Thiết kế Chế tạo Mạch Đo nhiệt Độ, Độ Ẩm

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng Yên, ngày tháng năm 2018 Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 4

1.2 Vi điều khiển họ 8051 8

1.3 LCD 16X2 15

1.4 Thạch anh 20

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH 22

2.1 Sơ đồ khối 22

2.1.1 Khối nguồn nuôi ( Dùng nguồn ngoài) 22

2.1.2 Khối cảm biến 22

2.1.3 Khối điều khiển 23

2.1.4 Khối hiển thị 23

2.2 Sơ đồ nguyên lý 25

2.3 Sơ đồ mạch in 26

2.3 Lưu đồ thuật toán 27

CHƯƠNG 3:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 27

PHỤ LỤC 29

LỜI MỞ ĐẦU

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, đời sống của con người đã cónhững sự thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ cho quátrình phát triển công nghiệp hóa-hiện đại hóa đất nước Cùng với sự phát triển đó thìngành kỹ thuật điện- điện tử đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng và pháttriển đất nước Việc áp dụng các công nghệ và thiết bị như PLC, cảm biến, vi điềukhiển… để điều khiển tự động hóa các hệ thống ngày càng được phát triển mạnh dựatrên những tiến bộ của công nghệ tích hợp các linh kiện bán dẫn và hệ lập trình có bộnhớ kết hợp với máy tính điện tử Từ những thời gian đầu phát triển đã cho thấy sự ưuviệt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt của đó ngày càng được khẳng định thêm.Những thành tựu của nó đã góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho conngười

Sau khi đã nghiên cứu và tìm hiểu về môn kỹ thuật cảm biến, kỹ thuật vi xử lý.Trước sự đa dạng và khả năng ứng dụng rộng rãi trong đời sống thực tế hiện nay thìviệc tìm hiểu, thiết kế và ứng dụng kiến thức được học đã thôi thúc chúng em chọn

đề tài “Thiết kế chế tạo mạch đo và hiển thị nhiệt độ ,độ ẩm ”

Dưới sự hướng dẫn của thầy Đào Văn Đã và sự lỗ lực nhiệt tình của các thành

viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành đề tài Do kinh nghiệm và thời gian hạn chế,tập đồ án này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong nhậnđược góp ý, giúp đỡ của thầy cô và các bạn để đồ án của chúng em được hoàn thiệnhơn

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

+ Giới thiệu

-  DHT11 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm Nó ra đời sau và được sử dụng thay thế cho dòng SHT1x ở những nơi không cần độ chính xác cao về nhiệt độ và độ ẩm

+ Nguyên lý hoạt động:

- Sơ đồ kết nối giữa MCU với cảm biến DHT 11 được thể hiện dưới hình 1.2:

Hình 1.2 Sơ đồ kết nối giữa MCU với DHT 11

- Bước 1: gửi tín hiệu Start

Hình 1.3 Quá trình kết nối cảm biến

- MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian >18ms Trong Code để 20ms Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm

-  MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào

-  Sau khoảng 20-40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us mà chân DATA ko được kéo xuống thấp nghĩa là ko giao tiếp được với DHT11

- Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo nên cao trong 80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT11 ko Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao, khi đó hoàn thiện quá trình giao tiếpcủa MCU với DHT.

- Bước 2: đọc giá trị trên DHT11

+ DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte Trong đó:

+  Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)

+ Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%)

+  Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC)

+ Byte 4 : giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC)

+ Byte 5 : kiểm tra tổng

-  Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa

- Đọc dữ liệu:

Sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1 về MCU, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của Nhiệt độ và độ ẩm

+ Bit 0:

Hình 1.4 Quá trình đọc dữ liệu từ cảm biến

+ Bit 1:

Hình 1.5 Quá trình đọc dữ liệu từ cảm biến

Sau khi tín hiệu được đưa về 0, ta đợi chân DATA của MCU được DHT11 kéo lên 1 Nếu chân DATA là 1 trong khoảng 26-28 us thì là 0, còn nếu tồn tại 70us

là 1 Do đó trong lập trình ta bắt sườn lên của chân DATA, sau đó delay 50us.

Nếu giá trị đo được là 0 thì ta đọc được bit 0, nếu giá trị đo được là 1 thì giá trị đođược là 1 Cứ như thế ta đọc các bit tiếp theo.

1.2 Vi điều khiển họ 8051

+ Các thông số cơ bản của VĐK 89S52

IC vi điều khiển 8051(89s52) thuộc họ MCS51 có các đặc điểm sau:

- 4Kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất chỉ có ở 89s52)

- 128 byte RAM

- 4 port 8 bit

- Hai bộ định thời 16bit

- Giao tiếp nối tiếp

- 64KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng

- 64KB không gian bộ nhớ dữ liệu mở rộng

- 1 bộ xử lý luận lý (thao tác trên các bit đơn)

- 210bit được địa chỉ hoá

- Bộ nhân / chia 4µs

+ Cấu trúc bên trong của 89S52 được thể hiện dưới hình 1.6

Hình 1.6 Cấu trúc bên trong của 89S52Phần chính của vi điều khiển 8051(89S52) là bộ vi xử lý trung tâm (CPU: CentralProcessing Unit) bao gồm:

- Thanh ghi tích luỹ A

- Thanh ghi tích luỹ phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia

- Đơn vị logic học (ALU: Arithmetic Logical Unit)

- Từ trạng thái chương trình (PSW: Program Status Word)

- Bốn băng thanh ghi

có thể là giao diện nối tiếp

Hai bộ định thời 16bit hoạt động như một bộ đếm

Các cổng (port0, port1, port2, port3) sử dụng vào mục đích điều khiển

Ở port 3 có thêm các đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi với một bộ nhớ bênngoài, hoặc để đầu nối giao diện nối tiếp, cũng như các đường ngắt dẫn bên ngoài.Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ nhận không đồng bộ làm việc độclập với nhau.Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt trong vảy rộng và được ấnđịnh bằng một bộ định thời

rong vi điều khiển 8051(89S52) có hai thành phần quan trọng khác đó là bộ nhớ và cácthanh ghi:

- Bộ nhớ gồm có bộ nhớ RAM dùng để lưu trữ dữ liệu và mã lệnh

- Các thanh ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lý Khi CPU làm việc nó

làm thay đổi nội dung của các thanh ghi

+ 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 lớn (với bộ nhớ mở rộng) nó được kết hợp kênh giữa các bus

+ Port1: Là một port I/O trên các chân 1-8 Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2

có thể dùng cho các thiết bị ngoài nếu cần Port1 không có chức năng khác, vì vậychúng ta chỉ được dùng trong giao tiếp với các thiết bị ngoài

+ Port2: Là một port công dụng kép trên các chân 21-28 được dùng như các đường

xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng

+ Port3: là một port công dụng kép trên các chân 10-17 Các chân của port này có

nhiều chức năng, các công dụng chuyển đổi có liên hệ với các đặc tính đặc biệt của

8951 như ở bảng sau:

Bit Tên Chức năng chuyển đổi

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp

P3.1 TXD Dữ liệu phát cho port nối tiếp

P3.6 WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

Bảng 1: Chức năng của các chân trên Port3 + PSEN (Program Store Enable): 8952 có 4 tín hiệu điều khiển PSEN là tín hiệu ra

trên chân 29 Nó là tín hiệu điều khiển để cho phép bộ nhớ chương trình mở rộng và

thường được nối đến chân OE (Output Enable) của một EPROM để cho phép đọc cácbyte mã lệnh PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian lấy lệnh. Các mã nhị phân củachương trình được đọc từ EPROM qua bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8952

để giải mã lệnh Khi thi hành chương trình trong ROM nội PSEN sẽ ở mức thụ động(mức cao)

+ ALE (Address Latch Enable):

Tín hiệu ra ALE trên chân 30 tương hợp với các thiết bị làm việc với các xử lý

8585, 8088, 8086, 8051 dùng ALE một cách tương tự cho làm việc giải các kênh cácbus địa chỉ và dữ liệu khi port0 đựoc dùng trong chế độ chuyển đổi của nó: vừa là bus

dữ liệu vừa là bus thấp của địa chỉ, ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào một thanh ghibên ngoài trong nửa đầu của chu kỳ bộ nhớ Sau đó các đường port0 dùng để xuất hoặcnhập dữ liểutong nửa sau chu kỳ của bộ nhớ

Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động trên chip và có thểđược dùng là nguồn xung nhịp cho các hệ thống Nếu xung trên 8051(8952) 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 trong8051(8952)

+ EA (External Access):

Tín hiệu vào EA trên chân 31 thường được mắc lên mức cao (+5V) hoặc mức thấp(GND).Nếu ở mức cao, 8051(8952) thi hành chương trình từ ROM nội trong khoảngđịa chỉ thấp (4K).Nếu ở mức thấp, chương trình được thi hành từ bộ nhớ mở rộng.Nếu

EA được nối mức thấp bộ nhớ bên trong chương trình 8051(8951) sẽ bị cấm vàchương trình thi hành từ EPROM mở rộng.Người ta còn dùng chân EA làm chân cấpđiện áp 21V khi lập trình cho EPROM trong 8051(8951)

+ SRT (Reset):

Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ Reset của 8051(8952) Khi tín hiệu này được đưalên mức cao (trong ít nhất 2 chu kỳ máy), các thanh ghi trong 8952 đựoc tải những giátrị thích hợp để khởi động hệ thống

+ Các ngõ vào bộ dao động trên chip:

8051(8952) có một bộ dao động trên chip.Nó thường được nối với thạch anh giữahai chân 18 và 19.Các tụ giữa cũng cần thiết.Tần số thạch anh thông thường là 12MHz.

+ Con trỏ ngăn xếp

Con trỏ ngăn xếp (SP) là một thanh ghi 8 bit ở địa chỉ 81H Nó chứa địa chỉ củabyte dữ liệu hiện hành trên đỉnh của ngăn xếp Các lệnh trên ngăn xếp bao gồm cácthao tác cất dữ liệu vào ngăn xếp và lấy dữ liệu ra khỏi ngăn xếp Lệnh cất dữ liệu vàongăn xếp sẽ làm tăng Sp trước khi ghi dữ liệu, và lệnh lấy dữ liệu ra khỏi ngăn xếp sẽđọc dữ liệu và làm giảm SP Ngăn xếp của 8051/8951 được giữ trong RAM nội vàđược giới hạn các địa chỉ có thể truy xuất bằng địa chỉ gián tiếp, chúng là 128 byte đầucủa 8051/8952

Trên 8051/8951 ngăn xếp bị giới hạn bởi 32 byte vì địa chỉ cao nhất của RAM trênchip là 7FH

+ Con trỏ dữ liệu.

Con trỏ dữ liệu (DPTR) được dùng để truy xuất bộ nhớ ngoài là một thanh ghi 16bit ở địa chỉ 82H (DPL: byte thấp) và 83H (DPH: byte cao)

+ Các thanh ghi port xuất nhập.

Các port của 89S52 bao gồm Port0 ở địa chỉ 80H, Port1 ở địa chỉ 90H, Port2 ở địachỉ A0H và Port3 ở địa chỉ B0H Tất cả các port đều được địa chỉ hoá từng bit Điều

đó cung cấp một khả năng giao tiếp thuận lợi

+ Các thanh ghi timer.

8952 chứa 2 bộ định thời đếm 16bit được dùng trong việc định thời hoặc đếm sựkiện Timer 0 ở địa chỉ 8AH (TL0: byte thấp) và 8CH (TH0: byte cao) Timer 1 ở địachỉ 8BH (TL1: byte thấp) và 8DH (TH1: byte cao), việc vận hành timer được set bởithanh 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 hoá từng bit

+ Các thanh ghi port nối tiếp:

8952 chứa một port nối tiếp 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 tiếpnối tiếp (có bộ chuyển đổi A/D, các thanh ghi dịch…) Một thanh ghi gọi là bộ đệm dữliệu nối tiếp (SBUF) ở địa chỉ 99H sẽ giữ cả hai dữ liệu truyền và nhận.Khi truyền dữliệu thì ghi lên SBUF, khi nhận dữ liệu thì đọc SBUF.Các mode vận hành khác nhauđược lập trình qua thanh ghi điều khiển port nối tiếp (SCON) (được địa chỉ hoá từngbit) ở địa chỉ 98H

Các thanh ghi ngắt:

Cấu trúc 5 nguồn ngắt, 2 mức ưu tiên Các ngắt bị cấm sau khi reset hệ thống và sẽđược cho phép bằng việc ghi thanh ghi cho phép ngắt (IE) ở địa chỉ 8AH Cả 2 thanhghi được địa chỉ hoá từng bit

Hoạt động ngắt:

Ở 89s52 có 5 ngắt:

- 2 ngắt ngoài

- 2 ngắt từ timer

- Ngắt truyền thông nối tiếp

Tất cả các ngắt sẽ không được đặt sau khi reset hệ thống và cho phép ngắt riêng rẽbởi phần mềm

Các ngắt timer:

Các ngắt timer có địa chỉ vector ngắt là 000BH (timer 0) và 001BH (timer 1) Ngắttimer xảy ra khi các thanh ghi timer tràn (TLx và THx) và set cờ báo tràn (TFx) lên 1

Các cờ timer (TFx) không bị xoá bằng phần mềm Khi cho phép các ngắt, TFx tự động

bị xoá bởi phần cứng khi CPU chuyển đến ngắt

Ngắt truyền thông nối tiếp:

Ngắt cổng nối tiếp xảy ra khi hoặc cờ ngắt phát (TI) hoặc cờ ngắt thu (KI) được đặtlên 1 Ngắt phát xảy ra khi một ký tự đã được nhận xong và đang đợi trong SBUF đểđược đọc

Các ngắt cổng nối tiếp khác với các ngắt cổng timer Cờ gây ra ngắt cổng nối tiếpkhông bị xoá bằng phần cứng khi CPU chuyển tới ngắt Do có hai nguồn ngắt cổng nốitiếp TI và RI Nguồn ngắt phải được xác định trong ISR và cờ tạo ngắt sẽ được xoábằng phần mềm Các ngắt timer có cờ ngắt được xoá bằng phần cứng khi CPU hướngtới ISR

Các ngắt ngoài:

Các ngắt ngoài xảy ra khi có một mức thấp hoặc cạnh xuống trên chân INT0 hoặcINT1 của vi điều khiển Đây là chức năng chuyển đổi của các bit port 3 (Port 3.2 vàport 3.3)

Các cờ tạo ngắt này là các bit IE0 và IE1 trong TCON Khi quyền điều khiển đãchuyển đến ISR, cờ tạo ngắt chỉ được xoá nếu ngắt được tích cực bằng cạnh xuống.Nếu ngắt được tích cực theo mức, thì nguồn yêu cầu ngắt bên ngoài sẽ điều khiển mứccủa cờ thay cho phần cứng

Sự lựa chọn ngắt tích cực mức thấp hay tích cực cạnh xuống được lập trình qua cácbit IT0 và IT1 tong TCON Nếu IT1 = 0, ngắt ngoài 1 được tác động bằng mức thấp ởchân IT1 Nếu IT1 = 1 ngắt ngoài 1 sẽ được tác động bằng cạnh xuống Trong chế độnày, nếu các mẫu liên tiếp trên chân INT1 chỉ mức cao trong một chu kỳ và chỉ mứcthấp trong chu kỳ kế, cờ yêu cầu ngắt IE1 trong TCON được đặt lên 1, bit IE1 yêu cầungắt

Nếu ngắt ngoài được tác động bằng cạnh xuống thì nguồn bên ngoài phải giữ chântác động ở mức cao tối thiểu một chu kỳ và giữ nó ở mức thấp thêm môt chu kỳ nữa đểđảm bảo phát hiện được cạnh xuống

với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau.

Hình 1.7 Hình dáng của loại LCD thông dụng

Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển (HD44780) bên trong lớp

vỏ và chỉ đưa các chân giao tiếp cần thiết Các chân này được đánh số thứ tự và đặt tên

như hình 1.8 :

Hình 1.8 Sơ đồ chân của LCD

+ Mô tả các chân của LCD

+ Chân VCC, VSS và VEE: Cấp dương nguồn 5V và đất tương ứng thì VEE đượcdùng để điều khiển độ tương phản của LCD

+ RS (Register Select) :Chân chọn thanh ghi

Có hai thanh ghi rất quan trọng bên trong LCD, chân RS được dùng để chọn các thanhghi này như sau Nếu RS = 0 thì thanh ghi mà lệnh được chọn để cho phép người dùnggửi một lệnh chẳng hạn như xoá màn hình, đưa con trỏ về đầu dòng v.v… Nếu RS = 1thì thanh ghi dữ liệu được chọn cho phép người dùng gửi dữ liệu cần hiển thị trênLCD

+ Chân (R/W) : Chân đọc/ ghi

Đầu vào đọc/ ghi cho phép người dùng ghi thông tin lên LCD khi R/W = 0 hoặc đọcthông tin từ nó khi R/W = 1

+ Chân E (Enable) : Chân cho phép

Chân cho phép E được sử dụng bởi LCD để chốt thông tin hiện hữu trên chân dữ liệucủa nó Khi dữ liệu được cấp đến chân dữ liệu thì một xung mức cao xuống thấp phảiđược áp đến chân này để LCD chốt dữ liệu trên các chân dữ liêu

cờ bận để xem LCD có sẵn sàng nhân thông tin Cờ bận là D7 và có thể được đọc khiR/W = 1 và RS = 0 như sau:Nếu R/W = 1, RS= 0 khi D7 = 1 (cờ bận 1) thì LCD bậnbởi các công việc bên trong và sẽ không nhận bất kỳ thông tin mới nào Khi D7 = 0 thìLCD sẵn sàng nhận thông tin mới Lưu ý chúng ta nên kiểm tra cờ bận trước khi ghibất kỳ dữ liệu nào lên LCD