Nghiên cứu xây dựng mô hình khoan-phay tự động có ứng dụng và xử lý AVR

Ngày nay nhiều dây chuyền sản xuất tự động trong công nghiệp cũng như một số thiết bị dân dụng có ứng dụng vi xử lý, các dây truyền sản xuất tự động có ứng dụng vi xử lý đã được các doan

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÝ AVR-ATMEGA128 10 1.1 Tình hình nghiên cứu vi xử lý AVR ở nước ngoài 10 1.2 Tình hình nghiên cứu vi xử lý AVR ở trong nước 11

Chương 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH, XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU

KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG KHOAN – PHAY TỰ ĐỘNG

32

2.1

2.1.1

2.1.2

Cấu trúc của hệ thống ………

Khái niệm và sơ đồ hệ thống sản xuất linh hoạt và tích hợp ………

Mô hình hệ thống sản xuất tự động ………

32 32 33 2.1.2.1 Máy phay CNC trong hệ thống ……… 35

1 Hệ trục tọa độ của máy phay CNC ……… 35

2 Các dạng điều khiển của máy phay CNC ……… 36

3 Các chỉ tiêu gia công của máy phay CNC ……… 39

2.1.2.2 Rôbôt công nghiệp trong hệ thống CIM ……… 41

1 2 3 4 Định nghĩa ………

Các thành phần chính của Rôbôt công nghiệp ………

Bậc tự do của Rôbôt ………

Hệ tọa độ và vùng làm việc của Rôbôt ………

41 41 42 43 5 Phân loại Rôbôt ……… 43

6 Ứng dụng Rôbôt công nghiệp trong hệ thống CIM ……… 44

7 Các yêu cầu đối với Rôbôt hoạt động trong hệ thống CIM …… 44

2.1.2.3 Kho chứa tự động trong hệ thống CIM ……… 45

1 Chức năng của kho chứa tự động ……… 44

2 Thành phần của kho chứa tự động ……… 45

3 Các loại kho chứa tự động ……… 45

2.1.2.4 Hệ thống vận chuyển –tích trữ chi tiết gia công của CIM ……… 47

1 2 Thiết bị kỹ thuật ………

Chức năng ………

47 48 3 Phân loại hệ thống vận chuyển – tích trữ chi tiết ……… 48

4 Tổ chức vận hành dụng cụ cắt trong hệ thống CIM ……… … 50

5 Chức năng của hệ thống vận chuyển – tích trữ dụng cụ ……… 51

6 Một số loại hệ thống vận chuyển – tích trữ dụng cụ ……… 51

2.2 Thiết kế hệ thống khoan - phay ……… 52

2.2.1 Thiết kế mô hình Rôbôt công nghiệp ……… 52

2.2.2 Thiết kế mô hình máy phay CNC ……… 55

2.2.2.1 Tính năng kỹ thuật cơ bản của máy ……… 55

2.2.2.2 Trục chính máy phay CNC ……… 58

2.2.2.3 Thiết kế mô hình kho chứa phôi ……… 59

2.2.2.4 Thiết kế băng tải tự động ……… 59

2.3 Thiết kế mạch điều khiển hệ thống ……… 60

2.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển ……… 60

2.3.2 Mạch điều khiển trung tâm ……… 61

2.3.2.1 Khối nguồn ……… 61

2.3.2.2 Chức năng điều khiển động cơ bước ……… 62

2.3.2.3 Chức năng giao tiếp qua chuẩn RS 232 (UART) ………

63 2.3.2.4 Mạch kết nối quang ………63

2.3.3 Mạch điều khiển động cơ bước ……… 64

2.4 Xây dựng chương trình điều khiển, giám sát hệ thống ……… 65

2.4.1 Nhiệm vụ ………65

2.4.2 2.4.2.1 2.4.2.2 2.4.3 2.4.3.1 2.4.3.2 Lưu đồ thuật toán ………

Lưu đồ thuật toán của chương trình trên máy tính ………

Lưu đồ thuật toán của vi xử lý ………

Thiết kế giao diện của chương trình điều khiển hệ thống ………

Chương trình gia công chi tiết ………

Lựa chọn các thông số khởi động ………

66 66 69 71 71 72 Chương 3 XÂY DỰNG CÁC BÀI THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM ĐIỂN HÌNH TRÊN HỆ THỐNG KHOAN – PHAY TỰ ĐỘNG 73 Bài số 1 Khoan lỗ suốt 73 Bài số 2 Phay hốc 75 Bài số 3 Phay mặt phẳng, mặt bậc 77 Bài số 4 Lập phương trình động học thuận cho Rôbôt 79   KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 82 1 Kết luận 82 2 Khuyến nghị 83 Tài liệu tham khảo 84 Phụ lục: Phụ lục 1: Chương trình điều khiển và giám sát hệ thống

Phụ lục 2: Hệ thống bản vẽ

Phụ lục 3: QĐ về việc đặt hàng thực hiện nhiệm vụ KH&CN của Bộ

trưởng Bộ Công thương, Hợp đồng, thuyết minh đề tài, Quyết định

thành lập HĐ nghiệm thu cấp Cơ sở, Biên bản họp Hội đồng nghiệm

thu cấp trường đánh giá nghiệm thu đề tài khoa học cấp Bộ năm

2011, Bài phản biện của Hội đồng cấp cơ sở, QĐ thành lập Hội đồng

KHCN cấp Bộ đánh giá nghiệm thu nhiệm vụ KHCN năm 2011,

Biên bản họp Hội đồngKHCN đánh giá nghiệm thu đề tài cấp Bộ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.2 Bảng véctơ ngắt của ATmega128 24

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang Hình 1.1 Hình dáng bên ngoài một số vi xử lý AVR 12

Hình 1.2 Cấu trúc của vi xử lý AVR 13

Hình 1.3 Cấu trúc bộ nhớ chương trình 16

Hình 1.4 Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu 17

Hình 1.5 Thanh ghi EFAR 18

Hình 1.6 Thanh ghi EFDR 18

Hình 1.7 Thanh ghi EFCR 18

Hình 1.8 Sơ đồ bộ nhớ của ATmega128 19

Hình 1.9 Thanh ghi DDRA 20

Hình 1.10 Thanh ghi PORTA 21

Hình 1.11 Thanh ghi PINA 21

Hình 1.12 Sơ đồ bộ so sánh tương tự 27

Hình 1.13 Sơ đồ đơn giản của một khối ADC 28

Hình 1.14 Ngõ vào vi sai 29

Hình 1.15 Sơ đồ khối bộ USART 31

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống khoan - phay tự động 34

Hình 2.2 Hệ trục tọa độ trong máy CNC 35

Hình 2.3 Các dạng chạy dao trong điều khiển điểm - điểm 37

Hình 2.4 Các dạng chạy dao trong điều khiển đường thẳng 37

Hình 2.5 Điều khiển contour trên máy tiện (a) và máy phay (b) 38

Hình 2.6 Điều khiển contour 2D 38

Hình 2.7 Điều khiển contour 3D 39

Hình 2.8 Vùng gia công của máy 40

Hình 2.9 Các thành phần chính của hệ thống Rôbôt 42

Hình 2.10 Minh hoạ không gian làm việc của Rôbôt 43

Hình 2.11 Sơ đồ kho chứa tự động có dạng giá cần cẩu cầu 46

Hình 2.12 Sơ đồ kho chứa tự động có dạng cần cẩu cầu 46

Hình 2.13 Kho chứa tự động có dạng giá trọng lực 47

Hình 2.14 Sơ đồ hệ thống vận chuyển-tích trữ chi tiết của hãng Hitachi Seiki 49

Hình 2.15 Sơ đồ hệ thống vận chuyển-tích trữ vệ tinh trong CIM của hãng Cincinnati Milacron 50

Hình 2.16 Hệ thống vận chuyển - tích trữ dụng cụ dạng xích của hãng

Hình 2.17 Sơ đồ động của rôbôt 53

Hình 2.18 Động cơ bước Sanyo Denki 53

Hình 2.19 Kết cấu của Rôbôt 54

Hình 2.20 Tay gắp Rôbôt 55

Hình 2.21 Mô hình máy phay CNC 56

Hình 2.22.Vít me bi HIWIN 57

Hình 2.23 Sơ đồ động của chuyển động chạy dao 58

Hình 2.24 Sơ đồ kho chứa tự động 59

Hình 2.25 Hệ thống cấp phôi và băng tải vận chuyển phôi 60

Hình 2.26 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 61

Hình 2.27 Mạch điều khiển trung tâm 62

Hình 2.28 Khối nguồn cung cấp cho vi xử lý 62

Hình 2.29 IC Max232 giao tiếp UART 63

Hình 2.30 Mạch kết nối sensor hồng ngoại 64

Hình 2.31 Mạch điều khiển động cơ bước 65

Hình 2.32 Sơ đồ chương trình điều khiển hệ thống 66

Hình 2.33 Lưu đồ thuật toán của chương trình tính toán góc quay của động cơ truyền động máy CNC 68

Hình 2.34 Lưu đồ thuật toán của chương trình trên vi xử lý máy CNC 70

Hình 2.35 Cửa sổ thiết kế chương trình gia công 71

Hình 2.36 Đường ăn dao mô phỏng 72

Hình 2.37 Lựa chọn các thông số khởi động hệ thống 72

Hình 3.1 Chi tiết khoan 73

Hình 3.2 Chi tiết phay hốc 75

Hình 3.3 Chi tiết phay mặt phẳng , mặt bậc 77

Hình 3.4 Sơ đồ động của Rôbôt 79

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

FMS : Flexible Munufacturing Systems

CIM : Computer Itegrated Munufacturing

RISC : Reduced Instruction Set Computer

AVR : Advanced Virtual RISC

ROM : Read Only Memory

EPROM : Error Programmable Read-Only Memory

EEPROM : Electronically Erasable Read-Only memory

LCD : Liquid Crystal Display

MCU : Micro Controller Unit

SPI : Serial peripheral interface

PWM : Pulse-width modulation

ADC : Analog-to-digital converter

USARTS : Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and

Transmitter SRAM : Static Random Access Memory

TWI : Two-Wire Serial Intereafce

TQFP : Thin Quad Flat Pack

CMOS : Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

ISR : Interrupt Service Routine

PC : parallax of one arc second

SME : Society of Manufacturing Engineers

AMT : Advanced Manufacturing Technologies

CAD : Computer-aided design

CAM : Computer-aided manufacturing

CAPP : Computer-aided process planning

LAN : Local Area Network

COM : Communication

PLC : Programmable Logic Controller

Ngày nay nhiều dây chuyền sản xuất tự động trong công nghiệp cũng như một số thiết bị dân dụng có ứng dụng vi xử lý, các dây truyền sản xuất tự động có ứng dụng vi xử lý đã được các doanh nghiệp đầu tư phục vụ sản xuất, nhằm giảm sức lao động, nâng cao năng suất lao động Tuy nhiên các thiết bị, mô hình tương

tự phục vụ công tác đào tạo tại các cơ sở đào tạo còn rất ít Hiện nay trong điều kiện nền kinh tế đất nước đang còn nhiều khó khăn, nguồn kinh phí cấp để các trường tăng cường cơ sở vật chất, trang thiết bị, đồ dùng dạy học tiên tiến, hiện đại đang còn hạn hẹp Cho nên việc nghiên cứu, ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật tiên tiến, hiện đại để thiết kế, chế tạo hệ thống sản xuất tự động, linh hoạt (FMS) hay hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính (CIM) phục vụ đào tạo

và áp dụng vào thực tế sản xuất rất cần thiết Để học sinh, sinh viên ra trường có kiến thức cơ bản về hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và tích hợp CIM, yêu cầu đặt

ra đối các cơ sở đào tạo, ngoài truyền thụ những kiến thức cơ bản về các hệ thống sản xuất linh hoạt, phải có các mô hình phục vụ công tác học tập, thực tập, làm thí nghiệm và nghiên cứu khoa học

Xuất phát từ những yêu cầu đó, năm 2011 đội ngũ cán bộ, giảng viên trường

Đại học Sao Đỏ đã đề xuất lựa chọn đề tài nghiên cứu với nội dung: “Nghiên cứu,

xây dựng mô hình khoan – phay tự động có ứng dụng vi xử lý AVR phục vụ công tác đào tại trường Đại học Sao Đỏ” Với mục tiêu ứng dụng thành tựu khoa học kỹ

thuật về vi xử lý để thiết kế, chế tạo mô hình và xây dựng hệ thống bài thực hành, thí nghiệm

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu đặc tính, tính năng của vi xử lý AVR

- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống khoan - phay tự động

- Thiết kế, chế tạo phần cơ khí và bộ điều khiển giám sát cho hệ thống khoan - phay tự động

- Xây dựng phần mềm điều khiển, giám sát hệ thống khoan - phay bằng ngôn ngữ Visual Basic

- Lắp đặt và vận hành mô hình hệ thống khoan – phay tự động

- Xây dựng một số bài thực hành, thí nghiệm điển hình phù hợp với mô hình

3 Kết cấu của đề tài

Nôi dung trình bày trong đề tài bao gồm 3 chương:

Chương 1 Tổng quan về vi xử lý AVR – Atmega 128

Chương 2 Thiết kế mô hình, xây dựng phần mềm điều khiển và giám sát hệ

Chương 1 TỔNG QUAN VI XỬ LÝ AVR - ATMEGA 128

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VI XỬ LÝ AVR Ở NƯỚC NGOÀI

Hiện nay ở các nước phát triển trên thế giới các thiết bị và hệ thống sản xuất linh hoạt đã được sử dụng rộng rãi nhằm giảm sức lao động và nâng cao năng suất lao động Trong nền sản xuất hiện đại việc xây dựng các hệ thống sản xuất linh hoạt đóng một vai trò hết sức quan trọng Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS cho phép tự động hoá ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loạt nhỏ và vừa trên cơ sở sử dụng các máy CNC, Rôbôt công nghiệp để điều khiển các đối tượng lao động như:

Đồ gá, dụng cụ cắt, hệ thống vận chuyển - tích trữ phôi Với mục đích tối ưu hoá quá trình công nghệ và quá trình sản xuất Đặc điểm của hệ thống sản xuất FMS là khả năng điều chỉnh nhanh các thiết bị, dụng cụ để chế tạo sản phẩm Như vậy nó không những thích hợp cho sản xuất hàng khối, hàng loạt lớn mà còn cho sản xuất hàng loạt vừa và nhỏ Chính vì vậy mà ngày nay các hệ thống sản xuất FMS được

áp dụng rộng rãi trong các nhà máy và xí nghiệp Các cơ cấu chính của hệ thống sản xuất linh hoạt, tích hợp đã được thiết kế, chế tạo từ lâu Một số cơ cấu máy được chế tạo và sử dụng vào đầu những năm 1970 Tuy nhiên tới tháng 11 năm

1978 tạp chí “IRON AGE” mới đăng bài báo đầu tiên về “Tính linh hoạt của sản xuất”, lúc này mới có các khái niệm ban đầu về hệ thống sản xuất linh hoạt

Từ năm 1978 đến năm 1983 có rất nhiều hội thảo khoa học quốc tế bàn về tính linh hoạt của hệ thống sản xuất, từ đó cơ sở lý thuyết về hệ thống sản xuất linh hoạt đã được hoàn thiện Ngày nay, các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính CIM đã được sử dụng rộng rãi và phát triển ở trình độ cao, đang tạo ra một lực lượng sản xuất mới, có khả năng làm thay đổi bối cảnh của xã hội, tạo ra một yếu tố chiến lược cạnh tranh về kinh tế và quốc phòng giữa các nước Trong hệ thống sản xuất linh hoạt FMS đã sử dụng một số dòng chíp như dòng chíp 8051,…dòng chíp này đã có nhiều tài liệu, nhưng do nó

có một số tồn tại nên hiện nay ít được sử dụng

Vào năm 1996 Vi xử lý AVR do hãng Atmel (Hoa Kỳ) sản xuất là họ vi xử

lý 8 bít theo công nghệ mới, với những tính năng rất mạnh được tích hợp trong chíp của hãng Atmel theo công nghệ RISC (Reduce Instructions set Computer) AVR là dòng chíp đầu tiên trong thế hệ chíp sử dụng bộ nhớ Flash dùng để lưu trữ chương trình thay vì sử dụng các bộ nhớ Programmable ROM, EPROM hay EEPROM được sử dụng trong các thế hệ chíp trước đó So với dòng chíp 8051, AVR có nhiều

ưu điểm như: Có tốc độ xử lý nhanh, ổn định hơn, tích hợp được nhiều bộ phận

ngoại vi ngay trên chíp Chính vì vậy mà chíp AVR đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như một số thiết bị gia dụng

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VI XỬ LÝ AVR Ở TRONG NƯỚC

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Một yêu cầu đặt ra

với các doanh nghiệp phải đầu tư trang thiết bị hiện đại mang tính linh hoạt, tính tự động hóa cao, nhằm không ngừng nâng cao năng suất lao động Trong những năm vừa qua, ở nước ta một số khu công nghiệp đã đưa hệ thống sản xuất linh hoạt FMS vào sản xuất như: Nhà máy Honda Việt Nam, Toyota Việt Nam, công ty VGF Để

sử dụng và tiến tới làm chủ được những hệ thống sản xuất này, đòi hỏi các kỹ thuật viên, kỹ sư phải có kiến thức sâu rộng về các hệ thống đó

Hiện nay các trường đại học và cao đẳng đều đưa môn học “Sản xuất linh hoạt FMS & tích hợp CIM” và môn học “ Kỹ thuật vi xử lý” vào chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử, Cơ điện tử Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là thiết bị thực hành và thí nghiệm của các môn học này rất đắt vì phần lớn đều phải nhập từ nước ngoài Để đáp ứng yêu cầu sản xuất và phục vụ công tác đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao, các hệ thống sản xuất linh hoạt, tích hợp FMS, CIM và một số

mô hình về hệ thống sản xuất linh hoạt có ứng dụng vi xử lýAVR phục vụ công tác đào và nghiên cứu khoa học đã được một số ít trường đại học có uy tín đầu tư như: Đại học Bách khoa, Học viện kỹ thuật quân sự trang bị Tuy nhiên việc chuyển giao công nghệ còn gặp rất nhiều khó khăn Với trình độ khoa học kỹ thuật hiện nay của nước ta việc chế tạo một hệ thống sản xuất tự động, linh hoạt FMS hay hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính CIM áp dụng vào thực tế sản xuất rất cần thiết, song những nghiên cứu về FMS và CIM của chúng ta mới chỉ bắt đầu và chỉ tập trung chủ yếu về phần lý thuyết cơ bản Tài liệu về lĩnh vực này bằng tiếng Việt hầu như chưa có và nếu có thì hầu như đều được dịch từ các tài liệu nước ngoài Trong các dây chuyền sản xuất tiên tiến, vi xử lý được sử dụng rất rộng rãi, trong đó dòng vi xử lý 8051có ưu điểm là tài liệu chính thống bằng tiếng Việt rất nhiều, xong còn một số nhược điểm khi sử dụng như: Độ ổn định thấp, tính linh hoạt khi lập trình không cao vì vậy vi xử lý này ít được sử dụng trong thực tế

Vi xử lý AVR du nhập vào Việt Nam vào khoảng đầu năm 2000, tuy thời gian

có mặt tại Việt Nam chưa lâu nhưng do có nhiều ưu điểm nổi bật so với vi xử lý

8051, nên hiện nay vi xử lý AVR đang được sử dụng rất rộng rãi Việc nghiên cứu ứng dụng vi xử lý vào điều khiển và giám sát các hệ thống sản xuất linh hoạt rất

hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và tích hợp CIM, yêu cầu đặt ra đối các cơ sở đào

tạo ngoài truyền thụ những kiến thức cơ bản về các hệ thống sản xuất linh hoạt,

phải có các mô hình phục vụ công tác học tập, thực tập, làm thí nghiệm và nghiên

cứu khoa học

1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI XỬ LÝ AVR

Vi xử lý AVR do hãng Atmel (Hoa Kỳ) sản xuất được giới thiệu lần đầu

vào năm 1996 và có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm: Dòng Tiny AVR (AT

tiny 13, AT tiny 22…) nó có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi, rồi

đến dòng AVR (AT90S8535, AT90S8515,…) có kích thước bộ nhớ vào loại

trung bình và mạnh hơn là dòng Mega (như ATmega32, ATmega128,…) với bộ

nhớ có kích thước vài Kbyte đến vài trăm Kbyte cùng với các bộ ngoại vi đa dạng

được tích hợp trên chíp, cũng có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chíp (LCD AVR)

Tốc độ của dòng Mega cũng cao hơn so với các dòng khác Sự khác nhau cơ bản

giữa các dòng chính là cấu trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau Đặc biệt, năm

2008 Atmel lại tiếp tục cho ra đời dòng AVR mới là Xmega AVR, với những tính

năng mạnh mẽ chưa từng có ở các dòng AVR trước đó Có thể nói Xmega AVR là

dòng MCU 8 bít mạnh nhất hiện nay

Hình 1.1 Hình dáng bên ngoài vi xử lý AVR

Hình 1.2 Cấu trúc của vi xử lý AVR

1.4 ĐẶC ĐIỂM VÀ TÍNH NĂNG CỦA VI XỬ LÍ AVR

1.4.1 Đặc điểm

- Hiệu suất cao, tiết kiệm điện

- Hoàn thiện cấu trúc RISC

- 133 lệnh hiệu quả - thực thi tất cả các chu kỳ đồng hồ đơn

- 32x8 thanh ghi chung đa năng

- Các thanh ghi điều khiển ngoại vi

- Có đầy đủ các quá trình điều khiển tĩnh

- Nâng lên 16MIPS dữ liệu tại 16MHz chíp 2 nhân

- Độ bền, sức chịu đựng cao, không thay đổi phân vùng nhớ

- 128 Kbytes bộ nhớ Flash có thể lập trình được trong hệ thống

- 4K Bytes EEPROM

- 4K Bytes bộ nhớ SRAM bên trong

- Chu kỳ ghi/xóa: 10000Flash/100000EEPROM

- Độ bền dữ liệu 20 năm ở 850,100 năm ở 250

- Tối đa 64 Kbytes không gian bộ nhớ ngoài

- Lập trình khóa cho phần mềm bảo mật

- Giao diện JTAG (phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 1149,1 )

- Khả năng quét biên theo tiêu chuẩn JTAG

- Hỗ trợ chế độ tạm sửa (debug) trên chíp

- Lập trình Flash, EEPROM, cầu chì và bít khóa (Lock Bíts) thông qua các giao diện JTAG

- Đặc điểm ngoại vi:

+ 2 bộ Timer / Counters 8 bít với bộ đếm gộp trước riêng biệt và so sánh chế độ mẫu + 2 bộ Timer / Counters 16 bít mở rộng với bộ đếm gộp trước riêng biệt, chế

độ so sánh mẫu và chế độ thu thập

+ Bộ counter thời gian thực với dao động riêng biệt

+ Hai kênh PWM 8 bít

+ 6 kênh PWM có khả năng lập trình chính xác từ 2-16 bít

- Bộ điều chế so sánh tín hiệu ra:

+ 8 kênh, 10 bít ADC, 8 kênh đầu cuối đơn, 7 kênh khác nhau (vi phân), 2 kênh khác nhau với bộ khuyếch đại lập trình được tại 1x, 10x hoặc 200x

+ Bít định hướng với 2 dây giao diện nối tiếp

+ Lập trình kép các USARTS nối tiếp

+ Giao diện nối tiếp SPI chủ, tớ

+ Lập trình timer Watchdog với bộ giao động trên chíp

- Các tính năng đặc biệt của bộ vi xử lý:

+ Thiết lập bật lại nguồn và lập trình lại khi phát hiện nguồn yếu ( Brown-out) + Hiệu chỉnh bộ dao động RC bên trong

+ Ngắt nguồn trong và nguồn ngoài

+ 6 chế độ chờ: Idle nghỉ, ADC giảm ồn, Power-saver tiết kiệm điện, ngắt điện, chế độ chờ (standby), chế độ chờ mở rộng

- 64 thanh ghi I/O

- 160 thanh ghi vào ra mở rộng

- 32 thanh ghi đa mục đích

- 6 kênh PWM có thể lập trình thay đổi độ phân giải từ 2 tới 16 bít

- Bộ so sánh tương tự có thể lựa chọn ngõ vào

- Hai khối USART lập trình được

- Khối truyền nhận nối tiếp SPI

- Khối giao tiếp nối tiếp 2 dây TWI

* Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ chương trình của AVR là bộ nhớ Flash có

địa chỉ đầu tiên của bộ nhớ chương trình được dùng cho bảng véc tơ ngắt Vi xử

lý Atmega 128 bộ nhớ chương trình còn có thể được chia làm 2 phần: Phần boot loader (Boot loader program section) và phần ứng dụng (Application program section)

Phần boot loader chứa chương trình boot loader Chương trình Boot loader

là một phần mềm nhỏ nạp trong vi xử lý và được chạy lúc khởi động Phần mềm này có thể tải vào trong vi xử lý, chương trình của người sử dụng và sau đó thực thi chương trình này Mỗi khi reset vi xử lý CPU sẽ nhảy tới thực thi chương trình boot loader trước, chương trình boot loader sẽ dò xem có chương trình nào cần nạp vào vi xử lý hay không, nếu có chương trình cần nạp, boot loader sẽ nạp chương trình vào vùng nhớ ứng dụng (Application program section), rồi thực thi chương trình này Ngược lại, boot loader sẽ chuyển tới chương trình ứng dụng có sẵn trong vùng nhớ ứng dụng để thực thi chương trình này

Phần ứng dụng (Application program section) là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng của người dùng Kích

thước của phần boot loader và phần ứng

dụng có thể tùy chọn Hình 1.3 thể hiện

cấu trúc bộ nhớ chương trình không sử

dụng bootloader (a) và có sử dụng

bootloader (b) Khi sử dụng phần boot

loader ta thấy 4 word đầu tiên thay vì chỉ

thị cho CPU chuyển tới chương trình

ứng dụng của người dùng (là chương

trình có nhãn start ) thì chỉ thị CPU nhảy

tới phần chương trình boot loader để thực

hiện trước, rồi quay trở lại thực hiện

chương trình ứng dụng

* Bộ nhớ dữ liệu: Bộ nhớ dữ liệu

của AVR chia làm 2 phần chính là bộ nhớ

SRAM và bộ nhớ EEPROM Tuy cùng là bộ

nhớ dữ liệu nhưng hai bộ nhớ này lại tách

biệt nhau và được đánh địa chỉ riêng

Bộ nhớ SRAM có dụng lượng 4 Kbytes, Bộ nhớ SRAM có hai chế độ hoạt động là chế độ thông thường và chế độ tương thích với ATmega103, muốn thiết lập bộ nhớ SRAM hoạt động theo chế độ nào ta sử dụng bít cầu chì M103C

Hình 1.3 Cấu trúc bộ nhớ chương trình

a) Không dùng Bootloader b) Có dùng Bootloader

* Bộ nhớ SRAM ở chế độ bình thường : Ở chế độ bình thường bộ nhớ SRAM

được chia thành 5 phần: Phần đầu là 32 thanh ghi chức năng chung (General Purpose Register) R0 đến R31 có địa chỉ từ $0000 tới $001F Phần thứ 2 là không gian nhớ Vào-Ra với 64 thanh ghi vào ra ( I/O Register ) có địa chỉ từ $0020 tới $005F Phần thứ 3 dùng cho vùng nhớ dành cho các thanh ghi Vào-Ra mở rộng (Extended I/O Registers) có địa chỉ

từ $0060 tới $00FF Phần thứ 4 là vùng SRAM nội với 4096 byte có địa chỉ từ $0100 tới

$10FF Phần thứ 5 là vùng nhớ SRAM ngoài (External SRAM ) bắt đầu từ địa chỉ $1100, vùng SRAM mở rộng này có thể mở rộng lên đến 64 Kbyte Khi nói bộ nhớ SRAM có dung lượng 4 Kbyte là nói tới phần thứ 4 Nếu tính cả các thanh ghi thì bộ nhớ SRAM trong chế độ bình thường sẽ là 4,25 Kbyte

* Bộ nhớ SRAM ở chế độ tương thích ATmega103: Ở chế độ này bộ nhớ

SRAM cơ bản cũng giống ở chế độ bình thường, ngoại trừ phần thứ 3 là vùng nhớ dành cho các thanh ghi Vào-Ra mở rộng không tồn tại, ngoài ra kích thước của phần SRAM nội (internal SRAM) chỉ có 4000 byte so với 4096 byte ở chế

độ bình thường Hình 1.4 thể hiện sơ đồ bộ nhớ dữ liệu ở cả hai chế độ bình

thường và chế độ tương thích ATmega103 Từ hình 1.4 ta thấy nếu cấu hình để

bộ nhớ SRAM hoạt động ở chế độ tương thích ATmega103 thì ta sẽ bị mất đi

160 thanh ghi vào ra mở rộng (extended I/O Register), là những thanh ghi đóng vai trò quan trọng trong các chế độ hoạt động của vi xử lý

Data Menmory Data Menmory

* Bộ nhớ EEPROM: Đây là bộ nhớ dữ liệu có thể ghi, xóa ngay trong lúc vi xử

lý đang hoạt động và không bị mất dữ liệu khi nguồn điện cung cấp bị cắt Có thể

ví bộ nhớ dữ liệu EEPROM giống như là ổ cứng (Hard disk) của máy tính, với vi

xử lý ATmega128, bộ nhớ EEPROM có kích thước là 4 Kbytes EEPROM được xem như là một bộ nhớ Vào-Ra được đánh địa chỉ độc lập với SRAM, điều này

có nghĩa là ta cần sử dụng các lệnh in, out… khi muốn truy xuất tới EEPROM

Để điều khiển vào ra dữ liệu với EEPROM ta sử dụng 3 thanh ghi sau :

- Thanh ghi EEAR (EEARH và EEARL)

EEAR7 EEAR6 EEAR5 EEAR4 EEAR3 EEAR2 EEAR1 EEAR0 EEARL

R R/W

R R/W

R R/W

R R/W

R R/W

R R/W Initial

Hình 1.5 Thanh ghi EFAR

EEAR là thanh ghi 16 bít lưu giữ địa chỉ của các ô nhớ của EEPROM,

thanh ghi EEAR được kết hợp từ 2 thanh ghi 8 bít là EEARH và thanh ghi EEARL Vì bộ nhớ EEPROM của ATmega128 có dung lượng 4 Kbytes = 4096 byte = 212 byte nên ta chỉ cần 12 bít của thanh ghi EEAR , 4 bít từ 15 -12 được dự trữ, ta nên ghi 0 vào các bít dự trữ này

- Thanh ghi EEDR

Hình 1.6 Thanh ghi EFDR

Đây là thanh ghi dữ liệu của EEPROM, là nơi chứa dữ liệu định ghi vào

hay lấy ra từ EEPROM

- Thanh ghi EECR

Đây là thanh ghi điều khiển EEPROM, ta chỉ sử dụng 4 bít đầu của thanh ghi này, 4 bít cuối là dự trữ, ta nên ghi 0 vào các bít dự trữ

Sơ đồ bộ nhớ bên trong của ATmega128 có thể tóm tắt lại như hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ bộ nhớ của ATmega128

1.5.2 Cổng Vào-Ra (I/O)

Cổng Vào-Ra là một trong số các phương thức để vi xử lý giao tiếp với các thiết bị ngoại vi ATmega128 có tất cả 7 cổng (port) Vào-Ra 8 bít là: PortA, PortB, PortC, PortD, PortE, PortF, PortG, tương ứng với 56 lối Vào-Ra Các cổng Vào-Ra của AVR là cổng Vào-Ra hai chiều có thể định hướng, tức là có thể chọn hướng của cổng là hướng vào (input) hay hướng ra (output) Tất các các cổng Vào-Ra của AVR đều có tính năng Đọc – Chỉnh sửa – Ghi (Read – Modify – Write) khi sử dụng chúng như các cổng Vào-Ra số thông thường Điều này có nghĩa là khi ta thay đổi hướng của một chân nào đó thì nó không làm ảnh hưởng tới hướng của các chân khác Tất cả các chân của các cổng (port ) đều có điện trở kéo lên (pull-up) riêng, ta có thể cho phép hay không cho phép điện trở kéo lên này hoạt động

Điện trở kéo lên là một điện trở được dùng khi thiết kế các mạch điện tử

lôgíc Nó có một đầu được nối với nguồn điện áp dương (thường là Vcc hoặc Vdd) và đầu còn lại được nối với tín hiệu cổng Vào-Ra của một mạch lôgíc

chức năng Điện trở kéo lên có thể được lắp đặt tại các lối vào của các khối mạch

lôgíc để thiết lập mức lôgíc lối vào của khối mạch khi không có thiết bị ngoài nối với lối vào Điện trở kéo lên cũng có thể được lắp đặt tại các giao diện giữa hai

khối mạch lôgíc không cùng loại lôgíc, đặc biệt là khi hai khối mạch này được cấp nguồn khác nhau Ngoài ra, điện trở kéo lên còn được lắp đặt tại lối ra của khối

mạch khi lối ra không thể nối nguồn để tạo dòng, ví dụ: các linh kiện lôgíc TTL có

trở kéo lên thường nằm trong khoảng 1000-5000 Ω, tùy theo yêu cầu cấp dòng trên toàn dải hoạt động của mạch Với lôgíc CMOS và lôgíc MOS chúng ta có thể

sử dụng các điện trở có giá trị lớn hơn nhiều, thường từ vài ngàn đến một triệu Ω

do dòng rò rỉ cần thiết ở lối vào là rất nhỏ Trong việc thiết kế các vi mạch ứng dụng, nếu một IC có ngõ ra loại cực thu để hở giao tiếp với nhiều IC khác thì giá trị của điện trở kéo lên sẽ tương đối nhỏ (khoảng vài trăm ôm) Bởi vì lúc này hệ số fanout lớn dẫn đến dòng ngõ ra của IC phải lớn để đủ cung cấp cho các ngõ vào của các IC khác, nếu không vi mạch sẽ hoạt động chập chờn hoặc có thể không hoạt động

Khi khảo sát các cổng như là các cổng Vào-Ra số thông thường thì tính chất của các cổng (PortA, PortB,…PortG) là tương tự nhau, nên ta chỉ cần khảo sát một cổng nào đó trong số 7 cổng của vi xử lý là đủ

Mỗi một cổng Vào-Ra của vi xử lý được liên kết với 3 thanh ghi: PORTx, DDRx, PINx (ở đây x là để thay thế cho A, B,…G) Ba thanh ghi này sẽ được phối hợp với nhau để điều khiển hoạt động của cổng, chẳng hạn thiết lập cổng thành lối vào có sử dụng điện trở pull-up, v.v Sau đây là diễn tả cụ thể vai trò của 3 thanh ghi trên

1.5.2.1 Thanh ghi DDRx

Đây là thanh ghi 8 bít (có thể đọc ghi) chức năng điều khiển hướng của cổng (là lối ra hay lối vào) Khi một bít của thanh ghi này được set lên 1 thì chân tương ứng với nó được cấu hình thành ngõ ra Ngược lại, nếu bít của thanh ghi DDRx là 0 thì chân tương ứng với nó được thiết lập thành ngõ vào Ví dụ: Khi ta xét tất cả 8 bít của thanh ghi DDRA đều là 1, thì 8 chân tương ứng của portA là PA1, PA2, … PA7 (tương ứng với các chân số 50, 49, …44 của vi xử lý) được thiết lập thành ngõ ra

DDA7 DDA6 DDA5 DDA4 DDA3 DDA2 DDA1 DDA0 DDRA Read/Write R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W

Hình 1.9 Thanh ghi DDRA

1.5.2.2 Thanh ghi PORTx

PORTx là thanh ghi 8 bít có thể đọc ghi Đây là thanh ghi dữ liệu của PORTx, nếu thanh ghi DDRx thiết lập cổng là lối ra, khi đó giá trị của thanh ghi PORTx cũng là giá trị của các chân tương ứng của PORTx, nói cách khác, khi ta

ghi một giá trị lôgíc lên 1 bít của thanh ghi này thì chân tương ứng với bít đó, cũng có cùng mức lôgíc Khi thanh ghi DDRx thiết lập cổng thành lối vào thì thanh ghi PORTx đóng vai trò như một thanh ghi điều khiển cổng Cụ thể, nếu một bít của thanh ghi này được ghi thành 1 thì điện trở treo (pull-up resistor) ở chân tương ứng với nó sẽ được kích hoạt, ngược lại nếu bít được ghi thành 0 thì điện trở treo ở chân tương ứng sẽ không được kích hoạt, cổng ở trạng thái cao trở (Hi-Z)

PORT

A7

PORT A6

PORT A5

PORT A4

PORT A3

PORT A2

PORT A1

PORT A0

PORTA

Read/write R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W

Hình 1.10 Thanh ghi PORTA

1.5.2.3 Thanh ghi PINx

PINx không phải là một thanh ghi thực sự, đây là địa chỉ trong bộ nhớ I/O kết nối trực tiếp tới các chân của cổng Khi ta đọc PORTx tức ta đọc dữ liệu được chốt trong PORTx, còn khi đọc PINx thì giá trị lôgíc hiện thời ở chân của cổng tương ứng được đọc, vì thế đối với thanh ghi PINx ta chỉ có thể đọc mà không thể ghi Bảng 1.1 thể hiện các thiết lập cách hoạt động có thể có của cổng

PINA

7 PINA6 PINA5 PINA4 PINA3 PINA2 PINA1 PINA0 PORTA

Hình 1.11 Thanh ghi PINA Bảng 1.1

DDRxn PORTxn PUD (Trong thanh

ghi SFIOR) I/O Pull-up Chú thích

DDRxn là bít thứ n của thanh ghi DDRx PORTxn là bít thứ n của thanh ghi PORTx Dấu “x” ở cột thứ 3 để chỉ giá trị lôgíc là tùy ý

1.6 BỘ ĐỊNH THỜI CỦA ATMEGA 128

ATmega128 có 4 bộ định thời, bộ định thời 1 và 3 là bộ định thời 16 bít, bộ định thời 0 và 2 là bộ định thời 8 bít

BOTTOM: Bộ đếm đạt tới giá trị BOTTOM khi nó có giá trị 0000h MAX

Bộ đếm đạt tới giá trị MAX khi nó bằng FFFFh

TOP: Bộ đếm đạt giá trị TOP khi nó bằng với giá trị cao nhất trong

chuỗi đếm, giá trị cao nhất trong chuỗi đếm không nhất thiết là FFFFh mà có thể

là bất kỳ giá trị nào được qui định trong thanh ghi OCRnX (X=A,B,C) hay ICRn, tùy theo chế độ thực thi

1.6.2 Bộ định thời 0 và 2

Bộ định thời 0 và 2 là bộ định thời 8 bít, bộ định thời 0 liên quan tới 7 thanh ghi với nhiều chế độ thực thi khác nhau

BOTTOM: Bộ đếm đạt tới giá trị BOTTOM khi nó có giá trị 0h MAX bộ

đếm đạt tới giá trị MAX khi nó bằng FFh

TOP: Bộ đếm đạt giá trị TOP khi nó bằng với giá trị cao nhất trong chuỗi

đếm, giá trị cao nhất trong chuỗi đếm không nhất thiết là FFh mà có thể là bất

kỳ giá trị nào được qui định trong thanh ghi OCRn (n = 0,2), tùy theo chế độ thực thi

định thời khi có sự kiện so sánh khớp (compare match) và tự nạp lại, có thể

đếm từ bộ dao động 32KHz bên ngoài, chế độ PWM hiệu chỉnh pha,…

Bộ định thời 2 là bộ định thời 8 bít, liên quan tới 5 thanh ghi với nhiều chế độ thực thi khác nhau Các thuộc tính chính của bộ định thời gồm: Bộ đếm đơn kênh, xóa bộ định thời khi có sự kiện “so sánh khớp” và tự động nạp lại, PWM hiệu chỉnh pha, đếm sự kiện bên ngoài

1.7 CẤU TRÚC NGẮT CỦA ATMEGA 128

Mặc dù phương pháp thăm dò có thể thể hiển thị tình trạng của một vài thiết bị và phục vụ mỗi thiết bị khi các điều kiện nhất định được thoả mãn, nhưng

nó không tận dụng hết công dụng của bộ vi xử lý Điểm mạnh của phương pháp ngắt là bộ vi xử lý có thể phục vụ được rất nhiều thiết bị không tại cùng một thời điểm Mỗi thiết bị có thể nhận được sự chú ý của bộ vi xử lý dựa trên mức ưu tiên được gán cho nó Đối với phương pháp thăm dò thì không thể gán mức ưu tiên cho các thiết bị, vì nó kiểm tra tất cả thiết bị theo kiểu quay vòng Quan trọng hơn là trong phương pháp ngắt thì bộ vi xử lý cũng còn có thể bỏ qua một yêu cầu dịch vụ của thiết bị Điều này lại một lần nữa không thể thực hiện được trong phương pháp thăm dò Lý do quan trọng nhất mà phương pháp ngắt được

ưu chuộng nhất vì phương pháp thăm dò làm hao phí thời gian của bộ vi xử lý bằng cách hỏi dò từng thiết bị kể cả khi chúng không cần đến dịch vụ

Đối với mỗi ngắt thì phải có một trình phục vụ ngắt ISR (Interrupt Service

Routine) hay trình quản lý ngắt (Interrupt handler) Khi một ngắt đựợc gọi thì bộ

vi xử lý phục vụ ngắt, bộ vi xử lý chạy trình phục vụ ngắt Đối với mỗi ngắt thì

có một vị trí cố định trong bộ nhớ để giữ địa chỉ ISR của nó Nhóm các vị trí

nhớ được dành riêng để gửi các địa chỉ của các ISR được gọi là bảng véc tơ ngắt

Khi kích hoạt một ngắt bộ vi xử lý đi qua các bước sau:

- Vi xử lý kết thúc lệnh đang thực hiện và lưu địa chỉ của lệnh kế tiếp

(PC) vào ngăn xếp

- Nhảy đến một vị trí cố định trong bộ nhớ được gọi là bảng véc tơ ngắt

nơi lưu giữ địa chỉ của một trình phục vụ ngắt

- Bộ vi xử lý nhận địa chỉ ISR từ bảng véc tơ ngắt và nhảy tới đó Bắt đầu

thực hiện trình phục vụ ngắt cho đến lệnh cuối cùng của ISR là RETI (trở về từ

ngắt)

- Khi thực hiện lệnh RETI bộ vi xử lý quay trở về nơi nó đã bị ngắt Trước

hết nó nhận địa chỉ của bộ đếm chương trình PC từ ngăn xếp bằng cách kéo hai

byte trên đỉnh của ngăn xếp vào PC Sau đó bắt đầu thực hiện các lệnh từ địa chỉ

1 $0000 RESET External Pin, Power-on Reset,

Brown-out Reset, Watchdog Reset, and JTAG AVR Reset

2 $0002 INT0 External Interrupt Request 1

3 $0004 INT1 External Interrupt Request 2

4 $0006 INT2 External Interrupt Request 3

5 $0008 INT3 External Interrupt Request 4

6 $000A INT4 External Interrupt Request 5

7 $000C INT5 External Interrupt Request 6

8 $000E INT6 External Interrupt Request 7

9 $0010 INT7 External Interrupt Request 7

10 $0012 TIMER2 COMP Timer/Counter2 Compare Match

11 $0014 TIMER2 OVF Timer/Counter2 Overflow

12 $0016 TIMER1 CAPT Timer/Counter1 Capture Event

Timer/Counter1 Compare Match B

15 $001C TIMER1 OVP Timer/Counter1 Overflow

16 $001E TIMER0 COMP Timer/Counter0 Compare Match

17 $0020 TIMER0 OVF Timer/Counter0 Overflow

18 $0022 SPI, STC SPI Serial Transfer Complete

19 $0024 USART0, RX USART0, Rx Complete

20 $0026 USART0,

UDRE

USART0 Data Register Empty

21 $0028 USART0, TX USART0, Tx Complete

23 $002C EE READY EEPROM Ready

Timer/Countre1 Compare Match C

26 $0032 TIMER3 CAPT Timer/Counter3 Capture Event

Timer/Counter3 Compare Match C

30 $003A TIMER3 OVF Timer/Counter3 Overflow

31 $003C USART1, RX USART1, Rx Complete

32 $003E USART1,

UDRE

USART1 Data Register Empty

33 $0040 USART1, TX USART1, Tx Complete

34 $0042 TWI Two-wire Serial Interface

35 $0044 SPM READY Store Program Memory Ready

Không như vi xử lý họ 8051, ở đó thứ tự ưu tiên của các ngắt có thể thay đổi được (bằng cách lập trình) Với vi xử lý AVR thứ tự ưu tiên các ngắt không thể thay đổi và theo qui tắc: “Một véc tơ ngắt có địa chỉ thấp hơn trong bộ nhớ

chương trình có mức độ ưu tiên cao hơn ” Chẳng hạn ngắt ngoài 0 (INT0) có

mức độ ưu tiên cao hơn ngắt ngoài 1 (INT1)

Để cho phép một ngắt người dùng cần cho phép ngắt toàn cục (set bít I trong thanh ghi SREG) và các bít điều khiển ngắt tương ứng Khi một ngắt xảy ra

và đang được phục vụ thì bít I trong thanh ghi SREG bị xóa, như thế khi có một ngắt khác xảy ra nó sẽ không được phục vụ, do đó để cho phép các ngắt trong khi một ISR (interrupt service routine) khác đang thực thi, thì trong chương trình ISR phải có lệnh SET để set lại bít I trong SREG

1.8 CÁC BỘ PHẬN NGOẠI VI KHÁC

1.8.1 Bộ so sánh tương tự

Sơ đồ của bộ so sánh tương tự (Analog Comparator) như hình 1.12 Bộ so sánh có hai ngõ vào tương tự là AIN0 và AIN1 và một ngõ ra số ACO Nguyên tắc hoạt động của bộ so sánh tương tự là: Khi ngõ vào AIN0 có điện thế cao hơn ngõ vào AIN1 thì ngõ ra ACO sẽ ở mức cao (tương ứng với lôgíc 1), ngược lại khi ngõ vào AIN0 có điện thế thấp hơn ngõ vào AIN1 thì ngõ ra ACO sẽ ở mức thấp (tương ứng với lôgíc 0) Thường trong hai ngõ vào, có một ngõ có điện thế được giữ cố định để dùng làm điện thế tham chiếu (VRef), điện thế ngõ còn lại có thể thay đổi để tham chiếu với ngõ vào VRef Trạng thái của ngõ ra ACO của bộ so sánh

có thể được dùng để tạo ra một ngắt, kết nối tới bộ định thời 1 để sử dụng chức năng input capture của bộ định thời

Hình 1.12 Sơ đồ bộ so sánh tương tự

Cần chú ý là có sự khác biệt về chi tiết ở bộ so sánh tương tự đối với

các dòng AVR khác nhau, chẳng hạn bộ so sánh tương tự của AT90S8535 hơi khác với bộ so sánh tương tự ở ATmega128, tuy nhiên cấu trúc cơ bản thì vẫn như nhau

1.8.2 Bộ chuyển đổi ADC

Bộ biến đổi ADC có chức năng biến đổi tín hiệu tương tự (analog signal) có giá trị thay đổi trong một dải biết trước thành tín hiệu số (digital signal) Bộ ADC của ATmega128 có độ phân giải 10 bít, sai số tuyệt đối ± 2 LSB, dải tín hiệu ngõ vào từ 0v – VCC, tín hiệu ngõ vào có nhiều lựa chọn như:

Có 8 ngõ vào đa hợp đơn hướng (Multiplexed Single Ended), 7 ngõ vào vi sai (Differential Input),… Bộ ADC của ATmega128 là loại ADC xấp xỉ liên tiếp (succesive approximation ADC) với hai chế độ hoạt động có thể lựa chọn là chuyển đổi liên tục (Free Running) và chuyển đổi từng bước (Single Conversion)

Sơ đồ đơn giản của một bộ ADC được thể hiện như hình 1.13

Hình 1.13 Sơ đồ đơn giản của một khối ADC

Nguyên tắc hoạt động của khối ADC: Tín hiệu tương tự đưa vào các ngõ ADC0:7 được lấy mẫu và biến đổi thành tín hiệu số tương ứng Tín hiệu số được lưu trong hai thanh ghi ACDH và ADCL Một ngắt có thể được tạo ra khi hoàn thành một chu trình biến đổi ADC

Thực tế, bộ ADC của ATmega128 phức tạp hơn nhiều, tuy nhiên cơ sở vẫn dựa vào nguyên tắc trên Để khảo sát bộ ADC của ATmega128 ta cần tìm hiểu các khối chức năng sau:

* Điện áp tham chiếu: Là giá trị điện áp dùng để so sánh với điện áp của tín hiệu tương tự cần biến đổi ở ngõ vào ADC ATmega128 có 3 lựa chọn điện áp tham chiếu là AVCC bằng với VCC, điện áp tham chiếu nội 2.56V, và Vref là tùy chọn AVR có 2 nguồn điện áp tham chiếu nội là internal reference = 2.56V và bandgap reference = 1.24V Điện áp bandgap reference là một hằng số vật lý, nó luôn là 1.24V, còn điện áp internal reference thì có thể thay đổi tùy theo các dòng chíp khác nhau Trong AVR, internal reference được tạo ra từ bandgap reference

* Tần số Clock ADC: Là tần số clock cung cấp cho bộ biến đổi ADC, giá trị có thể thay đổi từ vài KHz đến vài MHz Tuy nhiên, tần số thích hợp khoảng từ 50KHz đến 200KHz cho độ phân giải 10 bít và có thể cao hơn 200KHz nếu độ phân giải thấp hơn

- Ngõ vào tương tự: ATmega128 có hai lựa chọn ngõ vào tương tự:

-10 ngõ vào đơn hướng (single ended): 10 ngõ vào này là ADC0:7, AGND

và bandgap reference Thực tế ta thường dùng 8 ngõ vào ADC0:7 Vì có 8 ngõ vào

ADC0:7 nên ta có thể đưa vào 8 tín hiệu tương tự khác nhau Khi lựa chọn ngõ vào kiểu này (tức kiểu single ended) thì kết quả chuyển đổi được tính như sau:

*1024

Vin ADC

Vref

= (1.1)

- Ngõ vào vi sai: Ta có thể đưa hai tín hiệu tương tự vào ngõ vào ADC, hai tín hiệu tương tự này sẽ qua một bộ vi sai (mạch trừ), kết quả ở ngõ ra có thể được khuếch đại rồi sau đó mới đưa vào khối ADC để biến đổi Bộ vi sai có 2 ngõ vào là Vpos (ngõ vào dương) và Vneg (ngõ vào âm) Các chân ADC3:7 dùng làm ngõ vào dương, các chân ADC0:2 là ngõ vào âm (hình 1.14) Đối với lựa chọn này, kết quả ADC sẽ là :

Ở đây Gain là độ lợi có thể tùy chọn Công thức trên cho thấy kết quả ADC

có thể là số âm khi VPOS < VNEG Do đó, dải giá trị của ADC trong trường hợp này

là 512 tới 511 Vì vậy, kết quả trong thanh ghi ADC được biểu diễn dưới dạng số

bù 2 Để biết được kết quả là số âm hay dương ta kiểm tra bít ADC9 (trong thanh ghi ADCH), nếu bít này là 1 thì kết quả là số âm, nếu bít này là 0 thì kết quả là số dương

Chú ý: Điện áp qua bộ vi sai có thể âm, nhưng điện áp cấp ở các ngõ vào

ADC0:7 (cho cả hai trường hợp ngõ vào vi sai và ngõ vào đơn hướng) phải luôn nằm trong khoảng 0v – AVCC

Hình 1.14 Ngõ vào vi sai

- Chế độ hoạt động: Có hai chế độ hoạt động của bộ ADC là chuyển đổi

+ Chuyển đổi liên tục: Là chế độ mà sau khi khởi động thì bộ ADC thực hiện chuyển đổi liên tục không ngừng

+ Chuyển đổi từng bước: Là bộ ADC sau khi hoàn thành một chuyển đổi thì sẽ ngừng, một chuyển đổi tiếp theo chỉ được bắt đầu khi phần mềm có yêu cầu chuyển đổi tiếp

1.8.3 Bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp USART

* USART (Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter): Bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và bất đồng bộ, đây là khối chức năng dùng cho việc truyền thông giữa vi xử lý với các thiết bị khác Trong vấn đề truyền dữ liệu số, có thể phân chia cách thức (method) truyền dữ liệu ra hai chế độ

cơ bản là : Chế độ truyền nhận đồng bộ (Synchronous) và chế độ truyền nhận bất đồng bộ (Asynchronous) Ngoài ra, nếu ở góc độ phần cứng thì có thể phân chia theo cách khác đó là: Truyền nhận dữ liệu theo kiểu nối tiếp (serial) và song song (paralell)

* Truyền đồng bộ: là kiểu truyền dữ liệu trong đó bộ truyền

(Transmitter) và bộ nhận (Receiver) sử dụng chung một xung đồng hồ (clock)

Do đó, hoạt động truyền và nhận dữ liệu diễn ra đồng thời Xung clock đóng vai trò là tín hiệu đồng bộ cho hệ thống (gồm khối truyền và khối nhận) Ưu điểm của kiểu truyền đồng bộ là tốc độ nhanh, thích hợp khi truyền dữ liệu khối (block)

* Truyền bất đồng bộ: Là kiểu truyền dữ liệu trong đó mỗi bộ truyền

(Transmitter) và bộ nhận (Receiver) có bộ tạo xung clock riêng, tốc độ xung clock ở hai khối này có thể khác nhau, nhưng thường khác nhau không quá 10% Do không dùng chung xung clock, nên để đồng bộ quá trình truyền và nhận dữ liệu, người ta phải truyền các bít đồng bộ (Start, Stop,…) đi kèm với các bít dữ liệu Các bộ truyền và bộ nhận sẽ dựa vào các bít đồng bộ này để quyết định khi nào thì sẽ thực hiện hay kết thúc quá trình truyền hoặc nhận dữ liệu Do

đó, hệ thống truyền không đồng bộ còn được gọi là hệ thống truyền “tự đồng bộ”

Từ hai kiểu truyền dữ liệu cơ bản trên, người ta đưa ra nhiều giao thức (Protocol) truyền khác nhau như: SPI (đồng bộ), USRT (đồng bộ), UART (bất đồng bộ),…Tuy vậy, cũng có giao thức truyền mà không thể xếp được vào kiểu nào: Đồng bộ hay bất đồng bộ, chẳng hạn kiểu truyền I2C (Trong AVR gọi là TWI) Tuy vậy, một cách hơi gượng ép thì có thể thấy giao thức truyền I2C gần

với kiểu đồng bộ hơn vì các thiết bị giao tiếp với nhau theo chuẩn I2C đều dùng chung một xung clock

ATmega128 có hai bộ USART là : USART0 và USART1 Hai bộ USART này độc lập nhau, điều này có nghĩa là hai khối USART0 và USART1 có thể hoạt động cùng một lúc Sơ đồ khối đơn giản của khối USART thể hiện trong hình 1.15

Hình 1.14 Sơ đồ khối bộ USART

Chương 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH , XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN

VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG KHOAN - PHAY TỰ ĐỘNG

2.1 CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG

2.1.1 Khái niệm và sơ đồ hệ thống sản xuất linh hoạt và tích hợp

Máy tính ra đời từ những năm 70 của thế kỷ trước Cho đến ngày nay, máy tính phát triển như vũ bão, đã làm đổi thay rất nhiều lĩnh vực trong xã hội loài người Máy tính được ứng dụng vào mọi mặt của đời sống xã hội, từ công sở, trường học, bệnh viện, sân bay đến nhà hát, sân vận động Nền kinh tế thế giới cũng nhờ đó mà phát triển nhanh chóng Các nhà máy sản xuất theo phương pháp truyền thống cũng được nâng cấp phát triển thành hệ thống sản xuất tự động, từng phần, toàn phần, rồi phát triển thành các dây chuyền sản xuất tiên tiến có sự trợ giúp của máy tính Máy tính tham gia vào tất cả các quá trình sản suất từ khâu ban đầu là thiết kế sản phẩm, cho tới khâu chuẩn bị, gia công, kiểm tra chất lượng và cuối cùng là tính giá thành sản phẩm, năng suất lao động và phân phối sản phẩm ra thị trường hàng hoá một cách hiệu quả và kinh tế nhất

CIM (Computer Integrated Manufacturing) là hệ thống sản xuất tự động hoàn chỉnh có sự trợ giúp của máy tính Trong hệ thống CIM các chức năng thiết

kế và chế tạo được gắn kết với nhau, cho phép tạo ra những sản phẩm nhanh bằng các quy trình sản xuất linh hoạt và hiệu quả CIM xuất hiện vào đầu những năm 70, nhưng đến nay đã trở thành quen thuộc trong sản xuất hiện đại, cùng với sự phát triển của sản xuất, sự phát triển của khoa học công nghệ đặc biệt là trong lĩnh vực

tự động hoá và phần mềm máy tính thì hệ thống CIM được triển khai ở cơ sở sản xuất công nghiệp ngày càng rộng rãi, là nền tảng của tích hợp các thiết bị và hệ thống sản xuất thông qua các máy tính hoặc các bộ vi xử lí

Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về CIM tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng của nó, sau đây là một số định nghĩa về CIM tiêu biểu:

Hiệp hội các nhà sản xuất SME (Society of Manufacturing Engineers) định nghĩa về CIM như sau: CIM là một hệ thống tích hợp có khả năng cung cấp sự trợ giúp của máy tính cho tất các các chức năng thương mại của một nhà máy sản xuất,

từ khâu tiếp nhận đơn đặt hàng, thiết kế, sản xuất, cho đến khâu phân phối sản phẩm đến khách hàng

Từ điển về các công nghệ sản xuất tiên tiến AMT (Advanced Manufacturing Technologies) định nghĩa về CIM như sau: CIM là một nhà máy sản

xuất tự động hoá toàn phần, nơi mà tất cả các quá trình sản xuất được tích hợp và được điều khiển bởi máy tính

Công ty máy tính IBM của Mỹ định nghĩa: CIM là một ứng dụng, có khả năng tích hợp các nguồn thông tin về thiết kế sản phẩm, kế hoạch sản xuất, thiết lập

và điều khiển các nguyên công trong toàn bộ quá trình sản xuất

Một hệ thống CIM có thể được tạo thành từ các bộ phận sau:

- CAD, CAM, CAP, CAPP

- Các tế bào gia công

- Hệ thống cấp liệu

- Hệ thống lắp ráp linh hoạt

- Hệ thống mạng LAN nội bộ liên kết các thành phần trong hệ thống

- Hệ thống kiểm tra và các thành phần khác

2.1.2 Mô hình hệ thống khoan - phay tự động

Để mô phỏng hệ thống sản xuất tự động có sự trợ giúp của máy tính phục vụ công tác nghiên cứu và đưa vào giảng dạy tại các cơ sở đào tạo đáp ứng nhu cầu của các doanh nghiệp Nhóm tác giả đã xây dựng cấu trúc của hệ thống khoan - phay

tự động, hệ thống bao gồm các phân hệ sau:

- Mô hình máy phay CNC

- Rôbôt công nghiệp thực hiện các chức năng tự động cấp phôi

- Máy tính chủ được kết nối bằng cổng COM điều khiển và quản lí toàn bộ hệ thống thông qua chương trình điều khiển

- Băng tải cấp phôi và vận chuyển chi tiết

- Hệ thống cấp phôi tự động

- Đồ gá tự động

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống khoan - phay tự động

Khi khởi động hệ thống phần mềm sẽ nhận dữ liệu của chương trình gia công, các thông số công nghệ rồi tính toán chuyển động chạy dao, các góc quay tại các khớp động của Rôbôt công nghiệp sau đó truyền kết quả tính toán xuống bộ điều khiển qua cổng COM của máy tính, đồng thời phần mềm cũng nhận dữ liệu từ mạch điều khiển thông qua cổng COM, quá trình truyền nhận này diễn ra liên tục trong suốt quá trình làm việc của hệ thống cụ thể như sau:

Khi kích hoạt chương trình điều khiển, động cơ gạt phôi của hệ thống cấp phôi tự động thực hiện quá trình gạt phôi, khi một phôi được đưa tới băng tải vận chuyển phôi, sensor hồng ngoại sẽ gửi tín hiệu tới hệ thống điều khiển, để điều khiển dừng động cơ gạt phôi Phôi sau khi được đưa tới băng tải, sẽ được vận chuyển về cuối băng tải, khi phôi đã vào đúng vị trí một sensor hồng ngoại sẽ gửi tín hiệu tới hệ thống điều khiển để thực hiện dừng băng tải cấp phôi và Rôbôt công nghiệp thực hiện quá trình gắp phôi và đặt phôi vào đồ gá tự động trên máy CNC Sau khi đồ gá tự động thực hiện quá trình định vị và kẹp chặt phôi, máy CNC thực hiện quá trình gia công theo chương trình đã được thiết lập trước Khi gia công xong, bàn máy của máy CNC di chuyển về vị trí nhận phôi ban đầu, sau đó đồ gá tự động sẽ thực hiện quá trình nhả chi tiết đã gia công.Quá trình nhả chi tiết kết thúc,

Rôbôt công nghiệp sẽ thực hiện quá trình gắp chi tiết đã gia công và đặt vào băng tải vận chuyển chi tiết, băng tải này sẽ vận chuyển chi tiết về kho

2.1.2.1 Máy phay CNC trong hệ thống

Trước thế hệ máy CNC đã có máy công cụ thông thường và máy điều khiển

số NC Máy công cụ được điều khiển trực tiếp bởi tay người công nhân, nên chất lượng và năng suất gia công phụ thuộc rất

nhiều vào tay nghề của công nhân Với

máy điều khiển số NC thì việc điều khiển

máy được quyết định bởi các chương trình

đã lập sẵn Máy CNC là mức phát triển

cao từ các máy NC Máy CNC được trang

bị một máy tính để điều khiển các chức

năng máy Các chương trình gia công

được lưu vào bộ nhớ để sử dụng cho việc

điều khiển quá trình gia công Máy phay

CNC có thể thực hiện các chức năng: Nội

suy đường thẳng, cung tròn, mặt xoắn,

mặt parabol Máy phay CNC có thể bù

chiều dài và đường kính của dụng cụ

1 Hệ trục toạ độ của máy phay CNC

Các trục toạ độ của máy phay CNC cho phép xác định chiều chuyển động của

cơ cấu máy và dụng cụ cắt Các trục X, Y, Z được xác định theo quy tắc bàn tay phải Các trục quay tương ứng của các trục X, Y, Z là A, B, C; chiều quay là theo

quy tắc vặn bu lông (hình 2.2)

* Trục Z

Trục Z của hệ trục toạ độ máy CNC luôn song song với trục chính của máy Máy tiện: Trục Z song song với trục chính của máy và có chiều dương chạy

từ mâm cặp tới dụng cụ (dụng cụ đi xa dần chi tiết)

Máy khoan đứng, máy phay đứng, máy khoan cần: Trục Z song song với các trục chính và có chiều dương hướng từ bàn máy lên phía trục chính

Các máy phay có nhiều trục chính: Trục Z song song với đường tâm trục chính vuông góc với bàn máy (chọn trục chính có đường tâm vuông góc với bàn máy làm trục Z), chiều dương của nó hướng từ bàn máy đến trục chính

Hình 2.2 Hệ trục tọa độ trong máy CNC

- Máy tiện: Trục X vuông góc với trục máy và có chiều dương hướng về phía bàn kẹp dao (hướng về phía dụng cụ cắt) Như vậy nếu bàn kẹp dao ở phía trước trục chính thì chiều dương của trục X hướng vào người thợ, còn nếu bàn kẹp dao ở phía sau trục chính thì chiều dương đi xa khỏi người thợ

- Máy bào: Trục X nằm song song với mặt định vị chi tiết trên bàn máy và chiều dương hướng từ bàn máy đến thân máy

* Trục Y

Trục Y được xác định sau khi đã xác định 2 trục X, Z theo quy tắc bàn tay phải Ngón trỏ chỉ chiều dương của trục Y

2 Các dạng điều khiển của máy phay CNC

Do máy CNC có khả năng gia công được các bề mặt khác nhau như: Các lỗ, mặt phẳng, các mặt định hình Vì vậy, có các dạng điều khiển máy như: Điều khiển điểm - điểm, điều khiển theo đường thẳng và theo đường biên dạng (đường contour)

- Điều khiển điểm – điểm

Điều khiển điểm – điểm được dùng để gia công các lỗ bằng các phương pháp khoan, khoét, doa và cắt ren lỗ Chi tiết gia công được gá cố định trên bàn máy, dụng cụ cắt thực hiện chạy dao nhanh đến các vị trí đã lập trình (hoặc chạy bàn máy) Khi đạt tới các điểm đích thì dao bắt đầu cắt (hình 2.3)

a c e 1

2

3

W

x y

Hình 2.3 Các dạng chạy dao trong điều khiển điểm - điểm

a) Sơ đồ gia công b) Chạy dao đồng thời theo 2 trục c) Chạy giao kiểu kế tiếp

Vị trí của các lỗ gia công có thể được điều khiển đồng thời hoặc kế tiếp theo

Hình 2.4 Các dạng chạy dao trong điều khiển đường thẳng

a Chạy dao kiểu đường thẳng trên máy tiện

b Chạy dao kiểu đường thẳng trên máy phay

- Điều khiển theo đường thẳng

Là điều khiển mà khi gia công dụng cụ cắt thực hiện lượng chạy dao theo một đường thẳng nào đó Trên máy tiện dụng cụ cắt chuyển động song song hoặc vuông góc với trục của chi tiết (hình 2.4, a)

Trên máy phay dụng cụ cắt chuyển động song song với trục Y hoặc trục X

- Điều khiển theo biên dạng (contour)

z

x

X Y

Hình 2.5 Điều khiển contour trên máy tiện (a) và máy phay (b)

Điều khiển theo biên dạng cho phép thực hiện chạy dao trên nhiều trục cùng lúc Các chuyển động theo các trục có sự quan hệ hàm số ràng buộc với nhau Dạng điều khiển này được áp dụng trên máy tiện, máy phay và các trung tâm gia công

Có 3 dạng điều khiển: Điều khiển theo biên dạng contour 2D, 21/2D và điều khiển 3D (D là chiều không gian hoặc trục máy)

- Điều khiển contour 2D: Cho phép thực hiện chạy dao theo hai trục đồng thời trong một mặt phẳng gia công Trục thứ ba được điều khiển hoàn toàn độc lập với các trục kia

- Điều khiển contour 21/2D: Điều khiển contour 21/2D cho phép ăn dao đồng thời theo 2 trục nào đó để gia công bề mặt trong 1 mặt phẳng nhất định Trên máy CNC có ba trục X, Y, Z ta sẽ điều khiển được đồng thời X và Y, X và Z, hoặc Y và

Z Trên các máy phay thì điều này có nghĩa là

chiều sâu cắt có thể được thực hiện bất kỳ trục

nào đó trong 3 trục, còn 2 trục kia để phay

contour (hình 2.6)

- Điều khiển contour 3D: Điều

khiển contour 3D cho phép đồng thời

chạy dao theo cả 3 trục X, Y, Z (hình

2.7) Điều khiển contour 3D được áp

dụng để gia công các khuôn mẫu, gia

công các chi tiết có bề mặt không gian

Hình 2.7 Điều khiển contour 3D

3 Các chỉ tiêu gia công của máy phay CNC

- Thông số hình học của máy phay CNC hay của vùng gia công là thông số của không gian mà trong đó dụng cụ cắt và chi tiết gia công có thể tác động qua lại

ở bất kỳ vị trí nào Như vậy trên các máy gia công chi tiết quay thì vùng gia công là một khối lăng trụ được xác định bằng bán kính và chiều dài dịch chuyển của các toạ độ (hình 2.8)

Trên các máy gia công chi tiết hình hộp chữ nhật vùng gia công là một khối hộp được xác định bằng các chiều dài dịch chuyển của các toạ độ Các điểm giới hạn của vùng làm việc được đánh số tương tự ký hiệu số của ma trận Để thuận tiện

và dễ nhớ người ta đánh thứ tự các số theo quy tắc sau: Số thứ nhất của các chữ số

ký hiệu các điểm theo trục thẳng đứng, số thứ hai của các chữ số ký hiệu các điểm theo trục dọc (trục Z), còn số thứ ba của các chữ số ký hiệu các điểm theo trục nằm ngang (trục X)

- Thông số gia công là tốc độ chuyển động của các cơ cấu chấp hành và công suất động cơ Người ta dựa vào thông số hình học như kích thước bàn máy phay hay chiều cao của tâm máy tiện để chọn công suất động cơ, tốc độ quay của trục chính và lượng chạy dao Ví dụ: đối với các máy nhiều dao để gia công các chi tiết hình hộp chữ nhật người ta chọn các thông số gia công như bảng 2.1