Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển và máy tính trong điều khiển và giám sát nhiệt độ sấy

Tài liệu tham khảo Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển và máy tính trong điều khiển và giám sát nhiệt độ sấy

mở đầu

1 Đặt vấn đề:

Trong những năm gần đây, thực hiện chính sách đổi mới của đảng, nênkinh tế đất nớc có nhiều chuyển biến quan trọng, nghành nông nghiệp đã cónhững bớc tăng trởng khá nhanh, đặc biệt là sản lợng của các loại nông sảnnh: lúa, ngô, đỗ… Chính vì vậy bảo quản và chế biến cần phải đ Chính vì vậy bảo quản và chế biến cần phải đợc đặc biệtquan tâm nhằm hạn chế quá trình hao hụt về chất lợng sản phẩm trong bảoquản, nâng cao chất lợng sản phẩm

Những yêu cầu này là mục tiêu lớn để chúng ta hớng tới một nền nôngnghiệp tiên tiến có sự quản lý trên quy mô lớn Mặt khác khối lợng sản phẩmlàm ra trong một thời vụ là rất lớn và không thể tiêu thụ ngay tại thời điểm đó,vì vậy công việc bảo quản sau thu hoạch đóng một vai trò hết sức quan trọng

Đây là vấn đề bức xúc đợc nhiều ngời đầu t quan tâm nghiên cứu nhằm tìm ramột biện pháp bảo quản tốt nhất, giảm thiểu những mất mát sau thu hoạch chongời nông dân, đồng thời đảm bảo chất lợng cho sản phẩm phục vụ chế biếnsau này Với đặc điểm địa lí nằm trên vùng nhiệt đới nóng ẩm, ma nhiều, cókhi vào mùa thu hoạc ma kéo dài hàng tuần với độ ẩm không khí nên tới 90-100% nên không thể áp dụng các phơng pháp bảo quản truyền thống nh phơinắng, hong gió Vì thế sấy là một biện pháp bảo quản hiệu quả mà còn làmtăng chất lợng sản phẩm Đặc biệt kỹ thuật sấy cò đợc áp dụng để chế biến rấtnhiều sản phẩm quý của việt nam nh mít, vải, nhã, chuối… Chính vì vậy bảo quản và chế biến cần phải đ

Công nghệ sấy có đạt đợc hiệu quả hay không phụ thuộc dất lớn vào quy trình,thời gian và nhiệt độ sấy Sản phẩm nông nghiệp thì rất đa dạng, mỗi loại lại

có quy trình riêng nhng một hệ thống sấy tốt lại là hệ thống có khả năng sấy

đợc nhiều lại nông sản và đáp ứng các quy trình thích hợp cho từng loại sảnphẩm chính vì thế chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:

"Nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển và máy tính trong điều khiển và

giám sát nhiệt độ sấy"

2 Mục đích của đề tài

- Nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy nông sản

- Nghiên cứu cấu trúc và lập trình cho vi điều khiển, ứng dụng vi điềukhiển trong hệ thống sấy nông sản

- Nghiên cứu hoạt động truyền nhận dữ liệu nối tiếp và sây dựng giao diện

điều khiển giám sát nhiệt độ của hệ thống sấy nông sản trên máy tính

3 Nội dung đề tài

* Các kết quả nghiên cứu kế thừa:

- Kế thừa các công trình nghiên cứu của thế hệ trớc về cơ sở lý thuyết củacác phần mềm lập trình Nh Assembly, CodevisionAVR, Orcad, Visual Basic,phần mềm mô phỏng Matlab 7.0, ISIS 6 Professional

- Kế thừa các mô hình sản xuất đã có trong thực tiễn

* Định hớng nghiên cứu.

- Nghiên cứu phần mềm lập trình trên máy tính

- Thay đổi phơng pháp lập trình để tìm ra phơng pháp đơn giản, dễ sửdụng và hiệu quả kinh tế nhất

- Xây dựng chơng trình điều khiển

* Phơng pháp mô phỏng kiểm chứng:

- Chạy thử mô hình nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi của mô hình và lỗicủa chơng trình điều khiển, rồi từ đó hoàn thiện hệ thống

Nội dungChơng1

Tổng quan chung về sấy nông sản

1.1 công nghệ sấy

Sấy là quá trình dùng nhiệt năng tách hơi nớc ra khỏi vật liệu Quá trìnhnày có thể tiến hành làm bay hơi nớc tự nhiên bằng năng lợng mặt trời haynăng lợng gió (còn gọi là quá trình phơi sấy tự nhiên) dùng phơng pháp nàythì đỡ tốn nhiệt năng nhng không chủ động và không thể điều khiển đợc nhiệtnăng theo yêu cầu kỹ thuật, năng suất thấp Vì vậy trong kỹ thuật bảo quản vàchế biến nông sản mới ngời ta thờng áp dụng phơng pháp sấy nhân tạo, tùytheo phơng pháp truyền nhiệt, trong kỹ thuật sấy cũng chia ra các kỹ thuật nh:

- sấy đối lu: là phơng pháp sấy cho tiếp xúc chực tiếp vật liệu sấy vớikhí nóng hay khói lò

- Sấy tiếp xúc: là phơng pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc chựctiếp với vật liệu sấy mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp quamột vách ngăn

- Sấy bằng tia hồng ngoại: là phơng pháp sấy dùng năng lợng của tiahồng ngoại do nguồn nhiệt phát ra truyền cho vạt liệu sấy

- Sấy bằng dòng điện cao tần: là phơng pháp xấy dùng dòng điện caotần để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu sấy

- Sấy thăng hoa: là phơng pháp sấy trong môi trờng có độ chân khôngrất cao, nhiệt độ rất thấp nên ẩp tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi từtrạng thái rắn thành hơi không qua trạng thái lỏng

Ba phơng pháp sấy cuối ít đợc dùng trong công nghiệp nên gọi chung là phơngpháp sấy đặc biệt

Quá trình sấy là một quá trình có sự tham gia của pha rắn đồng thời vớiquá trình nhiệt đây là qúa trình nối tiếp, vận tốc của toàn bộ quá trình đợc quy

định bởi giai đoạn nào chậm nhất,

Ngoài ra tuỳ theo phơng pháp sấy mà nhiệt độ là yếu tố thúc đẩy hay cản trởquá trình di truyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt vật liệu sấy Trongquá trình sấy thì môi trờng trong không khí ẩm xung quanh có ảnh hởng rấtlớn và trực tiếp đến vận tốc của quá trình sấy Bởi vậy khi nghiên cứu tính toán

hệ thống sấy cần quan tâm tới các thông số sau:

- Độ ẩm tuyệt đối: Là tỷ số giữa lợng hơi nớc chứa trong hạt chia chokhối lợng phần khô của hạt theo công thức:

100(%) k

G n G 0

G n G n G G

n G W

W W

u 

Nh vậy: W0 = 100u(%)

Một đặc trng cơ bản nữa của nông sản dạng hạt là tính chất nhiệt vật lýcủa nó Tính chất này ảnh hởng trực tiếp lên quá trình sấy và tiêu hao nhiệt l-ợng trong quá trình sấy Tính chất nhiệt vật lý đợc biểu hiện thông qua giá trịnhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt Nhiệt dung riêng của vật liệu ẩm đợc xác

định theo công thức:

n G k G

n G n C G k

C C

k C n (C k C

Trong đó: Ck, Cn - nhiệt dung riêng của vật khô và nớc (J/Kg.0C)

Gk, Gn - khối lợng của vật khô và khối lợng nớc

Buồng sấy

đối l u Không khí

Hình 1: Sơ đồ mô tả quá trình sấy đối lu

Trong đó: tx,dx,φx lần lợt là nhiệt độ, lợng ẩm, thuỷ phần của dòng khí.Phơng pháp sấy đối lu đợc phân thành hai nhóm phụ thuộc vào trạngthái của hạt ẩm trong quá trình sấy Nếu khối hạt sấy bất động còn quá trìnhsấy đợc hình thành do dòng khí nóng chuyển động luồn lách giữa lớp hạt thìquá trình này đợc gọi là sấy tĩnh Ngợc lại, trờng hợp hạt sấy chuyển động ng-

ợc chiều với dòng khí sấy thì quá trình sấy đợc gọi là sấy động

- Thiết bị sấy tĩnh thờng đợc thiết kế theo hai dạng là dạng hầm vàdạng cột:

Hình 2: Mô hình thiết bị sấy kiểu hầm

Hình 3: Mô hình thiết bị sấy kiểu cột

Trong những thiết bị sấy này, tác nhân sấy đi từ dới lên trên xuyên qualớp liệu Quá trình luồn lách qua lớp liệu khí nóng sẽ truyền nhiệt lợng củamình sang cho lớp liệu để đốt nóng nó và cho nớc bốc lên từ liệu sấy Hơi nớcbốc ra đợc dòng khí sấy cuốn theo và đa ra ngoài Rõ ràng lớp liệu dới cùng sẽtiếp xúc với dòng khí sấy có nhiệt độ cao, độ ẩm thấp nên sẽ đợc đốt nóngnhanh hơn và cũng khô nhanh hơn Càng lên cao nhiệt độ của khí sấy cànggiảm còn độ ẩm càng tăng, vì vậy tốc độ đốt nóng của liệu càng chậm, vật liệusấy lâu khô hơn Nh vậy nhợc điểm của những thiết bị sấy này là quá trình sấykhông đồng đều Tuy nhiên u điểm của thiết bị sấy này là đợc tạo nên từnhững vật liệu đơn giản giá thành rẻ, thích hợp với quy mô hộ nông dân

- Thiết bị sấy động gồm có thiết bị sấy mẻ và thiết bị sấy tuần hoàn Sựkhác biệt chính là sự chuyển động đảo trộn của hạt liệu trong quá trình sấy, vìvậy quá trình sấy là đồng đều Khi sấy bằng thiết bị sấy mẻ, từng mẻ liệu đợcsấy khô trớc rồi đến mẻ liệu khác Sấy tuần hoàn thì ngợc lại, hạt liệu đợc ravào tuần hoàn đến khi nào khô đồng đều thì kết thúc quá trình sấy

Sự khó khăn về mặt bằng sản xuất đã khiến cho những thiết bị sấy nhỏquy mô hộ gia đình nhiều khi cũng không thích ứng, cần thiết phải có nhữngthiết bị sấy quy mô lớn hơn mang kiểu dáng công nghiệp Dới đây là hình ảnhmột số thiết bị sấy có quy mô công nghiệp ở Việt Nam và trên thế giới:

Hình 4 Thiết bị sấy kiểu băng tải

1 - Phễu đổ nhiên liệu 2 - Buồng sấy 3 - Băng tải

4 - Quạt đẩy 5 - Calorife 6 - Cửa xả nguyên liệu

7 - Cửa thoát khí thải

Hình 5 Thiết bị sấy kiểu thùng quay

1 - Thùng quay 2 - Lò sấy 3 - Buồng trung gian

4 - Cửa thoát khí thải 5 - Cửa xả nguyên liệu

Hình 6 Thiết bị sấy băng tải

1 - Phiễu chứa nhiên liệu 2 - Băng tải 3 - Buồng đốt

4 - Vít tải 5, 7 - Quạt hút 6 - Tờng chấn

Hình 7 Thiết bị sấy hạt theo chu kỳ

1 - Phiễu tiếp liệu 2 - Gàu tải 3 - Máy liên hoàn tách tạp chất

4 - Thiết bị sấy 5 - Vít tải 6 - Thiết bị phân phối hạt và xilo

7 - Xilo ủ thóc 8 - Xilo chứa hạt khô 9 - Băng tải

Trong điều kiện sản xuất hiện nay, có nhiều yếu tố trong sản xuất nh:quy mô sản xuất và hình thức sản xuất đã có nhiều thay đổi, sản phẩm đa dạnghơn, hội nhập, yêu cầu thị trờng cao hơn đòi hỏi nền sản xuất nông nghiệpcủa nớc ta phải có nhiều thay đổi để đáp ứng đợc nó Lĩnh vực sấy nông sảncũng không nằm ngoài sự thay đổi đó Chúng ta cần có những hệ thống sấy

quy mô lớn, năng suất cao, hoạt động một cách tự động đa nông sản tới nhữngchỉ tiêu đợc yêu cầu Đây cũng chính là nội dung và yêu cầu chúng tôi muốnhớng tới trong đề tài này.

Chơng 2 Tổng hợp hệ thống sấy nông sản 2.1 xây dựng mô hình hệ thống sấy

Xây dựng mô hình toán học cho đối tợng điều khiển là bớc đầu tiên vàcũng là bớc quan trọng nhất để đi đến bài toán điều khiển Để có thể xây dựng

 Mô hình sấy cho nh sau:

Hình 8: Mô hình sấy thí nghiệm

+ Quạt gió ly tâm + Buồng đốt

Điện áp cấp 220V - 50Hz Dây đốt Ni - Cr

Tốc độ 2850V/p Điện áp cung cấp 220V – 50Hz Công suất 240W Công suất 2KW

nó giữ ổn định ở nhiệt độ này Nh vậy đối tợng của ta ở đây chính là đối tợng

Kdt: Hệ số truyền của đối tợng,

τ : Thời gian trễ

W0(s) =

1 s 1 n a

1 n s 1 a n s 0 a

1 s 1 m b

1 m s 1 m s 0 b

dt K



Đặc tính đờng quá độ của hàm truyền PTn nh hình 9b

a, b,

Hình 9: đặc tính quá độ của hàm truyền

● Xác định hằng số thời gian T1 của PT1:

Mỗi một khâu có một phơng pháp xác định hằng số thời gian khácnhau Khâu có cấu trúc càng phức tạp thì việc xác định các thông số càng khókhăn Trong phạm vi đề tài này chỉ nêu lên cách xác định các thông số cho môhình PT1 Việc xác định các thông số (Kdt, T1) của PT1 đợc thực hiện qua cácbớc sau:

+ Kẻ tiếp tuyến với đờng đặc tính tại t = 0

+ Xác định giao điểm của đờng tiếp tuyến đó với đờng tiệm cận Kdt=h()

+ Hoành độ của giao điểm vừa xác định chính là tham số T1 cần tìm.Nhợc điểm của phơng pháp này là phụ thuộc nhiều vào độ chính xácviệc kẻ tiếp tuyến Nếu đặt sai tiếp tuyến tại 0 mà h(t) lại có hệ số khuếch đại

Kdt lớn thì kết quả T1 sẽ có sai số lớn Để tránh đợc điều này ta đi từ hàm

h(t

)

Nói cách khác tại đúng thời điểm T hàm h(t) sẽ đạt 63.2% giá trị cực

đại Vậy để xác định T thì sau khi tìm đợc K ta tính h(T) = 0.632*K rồi từ đósuy ngợc lại T

Trong nhiều trờng hợp không thể tạo ra đợc một nhiễu bậc thang 1(t),ngời ta có thể dùng tín hiệu là A*1(t) Khi đó hệ số khuếch đại của mạch đợctính nh sau:

K =

A

)h( .Hằng số thời gian đợc xác định từ h(T) = 0.632*h()

2.3 Xác định thông số cho bộ điều chỉnh

2.3.1 Cơ sở lý thuyết

Với đối tợng có hàm truyền:

.s e 1 s.T 1 1

Xét sơ đồ sau:

Thông thờng, thông số tối u đợc chọn là Ti=T1 và hệ hở có hàm truyền:

.s e 1 s.T

K (s)G(s) c

T s

T s K

1 s T

e K

s



 

│W(jω)│=

1 ω.T K

2

Với độ dự trữ ổn định trên ta chọn K sao cho:



 T1 4 1 K c K

Hình 12: Môđun và pha hệ hở

2.3.2 Chọn bộ điều chỉnh và xác định thông số bộ điều chỉnh

Với hệ thống có hàm truyền của đối tợng nh sau:

2.s e 1 35.s

0,05 (s)

35 4 1 K c K

(s)

c

Để thực hiện hàm này trong vi điều khiển ta phải tiến hành chuyển nó

về phơng trình sai phân

Chọn thời gian trích mẫu là 1 giây, tiến hành rời rạc hoá theo phơng

pháp số Tustin ta có hàm truyền theo z nh sau (thay

1z

1z.T

2s





 , với T là thờigian trích mẫu):

1 z

266,14 273,85.z

(z) c W

266,14273,85.z

266,14.U(z (z)

273,85.z.U Y(z).z

) 266,14.U(z (z)

273,85.z.U Y(z)

U(z) là tín hiệu vào rời rạc

Theo tính chất dịch dịch hàm gốc: zn.Y(z)=Y(k+n) (2)

Thay (2) vào (1) ta có:

Y(k))

266,14.U(k1)

273,85.U(k1)

Sau khi xác định đợc bộ điều khiển và thông số của nó ta tiến hànhkhảo sát chúng.

Kết quả khảo sát đợc cho trong Hình 13:

Hình 13: Kết quả khảo sát hệ thống khi có bộ điều chỉnh

Với kết quả nh trên, khi có bộ điều chỉnh thời gian quá độ là 16(s).Trong khi nếu không có bộ điều chỉnh thời gian để cho nó ổn định mấtkhoảng 200(s) Độ sai lệch tĩnh khi có bộ điều chỉnh bằng 0 Bộ điều chỉnhnày đã đáp ứng đợc yêu cầu bài toán đề ra, vì vậy chúng tôi chọn bộ điềuchỉnh này để diều khiển hệ thống sấy

Chơng 3 Giới thiệu chung về vi điều khiển3.1 Tổng quan chung về vi điều khiển

3.1.1 Các họ vi điều khiển

Bộ vi điều khiển (Microcontroller) là một mạch tích hợp trên một chip,

có thể lập trình đợc với hệ thống tập lệnh để thực hiện một yêu cầu nào đó Bộ

vi điều khiển đợc ra đời sau Bộ vi xử lý Về thực chất thì Bộ vi điều khiển là

Bộ vi xử lý, nhng có thêm các mạch điện hỗ trợ, các thành phần I/O ngoại vi

và bộ nhớ ( bộ nhớ chơng trình và bộ nhớ dữ liệu) đợc tích hợp cùng nhautrên một bản mạch Bộ vi điều khiển đầu tiên ra đời năm 1971, là bộ vi điềukhiển 4 bít TMS1000 của Công ty Texas Instruments Sau khi dòng sản phẩmnày ra đời, nó đã đợc ứng dụng vào rất nhều lĩnh vực: sản xuất máy tính bỏtúi, điều khiển lò vi sóng, sử dụng cho các bộ định thời công nghiệp

Năm 1976, Công ty Intelligen Electronics (INTEL) cho ra đời thế hệ

đầu tiên của vi điều khiển 8 bít với tên gọi 8084 Trong bộ vi điều khiển này,ngoài bộ vi xử lý trung tâm ngời ta tích hợp thêm các bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớchơng trình, các cổng vào ra số, các bộ định thời Đến năm 1980, thế hệ thứhai của bộ vi điều khiển ra đời, đó là vi điều khiển 8051 Hiện nay vi điềukhiển 8051 đợc sản xuất và sử dụng rộng rãi Bên cạnh đó các công ty sảnxuất cũng phát triển cho mình những bộ vi điều khiển có tính năng đặc biệtlàm cho thị trờng vi điều khiển ngày càng phong phú và đa dạng

Một số họ vi điều khiển thông dụng ngoài họ 8051 hiện nay:

+ Họ 68HC của Motorola,

+ Họ Z8 của Zilog,

+ Họ PIC của Microchip,

+ Họ H8 của Hitachi,

+ Họ AVR của Atmel,

+ Họ CY(PSOC) của Cypress Microsystem

3.1.2 họ vi điều khiển MCS-51

Họ vi điều khiển MCS-51 đợc công bố và đa ra với sản phẩm chíp

8051 của intel đây là một bớc tiến đáng kể trong lịch sử phát triển của các vi

điều khiển Chíp 8051 đã trở nên phổ biến và đa dạng hơn sau khi Intel chophép các hãng sản xuất khác sản xuất các sản phẩm chíp biến thể tơng tự nh

8051 nhng phải tuân thủ một điều khiện là phải dữ nguyên mã chơng trình

t-ơng thích với chuẩn MSC-51 từ đó suất hiện nhiều phiên bản khác của 8051

và đến nay họ vi điều khiển 8 bít đã có tới trên 250 thành viên do các công tyhàng đầu thế giới chế tạo và sản xuất nh Intel, AMD, Simens, Philip, Oki… Chính vì vậy bảo quản và chế biến cần phải đ

Với đặc điểm thống nhất về mã trơng trình theo chuẩn MSC-51 nên tấtcả các vi điều khiển thuộc họ này đều có cấu trúc khá chung và tiêu biểu làchíp 8051 của Intel với những đặc trng tóm tắt nh sau:

Hình : sơ đồ khối của chíp 8051

- Interrupt control: điều khiển ngắt

- Other Rigister: Các thanh ghi khác

- Timer 0,1,2: Bộ định thời 0,1,2

- CPU: đơn vị xử lý trung tâm

- ALU: Bộ số học

- Osillator: Mạch dao động

- Bus Control: Đờn truyền dữ liệu điều khiển

- I/O Port: Cổng vào/ra

3.1.3 Họ vi điều khiển AVR

Họ vi điều khiển AVR là một sản phẩm của Công ty Atmel mới đợctung ra thị trờng trong những năm gần đây Đối với thị trờng Việt Nam thìthực sự AVR còn rất mới Nằm trong số những thế hệ vi điều khiển ra đời saucho nên AVR có những tính năng và cấu trúc hơn hẳn những loại vi điềukhiển thế hệ cũ nh 8051 Những đặc tính nổi bật của AVR:

• Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộnhớ nạp - lu trữ (load - store) và 32 thanh ghi chức năng

• Kiến trúc đờng ống lệnh kiểu hai tầng (two stage instruction pipeline)cho phép tăng tóc độ thực thi lệnh

• Chứa nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chíp, bao gồm cổng I/O số, bộbiến đổi ADC, bộ nhớ EPROM, bộ định thời, UART, bộ định thời RTC, bộ

định thời WHATDOC, bộ điều chế độ rộng xung PWM

 Đến 48 đờng dẫn vào/ra (I/O) lập trình đợc,

 Đến 2 bộ truyền nhận UART lập trình đợc,

 Một dao diện SPI đồng bộ,

 Một dao diện SPI đồng bộ tơng thích I2C,

 Đến 3 bộ Timer/Counter 8 bit,

 Một bộ Timer/Counter 16 bit với chức năng so sánh và bắt mẫu,  Đến 4 lối ra điều biến độ rộng xung PWM,

 Một đồng hồ thời gian thực RTC,

 Một bộ biến đổi ADC 10 bit có đến 8 kênh lối vào,

 Một bộ phát hiện trạng thái sụt điện áp nguồn nuôi,

 Một bộ so sánh Analog,

 Một bộ định thời Watchdog

• Hầu hết các lệnh, chỉ trừ lệnh nhảy và nạp/lu trữ, đều đợc thực hiệntrong một chu kỳ xung nhịp

• Hoạt động với tốc độ đồng hồ từ 6MHz đến 12MHz mà không phảithông qua bộ chia tần, tốc độ xử lý đến 12MPIS (triệu lệnh trong một giây).

Hình 14: So sánh thời gian thực hiện lệnh ở các bộ vi điều khiển khác nhau

• Bộ nhớ chơng trình và bộ nhớ dữ liệu đợc tích hợp ngay trên chíp:  Bộ nhớ EPROM xoá đợc kiểu Flash,

 Bộ nhớ EEPROM hay PROM xoá đợc bằng điện, nhng nội dungnhớ vẫn giữ nguyên khi mất điện,

• Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao, chẳng hạn nh C

• Chế tạo trên công nghệ CMOS 0,6m và tiến tới là công nghệ0,35m, nhằm đạt đến tốc độ xung nhịp cao hơn 50% hiện nay, còn dòng điệntiêu thụ sẽ giảm đi một phần ba

• Điện áp làm việc đợc phép thay đổi trong khoảng rộng, từ 2,7V đến6,0V

• Kiến trúc đơn giản và hợp lý giúp cho ngời sử dụng dễ dàng làm quen

• Tập lệnh đến 133 lệnh, cho phép dễ dàng lập trình bằng hợp ngữ hoặcngôn ngữ C

3.1.4 Lựa chọn vi điều khiển

Từ so sánh tính năng và tốc độ sử lý lệch của các vi điều khiển nh đãnghiên cứu chúng tôi nhận thấy AVR có những u điểm vợt chội hơn hẳn, vàhơn hết 1 số vi điều khiển AVR còn đợc tích hợp các tính năng mới nh khảnăng chuyển đổi tơng tự sang số, bộ so sánh tơng tự, nhiều timer với nhiềuchức năng linh hoạt, 14 vectơ ngắt, cho phép thay đổi chơng trình ngay trênboar mạch điều khiển nên rất phù hợp cho việc ứng dụng điều khiển hệ thốngsấy Chính vì thế chúng tôi quyết định lựa chọn ATMEGA8535 là một thànhviên của họ điều khiển AVR 8 bit với các u điểm sau:

• Hoạt động với mức tích cực cao, công suất thấp

• Dải điện áp hoạt động từ 2,7V đến 5,5V

* Đợc xây dựng dựa trên cấu trúc RISC với 130 lệnh, phần lớn lệnh

đ-ợc thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp:

• 32 thanh ghi đa năng 8 bit

• Khả năng xử lý lên tới 16 MPIS ở tần số đồng hồ 16 MHz

* Bộ nhớ chơng trình và bộ nhớ dữ liệu:

• 8 Kbytes bộ nhớ Flash

• Khả năng ghi xoá đến 10 000 lần

• Lựa chọn mã vùng khởi động, khả năng khoá bit độc lập, cho phép

đọc khi vẫn ghi dữ liệu

• 512 Bytes EEPROM có thể ghi xoá đến 100 000 lần

• 512 Bytes RAM có thể khoá chơng trình bằng phần mềm

* Các chức năng ngoại vi:

• Hai bộ định thời / bộ đếm 8 bit với khả năng bắt mẫu và so sánh

• Một bộ định thời / bộ đếm 16 bit với khả năng bắt mẫu và so sánh

• Đồng hồ thời gian thực với bộ dao động riêng

• 4 kênh điều rộng xung (PMW)

• 8 kênh chuyển đổi tơng tự / số (ADC) 10 bit, trong đó:

• Hai đờng giao tiếp nối tiếp định hớng byte

• Bộ lập trình truyền nhận nối tiếp USART

• Giao tiếp nối tiếp SPI chủ / tớ

• Bộ định thời Watchdoc với bộ dao động riêng trên chíp

• Bộ so sánh Analog trên chíp.

* Các chức năng đặc biệt:

• Khởi động lại hệ thống, chơng trình phát hiện mất nguồn

• Bộ dao động, lọc chuẩn RC bên trong

• Ngắt ngoài và ngắt trong

• 6 trạng thái ngủ (sleep): rỗi (idle), giảm ồn, giữ nguồn, nguồn thấp,standby, mở rộng standby

Hình 15: Sơ đồ khối của vi điều khiển ATMEGA8535

3.2 Cấu trúc vi điều khiển ATMEGA8535

3.2.1 Mô tả chân

* Chân nguồn: + Chân 10 cấp nguồn Vcc (+5V)

+ Chân 11 nối đất GND (0V)

* PortA (PA7/ADC7 PA0/ADC0) nằm từ chân 33 đến chân 40 là

đầu vào của bộ chuyển đổi A/D

Khi PortB đợc sử dụng nh một cổng vào mà bị kéo sụt áp thì nó sẽ

đóng vai trò nh một nguồn dòng nếu các điện trở treo hoạt động Ngoài ra nócòn một số chức năng phục vụ cho những biến đặc biệt khác:

+ SCK - PortB, Bit 7 là chủ khi nó đa ra xung đồng hồ và là tớ khi nónhận vào xung đồng hồ của kênh SPI

+ MISO - PortB, Bit 6 nhận và đa dữ liệu ra của kênh SPI

+ MOSI - PortB, Bit 5 đa ra dữ liệu và nhận dữ liệu của kênh SPI.+ SS - PortB, Bit 4 lựa chọn trạng thái chủ/tớ của kênh SPI

+ AIN1/OC0 - PortB, Bit 3:

AIN1 đầu vào đảo của bộ so sánh analog,

OC0 đầu ra của bộ so sánh thuật toán Chân này cũng đợc thiết kếgiống nh một đầu ra so sánh thuật toán của bộ Timer/Counter0, làm đầu ra

điều biến độ rộng xung PWM

+ AIN0/INT2 - PortB, Bit 2:

AIN0 đầu vào không đảo của bộ so sánh analog,

INT2 là chân ngắt ngoài

+ T1 - PortB, Bit 1 đầu vào của Timer/Counter1

+ T0/XCK - PortB, Bit 0 là đầu vào của Timer/Counter0, đồng thờicũng đảm nhận chức năng đầu vào tín hiệu xung Clock của giao tiếp USART

* PortC (PC0 PC7) nằm từ chân 22 đến chân 29 PortB đóng vai trò

nh cổng I/O hai trạng thái có điện trở treo bên trong Ngoài chức năng củamột cổng thông thờng, một số chân của PortC có thêm các chức năng đặc biệt:

Bảng 5: Bảng chức năng đặc biệt của một số chân PortC

+ TOSC2 - PortC, Bit7 chân vào dao động 2 của bộ Timer Khi có tínhiệu cho phép thì chân PC7 không còn đợc sử dụng nh cổng I/O thông thờng

mà trở thành đầu ra của tín hiệu dao động khuếch đại ngợc, là điểm kết nốicủa bộ dao động tinh thể

+ TOSC1 - PortC, Bit6 chân vào dao động 1 của bộ Timer Khi có tínhiệu cho phép thì chân PC6 không còn đợc sử dụng nh cổng I/O thông thờng

mà trở thành đầu ra của tín hiệu dao động khuếch đại thuận, là điểm kết nốicủa bộ dao động tinh thể

+ SDA - PortC, Bit1 giao tiếp nối tiếp dữ liệu hai chiều Chân PC1 cómột bộ lọc bên trong cho phép loại bỏ những sóng vào < 50ns

+ SCL - PortC, Bit0 giao tiếp nối tiếp xung clock hai chiều Chân PC0cũng có một bộ lọc bên trong giống nh PC0

* PortD (PD0 PD7) nằm từ chân 14 đến chân 21 Một số chức năng

đặc biệt:

Bảng 6: Bảng chức năng chân PortD

+ OC2 - PortD, Bit7 đầu ra so sánh thuật toán của bộ Timer/Counter2,

đồng thời cũng có chức năng của đầu ra điều biến độ rộng xung PWM

+ ICP1 - PortD, Bit6 chân vào bắt mẫu cho Timer/Counter1

+ OC1A - PortD, Bit5 chân ra bộ so sánh thuật toán A củaTimer/Counter1 và là chân điều biến độ rộng xung PWM

+ OC1B - PortD, Bit4 chân ra bộ so sánh thuật toán A củaTimer/Counter1 và là chân điều biến độ rộng xung PWM

+ INT1 - PortD, Bit3 là chân nguồn ngắt ngoài 1

+ INT0 - PortD, Bit2 là chân nguồn ngắt ngoài 0

+ TXD - PortD, Bit1 chân truyền dữ liệu của giao tiếp USART

+ RXD - PortD, Bit0 chân nhận dữ liệu của giao tiếp USART

* RESET chân 9, chân vào reset hệ thống

* XTAL1, XTAL2, chân 12,13, chân kết nối với xung đồng hồ hệthống

* AVCC chân 30, là chân cấp nguồn cho bộ chuyển đổi A/D

* AREF chân32, chân vào đối chiếu của bộ chuyển đổi A/D

3.2.2 Tổ chức bộ nhớ bên trong ATMEGA8535

Bộ vi điều khiển AVR đợc xây dựng trên kiến trúc Harvard, bộ nhớ dữliệu và bộ nhớ chơng trình tách biệt nhau để có thể thực hiện đồng thời đợcmột khối lợng lớn công việc

Bus dữ liệu đợc sử dụng cho bộ nhớ dữ liệu là bus 8 bit, cho phép kếtnối các bộ phận ngoại vi với tệp thanh ghi Bus dữ liệu dùng cho bộ nhớ chơngtrình có độ rộng 16 bit và chỉ nối với thanh ghi lệnh.

Hình 18: Kiến trúc ATMEGA8535

Sơ đồ bộ nhớ:

Hình 19: Sơ đồ bộ nhớ của vi điều khiển ATMEGA8535

* Bộ nhớ chơng trình là bộ nhớ Flash có dung lợng 8Kx16 bit Để tiệncho việc bảo vệ bằng phần mềm thì bộ nhớ chơng trình đợc chia làm hai khuvực là khu vực ứng dụng và khu vực khởi động Bên cạnh các lệnh đợc lu trữ,

bộ nhớ chơng trình cũng lu trữ các vector ngắt bắt đầu tại địa chỉ $000

* Bộ nhớ dữ liệu đợc bắt đầu với Tệp thanh ghi, sau đó là các Thanhghi I/O và SRAM trong Tệp thanh ghi gồm có 32 thanh ghi (R0 R31) tơngứng với địa chỉ $0000 $001F Toàn bộ các thanh ghi này đợc sử dụng nhnhững thanh ghi 8 bit Nhng có một điều đặc biệt ở đây là các thanh ghi từR26 R31 có thể kết hợp lại để đợc sử dụng nh 3 thanh ghi 16 bit X-Y-Z

Hình 20: Tổ chức thành thanh ghi X,Y,Z

Thanh ghi I/O gồm có 64 thanh ghi 8 bit nằm ở địa chỉ $020 $05F,các thanh ghi này làm nhiệm vụ trao đổi dữ liệu vào/ra Đôi khi các thanh ghiI/O cũng đợc truy cập nh SRAM

Bộ nhớ SRAM của ATMEGA8535 có dung lợng 512 byte, đợc sửdụng cho các ngăn xếp cũng nh để lu trữ các biến

* Bộ nhớ EEPROM: ATMEGA8535 có 512 byte EEPROM, đợc tổchức thành một vùng dữ liệu riêng biệt Việc ghi và đọc đợc thực hiện trên

R30 R31

Bộ nhớ dữ liệu

$0000

EEPROM dữ liệu

Byte LOW thanh ghi X Byte HIGH thanh ghi X Byte LOW thanh ghi Y Byte HIGH thanh ghi Y Byte LOW thanh ghi Z Byte HIGH thanh ghi Z

từng byte Để đọc EEPROM, CPU phải mất 4 chu kỳ đồng hồ để hoàn thànhviệc đọc, tuy nhiên việc ghi EEPROM lại chỉ mất có 2 chu kỳ.

3.2.3 Một số khối điển hình trong cấu trúc ATMEGA8535

3.2.3.1 Bộ định thời

Vi điều khiển ATMEGA8535 có hai bộ định thời 8 bit và một bộ địnhthời 16 bit Việc đặt cho phép/cấm ngắt đối với các bộ định thời đợc thực hiệnqua các thanh ghi điều khiển bộ định thời TCCR0 và TCCR1 Sơ đồ khối củacác bộ định thời đợc thể hiện ở dới:

Hình 21a: Sơ đồ khối bộ định thời 8 bit

Hình 21b: Sơ đồ khối bộ định thời 16 bit

Hình 22: Sơ đồ khối bộ truyền nhận SUART

Bộ biến đổi ADC đợc điều khiển qua bốn thanh ghi ADMUX,ADCSR, ADCH và ADCL trong vùng địa chỉ vào/ra Bộ biến đổi ADC có thểhoạt động ở hai chế độ:

+ Quá trình biến đổi đợc ngời dùng khởi động,

+ Quá trình biến đổi diễn ra liên tục

Sơ đồ khối của bộ biến đổi A/D:

Hình 24: Sơ đồ khối bộ biến đổi A/D

3.2.4 Hoạt động ngắt

Ngắt là một cơ cấu điều khiển dòng lệnh, cơ cấu này đợc thiết kế trênhầu hết các vi điều khiển Khi một hệ thống hoạt động, có rất nhiều sự kiệnxảy ra đồng thời, chẳng hạn một nút ấn có tín hiệu báo hiệu xử lý công việcnào đó, trong khi một byte dữ liệu đã đến cổng nối tiếp Điều này sẽ gây khókhăn cho cho vi xử lý khi mà phải giám sát nhiều công việc đồng thời Sự canthiệp của ngắt sẽ làm cho công việc xử lý trở nên tốt hơn Khi xuất hiện ngắt,