Thực tập công nhân GVHD: Lê
Hồng Nam
LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện
tử đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Trong lĩnh vực điều khiển, từ khi
công nghệ chế tạo loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến các kỹ thuật
điều khiển hiện đại có nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng các mạch điều
khiển lắp ráp bằng các linh kiện rời như kích thước nhỏ, giá thành rẻ, độ làm
việc tin cậy, công suất tiêu thụ nhỏ.
Ngày nay, trong lĩnh vực điều khiển đã được ứng dụng rộng rãi trong
các thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của con
người như máy giặt, đồng hồ báo giờ… đã giúp cho đời sống cuả chúng ta
ngày càng hiện đại và tiện nghi hơn.
Chúng em chân thành cảm ơn Thầy Lê Hồng Nam đã tận tình hướng dẫn
nhóm trong quá trình làm thực tập , đã tạo điều kiện cho chúng em được thực
hiện đề tài tốt nhất ./.
Đề tài “Mạch điều khiển nhiệt độ ứng dụng trong lò nhiệt” rất đa dạng và
phong phú, có nhiều loại hình khác nhau dựa vào công dụng và độ phức tạp.
Do tài liệu tham khảo bằng Tiếng Việt còn hạn chế, trình độ có hạn và kinh
nghiệm trong thực tế còn non kém, nên đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót.
Vì vậy rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, giúp đỡ chân thành của
các thầy cô cũng như của các bạn sinh viên để giúp nhóm có thể làm tốt
hơn những đề tài sau này ./.
Nhóm: 13-07DT4 Trang: 1
Thực tập công nhân GVHD: Lê
Hồng Nam
Đà Nẵng,tháng 3 năm 2011
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
NHIỆT ĐỘ ỨNG DỤNG TRONG LÒ NHIỆT
1. Nhiệm vụ thiết kế:
3.1 Khối cảm biến nhiệt độ và ADC:
• Nhiệm vụ:
- Dùng để đo nhiệt độ trong lò nhiệt.
- Số hóa tín hiệu ra của cảm biến nhiệt độ để đưa vào vi điều khiển.
• Chọn linh kiện sử dụng:
- ADC0804
- LM35, UJT LM336
- IC LM358
- UJT LM336
- 1 biến trở,một số tụ và một số điện trở thường
• Sơ đồ nguyên lý:
Nhóm: 13-07DT4 Trang: 3
Thực tập công nhân GVHD: Lê
Hồng Nam
P 1 . 0
R 8
1 0 kC 4
0 . 1 u F
P 1 . 1
P 1 . 3
C 5
1 5 0 p
P 1 . 7
V C C
R 9
13
2
P 3 . 5
P 1 . 2
4
5
1
2
3
+ I N
- I N
A G N D
V R E F / 2
G N D
D B 7
D B 6
D B 5
D B 4
D B 3
D B 2
D B 1
D B 0
C L K R
V C C / V R E F
C L K I N
I N T R
C S
R D
W R
V C C
P 1 . 5
• Nguyên lý làm việc:
- LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ: 10mV / 1
o
4
5
6
7
8V C C
V C C
P 3 . 3
P 0 . 5
P 1 . 6
C 3
V C C
R 6
1 0 K
12
3
4
5
6
7
8
9
P 3 . 4
P 0 . 6
P 1 . 7
R 4
1 0 K
1 2
3
4
5
3 3 p
P 2 . 2
Y 1
P 2 . 4
A T 8 9 C 5 1
U 1
9
1 8
1 9
2 0
2 9
3 0
3 1
4 0
1
2
3
4
5
6
7
8
2 1
2 2
2 3
2 4
2 5
2 6
2 7
2 8
P 1 . 6
P 1 . 7
P 2 . 0 / A 8
P 2 . 1 / A 9
P 2 . 2 / A 1 0
P 2 . 3 / A 1 1
P 2 . 4 / A 1 2
P 2 . 5 / A 1 3
P 2 . 6 / A 1 4
P 2 . 7 / A 1 5
P 3 . 0 / R X D
P 3 . 1 / T X D
P 3 . 2 / I N T O
P 3 . 3 / I N T 1
P 3 . 4 / T O
P 3 . 5 / T 1
P 3 . 6 / W R
P 3 . 7 / R D
P 0 . 0 / A D 0
P 0 . 1 / A D 1
P 0 . 2 / A D 2
P 0 . 3 / A D 3
P 0 . 4 / A D 4
P 0 . 5 / A D 5
P 0 . 6 / A D 6
P 0 . 7 / A D 7
P 2 . 3
P 2 . 5
P 2 . 7
V C C
2
3
4
5
6
7
8
9
V C C
P 3 . 1
P 0 . 3
P 1 . 4
• Nguyên lý làm việc:
- Nhận dữ liệu điều khiển từ bàn phím 4x4 qua Port0.
- Giao tiếp với PC qua cổng Com dùng max232 bằng các chân Rx và Tx.
- Giao tiếp với khối hiển thị để hiện thị giá trị nhiệt độ qua Port2.
3.3 Khối công suất và đồng bộ.
• Nhiệm vụ :
- Điều khiển,cấp nguồn cho lò nhiệt,qua đó làm thay đổi nhiệt độ trong lò
nhiệt. Ở đây lò nhiệt được thay thế bằng tải có công suất lớn.
- Điều khiển tín hiệu kích và áp xoay chiều đặt lên Triac, tạo sự đồng bộ về
tín hiệu kích và áp xoay chiều đặt vào Triac.
• Chọn linh kiện sử dụng :
- BJT 2SA1015, Triac BT138, OPTO Triac MOC3021
- Một số điện trở thường, tụ điện, Jump cắm tải công suất.
- Chọn IC Opamp LM393, biến trở 10K, Jump cắm nguồn xoay chiều.
• Sơ đồ nguyên lý :
Nhóm: 13-07DT4 Trang: 5
Thực tập công nhân GVHD: Lê
1 0 0 K
C 8
V C C
U 8
M O C 3 0 2 1
1
2
64
P 3 . 4
R 1 7
1 0 0 K
Q 2
A 1 0 1 5
2
13
U 9 A
L M 3 9 3
3
2
84
1
+
-
V +V -
O U T
J 4
T A I + N G U O N
1
2
• Nguyên lý làm việc :
• Chọn linh kiện sử dụng
- Jump nhận dữ liệu, IC 74LS47, 3Led 7 đoạn Anode chung
- BJT 2SA1015, Led báo hiệu, một số điện trở thường.
• Sơ đồ nguyên lý :
a b c d e f g D P
C A
D 1
7 d o a n
17 6 4
8
9 1 0 52
3
R 1 1
R E S I S T O R
a b c d e f g D P
C A
D 3
7 d o a n
17 6 4
8
9 1 0 52
3
R 1 0
R E S I S T O R
R 2
1 k 2
Q 3
A 1 0 1 5
D 4
L E D
D 2
D 3
B I / R B O
R B I
L T
A
B
C
D
E
F
G
V C CG N D
V C C
R 1 7
R E S I S T O R
V C C
R 1
1 k 2
R 1 6
R E S I S T O R
V C C
R 1 5
R E S I S T O R
V C C
Q 2
A 1 0 1 5
J 1
C O N 9
1
Thực tập công nhân GVHD: Lê
Hồng Nam
P 1 . 0
S W 2
1 4
2 3
S W 1 5
1 4
2 3
S W 1 1
1 4
2 3
S W 7
1 4
2 3
S W 3
1 4
2 3
S W 1 0
1 4
2 3
S W 1 3
1 4
2 3
S W 6
1 4
2 3
J 1
C O N 8
1
P 1 . 2
S W 1 6
1 4
2 3
S W 4
1 4
2 3
P 1 . 3
• Nguyên lý hoạt động
- Hoạt động theo nguyên tắc định vị ma trận 4x4.
- Khi có nút được nhấn, dữ liệu tương ứng sẽ được gửi về vi điều khiển
và được chương trình xử lí xác thực chức năng của nút bấm
- Để thực hiện ma trận bàn phím ta dùng phương pháp quét phím. Quét
cột và đọc dữ liệu tại hàng hoặc ngược lại. Theo hình vẽ thì các cột
cách nhau 1 đơn vị, các hàng cách nhau 4 đơn vi.
- Vậy giá trị của bàn phím được tính theo công thức sau
Bp= C+h.4
Trong đó: Bp: Giá trị của phím được nhấn.
C: Cột được quét.
H: Hàng có phím nhấn.
- Ví dụ: Khi ta quét cột C0 mà phím 4 được nhấn thì H1 nhận được tín
hiệu.
- Vậy giá trị nhận được của bàn phím là Bp = 0 + 1.4 = 4.
- Khi mạch cần nhiều phím thì ta mới tổ chức ma trận phím để giảm số
lượng cổng sử dụng cho bàn phím.
-
3.5 Khối giao tiếp
• Nhiệm vụ
- Có nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa máy tính và vi điều khiển thông qua
cổng COM.
V -
R 1 O U T
R 2 O U T
T 1 I N
T 2 I N
R 1 I N
R 2 I N
T 1 O U T
T 2 O U T
C 1 0
1 0 u
C 1 3
1 0 u
C 1 1
1 0 u
C 9
1 0 u
J 7
G I A O T I E P
1
2
3
4
0
P 1
D B 9
5
9
4
8
liệu giữa vi điều khiển và máy tính.
CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH
1. Giới thiệu vi điều khiển AT89C51
1.1 Sơ đồ khối của một bộ vi điều khiển.
Sơ đồ khối chung của hầu hết các bộ vi điều khiển bao gồm CPU, bộ nhớ ROM hay
EPROM và RAM, mạch giao tiếp, mạch giao tiếp song song, bộ định thời
gian, hệ thống ngắt và các BUS được tích hợp trên cùng một chip.
1.2. Kiến trúc của vi điều khiển 8951
Nhóm: 13-07DT4 Trang: 9
Thực tập công nhân GVHD: Lê
Hồng Nam
1.2.1 Giới thiệu
IC vi điểu khiển 8951 thuộc họ MCS51 có các đặc điểm sau :
+ 4 kbyte ROM
+ 128 byte RAM
+ 4 port I/0 8 bit
+ Hai bộ định thời 16 bits
+ Giao tiếp nối tiếp
+ 64KB không gian bộ nhớ chương trình ngoài
+ 64 KB không gian bộ nhớ dữ liệu ngoài.
+ 210 bit được địa chỉ hóa.
Các thanh ghi khác
128 byte Ram
Rom
Nhóm: 13-07DT4 Trang: 10
Thực tập công nhân GVHD: Lê
Hồng Nam
4K-8951
OK-8031
Timer1
Timer2
Điều khiển ngắt
Điều khiển bus
CPU
Port nối tiếp
Các port I/O
Tạo dao động
1.2.2. Cấu trúc bên trong của 8951
Sơ đồ khối 8951
Phần chính của vi điều khiển 8951 là bộ xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) bao
gồm:
+ Thanh ghi tích lũy A
Nhóm: 13-07DT4 Trang: 11
Thực tập công nhân GVHD: Lê
Hồng Nam
+ 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
1 4
1 5
1
2
3
4
5
6
7
8
3 9
3 8
3 7
3 6
3 5
3 4
3 3
3 2
2 1
2 2
2 3
2 4
2 5
2 6
2 7
2 8
1 7
1 6
2 9
3 0
P 2 . 4
P 2 . 5
P 2 . 6
P 2 . 7
R D
W R
P S E N
A L E / P
T X D
R X D
R S T
1 2 M H z
Thực tập công nhân GVHD: Lê
Hồng Nam
Sơ đồ chân 8951
Vi điều khiển 8951 có 32 trong 40 chân có chức năng như là các cổng I/O, trong đó 24 chân
được sử dụng với hai mục đích. Nghĩa là ngoài chức năng cổng I/O, mỗi chân có công dụng kép này
có thể là một đường điều khiển của Bus địa chỉ hay Bus dữ liệu hoặc là mỗi chân hoạt động một cách
độc lập để giao tiếp với các thiết bị đơn bit như công tắc, LED, transistor…
a.Port0: là port có 2 chức năng, ở trên chân từ 32 đến 39 của MC 8951, Trong các thiết kế cỡ
nhỏ không dung bộ nhớ ngoài, Port 0 được sử dụng như là những cổng I/O. Còn trong các thiết kế lớn
có yêu cầu một số lượng đáng kể bộ nhớ ngoài thì Port 0 trở thành các đường truyền dữ liệu và 8 bits
thấp của Bus địa chỉ.
b. Port1: Là một port I/O chuyên dụng, trên chân 1-8 của MC8951. Chúng được sử dụng với
mục đích duy nhất là giao tiếp với thiết bị ngoài khi cần thiết.
c. Port2: Là một cổng có công dụng kép trên chân 21-28 của MC 8951. Ngoài chức năng I/O,
các chân này dung làm 8 bit cao của bus địa chỉ cho những mô hình thiết kế có bộ nhớ chương trình
ROM ngoài hoặc bộ nhớ dữ liệu RAM có dung lượng lớn hơn 256 Bytes.
d. Port3: Là một cổng có công dụng kép trên chân 10-17 của MC 8951. Ngoài chức
năng là cổng I/O những chân này kiêm luôn nhiều chức năng khác nữa liên quan đến nhiều
Chức năng của các chân trên port3
e. PSEN (Program Store Enable): 8951 có 4 tín hiệu điều khiển, PSEN là tín hiệu ra trên chân 29. Nó
là tín hiệu điều kển để cho phép truy xuất bộ nhớ chương trình mở rộng và thường được nối đến chân
OE ( Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc các byte mã lệnh của chương trình. Tín hiệu
PSEN ở mức thấp trong suốt phạm vi quá trình của một lệnh. Các mã nhị phân của chương trình được
đọc từ EPROM qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8951 để giải mã lệnh. Khi thi hành
chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ở mức cao.
f. ALE (Address Latch Enable ): Tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương ứng hợp với các thiệt bị
xử lý 8585, 8085, 8951 dùng ALE để giải đa hợp bus địa chỉ dữ liệu, khi port 0 được dùng làm bus
địa chỉ/ dữ liệu đa hợp: vùa là bus dữ liệu vừa là byte thấp của địa chỉ 16 bit. 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 nhập dữ liệu trong nữa sau chu kỳ của chu kỳ 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 8951 là 12MHz thì ALE có tần số là 2MHz. Chân
này cũng được làm ngõ vào cho xung lập trình cho EPROM trong 8951.
g. EA (External Access): Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được nối lên mức cao (+5V)
hoặc mức thấp (GND). Nếu ở mức cao, 8951 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. Người ta còn dung
chân EA làm chân cấp điện áp 21V khi lập trình cho EPROM trong 8951.
h. RST (Reset): Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ reset của 8951. Khi tín hiệu này được đưa lên
mức cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy), các thanh ghi trong 8951 được đưa vào những giá trị thích hợp
để khởi động hệ thống.
i.OSC: 8951 có một bộ dao động trên chip, nó thường được nối với thạch anh giữa chân 18 và
19. Tần số thạch anh thông thường là 12 MHz.
j. POWER: 8951 vận hành với nguồn đơn +5V. V
cc
được nối vào chân 40 và V
ss
(GND) được
nối vào chân 20.
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 thì 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.
• 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
là dữ liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi. Sau khi INTR xuống thấp, cần đặt
CS = 0 và 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 (-). Thông thường Vin (-) được nối tới đất và Vin (+) được dùng
làm đầu vào tương tự và sẽ được chuyển 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 -
Nhóm: 13-07DT4 Trang: 16
Thực tập công nhân GVHD: Lê
Hồng Nam
+5V. Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào 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.
Bảng quan hệ điện áp Vref/2 với Vin
V
ref / 2
1.1RC
Với R=10 k , C=150pF và tần số f=606 kHz và thời gian chuyển đổi là 110 µs
3. MAX232.
Nhóm: 13-07DT4 Trang: 17
Thực tập công nhân GVHD: Lê
Hồng Nam
3.1.Tìm hiểu về MAX 232
MAX 232 là 1 mạch tích hợp chuyển đổi tín hiệu từ port nối tiếp chuẩn RS 232 sang tín hiệu
thích hợp để sử dụng trong các mạch số logic chuẩn tương thích TTL
RS232 Line Type & Logic Level RS232
Voltage
TTL Voltage to/from MAX232
Data Transmission (Rx/Tx) Logic 0 +3 V to+15 V 0V
Data Transmission (Rx/Tx) Logic 1 -3 V to -15 V 5V
Control Signals
(RTS/CTS/DTR/DSR) Logic 0
-3 V to -15 V 5V
Control Signals
(RTS/CTS/DTR/DSR) Logic 1
+3 V to+15 V 0VNhóm: 13-07DT4 Trang: 18
Thực tập công nhân GVHD: Lê
Hồng Nam
Sơ đồ chân và mạch đặc trưng của max232
3.2 Các ứng dụng của max232:
-Máy tính xách tay
I
GT
:( dòng cổng kích khởi) cở 10mA đến 100mA
Dòng đóng I
L
ứng với VD = 12 V; IGT = 0.1 A khoảng từ 10mA- 60mA
Dòng đi qua Triac cực đại là 12A
Điện áp cực đại chịu đựng là : 600Vac
5 IC cảm biến nhiệt LM35
5.1 Hình dạng:
5.2 Một số tính chất cơ bản của LM35:
- LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ: 10mV / 1
o
C.
- Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, ở nhiệt độ 25
o
C nó có
sai số không quá 1%. Với tầm đo từ -55
o
C – 150
o
C, tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên
tục với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào.
5.3 Thông số kỹ thuật:
Tiêu tán công suất thấp.
Dòng làm việc từ 450A – 5mA.
Dòng ngược 15mA.
Dòng thuận 10mA.
+ Đặc tính điện:
Theo thông số của nhà sản xuất LM35, quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ngõ ra như
- Dòng giữ: I
H
là 100µA
7 IC Giải mã 74LS47
7.1Đại cương.
Mạch giải là mạch có chức năng ngược lại với mạch mã hoá. Mục đích sử dụng phổ
biến nhất cũa mạch giải mã là làm sáng tỏ các đèn để hiển thị kết quả ở dạng chữ số. Do
có nhiều loại đèn hiển thị và có nhiều loại mã số khác nhau nên có nhiều mạch giải mã khác
nhau, ví dụ: giải mã 4 đường sang 10 đường, giải mã BCD sang thập phân…IC74LS47 là
loại IC giải mã BCD sang led 7 đoạn. Mạch giải mã BCD sang led 7 đoạn là mạch giải mã
phức tạp vì mạch phải cho nhiều ngõ ra lên cao hoặc xuống thấp( tuỳ vào loại đèn led là
anod chung hay catod chung) để làm các đèn cần thiết sáng nên các số hoặc ký tự. IC
74LS47 là loại IC tác động ở mức thấp có ngõ ra cực thu để hở và khả năng nhận dòng đủ
cao để thúc trực tiếp các đèn led 7 đoạn loại anod chung.
Nhóm: 13-07DT4 Trang: 22
Thực tập công nhân GVHD: Lê
Hồng Nam
Hình 7.1 Thông số kỹ thuật
kích thước của
74LS47
IC giải mã 74ls47 là một trong những IC giãi mã thông dụng cho nên việc tìm hiểu
IC này là rất cần thết . Sau day là một số thông số làm việc của IC 74ls47
Điện áp cung cấp cực đại : 7v
Điện áp ngõ vào max : 7v
Nhiệt độ khi làm việc tốt : 0
0
C => 70
0
C
mã 74LS47 hoạt động và giải mã BCD sang led 7 đoạn như thế nào.
Sự hoạt động của mạch được thể hiện ở bảng sự thật, trong đó đối với các ngõ ra H là tắt
và L là sáng, nghĩa là nếu 74LS47 thúc đèn led 7 đoạn thì các đoạn a, b, c, d, e, f, g của
đèn sẽ sáng hay tắt tuỳ vào ngõ ra tương ứng của 74LS47 là L hay H.
Hình 7.5 : Bảng trạng thái của IC74LS47.
Nhóm: 13-07DT4 Trang: 25
Copyright: Tài liệu đại học ©