Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

MỤC LỤC
PHẦN 1: GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT……………………………………………...1
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT
ĐỘ…………1
I.
KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT
ĐỘ…………1
II.
CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN………………………………..1
III. CÁC LOẠI ĐIỀU KHIỂN…………………………………………...2
IV. MÔ HÌNH TỔNG QUÁT VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP ĐO NHIỆT ĐỘ……………………………………………....3
CHƯƠNG II: CẢM BIẾN NHIỆT………………………………………………….7
I.
CÁC THÔNG SỐ CẢM BIẾN………………………………………7
II.
CÁC LOẠI CẢM BIẾN THÔNG DỤNG…………………………...7
CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU HỌ MICROCONTROLLER……………………….12
I.
PHẦN CỨNG……………………………………………………….12
II.
TẬP LỆNH CỦA 8051/8031……………………………………….25
III. HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ ĐỊNH THỜI ( TIMER )
………………...31
IV. HOẠT ĐỘNG CỦA PORT NỐI TIẾP ……………………………35
V.
HOẠT ĐỘNG NGẮT ( INTERRUPT) ……………………………38


GIỚI THIỆU CHUNG……………………………………………...65
GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN CHÍNH TRONG
MẠCH………..65

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BÀN PHÍM VÀ KHỐI HIỂN THỊ……………………68
I.
THIẾT KẾ MẠCH BÀN PHÍM……………………………………68
II.
THIẾT KẾ KHỐI HIỂN THỊ………………………………………69
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT VÀ
MẠCH GIAO TIẾP XUẤT…………………..71
I.
MẠCH CÔNG SUẤT………………………………………………71
II.
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘ RỘNG XUNG………………
72
III. THIẾT KẾ MẠCH GIAO TIẾP XUẤT……………………………73
CHƯƠNG IV :THIẾT KẾ MẠCH THU THẬP DỮ LIỆU……………………….75
I.
CẢM BIẾN NHIỆT………………………………………………...75
II.
CHỌN BIẾN ĐỔI ADC…………………………………………….76
CHƯƠNG V :THIẾT KẾ KHÂU HIỆU CHỈNH PID SỐ ……………………….80
I.
ĐỐI TƯNG LÒ NHIỆT ………………………………………….80
II.
THIẾT KẾ BỘ HIỆU CHỈNH PID SỐ…………………………….81
CHƯƠNG VI: GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH……………………………87
I.

1.Nguyên tắc thông tin phản hồi:
Trong các quá trình điều khiển ,tồn tại hai dòng thông tin một từ
cơ quan chủ quản đến đối tượng và một từ đối tượng đi ngược về cơ
quan điều khiển , được gọi là liên kết ngược hay hồi tiếp .
a) Quá trình điều khiển theo
n
nguyên tắc bù nhiễu:
Tác động vào đối tượng
Điều
là luật điều khiển u theo
khiển
nguyên tác bùnhiễu để đạt đầu
c
ra c mong muốn,nhưng không
u
Đối
quan sát tín hiệu ra c .
tượng
Về nguyên tắc ,đối với
hệ phức tạp thì điều khiển theo
n
mạch hở không cho kết quả tốt .
r
c
u
e
b) Điều khiển theo sai lệch:
Điều
Đối
khiển

khiển
tượng
tương
xứng:
Muốn
quá trình điều
khiển có chất lượng thì sự đa dạng của cơ quan điều khiển phải tương
xứng với sự đa dạng của đối tượng .Tính đa dạng của cơ quan điều khiển
có thể dùng để chế ngự đối tượng thể hiện ở :khả năng thu thập thông
tin , lưu trữ ,phân tích xử lý ,chọn quyết đònh ,tổ chức thực hiện.
3.Nguyên tắc bổ sung ngoài:
Một hệ thống luôn tồn tại và hoạt động trong môi trường cụ thể và
có tác động qua lại chặt chẽ với môi trường đó .Trong điều kiện thừa
nhận nguyên tắc bổ sung ngoài sau:thừa nhận có một đối tượng chưa
biết (hộp đen)tác động vào hệ thống và ta phải điều khiển cả hệ thống
lẫn hộp đen.
4.Nguyên tắc dự trư:õ
Vì nguyên tắc 3 luôn coi thông tin chưa đầy đủ phải đề phòng các
bất trắc có thể xảy ra và không được dùng toàn bộ lực lượng trong điều
kiện bình thường . Vốn dự trữ là không sử dụng ,nhưng cần để bảo đảm
cho hệ thống vận hành an toàn .
5.Nguyên tắc phân cấp:
Đối với một hệ thống phức tạp cần xây dựng nhiều lớp điều khiển
bổ sung cho trung tâm ,để khuếch đại khả năng điều khiển .Phải tránh
khuynh hướng hình thức và phân cấp quá đáng ,xử lý cho đúng nhiện vụ
và quyền hạn ở mỗi cấp
6.Nguyên tắc cân bằng nội:

 4


thích nghi:
Tín hiệu
v(t) chỉnh đònh
TC
n (t)
lại tham số
điều khiển sao
v (t)
cho hệ thích
nghi với mọi r (t)
c (t)
ĐK
ĐT
biến động của
môi
trường
u (t)
ngoài.

 5


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

5.Điều khiển tối ưu hàm mục tiêu đạt cực trò:
Ví dụ các bài toán qui hoạch ,vận trù trong kinh tế ,kỹ thuật đều là
các phương pháp điều khiển tối ưu.
IV.Mô hình tổng quát và các phương pháp đo nhiệt độ:

Mạch đối tượng 1

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

DỒN
KÊNH

ADC

TƯƠN

LƯU
TRỮ

Máy
tính
chủ

VÀ

G

ĐIỀU

BỘ

KHIỂ

TỰ
PHÂN

đây là mạng Half Duplex . Trong một thời gian sử dụng nhất đònh chỉ có

 7


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

thể nhiều nhất hai đối tượng liên lạc với nhau.Các cách thức giao tiếp là
một vi xử lý chủ và các vi xử lý tớ ,các vi xử lý tớ không thể liên lạc với
nhau mà chỉ có thể liên lạc thông qua vi xử lý chủ.
2.4. Chương trình điều khiển:
Thực hiện việc giao tiếp giữa các vi xử lý và kit chủ ,giữa kit chủ
và máy tính ,đặt trò.
3.Các phần tử trong thiết bò đo và phương pháp đo nhiệt độ:
3.1.Các phần tử trong thiết bò đo:
• CẢM BIẾN
Phần tử biến đổi các đại lượng không điện sang đại lượng điện,bộ
phận này thường dùng thermocouple.
• BỘ CHẾ BIẾN TÍN HIỆU
Biến đổi tín hiệu điện thu được từ thermocouple cho phù hợp với
mức vào mạch biến đổi tín hiệu A/D.
• BỘ HIỂN THỊ KẾT QUẢ
Hiển thò kết quả thu được dưới dạng hiển thò số.
• BỘ ĐIỀU KHIỂN
Thực hiện điều khiểntheo phương pháp PID hay ON/OFF.
• MẠCH KHUYẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT
Khuếch đại tín hiệu điều khiển để điều chỉnh nhiệt độ.
3.2.Các phương pháp đo:

Vò trí của cảm ứng nhiệt ảnh hưởng rất lớn đến việc đo đạc và
điều khiển nhiệt độ của vật thể .Cảm ứng nhiệt càng xa nguồn nhiệt thì
càng vọt lố cao do đó tùy theo yêu cầu cụ thể mà ta lắp đặt vò trí thích
hợp
b) Quan hệ giữa các thang đo nhiệt độ:
ToC =T(oK)-273.15
ToC ={T(oF)-32}×5/9
+
+
+
+

Chương II:

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Cảm biến nhiệt độ là dụng cụ chuyển đổi đại lượng nhiệt thành
các đại lượng vật lý khác chẳng hạn như điện, áp suất, độ giãn nở dài,
độ giãn nở khối, điện trở, … Cảm biến nhiệt độ là phần tử không thể
thiếu trong bất kỳ hệ thống đô lường điều khiển nhiệt độ nào. Cảm biến
nhiệt độ có khả năng nhận biết được tín hiệu nhiệt độ một cách chính
xác, trung thực và chuyển đổi thành tín hiệu có thể đo lường được như
điện áp, dòng điện, điện trở, thể tích áp suất…
I.CÁC THÔNG SỐ CẢM BIẾN:
1.Thông số cấu tạo: được quyết đònh do nhà sản xuất và phụ thuộc vào
từng loại cảm biến.
2.Thông số sử dụng: bao gồm các yếu tố sau:
♦ Khoảng làm việc : là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả năng
khi chưa bò bảo hòa . Khoảng làm việc cao hay thấp là do tính
chất cấu tạo và tính lý hóa của từng loại cảm biến qui đònh.

dẫn thì tại vò trí mối nối sẽ có sự hấp thụ hay tỏa nhiệt
• Hiệu ứng Seebeck: trong một dây dẫn bất kỳ , khi có sự chênh lệch
nhiệt độ tại một điểm thì ngay tại điểm đó sẽ xuất hiện một suất điện
động
• Đònh luật Macmut: trong một mạch điện kín của dây dẫn đồng nhất
bất kỳ sự phân bố nhiệt độ ra sao, suất điện động tổng cộng của
mạch luôn bằng không.
• Nguyên tắc:
Nguyên tắc cấu tạo của cặp nhiệt điện dựa theo cơ sở thực
nghiệm sau:
Khi nung nóng một dây kim loại hay một đoạn dây ,tại đó tập trung điện
tử tự do và có khuynh hướng khuếch tán từ nơi tập trung nhiều đến nơi
tập trung ít . Có nghóa là đầu nóng (+)sang đầu nguội(-) (hiệu ứng
seebeck). Ở đoạn dây xuất hiện một suất điện động Thomson phụ thuộc
vào bản chất của dây kim loại.

 10


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

Rỏ ràng ở đây nếu ta dùng hai dây kim loại đồng chất a ,nối với
nhau qua hai điểm T1 và T2 trong mạch sẽ xuất hiện hai suất điện động
bằng nhau nhưng ngược chiều nhau nên tổng suất điện động bằng
không.
Nhưng nếu mạch kín trên được cấu tạo bởi hai dây kim loại khác
nhau a và b thì tổng suất điện động xuất hiện trong mạch này bằng suất
điện động Thomson phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối T1,T2 ở hai đầu

suất điện động E0 là hàm phi tuyến đối với nhiệt độ .Nói cách khác độ
nhạy của cặp nhiệt thay đổi trong từng khoảng đo.Hoặc về mặt toán học
hàm Eo được xem là tuyến tính với nhiệt độ khi B,C≤ A.

 11


T1

b

a

b

T2

Eab(T1,T2)
Luận Văn Tốt Nghiệ
p

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

BỘ HIỂN THỊ

Tóm lại: suất điện động được xem là tuyến tính với nhiệt độ trong
khoảng làm việc nào đó tùy theo cấu tạo của từng loại kim loại để làm
cặp nhiệt.
• Cấu tạo :
Cặp nhiệt điện được chế tạo bằng hai sợi kim loại khác nhau ,và

10

T
K
J
E

R
T

S
B

200 600 1000 1400 1800

T (0C)

• Vật liệu cấu tạo
Về nguyên tắc ,khi đốt nóng mối hàn của hai kim loại bất kỳ đều
phát sinh một suất điện động nhiệt .Nhưng không phải tất cả các kim
loại và hợp kim nào cũng đều dùng làm cặp nhiệt được.Vật liệu làm cặp
nhiệt điện đòi hỏi một số yêu cầu sau:
+ độ tinh khiết cao
+ tính chống ăn mòn tốt
+ độ nóng chảy cao hơn nhiệt môi trường cần đo

 12


Luận Văn Tốt Nghiệp

Độ nhạy S của nhiệt điện trở kim loại có dạng sau:
∆R
S=
= αRo
∆Tỷ suất
α : là hệ số nhiệt điện trở.
Ro: là điện trở ở 0oC.
• Hệ số nhiệt điện trở:
Hệ số nhiệt điện trở của kim loại sẽ tính như sau:
+
+

 13


Luận Văn Tốt Nghiệp

α ≈

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

1dR

RdT
Hệ số nhiệt α phụ thuộc vào tính đồng nhất của kim loại .
2.2.Nhiệt điện trở bán dẫn:
Thay đổi nhiệt độ được chế tạo bằng chất bán dẫn thường gọi là
Thermistor
Thành phần chính của thermistor là bột của các oxyt kim loại như
Máy nghiền bi,Fe,Ni…,hoặc các hổn hợp tinh chế như MgAl 2O4 ,Zn2TiO4



Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

Một số loại IC cảm biến thông dụng:LX5700, LX135, LM235,
LM335, AD590, LM134,…

Chương III:

GIỚI THIỆU HỌ MICROCONTROLLER

I.PHẦN CỨNG:
1. Sơ đồ khối:
Microcontroller 8051/8031 là một IC thuộc họ vi điều khiển
MCS_51 do hãng Intel phát minh và chế tạo.Các IC tiêu biểu cho họ
MC_51 là 8051 và 8031.

 15


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

INT1
INT0
Timer 1
Timer 0

tiếp

ALE

RST

PSE
TX RX
N
P0 P2 P1 P3
D D
Sơ đồ khối 8051

Chúng có các đặc điểm chung sau:
+ 4K byte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất ,chỉ có ở 8051).
+ 128 byte Ram.
+ 4 port I/O 8 bit.
+ 2 bộ đònh thì 16 bit .
+ Giao tiếp nối tiếp.
+ 64K không gian bộ nhớ chương trình mở rộng.
+ 64K không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng.

 16

T1
T0


Luận Văn Tốt Nghiệp



/RD
/WR
T1
T0
/INT1
/INT0
TXD
RXD

9

RST

17
16

P3.7
P3.6
P3.5
P3.4
P3.3
P3.2
P3.1
P3.0

15

14
13

3
P1.2
P1.1 2
P1.0 1
P2.7
P2.6
P2.5
P2.4
P2.3
P2.2
P21
P2.0

28
27
26
25
24
23

22
21

20

 17


Luận Văn Tốt Nghiệp


/INT1
T0
T1
/WR

P3.7

/RD

Chức năng chuyển đổi
Dữ liệu nhận cho Port nối tiếp
Dữ liệu phát cho Port nối tiếp
Ngắt ngoài 0
Ngắt ngoài 1
Ngõ vào của Timer/Counter 0
Ngõ vào của Timer/Counter 1
Xung ghi bộ nhớ dữ liệu
ngoài.
Xung đọc bộ nhớ dữ liệu
ngoài.

 18


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

2.5.PSEN (Prorgam Store Enable):
8051/8031 có 4 tín hiệu điều khiển .

40 và Vss (GND) được nối vào chân 20.
3.Tổ chức bộ nhớ:

 19


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

8051/8031 có bộ nhớ theo cấu trúc Harvard : có vùng nhớ riêng
biệt cho chương trình và dữ liệu ,cả chương trình và dữ liệu có thể ở bên
trong 8051 .Dù vậy chúng có thể được mở rộng bằng các thành phần
ngoài lên đến tối đa 64K byte bộ nhớ chương trình và 64K byte bộ nhớ
dữ liệu.
Bộ nhớ bên trong bao gồm ROM (8051) và RAM trên chip , RAM
trên chip bao gồm nhiều phần : phần lưu trữ đa dụng , phần lưu trữ đòa
chỉ hóa từng bit, các bank thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt.
Hai đặc tính cần lưu ý là :

• Các thanh ghi và các Port xuất nhập đã được xếp trong bộ nhớ và có
thể được truy xuất trực tiếp giống như các đòa chỉ bộ nhớ khác.
• Ngăn xếp bên trong RAM nội nhỏ hơn so với Ram ngoài như trong
các bộ vi xử lý khác.
ĐỊA CHỈ
BYTE

ĐỊA CHỈ
BYTE


77
6F
67
5F
57
4F
47
3F
37
2F
27
1F
17
0F

7E
76
6E
66
5E
56
4E
46
3E
36
2E
26
1E
16
0E

14
0C

7B
73
6B
63
5B
53
4B
43
3B
33
2B
23
1B
13
0B

7A
72
6A
62
5A
52
4A
42
3A
32
2A

30
28
20
18
10
08

ĐỊA CHỈ BIT

FF
F0 F7 F6

-

-

- BC BB BA B9 B8 IP

B0 B7 B6
A8 AF

B

-

A0 A7 A6

B5 B4 B3 B2 B1 B0 P3
- AC AB AA A9 A8 IE
A5 A4 A3 A2 A1 A0 P2

TH1
TH0
TL1


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

20 07 06 05 04 03 02 01 00

8A

1F
18
17
10
0F
08
07
00

89
88
87

Không được đòa chỉ hóa bit
8F 8E 8D 8C 8B 8A 89 88
Không được dòa chỉ hóa bit


MOV A, #5FH
Lệnh này di chuyển một búyt dữ liệu dùng cách đánh đòa chỉ trực
tiếp để xác đònh “đòa chỉ nguồn” (5FH). Đích nhận dữ liệu được ngầm
xác đònh trong mã lệnh là thanh ghi tích lũy A.
RAM bên trong cũng có thể được truy xuất dùng cách đánh đòa chỉ
gián tiếp qua RO hay R1. Ví dụ, sau khi thi hành cùng nhiệm vụ như
lệnh đơn ở trên:
MOV R0, #5FH
MOV A, @R0
Lệnh đầu dùng đòa chỉ tức thời để di chuyển giá trò 5FH vào thanh
ghi R0 và lệnh thứ hai dùng đòa gián tiếp để di chuyển dữ liệu “được trỏ
bởi R0” vào thanh ghi tích lũy.
3.2.RAM đòa chỉ hóa từng bit :
8051 / 8031 chứa 210 bit được đòa chỉ hóa, trong đó 128 bit là ở
các đòa chỉ byte 20H đến 2FH, và phần còn lại trong các thanh ghi chức
năng đặc biệt.

 21

TL0
TMOD
TCON
PCON
DPH
DPL
SP
P0


Luận Văn Tốt Nghiệp

rằng bank thanh ghi 3 được tích cực, lệnh sau sẽ ghi nội dung của thanh
ghi tích lũy vào đòa chỉ 18H:
MOV R0,A
Ýù tưởng dùng “các bank thanh ghi” cho phép “chuyển hướng”
chương trình nhanh và hiệu qủa (từng phần riêng rẽ của phần mềm sẽ có
một bộ thanh ghi riêng không phụ thuộc vào các phần khác).
3.4. Các thanh ghi chức năng đặc biệt:

 22


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

Các thanh ghi trong 8051/8031 được đònh dạng như một phần của
RAM trên chip. Vì vậy mỗi thanh ghi sẽ có một đòa 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 Register) ở vùng
trên của RAM nội, từ đòa chỉ 80H đến FFH. Chú ý rằng hầu hết 128 đòa
chỉ từ 80H đến FFH không được đònh nghóa. Chỉ có 21 đòa chỉ SFR là
được đònh nghóa.
Ngoại trừ tích lũy (A) có thể được truy xuất ngầm như đã nói, đa
số các SFR được truy xuất dùng đòa chỉ trực tiếp. chú ý rằng một vài
SFR có thể được đòa 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


D7H
D6H
D5H
D4H
D3H

Ý nghóa
Cờ nhớ
Cờ nhớ phụ
Cờ 0
Bit 1 chọn bank thanh ghi
Bit chọn bank thanh ghi.
00=bank 0; đòa chỉ 00H-07H
01=bank 1: đòa chỉ 08H-0FH
10=bank 2:đòa chỉ 10H-17H
11=bank 3:đòa chỉ 18H-1FH
Cờ tràn
Dự trữ

 23


Luận Văn Tốt Nghiệp

PSW.0

P

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

b)Thanh ghi B:

 24


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Ngọc Khai

Thanh ghi B ở đòa chỉ F0H được dùng cùng với thanh ghi tích lũy
A cho các phép toán nhân và chia. Lệnh MUL AB sẽ nhân các giá trò
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 đòa chỉ hóa ttừng bit bằng các đòa
chỉ bit FOH đến F7H.
• Con trỏ ngăn xếp:(SP)
Thanh ghi SP là thanh ghi 8 bit đònh vò tại đòa chỉ 81H .Nó chứa đòa chỉ
của đata hiện tại ở đỉnh stack .Các phép toán liên quan đến stack boa
gồm việc đưa dữ liệu vào stack(PUSH) và lấy ( POP) đata ra khỏi
stack .Việc đưa data vào stack làm tăng SP trước khi ghi data vào
stack ,và việc lấy data ra khỏi stack sẽ làm giảm nội dung SP
• trỏ dữ liệu:
Con trỏ dữ liệu (DPTR) được dùng để truy xuất bộ nhớ ngoài là
một thanh ghi 16 bit ở đòa chỉ 82H(DPL: byte thấp) và 83H (DPH:byte
cao). Ba lệnh sau sẽ ghi 55H vào RAM ngoài ở đòa chỉ 1000H:
MOV A,#55H
MOV DPTR,#1000H
MOVX @DPTR,A
Lệnh đầu tiên dùng đòa chỉ tức thời để tải dữ liệu 55H vào thanh