Đề tài:
Thiết kế mạch thu thập số liệu 8 kênh sử dụng
họ vi điều khiển MCS – 51
ỏn tt nghip
NHIM Vễ
THIT K TT NGHIP
H v tờn .
Khoỏ Khoa
Ngnh hc
1. u thit k:






2. Cỏc s liu ban u :






3. Ni dung thuyt minh v tớnh toỏn:




Trng i Hc Bỏch Khoa H Ni trang 2
Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội

Học sinh đ hoàn thànhã
(và nộp toàn bộ bản thiết kế cho Khoa)
Ngày tháng năm
(Ký, Ghi rõ họ tên)
Đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu
Với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật đặc biệt là trong ngành
điện tử trong việc chế tạo các vi mạch điện tử, mạch vi xử lý đã tạo một bước
ngoặt quan trọng đối với sự phát triển của khoa học.
Việc phát triển công nghiệp hoá, hiện đại hoá là nhiệm vụ quan trọng hàng
đầu đối với bất kỳ một quốc gia nào trong việc xây dựng và phát triển đất nước.
Việc ứng dụng các thiết bị đo và hệ thống đo lường có sử dụng vi điện tử, vi xử
lý và máy tính ngày càng có hiệu quả. Có thể tạo ra các hệ thống thông minh từ
các bộ µP, µC. Điều này cho phép các kỹ sư đo lường và tin học công nghiệp có
trong tay một công cụ mạnh để thu thập và xử lý thông tin, điều khiển tự động
các quá trình sản xuất. Một hệ vi xử lý tối đa không có giới hạn về số lượng
thành phần, chức năng thực hiện và quy mô ứng dụng. Vấn đề đặt ra đối với một
thiết kế là tổ chức phần cứng phải tối thiểu thành phần nhằm tăng tốc độ, giảm
giá thành và tăng độ tin cậy. Phải xây dựng được phần mềm điều khiển thật tối
ưu nhằm tăng khả năng linh hoạt và mềm dẻo trong xử lý, gia công và biến đổi
tín hiệu mà hệ phải thực hiện.
Trong thời gian thực tập vừa qua em được giao đề tài "Tính toán thiết kế
hệ thu thập số liệu 8 kênh sử dụng họ vi điều khiển và truyền số liệu lên
máy tính"
Được sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo hướng dẫn, các cán bộ nơi
thực tập và tạo điều kiện thuận lợi của bộ môn cùng với sự nỗ lực của bản thân
em đã làm được một số phần của bản đồ án. Em rất mong được sự chỉ dẫn thêm
của các thầy để em có thể hoàn thiện bản đồ án này.
Nội dung đồ án gồm những phần sau:
Phần I: NHIỆM VỤ THƯ

thống khác.
Theo như yêu cầu của bài toán đặt ra là xây dưng một hệ thống đo, thu
thập nhiệt độ trên tua bin của máy phát điện. Với 8 kênh đo nhiệt độ ở những vị
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 5
Đồ án tốt nghiệp
trí khác nhau và những dải nhiệt độ khác nhau thì việc sử dụng một bộ vi điều
khiển nào để điều khiển trong hệ là một điều cần thiết vì nó ảnh hưởng trực tiếp
đến tốc độ xử lý của hệ thống. Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều họ vi điều
khiển như : MCS - 51, 68HC11, PIC, AVR… vì vậy việc lựa chọn một bộ vi
điều khiển cho hệ thống cần phải có giá thành rẻ nhưng vẫn đáp ứng được yêu
cầu của bài toán tối ưu. Ở đây ta sử dụng bộ vi điều khiển 8051 là đủ để điều
khiển hệ thống hoạt động tốt.
Trong hệ thống đo ngoài bộ vi điều khiển 8051 ta còn sử dụng các vi
mạch điện tử và các thiết bị khác như : Mạch chuyển đổi tương tự - sè 12 bit
ICL7109 có độ chính xác cao, mạch giải mã địa chỉ 74LS138, mạch dồn kênh
HEF4051, các cổng logic (AND) các phần tử cơ bản (điện trở, điện dung, tinh
thể thạch anh), các IC thuật toán, các thiết bị cảm biến, cổng truyền tin theo
chuẩn RS232…
Từ các thiết bị trên ta có thể xây dựng một hệ đo và thu thập số liệu với
phần tử trung tâm là bộ vi điều khiển 8051 để điều khiển hoạt động của cả mạch.
Trong hệ thống này mọi hoạt động của hệ đều do bé vi điều khiển quản lý từ
việc ra lệnh cho thiết bị đo lấy số liệu đến việc truyền và xử lý các số liệu này
Số liệu đo được từ sensor được đưa qua bộ chuẩn hoá để chuẩn hóa tín
hiệu. Tín hiệu tương tự này được đưa qua bé chuyển đổi tương tự - sè (ADC) để
chuyển đổi thành tín hiệu số và đưa vào vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ đọc số
liệu này, nhân chia số liệu và đưa ra hiển thị trên LED đồng thời gửi số liệu đó
lên máy tính để lưu trữ.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 6
Đồ án tốt nghiệp
Phần II

C ÷ 3000
0
C. Nó thường được đo bằng
các dụng chụ được chế tạo từ các vật liệu có độ chịu nhiệt cao, hoả quang kế,
bức xạ và phương pháp cường độ sáng.
Dải nhiệt độ cao từ 3000
0
C ÷ 100.000
0
C. Đây là dải nhiệt độ đòi hỏi các
thiết bị đo phải có độ chịu nhiệt tốt nhưng có độ chính xác chỉ cần tương đối.
Thông thường ta dùng hoả quang kế màu sắc và phổ quang kế.
Để đo nhiệt độ người ta chia làm 2 loại phương pháp đo: Phương pháp đo
tiếp xúc và phương pháp đo không tiếp xúc. Phương pháp đo tiếp xúc thường
dùng với dải nhiệt độ thấp và trung bình còn phương pháp đo không tiếp xúc
dùng với dải nhiệt độ cao.
Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ một số các dụng cụ đo nh:
+ cặp nhiệt điện.
+ Nhiệt điện trở kim loại.
+ Nhiệt điện trở bán dẫn.
+ Cảm biến thạch anh.
+ Các IC cảm biến nhiệt.
II. Các phương pháp đo nhiệt độ:
a. Cặp nhiệt điện:
Cấu tạo: cặp nhiệt điện được cấu tạo từ 2 hai thanh kim loại khác nhau nối
chung một đầu lại với nhau. Suất điện động E trên 2 đầu ra phụ thuộc vào bản
chất vật liệu của dây dẫn a, b và phụ thuộc vào nhịêt độ t1, t2.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 8
t
1

= const thì E
T
= f(t
1
) + C
- Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo cặp nhiệt điện:
+ độ dẫn điện tốt và phải có trị số sức điện động lớn.
+ Suất điện động nhiệt điện phải lớn.
+ Độ bền hóa học và cơ học với nhiệt độ phải cao.
+ Điện dẫn lớn và hệ sô nhiệt độ của điện trở bé.
+ Tính chất nhiệt điện không thay đổi
+ Quan hệ giữa sức điện động E
T
và nhiệt độ T phải là hàm đơn trị
+ Cấu tạo và thành phần kim loại phải ổn định, đồng nhất.
Việc sử dụng cặp nhiệt độ có nhiều lợi thế: Kích thước cặp nhiệt độ nhỏ
nên có thể đo được nhiệt độ của từng điểm của đối tượng nghiên cứu. Cặp nhiệt
độ cung cấp suất điện động nên khi đo không cần có dòng điện chạy qua và do
vậy không có hiệu ứng đốt nóng.
Tuy nhiên nó cũng có một số điểm bất lợi: Phải biết trước nhiệt độ so
sánh T
ref
và do vậy sai số của T
ref
gây nên sai số. Suất điện động của cặp nhiệt
điện trong dải nhiệt độ rộng là hàm không tuyến tính của T
c
. Bảng sau đây giới
thiệu một sô loại cặp nhiệt điện thông dụng:
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 9

500
500
200
0,64
4,10
6,95
4,75
4,15
1,33
Bảng1.1 : Mét số cặp nhiệt điện.
- Độ nhạy nhiệt của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ T
C
được xác định theo biểu
thức sau:
dTc
dE
)Tc(s
B/A
=
Trong đó S là hàm của nhiệt độ và có đơn vị là µV/
O
C.
- Nguyên nhân chủ yếu gây sai số đối với cặp nhiệt điện.
Sai sè do nhiệt độ đầu tự do thay đổi. Khi khắc độ thì đầu tự do được đặt
ở nhiệt độ 0
0
C nhưng trong thực tế đầu tự do đặt trong môi trường có nhiệt độ
khác 0.
Sai sè do sù thay đổi điện trở của đường dây.
Sai sè do đặt cặp nhiệt điện không đúng vị trí cần đo, không đúng hướng

C trong khoảng 0÷100
0
C
t : Nhiệt độ.
R
0
: Điện trở chuyển đổi ở 0
0
C.
Nếu không biết giá trị của R
0
thì ta có thể dùng công thức:
R
T2
= R
T1
(τ - t
2
)/(τ + t
1
)
R
T2
, R
T1
là điện trở ứng với nhiệt độ T
2
và T
1
τ = 1/α là hằng số phụ thuộc vào từng loại vật liệu. τ = 234 đối với đồng.

0
: Điện trở ở 0
0
C
A, B, C là các hằng số.
Đặc tính của nó có dạng phi tuyến. Với nhiệt độ lớn hơn 660
0
C và nhỏ
hơn -180
0
C quan hệ R
T
= f(t) được cho dưới dạng bảng.
- nhiệt điện trở Niken.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 11
Đồ án tốt nghiệp
Niken có thể sử dụng để đo đến nhiệt độ: 300
0
C. ở nhiệt độ cao hơn thì
quan hệ R
T
= f(t) không đơn trị.
Khi t = 0
0
C ÷ 100
0
C thì hệ số α=5.10
-3
1/
0

khi đó điện trở của nhiệt điện trở thường vào khoảng 40Ω ÷ 100Ω do đó khi điện
trở đường dây thay đổi sẽ gây ra mét sai số đáng kể. Ngoài ra dòng điện chạy
qua nhiệt điện trở gây nóng cũng làm cho điện trở tăng gây sai sè.
 ứng của chuyển đổi nhiệt điện trở dùng để đo nhiệt độ, đo các đại lượng
không điện nh đo di chuyển, đo áp suất và dùng để phân tích thành phần, nồng
độ của một số hợp chất và chất khí.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 12
Đồ án tốt nghiệp
c.Các IC đo nhiệt độ
IC đo nhiệt độ là một mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành
tiná hiệu điện dưới dạng điện áp. dựa vào đặc tính rất nhạy cảm của bán dẫn với
nhiệt độ để tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối. Đo tín
hiệu điện ta biết được giá tri của nhiệt độ cần đo. Sau đây là thông số của một số
loại IC dùng để đo nhiệt độ
+ LM135/ LM335
Các thông số kỹ thuật:
Dòng cho phép 400uA ÷ 5 mA.
Điện trở động 1 Ω.
Nhiệt độ cho phép : 100
0
C.
Mức điện áp thay đổi: 10mV/
0
K
+ AD590
Đầu ra là dòng điện
độ nhạy 1A/
O
K.
Độ chính xác +4

Đồ án tốt nghiệp
Tên
gọi
Công
nghệ
ROM
trong
ROM
ngoài
RAM
trong
RAM
ngoài
Timer
Counte
r
8031 NMOS
Không
có
64
KByte
128
Byte
64
KByte
2
8051 NMOS
4
Kbyte
64

KByte
256
Byte
64
KByte
3
80C3
1
CMOS
Không
có
64
KByte
128
Byte
64
KByte
2
80C5
1
CMOS
4
Kbyte
64
KByte
128
Byte
64
KByte
2

 Ram trong
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 17
Đồ án tốt nghiệp
 Con trỏ ngăn xếp SP (Stack Pointer ) còng nh con trỏ dữ liệu để định địa
chỉ bộ nhớ ngoài.
 Bộ đếm chương trình PC (Program Counter).
 Bộ giải mã lệnh
 Bộ điều khiển thời gian và logic
 Thanh ghi đặc biệt SFR(Special Function Register).
 Thanh ghi số liệu
 Thanh ghi từ trạng thái PSW.
 Hai bộ địng thời/ bộ đếm (Timer/Counter ) với các chế độ hoạt động
khác nhau để giúp việc định thời gian hay đếm các sự kiện, định tốc độ
Baud cho cổng nối tiếp.
 Một cổng nối tiếp bao gồm: giao diện truyền tin nối tiếp SCI có khả năng
phát hay nhận một byte thông tin theo cách truyền tuần tự từng bit. Giao
diện giao tiếp nối tiếp với thiết bị ngoại vi SPI, truyền tin nối tiếp với
thiết bị ngoại vi
 Có 4 cổng vào/ra song song.
 Hệ thống điêug khiển ngắt với 5 nguồn ngắt
Bảng tóm tắt các chân và chức năng của nó
Số
chân(Pin)
Ký hiệu Chức năng
1÷8
P1.0 ÷
P1.7
Cổng vào / ra(port1)
9 Reset Lối vào reset tích cực mức cao
10÷17

II.3 Mô tả các chân
Họ vi điều khiển 8051 theo kiểu PDIP có tổng cộng 40 chân trong đó có 4
cổng vào ra song song: Cổng 0 (P0), cổng 1 (P1), cổng 2 (P2), cổng 3 (P3), các
chân cấp nguồn và các chân điều khiển các thiết bị ngoại vi khác.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 19
Đồ án tốt nghiệp
 Port 0:
Port 0 (các chân 32 ÷ 39 của 8951) là cổng có 2 công dông. Trong các
thiết kế nhỏ không dùng bộ nhớ ngoài thì nó có chức năng như các đường
vào/ra. Đối với các thiết kế lớn cần phải có bộ nhớ ngoài, cổng này trở thành bus
địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp.
 Port 1:
Port 1(các chân 1 ÷ 8 của 8951) chỉ có tác dụng xuất/nhập. Các chân được
ký hiệu P1.0, P1.1, p1.2, p1.7 có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài
nếu cần. Port 1 không có chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao
tiếp với các thiết bị ngoại vi.
 Port 2:
Port 2 (các chân 21 ÷ 28 của 8951) là cổng có 2 công dụng, chúng được
dùng như các đường xuất/nhập hoặc là byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16 bit
cho các thiết kế có bộ nhớ chương trình ngoài hoặc các thiết kế có nhiều hơn256
byte bộ nhớ dữ liệu ngoài.
 Port 3:
Port 3 (các chân 10 ÷ 17 của 8951) là cổng có 2 công dụng. Khi không hoạt
động xuất/nhập thì các chân của cổng 3 có nhiều chức năng riêng riêng biệt.
Bảng dưới đây liệt kê các chức năng của từng chân của cổng 3 :
Bit Tên Địa chỉ Chức năng chuyển đổi
P3.0 RxD B0H Chân nhận dữ liệu của cổng nối tiếp
P3.1 TxD B1H Chân phát dữ liệu của cổng nối tiếp
P3.2 INT0 B2H Ngõ vào ngắt ngoài 0
P3.3 INT1 B3H Ngõ vào ngắt ngoài 1

 Chân cho phép chốt địa chỉ ALE.
8051 sử dụng chân 30, chân xuất tín hiệu cho phép chốt địa chỉ ALE
(Address Latch Enable) để giải đa hợp bus dữ liệu và bus địa chỉ. Tín hiệu ALE
có tần số bằng 1/6 tần số của mạch dao động bên trong và có thể dùng làm xung
clock cho phần còn lại của hệ thống. Nếu mạch dao động có tần số 12MHz, tín
hiệu ALE có tần số 2 MHz. Chân ALE còn được dùng để nhận xung ngõ vào lập
trình cho EPROM trên chip 8051.
 Chân truy xuất ngoài
EA
.
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trang 25