Đồ án Điều khiển nhiệt độ lò điện

Trường ĐH Công Nghiệp TP. HCM Đồ án 1: Điều khiển nhiệt độ lò điện GVHD: Đào Thị Thu Thủy Trang 1 Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, trong cuộc sống hằng ngày việc đo và đặt nhiệt độ theo mong muốn trong một không gian giới hạn nào đó như: trong nhà máy, xí nghiệp, trong bệnh viện, trong công ty, nhà ở,…là rất cần thiết theo nhu cầu của con người. Điều đó chứng tỏ con người ngày càng muốn giao tiếp nhiều hơn với môi trường. Vì vậy, với những kiến thức đã học của ngành điện tử em xin chọn đề tài: “Điều khiển nhiệt độ lò điện”. Với mục đích giữ nhiệt độ lò theo ý muốn. Bên cạnh đó tìm hiểu về kỹ thuật tương tự, kỹ thuật số và vi xử lý. Do kiến thức còn hạn hẹp nên trong quá trình thực hiên đề tài không thể tránh những sai sót rất mong quý thầy cô bỏ qua và có hướng giúp đỡ để em có hướng đi cao hơn sau này trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Em xin chân thành cám ơn: 9 Cô Đào Thị Thu Thủy đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. 9 Quý Thầy Cô trong Khoa Công Nghệ Điện Tử đã giúp cho em có nhiều kiến thức để thực hiện đề tài. Trường ĐH Công Nghiệp TP. HCM Đồ án 1: Điều khiển nhiệt độ lò điện GVHD: Đào Thị Thu Thủy Trang 2 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... Chữ ký của giáo viên Trường ĐH Công Nghiệp TP. HCM Đồ án 1: Điều khiển nhiệt độ lò điện GVHD: Đào Thị Thu Thủy Trang 3 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... Chữ ký của giáo viên Trường ĐH Công Nghiệp TP. HCM Đồ án 1: Điều khiển nhiệt độ lò điện GVHD: Đào Thị Thu Thủy Trang 4 MỤC LỤC Nội dung Trang LỜI NÓI ĐẦU ---------------------------------------------------------------------------- 1 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ----------------------------------- 2 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ------------------------------------- 3 MỤC LỤC -------------------------------------------------------------------------------- 4 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT ----------------------------------------------------------- 6 1. IC cảm biến nhiệt độ ---------------------------------------------------------------- 6 1.1. LM335, LM334 --------------------------------------------------------------- 6 1.2. Đặc tính của một số IC cảm biến nhiệt thông dụng ---------------------- 7 2. Bộ biến đổi ADC ---------------------------------------------------------------------- 7 2.1. Sơ đồ chân ADC0804 ----------------- --------------------------------------- 8 2.2. Chức năng các chân ADC0804 --------------------------------------------- 8 3. Tìm hiểu về P89V51RB2 ----------------------------------------------------------- 11 3.1. Sơ đồ khối P89V51RB2 ------------------------------------------------------ 11 3.2. Sơ đồ chân và chức năng các chân P89V51RB2 -------------------------- 12 3.2.1. Các Port --------------------------------------- -------------------------- 12 3.2.2. Các chân tín hiệu điều khiển ---------------- -------------------------- 14 3.3. Tổ chức bộ nhớ ---------------------------------------------------------------- 15 3.3.1. Bộ nhớ trong ------------------------------------------------------------- 15 3.3.1.1. Bộ nhớ ROM ------------------------------------------------------ 16 3.3.1.2. Bộ nhớ RAM ----------------------------------------------------- 16 3.3.1.3. Các thang ghi chức năng đặc biệt ------------------------------ 17 3.3.2. Bộ nhớ ngoài ------------------------------------------------------------- 20 3.4. Hoạt động Reset --------------------------------------------------------------- 22 3.5. Các tập lệnh -------------------------------------------------------------------- 23 3.6. Hoạt động của các port nối tiếp --------------------------------------------- 25 3.6.1. Thanh ghi đệm port nối tiếp (SBUF) --------------------------------- 25 3.6.2. Thanh ghi điều khiển Port nối tiếp SCON -------------------------- 25 3.6.3. Khởi động và truy xuất các thanh ghi Port nối tiếp ---------------- 27 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ----------------------------------------- 29 1. Tìm hiểu về đề tài -------------------------------------------------------------------- 29 Trường ĐH Công Nghiệp TP. HCM Đồ án 1: Điều khiển nhiệt độ lò điện GVHD: Đào Thị Thu Thủy Trang 5 1.1. Nhiệm vụ đặt ra ---------------------------------------------------------------- 29 1.2. Hướng giải quyết ------------------------------------------------------------- 29 2. Thiết kế phần cứng và nguyên lý hoạt động của các khối - ------------------ 29 2.1. Khối cảm biến nhiệt và khối ADC ------------------------------------------ 29 2.2. Khối xử lý và nút nhấn ------------------------------------------------------- 31 2.3. Khối điều khiển quạt, đèn --------------------------------------------------- 32 2.4. Khối hiển thị ------------------------------------------------------------------- 33 2.5. Khối nguồn --------------------------------------------------------------------- 33 2.6. Sơ đồ nguyên lý điều khiển nhiệt độ lò điện ------------------------------ 34 2.7. Sơ đồ mạch in điều khiển nhiệt độ lò điện -------------------------------- 34 3. Phần mềm và giải thuật ------------------------------------------------------------- 35 3.1. Phần mềm ---------------------------------------------------------------------- 35 3.2. Lưu đồ giải thuật - ------------------------------------------------------------- 35 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ – KẾT LUẬN ------------------------------------------- 37 1. Kết quả thực hiện -------------------------------------------------------------------- 37 2. Khuyết điểm -------------------------------------------------------------------------- 37 3. Hướng khắc phục và phát triển --------------------------------------------------- 37 PHỤC LỤC ------------------------------------------------------------------------------- 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO ------------------------------------------------------------- 46 Trường ĐH Công Nghiệp TP. HCM Đồ án 1: Điều khiển nhiệt độ lò điện GVHD: Đào Thị Thu Thủy Trang 6 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT 1. IC cảm biến nhiệt độ: Là loại cảm biến dùng để chuyển tín hiệu vật lý thành tín hiệu điện dưới dạng điện áp hay dòng điện. 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. Sự tác động của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn. Bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt electron thành dạng tự do di chuyển qua vùng cấu trúc mạng tinh thể tạo xuất hiện các lỗ trống. Làm cho tỷ lệ điện tử tự do và lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt độ. 1.1. LM335, LM334: LM335 là một cảm biến thông dụng. Nó hoạt động như một Diode Zener có điện áp đánh thủng tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối với độ gia tăng 10mV/0K. LM335 hoạt động trong phạm vi dòng từ 0,4mA ÷ 5mA mà không thay đổi đặc tính, điều đặc biệt là LM335 có điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với sự thay đổi nhiệt độ đầu vào. Hình 1.1: LM335 - Ngõ ra là điện áp. - Sai số cực đại 1,50C khi nhiệt độ lớn hơn 1000C. - Khoảng nhiệt độ hoạt động: 0 065 150C C− → . - Đáp ứng của LM335: Hình 1.2: Đáp tuyến vào, ra Trường ĐH Công Nghiệp TP. HCM Đồ án 1: Điều khiển nhiệt độ lò điện GVHD: Đào Thị Thu Thủy Trang 7 1.2. Đặc tính của một số IC cảm biến nhiệt thông dụng: ™ AD590: - Ngõ ra là dòng điện. - Độ nhạy: 1A/0K. - Độ chính xác: +40C. - Nguồn cung cấp VCC: 4 30V V→ . - Khoảng nhiệt độ: -550C → 1500C. ™ LX5700: - Ngõ ra là điện áp. - Độ nhạy: 10mV/0K. - Khoảng nhiệt hoạt động: -550C →1500C. ™ Các bộ cảm biến nhiệt họ LM34 và LM35: Loạt các bộ cảm biến LM34 là các bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ Fahrenheit. Họ LM34 không yêu cầu cân chỉnh bên ngoài vì vốn nó đã được cân chỉnh rồi. Nó đưa ra điện áp 10mV cho sự thay đổi nhiệt độ 10F. Loạt các bộ cảm biến LM35 cũng là các bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Chúng cũng không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh. Chúng đưa ra điện áp 10mV cho mỗi sự thay đổi 10C. 2. Bộ biến đổi ADC (Analog to Digital Converter): Các bộ chuyển đổi ADC thuộc trong những thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất để thu dữ liệu. Các máy tính số sử dụng các giá trị nhị phân, nhưng trong thế giới vật lý thì mọi đại lượng ở dạng tương tự (liên tục). Nhiệt độ, áp suất (khí hoặc chất lỏng), độ ẩm và vận tốc và một số ít trong những đại lượng vật lý của thế giới thực mà ta gặp hàng ngày. Một đại lượng vật lý được chuyển về dòng điện hoặc điện áp qua một thiết bị được gọi là các bộ biến đổi. Các bộ biến đổi cũng có thể coi như là các bộ cảm biến. Mặc dù chỉ có các bộ cảm biến nhiệt, tốc độ, áp suất, ánh sáng và nhiều đại lượng tự nhiên khác nhưng chúng đều cho ra các tín hiệu dạng dòng điện hoặc điện áp ở dạng liên tục. Do vậy, ta cần một bộ chuyển đổi tương tự số sao cho bộ vi điều khiển có thể đọc được chúng. Có hai loại được sử dụng rộng rãi nhất là ADC0809 và ADC0804. 2.1. Sơ đồ chân ADC0804: Trường ĐH Công Nghiệp TP. HCM Đồ án 1: Điều khiển nhiệt độ lò điện GVHD: Đào Thị Thu Thủy Trang 8 Chíp ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số trong họ các loạt ADC800 từ hãng National Semiconductor. Nó cũng được nhiều hãng khác sản xuất, nó làm việc với +5V và có độ phân giải 8 bit. Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng là một yếu tố quan trọng khác khi đánh giá một bộ ADC. Thời gian chuyển đổi được định nghĩa như là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân. Trong ADC0804 thời gian chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tới chân CLK R và CLK IN nhưng không thể nhanh hơn 110 sμ . Các chân của ADC0804 được mô tả như sau: Hình 1.3: Sơ đồ chân ADC0804 2.2. Chức năng các chân ADC0804: ™ Chân CS (chân số 1) – chọn chíp: Là một đầu vào tích cực mức thấp được sử dụng để kích hoạt chíp ADC0804. Để truy cập ADC0804 thì chân này phải ở mức thấp. ™ Chân RD (chân số 2): Đây là một tín hiệu đầu vào được tích cực mức thấp. Các bộ ADC chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân tương đương với nó và giữ nó trong một thanh ghi trong. RD được sử dụng để nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra của ADC0804. Khi 0CS = nếu một xung cao – xuống – thấp được áp đến chân RD thì đầu ra số 8 bit được hiển diện ở các chân dữ liệu D0 – D7. Chân RD cũng được coi như cho phép đầu ra. ™ Chân ghi WR (chân số 3. Thực ra tên chính xác là “Bắt đầu chuyển đổi”): Đây là chân đầu vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi. Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao – xuống – thấp thì bộ ADC0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phấn 8 bit. Lượng Trường ĐH Công Nghiệp TP. HCM Đồ án 1: Điều khiển nhiệt độ lò điện GVHD: Đào Thị Thu Thủy Trang 9 thời gian cần thiết để chuyển đổi thay đổi phụ thuộc vào tần số đưa đến chân CLK IN và CLK R. Khi việc chuyển đổi dữ liệu được hoàn tất thì chân INTR được ép xuống thấp bởi ADC0804. ™ Chân CLK IN (chân số 4) và CLK R (chân số 19): Chân CLK IN là một chân đầu vào được nối tới một nguồn đồng hồ ngoài khi đồng hồ ngoài được sử dụng để tạo ra thời gian. Tuy nhiên ADC0804 cũng có một máy tạo xung đồng hồ. Để sử dụng máy tạo xung đồng hồ trong của ADC0804 thì các chân CLK IN và CLK R được nối tới một tụ điện và một điện trở (hình 1.4). Trong trường hợp này tần số đồng hồ được xác định bằng biểu thức: 1 1,1 f RC = Hình 1.4: Kiểm tra ADC0804 ở chế độ chạy tự do Giá trị tiêu biểu của các đại lượng trên là R = 10k Ω và C = 150pF và tần số nhận được là f = 606kHz và thời gian chuyển đổi sẽ mất là 110 sμ . ™ Chân ngắt INTR (chân số 5): Đây là chân đầu ra tích cực mức thấp. Bình thường nó ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi hoàn tất thì nó xuống thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu được chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi. Sau khi INTR xuống thấp, ta đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống – thấp tới chân RD lấy dữ liệu ra của ADC0804. ™ Chân Vin (+) và Vin (-): Trường ĐH Công Nghiệp TP. HCM Đồ án 1: Điều khiển nhiệt độ lò điện GVHD: Đào Thị Thu Thủy Trang 10 Đây là các đầu vào tương tự vi sai mà Vin = Vin(+) – Vin(-). Thông thường Vin(-) được nối xuống đất và Vin (+) được dùng như đầu vào tương tự chuyển đổi về dạng số. ™ Chân VCC (chân số 20): Đây là chân nguồn