621

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ
ẨM HIỂN THỊ LCD

SV thực hiện:

Lê Văn Đức

GV hướng dẫn:

ThS. NGUYỄN XUÂN NGỌC

Lớp:51K2 - ĐTVT
Khóa học:

2010 – 2015

NGHỆ AN - 01/2015


MỤC LỤC
Trang

MỤC LỤC ................................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................v
TÓM TẮT ĐỒ ÁN.................................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ .......................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. viii
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................1
1.1 Một số định nghĩa ...........................................................................................1
1.2 Các thông số đặc trưng của cảm biến .............................................................1
1.2.1 Độ nhạy của cảm biến ...........................................................................1
1.2.2 Sai số .....................................................................................................2
1.2.3 Độ chính xác và độ chính xác lặp lại ....................................................3
1.2.4 Độ phân giải ..........................................................................................3
1.2.5 Độ tuyến tính .........................................................................................3
1.2.6 Độ nhanh, thời gian hồi đáp ..................................................................4
1.2.7 Giới hạn sử dụng cảm biến ...................................................................4
1.3 Các đặc trưng của kĩ thuật đo lường ...............................................................5
1.3.1 Đại lượng đo (hay tín hiệu đo) ..............................................................5
1.3.2 Điều kiện đo ..........................................................................................6
1.3.3 Thiết bị đo .............................................................................................6
1.4 Giới thiệu về vi điều khiển .............................................................................6
1.4.1 Khái quát về vi điêu khiển ....................................................................6
1.4.2 Các bộ vi điều khiển..............................................................................7
1.5 Họ vi điều khiển 8051 ....................................................................................9
1.5.1 Tóm tắt về họ vi điều khiển 8051 ...........................................................9
1.5.2 Đặc tính vi điều khiển 8051 ..................................................................9
1.5.3 Sơ đồ khối của họ 8051 .......................................................................10
1.5.4 Thành viên họ vi điều khiển 8051 .......................................................10
1.6 Kết luận chương 1 ........................................................................................12


i


CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN CHÍNH SỬ DỤNG TRONG MẠCH .................13
2.1 Vi điều khiển 89S52.....................................................................................13
2.1.1 Cấu hình của 89S52............................................................................13
2.1.2 Sơ đồ và chức năng chân của 89S52 ...................................................13
2.1.3 Tổ chức bộ nhớ bên trong 89S52 .....................................................16
2.1.4 Kết nối với các thiết bị ngoại vi đơn giản ...........................................19
2.2 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 ........................................................................21
2.2.1 Đặc điểm kỹ thuật của DS18B20 ........................................................21
2.2.2 Các bước trao đổi dữ liệu giữa vi điều khiển và DS18b20 .................24
2.3 Cảm biến độ ẩm hs1101 ..............................................................................26
2.3.1 Giới thiệu ............................................................................................26
2.3.2 Nguyên lý làm việc của hs1101 ..........................................................26
2.4 IC 555 ...........................................................................................................27
2.4.1 Giới thiệu ............................................................................................27
2.4.2 Chức năng của 555 ...........................................................................28
2.5 Tìm hiểu về LCD 16x2 .................................................................................29
2.5.1 Giới thiệu về LCD 16x2 ......................................................................29
2.5.2 Sơ đồ chân của LCD 16x2 ..................................................................30
2.6 Kết luận chương 2 ........................................................................................31
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ...........................................................32
3.1 Sơ đồ khối của mạch.....................................................................................32
3.1.1 Khối vi điều khiển ...............................................................................32
3.1.2 Khối cảm biến .....................................................................................33
3.1.3 Khối hiển thị.......................................................................................35
3.2 Sơ đồ nguyên lý ............................................................................................36
3.3 Sơ đồ mạch in ...............................................................................................37

3.4 Lưu đồ thuật tốn ..........................................................................................38
3.4.1 Lưu đồ tồn mạch ...............................................................................38
3.4.2 Lưu đồ đo nhiệt độ ..............................................................................39
3.4.3 Lưu đồ đo độ ẩm .................................................................................40
3.5 Hình ảnh kết quả của sản phẩm .................................................................... 42

ii


3.6 Kết luận chương 3 ........................................................................................42
KẾT LUẬN ...............................................................................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................44
PHỤ LỤC ..................................................................................................................45

iii


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt q trình học tập và hồn thành đồ án tốt nghiệp này, em đã nhận
được sự hướng dẫn, giúp đỡ của thầy cô, các anh chị và các bạn. Với tấm lịng kính
trọng và biết ơn sâu sắc em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:
Ban giám hiệu trường Đại học Vinh, khoa Điện Tử Viễn Thông và các Thầy,
Cô đã giảng dạy và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt q trình học tập
và hồn thành đồ án tốt nghiệp.
Đặc biệt, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TH.S Nguyễn Phúc Ngọc đã
hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn và động viên em trong suốt quá trình thực hiện đồ án
tốt nghiệp.
Cuối cùng là lời cảm ơn chân thành đến những người thân và toàn thể bạn bè
đã giúp đỡ, động viên em trong suốt thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn!

Nghệ An, tháng 1 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Lê Văn Đức

iv


LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, sự biến đổi khí hậu tồn cầu diễn ra ngày càng nghiêm trọng, gây
ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe và tài sản của con người. Việc theo dõi nhiệt độ và
độ ẩm của môi trường là việc làm rất quan trọng và cần thiết. Vì vậy, em chọn đề tài
“Thiết kế, chế tạo mạch đo nhiệt độ và độ ẩm hiển thị LCD” để làm đề tài tốt
nghiệp của mình.
Mục đích nghiên cứu của đề tài là tìm hiểu một cách tổng quan về lý thuyết đo
lường cảm biến, tìm hiểu về vi điều khiển và họ vi điều khiển 8051. Tính tốn, thiết
kế và chế tạo thành công mạch đo nhiệt độ và độ ẩm của mơi trường, qua đó giúp
con người có thể đưa ra những giải pháp cụ thể để tránh được những hậu quả không
mong muốn do chúng gây ra.
Để thực hiện đề tài em sẽ đi theo và thực hiện những nhiệm vụ chính sau: Tìm
hiểu về lý thuyết đo lường, cảm biến, tổng quan vi điều khiển và họ vi điều khiển
8051. Tìm hiểu về cấu tạo, các thơng số kỹ thuật, nguyên lý hoạt động, chức năng
chân của các linh kiện sử dụng trong mạch. Sử dụng thành thạo các phần mềm mô
phỏng mạch và phần mềm lập trình cho vi điều khiển.
Đề tài được thực hiện bằng các phương pháp: Tìm hiểu qua sách, các trang
mạng internet, các diễn đàn...
Cấu trúc đồ án ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục bảng biểu, hình vẽ, tài
liệu tham khảo, nội dung đồ án được trình bày trong 3 chương:
 Chương 1: Cơ sở lý thuyết.
 Chương 2: Các linh kiện chính sử dụng trong mạch.

 Chương 3: Thiết kế chế tạo mạch.

v


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Nội dung của đồ án này là đi sâu vào tìm hiểu những lý thuyết về cơ sở đo
lường, các tài liệu về vi điều khiển AT89S52, cảm biến nhiệt độ DS18B20, cảm
biến độ ẩm HS1101, nguyên lý hoạt động của mạch đo nhiệt độ và độ ẩm. Dựa trên
cơ sở đó ta tính tốn và thiết kế mạch đo nhiệt độ và độ ẩm trên phần mềm mơ
phỏng. Sau đó tiến hành chế tạo mạch đo nhiệt độ và độ ẩm hiện thị lên LCD. Sản
phẩm có tính ổn định, giá rẻ và có khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

ABSTRACT
Contents of this thesis is going into understanding the theoretical basis of
measurement, the material about AT89S52 microcontroller, DS18B20 temperature
sensor, humidity sensor HS1101, the principle of operation of the circuit
temperature and humidity measurement. Based on that basis we calculate and
design the circuit temperature and humidity on the simulation software. Then going
to manufacture circuit measurement temperature and humidity LCD display. It is
stable, cheap and it can widely used in practice.

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang

Bảng 1.1 Các đặc tính của 8051 đầu tiên ....................................................................9
Bảng 1.2 So sánh các đặc tính của các thành viên họ 8051 ......................................11

Bảng 2.1 Chức năng các chân của port 3 .................................................................14
Bảng 2.2 Bản đồ bộ nhớ Data bên trong Chip 89S52 được tổ chức như sau:...........16
Bảng 2.3 Nội dung dãy mã 64 bit trên bộ nhớ ROM ................................................23
Bảng 2.4 Bảng chức năng các chân của LCD 16x2 ..................................................31

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối bên trong của 8051. .................................................................10
Hình 2.1 Sơ đồ chân của 89S52 ................................................................................13
Hình 2.2 Mạch reset ..................................................................................................15
Hình 2.3 Mạch dao động ...........................................................................................15
Hình 2.4 Giao tiếp với led đơn và phím nhấn ...........................................................19
Hình 2.5 Kết nối vi điều khiển với rơle ....................................................................20
Hình 2.6 Kết nối vi điều khiển với LCD ...................................................................21
Hình 2.7 Sơ đồ chân của DS1820 .............................................................................22
Hình 2.8 Hình ảnh của HS1101 ................................................................................26
Hình 2.9 Sơ đồ ghép nối hs1101 vói IC 555. ............................................................27
Hình 2.10 Hình ảnh của IC 555 ................................................................................27
Hình 2.11 Sơ đồ chân của IC 555 .............................................................................28
Hình 2.12 Hình ảnh LCD 16x2 .................................................................................29
Hình 2.13 Sơ đồ chân của LCD 16x2 ......................................................................30
Hình 3.1 Sơ đồ khối của mạch ..................................................................................32
Hình 3.2 khối vi điều khiển .......................................................................................32
Hình 3.3 Sơ đồ khối cảm biến nhiệt độ .....................................................................33
Hình 3.4 Khối cảm biến độ ẩm .................................................................................34
Hình 3.5 Khối hiển thị ...............................................................................................35
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý của mạch điện .................................................................36

Hình 3.7 Sơ đồ mạch in .............................................................................................37
Hình 3.8 Lưu đồ thuật tốn tồn mạch ......................................................................38
Hình 3.9 Lưu đồ đo nhiệt độ .....................................................................................39
Hình 3.10 Lưu đồ đo độ ẩm ......................................................................................40
Hình 3.11 Hình ảnh kết quả của sản phẩm ...............................................................41

viii


CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Một số định nghĩa
Trong thực tế đời sống và sản xuất, việc nắm bắt thơng tin trong q trình hoạt
động của các hệ thống thiết bị là vô cùng quan trọng và cần thiết. Chỉ khi nắm bắt
được các thơng số của chúng, nói cách khác là đánh giá định lượng được chúng,
chúng ta mới có thể làm chủ hồn tồn các thiết bị và hệ thống đó trên phương diện
điều chỉnh, điều khiển. Các thông số này thường được thể hiện qua các đại lượng
vật lý đặc trưng tương ứng như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm… Vì vậy, khơng có cách
nào khác là chúng ta phải có các phương pháp tương ứng để đo lường giá trị của các
đại lượng vật lý này.
- Đo lường: là quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả
bằng số so với đơn vị đo.
- Đo lường học: là ngành kỹ thuật nghiên cứu về các phương pháp để đo các
đại lượng khác nhau về mẫu và đơn vị đo.
- Kỹ thuật đo lường: là ngành kỹ thuật nghiên cứu và ứng dụng các thành quả
của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống .
Cảm biến chính là một trong những sản phẩm quan trọng nhất của kĩ thuật đo
lường. Các đại lượng vật lý cần đo được cảm biến biến đổi thành một đại lượng
điện tương ứng ở đầu ra. Đại lượng điện này phản ánh các thông tin cần thiết liên
quan đến đại lượng cần đo.
- Cảm biến: là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo. Nó khơng có

tính chất điện mà cho ta một đặc trưng mang bản chất điện (điện tích, điện áp, dịng
điện hoặc trở kháng…) ký hiệu là s.
1.2 Các thông số đặc trưng của cảm biến
1.2.1 Độ nhạy của cảm biến
Thông thường người ta chế tạo cảm biến sao cho có sự liên hệ tuyến tính giữa
biến thiên đầu ra s và biến thiên đầu vào m
s = S * m

(1.1)

Trong đó S là độ nhạy của cảm biến, vậy S =

1

s
m


Nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S tương ứng với điều kiện làm việc nhất
định của cảm biến.
Đơn vị đo độ nhạy phụ thuộc vào nguyên lí làm việc của cảm biến với các đại lượng
liên quan.
Một trong những vấn đề quan trọng khi thiết kế và sử dụng cảm biến là làm
cho độ nhạy của chúng khơng thay đổi hay ít phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Giá trị đại lượng cần đo và tần số thay đổi của nó.
- Thời gian sử dụng (độ già hóa).
- Ảnh hưởng của các đại lượng vật lí khác của môi trường xung quanh.
1.2.2 Sai số
Các bộ lọc cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngồi đại lượng cần
đo nó cịn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lí khác gây nên sai số giữa những

giá trị đo và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi x (sai số tuyệt đối) là độ lệch
tuyệt đối giữa giá trị đo được và giá trị thực x, vậy sai số tương đối của cảm biến :


x
*100%
x

(1.2)

Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì ta khơng biết chính xác
hồn tồn giá trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến người
ta thường phân chúng thành hai loại là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
- Sai số hệ thống không phụ thuộc vào số lần đo liên tiếp. Đối với giá trị cho
trước của đại lượng cần đo, sai số hệ thống có thể khơng đổi hoặc thay đổi chậm
theo thời gian đo. Sai số hệ thống thường có nguyên nhân do sự hiểu biết sai lệch và
không đầy đủ về hệ đo hay do điều kiện sử dụng không tốt. Các nguyên nhân gây
nên sai số hệ thống:
+ Sai số do giá trị đại lượng chuẩn không đúng.
+ Sai số do đặc tính của cảm biến.
+ Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng.
+ Sai số do xử lý kết quả đo.
- Sai số ngẫu nhiên là sai số mà sự xuất hiện của chúng có biên độ và dấu
không xác định. Một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể dự đốn được

2


nhưng độ lớn của chúng thì khơng thể biết trước được. Các nguyên nhâ gây sai số
ngẫu nhiên:

+ Sai số do tính khơng xác định của thiết bị.
+ Sai số do tín hiệu ngẫu nhiên.
+ Sai số do các đại lượng ảnh hưởng.
Trong nhiều trường hợp ta có thể giảm độ lớn của các sai số ngẫu nhiên bằng
một biện pháp thích hợp như: bảo vệ mạch đo bằng cách ổn định nhiệt độ và độ ẩm
của môi trường đo, sử dụng giá đỡ chống rung, sử dụng các bộ điều chỉnh điện áp
nguồn nuôi, các bộ chuyển đổi tương tự số có độ phân giải thích hợp, che chắn và
nối đất các thiết bị điện, sử dụng bộ lọc tín hiệu… Ngồi ra việc vận hành đúng đắn
cũng là biện pháp tốt để giảm thiểu sai số ngẫu nhiên.
1.2.3 Độ chính xác và độ chính xác lặp lại
- Độ chính xác là đặc trưng của thiết bị cho ra kết quả đo gần với giá trị thực
của đại lượng cần đo.
- Độ chính xác lặp lại là miền giá trị đầu ra có thể nhận được khi cảm biến đo
cùng một giá trị đầu vào nhiều lần.
1.2.4 Độ phân giải
Độ phân giải đối với mỗi cảm biến là sự thay đổi lớn nhất của giá trị đo mà
không làm giá trị đầu ra của cảm biến thay đổi. Nói cách khác là giá trị được đo có
thể thay đổi bằng độ lớn của độ phân giải mà không làm thay đổi giá trị đầu ra của
cảm biến.
1.2.5 Độ tuyến tính
Bộ cảm biến được gọi là tuyến tính trong một giải đo xác định nếu trong giải
đó độ nhạy S không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo. Bộ cảm biến là lí tưởng
khi mà đầu ra tuyến tính chính xác với đại lượng đo nhưng thực tế khơng có đầu đo
nào được hồn hảo như thế.
Nếu cảm biến khơng tuyến tính người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu
chỉnh sao cho các tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi đại lượng đo
ở đầu vào, sự điều chỉnh đó gọi là tuyến tính hóa.

3



1.2.6 Độ nhanh, thời gian hồi đáp
- Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá xem đại lượng đầu ra
có theo kịp thời gian với biến thiên của đại lượng đo hay khơng. Vì vậy cảm biến có
độ nhanh càng lớn càng tốt, điều này rất quan trọng với các thiết bị chuyển đổi tốc
độ cao như robot, máy công cụ điều khiển số.
- Thời gian hồi đáp là thời gian từ khi tín hiệu đo biến thiên đến khi có tín hiệu
ra từ cảm biến. Như vậy, cảm biến càng nhanh thì thời gian hồi đáp càng ngắn.
1.2.7 Giới hạn sử dụng cảm biến
Trong quá trình làm việc cảm biến ln chịu đựng lực cơ khí hoặc nhiệt tác
động lên chúng, nếu các điều này vượt quá ngưỡng cho phép thì chúng sẽ làm thay
đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng chúng ta phải hiểu rõ
những giới hạn này và tuân thủ chúng.
- Vùng làm việc danh định: Vùng này tương ứng với điều kiện sử dụng bình
thường của cảm biến, giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo,
các đại lượng vật lí có liên quan tới đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có
thể thường xun đạt tới mà khơng làm thay đổi tới các đặc trưng làm việc danh
định của cảm biến.
- Vùng không gây hư hỏng: Khi các giá trị đại lượng đo hoặc các đại lượng
liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt quá ngưỡng vùng làm việc danh định
nhưng vẫn còn trong phạm vi của vùng không gây hư hỏng, các đặc trưng của cảm
biến nguy cơ bị thay đổi nhưng những thay đổi này có tính chất thuận nghịch, tức là
khi trở về vùng danh định thì các đặc trưng của cảm biến cũng sẽ tìm lại được giá trị
ban đầu của chúng.
- Vùng không phá hủy: Khi các giá trị của đại lượng đo hoặc các đại lượng
không liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt quá ngưỡng của vùng không gây
nên hư hỏng nhưng vẫn nằm trong phạm vi của vùng khơng phá hủy thì các đặc
trưng của cảm biến bị thay đổi, và sự thay đổi này không thuận nghịch. Có nghĩa là
khi trở về vùng danh định, các đặc trưng của cảm biến cũng sẽ khơng tìm lại được
giá trị ban đầu của chúng [1].


4


1.3 Các đặc trưng của kĩ thuật đo lường
1.3.1 Đại lượng đo (hay tín hiệu đo)
a. Theo tính chất thay đổi của đại lượng đo
- Đại lượng đo ngẫu nhiên tiền định: là đại lượng đo đã biết trước được quy
luật thay đổi của nó theo thời gian nhưng có một số thông số cần phải đo là biên độ,
tần số, góc pha…
- Đại lượng đo ngẫu nhiên: là đại lượng đo có sự biến đổi theo thời gian một
cách khơng có quy luật, nếu lấy bất kì giá trị nào của tín hiệu thì đó đều là giá trị
ngẫu nhiên.
Trong thực tế, đa số các dạng tín hiệu đo đều là ngẫu nhiên. Tuy nhiên, ở một
chừng mực nào đó ta có thể giả thiết rằng trong suốt quá trình diễn ra phép đo, đại
lượng đo là tín hiệu thay đổi chậm hoặc không thay đổi theo quy luật đã biết.
Trong trường hợp đại lượng đo ngẫu nhiên biến đổi theo một tần số rất lớn thì
khơng sử dụng được các phép đo thông thường mà phải đo bằng phương pháp đo
lường thống kê.
b. Theo cách biến đổi tín hiệu đo
- Tín hiệu đo liên tục (tương tự): là biến đổi tín hiệu đo thành dạng tín hiệu
khác tương tự với nó. Ứng với nó là các thiết bị đo tương tự.
- Đại lượng đo rời rạc (số): là biến đổi tín hiệu đo thành tín hiệu số. Ứng với
nó là các thiết bị đo số.
c. Theo bản chất của đại lượng đo
- Đại lượng đo năng lượng: là đại lượng đo mà bản thân nó mang năng lượng
như sức điện động, điện trường, từ trường, công suất,…
- Đại lượng đo thông số: là các thông số của mạch điện như điện trở, điện
cảm, điện dung hoặc các đại lượng đo vị trí, kích thước.
- Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: chu kì, tần số, góc pha

- Các đại lượng không điện: để thực hiện đo được bằng phương pháp điện địi
hỏi phải có sự chuyển đổi chúng về dạng tín hiệu điện bằng bộ chuyển đổi đo lường
sơ cấp.

5


1.3.2 Điều kiện đo
Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh ra đại lượng
đo. Khi đo phải đảm bảo được các ảnh hưởng của môi trường đến thiết bị đo, đồng
thời bản thân của thiết bị đo cũng không được gây ảnh hưởng tới đại lượng đo.
1.3.3 Thiết bị đo
Là thiết bị kĩ thuật dùng để gia cơng tín hiệu mang thơng tin đo thành dạng
tiện lợi cho người quan sát. Chúng có các tính chất đo lường học tức là các tính chất
ảnh hưởng đến kết quả đo và sai số của phép đo [3].
1.4 Giới thiệu về vi điều khiển
1.4.1 Khái quát về vi điêu khiển
Năm 1976, hãng Intel giới thiệu bộ vi điều khiển 8748, mở đầu cho họ vi
điều khiển MCU-48. 8747 là một vi mạch chứa hơn 17.000 transistor bao gồm
CPU, 1kbyte bộ nhớ ROM, 64KB RAM, một bộ đếm/định thời 8 bit và 27 chân
vào/ra.
Vi điều khiển (MCU-viết tắt của cụm từ ‘Micro Control Unit’) có thể được
coi như một máy tính thu nhỏ trên một chíp, nó cịn có thể hoạt động với một vài
linh kiện phụ trợ ở bên ngoài. Sau 8748, các bộ vi điều khiển mới tiếp tục được
các hãng sản xuất như Intel, Atmel, Simens…giới thiệu cho các ứng dụng nhúng.
a. Kiến trúc vi điều khiển
Thực ra vi điều khiển cũng là một cấu trúc nhỏ, gồm các linh kiện điện tử ở
kích thước micro hoặc nano, các linh kiện này được kết hợp với nhau và được nối
với các thiết bị bên ngồi qua các chân vi điều khiển.
Kiến trúc máy tính hay kiến trúc vi điều khiển cũng tương tự nhau. Do đó,

các bạn có thể tìm hiểu về kiến trúc máy tính để hiểu rõ về kiến trúc vi điều khiển.
Hai kiến trúc vi điều khiển rất phổ biến hiện nay là kiến trúc Von Neumann và kiến
trúc Harvard. Sự khác biệt chủ yếu giữa hai kiến trúc này chính là việc tổ chức bộ
nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình. Kiến trúc Von Neumann tổ chức bộ nhớ dữ
liệu và bộ nhớ chương trình chung với nhau. Chính vì vậy, đường truyền (bus) của
kiến trúc Von Neumann là đường truyền chung. Trong khi đó, kiến trúc Harvard
tách rời bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình.

6


Mỗi kiến trúc có một lợi điểm khác nhau, kiến trúc Von Neumann tận dụng
được tài nguyên bộ nhớ, trong khi đó kiến trúc Harvard sẽ đạt tốc độ xử lý cao
hơn. Mặt khác, đường truyền dữ liệu và đường truyền lệnh điều khiển (chương
trình) có thể có dung lượng khác nhau.
b. Tập lệnh
Tập lệnh ở đây được coi là tập mã lệnh nhị phân, bản chất của tập lệnh là một
tập hợp các mã nhị phân, mà từ đó các đơn vị xử lý trung tâm (CPU) nhận biết và
thực hiện. Dữ liệu được CPU xử lý là các số nhị phân. Chính vì vậy, tập lệnh
thực hiện các việc chính sau:
- Tính tốn các con số nhị phân.
- Các lệnh để chuyển các giá trị ra thành tín hiệu điện tử ở chân linh kiện.
- Các lệnh di chuyển các giá trị giữa các thanh ghi.
- Các lệnh điều khiển con trỏ chương trình.
c. Chức năng
Hiện nay rất nhiều loại vi điều khiển ra đời, và rất nhiều tính năng được tích
hợp vào trong vi điều khiển dưới dạng phần cứng. Tuy nhiên, nhìn chung lại thì mọi
việc cũng đều nằm ở việc điều khiển động cơ và đọc cảm biến. Đại đa số những gì
tự động đều có dính đến động cơ trong đó, vì nếu khơng có động cơ thì làm sao
mà nó biến đổi điện năng thành cơ năng. Khi đó, ta sẽ phải thiết kế một cảm biển

để quan sát.
1.4.2 Các bộ vi điều khiển
a. Các bộ vi điều khiển và các bộ xử lý nhúng
Trong mục này chúng ta bàn về nhu cầu đối với các bộ vi điều khiển và so
sánh chúng với các bộ vi xử lý cùng dạng như Pentium và các bộ vi xử lý 86 khác.
Chúng ta sẽ cùng xem xét vai trò của các vi điều khiển trong các sản phẩm nhúng.
Ngoài ra, chúng ta cung cấp một số tiêu chuẩn và cách lựa chọn một bộ vi điều
khiển như thế nào.
b. Định nghĩa bộ vi xử lý
Bộ vi xử lý (VXL) ở đây là các bộ vi xử lý công dụng chung như họ Intell 86
(8086, 80286, 80386), Pentium hoặc họ Motorola 6800(68000, 68010, 68020,
68030…). Những bộ vi xử lý này khơng có RAM, ROM và khơng có các cổng vào ra

7


trên chip. Với lý do đó mà chúng được gọi chung đó là các bộ vi xử lý cơng dụng
chung.
Khi ta sử dụng một bộ vi xử lý công dụng chung chẳng hạn như Pentium hay
68040 phải bổ sung thêm RAM, ROM, các cổng vào ra và các bộ định thời ngoài
để làm cho chúng hoạt động được. Mặc dù bổ sung thêm RAM, ROM và các cổng
vào ra bên ngoài làm cho hệ thống cồng kềnh và đắt hơn, nhưng chúng có ưu điểm
là linh hoạt chẳng hạn như người thiết kế có thể quyết định về số lượng RAM,
ROM và các cổng ra vào cần thiết phù hợp với bài tốn.
Điều này khơng thể có được đối với các bộ vi điều khiển. Một bộ vi điều
khiển có một CPU cùng với một lượng cố định RAM, ROM, các cổng vào ra và
một bộ định thời tất cả trên cùng một chip. Hay nói cách khác là bộ xử lý, RAM,
ROM các cổng vào ra và bộ định thời đều được nhúng với nhau trên một chip. Do
vậy, người thiết kế không thể bổ sung thêm bộ nhớ ngồi, cổng vào ra hoặc bộ
định thời cho nó. Số lượng cố định của RAM, ROM trên chip và số các cổng vào

ra trong các bộ vi điều khiển làm cho chúng trở nên lý tưởng đối với nhiều ứng
dụng mà trong đó giá thành và khơng gian lại hạn chế. Trong nhiều ứng dụng, ví
dụ như bộ điều khiển TV từ xa thì khơng cần cơng suất tính tốn của bộ vi xử lý
486 hoặc thậm chí như 8086. Trong rất nhiều ứng dụng thì khơng gian nó chiếm,
cơng suất nó tiêu tốn và giá thành trên một đơn vị là những cân nhắc nghiêm ngặt
hơn nhiều so với cơng suất tính tốn. Những ứng dụng thường u cầu một số thao
tác vào – ra để đọc các tín hiệu và tắt – mở những bit nhất định.
c. Lựa chọn một bộ vi điều khiển
Các bộ vi điều khiển 8 bít chính đó là 6811 của Motorola, 8051 của Intel và
Pic 16 của Microchip. Mỗi một kiểu loại trên đây đều có một tệp lệnh và thanh ghi
riêng duy nhất. Cũng có những bộ vi điều khiển 16 bit và 32 bit được sản xuất bởi
các hãng sản xuất chíp khác nhau. Có 3 tiêu chuẩn để lựa chọn các bộ vi điều khiển
là:
- Đáp ứng nhu cầu tính toán của bài toán một cách hiệu quả về mặt giá
thành và đầy đủ chức năng có thể nhìn thấy được .
- Có sẵn các cơng cụ phát triển phần mềm chẳng hạn như các trình biên
dịch, trình hợp ngữ và gỡ rối.

8


- Nguồn các bộ vi điều khiển có sẵn nhiều và tin cậy [5].
1.5 Họ vi điều khiển 8051
1.5.1 Tóm tắt về họ vi điều khiển 8051
Vào năm 1981, hãng Intel giới thiệu một số bộ vi điều khiển được gọi là
8051. Bộ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4K byte ROM, hai bộ định thời, một
cổng nối tiếp và 4 cổng 8 bit. Tất cả đều được tích hợp trên một chip. Lúc bấy giờ,
bộ vi điều khiển như vậy được coi là một “hệ thống trên chip”. 8051 là một bộ xử
lý 8 bit, tức là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu. Dữ liệu lớn hơn 8 bit được
chia thành các dữ liệu 8 bit để xử lý. 8051 có tất cả 4 cổng I/O mỗi cổng rộng 8 bit,

có thể có một ROM trên chip cực đại là 64 Kbyte. Tuy nhiên, lúc đó các nhà sản
xuất đã cho xuất xưởng chỉ với 4 Kbyte ROM trên chip. 8051 đã trở nên phổ biến
sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán bất kỳ dạng biến thể
nào của 8051 mà họ thích với điều kiện họ phải để mã chương trình tương thích
với 8051. Từ đó dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bản của 8051 với các tốc độ khác
nhau. Tuy nhiên, điều quan trọng là mặc dù có nhiều biến thể của 8051 khác nhau
về tốc độ và dung lượng nhớ ROM trên chip, nhưng tất cả các lệnh đều tương thích
với 8051 ban đầu. Điều này có nghĩa là nếu viết chương trình cho một phiên bản
nào đó thì nó cũng sẽ chạy với mọi phiên bản bất kỳ khác mà không phân biệt nó từ
hãng sản xuất nào.
1.5.2 Đặc tính vi điều khiển 8051
Bộ vi điều khiển 8051 là thành viên đầu tiên của họ 8051. Hãng Intel ký hiệu
nó như là MCS51.
Bảng 1.1 Các đặc tính của 8051 đầu tiên
Đặc tính

Số lượng

ROM trên chíp

4k byte

RAM

128 byte

Bộ định thời

2


Các chân vào-ra

32

Cổng nối tiếp

1

Nguồn ngắt

6

9


1.5.3 Sơ đồ khối của họ 8051

Hình 1.1 Sơ đồ khối bên trong của 8051.
- Interrupt control: Điều khiển ngắt.
- Other registes: Các thanh ghi khác.
- 128 Byte RAM: RAM 128 Byte.
- Timer 0, 1, 2: Bộ định thời 0, 1, 2.
- CPU: Đơn vị điều khiển trung tâm.
- Oscillator: Mạch dao động.
- Bus control: Điều khiển Bus.
- I/O ports: Các ports vào/ra
- Serial port: Port nối tiếp.
- Address/data: Địa chỉ/dữ liệu [2].

10



1.5.4 Thành viên họ vi điều khiển 8051
a. Bộ vi điều khiển 8052
Bộ vi điều khiển 8052 là một thành viên khác của họ 8051, 8952 có tất cả đặc
tính chất của 8051 ngồi ra nó có thêm 128 byte RAM và một bộ định thời nữa.
Hay nói cách khác là 8052 có 256 byte RAM 3 bộ định thời và có 8 Kbyte ROM
trên chip thay vì 4 Kbyte như 8051.
Bảng 1.2 So sánh các đặc tính của các thành viên họ 8051
Đặc tính

8051

8052

ROM trên chíp

4K byte

8K byte

RAM

128 byte

256 byte

128 byte

Bộ định thời


2

3

2

Chân vào-ra

32

32

32

Cổng nối tiếp

1

1

1

Nguồn ngắt

6

8

6


8031

Như nhìn thấy từ bảng 1.2 thì 8051 là tập con của 8052, do vậy tất cả mọi
chương trình viết cho 8051 đều chạy trên 8052 nhưng điều ngược lại là không
đúng.
b. Bộ vi điều khiển 8031
Một họ vi điều khiển khác nữa của 8051 là chip 8031. Chip này thường được
coi như là 8051 khơng có ROM trên chip vì nó có 0 Kbyte ROM trên chip. Để sử
dụng chip này ta phải bổ sung ROM ngồi cho nó. ROM ngồi phải chứa
chương trình mà 8031 sẽ nạp và thực hiện. Để giải quyết vấn đề này ta có thể bổ
sung cổng vào–ra cho 8031, ghép nối 8031 với bộ nhớ và cổng vào–ra chẳng hạn
với chip 8255. Ngồi ra cịn có các phiên bản khác nhau về tốc độ của 8031 từ các
hãng sản xuất khác nhau.
c. Bộ vi điều khiển 8731
Chip 8751 chỉ có 4 Kbyte bộ nhớ UV – EPROM trên chip. Để sử dụng chip
này để phát triển yêu cầu truy cập đến một bộ đốt PROM cũng như bộ xóa UV
– EPROM để xóa nội dung của bộ nhớ UV – EPROM bên trong 8751 trước khi
ta có thể lập trình lại nó. Do một thực tế là ROM trên chip đối với 8751 là UV-

11


EPROM nên cần phải mất 20 phút để xóa 8751 trước khi nó có thể lập trình trở
lại. Điều này đã dẫn đến nhiều nhà sản xuất giới thiệu các phiên bản FLASH ROM
và UV – RAM của 8751 từ nhiều hãng khác nhau.
d. Bộ vi điều khiển AT8951 tử corporation
Chip 8051 phổ biến này có ROM trên chip ở dạng bộ nhớ Flash. Điều này là
lý tưởng đối với những phát triển nhanh vì bộ nhớ Flash có thể được xóa trong vài
giây trong tương quan so với 20 phút hoặc hơn mà 8751 yêu cầu. Vì lý do này mà

AT89C51 để phát triển một hệ thống dựa trên bộ vi điều khiển yêu cầu một bộ đốt
ROM mà có hỗ trợ bộ nhớ Flash, tuy nhiên lại khơng yêu cầu bộ xóa ROM. Lưu ý
rằng trong bộ nhớ Flash ta phải xóa tồn bộ nội dung của ROM nhằm để lập trình
lại cho nó. Việc xóa bộ nhớ Flash được thực hiện bởi chính bộ đốt PROM và đây
chính là lý do tại sao lại khơng cần đến bộ xoá. Để loại trừ nhu cầu đối với một bộ
đốt PROM hãng Atmel đang nghiên cứu một phiên bản của AT89C51 có thể được
lập trình qua cổng truyền thơng COM của máy tính IBM PC [6].
1.6 Kết luận chương 1
Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu cơ bản về lý thuyết đo lường cảm
biến, các thông số đặc trưng của cảm biến, các đặc trưng của kỹ thuật đo lường,
tổng quan về vi điều khiển và họ vi điều khiển 8051.

12


CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN CHÍNH SỬ DỤNG TRONG MẠCH
2.1 Vi điều khiển 89S52
2.1.1 Cấu hình của 89S52
AT89S52 cung cấp những đặc tính chuẩn như: 8Kbyte bộ nhớ chỉ có thể xóa
và lập trình nhanh (EPROM), 128 byte RAM, 32 đường vào/ra, 3 timer/counter 16
bit, 6 vecto ngắt có cấu trúc 2 mức ngắt, một Port nối tiếp bán song công, 1 mạch
dao động tạo xung Clock và bộ dao động ON-CHIP. Các đặc điểm của chip
AT89S52 được tóm tắt như sau:
- 8 KByte bộ nhớ có thể lập trình nhanh, có khả năng tới 1000 chu kỳ ghi/xố
- Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz
- 3 mức khóa bộ nhớ lập trình
- 3 bộ Timer/counter 16 Bit
- 128 Byte RAM nội.
- 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit.
- Giao tiếp nối tiếp.

- 64KB vùng nhớ mã ngoài.
2.1.2 Sơ đồ và chức năng chân của 89S52

Hình 2.1 Sơ đồ chân của 89S52
- Port 0: Port 0 từ chân 32 đến chân 39 (P0.0 _P0.7) có 2 chức năng. Trong
các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó được sử dụng làm nhiệm vụ

13


xuất/nhập. Trong các thiết kế lớn hơn có bộ nhớ ngoài, port 0 trở thành bus địa chỉ
và bus dữ liệu đa hợp.
- Port 1: Từ chân 1 đến chân 8 (P1.0 _ P1.7). Port 1 là port IO dùng cho giao
tiếp với thiết bị bên ngoài nếu cần.
- Port 2: Từ chân 21 đến chân 28 (P2.0 _P2.7). Port 2 là một port có tác dụng
kép dùng như các đường xuất/nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các
thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng.
- Port 3: Từ chân 10 đến chân 17 (P3.0 _ P3.7). Port 3 là port có tác dụng kép.
Các chân của port này có nhiều chức năng, có cơng dụng chuyển đổi có liên hệ đến
các đặc tính đặc biệt của 89S52 như ở bảng sau:
Bảng 2.1 Chức năng các chân của port 3
Bit

Tên

Chức năng

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho Port nối tiếp
P3.1 TXD Dữ liệu truyền cho Port nối tiếp
P3.2 INT0 Ngắt bên ngoài 0

P3.3 INT1 Ngắt ngoài 1
P3.4 T0

Ngõ vào của Timer/counter0

P3.5 T1

Ngõ vào của Timer/counter1

P3.6 /WR

Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài.

P3.7 /RD

Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài.

- PSEN (Program store enable): Chân cho phép bộ nhớ chương trình.
PSEN là tín hiệu ngõ ra có tác dụng cho phép đọc bộ nhớ chương trình mở
rộng và thường được nối đến chân OE của Eprom cho phép đọc các byte mã lệnh.
PSEN ở mức thấp trong thời gian 89S52 lấy lệnh. Các mã lệnh của chương trình
được đọc từ Eprom qua bus dữ liệu, được chốt vào thanh ghi lệnh bên trong 89S52
để giải mã lệnh. Khi 89S52 thi hành chương trình trong ROM nội, PSEN ở mức cao.
- ALE (Address Latch Enable): Chân cho phép chốt địa chỉ
Khi 89S52 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, Port 0 có chức năng là bus địa chỉ và
dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ. Tín hiệu ra ALE ở chân thứ 30
dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khi kết nối

14



chúng với IC chốt. Tín hiệu ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0
đóng vai trị là địa chỉ thấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động.
- EA (External Access): Chân truy xuất ngồi
Tín hiệu vào EA (chân 31) thường được mắc lên mức 1 hoặc mức 0. Nếu ở
mức 1, 89S52 thi hành chương trình từ bộ nhớ ROM nội. Nếu ở mức 0, 89S52 thi
hành chương trình từ bộ nhớ ROM ngoại. Chân EA được lấy làm chân cấp nguồn
21V khi lập trình cho Eprom trong 89S52.
- RST: Chân reset
Khi ngõ vào tín hiệu này đưa lên mức cao ít nhất 2 chu kỳ máy, các thanh ghi
bên trong được nạp những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống. Khi cấp điện
mạch phải tự động reset.

Hình 2.2 Mạch reset
- Các ngõ vào bộ dao động X1, X2:
Bộ tạo dao động được tích hợp bên trong 89S52. Khi sử dụng 89S52, người ta
chỉ cần nối thêm thạch anh và các tụ. Tần số thạch anh tùy thuộc vào mục đích của
người sử dụng [4].

Hình 2.3 Mạch dao động

15


2.1.3 Tổ chức bộ nhớ bên trong 89S52
Bộ nhớ trong 89S52 bao gồm ROM và RAM. RAM trong 89S52 bao gồm
nhiều thành phần: phần lưu trữ đa dụng, phần lưu trữ địa chỉ hóa từng bit, các bank
thanh ghi và các thanh ghi chức năng đặc biệt.
AT89S52 có bộ nhớ được tổ chức theo cấu trúc Harvard: có những vùng bộ nhớ
riêng biệt cho chương trình và dữ liệu. Chương trình và dữ liệu có thể chứa bên

trong 89S52 nhưng 89S52 vẫn có thể kết nối với 64K byte bộ nhớ chương trình và
64K byte dữ liệu bên ngồi.
Bảng 2.2 Bản đồ bộ nhớ Data bên trong Chip 89S52 được tổ chức như sau:

- RAM đa dụng
RAM đa dụng có địa chỉ từ 30h đến 7Fh có thể truy xuất mỗi lần 8 bit bằng
cách dùng chế độ định địa chỉ trực tiếp hay gián tiếp.

16