module thực hành vi điều khiển

module thực hành gồm các modlue thực hành rèn luyện về phần vi điều khiển trên đó có tích hợp những module tích hợp các bài tập có liên quan giúp các bạn có thể rèn luyện khả năng lập trình và điều khiển theo ý muốn

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới củachúng ta ngày càng một thay đổi, ngày càng văn minh và hiện đại hơn Trong đó, kỹthuật điện tử đã có những bước phát triển mạnh mẽ nhất là trong kỹ thuật điều khiển tựđộng và kỹ thuật vi điều khiển

Ở nước ta hiện nay, việc lập trình ghép nối máy tính sử dụng vi điều khiển đã

và đang là công cụ được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hóa Công nghệ nàyđang được phát triển nhanh chóng và đã mang lại những thay đổi to lớn trong sản suấtcũng như cuộc sống hằng ngày Việc các máy móc thiết bị trở nên linh hoạt hơn, thôngminh hơn, làm việc với năng suất cao hơn và hoạt động lao động sản xuất của conngười ngày càng được cải thiện là nhờ có sự hoạt động thông minh của kỹ thuật điềukhiển tự động

Đặc biệt, trong các trường Đại học và Cao đẳng trong cả nước thì việc sử dụngnhững công nghệ của khoa học kỹ thuật để chế tạo ra các mô hình có khả năng ứngdụng cao trong học tập luôn là điều mong mỏi không chỉ của các thầy cô mà còn làniềm mong đợi của rất nhiều sinh viên Khoa Điện – Điện tử

Xuất phát từ nhu cầu thực tế, do trang thiết bị giảng dạy vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu

học tập của sinh viên, vì vậy chúng em nhận đề tài “Thiết kế, chế tạo mạch và xây dựng phiếu bài tập module led đơn, module chuyển đổi tín hiệu tương tự - số kết nối với máy tính.”

”.Dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Lý Văn Đạt cùng với sự nỗ lực của

thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành đề tài được giao

Qua quá trình học tập và thực hành môn “Lập trình điều khiển hệ thống” chúng

em đã có ý tưởng phát triển bộ Kit thực hành một cách hoàn thiện hơn nhằm giúp sinhviên có thể thực hiện các mục tiêu của môn học đề ra Chúng em rất mong nhận được

sự đóng góp của các thầy cô và các bạn để sản phẩm của chúng em được hoàn thiệnhơn nữa

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

1

LỜI CẢM ƠNSau thời gian ba tháng thực hiện, đồ án tốt nghiệp của em với đề tài:“ Thiết kế, chế tạo mạch và xây dựng phiếu bài tập module led đơn, module chuyển đổi tín hiệu tương tự - số kết nối với máy tính.” đã hoàn thành đúng thời gian quy định.

Qua đây em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô giáo trong khoa Điện –Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, là những người truyền thụ trithức, kỹ năng, kinhnghiệm cho em trong suốt bốn năm học vừa qua Đó là nền tảngcho việc thực hiện đồ án tốt nghiệp này

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn – thầy Lý Văn Đạt đã luôn theo dõi, chỉ dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành

đồ án Trong thời gian thực hiện đồ án, em đã phải những khó khăn và sai xót, cô luôn

có những phát hiện và gợi ý cho em có thể tìm ra phương pháp khắc phục và hoànthiện đồ án

Cuối cùng, em xin được cảm ơn gia đình là những người luôn cổ vũ, ủng hộ,tạo điều kiện cho em về vật chất cũng như tinh thần; cảm ơn các bạn cùng lớp, các bạntrong khoa đã giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm, góp phần hỗ trợ em trong quá trình họctập

Em xin chân thành cảm ơn !

Hưng Yên, ngày…tháng…năm 2017

Sinh viên thực hiện

DƯƠNG VĂN LỰC

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

3

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

1.1.Khái quát về Module thực hành lập trình điều khiển hệ thống 1.1 Đặt vấn đề

Kỹ thuật vi điều khiển là môn học cơ bản quan trọng đối với sinh viên các nghànhĐiều khiển, Tự động hóa, Điện tử, Tin học v.v… nhằm trang bị cho sinh viên nhữngkiến thức cần thiết về một họ vi điều khiển, ở đây là họ 8051, như cấu trúc, nguyêntắc hoạt động, cùng các mạch phụ trợ, tập lệnh, cách lập trình bằng hợp ngữ, cácphương thức điều khiển vào ra và các phương pháp kết nối thiết bị ngoại vi Dựatrên nền tảng kiến thức của môn học kỹ thuật vi điều khiển, sinh viên tiếp thunhững môn học kỹ thuật chuyên nghành và tiếp cận dễ dàng hợn với những kỹthuật, trang thiết bị hiện đại Đồng thời cho phép sinh viên có cái nhìn trực quan vàkiểm chứng, khẳng định sự đúng đắn các kiến thức đã học Do vậy việc đưa vàogiáo trình phần xây dựng thiết kế Kit vi điều khiển là hết sức quan trọng và rấtthiết thực đối với sinh viên chuyên nghành tự động hóa, điện tử, đo lường…CácKit vi điều khiển đều được thiết kế dựa trên các họ vi điều khiển mà sinh viênđang học trong trường Sinh viên có thể dùng các Kit vi điều khiển này để điềukhiển các quá trình nhiệt độ, điều khiển động cơ, điều khiển các đối tượng giao

thông, điều khiển các quá trình sản xuất…

Trên thế giới có rất nhiều nguồn cung cấp các mạch Kit nói trên như:

Từ các hãng của nước ngoài, ví dụ như bộ KIT MDA-EMS51 của hãng Midas của

Hàn Quốc

Hình 1.1 ảnh bộ KIT MDA-EMS51của hàn quốc

5

KIT và phần mềm phát triển cho họ vi điều khiển PIC của MikroElektronika(Website http://www.mikroelektronika.co.yu/), hay một hãng nổi tiếng khác làOLIMEX (Website http://www.olimex.com) với các sản phẩm KIT phát triển cho cácdòng AVR, PIC, MAXQ, MSP430, ARM… Đặc điểm của các sản phẩm này là cócác tính năng mạnh, mẫu mã đẹp, phục vụ tốt nhu cầu thực hành của môn học Tuynhiên giá thành của thiết bị là rất đắt (khoảng 700$ MDA-EMS51, và việc đặt mua

không thuận tiện)

Xuất phát từ tình hình thực tế và sự cần thiết đáp ứng nhu cầu thực hành trongquá trình học tập môn học vi điều khiển nói trên, việc thiết kế, xây dựng một bộ KIT

vi điều khiển với nay đủ các thành phần cơ bản, là vấn đề hết sức cần thiết đối với cácnghành điện tử, tự động hóa trong trường Đại học SPKT Hưng Yên Đây là vấn đề

trọng tâm trong quyển đồ án này

1.2 Lý do chọn đề tài

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ, lao động thủcông đã được thay thế bằng các hệ thống tự động hóa Các hệ thống này có thể đượcvận hành và giám sát trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua máy vi tính Việc vận hành vàgiám sát thông qua máy vi tính đòi hỏi các thiết bị phải được kết nối với máy tính và

có phần mềm điều khiển riêng Chính vì vậy “Lập trình điều khiển hệ thống” được

ra đời để giải quyết vấn đề đó Đặc biệt, “Lập trình điều khiển hệ thống” là môn học

cơ bản quan trọng đối với sinh viên các ngành Điện tử, Tin học, Tự động hóa…nhằmtrang bị cho sinh viên những kiến thức cần thiết về các điều khiển cơ bản từ máy vitính Dựa trên nền tảng kiến thức của môn học sinh viên tiếp thu những môn học kỹthuật chuyên nghành và tiếp cận dễ dàng hợn với những kỹ thuật, trang thiết bị hiệnđại Đồng thời cho phép sinh viên có cái nhìn trực quan và kiểm chứng, khẳng định sựđúng đắn các kiến thức đã học Do vậy việc đưa vào giáo trình phần xây dựng thiết kếKit lập trình điều khiển hệ thống là hết sức quan trọng và rất thiết thực đối với sinhviên… Sinh viên có thể dùng các Kit này thông qua máy vi tinh để điều khiển cácmodul led đơn, led 7 thanh, động cơ bước, động cơ một chiều, led ma trận, LCD…

Trong các trường đại học, các thiết bị thực hành môn học vi điều khiển có thể

do các giáo viên giảng dạy môn học chế tạo do các sinh viên tự chế tạo dưới sự hướngdẫn của giáo viên, ưu điểm của các sản phẩm chế tạo trong nước giá thành rẻ mà chấtlượng, mẫu mã không thua kém nước ngoài Cấu hình của sản

phẩm và nội dung thực hành phù hợp với mục đích, chương trình đào tạo, với điềukiện học tập của sinh viên cả nước nói chung và sinh viên trường Đại học SPKT HưngYên nói riêng

Xuất phát từ tình hình thực tế và sự cần thiết đáp ứng nhu cầu thực hành trongquá trình học tập môn học vi điều khiển nói trên, việc thiết kế, xây dựng một bộ KIT

vi điều khiển với đầy đủ các thành phần cơ bản, là vấn đề hết sức cần thiết đối với cácnghành điện tử, tự động hóa trong trường Đại học SPKT Hưng Yên Đây là vấn đềtrọng tâm trong quyển đồ án này

1.3 Lịch sử nghiên cứu

Trên thế giới có rất nhiều hãng đã nghiên cứu và cung cấp trên thị trường nhiều mẫu KIT thực hành lập trình điều khiển hệ thống khác nhau như hãng Midas (Hàn Quốc), MikroElektronika (Website http://www.mikroelektronika.co.yu/)và hãng OLIMEX (Website http://www.olimex.com) Đặc điểm của các sản phẩm mà các hãngnayf này là có các tính năng mạnh, mẫu mã đẹp, phục vụ tốt nhu cầu thực hành của môn học Tuy nhiên giá thành của thiết bị là rất đắt và việc đặt mua không thuận tiện

1.4.Các module trong bộ KIT thí nghiệm

Hình 1.1: Sơ đồ khối của bộ KIT

Động cơ bước 5VDC

Truyền thông nối tiếp RS232 (COM)

ADC 0804

Nguồn nuôi DC 5V ÷ 12V

+ cơ sở thiết kế module

Kỹ thuật vi điều khiển là môn học cơ bản quan trọng đối với sinh viên các nghành Điều khiển, Tự động hóa, Điện tử, Tin học v.v… nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức cần thiết về một họ vi điều khiển, ở đây là họ 8051, như cấu trúc, nguyên tắc hoạt động, cùng các mạch phụ trợ, tập lệnh, cách lập trình bằng hợp ngữ, các phương thức điều khiển vào ra và các phương pháp kết nối thiết bị ngoại vi Dựa trên nền tảng kiến thức của môn học kỹ thuật vi điều khiển, sinh viên tiếp thu những môn học kỹ thuật chuyên nghành và tiếp cận dễ dàng hợn với những kỹ thuật, trang thiết bị hiện đại Đồng thời cho phép sinh viên có cái nhìn trực quan và kiểm chứng, khẳng định sự đúng đắn các kiến thức

đã học Do vậy việc đưa vào giáo trình phần xây dựng thiết kế Kit vi điều khiển

là hết sức quan trọng và rất thiết thực đối với sinh viên chuyên nghành tự động hóa, điện tử, đo lường…Các Kit vi điều khiển đều được thiết kế dựa trên các họ

vi điều khiển mà sinh viên đang học trong trường Sinh viên có thể dùng các Kit

vi điều khiển này để điều khiển các quá trình nhiệt độ, điều khiển động cơ, điều khiển các đối tượng giao thông, điều khiển các quá trình sản xuất…

Xuất phát từ tình hình thực tế và sự cần thiết đáp ứng nhu cầu thực hành trong quá trình học tập môn học lập trình điều khiển hệ thống nói trên.Với nhu cầu thực tiễn nên chúng em đã thiết kế, xây dựng chế tạo một bộ module điều khiển trung tâm và module giao tiếp truyền thông nối tiếp giữa máy tính và vi điều khiển tuy nhiên bộ kit vẫn còn một số ưu nhược điểm cần cải tiến và khắc phục

Ưu điểm :

+ các link kiện trên bộ kít thông dụng phổ biến có thể thay thế khi bị hỏng hoặc cần nâng cấp

+ có kích thước nhỏ gọn

+ giá thành thấp hơn nhiều so với giá ngoài thị trường

+ có thể thực hiện nhiều bài tập cùng 1 lúc trên bộ kit

+Ưu điểm của các sản phẩm chế tạo trong nước giá thành rẻ mà chất lượng, mẫu mã không thua kém nước ngoài

+Cấu hình của sản phẩm và nội dung thực hành phù hợp với mục đích, chương trình đào tạo, với điều kiện học tập của sinh viên cả nước nói chung và sinh viên trường Đại học SPKT Hưng Yên nói riêng.

+Có thể áp dụng được những kiến thức học tập cũng như thực hành trên lớp vào những bộ module làm ra.

+Đơn giản ,dễ sử dụng ,dễ vận hành cũng như sửa chữa.

Nhược điểm :

+ tính ổn định của bột kít chưa cao

+ Do chỉ là các modul thực hành môn học cơ bản nên nó sẽ không thể ứng dụng cũng như đáp ứng được mọi nhu cầu cao cấp,nó cũng có nhiều mặt hạn chế như +Khả năng truyền nhận dữ liệu không được cao

+Hiển thị còn hạn chế nhiều

+Chỉ ứng dụng cho thực hành cơ bản chứ không thể ứng dụng vào thực tế.

1.5 Hệ điều khiển giám sát

1.5.1Khảo sát sơ bộ về hệ thống

Hệ thống được hoạt động bởi thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) gọi là hệ điều khiển giám sát Cho phép thực hiện linh hoạt các giải pháp điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện.Khi nhận các tín hiệu từ máy tính,hệ điều khiển giám sát sẽ tính toán xử lý và đưa dữ liệu ra ngoài các module.Tùy theo bài toán cũng như cách thức hoạt động của các module mà ta sẽ lập trình cho hệ điều khiển giám sát.Ngày nay có rất nhiều hệ điều khiển giám sát như Điều khiển dùng PLC ,Điều khiển dùng vi điều khiển.

1.5.2.Điều khiển giám sát dùng PLC

Hệ thống điều khiển là hệ thống sản xuất có khả năng tự khởi động, kiểm soát, xử lý và thiết lập trạng thái dừng một quá trình theo yêu cầu đã được lập trình hoặc đo đếm các giá trị đạt được xác định nhằm đạt kết quả tốt nhất ở chất lượng sản phẩm đầu ra.Trong kỹ thuật điện tự động hóa, các bộ điều khiển đều được chia làm 2 loại:

- Điều khiển nối cứng.

- Điều khiển logic khả trình.

Cấu tạo của một hệ thống điều khiển bất kỳ gồm các thành phần sau:

- Khối vào.- Khối xử lý-điều khiển.

9

+ Khối xử lý:Khối xử lý có nhiệm vụ xử lý thông tin từ khối vào để tạo những tín

hiệu ra đáp ứng yêu cầu điều khiển

+ Khối ra: Tín hiệu ra là kết quả của quá trình xử lý của hệ thống điều khiển Các tínhiệu ra này thường được sử dụng tạo ra những hoạt động đáp ứng cho các thiết bị điện

ở ngõ ra Các ngõ ra thường là: xy lanh, solenoid, động cơ điện, van, role…

* Đặc Điểm hệ thống điều khiển PLCNgày nay ngành công nghiệp tự động hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng đời sống và công nghiệp, tự động hóa đã phát triển đạt đến trình độ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết điều khiển tự động, tiến bộ của ngành điện tử, tin học… Chính vì vậy mà nhiều hệ thống điều khiển ra đời, nhưng phát triển mạnh nhất

và có khả năng ứng dụng rộng rãi là bộ điều khiển lập trình PLC

Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng nhưcác quan niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có nhiều ưu điểm như sau:

- Ưu điểm :+ Giảm 80% số lượng dây nối

+ Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp

Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác sửa chữa được nhanh chóng và

dễ dàng

+ Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, màn hình)

mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị vào, ra

+ Số lượng rơle và timer ít hơn nhiều so với hệ điều khiển cổ điển

+ Số lượng tiếp điểm trong chương trình sử dụng không hạn chế

+ Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh (vài ms) dẫn đến tăng cao

tốc độ sản xuất

+ Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong vài phút giúp thuận tiện cho vấn

đề bảo trì và sửa chữa hệ thống

+ Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa

+ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp

+ Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

+ Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các Modul

mở rộng

+ Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ

+ Giá cả có thể cạnh tranh được

Đặc trưng của PLC là khả năng có thể lập trình được, chỉ số IP ở dải quy định chophép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt công nghiệp, yếu tố bền vữngthích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay thế và hiệu chỉnh chương trình dễdàng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở rộng số lượng đầu vào nhập

và đầu ra xuất được đáp ứng tuỳ nghi trong khả năng trên có thể xem là các tiêu chíđầu tiên cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều khiển trung tâm cho một hệ

thống hoạt động tự động

- Nhược điểm :+ Giá thành cao

+ Chỉ dùng cho công nghiệp,không thích hợp với các module nhỏ thực hành

1.5.3 Điều khiển sử dụng vi điều khiển

Vi điều khiển là một hệ thống nhúng khép kín với các thiết bị ngoại vi, bộ

xử lý và bộ nhớ Ngày nay, phần lớn hệ thống nhúng của vi điều khiển được lập trình để ứng dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng, bao gồm cả máy móc, điện thoại, thiết bị ngoại vi, xe hơi, đồ dùng điện lạnh trong gia đình… Do đó, vi điều khiển còn có tên gọi khác là “Bộ điều khiển nhúng” Nhìn chung, có một

số loại vi điều khiển với hệ thống nhúng được thiết kế tinh vi, trong khi những loại khác lại được lập trình khá đơn giản với bộ nhớ, thời gian lập trình và các phần mềm ít phức tạp Một vi điều khiển có kết cấu gồm 2 đầu, đầu vào và đầu

ra bao gồm các cuộn dây, màn hình LCD, rơ le, chuyển mạch và cảm biến… nhằm cung cấp các dữ liệu như độ ẩm, nhiệt độ hay mức độ ánh sáng, mối tương tác, liên kết giữa những vi điều khiển với nhau.

11

Hình 1.2: Một số thiết bị sử dụng vi điều khiển ngoài thị trường

Trong quá trình học tập ở trường cũng như tìm hiểu trên thị trường chúng em đượcbiết rất nhiều loại vi điều khiển được dung phổ biến hiện nay như:

Vi điều khiên AVR

Hình 1.3 Vi điều khiển AVR

Đặc tính :

- Được chế tạo theo kiến trúc RISC

- Bộ lệnh gồm 118 lệnh, hầu hết đều thực thi chỉ trong một chu kỳ xung nhịp

- 32×8 thanh ghi làm việc đa dụng

- 32 KB Flash ROM lập trình được ngay trên hệ thống

- Giao diện nối tiếp SPI cho phép lập trình ngay trên hệ j

- Cho phép 1000 lần ghi/ xóa.

- Tốc độ xử lý lệnh 16 MIPS ở 16 Mhz ( 16 triệu lệnh trên giây )

- Bộ đếm thời gian thực ( RTC) với bộ giao động và chế độ đếm tách biệt

- 2 bộ Timer 8 bít và 2 bộ Timer 16 bít với chế độ so sánh và chia tần số tách biệt và chế độ bắt mẫu

- 4 kênh điều chế độ rộng xung PWM

Vi điều khiển PIC

Hình 1.4.Hình ảnh vi điều khiển PIC

Đặc tính :

- Là CPU 8/16 bit, xây dựng theo kiến trúc Harward

- Có bộ nhớ flash và ROM có thể tùy chọn từ 256 byte đến 256Kbyte

- 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

- Có các khối Capture/Compare/PWM

13

- Có hỗ trợ giao tiếp LCD

- Có bộ nhớ nội EEPROM – có thể ghi/xóa lên tới 1 triệu lần

- Có khối điều khiển động cơ/encoder

- Có hỗ trợ giao tiếp USB

- Có hỗ trợ điều khiển Ethetnet

- Có hỗ trợ giao tiếp CAN

- 2 bộ timer và counter 16 Bit

- 128 Byte RAM nội

- 4 Port xuất nhập I/O 8 bit

- Giao tiếp nối tiếp

- 64KB vùng nhớ mã ngoài

- 64KB vùng nhớ dữ liệu ngoài

- Xử lý Boolean ( hoạt động trên bit đơn)

- 210 vị trí có thể định vị bit

- 4 µs cho hoạt động nhân và chia

1.54 Lựa chọn vi điều khiển

Để chọn vi điều khiển cho hệ thống giám sát thì chúng em chọn vi điều khiển89c51.Do yêu cầu vi điều khiển của bộ kit thực hành phải là cơ bản nhất,bộ nhớ vừa

đủ ,tốc độ xử lý chỉ cần đúng yêu cầu kĩ thuật trong ứng dụng không cần quácao.AT89c51 là họ vi điều khiển phổ biến nhất hiện nay, được sử dụng rất rộng rãitrong các ứng dụng công nghiệp cũng như trong việc chế tạo các sản phẩn dân dụng

- Họ AT89c51 đã và đang là môn học được nằm trong chương trình đào tạo của cáctrường trung cấp, cao đẳng và đại học trên cả nước, đây còn là một đối tượng cụ thểcho sinh viên bắt đầu nhập môn vi điều khiển Vì vậy, việc chọn họ AT89c51 làmthành phần trung tâm của bộ KIT là phù hợp với chương trình đào tạo và điều kiện họctập của sinh viên

1.6 Mục đích làm ra bộ KIT

Mục đích của sản phẩm là phục vụ cho việc đào tạo nên cấu hình cứng phải rõràng, dàn trải Kích thước của bộ KIT gọn nhẹ, dễ dàng di chuyển và bảo quản Cácthành phần của bộ KIT được thể hiện rõ ràng, dễ nhận biết, một đặc điểm nữa là nóphân thành các modul nhỏ và liên kết với modul trung tâm bằng BUS, điều này cũnggiúp người học có thể nhìn thấy một cách trực quan các thành phần của bài thí nghiệm

sẽ tiến hành Đồng thời việc tổ chức thành các modul nhỏ cũng tiện cho việc sửa chữa,thiết kế mở rộng, và có thể dễ dàng trong việc thương mại hóa sản phẩm này

Bộ thực hành có đầy đủ các thành phần cơ bản của một hệ vi điều khiển và cácnguồn tài nguyên phong phú, cho phép người sử dụng có thể tự do phát triển các ứngdụng của mình

1.7 Yêu cầu thiết kế

+ Phần cứng

Bởi vì mục đích của sản phẩm là phục vụ cho việc đào tạo nên cấu hình cứngphải rõ ràng, dàn trải Kích thước của bộ KIT gọn nhẹ, dễ dàng di chuyển và bảo quản.Các thành phần của bộ KIT được thể hiện rõ ràng, dễ nhận biết, một đặc điểm nữa là

nó phân thành các modul nhỏ và liên kết với modul trung tâm bằng BUS, điều nàycũng giúp người học có thể nhìn thấy một cách trực quan các thành phần của bài thínghiệm sẽ tiến hành Đồng thời việc tổ chức thành các modul nhỏ cũng tiện cho việcsửa chữa, thiết kế mở rộng, và có thể dễ dàng trọng việc thương mại hóa sản phẩmnày

+ Phần mềm

Sử dụng phần mềm có giao diện trực quan, dễ sử dụng và ngôn ngữ lập trình đơn giản.+ Các thành phần của bộ thực hành

15

Bộ thực hành có các thành phần cơ bản của một hệ lập trình điều khiển hệ thống vàcho phép người sử dụng có thể tự do phát triển các ứng dụng của mình.

+ trong bộ KIT trên em được đảm nhiệm thực hiện các Module:

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CỦA ĐỀ TÀI 2.1 Chọn phương án thiết kế

+ Các họ của vi điều khiển

Có thể nói việc sử dụng các loại vi điều khiển và vi xử lý trong các thiết bị điện tử tựđộng ở Việt Nam rất đa dạng, phong phú tùy vào yêu cầu kỹ thuật và giá thành sản

phẩm

+ Vi điều khiển 8051

8051 - là vi điều khiển đơn tinh thể kiến trúc Harvard, lần đầu tiên được sản xuất bởiIntel năm 1980, để dùng trong các hệ thống nhúng Trong những năm 1980 và đầunhững năm 1990 đã rất nổi tiếng Tuy nhiên hiện tại đã cũ và được thay thế bằng cácthiết bị hiện đại hơn, với các lõi phối hợp 8051, được sản xuất bởi hơn 20 nhà sản xuấtđộc lập như Atmel, Maxim IC (công ty con của Dallas Semiconductor), NXPSemiconductors (Philips Semiconductor trước đây), Winbond, Silicon Laboratories,Texas Instruments và Cypress Semiconductor Tên gọi chính thức của họ vi điều khiểnIntel 8051 - MCS 51 Những vi điều khiển Intel 8051 được sản xuất với việc dùngcông nghệ MOSFET, những những bản sau, chứa kí hiệu “C” trong tên, như 80C51,dùng công nghệ CMOS và yêu cầu công suất thấp, hơn những cái MOSFET trước(điều này cho phép trang bị cho các thiết bị với nguồn là pin) Các thông số kỹ thuật: 8bit ALU, 8 bit thanh ghi 8 bit dữ liệu bus 16 bit địa chỉ bus vì vậy không gian bộ nhớtối đa cho ROM và RAM lên tới 64 kb Bộ nhớ dữ liệu SRAM 128 bytes Bộ nhớchương trình ROM 4 kb 32 chân vào/ra đa hướng Giao tiếp nối tiếp UART Hai bộtimer/counter 16 bit Hai ngắt ngoài Sơ đồ chân của 8051: Sơ đồ khối điều khiển: Lậptrình cho 8051: Các nhà sản xuất 8051 đều hỗ trợ ngôn ngữ lập trình Assembler tuynhiên ngôn ngữ này thường ít được dùng cho những ứng dụng lớn do tính phù hợp của

nó, vì vậy trong các ứng dụng thực tế hay sử dụng ngôn ngữ C Ngoài ra còn một số

ngôn ngữ khác được phát triển cho 8051 như Pascal, Basic, Forth

+ Vi điều khiển AVR

Là dòng vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất có nhiều loại AVR như:

32-bit AVR UC3

8/16-bit AVR XMEGA

8-bit mega AVR

8-bit tiny AVR

Vi điều khiển Atmega 16: Là vi điều khiển 8 bit với tiêu thụ điện năng thấp dựa trênkiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer) Vào ra Analog – digital và ngượclại Với công nghệ này cho phép các lệnh thực thi chỉ trong một chu kì xung nhịp, vìthế tốc độ xử lý dữ liệu có thể đạt đến 1 triệu lệnh trên giây ở tần số 1Mhz Vi điềukhiển này cho phép người thiết kế có thể tối ưu hoá chế độ tiêu thụ năng lượng mà vẫnđảm bảo tốc độ xử lý Lõi AVR có tập lệnh phong phú với số lượng với 32 thanh ghilàm việc chung với nhau Tất cả 32 thanh ghi đều được nối trực tiếp với ALU(Arithmetic Logic Unit), cho phép 2 thanh ghi truy cập độc lập trong một chỉ lệnh đơntrong một chu kỳ xung nhịp Kiến trúc đạt được có tốc độ xử lý nhanh gấp 10 lần viđiều khiển dạng CISC (Complex Instruction Set Computer) thông thường Atmega 16được hỗ trợ đầy đủ phần mềm và công cụ phát triển hệ thống bao gồm: Trình dịchAssembly 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 dùng vàđánh giá tương đối mạnh, dễ tiếp cận đối với những người bắt đầu tìm hiểu AVR, đó làtrình dịch CodeVisionAVR C Phần mềm này hỗ trợ nhiều ứng dụng và có nhiều hàm

có sẵn nên việc lập trình tốt hơn - Bộ nhớ: Flash 16KB EEPROM 512 Byte SRAM1KB - Ngoại vi: Hai timer 8 bit Một timer 16 bit Bộ counter với tần số riêng Bốn bộđiều chế độ rộng xung PWM Tám kênh ADC 10 bit USART Giao tiếp SPI, Giaodiện I2C Watchdog timer Bộ so sánh tương tự trên chip - Tính năng: Tập lệnh gồm

131 lệnh, hầu hết thực hiện trong một chu kỳ máy Xử lý 16 triệu lệnh ở tần số 16MHZ 32 chân vào/ra có thể lập trình được Sáu chế độ sleep 40 pin kiểu PDIP, 44pin kiểu TQFP và kiểu QFL/MLF 32 thanh ghi 8 bit đa dụng Ngắt trong và ngắt

ngoài Điện áp hoạt động từ 2,7-5,5V cho Atmega 16A

+Vi điều khiển PICPIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology.Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics Division thuộcGeneral Instrument PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của "Programmable IntelligentComputer" (Máy tính khả trình thông minh) Là vi điều khiển với kiến trúc RISC thựcthi một lệnh với một chu kỳ máy (bằng bốn chu kỳ của bộ dao động) Ngày nay cónhiều dòng PIC được sản xuất với hàng loạt các mô đun ngoại vi tích hợp sẵn nhưADC, PWM, USART, SPI…với bộ nhớ chương trình từ 512 word đến 32 Kword Các

họ vi điều khiển PIC: - Họ 8 bit: PIC 10/ PIC 12/ PIC 16/ PIC 18 - Họ 16 bit: PIC 24F/

PIC 24H/ dsPIC 30/ dsPIC 33 - Họ 32 bit: PIC 32 Một vài đặc tính:

Chân vào/ra I/O có thể lập trình được

Flash và ROM có thể tuỳ chọn từ 256 byte đến 512 Kbyte

Bộ dao động bên trong

19

8/16/32 bit Timers.

Bộ nhớ EEPROM nộiChuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ USART

MSSP Peripheral cho giao tiếp I2C và SPICác chế độ so sánh, bắt giữ và điều chế độ rộng xung PWM

Bộ so sánh điện áp

Bộ chuyển đổi ADC (tần số có thể lên tới 1 MHz)

Hộ trợ các giao thức USB, CAN, Ethernet

Mô đun điều khiển động cơ, mô đun đọc encoder

Hộ trợ bộ nhớ ngoài

DSP những tính năng xử lý tín hiệu số (dsPIC)Lập trình cho PIC: Hãng Microchip cung cấp môi trường lập trình MPLAB nó baogồm phần mềm mô phỏng, trình dịch ASM, liên kết và gỡ rối Ngoài ra hãng này cũngbán trình biên dịch C cho các dòng PIC18 và dsPIC tích hợp trong MPLAB Ngoài racòn một số công ty khác cung cấp trình biên dịch C, PASCAL, BASIC cho PIC đó có

thể là phần mềm thương mại hoặc phần mềm mã nguồn mở

+Vi điều khiển ARMCấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Acorn RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử

lý 32-bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng Được phát triểnlần đầu trong một dự án của công ty máy tính Acorn Do có đặc điểm tiết kiệm nănglượng, các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động, mà với cácsản phẩm này việc tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quan trọng hàngđầu Ngày nay, hơn 75% CPU nhúng 32-bit là thuộc họ ARM, điều này khiến ARMtrở thành cấu trúc 32-bit được sản xuất nhiều nhất trên thế giới CPU ARM được tìmthấy khắp nơi trong các sản phẩm thương mại điện tử, từ thiết bị cầm tay (PDA, điệnthoại di động, máy đa phương tiện, máy trò chơi cầm tay, và máy tính cầm tay) chođến các thiết bị ngoại vi máy tính (ổ đĩa cứng, bộ định tuyến để bàn.) Một nhánh nổitiếng của họ ARM là các vi xử lý Xscale của Intel Giới thiệu về vi điều khiểnLPC2148: Là dòng vi điều khiển ARM được sản xuất bởi hãng Philips Tính năng:

Vi điều khiển 16/32-bit ARM7TDMI-S40k RAM tĩnh (8k +32k), 512k flash

Khả năng thiết lập chế độ ưu tiên và định địa chỉ cho ngắt

45 chân GPIO vào ra đa dụng

9 chân ngắt ngoài (tích cực cạnh hoặc tích cực mức)CPU clock đạt tối đa 60MHz thông qua bộ PLL lập trình được

Xung PLCK hoạt động độc lập

On-chip Flash Memory: LPC 2148 có 512K bộ nhớ Flash có thể được dùng để lưutrữ code và dữ liệu Trong khi thực thi ứng dụng, vẫn có thể xóa hoặc lập trìnhFlash thông qua IAP (In Application Programming) Khi đó trình loader trên chipđược sử dụng, bộ nhớ trống còn lại là 500K Bộ nhớ Flash có thể ghi xóa được ítnhất 100000 lần, lưu trữ dữ liệu đến 20 năm On-chip Static RAM: LPC 2148 có32K RAM tĩnh, có thể được truy xuất theo đơn vị byte, half word & word Bộ điềukhiển SRAM sử dụng phương thức write-back buffer để ngăn chặn tình trạng treoCPU khi có thao tác ghi Bộ đệm luôn giữ dữ liệu cuối cùng từ chương trình gửi tới

bộ nhớ Dữ liệu chỉ được ghi vào SRAM khi có 1 thao tác ghi khác từ chương trình.Lập trình cho ARM: Ngôn ngữ lập trình chính cho ARM hiện nay là ngôn ngữ C

Các trình biên dịch cho ARM thường được dùng:

Keil ARM

IAR

HTPICC for ARM

ImageCraft ICCV7 for ARM+ Họ vi điều khiển mà bộ KIT chọn làm thành phần trung tâm là họ AT89Cxx vì

tập của sinh viên

+Phần mềm lập trình điều khiển hệ thốngPhần mềm Microsoft Visual Basic 6.0 được chọn là phần mềm dùng để thiết kế giaodiện điều khiển hệ thống các modul của bộ KIT Microsoft Visual Basic 6.0 là phầnmềm lập trình Window mạnh mẽ, giao diện đơn giản, màu sắc và bố cục thích hợp.Đặc biệt, hình ảnh, phương tiện điều khiển, có thể bố trí giống với các bộ điều khiểnthực tế, điều này giúp người sử dụng dễ dàng thực hiện hơn

21

Vì những lí do trên, và xuất phát từ mục đích, yêu cầu của đề tài là thiết kế bộKIT phục vụ mục đích đào tạo thực hành lập trình điều khiển hệ thống, ta quyết định

chọn phương án sử dụng chip vi điều khiển là họ AT89Cxx của hãng ATMEL và phần

mềm Microsoft Visual Basic 6.0 là lập trình điều khiển hệ thống

2.1.Sơ đồ khối

Hình 2.1:sơ đồ khối

Khối CPU:Đây là khối tiếp nhận điều khiển từ phần mềm hệ thống và xử lí mọi thông

tin liên quan đến hoạt động của KIT Khối xử lí trung tâm làm việc không ngừng trongsuốt thời gian làm việc do đó độ bền bỉ và khả năng xử lí nhanh chóng linh hoạt vớimọi tình huống phụ thuộc vào phẩm chất linh kiện mà chúng ta sử dụng cũng nhưnguồn cung cấp cho hệ thống Chính vì vậy chọn bộ xử lí trung tâm làm đối tượng đầutiên để ta thiết kế không ngoài lý do trên, nó sẽ quyết định cho khả năng hoạt động cho

hệ thống của chúng ta Nó bao gồm chip vi điều khiển AT89Cxx và AT89Cx051, gồmcác cổng giao tiếp mở rộng Khối này làm nhiệm vụ trung tâm điều hành hoạt độngcủa cả bộ KIT

Khối mạch nạp: Đây là khối giao tiếp giữa hệ vi điều khiển của bộ KIT và máytính.

PC giúp cho người sử dụng có thể phát triển các ứng dụng trên bộ KIT từ máy tính.Người sử dụng dùng PC để nạp các chương trình ứng dụng cho bộ KIT Chương trìnhứng dụng của người sử dụng được nạp cho bộ KIT từ máy tính thông qua phần mềmnạp đi kèm theo KIT

Khối Module Led đơn : Là khối hiển thị Led đơn, có thể sử dụng để hiển thị các giá

trị theo chương trình ứng dụng của người sử dụng như: Bộ đếm…

Khối Module Tưng tự - số (ADC): Các bộ chuyển đổi ADC thuộc trong những thiết

bị được sử dụng rộng rãi nhất để thu thập và hiển thị dữ liệu Các máy tính số, các chipđiều khiển sử dụng các giá trị nhị phân, nhưng trong thực tế thì mọi đại lượng lại ởdạng tương tự (liên tục) Nhiệt độ, áp suất (khí hoặc chất lỏng), độ ẩm và vận tốc là

một số ít trong những đại lượng vật lý của thế giới thực mà ta gặp hàng ngày Để lấyđược dữ liệu là các đại lượng vật lý đó ta cần sử dụng cảm biến và chuyển nó thànhcác đại lượng điện (dòng điện, điện áp) và những đại lượng dòng điện và điện áp nàyđều ở dạng liên tục (tương tự) Do vậy, khối chuyển đổi ADCnày sẽ có chức năngchuyển đổi các tín hiệu tương tự thành tín hiệu số

Khối nguồn nuôi: Cung cấp nguồn nuôi cho toàn bộ KIT Đảm bảo nguồn và

dòng.Đây là nguồn nuôi cho toàn bộ KIT Đầu vào 220VAC~/50Hz, đầu ra +5VDC

Khối giao tiếp RS232 (COM):Vi điều khiển có khả năng giao tiếp với máy tính thông

qua hoạt động của cổng nối tiếp, hoạt động đó là chuyển đổi dữ liệu từ song song sangnối tiếp đối với dữ liệu xuất và ngược lại đối với dữ liệu nhập, truy cập phần cứng vớiport nối tiếp thông qua port 3 làP3.0(RXD) chân 10 và P3.1(TXD) chân 11.Khốitruyền thông nối tiếp RS232 có chức năng kết nối máy tính với vi điều khiển qua cổngtruyền thông nối tiếp RS232 (cổng COM) của máy tính và thực hiện các bài tập truyềnnhận dữ liệu đơn giản, có thể khảo sát bằng phần mềm trên máy tính

2.2 Tính toán thông số của từng Module

2.2.1.Khối Module led đơn

+ Chức năng: Hiển thị trạng thái logic tại các cổng Hiển thị các ứng dụng đơn giản kếthợp với các modul khác như trạng thái Run/Stop hoặc Left/Right v.v… Trong phầnnày hướng thiết kế tạo một mô hình led đơn để các bạn có thể lập trình hộ hệ thống ledsáng theo ý muốn từ đơn giản là hiển thị trạng thái các đèn cho đến kết hợp với modulled 7 thanh hiển thị trạng thái cho từng đèn Hoặc ứng dụng riêng do người dùng pháttriển

+Các cách kết nối led đơn

* Ghép nối LED với 89C51

AT89C51 là dòng vi xử lý khá thông dụng và rẻ tiền ở việt nam Sở hữu với 4 Port điều khiển (P0, P1, P2,P3) và bộ nhớ chương trình 4K và dao động xung sử dụng thạch anh 12MHZ Kết nối giữa LED và AT89C51 có 2 kiểu kết nối như sau :

+ Kết nối trực tiếp

LED được kết nối trực tiếp với AT89C51 theo hai chế độ là hút dòng và xả dòng Nguyên lý kết nối như sau :

23

Hình 2.2 kết nối led trực tiếp qua 2 chế độ

Ở chế độ xả dòng thì LED sẽ không sáng được hết công suất vì đầu ra dòng của chân

vi xử lý thường thấp

Ở chế độ hút dòng thì LED sẽ sáng được hết công suất nhưng sẽ làm hại vi xử lý nếu LED có công suất lớn vì dòng qua vi xử lý quá mức cho phép Trong các mạch ghép nối với LED có dòng tiêu thụ thấp thì người ta sẽ dùng kiểu ghép hút dòng này

+ Kết nối thông qua IC đệm

Đối với kiểu này thì LED được kết nối thông qua các IC đệm như transitor, các IC đệm dòng chuyên dụng như ULN2803 Đối với kiểu này thì LED được mắc như sau :

Hình 2.3 Kết nối led qua IC đệmĐối với kiểu ghép này đảm bảo cho vi xử lý không bị quá tải và cho LED sáng nhất.Với kiểu ghép này thì có thể chạy được LED công suất lớn Ngoài transitor còn có cácloại IC đệm dòng tương đối như ULN2803 (500mA)

+Thiết kế và tính toán

Không giống như Diode, LED sáng (Phân cực thuận) sẽ gây sụt áp trên nó vàokhoảng 1,7 ÷ 2,5V tùy màu LED Và dòng định mức trong khoảng 10 ÷ 40 mA Khi

đó ta có mạch điều khiển LED như sau

Hình 2.4: Sơ đồ kết nối LED đơnGiả sử mạch kết nối với 89C51 thì có mức logic 0 (từ 0 – 0,4V), và mức 1 (từ 4,5 –5V) Chọn dòng qua LED là 15 mA cho LED thật sáng và điện áp rơi trên LED là 2V

Led hoạt động ở mức 1,8 đến 3V dòng 10 đến 20mA

- Nếu bạn lấy led ( thường loại 3V ) cắm vào nguồn 5V ===> led sẽ hỏng

- Nếu muốn tính điện trở hạn dòng cho led ( để nó không hỏng và hoạt động bìnhthường ở 5V ) thì : Giá trị điện trở nhỏ nhất : (5V - 3V ) / 20mA = 0,1 k ôm = 100 ôm

- Giá trị lớn nhất : (5V-1,8V)/10mA = 0,32 k ôm = 320 ôm

- Chọn giá trị điện trở nào dong dải 100 > 320 đều được

Xét hình 2.5 LED sáng khi mức logic tại đầu IN là mức logic 0 vậy điện áp đầu ra89C51 là 0,4V Nên giá trị điện trở R1 là:

Ω 130 10

20

4 , 0 2 5

Hỡnh 2.5 Cỏch nối LED đơn

Ở cỏch 1, đõy là cỏch tốt nhất, cú điện trở hạn dũng Trở được tớnh như sau saocho sụt ỏp trờn nú khoảng từ 2V ữ 2,5V và sụt ỏp trờn vi điều khiển 0,9V Từ nhữngtớnh toỏn ở trờn điện trở hạn dũng cho LED khụng nờn dưới 100Ω (khụng LED sẽchỏy)

Với modul led đơn thỡ ta sẽ tớnh được cụng suất max mà mạch tiờu thụ là khi 16 led cựng sỏng Với dũng trờn mỗi LED là 15mA và điện ỏp nguồn là 5V

P = U.I = 5.16.15mA = 1,2W

2.2.2 Khối Module chuyển đổi tương tự - số ADC

+Chức năng :Cỏc bộ chuyển đổi ADC thuộc trong những thiết bị được sử dụngrộng rói nhất để thu thập và hiển thị dữ liệu Cỏc mỏy tớnh số, cỏc chip điều khiển sửdụng cỏc giỏ trị nhị phõn, nhưng trong thực tế thỡ mọi đại lượng lại ở dạng tương tự(liờn tục) Nhiệt độ, ỏp suất (khớ hoặc chất lỏng), độ ẩm và vận tốc là một số ớt trongnhững đại lượng vật lý của thế giới thực mà ta gặp hàng ngày Để lấy được dữ liệu làcỏc đại lượng vật lý đú ta cần sử dụng cảm biến và chuyển nú thành cỏc đại lượng điện(dũng điện, điện ỏp) và những đại lượng dũng điện và điện ỏp này đều ở dạng liờn tục(tương tự)

Tín hiệu tơng tự là tín hiệunbiến thiên liên tục theo thời gian, tín hiệu số mã hoá là rời rac theo thơi gian Để chuỷên đổi tín hiệu tơng tự sang dạng tín hiệu số

đòi hỏi phải lợng tử hoá biên độ và rời rạc hoá trục thời gian tín hiệu số liên tục.

Để có đợc điều này, cần phải lấy mẫu tín hiệu tơng tự tại những khoảng thời gian

nh nhau sau đó chuyển đổi các giá trị mẫu thành số Nh vậy, nguyên lý chung của sự chuyển đổi là:

- lấy mẫu

- nhớ mẫu

- lợng tử hoá

- mã hoá

+ Cỏc phương phỏp chuyển đổi tương tự -số ADC

Có nhiều cách phân loại chuyển đổi tơng tự-số ADC , tuy nhiên chủ yếu phân loại theo quá trình chuyển đổi về mặt thời gian theo cách phân loại này có

4 phơng pháp biến đổi AD nh sau:

1:Phơng pháp chuyển đổi song song: Trong phơng pháp nàytín hiệu đợc so sánh cùng một lúc với nnhiều giá trị chuẩn Do đó tất cả các bit đợc xác định

đồng thời và đa đến đầu ra.

2: Biến đổi theo mã đếm: ở đây, quá trình so sánh đợc thực hiện lần lợt từng bớc theo quy luật của mã đếm Kết quả chuyển đổi đợc xác định bằng cách

đếm số lợng giá trị chuẩn có thể chứa đợc trong giá trị tín hiệu tơng tự cần chuyển đổi.

3: Biến đỏi nối tiếp theo mã nhị phân: Qúa trình so sánh đựoc thực hiện lần lợttừng bớc theo quy luật mã nhị phân Các đơn vị chuản dùng để so sánh lấy các giátrị giảm dần, do đó các bit đợc xác định lần lợt từng bit có nghĩa lớn nhất đến bit

nhỏ nhất

4: Biến đổi song-song nối tiếp kết hợp: Trong phơng pháp này mỗi bớc so sánhcó

thể đợc xác định đợc tối thiểu là 2 bit đồng thời

Nh vậy, có rất nhiều phơng pháp chuyển đổi, tuy nhiên các mạch thc tế làm việctheo nhiều phơng pháp khác nhau Nhng về nguyên tắc chuyển đổi đều làm theonhững phơng pháp trên Trong quá trình thiết kế một hệ thống đo lờng và điềukhiển bằng máy tính, hay một hệ thống đo lờng số nào đó tuỳ vào yêu cầucủa hệthống nh tốc độ,độ chính xác vật t hiện có mà lựa chọn phơng pháp chuyển đổikhác nhau Mỗi phơng pháp đều có u nhợc điểm khác nhau, chính vì vậy việcnghin cứu nguyên lý hoạt động , tính năng kỹ thuạt của từng phơng pháp cũng nh từng

mạch cụ thể là nhiệm vụ của ngời thiết kế

Do vậy, khối chuyển đổi ADCnày sẽ cú chức năng chuyển đổi cỏc tớn hiệutương tự thành tớn hiệu số từ cảm biến LM35

+Phõn tớch yờu cầu, lựa chọn linh kiện

Cỏc yờu cầu của khối chuyển đổi ADC

- Chuyển đổi tớn hiệu tương tự thành tớn hiệu số 8 bit

- Chuyển đổi tớn hiệu số 8 bit thành tớn hiệu tương tự

- Thời gian chuyển đổi nhanh

- Dễ thiết kế, dễ chế tạo và sử dụng

- Giỏ thành sản phẩm hợp lý

Từ cỏc yờu cầu trờn ta cú thể chọn loại IC được sử dụng rộng rói đú là ADC0804 cho

bộ chuyển đổi A/D

Thụng số ADC0804:

- Nguồn cung cấp Vcc: 5VDC

- Dũng điện tối đa Icc: 2.5mA

Từ yờu cầu của khối ta cú thể thiết kế được sơ đồ mạch điện của bộ chuyển đổiADC.Sử dụng cảm biến LM35, Chõn VREF của ADC được điều khiển bởi biến trở R47,chõn CS và RD nối với GND, chõn WR được nối với chõn P3.0 (RxD) của vi điềukhiển chõn INTR được nối với chõn P3.1 (TxD) của vi điều khiển Cỏc đầu ra số DB0đến DB7 được nối tương ứng với cỏc chõn Px.0 đến Px.7 của vi điều khiển Với bộbiến đổi A/D ta xõy dựng được sơ đồ nguyờn lý như sau:

27

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý modul chuyển đổi ADCCác bộ chuyển đổi ADC thuộc những thiết bị được sử dụng rộng rãi nhất để thu

dữ liệu Các máy tính số sử dụng các giá trị nhị phân, nhưng trong thế giới vật lý thìmọi đại lượng ở dạng tương tự (liên tục) Nhiệt độ, áp suất (khí hoặc chất lỏng), độ ẩm

và vận tốc và một số ít những đại lượng vật lý của thế giới thực mà ta gặp hằng ngày.Một đại lượng vật lý được chuyển về dòng điện hoặc điện áp qua một thiết bị được gọi

là các bộ biến đổi Các bộ biến đổi cũng có thể coi như các bộ cảm biến Mặc dù chỉ

có các bộ cảm biến nhiệt, tốc độ, áp suất, ánh sáng và nhiều đại lượng tự nhiên khácnhưng chúng đều cho ra các tín hiệu dạng dòng điện hoặc điên áp ở dạng liên tục Dovậy, ta cần một bộ chuyển đổi tương tự số sao cho bộ vi điều khiển có thể đọc đượcchúng Một chip ADC được sử dụng rộng rãi là ADC0804

Hình 2.7: Sơ đồ chân ADC0804

Chip ADC0804 là bộ chuyển đổi tương tự số thuộc họ ADC800 của hãngNational Semiconductor Chip này cũng được nhiều hãng khác sản xuất Chip có điện

áp nuôi +5V và độ phân giải 8 bit Ngoài độ phân giải thì thời gian chuyển đổi cũng làmột tham số quan trọng khi đánh giá bộ ADC Thời gian chuyển đổi được định nghĩa

là thời gian mà bộ ADC cần để chuyển một đầu vào tương tự thành một số nhị phân.Đối với ADC0804 thì thời gian chuyển đổi phụ thuộc vào tần số đồng hồ được cấp tớichân CLK và CLK IN và không bé hơn 110µs Các chân khác của ADC0804 có chứcnăng như sau:

- CS (Chip select): Chân số 1, là chân chọn chip, đầu vào tích cực mức thấp được sửdụng để kích hoạt Chip ADC0804 Để truy cập tới ADC0804 thì chân này phải đượcđặt ở mức thấp

- RD (Read): Chân số 2, là chân nhận tín hiệu vào tích cực ở mức thấp Các bộ chuyểnđổi của 0804 sẽ chuyển đổi đầu vào tương tự thành số nhị phân và giữ nó ở một thanhghi trong Chân RD được sử dụng để cho phép đưa dữ liệu đã được chyển đổi tới đầu

ra của ADC0804 Khi CS = 0 nếu có một xung cao xuống thấp áp đến chân RD thì dữliệu ra dạng số 8 bit được đưa tới các chân dữ liệu (DB0 – DB7)

- WR (Write): Chân số 3, đây là chân vào tích cực mức thấp được dùng báo cho ADCbiết để bắt đầu quá trình chuyển đổi Nếu CS = 0 khi WR tạo ra xung cao xuống thấpthì bộ ADC0804 bắt đầu quá trình chuyển đổi giá trị đầu vào tương tự Vin thành sốnhị phân 8 bit Khi việc chuyển đổi hoàn tất thì chân INTR được ADC hạ xuống thấp

- CLK IN và CLK R: CLK IN (chân số 4), là chân vào nối tới đồng hồ ngoài được sửdụng để tạo thời gian Tuy nhiên ADC0804 c ũng có một bộ tạo xung đồng hồ riêng

Để dùng đồng hồ riêng thì các chân CLK IN và CLK R (chân số 19) được nối với một

tụ điện và một điện trở Khi đó tần số được xác định bằng biểuthức:F=Với R = 10 kΩ, C = 150 pF và tần số f = 606 kHz và thời gian chuyển đổi là 110 µs

- Ngắt INTR (Interupt): Chân số 5, là chân ra tích cực mức thấp Bình thường chânnày ở trạng thái cao và khi việc chuyển đổi tương tự số hoàn tất thì nó chuyển xuốngmức thấp để báo cho CPU biết là dữ liệu chuyển đổi sẵn sàng để lấy đi Sau khi INTRxuống thấp, cần đặt CS = 0 và gửi một xung cao xuống thấp tới chân RD để đưa dữliệu ra

- Vin (+) và Vin (-): Chân số 6 và chân số 7, đây là 2 đầu vào tương tự vi sai, trong đóVin = Vin(+) – Vin(-) Thông thường Vin(-) được nối tới đất và Vin(+) được dùng làmđầu vào tương tự và sẽ được chuyển đổi về dạng số

- Vcc: Chân số 20, là chân nguồn nuôi +5V Chân này còn được dùng làm điện áptham chiếu khi đầu vào Vref/2 để hở

29

- Vref/2: Chân số 9, là chân điện áp đầu vào được dùng làm điện áp tham chiếu Nếuchân này hở thì điện áp đầu vào tương tự cho ADC0804 nằm trong dải 0 đến +5V Tuynhiên, có nhiều ứng dụng mà đầu vào tương tự áp đến Vin khác với dải 0 đến +5V.Chân Vref/2 được dùng để thực hiện các điện áp đầu ra khác 0 đến +5V.

Bảng 2.1 điện áp tham chiếu

- D0 – D7, chân số 18 – 11, là các chân ra dữ liệu số (D7 là bit cao nhất MSB và D0 làbit thấp nhất LSB) Các chân này được đệm ba trạng thái và dữ liệu đã được chuyểnđổi chỉ được truy cập khi chân CS = 0 và chân RD đưa xuống mức thấp Để tính điện

áp đầu ra ta tính theo công thức sau:

Dout = Vin / Kích thước bước

+ Cảm biến nhiệt độ LM35

Hình 2.8: Sơ đồ chân LM35

Chân 1: Chân nguồn Vcc

Chân 2: Đầu ra Vout

Chân 3: GND

Một số thông số chính của LM35:

Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng cũng không yêu cầu