Mạch khống chế nhiệt độ Trang 1

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI
:
MẠCH KHỐNG CHẾ NHIỆT ĐỘ

Mạch khống chế nhiệt độ Trang 2
LỜI NÓI ĐẦU Trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp hiện nay, nhất là ngành công nghiệp luyện
kim, chề biến thực phẫm… vấn đề đo và khống chế nhiệt độ đặc biệt được chú trọng đến vì nó
là một yếu tố quyết định chất lượng sản phẫm. Nắm được tầm quan trọng của vấn đề trên
nhóm thực hiện tiến hành nghiên cứu và thiết kế
một hệ thống đo và khống chế nhiệt độ tự
động, với mong muốn là giải quyết những yêu cầu trên, và lấy đó làm đề tài tốt nghiệp cho
mình.

Những kiến thức năng lực đạt được trong quá trình học tập ở trường sẽ được đánh giá
qua đợt bảo vệ luận văn cuối khóa. Vì vậy chúng em cố gắng tận dụng tất cả nh
ững kiến thức

vi điều khiển được phát triển từ bộ vi xử lí, từ những năm 70 do sự phát triển và hồn thiện về
công nghệ vi điện tử dựa trên kỹ thuật MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) , mức độ tích hợp
của các linh kiện bán dẫn trong một chip ngày càng cao.
Năm 1971 xuất hiện bộ vi xử
lí 4 bit loại TMS1000 do công ty texas Instruments vừa là
nơi phát minh vừa là nhà sản xuất. Nhìn tổng thể thì bộ vi xử lí chỉ có chứa trên một chip
những chức năng cần thiết để xử lí chương trình theo một trình tự, còn tất cả bộ phận phụ trợ
khác cần thiết như : bộ nhớ dữ liệu , bộ nhớ chương trình , bộ chuển đổi AID, khối điều
khiển, khối hiển th
ị, điều khiển máy in, hối đồng hồ và lịch là những linh kiện nằm ở bên ngồi
được nối vào bộ vi xử lí.
Mãi đến năm 1976 công ty INTEL (Interlligen-Elictronics). Mới cho ra đời bộ vi điều
khiển đơn chip đầu tiên trên thế giới với tên gọi 8048. Bên cạnh bộ xử lí trung tâm 8048 còn
chứa bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình, bộ đếm và phát thời gian các cổng vào và ra
Digital trên một chip.
Các công ty khác cũng l
ần lược cho ra đời các bộ vi điều khiển 8bit tương tự như 8048
và hình thành họ vi điều khiển MCS-48 (Microcontroller-sustem-48). Mạch khống chế nhiệt độ Trang 3
Đến năm 1980 công ty INTEL cho ra đời thế hệ thứ hai của bộ vi điều khiển đơn chip
với tên gọi 8051. Và sau đó hàng loạt các vi điều khiển cùng loại với 8051 ra đời và hình
thành họ vi điều khiển MCS-51 .
Đến nay họ vi điều khiển 8 bit MCS51 đã có đến 250 thành viên và hầu hết các công ty
hàng dẫn hàng đầu thế giới chế tạo. Đứng đầu là công ty INTEL và rất nhiều công ty khác
như : AMD, SIEMENS, PHILIPS, DALLAS, OKI …
Ngồi ra còn có các công ty khác cũng có nh
ững họ vi điều khiển riêng như:
Họ 68HCOS của công ty Motorola

2
*
P
0
P
1
P
2
P
3INT\
*
1

INT\
*
0TIMER2
TIMER1
PORT nốitiềp

EA\ RST PSEN ALECác thanh ghi
khác

ếp xung từ bộ giao động, ngồi ra còn có khả năng
đưa một tín hiệu giữ nhịp từ bên ngồi.
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 ngồi , sự tràn bộ đếm định thời hoặc cũng có thể
là giao diện nối tiếp.
Hai bộ định thờ
i 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 ngồi,
hoặc để đầu nối giao diện nối tiếp, cũng như các đường ngắt dẫn bên ngồi.
Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và mộ
t 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 liệ
u 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. Mạch khống chế nhiệt độ Trang 5
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

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

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

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 đượ
c 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 s
ố thạch
anh thông thường là 12MHz.
j.Các chân nguồn :
8051 vận hành với nguồn đơn +5V. V
cc
được nối vào chân 40 và V
ss
(GND) được nối
vào chân 20.
3.Các thanh ghi chức năng đặc biệt:

PSW.2
PSW.1
PSW.0
CY
AC
F0
RS1
RS0

OV

P
D7H
D6H
D5H
D4H
D3H

D2H
D1H
D0H

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 lệ
nh 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 nh
ỏ hơn –128 sẽ set bit OV. Mạch khống chế nhiệt độ Trang 8
b. 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 ng
ăn 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 x

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 ti
ếp 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. Mạch khống chế nhiệt độ Trang 9
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:
Bit Ký hiệu Ý nghĩa
suất, chỉ thố khi reset
Mode chờ
, set để kích hoạt mode chờ, chỉ thốt khi có ngắt
hoặc reset hệ thống.
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. 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
Mạch khống chế nhiệt độ Trang 10
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 đế
n 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 hiệ
n 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:
SFR MỤC ĐÍCH ĐỊA CHỈ Địa chỉ hóa từng bit
TCON
TMOD
TL0
TL1
TH0

00: chế độ 0 : timer 13 bit
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 : 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.

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/xóabằng phần mềm cho timer
chạy/ngưng.
TCON.5 TF0 8DH Cờ báo tràn timer 0
TCON.4 TR0 8CH Bit điều khiển timer 0 chạy
TCON.3 IE1 8BH Cờ cạnh ngắt 1 bên ngồi, đặc bởi Mạch khống chế nhiệt độ Trang 11
TCON.2 IT1 8AH Cờ kiểu ngắt một bên ngồi.phần cứng khi phát hiện một cạnh
xuống ở INT1, xóa bằng phần mềm hoặc phần cứng khi CPU

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.

Xung nhịp
timer

Nạp lại
Cờ báo tràn • 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 s
ử 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 I/12 Fosc

TLx THx
(5 bit) (8 bit)


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 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 đổ
i 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.
Xung nhịp
Timer

TMOD là thanh ghi thứ nhất được khởi động vì nó đặt chế độ hoạt động. Ví dụ các
lệnh sau khi kh
ởi 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 c
ũng 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 s
ố 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)
Khoảng thời gian tối đa Kỹ thuật
≈10 - Bằng phần mềm
256 - Timer 8 bit với tự động nạp lại

(chỉ đọc)