Ứng dụng vi điều khiển Atmega 8535 họ AVR trong tự động điều khiển nhiệt độ khí sấy nông sản và hiển thị kết quả trên máy tính pdf

ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 8535 HỌ AVR TRONG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ KHÍ SẤY NÔNG SẢN VÀ HIỂN THỊ KẾT QUẢ TRÊN MÁY TÍNH Using microcontroller ATmega 8535 in automatic control of t

ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 8535 HỌ AVR TRONG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ KHÍ SẤY NÔNG SẢN VÀ HIỂN THỊ KẾT QUẢ

TRÊN MÁY TÍNH

Using microcontroller ATmega 8535 in automatic control of the air-temperature and

displaying results on computer for drying agricultural products

Nguyễn Thị Hoài Sơn 1 , Nguyễn Văn Hồng 2

SUMMARY

This article introduces the structure and characteristics of microcontroller ATmega 8535 (generation AVR) and its application in automatic control circuit for drying agricultural products and displaying results on computer A dryer prototype with the automatic control circuit using “ATmega 8535” has been designed, manufatured and tested The testing results have satisfied requirements of both drying technology and automatic control technique

Key words: Microcontroller, drying, air-temperature, display

1- ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay cùng sự phát triển không ngừng

của khoa học kỹ thuật, thì kỹ thuật số đã đem

lại cho con người những thành tựu to lớn, giúp

cho con người dễ dàng đạt được mục đích của

mình trong mọi thiết kế Hoà nhập cùng xu

hướng đó, vi điều khiển đã khẳng định được

vị thế vững chắc của mình trong mọi ứng

dụng Điển hình trong công nghệ bảo quản

chế biến nông sản, vấn đề tự động ổn định

nhiệt độ là yếu tố quan trọng hàng đầu để

nâng cao chất lượng sản phẩm Vì vậy, việc

ứng dụng vi điều khiển trong tự động điều

khiển nhiệt độ khí sấy nông sản dạng hạt và

hiển thị kết quả trên máy tính đã được nghiên

cứu và ứng dụng

2- CẤU TRÚC, ĐẶC ĐIỂM VÀ CÔNG CỤ

PHÁT TRIỂN VI ĐIỀU KHIỂN

ATMEGA8535

Một trong những vi điều khiển họ AVR

là vi điều khiển ATmega8535 (Data sheet

ATmega8535) Đây là một con vi điều

khiển có cấu trúc khá phức tạp, có đầy đủ

chức năng của họ AVR, nếu lập trình

thành thạo cho ATmega8535 chúng ta

hoàn toàn có thể sử dụng thành thạo các

vi điều khiển khác trong cùng họ ATmega8535 là một vi điều khiển CMOS 8bit công suất thấp trên nền kiến trúc AVR kiểu RISC Vào/ra: Analog - digital và có thể ngược lại Bằng việc thực hiện câu lệnh trong một chu kỳ xung nhịp đơn, ATmega8535 đạt được một triệu phép tính trong 1 giây với tần số 1MHZ với tốc độ xử lý cao Cấu trúc của ATmega8535 trong hình 1 gồm 512 Byte EEPROM với 100.000 lần viết/xoá 512 Byte SRAM nội, hai bộ định thời 8bit và các chế độ chọn tần số xung nhịp riêng, một bộ định thời 16 bit và các chế độ chọn tần số xung nhịp riêng, 4 kênh PWM, 8 kênh ADC 10 bit, giao diện BUS hai dây truyền thông nối tiếp USART, giao diện nối tiếp SPI (Serial Peripheral Interface), bộ so sánh tương tự trên chip, bộ định thời watchog có thể lập trình được với mạch dao động riêng trên chíp ATmega8535 khởi động khi bật nguồn, mạch dao động RC nội, các nguồn ngắt ngoại và nội, có 6 chế độ ngủ: IDLE, giảm nhiễu ADC, tiết kiệm năng lượng, Standby và Standby mở

rộng(mạch dao động tiếp tục chạy khi

ngoại vi duy trì standby cho phép khởi

động nhanh công suất tiêu thụ thấp)

Điện áp hoạt động 4,5V - 5,5V, tần số

hoạt động từ 0 - 16 MHZ Đặc biệt với vi

điều khiển ATmega8535 là nhóm các

lệnh làm việc với 32 thanh ghi đa năng

nối trực tiếp với ALU đồng thời cho phép hai thanh ghi độc lập truy cập đồng thời trong một chu kỳ xung nhịp khi thực thi một lệnh Kiểu mã kết quả trả về hiệu quả hơn trong khi thời gian nhanh gấp 10 lần

so với vi điều khiển kiểu CISC thông thường

Hình 1 Sơ đồ khối của vi điều khiển Atmega 8535

Khi sử dụng vi điều khiển ATmega8535,

có rất nhiều phần mềm được dùng để lập trình

bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau đó là: Trình

dịch Assembly như AVR studio của

Atmel,Trình dịch C như win AVR,

CodeVisionAVR C, ICCAVR C -

CMPPILER của GNU… Trình dịch C đã

được nhiều người dụng và đánh giá tương đối mạnh, dễ tiếp cận đối với những người bắt đầu tìm hiểu AVR, đó là trình dịch CodeVisionAVR C Phần mềm này hỗ trợ nhiều ứng dụng, khiến khi lập trình đơn giản hơn nhiều Phầm mềm này có thể tìm thấy trên trang web: http//www.hpin fotech.com

3 SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA8535 TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ KHÍ SẤY NÔNG SẢN DẠNG HẠT VÀ HIỂN THỊ KẾT QUẢ TRÊN MÁY TÍNH

Mạch khuyếch đại tín hiệu Vi điều

khiển ATmega

8535

Cảm biến nhiệt

Bàn phím để đặt nhiệt độ

LCD hiển thị nhiệt độ Đồng bộ tín hiệu

Hình 2 Sơ đồ khối mạch điều khiển

MAX 232 Máy tính

Mạch điều khiển Triac

Sơ đồ khối mạch tự động điều khiển và

hiển thị nhiệt độ lên máy tính được chỉ ra trên

hình 2

Để điều chỉnh được nhiệt độ, trước hết phải

đo được nhiệt độ Nhiệt độ khí sấy nông

sản thường dưới 1000C nên ta có thể dùng

cảm biến nhiệt LM335 phổ biến trên thị

trường, giá cả phù hợp, các thông số ở

nhiệt độ 250C: Điện áp hoạt động Umin =

2,92V, Umax = 3,04V với dòng I = 1 mA,

sự thay đổi điện áp 10mV/0C Giải hoạt

động của nhiệt độ: - 40 ÷ + 1000C LM335

được đóng gói theo kiểu TO-92 (có thể

tham khảo kỹ ở Tài liệu về các linh kiện

trên thị trường www.Alldatasheet com)

Tín hiệu điện áp ở đầu ra của LM335 qua

bộ khuếch đại và đưa vào vi điều khiển

ATmega8535

Để thay đổi giá trị nhiệt độ cần sấy đối với

từng loại nông sản thì dùng bàn phím 4 nút ấn

để lựa chọn điều khiển theo hình thức bảng lựa

chọn (Menu) là phương pháp hiệu quả, chính

xác, dễ dàng nhất Mạch điều khiển bàn phím

được thực hiện thông qua vi mạch giải mã địa chỉ IC74148 Khi một phím được ấn thì IC74148 sẽ cho tín hiệu đầu ra đưa vào vi điều khiển để xử lý

Hiển thị nhiệt độ của lò sấy có thể dùng LCD đọc trực tiếp hoặc truyền tín hiệu từ

vi điều khiển ATmega8535 cho hiển thị lên máy tính tạo thuận lợi cho việc điều khiển từ xa Máy tính truyền dữ liệu theo hai phương pháp: nối tiếp và song song Truyền dữ liệu song song thường dùng 8 hoặc nhiều đường dây dẫn để truyền dữ liệu: tốc độ truyền cao nhưng khoảng cách bị hạn chế Để truyền tin đi xa người ta thường dùng phương pháp truyền tin nối tiếp, truyền tin nối tiếp có hai phương pháp: đồng bộ và không đồng

bộ (Ngô Diên Tập, 2000) Phương pháp truyền đồng bộ sử dụng một tín hiệu

clock (có thể do thiết bị phát hoặc thu phát ra) làm chuẩn, truyền dữ liệu thành

các chuỗi bit trên đường truyền Căn cứ vào tín hiệu clock đồng bộ mà các đối tác

truyền thông đồng bộ nhịp khôi phục các

byte dữ liệu Phương pháp truyền không

đồng bộ dựa trên tốc độ truyền được định

nghĩa sẵn trên các đối tác truyền thông

giữa các đối tác truyền thông có sự hiểu

ngầm về tốc độ truyền không có tín hiệu clock cho việc đồng bộ Các byte dữ liệu được xác định thông qua các bit START, STOP trong chuỗi bít truyền đi

C6 105 TxD

+12V

C14 104

C17 100uF

L2 10mH

C11 33 RST

2.2V_Ref _AVR

R6 20K

U3

L7805/TO220

1

3 VIN

VOUT

0.6V

Enable_LCD

D2 1N4148

C3

1uF

5.1V

Main Cercuit

A

Sunday , January 08, 2006

Title

+5V

RW_LCD

D5

U2 MAX232 1

3

5

2

6

12

9

11

13 8

14 7

C1+

C1-C2+

V+

V-R1OUT

T1IN

R1IN T1OUT

Nguon

RW_LCD D1

1N4148 L1

R9 10k

C18 104

J1

THDB 1

RS_LCD Q0

D6

R3 12K

Nguon

C4

1uF

+5V

C15 100uF

J2

CON16A

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 C2 1uF

2.2V

R5 20K

C10 105

+12V

D-1 LED

J6 CON1 1

C9 33

J3 CON1 1

U4

L7812/TO220

1

3 VIN

VOUT

D3 5.1V

5.7V

R1

4.7K thdk

C13

10uF

D4 BRIDGE

1

4

D4

C16 103

SW1

U1

AT908535

1 3 5 7 9 10 12 14 16 18

23 25 27 29 31 33 35 37 39 (T0) PB0

(AIN0) PB2 (SS) PB4 (MOSI) PB5 (SCK) PB7 RESET VCC GND_POWER XTAL2 (RxD) PD0 (TxD) PD1 (INT0) PD2 (OC1B) PD4 (ICP) PD6 PD7 (OC2)

PC0 PC2 PC4 (TOSC1) PC6 AVCC AGND AREF (ADC7) PA7 (ADC5) PA5 (ADC3) PA3 (ADC1) PA1

D6

V0

Enable_LCD D4

C20 104

P2

Cong giao tiep PC

5 4 3 2 1

VCC

R2 630

D5

6.3V

D7

0.5182mA RXD

2.732V

C1

104

D7

J7

3

1

J4 CON1 1

C8 33

+5V

+5V

RST

Key _B

+5V TXD

<Doc> <Rev Code>

A

Sunday , January 08, 2006

Title

+12V

J5 CON1 1

+5V

R7 10K

C7 33

Y 1 8MHz

P1

Cong Lap Trinh 5 4 3 2 1

C19 1000uF Nguon

Temperature Temperature +5V

R4 12K

C5 1uF

R8 10K

Q1 +5V

GND 2.2V_Ref _AVR

Ref _Bridge Test Point

RS_LCD RxD

C12 104

Hình 3 Sơ đồ nguyên lý mạch tự động điều khiển nhiệt độ và hiển thị kết quả trên máy tính

Trong vi điều khiển ATmega8535 tích hợp

sẵn giao diện thu phát đồng bộ - không đồng

bộ tổng hợp Để đảm bảo sự tương thích giữa

các thiết bị truyền dữ liệu nối tiếp do các hãng

khác nhau sản xuất người ta đã xây dựng các

giao diện chuẩn I/O trong đó giao diện truyền

thông nối tiếp không đồng bộ RS 232/V24 cho

máy tính Để truyền thông với máy tính, sử

dụng vi mạch giao diện MAX232, đảm bảo

tương thích về điện, khoảng cách truyền thông

(chuyển TTL sang tín hiệu của chuẩn

RS232).(Ngô Diên Tập, 2000)

Điều khiển nhiệt độ khí sấy thực chất là

điều khiển điện áp trung bình trên sợi đốt

dùng Triac đóng cắt mạch động lực khi nhiệt

độ khí sấy thay đổi Triác BT137 do hãng

Philip Semiconductor chế tạo (Tài liệu về các

linh kiện trên thị trường www.Alldatasheet

com) có khả năng đóng cắt mạch tốc độ cao,

dòng cho phép 8A ở điện áp 800V khi trạng

thái không lặp lại cho phép tới 65A, công suất

tải 2,4Kw, điện áp điều khiển đỉnh cực cửa

5V, công suất trung bình trên cực cửa 0,5w

Trong điều khiển điện áp xoay chiều,

đồng bộ là một khâu quan trọng Khi đồng

bộ người điều khiển sẽ nhận biết được thời điểm nào có chu kỳ điện áp lên xuống

từ đó phát ra xung điều khiển hợp lý mở Triac Với loại vi điều khiển cũ, người thiết kế phải sử dụng tới các bộ đồng bộ ngoài Riêng Atmega8535 có bộ so sánh analog được tích hợp trong chíp nên việc đồng bộ hoá rất đơn giản Lưới điện sau khi được cách li bằng máy biến áp và hạ xuống điện áp an toàn phù hợp với vi điều khiển để đưa vào hai chân AINTO và AINT1 Sự hoạt động của bộ so sánh được điều khiển bằng phần mềm lập trình

Sơ đồ nguyển lý mạch điều khiển nhiệt độ khí sấy và hiển thị kết quả trên máy tính dùng vi điều khiển ATmega8535 trên hình

3

4 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ KHÍ SẤY VÀ KHẢO NGHIỆM

Hệ thống điều khiển nhiệt độ khí sấy chỉ

ra trên hình 4

Hình 4 Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ sấy

Để khảo sát và điều khiển được nhiệt độ

khí sấy là phải xác đinh được đặc tính động

học của đối tượng điều khiển, chọn bộ điều

chỉnh, xác định thông số của bộ điều khiển và

từ đó khảo sát hệ thống Đối tượng điều chỉnh

là nhiệt độ sấy, như các nghiên cứu trước đây thì nó là khâu quán tính bậc nhất có trễ với hàm truyền đạt:

w(s) = 1

1

1 S.

K

T

+ e - τ.s

Chọn bộ điều chỉnh tỉ lệ tớch phõn PI với

hàm truyền:

w c (s) = Kc1 S.Ti

S.Ti +

Sơ đồ cấu trỳc chỉ ra trờn hỡnh 5

sTi

sTi

1

.

1 sT

e Kc

S

+

−τ

e

x

Hình 5 Sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh PI

Với cỏc thụng số điều chỉnh Ti= T1, 1

4

T

π

τ ≥ K = Kc K1

Hỡnh 6a Lưu đồ thuật toỏn cho chương trỡnh

chớnh hiển thị nhiệt độ lờn mỏy tớnh Hỡnh 6b Lưu đồ thuật toỏn cho chương trỡnh chớnh điều khiển nhiệt độ khớ sấy

Đỳng

- Khởi tạo cổng nối tiếp (Serial)

- Nhận nhiệt độ đặt từ mỏy tớnh (Rec)

Chọn cổng vào cho ADC

Đọc ADC và gửi nhiệt độ

vừa đọc lờn mỏy tớnh

Tạo trễ giữa hai lần gửi

Đặt để cho phộp đọc lần sau

Khai bỏo cỏc thư viện cần sử dụng

Khai bỏo cỏc biến toàn cục

+ Khởi tạo chuyển đổi A/D + Khợi tạo so sỏnh tương tự + Khởi tạo cỏc bộ định thời + Khởi tạo LCD

+ Khởi tạo ngắt ngoài + Cho phộp cỏc ngắt

Vũng lặp vụ tận (khụng làm gỡ cả) Sai Reset ?

Ngoài chương trình chính, ta phải lập trình

các chương trình con cho vi điều khiển

hoạt động

Sau khi lắp ráp mạch, kết nối với hệ thống

sấy trong phòng thí nghiệm, nạp chương

trình cho vi điều khiển và tiến hành khảo

nghiệm với nhiệt độ ban đầu trong phòng

thí nghiệm 230C, nhiệt độ đặt để sấy là

500C, kết quả đạt được trên hình 7

Thụng số Kết quả Đơn vị Nhiệt độ ban đầu 23 0 C Nhiệt độ đặt 50 0 C Thời gian đỏp ứng 56 s Thời gian quỏ độ 73 s

Độ quỏ điều chỉnh 1 0 C

Hỡnh 7 Đồ thị đỏp ứng nhiệt độ theo thời gian

0 10 20 30 40 50 60

n (s)

Thời gia

Nhiệt độ (0C)

5 KẾT LUẬN

Kết quả đáp ứng được yều cầu ổn định nhiệt độ sấy nông sản dạng hạt, nhiệt độ ổn định nhanh khi có sự thay đổi đột ngột của hệ thống Kết quả hiển thị trên LCD đúng với kết quả hiển thị trên màn hình máy tính

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trần Như Khuyên, Trần Minh Vượng, Nguyễn Thị Minh Thuận (1997) Thiết bị bảo quản và chế biến nông sản Nxb Giáo dục, Hà Nội

Ngô Diên Tập (2003) Kỹ thuật vi điều khiển với AVR NXB Khoa học và kỹ thuật 2003, 470 trang

Ngô Diên Tập (2000) Kỹ thuật ghép nối máy tính NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, trang 80-97

Bit AVR Microcontroller with 8K bytes - in- system Programmable Flash

Atmel corporation Atmega8535 manual for user http://www.atmel.com

Tài liệu về các linh kiện trên thị trường www.Alldatasheet.com