NGHIÊN CỨU LẮP RÁP MÁY ĐO TẦN SỐ ÂM TẦN HIỂN THỊ SỐ Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ

Vì vậy, yêu cầu đặt ra là phải có một máy đo tần số để có thể xác định và kiểm chứng được tần số âm tần của máy phát xung bất kỳ một cách đơn giản, phổ thông.. Phương pháp nghiên cứu Ph

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA V ẬT LÝ

VƯƠNG PHÚ TÀI

Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ

Mã số : 102

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: ThS Phan Thanh Vân

Thành ph ố Hồ Chí Minh – năm 2013

L ỜI CẢM ƠN

Thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp đại học đối với tôi rất đặc biệt Trong suốt khoảng thời gian này, tôi đã học được nhiều điều mới rất bổ ích cho niềm đam mê nghiên cứu khoa học của tôi Muốn thực hiện và hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp, tôi

nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ gia đình, thầy cô, bạn bè Tôi xin chân thành gửi lời

cảm ơn đến

− Gia đình vì đã sinh ra, nuôi nấng và động viên tôi kịp thời

− Thầy Phan Thanh Vân đã có những hướng dẫn tận tình, sâu sát, đôn đốc trong quá trình hoàn thành luận văn

− Thầy Cao Anh Tuấn và thầy Trần Đặng Bảo Ân đã tạo điều kiện sử dụng phòng thí nghiệm hiệu quả để hoàn thành tốt luận văn

− Các thầy cô trong trong hội đồng phản biện đã giúp tôi hoàn thiện, điều chỉnh

luận văn một cách tốt nhất có thể

− Các thầy cô trong khoa đã tạo điều kiện thực hiện cho tôi được thực hiện luận văn

− Các bạn bè đã động viên, hỗ trợ về mặt tinh thần cũng như chuyên môn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời chúc sức khỏe tới quý thầy cô trong khoa Vật Lý và mong khoa ngày càng phát triển hơn nữa

M ỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIC 11

1.1 Các hệ thống số 11

1.2 Mã và mã ASCII 13

1.2.1 Khái niệm về mã 13

1.2.2 Mã ký tự ASCII 13

1.3 Sơ lược về PIC 13

1.3.1 Sơ lược lịch sử phát triển 13

1.3.2 Một số đặc tính chung của vi điều khiển PIC 14

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ LINH KIỆN LIÊN QUAN – NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG MẠCH 555 VÀ MẠCH ĐO TẦN SỐ 17

2.1 IC 78XX 17

2.2 Thạch anh 19

2.3 LCD 19

2.3.1 Phân loại 19

2.3.2 Ý nghĩa các chân 20

2.3.3 Thanh ghi và tổ chức bộ nhớ 21

2.3.4 Tập lệnh của LCD 23

2.3.5 Giao tiếp và nguyên tắc hiển thị ký tự trên LCD 25

2.4 Vi điều khiển 16F887 27

2.4.1 Sơ đồ và tên các khối của 16F887 27

2.4.2 Sơ đồ và chức năng của các chân 29

2.4.3 Tổ chức bộ nhớ 31

2.4.4 Các bộ định thời 34

2.5 OPAMP 35

2.5.1 Định nghĩa 35

2.5.2 Khuếch đại thuật toán làm việc ở chế độ khóa 37

2.6 PC 900V 37

2.7 Flip – Flop 39

2.8 IC 555 40

2.8.1 Sơ đồ và chức năng các chân của IC 555 40

2.8.2 Sơ đồ khối và nguyên tắc hoạt động của IC555 41

2.9 Sơ đồ mạch tạo xung vuông dùng 555 và nguyên tắc hoạt động 42

2.10 Nguyên tắc hoạt động mạch đo tần số 43

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG – THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ MẠCH IN 45

3.1 Mô phỏng bằng Proteus 45

3.2 Mạch tạo xung dùng 555 48

3.2.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 48

3.2.2 Thiết kế mạch in 60

3.3 Mạch đo tần số 68

3.4 Thi công mạch in bằng phương pháp ủi thủ công 70

3.4.1 In mạch 70

3.4.2 Cắt board 70

3.4.3 Ủi mạch 70

3.4.4 Ngâm 71

3.4.5 Khoan 71

3.4.6 Hàn linh kiện 71

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ 72

4.1 Mạch đo tần số 72

4.1.1 Thực hành trên Testboard 72

4.1.2 Mạch sau khi gia công và hàn linh kiện 72

4.1.3 Máy đo tần số hoàn chỉnh 73

4.2 Mạch tạo xung dùng IC 555 73

4.2.1 Thực hành trên Testboard và quan sát tín hiệu qua dao động ký điện tử 73

4.2.2 Mạch tạo xung hoàn chỉnh 74

4.3 Đo tần số từ mạch phát xung 555 sử dụng máy đo tần số 74

4.3.1 Thực hành trên Testboard 74

4.3.2 Kết quả thực nghiệm 75

4.4 Đo tần số từ máy phát xung chuẩn 75

4.5 Kết luận và hướng phát triển 78

4.5.1 Kết luận 78

4.5.2 Hướng phát triển 78

PHỤ LỤC 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ

2.3 Hình dạng thạch anh sau khi gia công dùng trong các mạch điện tử 17

2.13 Thứ tự các bit trên thanh ghi OPTION_REG 31

2.21 Đường đặc tính OPAMP làm việc ở chế độ khóa 35

3.12 Hộp thoại New Project sau khi chọn xong thư mục 49

3.14 Hộp thoại Design Templates 50

3.17 Vị trí các linh kiện sau khi sắp xếp xong 52

3.20 Khung Libraries sau khi thêm thư viện layout 53

3.24 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung dùng IC 555 55

3.32 Chọn file MNL đã tạo ở sơ đồ nguyên lý 59

3.34 Thông báo thông số các linh kiện đã chọn 60

3.36 Giao diện Orcad Layout sau khi tạo file max 61

3.40 Khung Layer sau khi chọn xong lớp vẽ mạch in 63

3.43 Hộp thoại Nets sau khi điều chỉnh các thông số 65

3.46 Mạch in mạch tạo xung dùng IC555 hoàn chỉnh 66

4.2 Mạch đo tần số sau khi thi công, hàn linh kiện 70

4.5 Quan sát tín hiệu mạch tạo xung tạo ra qua dao động ký 72 4.6 Mạch tạo xung sau khi thi công, hàn linh kiện 72

4.10 Đồ thị so sánh tần số đo được của máy đo âm tần và máy phát xung

DANH M ỤC CÁC BẢNG

B ảng Di ễn giải Trang

2.1 Giá trị điện áp ra của một số họ IC 78XX và 79XX 15 2.2 Thứ tự và chức năng các chân của Text LCD 19

M Ở ĐẦU

1 Lý do ch ọn đề tài

Hàng ngày, khi ta thức dậy thì lại có thêm rất nhiều thông tin về công nghệ mới được cập nhật Đa số trong các công nghệ này liên quan đến lĩnh vực điện – điện tử như máy tính bảng, điện thoại thông minh, Điều này chứng tỏ sự phát triển nhanh và

mạnh của lĩnh vực điện tử là không có giới hạn Do đó, việc học tập và nghiên cứu các

vấn đề liên quan đến điện – điện tử là việc làm hết sức đúng đắn và cần thiết trong thời đại số hiện nay Đối với sinh viên khoa Vật Lý – Trường Đại học Sư phạm thành phố

Hồ Chí Minh đã được làm quen với các kiến thức căn bản về linh kiện điện tử, xung, các mạch phát xung thì việc tiếp cận càng phải được quan tâm với mức độ cần thiết Đặc trưng của xung là tần số và chúng ta đã có một vài phương pháp như đo trực tiếp

bằng dao động ký điện tử, phương pháp Lissajous Tuy nhiên, các phương pháp đo trên còn khá phức tạp về thao tác, tính toán Vì vậy, yêu cầu đặt ra là phải có một máy

đo tần số để có thể xác định và kiểm chứng được tần số âm tần của máy phát xung bất

kỳ một cách đơn giản, phổ thông Xuất phát từ yêu cầu đó, tôi quyết định sử dụng vi điều khiển để thiết kế và lắp ráp máy đo âm tần hiển thị số

2 M ục đích đề tài

Lắp ráp được máy đo âm tần và so sánh kết quả của máy đo với tần số do máy phát xung chuẩn phát ra Qua đó, phục vụ cho công tác giảng dạy phần đo tần số của máy phát xung

3 N ội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu những kiến thức về điện – điện tử, các linh kiện điện tử

- Nghiên cứu về vi điều khiển về cấu trúc phần cứng, cách lập trình; và LCD về

cấu trúc, cách giao tiếp

- Thiết kế, chế tạo, giới thiệu nguyên lý hoạt động của máy phát xung dùng IC

555 và máy đo âm tần

- So sánh tần số của máy đo âm tần với tần số của máy phát xung chuẩn và rút

ra kết luận

4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

- Kiến thức cơ bản về điện – điện tử, vi điều khiển

- Thiết kế và chế tạo mạch điện tử

- Lý thuyết đo tần số của máy phát

Ph ạm vi nghiên cứu

- Máy phát xung dùng IC 555

- Máy đo âm tần hiển thị số trên LCD sử dụng vi điều khiển PIC 16F887

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

Tìm hiểu kiến thức căn bản về điện – điện tử Xác định và tìm hiểu các linh

kiện phục vụ cho đề tài về cấu tạo, nguyên lý hoạt động Thiết kế mạch in, chế tạo

mạch điện tử Ứng dụng thiết bị vừa chế tạo để đo đạc lấy số liệu thực nghiệm Rút ra

kết luận

6 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Đọc, nghiên cứu kỹ các cơ sở lý thuyết về

mạch điện, quá trình thiết kế mạch điện, vi điều khiển, cách đo tần số

Phương pháp chuyên gia: tiến hành lấy ý kiến, ghi chép chu đáo của giảng viên, các bạn để xây dựng sơ đồ nguyên lý và mạch in chính xác, phù hợp

Phương pháp thực nghiệm khoa học: Kiểm tra cấu tạo và hoạt động của mạch trên phần mềm mô phỏng Protues, Test board Sửa chữa các sai sót, tối ưu hóa mạch điện để vẽ và thiết kế mạch in

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIC

Chương này sẽ trình bày những kiến thức cơ bản, phổ thông nhất về PIC và vi điều khiển 16F887 PIC nói chung hay vi điều khiển nói riêng và thậm chí LCD được

đề cập ở chương sau đều là các linh kiện số nên muốn làm việc với nó thì ta phải nắm được ngôn ngữ của chúng Do đó, đầu tiên chương này sẽ điểm qua một số hệ thống

số, cách chuyển đổi giữa chúng Tiếp theo, tôi sẽ trình bày về PIC và cụ thể hóa bằng

vi điều khiển 16F887

1.1 Các h ệ thống số

− Hệ thống số là tập hợp các ký tự và mối quan hệ giữa các ký tự đó để biểu diễn các số

− Trong cuộc sống hàng ngày, ta đã quen với việc sử dụng hệ thống số thập phân Tuy nhiên, trong các thiết bị số nói chung, thường sử dụng hệ nhị phân (binary),

hệ bát phân (octan), hệ thập lục phân (hexadecimal) Các hệ thống số khác nhau được phân biệt bằng cơ số của hệ Cơ số của một hệ thống số là số ký tự phân

biệt để biểu diễn số trong hệ đó Ví dụ trong hệ thập phân có 10 ký tự phân biệt

0, 1, 2, 3, …, 9; còn trong hệ nhị phân chỉ có hai ký tự phân biệt là 0 và 1 [6]

− Người ta có thể biểu diễn bất kỳ một số S nào trong hệ thống cơ số A theo đa

thức khai triển sau đây:

(S)A = CnAn + Cn – 1An –1 + … + C0A0 + C–1A–1 + … + C–mA– m (I.1) Hay

n

i

i m

(S) C A (I.2)

=−

= ∑ Trong đó 0 < Ci < A – 1

Ví dụ: (1111)2 = 1 x 23 + 1 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20

− Các hệ thống số đếm được phân làm hai loại là loại có trọng số (như hệ thập phân, hệ nhị phân v.v ) và loại không có trọng số (như hệ nhị phân quá 3, hệ nhị phân Gray,…)

− Trọng số của một hệ đếm đặc trưng cho vị trí của ký tự đó nằm trong dãy ký tự

biểu diễn cho một con số trong hệ đó Trong hệ thức (I.1) và (I.2) các hệ số Ai

chính là các trọng số, với i là vị trí của ký tự Ci trong dãy số

B ảng 1.1: Một vài hệ thống số

Th ập phân Nh ị phân Bát phân Th ập lục phân

 Để chuyển đổi một số trong hệ thập phân sang hệ thống số khác (cơ số A) phải

thực hiện các bước sau:

− Lấy phần nguyên chia cho cơ số A, ghi lại số dư Đem kết quả của phép chia (thương số) tiếp tục chia cho cơ số A Cứ thực hiện như vậy cho đến khi kết quả phép chia nhỏ hơn cơ số A Phần nguyên trong hệ cơ số A sẽ là tập hợp các số

dư của phép chia , trong đó số dư đầu tiên có trọng số nhỏ nhất

− Lấy phần thập phân nhân cho cơ số A, ghi lại phần nguyên Phần thập phân còn

lại tiếp tục nhân cho cơ số A Cứ tiếp tục như vậy cho đến độ chính xác mà ta

muốn Phần thập phân trong hệ cơ số A sẽ là tập hợp các phần nguyên của phép nhân, trong đó số đầu tiên có trọng số lớn nhất

 Để đổi từ hệ nhị phân sang hệ bát phân, trước hết phải gom các số thành nhóm có

ba chữ số, tính từ dấu chấm phân cách phần nguyên và phần thập phân Mỗi nhóm này được thay thế bằng một chữ số hệ bát phân theo bảng mã

 Để đổi từ hệ nhị phân sang hệ thập lục phân, trước hết phải gom các số thành nhóm có bốn chữ số, tính từ dấu chấm phân cách phần nguyên và phần thập phân Mỗi nhóm này được thay thế bằng một chữ số hệ thập lục phân theo bảng

mã

1.2 Mã và mã ASCII

Mã là một quy tắc ký hiệu đặt ra để biểu diễn các thông tin Một mã gồm một

số hữu hạn các từ mã Mỗi từ mã có một ký hiệu xác định và được gán biểu diễn cho

một thông tin [1]

Trong kỹ thuật số, dạng mã thông dụng là mã nhị phân Mỗi từ mã của mã nhị phân là một dãy liên tiếp các số hạng, mỗi số hạng chỉ có thể biểu diễn bằng hai số 0 hay 1, gọi là bit Như vậy, một mã nhị phân có độ dài n bit, sẽ có 2n

tổ hợp khác nhau

và có thể biểu diễn cho 2n thông tin Việc gắn mỗi từ mã biểu diễn cho từng thông tin xác định gọi là mã hóa Việc làm ngược lại gọi là giải mã

Mã ASCII (viết tắt của American Standard Code for International Interchange –

Mã chuẩn của Mỹ dùng cho trao đổi thông tin) là một mã nhị phân 7 bit thông dụng

để mã hóa các ký tự trong xử lý văn bản (các chữ cái, chữ số, các dấu ?, !, >, < …) Số

ký tự tối đa có thể mã hóa là 27

= 128 ký tự từ 0 đến 127 Trong bảng mã ACII mở

rộng, người ta bổ sung thêm 128 ký tự đặc biệt với mã từ 128 đến 255 [4]

Ví dụ mã ASCII của ‘A’ là 65, của ‘a’ là 97

1.3 Sơ lược về PIC

1.3.1 Sơ lược lịch sử phát triển

PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology Thế hệ PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics Division thuộc General – Instrument PIC là viết tắt của “Programmable Intelligent Computer” là một sản phẩm của hãng General Instrument đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên là PIC1650 Thời điểm đó PIC1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại

vi cho máy chủ 16 bit CP1600, vì vậy, người ta cũng gọi PIC với cái tên "Peripheral Interface Controller" – bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi

CP1600 là một CPU mạnh nhưng lại yếu về các hoạt động xuất nhập vì vậy PIC 8-bit được phát triển vào năm 1975 để hỗ trợ cho hoạt động xuất nhập của CP1600 ROM để chứa mã, mặc dù khái niệm RISC chưa được sử dụng thời bấy giờ, nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh với một chu kỳ máy – gồm 4 chu kỳ của bộ dao động

Năm 1985 General Instruments bán công nghệ các vi điện tử của họ, và chủ sở

hữu mới hủy bỏ hầu hết các dự án - lúc đó đã quá lỗi thời Tuy nhiên PIC được bổ sung EEPROM để tạo thành một bộ điều khiển vào ra lập trình

Ngày nay rất nhiều dòng PIC được xuất xưởng với hàng loạt các module ngoại

vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC ), với bộ nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word

Hiện nay có khá nhiều dòng PIC và có rất nhiều khác biệt về phần cứng, nhưng chúng ta có thể điểm qua một vài nét như sau:

 Là CPU 8/16 bit, xây dựng theo kiến trúc Harvard

 Có bộ nhớ Flash và ROM có thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 256 Kbyte

 Có các cổng xuất – nhập (I/O ports)

 Có timer 8/16 bit

 Có các chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ/không đồng bộ USART

 Có các bộ chuyển đổi ADC 10/12 bit

 Có các bộ so sánh điện áp (Voltage Comparators)

 Có các khối Capture/Compare/PWM

 Có hỗ trợ giao tiếp LCD

 Có MSSP Peripheral dùng cho các giao tiếp I²C, SPI, và I²S

 Có bộ nhớ nội EEPROM - có thể ghi/xoá lên tới 1 triệu lần

 Có khối điều khiển động cơ, đọc encoder

 Có hỗ trợ giao tiếp USB

 Có hỗ trợ điều khiển Ethernet

 Có hỗ trợ giao tiếp CAN

Đặc điểm thực thi tốc độ cao CPU RISC của họ vi điều khiển PIC16F8XX là:

 Chỉ gồm 35 lệnh đơn

 Thời gian thực hiện tất cả các lệnh là 1 chu kì máy, ngoại trừ lệnh gọi chương trình con là 2

 Tốc độ hoạt động:

* DC - 20MHz ngõ vào xung clock

* DC - 200ns chu kì lệnh

 Dung lượng của bộ nhớ chương trình Flash là 8K×14words

 Dung lượng của bộ nhớ dữ liệu RAM là 368×8bytes

 Dung lượng của bộ nhớ dữ liệu EEPROM là 256×8 bytes

1.3.2.1 Các đặc tính ngoại vi

 Timer0: là bộ định thời timer/counter 8 bit có bộ chia trước

 Timer1: là bộ định thời timer/counter 16 bit có bộ chia trước, có thể đếm khi CPU đang ở trong chế độ ngủ với nguồn xung từ thạch anh hoặc nguồn xung bên ngoài

 Timer2: bộ định thời timer/counter 8 bit với thanh ghi 8-bit, chia trước và bộ chia sau

 Hai khối Capture, Compare, PWM

− Capture có độ rộng 16-bit, độ phân giải 12.5ns

− Compare có độ rộng 16-bit, độ phân giải 200ns

− Độ phân giải lớn nhất của PWM là 10-bit

1.3.2.2 Các đặc tính tương tự

 Có kênh chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số ADC 10-bit

 Có reset BOR (Brown – Out Reset)