Thiết kế mạch đo điện áp dùng 8051 hiển thị trên led 7 thanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÁO CÁO ĐỒ ÁN І Đề tài: THIẾT KẾ MẠCH ĐO ĐIỆN ÁP DÙNG 8051 HIỂN THỊ TRÊN LED 7 THANH Nhóm thực hiện: Nhóm 03 BÙI QUANG THIỆN - 20112279 HOÀNG TUẤN ANH - 20111110 Giảng viên hướng dẫn: ThS. NGUYỄN THỊ HUẾ Hà Nội, 6-2014 thienquang07@gmai.com 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 2 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN .............................................................................. 3 1.1. Giới thiệu chung về vi điều khiển 8051: ..................................................................... 3 1.2. Giới thiệu về dòng ADC 080x: ................................................................................... 4 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ........................................................................................................... 5 2.1. Yêu cầu thiết kế: .......................................................................................................... 5 2.2. Sơ đồ khối thiết kế: ..................................................................................................... 5 2.3. Khối và lựa chọn linh kiện: ......................................................................................... 5 2.3.1. Khối chuyển đổi tín hiệu: ..................................................................................... 5 2.3.2. Khối xử lý tín hiệu: .............................................................................................. 7 2.3.3. Khối hiển thị: ....................................................................................................... 8 2.3.4. Khối nguồn: ......................................................................................................... 9 CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI THỰC HIỆN .............................................................................. 10 3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch: .............................................................................................. 10 3.2. Lập trình cho vi điều khiển: ...................................................................................... 10 3.3. Giả lập trên Proteus: .................................................................................................. 13 3.4. Thiết kế mạch in bằng Altium Designer: .................................................................. 13 3.5. Thiết kế in mạch thật: ................................................................................................ 14 CHƯƠNG 4: KIỂM TRA VÀ HIỆU CHỈNH ......................................................................... 16 4.1. Chạy thử mạch: ......................................................................................................... 16 4.2. Test mạch: ................................................................................................................. 16 4.3. Hiệu chỉnh sai số: ...................................................................................................... 17 CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ, MỞ RỘNG ................................................................................... 20 5.1. Đánh giá sản phẩm: ................................................................................................... 20 5.1.1. Ưu điểm: ............................................................................................................ 20 5.1.2. Nhược điểm: ...................................................................................................... 20 5.2. Mở rộng đề tài: .......................................................................................................... 20 THAM KHẢO ......................................................................................................................... 21 thienquang07@gmai.com 2 MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành Kỹ thuật Điện tử, đời sống xã hội ngày càng phát triển hơn dựa trên những ứng dụng của khoa học vào đời sống. Vì vậy mà những công nghệ điện tử mang tính tự động ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Trong đó có sự đóng góp không nhỏ của kỹ thuật vi điều khiển. Các bộ vi điều khiển đang đựơc ứng dụng rộng rãi và thâm nhập ngày càng nhiều trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội. Hầu hết là các thiết bị được điều khiển tự động từ các thiết bị văn phòng cho đến các thiết bị trong gia đình đều dùng các bộ vi điều khiển nhằm đem lại sự tiện ghi cho con người trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa. Điện áp là một đại lượng rất quan trọng trong kĩ thuật Điện - điện tử, muốn điều khiển một thiết bị hay một linh kiện điện tử nào đó ta phải quan tâm đến điện áp để điều khiển nó đầu tiên. Thị trường đã sản xuất ra loại đồng hồ cơ, tuy có thể đo điện áp nhưng không thực sự chính xác, do vậy việc chế tạo ra một loại thiết bị đo có độ chính xác cao là rất cần thiết. Do đó nhóm chúng em đã chọn đề tài :”Thiết kế mạch đo dải điện áp từ 0-24V sử dụng vi xử lí 8051 và ADC hiển thị ra LED 7 thanh”. Mục đích chính của đề tài là thiết kế được một bộ đo điện áp sử dụng 8051, có thể cho ra được kết quả hiển thị trực quan với độ chính xác cao. Mặc dù cố gắng nhưng do còn thiếu kinh nghiệm nên trong bài viết khó tránh khỏi sai sót, chúng em rất mong được sự hướng dẫn chỉ bảo thêm của cô! Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của cô Nguyễn Thị Huế đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này! Nhóm sinh viên “Nhóm 03” thienquang07@gmai.com 3 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về vi điều khiển 8051: Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số,... Ở máy tính thì các mô đun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài. Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng. Nó xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động, v.v. Điển hình nhất trong số đó có thể kể đến đó là dòng vi điều khiển MCS-51 của Intel hay còn gọi là Intel 8051. Intel 8051 - là vi điều khiển đơn tinh thể kiến trúc Harvard, được Intel phát triển vào năm 1980, để dùng trong các hệ thống nhúng. Những phiên bản đầu tiên được phổ biến những năm 1980 và đầu những năm 1990, các dẫn xuất tương thích nhị phân nâng cao của nó vẫn còn phổ biến cho đến ngày nay. Kiến trúc cơ bản bên trong 8051 bao gồm các đặt tính sau: - 8-bit ALU, thanh ghi 8-bit, 8-bit data bus và 2x16-bit địa chỉ bus/program. - 32 thanh ghi (4 bit-định địa chỉ 8-bit). - 4 băng thanh ghi chuyển đổi nhanh, mỗi băng 8 thanh ghi. - 2 bus địa chỉ 16-bit. - 128 bytes RAM trên chip (IRAM). - 4 KiB ROM trên chip. - Bốn cổng vào ra 8-bit. - 2 bộ đếm/định thời 16-bit Hình 1: Vi điều khiển Intel P8051AH thienquang07@gmai.com 4 Dù ra mắt đã lâu nhưng với khả năng ứng dụng phong phú và giá thành ngày càng rẻ mà họ vi điều khiển 8051 vẫn được sử dụng phổ biến cho đến tận ngày nay. 1.2. Giới thiệu về dòng ADC 080x: ADC (Analog-to-Digital Converter) là một thiết bị chuyển đổi một tín hiệu từ dạng liên tục (thường là điện áp) sang dạng số. Nó là thành phần quan trọng và không thể thiếu trong hầu hết các hệ thống số, nhất là trong ngành đo lường. Vì các vi điều khiển, vi xử lý, chỉ làm việc với tín hiệu số trong khi các tín hiệu ngoài thực ( như điện áp, dòng điện, ) đều ở dạng tương tự, nên để có thể dùng vi điều khiển để xử lý các tín hiệu này ta cần phải chuyển đổi nó sang dạng digital. ADC rất phổ biến và được ứng dụng nhiều, ở đây ta có thể kể đến dòng ADC080x của National Semiconductor. Dòng ADC080x của National Semiconductor thuộc dòng CMOS 8-bit có nhiệm vụ chuyển đổi xấp xỉ điện áp từ tương tự sang số, sử dụng bậc thang phân áp điện, với những tính năng cơ bản sau: - Độ phân giải 8 bit. - Dễ dàng kết nối với mọi vi điều khiển. - Có thể hoạt động với điện áp từ 2.5-5.0V. - Bộ tạo xung trên chip. - Điện áp analog vào từ 0-5V với nguồn cung cấp 5V - Không cần “điều chỉnh không”. - Độ rộng tiêu chuẩn 0.3 inch với 20 pin. - Điện áp tham chiếu có thể tùy chỉnh. Dòng ADC này của NS hoạt động và tương thích tốt với hầu hết các vi điều khiển nên được ứng dụng rộng rãi. Hình 2: ADC0804 của N.S. thienquang07@gmai.com 5 Hình 3: ADC 0804 Nguồn Xử lý tín hiệu Hiển thị Chuyển đổi tín hiệu CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 2.1. Yêu cầu thiết kế: Yêu cầu: Thiết kế mạch đo điện áp từ 0-24V sử dụng vi điều khiển 8051 hiển thị trên LED 7 thanh với 3 digits. Với yêu cầu này, ta sẽ dùng một ADC để biến đổi điện áp từ dạng analog sang dạng số, sau đó dùng vi điều khiển 8051 xử lí tín hiệu số đó để hiển thị trên LED 7 thanh. 2.2. Sơ đồ khối thiết kế: Về cơ bản sẽ gồm 4 khối: 2.3. Khối và lựa chọn linh kiện: 2.3.1. Khối chuyển đổi tín hiệu: Ở đây ta sẽ chọn ADC 0804 để chuyển đổi điện áp đầu vào sang dạng số: thienquang07@gmai.com 6 Tuy nhiên do đầu vào của ADC là từ 0-5V (điện áp tham chiếu 5V) nên ta cần một mạch phân áp để giảm thang điện áp từ 0-25.5V thành 0-5V: Sơ lược về ADC0804: ADC0804 có 20 pin được đánh số từ 1-20, với một số pin điển hình sau: - Chân chọn chip CS: Là một đầu vào tích cực mức thấp được sử dụng để kích hoạt chíp ADC 0804. Để truy cập ADC 0804 thì chân này phải ở mức thấp. - Chân đọc RD: 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 dữ liệu chuyển đổi được ở một thanh ghi trong. Để nhận dữ liệu được chuyển đổi ở đầu ra của ADC0804, khi CS = 0, nếu một xung cao-xuống-thấp được áp đến chân RD thì dữ liệu sẽ được đưa từ thanh ghi ra cổng ra, đầu ra số 8 bít được hiển diện ở các chân dữ liệu D0 -D7. Chân này cũng được coi như cho phép đầu ra. - Chân ghi WR (thực ra tên chính xác là “Bắt đầu chuyển đổi”): Đây là chân đầu vào tích cực mức thấp được dùng để báo cho ADC 0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi. Nếu CS = 0, khi tạo ra xung cao-xuống-thấp thì bộ ADC 0804 bắt đầu chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin về số nhị phân 8 bít. Lượng 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. - Chân CLK IN và CLK R: 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 0804 cũng có một bộ tạo xung trong. Để sử dụng bộ tạo xung đồng hồ trong này của 0804 thì các chân CLK IN và CLK R được nối tới một tụ điện và một điện trở. - Chân ngắt INTR (ngắt hay gọi chính xác hơn là “kết thúc chuyển đổi’): 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 (ngoài) biết là dữ liệu được chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi. Sau khi xuống thấp, ta đặt CS = 0 và gửi một xung cao-xuống- thấp tới chân RD để lấy dữ liệu ra của 0804. Hình 4: Mạch phân áp thienquang07@gmai.com 7 - Chân Vin(+) và Vin(-): 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 được chuyển đổi về dạng số. - Chân Vcc: Đây là chân nguồn nuôi +5v, nó cũng được dùng như điện áp tham chiếu khi đầu vào Vref/2 (chân 9) để hở. - Chân Vref/2: Chân 9 là một điện áp đầu vào được dùng cho điện áp tham chiếu. Nếu chân này hở thì điện áp tham chiếu mặc định bằng Vcc là 5V, đầu vào tương tự cho ADC 0804 sẽ nằm trong dải 0 đến +5v. Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin cần phải khác ngoài dải 0 đến 5v. Chân Vref/2 được dùng để thực thi các điện áp đầu vào khác ngoài dải 0 - 5v. Ví dụ, nếu dải đầu vào tương tự cần phải là 0 đến 4v thì V ref/2 được nối với +2v, dải từ 0 - 2.56v thì Vref/2 được nối với +1.28v - Các chân dữ liệu: Các chân dữ liệu D0 - D7 (D7 là bít cao nhất MSB và D0 là bít thấp nhất LSB) là các chân đầu ra dữ liệu số. Đây là những chân được đệm ba trạng thái và dữ liệu được chuyển đổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân bị đưa xuống thấp. Để tính điện áp đầu ra ta có thể sử dụng công thức sau: Với Dout là đầu ra dữ liệu số (dạng thập phân), Vin là điện áp đầu vào tương tự, ta có: = × 256 Như vậy điện áp vào sau khi được phân áp giảm thang, ta sẽ đưa vào ADC và thu được tín hiệu dạng số từ các chân ra D0-D7, tín hiệu từ các chân này sẽ được đưa đến vi điều khiển để xử lý. 2.3.2. Khối xử lý tín hiệu: Tín hiệu tương tự sau khi đã được chuyển tương đương sang dạng số, ta sẽ dùng 0851 xử lý để hiển thị điện áp cần đo trên 3 digits LED 7 thanh. Vi điều khiển ở đây ta sẽ chọn chip AT89C51 của Atmel, với cách đóng dạng PDIP: Hình 5: Vi điều khiển AT89C51 thienquang07@gmai.com 8 Hình 7: Sơ đồ chân LED 7 thanh Anot chung Sơ lược về AT89C51: Vi điều khiển này có 40 chân đánh số từ 1 đến 40, cụ thể là: - Chân 40 là nguồn cung cấp 5V, chân 20 là đất - Xtal1 (chân số 18), Xtal2 (chân số 19): nối tinh thể thạch anh cho máy phát xung nhịp chu trình. - RST (chân số 9): nối chuyển mạch để xóa về trạng thái ban đầu hay khởi động lại. - Các chân: T0 (14), T1 (15) là bộ định thời 0 và 1; chân RXD (10) và TXD (11) để nhận/phát dữ liệu; chân INT0 (12), INT1 (13) là ngắt 0 và 1; chân WR (16) là chân ghi, RD (17) là chân đọc; PSEN (29) là chân cho phép cất chương trình; ALE (30) là chân chốt địa chỉ; EA (31) để truy cập bộ nhớ ngoài. - Ta có 4 cổng vào ra P0, P1, P2, P3, mỗi cổng 8 chân. Với 4 cổng vào, ta chọn cổng P1 làm cổng nhận dữ liệu từ ADC, 3 cổng còn lại sẽ dùng để hiển thị 3 LED 7 thanh. 2.3.3. Khối hiển thị: Để hiển thị giá trị điện áp đo được ta dùng 3 LED 7 thanh hiển thị 3 digits, với 1 chữ số sau dấu phẩy. Như vậy giá trị hiển thị sẽ từ 00.0V đến 24.0V LED 7 thanh có 2 loại: Anot chung và Catot chung, ở đây ta nối trực tiếp LED với các port của vi điều khiển nên ta sẽ chọn loại Anot chung. Sơ đồ chân của LED 7 thanh Anot chung: Hình 6: LED 7 thanh. thienquang07@gmai.com 9 Nếu đánh số chân từ 1 đến 10 từ trái qua phải, từ trên xuống dưới thì ta có chân 3 và 8 là chân nguồn chung Vcc, các chân còn lại tương ứng nối với các thanh LED từ ‘a’ đến ‘g’ và một dấu chấm (dp). Để LED sáng, điện áp giữa Vcc và mass phải lớn hơn 1.3V, tuy nhiên không được cao quá 3V. Như vậy khi nối với vi điều khiển, ta cần phải có trở hạn dòng để tránh không làm LED bị cháy. Với điện áp vào 2V, dòng định mức tiêu chuẩn qua mỗi thanh LED là 20mA và điện áp cung cấp 5V, ta cần nối thêm trở phụ có điện trở là: ụ = 5 − 2 20 × 10 = 150 Ω Tuy nhiên để tránh dòng quá lớn đi qua các chân vi điều khiển, ta sẽ chọn trở phụ lớn hơn, ở đây ta dùng trở 330 Ohm. 2.3.4. Khối nguồn: Nguồn mạch cần là 5V với dòng tối đa ~500mA. Để có đầu vào ổn định ta sẽ dùng một IC ổn áp. Ở đây ta thấy dùng IC LM7805 là phù hợp yêu cầu. Mạch nguồn dùng IC LM7805: Với dòng ra 1 - 1.5A, LM7805 hoàn toàn đáp ứng tốt nhu cầu của mạch. Ta lắp thêm các tụ lọc để đảm bảo nguồn được sản phằng. Hình 8: Sơ đồ mạch nguồn. thienquang07@gmai.com 10 CHƯƠNG 3: TRIỂN KHAI THỰC HIỆN 3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch: 3.2. Lập trình cho vi điều khiển: Lưu đồ thuật toán: Hình 9: Sơ đồ nguyên lý mạch thienquang07@gmai.com 11 Giải thích lưu đồ: - Tín hiệu số từ ADC được đưa vào P1 và được chuyển vào thanh ghi A. - Gán thanh ghi B = 10, thực hiện phép chia A cho B, thương số sẽ được lưu vào thanh ghi A và số dư sẽ được lưu vào thanh ghi B. - Chuyển dữ liệu trên thanh ghi B vào thanh ghi R1. - Gán thanh ghi B = 10, tiếp tục chia A cho B ta được thương số lưu ở thanh ghi A, số dư lưu ở thanh ghi B. - Lúc này giá trị thanh ghi A là chữ số hàng trăm, xuất giá trị đó ra cổng P2. - Gán A bằng B, chữ số hàng chục được lưu trong A, xuất giá trị này ra cổng P3. - Gán A bằng R1, chữ số hàng đơn vị được lưu trong A, xuất giá trị này ra cổng P0. Code lập trình Assembly cho vi điều khiển: “org 0000h x: setb p2.7 call delay clr p2.7 call delay setb p2.7 mov a,p1 mov b,#10 div ab mov r1,b mov b,#10 div ab mov dptr,#maled movc a,@a+dptr mov p2,a mov a,b mov dptr,#maled movc a,@a+dptr mov p3,a mov a,r1 thienquang07@gmai.com 12 mov dptr,#maled movc a,@a+dptr mov p0,a jmp x maled: db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8h,80h,90h delay: mov r0,#10 w3:mov r1,#100 w2:mov r2,#100 w1:djnz r2,$ djnz r1,w2 djnz r0,w3 ret end” Với điện áp vào dạng số từ 00000000->11111111 (nhị phân) tương đương 0->255 (thập phân) ở P3, ứng với nó là dải điện áp đầu vào 0-25.5V, ta sẽ đưa giá trị này hiển thị trên các LED 7 thanh bằng cách hiển thị từng chữ số thập phân một trên từng LED 7 thanh. Ở đây yêu cầu đặt ra đo từ 0-24V nhưng ta lại chọn dải 0-25.5V bởi: - Giá trị nhỏ nhất hiển thị được là 0.1V, các giá trị điện áp có 2 chữ số sau dấu phẩy trở lên đều được làm tròn về 1 chữ số sau dấu phẩy, và với 255 giá trị (không tính giá trị 0), thang hiển thị tối ưu là 0.1x255=25.5V, với thang nhỏ hơn (ví dụ 0-12.7) ta có 1 nấc giá trị nhỏ hơn (0.05V), nhưng nó cũng không thể hiển thị được nên điều đó không còn ý nghĩa, vì vậy với mọi thang nhỏ hơn 25.5V mà lấy 1 chữ số sau dấu phẩy thì đều nên qui về đo ở thang 0-25.5V. - Việc chọn thang 0-25.5 sẽ rất đơn giản để vi điều khiển xử lý và hiển thị vì nó tương ứng 1-1 với tín hiệu số vi điều khiển nhận được là 0-255 (thập phân), ta chỉ việc tách từng chữ số của giá trị vào để hiển thị mà không phải làm thêm bất kỳ thao tác nào khác. Còn nếu chọn thang 0-24V, vi điều khiển sẽ phải biến giá trị 0-255 đầu vào thành 0-24 để hiển thị, việc này yêu cầu thêm nhiều thao tác nhân chia nữa mà vi điều khiển cần xử lý, điều này làm vi điều khiển phải hoạt động nhiều hơn và chậm chạp hơn. Tóm lại việc chọn thang 0-25.5V không làm ảnh hưởng đến kết quả nhận được và nó giúp hệ thống được tối ưu. thienquang07@gmai.com 13 Hình 10: Giả lập trên Proteus Hình 11: Mạch in thiết kế trên Altium Designer 3.3. Giả lập trên Proteus: Với đoạn code được xây dựng, mạch giả lập đã chạy đúng. Như vậy ta có thể sử dụng đoạn code này. 3.4. Thiết kế mạch in bằng Altium Designer: Mạch in: thienquang07@gmai.com 14 Hình 14: Mạch thật thu được Mạch preview dạng 3D: 3.5. Thiết kế in mạch thật: Sản phẩm sau khi in mạch và hàn linh kiện: Hình 12: Mạch in Preview 3D trên Altium Designer thienquang07@gmai.com 15 Mặt sau: Hình 15: Mặt hàn và đi dây thienquang07@gmai.com 16 Bảng 1: So sánh kết quả đo với vôn kết chuẩn CHƯƠNG 4: KIỂM TRA VÀ HIỆU CHỈNH 4.1. Chạy thử mạch: Chạy thử mạch: Với nguồn vào là nguồn sạc pin điện thoại, ta tiến hành đo thử điện áp của 1 viên pin AA. Kết quả cho ra khá chính xác! Như vậy là mạch đã hoạt động tốt và không có lỗi. 4.2. Test mạch: Tiến hành đo một vài kết quả và so sánh với một vôn kế chuẩn ta thu được bảng: Đo bằng mạch Đo bằng Vôn kế chuẩn 1.5V 1.4V 4.5V 4.2V 10.8V 10.2V 19.8V 19.0V Sau khi đo đạc và kiểm tra sai số, ta thấy mạch có sai số khoảng +4% Hình 16: Chạy thử mạch thienquang07@gmai.com 17 4.3. Hiệu chỉnh sai số: Với sai số +4%, ta cần điều chỉnh giá trị hiển thị giảm xuống 4% so với ban đầu. Việc hiệu chỉnh có thể thực hiện bằng phần cứng, hoặc phần mềm: - Điều chỉnh phần cứng: Ta sẽ chỉnh lại giá trị trở ở mạch phân áp. Do đây là điện trở thường với sai số 5% nên việc kết quả bị sai số là không tránh khỏi. Ta có thể thay đổi, mắc thêm, điện trở để chỉnh lại điện áp vào ADC cho thích hợp. -