tóc. Nhiệt độ giới hạn là 14000C. 1.4.2. Hoả kế quang điện Nguyên lý: Cũng giống với nguyên lý của hoả kế quang học, cũng dựa trên sự phụ thuộc quang phổ độ chói của vật vào nhiệt độ Tuy nhiên khác nhau với hoả kế quang học, hoả kế quang điện là dụng cụ đo tự động.Phần tử thu năng lượng bức xạ là tế bào quang điện, điện trở quang điện hay diot quang điện. Đặc điểm: + Cấp chính xác từ 1 - >1,5. 1.5. Đo nhiệt độ bằng Diode & Tranzitor. Linh kiện điện tử nhạy cảm với nhiệt độ,do đó có thể sử dụng một số linh kiện bán dẫn như diode hoặc tranzito nối theo kiểu điot (nối B và C) phân cực thuận có dòng điện không đổi(như hình vẽ). Khi đó điện áp giữa 2 cực là hàm của nhiệt độ. Cảm biến vi mạch bán dẫn Độ nhạy nhiệt của điot hoặc tranzito mắc theo kiểu diode được xác định theo biểu thức : Có giá trị cỡ - 2,5mV/. Để tăng độ tuyến tính người ta thường mắc theo hình sau: Sơ đồ mạch IC đo nhiệt độ. Khi đó độ nhạy nhiệt được tính theo biểu thức: Dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế trong khoảng T = -50÷150.Trong khoảng này bộ cảm biến có độ ổn định cao. 1.6. Sơ lược về dụng cụ đo nhiệt độ. Tuỳ theo lĩnh vực đo và điều khiển thực tế mà có thể chọn một trong 4 loại cảm biến: thermcouple, RTD, themistor, và IC bán dẫn. Mỗi loại có ưu điểm và khuyết điểm riêng của nó. * Thermocouple + Ưu điểm : - Là thành phần tích cực, tự cung cấp công suất . - Đơn giản . - Rẻ tiền . - Tầm thay đổi rộng . + Khuyết điểm - Phi tuyến . - Điện áp cung cấp thấp . - Đòi hỏi điện áp tham chiếu . - Kém ổn định nhất . - Kém nhạy nhất . * RTD (Resitance Temperature Detctor) + Ưu điểm - Ổn định nhất . - Chính xác nhất. - Tuyến tính hơn Themocouple . + Khuyết điểm - Đắt tiền . - Cần phải cung cấp nguồn dòng. - Lượng thay đổi R nhỏ. - Điện trở tuyệt đối thấp . - Tự gia tăng nhiệt. * Themistor + Ưu điểm - Ngõ ra có giá trị lớn . - Nhanh . - Đo hai đây . + Khuyết điểm - Phi tuyến . - Giới hạn tầm đo nhiệt . - Dễ vỡ . - Cần phải cung cấp nguồn dòng . - Tự gia tăng nhiệt . * IC cảm biến + Ưu điểm - Tuyến tính nhất . - Ngõ ra có giá trị cao nhất . - Rẻ tiền . + Khuyết điểm - Nhiệt độ đo tới 2000C . - Cần cung cấp nguồn cho cảm biến . CHƯƠNG 3 CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ – SỐ I KHÁI NIỆM CHUNG Ngày nay việc truyền đạt tín hiệy cũng như quá trình điều khiển và chỉ thị phần lớn được thực hiện theo phương pháp số. Trong khi đó tín hiệu tự nhiên có dạng tương tự như: nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng, tốc độ quay, tín hiệu âm thanh… Để kết nối giữa nguồn tín hiệu tượng tự với các hệ thống xử lý số người ta dùng các mạch chuyển đổi tương tự sang số(ADC) nhằm biến đổi tín hiệu tương tự sang số hoặc trong trừơng hợp ngược lại cần biến đổi tín hiệu số sang tương tự thi dùng các mạch DAC (Digital Analog Converter). II.GIỚI THIỆU VỀ IC ADC 0804 Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 của h ãng National Semiconductor. Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất. Chip có điện áp nuôi +5V độ phân giải 8 bit. Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là một tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC. Thời gian chuyển đổi đ ược định nghĩa là thời gian mà bộ ADCcần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân. Đối với ADC0804 th ì thời gianchuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK và CLK IN và không bé hơn110us. Các chân khác của ADC0804 có chức năng như sau: + CS (Chip select) Chân số 1, là chân chọn Chip, đầu vào tích cực mức thấp được sử dụng để kích hoạt Chip ADC0804. Để truy cập ADC0804 thì chân này phải ở mức thấp. + RD (Read) Chân số 2, là một tín hiệu vào, tích cực ở mức thấp. Các bộ chuyển đổi đầu v ào tương tự thành số nhị phân và giữ nó ở một thanh ghi trong. RD đ ược sử dụng để có dữ liệu đã được chyển đổi tới đầu ra của ADC0804. Khi CS = 0 nếu có một xung cao xuống thấp áp đến chân RD thì dữ liệu ra dạng số 8 bit được đưa tới các chân dữ liệu (DB0 – DB7). + WR (Write) Chân số 3, đây là chân vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC biết bắt đầu quá trình chuyển đổi. Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao xuống thấp th ì bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phân 8 bit. Khi việc chuyển đổi hoàn tất thì chân INTR được ADC hạ xuống thấp. + CLK IN và CLK R CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tới đồng hồ ngoài được sử dụng để tạo thời gian Tuy nhiên ADC0804 cũng có một bộ tạo xung đồng hồ ri êng. Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK R (chân s ố 19) được nối với một tụ điện và một điện trở Khi ấy tần số được xác định bằng biểu thức: Với R=10 k, C=150pF và tần số f=606 kHz và thời gian chuyển đổi là 110 us. f =1/1.1RC + Ngắt INTR (Interupt) Chân số 5, là chân ra tích cực mức thấp. Bình thường chân này ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó xuống thấp để báo cho CPU biết l à dữ liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi. Sau khi INTR xuống thấp, cần đặt CS = 0 v à gửi một xung cao xuống thấp tới chân RD để đưa dữ liệu ra. + Vin (+) và Vin (-) Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương tự vi sai, trong đó Vin = Vin (+) – Vin (-). ông thường Vin (-) được nối tới đất và Vin (+) được dùng làm đầu vào tưộng tự và sẽ được uyển đổi về dạng số. + Vcc Chân số 20, là chân nguồn nuôi +5V. Chân này còn được dùng làm điện áp tham chiếu khi đầu vào Vref/2 để hở. + Vref/2 Chân số 9, là chân điện áp đầu vào được dùng làm điện áp tham chiếu. Nếu chân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dải 0 - +5V. Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vòa tương tự áp đến Vin khác với dải 0 - +5V. Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0 - +5V. + D0 - D7 D0 - D7, chân số 18 – 11, là các chân ra dữ liệu số (D7 là bit cao nhất MSB và D0 là bit thấp nhất LSB). Các chân này được đệm ba trạng thái và dữ liệu đã được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD đưa xuống mức thấp. Để tính điện áp đầu ra ta tính theo công thức sau: Dout =Vin / Kích thước bước CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG I.SƠ ĐỒ KHỐI Hệ hoạt động theo chương trình đã nạp trên ROM , qua sự điều khiển cuả MCU 8051 phần cảm biến nhiệt đặt ở nơi ta muốn đo ,nó sẽ đọ tín hiệu của nhiệt độ qua mức điện áp tín hiệu analog được chuyển thành tín hiệu số và giao tiếp với hệ thống qua data bus. Trên cơ sở chương chình được nạp trên ROM và tín hiệu nhận được , MCU cho phép thiết bị ngoại vi hoạt động như : hiển thị giá trị nhiệt độ tương ứng điều khiển nhiệt độ thích hợp. II .SƠ LƯỢC CHỨC NĂNG CÁC BỘ PHẬN _ Vi xử lý 8051 là phần tử chính xử lý các thông tin nhập vào và đưa ra các quyết định điều khiển. _ Mạch hiển thị , hiển thị các giá trị đặt và giá trị đo. _ Mạch cảm biến dùng để khuyếch đaị tín hiệu và bù nhiệt. III.SƠ ĐỒ CHI TIẾT CÁC KHỐI 1.Khối mạch cảm biến nhiệt LM335 là cảm biến nhiệt độ có thể hoạt động đến 150oC, LM335 cho ra điện áp 0V . Cứ tăng 1oC ,điện áp ra tăng 10mV. Thiết kế bộ cảm biến nhiệt : Tầm làm việc trong hệ thống mạch từ 0 ÷150oC. Để đo nhiệt độ chính xác phải có các đầu đo đặc biệt. Đầu đo dưới dạng vi mạch LM335 là một đầu đo đơn giản và chính xác với giá thành lại rẻ .LM335 có độ biến thiên điện áp theo nhiệt độ là 10mV/ K ,có một dãy độ chính xác khá cao và cảm biến nhiệt tốt ở nhiệt độ 25oC có độ sai số nhỏ hơn 1oC.với tầm đo từ nhiệt độ 0 ÷100oC, ngõ ra của cảm biến này tuyến tính. Các tính chất của cảm biến LM335 : • Chia độ trực tếp theo oK • Độ chính xác ban đầu là 1oC • Trở kháng động < 1Ω • Tầm nhiệt độ rộng . • Khoảng đo 150oC Tầm tuyệt đối lớn nhất : Dòng ngược 15mA Dòng thuận 10mA Điện áp hoạt động ngõ ra ở điều kiện TC =25o C, IR =1nA tương ứng 2.92 ÷ 3.04V Sai số nhiệt ở 25o C ở điều kiện Tmin 1 ÷ 2o C Điện áp ngõ ra hoạt động ở điều kiện 400µA<IR <5mA thì tương ứng từ 3 ÷ 14mV. Theo thông số của nhà sản xuất IC LM335 có độ biến thiên điện áp như sau: 0oC (273oK ) áp ra 0V 5oC (278oK ) áp ra 0.05V 25oC (298oK ) áp ra 0.25V 50oC(323oK ) áp ra 0.5V 100oC (373oK ) áp ra 1V Tầm biến thiên điện áp tương ứng với nhiệt độ từ 0oC - 100oC là 1V Điện áp ra từ bộ cảm biến LM335 theo công thức: Vout = 0,01 x ToK = 2,73 + 0,01ToC. Ta có: Vì: 2,73V ≤ Vo ≤ 3,73 Nên: 254 < R < 5,7 k 2.Khối chuyển đổi tương tự sang số Khối chuyển đổi tương tự sang số Nhiệm vụ chính của khối chuyển đổi là biến đổi tín hiệu điện áp từ cảm biến nhiệt độ dạng tín hiệu tương tự thành tín hiệu số dạng nhị phân 8 bit Tín hiệu số ra từ chân D0 – D7 của ic ADC 0804 Ta có D out = Vin / kích thước bước 3.Khối xủ lý trung tâm : Khối xủ lý trung tâm Là vi điều khiển AT 89c52 có chức năng chính là đọc giá trị số chuyển đổi được và xuất tín hiệu đó lên hệ thống hiển thị gồm 3 led 7 thanh 4. Khối hiển thị Khối hiển thị Khối hiển thị gồm 3 led 7 thanh loại anot chung và tương ứng với mỗi led chúng ta sử dụng 1 tranzitor để kích hoạt sự hoạt động của nó . 5.Khối nguồn Khối nguồn Nhiệm vụ của mạch nguồn là cung cấp điện áp 5v để nuôi cho các linh kiện trong mạch .Mạch gồm cầu chỉnh lưu các tụ lọc và ic ổn áp KA 7805 cho dòng điện tối đa 1 A .Điode cầu chỉnh lưu có nhiệm vụ chỉnh lưu nguồn điện xoay chiều hình sin về nguồn điện 1 chiều .Sau khi có nguồn điện 1 chiều sẽ được qua các tụ điện để lọc nhiễu đồng thời san phẳng nguồn điện giúp cho nguồn điện không bị nhấp nhô đồng thời ổn định điện áp trên mạch điện . 6.S ơ đồ nguyên lí tổng quát Sơ đồ nguyên lý tổng quát CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ PHẦN MỀM I. Lưu đồ giải thuật 1.Lưu đồ giải thuật tổng quát: Lưu đồ thuật toán tổng quát II.Chương trình phần mềm : #include sbit rd=P3^7; //Read signal P3.7 sbit wr=P3^6; //Write signal P3.6 sbit cs=P3^5; //Chip Select P3.5 sbit intr= P3^4; //INTR signal P3.4 int array[10]={0xc0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};//khai bao 10 con so hien thi 0 den 9 la ma nhi phan cua led 7 doan sbit led0=P2^0; //khai bao 3 chan kich hoat 3 led can hien thi do sbit led1=P2^1; sbit led2=P2^2; sbit stop=P3^0; unsigned int adc_avg,adc; void delay() //chuong trinh con phuc vu tao tre thoi gian { unsigned int i; for(i=1;i<=1000;i++); } void tamdung() //phuc vu tam dung vdk { while(1); } void read() { wr=0; //KICH HOAT CHAN GHI DU LIEU CUA ADC wr=1; while(intr); //CHO CHO INTR VE LUC LOGIC 0 rd=0; //SET CHAN RD =0 adc_avg=P1; //GAN GIA TRI CHUYEN DOI DUOC LEN PORT P1 rd=1; //BAT DAU QUA TRINH CHUYEN DOI } void main() { int i; //KHAI BAO 3 SO CAN HIEN THI LEN LED char a,b,c; led0=led1=led2=0; stop=0; //KICH HOAT CAP NGUON CHO 3 LED DO while(1) { // Reset tro ve so 0 //Het reset read(); //DOC GIA TRI TU ADC for(i=1;i<=10;i++) { adc=adc_avg*1; //GAN GIA TRI DOC DUOC LEN 3 BIEN adc a=adc/100; //hien thi so hang tram b=(adc-a*100)/10; //hien thi so hang chuc c=(adc-a*100-b*10); //hien thi so hang don vi led0=0; //cho led hang tram sang P0=array[a]; //led hang tram hien thi so a delay(); //tre 1ms led0=1; //tat led hang tram led1=0; //cho led hang chuc sang P0=array[b]; //led hang chuc hien thi so b delay(); //tre 1 ms led1=1; //tat led hang chuc led2=0; //cho led hang don vi sang P0=array[c]; //led hang don vi hien thi so c delay(); //tre 1ms led2=1; //tat led hang don vi if (stop==1) //neu sop duoc bam thi goi ham tam dung len { tamdung(); } } } } MỤC LỤC CHƯƠNG 1- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ VI ĐIỀU KHIỂN ___________I. GIỚI THIỆU ___________II. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BỘ VI ĐIỀU KHIỂN ___________III.KHẢO SÁT CÁC BỘ VI ĐK 8051 CHƯƠNG 2- ĐO NHIỆT ĐỘ ___________I. HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG ___________II. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ CHƯƠNG 3- CHUYỂN ĐỔI TƯƠNG TỰ SỐ ___________I.KHÁI NIỆM CHUNG ___________II.GIỚI THIỆU VỀ IC ADC0804 CHƯƠNG 4- THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ___________I.SƠ ĐÒ KHỐI ___________II.SƠ LƯỢC CHỨC NĂNG CÁC BỘ PHẬN ___________III.SƠ ĐỒ CHI TIẾT CÁC KHỐI CHƯƠNG 5- THIẾT KẾ PHẦN MỀM ___________1.LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT TỔNG QUÁT ___________2. CODE CHƯƠNG TRÌNH